Brevet FR2685049A1 — publié le 19930618

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité, comportant un élément d'étanchéité constitué d'une matière souple et agencé entre des surfaces d'étanchéité de pièces à relier. Par le brevet EP-0 049 459, on connaît un dispositif d'étan- chéité de ce type Dans ce cas, un joint étanche plat en une matière souple est agencé entre les surfaces d'étanchéité de pièces à relier De tels joints étanches plats sont utilisés partout o ce qui importe est de ne pas trop augmenter la10 longueur des pièces jointes Dans ce cas, il est prévu que le joint étanche s'étende dans l'état monté sur le bord externe d'au moins une des surfaces d'étanchéité De plus, la zone du joint étanche s'étendant sur la zone de bord, qui n'est pas déformée lors du montage, doit garantir le joint15 contre un déplacement Si l'on prévoit un tel dispositif d'étanchéité pour des pièces ou des éléments d'appui dans lesquels on doit réaliser une étanchéification vis-à-vis d'un fluide à pression très élevée, il existe le problème que, dans le cas de ce joint plat constitué d'une matière20 souple, l'épaisseur du joint prévue est cependant toujours telle qu'un fluage du joint est inévitable Pour empêcher un tel fluage à des pressions élevées, il est par ailleurs connu d'utiliser un joint annulaire étanche (brevet EP-0 058 811), qui est guidé à l'intérieur d'une gorge dans au moins une des surfaces d'étanchéité, de sorte que la bague d'étan- chéité ne puisse pas s'échapper Cependant, un inconvénient consiste dans ce cas en ce que de tels dispositifs d'étan- chéité ne peuvent pas être également prévus pour l'étan- chéification de pressions élevées quand, en même temps, une matière d'étanchéification tendre est utilisée Par ail- leurs, il existe l'inconvénient que, selon la matière d'étanchéification choisie, après le montage et un court temps d'utilisation, il se produit un tassement du joint étanche, ce qui rend nécessaire un resserrement des éléments de liaison Par ailleurs, la fabrication d'un agencement comportant une gorge pour le joint d'étanchéité est coû- teuse. A partir de cet état de la technique, l'invention a pour but de fournir un dispositif d'étanchéité qui est réalisé de façon simple et peut être utilisé en particulier à des pressions élevées et à des températures ou des différences de températures élevées. A cet effet, le dispositif d'étanchéité du type indiqué ci-dessus, est remarquable, selon l'invention, en ce que l'élément d'étanchéité est constitué d'un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage et est réalisé sous forme d'une feuille mince, de sorte que l'élément15 d'étanchéité conserve pratiquement, dans l'état final monté entre les surfaces d'étanchéité, le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état auparavant démonté. Grâce à la réalisation de l'élément d'étanchéité en tant que feuille mince, qui est constituée d'un polymère à l'état20 solide et présentant des propriétés de fluage, on obtient un dispositif d'étanchéité qui est extrêmement simple et, en conséquence, économique à fabriquer De plus, la feuille d'étanchéification présente une minceur telle que l'élément d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté. Selon les connaissances actuelles, on a délibérément renon- cé, de façon usuelle, pour une utilisation en tant que joints étanches à des pressions élevées, à des polymères à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, du fait que ceux-ci, lorsque l'élément d'étanchéité présente une épaisseur usuelle, fluent à des pressions élevées La réalisation selon l'invention en tant que feuille mince se base de plus sur la constatation reconnue dans des essais que, pour de très faibles épaisseurs de feuille, le fluage de polymères à l'état solide, par exemple du PTFE, est5 arrêté par la tension de surface dans ce cas efficace Il est en vérité connu de la pratique générale, en particulier pour des liaisons à vis de tubes sur des armatures de pression ou analogues, d'utiliser une mince bande de PTFE dans la zone du filetage et de visser ensuite les tubes.10 Dans le cas d'une bande d'étanchéité usuelle de PTFE, il n'existe cependant aucune épaisseur homogène du fait que celle-ci n'est pas nécessaire pour enrober les zones de filetage Par ailleurs, la bande d'étanchéité de PTFE est déformée lors du vissage des tubes et s'introduit dans tous15 les défauts d'étanchéité grâce au fluage de la matière, en étanchéifiant ceux-ci La déformation, voulue lors du montage, de la bande d'étanchéité connue de PTFE rend ainsi inutile la nécessité d'une épaisseur de bande d'étanchéité homogène Au contraire, l'élément d'étanchéité de la pré-20 sente invention n'est pas déformé lors de la réalisation de la liaison étanche, mais il est réalisé de sorte que l'élé- ment d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté, c'est-à- dire qu'il ne flue pas Cela signi-25 fie que l'élément d'étanchéité selon l'invention, réalisé en tant que feuille mince, en un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage n'est pas déformé lors de la liaison étanche Lors du montage, la feuille d'étan- chéité est posée sur une des surfaces d'étanchéité et est30 "approchée" de l'autre surface d'étanchéité Dans une réalisation avantageuse de l'invention, en tant que polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, on prévoit une feuille de PTFE, qui présente une épaisseur de feuille inférieure à 0,15 mm Cela constitue un domaine d'épaisseur dans lequel la tension de surface est prépondé- rante et empêche ainsi un fluage de l'élément d'étanchéité à des pressions élevées Ces pressions élevées se rapportent aussi bien aux pressions du fluide de pression guidé dans les parties de l'installation qu'également aux pressions de pressage mécaniques sur les surfaces d'étanchéité De plus,5 le choix de la matière d'étanchéité n'est pas limité à du PTFE pur, mais des PTFE modifiés peuvent être également utilisés Par ces PTFE modifiés, on pense à des variantes de cette matière qui sont désignées dans la littérature spé- cialisée par PTFE chargé, PTFE non chargé, etc Il est de10 plus important que l'élément d'étanchéité présente, sur toute son étendue de surface, une épaisseur homogène pour que, en chaque point du joint étanche, un effet d'étanchéité optimal puisse être atteint. Avantageusement, les surfaces d'étanchéité, qui doivent être amenées l'une près de l'autre avec le joint étanche entre elles, présentent, à chaque fois, une planéité telle que les écarts de la planéité absolue sont à chaque fois inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille Cela signifie que les surfaces d'étanchéité, en raison de la faible épaisseur de feuille, doivent être planes de sorte que, cependant, des écarts inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille puissent être compensés par le joint étanche lui-même Dans la pratique, cela signifie que les surfaces d'étanchéité sont par exemple rodées. De préférence, les surfaces d'étanchéité présentent, cha- cune, des profondeurs d'aspérités de surface inférieures à la moitié de l'épaisseur de feuille Comme il n'existe pas en pratique des surfaces absolument lisses sans aspérités de surface, il existe, dans le cas des feuilles d'étanchéité minces proposées selon l'invention, un engagement de la topologie de surface des surfaces d'étanchéité dans la matière formant le joint Par usinage correspondant des surfaces d'étanchéité, des aspérités de surface ayant des profondeurs maximales inférieures à la moitié de l'épaisseur de feuille à atteindre présentent l'avantage que les aspéri- tés s'engagent dans le joint étanche et, ainsi, empêchent encore un fluage du joint Le fait que les profondeurs maximales des aspérités sont plus petites que la moitié de5 l'épaisseur de feuille entraîne que, en aucun point des surfaces d'étanchéité, dans la mesure o elles sont consti- tuées de métal, il n'existe un contact métal-métal. Selon une autre réalisation avantageuse de l'invention, est prévue une variante dans laquelle le dispositif d'étanchéité10 proposé selon l'invention peut être utilisé dans des cas dans lesquels, en raison de réalisations particulières, les surfaces d'étanchéité ne sont pas planes, mais munies d'une structuration en relief De telles surfaces d'étanchéité structurées peuvent être par exemple utilisées avantageuse-15 ment là o, en même temps, pour la liaison étanche de deux pièces, une sécurité en torsion correspondante doit être fournie Il est important, dans le cas d'une telle structu- ration et de l'utilisation de la feuille proposée selon l'invention en tant que joint étanche, qu'il n'existe, dans20 la structuration des surfaces d'étanchéité, aucun bord effilé qui pourrait endommager le joint étanche réalisé en tant que feuille et, ainsi, provoquer des défauts d'étan- chéité. En totalité, il s'est révélé que les dispositifs d'étan- chéité du type proposé selon l'invention sont notablement plus étanches, par rapport à des dispositifs d'étanchéité d'un type usuel, dans la plage de pressions faibles et élevées et de plus, lors de l'utilisation de PTFE ou de PTFE modifié, ils sont également appropriés pour être utilisés à des températures élevées Il est important, pour obtenir un effet optimal d'étanchéité, comme déjà indiqué ci-dessus, que l'épaisseur de feuille soit homogène, c'est-à-dire la plus possible constante sur toute la surface de la feuille. Les relations physiques, ainsi que les rapports formels, qui rendent déterminables les épaisseurs de feuille à choisir, de façon reproductible, pour les cas d'utilisation indivi- duels sont déduits et décrits en détail ci-après. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre l'agencement d'un élément d'étanchéité avec répartition des forces. La figure 2 montre l'agencement d'une feuille d'étanchéité, en tant que joint périphérique, lors de son utilisation dans10 une armature pour fluide de pression. La figure 1 montre, dans la partie supérieure, l'agencement d'un joint étanche volumineux usuel, qui se trouve entre les surfaces d'étanchéité de deux pièces à joindre Dans ce cas, on doit expliquer pourquoi les joints étanches de ce type15 connu fluent Il existe dans ce cas des zones marginales, dans lesquelles le joint étanche peut s'échapper lors du pressage des surfaces d'étanchéité, c'est-à-dire que le joint étanche commence à fluer Ce processus de fluage ou cet effet de fluage peut être expliqué par la répartition20 des forces dans cette zone marginale comme suit Les ten- sions de surface, qui agissent elles-mêmes par les forces de cohésion de la matière d'étanchéité, s'étendent tangentiel- lement à la surface Si l'on considère maintenant, dans la partie supérieure de cette figure, un grand rayon sur la zone marginale du joint étanche, il existe, comme cela est représenté à cet endroit, un angle d'ouverture relativement grand entre les deux vecteurs de force représentant les tensions de surface La direction de force des tensions de surface (en unités force par longueur) est toujours orientée vers l'intérieur et est inversement proportionnelle au rayon r dans la zone marginale du joint étanche La résultante, c'est-à-dire le vecteur d'addition des deux vecteurs représentés à cet endroit, est orientée, dans le cas de la courbure convexe représentée ici du joint étanche, dans la zone marginale vers l'intérieur du joint étanche En revan- che, il se produit par la pression exercée de l'extérieur5 sur le joint étanche et du fait que la pression s'exerce de façon isotrope à l'intérieur du joint étanche et que la matière du joint ne peut cependant s'échapper que dans la zone marginale, une action de force sur les zones marginales du joint vers l'extérieur, c'est-à-dire dans la direction de10 fluage. On obtient une force de fluage résultante en direction anti-parallèle par rapport à la résultante des tensions de surface Comme les surfaces marginales, sur lesquelles agissent les tensions de surface ou sur lesquelles agit la15 pression de fluage orientée vers l'intérieur, sont identi- ques, il en résulte, pour la pression de fluage et les tensions de surface, le facteur 1/S (surface marginale), de sorte que, à partir des tensions de surface et de la pres- sion de fluage, on obtient alors la force de serrage de20 surface et la force de fluage. 6 = F (surface, résultante): S (zone marginale) P (joint étanche) = Ff (fluage): S (zone marginale) De plus, 6 représente la tension de surface, F (résultante, surface) représente la force de serrage de surface, et S (zone marginale) représente la surface efficace dans la zone marginale du joint étanche, qui, en raison de la pression exercée, peut fluer. P représente par ailleurs la pression interne exercée sur le joint étanche par pressage et régulièrement répartie dans toutes les directions dans le joint étanche, et Ff (fluage) représente la force de fluage provoquée par la pression interne du joint étanche. Du fait de la coopération décrite ci-dessus, on obtient alors l'égalité suivante 6 p d'o il résulte Fô = Ff La valeur des résultantes de la force de fluage, c'est-à- dire Ff, est cependant, comme cela est visible sur cette représentation vectorielle, dans le cas de ce dimensionne- ment de l'épaisseur du joint étanche, plus grande que la10 valeur de la force de serrage de surface opposée F 8 On obtient ainsi: | Fa 1 de serrage de surface résultante plus grande vers l'inté- rieur du joint étanche Dans ce cas, il est clair qu'il doit exister une zone de transition dans laquelle la courbure est telle que la force de serrage de surface présente une valeur identique à la force de fluage Comme ces deux forces résultantes sont par ailleurs anti-parallèles, c'est-à-dire orientées de façon opposée l'une à l'autre, elles s'annulent mutuellement En d'autres termes, l'action de la force de serrage de surface est telle, dans cette zone, qu'elle s'oppose à la force de fluage et stoppe, de façon correspondante, l'effet de fluage Cela signifie que, dans cet état, l'égalité suivante est atteinte Fô = Ff Si l'on amincit encore le joint étanche, on obtient alors | FS | > | Ff I Cela signifie que, lorsque l'on est en dessous d'une cer- taine épaisseur de feuille, l'effet de fluage est annulé et, lorsqu'une pression est exercée de l'extérieur, aucune déformation importante du joint étanche ne peut plus avoir10 lieu A partir de ce fait, il apparaît que, lors d'une réalisation du joint étanche en tant que feuille mince, la matière d'étanchéité présentant en vérité des propriétés de fluage, aucune déformation, une fois le montage effectué, ne peut plus avoir lieu Cela signifie que15 le joint étanche, dans l'état monté, conserve pratiquement la forme du joint étanche dans l'état démonté L'épaisseur de feuille vaut alors 2 r De plus, il apparaît que, dans le cas d'un tel joint étanche mince, réalisé en tant que feuille, aucun "tassement" du joint étanche n'a lieu et,20 ainsi, un resserrement des éléments de liaison, qui pressent les surfaces d'étanchéité sur le joint étanche, est super- flu De ce fait, il est également possible que des polymères présentant des propriétés de fluage soient réalisés de sorte qu'ils ne fluent plus et, ainsi, sont également utilisables25 pour des pressions élevées Cela est particulièrement avantageux dans le cas o l'élément d'étanchéité est réalisé à partir de PTFE, du fait que, en particulier, la résistance à la température de la matière peut être en plus exploitée. Par ailleurs, on obtient, en totalité, un dispositif d'étan- chéité extrêmement économique Il reste maintenant à trouver une dépendance entre la pression de pressage exercée sur le joint étanche et l'épaisseur qui doit être choisie du joint étanche, pour laquelle un fluage pour une pression de pressage définie n'a plus lieu A ce propos, on doit indiqué qu'on ne trouve pas de valeurs, ou très difficilement, pour la tension de surface de corps solides dans la littérature5 actuelle Cela vaut au demeurant en particulier pour la matière PTFE à l'état de corps solide à température am- biante Toutefois, le fluage de ce polymère est connu, de sorte que, à partir de cette propriété de fluage de l'état de corps solide à température ambiante, une tension de10 surface peut être également définie qui, comme cela sera décrit ci-après, peut être déterminée expérimentalement On considère encore une fois la partie supérieure de la figure 1, dans laquelle la force de pressage, la surface, les rapports des forces, ainsi que le rayon, sont indiqués, et l'on voit que le joint étanche ne peut s'échapper que dans la zone marginale, c'est-à-dire là o sont les courbures convexes Cette courbure peut être décrite par le rayon r qui est représenté là Si on veut maintenant régler l'état qui correspond au dispositif selon l'invention, on doit20 obtenir un équilibre entre la force de fluage et la force de serrage de surface, comme cela est représenté sur la partie inférieure de la figure 1. Selon le principe des déséquilibres virtuels, à l'équilibre, pour une modification du rayon de dr, la variation d'énergie25 totale doit être nulle Le travail effectué par la pression p (p = F/A surface d'étanchéité) pour une dilatation de dr s'exprime ainsi comme suit d Wl = p d V La surface de la zone marginale est caractérisée ici par S et ne concerne, comme déjà représenté ci-dessus, que la surface de la partie courbée du joint étanche, c'est-à-dire dans la zone marginale, qui peut s'échapper Le travail effectué par la pression de pressage est, à l'équilibre, il dans lequel un fluage est arrêté, ainsi tout à fait compensé par le travail nécessaire pour augmenter la surface de d S d W 2 = 5 d S Sur la figure 1, le joint étanche présente une section transversale rectangulaire ayant des bords cintrés de façon convexe circulaire, et il est admis que le joint étanche s'étend dans l'espace de sorte que l'on obtient un corps d'étanchéité en forme de galette présentant un contour périphérique circulaire Si l'on considère maintenant le10 volume pouvant fluer d'un tel corps d'étanchéité, on obtient le long du contour périphérique un volume approché pour l'effet de f luage, lequel constitue un demi-tore Si l'on égalise alors à l'équilibre, les deux énergies, on obtient: d W = d W 2 De cela, il résulte p.d V = 6 d S La surface sur laquelle agit le travail correspondant résulte du rayon x rr x approximativement la ligne périphéri- que L du contour du corps d'étanchéité On obtient ainsi la modification de volume: d V = L Tr/2 r dr et la modification de surface d S = L rr dr Pour respecter l'exactitude mathématique, les grandeurs infinitésimales devraient être transformées en modifications de grandeur réelles: dr ->r d V, AV d S AS On obtient ainsi la relation suivante A S 26 p = 6 p = AV r Les grandeurs utilisées ci-dessus fournissent la relation entre la pression de pressage, la tension de surface et le rayon de courbure r dans la zone marginale du joint étanche. Du fait que, comme déjà indiqué, il est très difficile10 d'extraire de la littérature des valeurs de tension de surface de corps solides, en particulier du PTFE à l'état solide, celles-ci peuvent être déterminées expérimentale- ment, par l'intermédiaire de la relation ci-dessus, pour le polymère correspondant spécifiquement choisi Par ailleurs,15 on obtient déjà de façon purement empirique qu'il existe, pour cette matière, une dépendance de température de la tension de surface qui, de même, peut être déterminée expérimentalement De façon à être complet, on doit indiquer ici quelques cas d'application Pour une surface de section20 transversale A de la feuille d'étanchéité de 700 m M 2 et une force de pressage de 100 k N à 170 k N, on n'obtient, pour une épaisseur de feuille de 0,05 mm, pratiquement plus aucun fluage du corps d'étanchéité Ces valeurs sont considérées à température ambiante En d'autres termes, cela signifie que,25 dans un exemple pour une force de pressage de 170 k N sur une surface de section transversale de 700 m M 2, aucune déforma- tion et aucun fluage du joint étanche n'ont plus lieu, ainsi que pour des forces de pressage plus faibles, par exemple k N L'épaisseur de feuille du joint étanche de 0,05 mm peut être obtenue de façon reproductible en choisissant un PTFE homogène Pour des forces de pressage qui sont plus petites que les forces indiquées, on peut utiliser également de plus grandes épaisseurs de feuille de façon correspondant à la relation indiquée L'épaisseur de feuille que l'on doit choisir pour une force ou une pression de pressage corres- pondante, qui ne flue plus de façon correspondant aux caractéristiques de l'invention, peut ainsi être déterminée de façon simple pour chaque cas individuel d'utilisation. A l'aide de la formule ci-dessus, l'épaisseur de feuille à chaque fois nécessaire ou l'épaisseur de feuille maximale, égale à 2 x r, peut être alors déterminée après détermina- tion expérimentale de la tension de surface correspondant à des conditions d'utilisation spéciales (température,lo etc) de la matière d'étanchéité, épaisseur pour laquelle le joint étanche ne flue plus La valeur ainsi déterminée expérimentalement de la tension de surface est plus fiable que peut être une valeur tabularisée retirée de la littéra- ture, du fait que la valeur déterminée expérimentalement15 n'est pas idéalisée, mais prend en compte toutes les condi- tions correspondant au cas d'utilisation. La figure 2 montre un exemple d'utilisation d'une telle feuille d'étanchéité pour des armatures de fluide de pres- sion En pratique, les surfaces d'étanchéité 1 ' et 2 ' des20 pièces 1 et 2 sont usinées et préparées de façon correspon- dant aux réalisations indiquées ci- dessus, le joint étanche 3 devant être alors mis en place entre elles et les surfaces 1 ' et 2 ' à étanchéifier amenées l'une sur l'autre Un vissage ultérieur le plus régulier possible des deux pièces 1 et 2 amenées l'une sur l'autre par l'intermédiaire des éléments de vissage 4 représente alors déjà la fin du montage Comme le joint étanche est réalisé en étant aussi mince qu'une feuille et que l'épaisseur est choisie de façon qu'aucun fluage sous l'influence de la pression n'a plus30 lieu, il ne se produit plus de tassement du joint étanche après le premier montage Cela rend ainsi inutile un resser- rement des éléments de vissage, qui sont formés dans ce cas de boulons. En totalité, on obtient ainsi un dispositif d'étanchéité sûr et en même temps économique qui, par ailleurs, est très simple à monter. L'utilisation d'un tel dispositif d'étanchéité s'étend bien au-delà de la possibilité d'utilisation pour des armatures de fluide de pression, à d'autres domaines de la technique. Des pièces de construction, par exemple lors de la mise en place de sousgroupes électroniques dans des zones menacées par le feu ou une explosion, peuvent être dans ce cas tout à fait avantageusement étanchéifiées. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'étanchéité, comportant un élément d'étan- chéité constitué d'une matière souple et agencé entre des surfaces d'étanchéité de pièces à relier, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité ( 3) est consti-5 tué d'un polymère à l'état solide et présentant des pro- priétés de fluage et est réalisé sous forme d'une feuille mince, de sorte que l'élément d'étanchéité ( 3) conserve pratiquement, dans l'état final monté entre les surfaces d'étanchéité ( 1 ',2 '), le contour périphérique de l'élément10 d'étanchéité dans l'état auparavant démonté. 2 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité ( 3), réalisé sous forme de feuille, est constitué de PTFE ou de PTFE modifié. 3 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité ( 3) présente une épaisseur de feuille inférieure à 0,15 mm. 4 Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces d'étanchéité ( 1 ',2 ') présentent, chacune, une planéité telle que les écarts maximaux de cette planéité sont à chaque fois inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces d'étanchéité ( 1 ',2 ') présentent, chacune, des profondeurs d'aspérités de surface inférieures à la moitié de l'épaisseur de feuille. 6 Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les surfaces d'étanchéité ( 1 ',2 ') sont structurées en relief par segments de surface, et les5 surfaces d'étanchéité ( 1 ',2 ') à joindre l'une à l'autre par l'intermédiaire de l'élément d'étanchéité ( 3) se trouvant entre elles sont structurées de façon complémentaire.