Brevet FR2678997A1 — publié le 19930115

Joint d'étanchéité à âme métallique et garnitures en graphite ex- pansé L'invention concerne les joints d'étanchéité à âme métallique. Dans certains types de vannes, on utilise pour assurer l'étan- chéité entre le corps ou fût et le chapeau un joint annulaire dit "autoclave" en métal assez ductile comme le fer Armco, parfois revêtu d'un métal tendre tel que l'argent. Un tel joint et sa disposition dans la vanne sont illustrés aux figures 1 et 2 Le joint 1 présente en section transversale, comme vu dans le plan de coupe des figures 1 et 2 passant par l'axe 2 de sa configuration annulaire, la forme d'un trapèze rectangle, dont le côté oblique 3 fait avant montage un angle d'environ 24 avec la grande base 4, ce côté et cette base étant raccordés par un arrondi 17 Le côté 3 est situé entre l'axe 2 et la base 4, parallèle à ce dernier, de sorte que le côté 3 et la base 4 définissent respectivement une surface tronconique concave et une surface cylindrique convexe du joint, la première reposant sur une surface tronconique convexe 5 du chapeau 6 de la vanne et la seconde étant accolée à une surface cylindrique interne 7 d'une portion tubulaire 8 du fût Les génératrices des surfaces 5 et 7 font entre elles, avant montage du joint, un angle aigu légèrement supérieur à celui du côté 3 et de la base 4, soit environ 25 . Une gorge annulaire 9 ménagée dans la surface cylindrique 7 loge partiellement plusieurs segments 10 disposés à la suite les uns des autres le long de la circonférence du fût 8 Chacun de ces segments 10 fait saillie à partir de la gorge 9 vers l'intérieur du fût et présente une surface plane radiale 11 contre laquelle s'appuie la surface plane radiale définie par le côté 12 de la section trapézoïdale du joint perpendiculaire aux bases. Dans le présent mémoire, pour faciliter la lecture des dessins, des surfaces annulaires sont désignées par les mêmes numéros de référence que les lignes qui les représentent en section transversale axiale Sauf indications particulières, les termes "axial", "radial", "intérieur", "extérieur", s'entendent par rapport à l'axe de la configuration annulaire du joint. Lors de l'assemblage de la vanne, on enfonce le chapeau 6, muni du joint 1, dans le fût 8 jusqu'à ce que la gorge 9 soit suffisamment dégagée pour permettre l'introduction des segments On fait alors remonter le chapeau jusqu'à ce que la face 12 du joint vienne en contact avec les segments 10 On place sur l'extrémité ouverte du fût et sur la région périphérique du chapeau un couvercle annulaire 13 présentant des trous traver- sants 14 en regard de trous filetés 15 prévus dans le chapeau. Des vis 16 se vissant dans les trous 15 et dont les têtes s'appuient sur la face extérieure du couvercle 13 permettent de serrer le joint entre la surface tronconique 5 du chapeau et la surface 11 des segments 10 avec une force élevée En raison de la différence d'inclinaison entre les surfaces tronconiques 3 et , la région du joint voisine de l'arête arrondie 17 est écrasée et s'applique étroitement contre les surfaces 5 et 7, assurant une excellente étanchéité entre le chapeau et le fût. La très forte pression exercée par le joint sur la surface 7 du fût provoque une déformation de celle-ci et une pénétration du joint dans l'épaisseur du fût Ceci rend l'extraction du joint très difficile lorsque la vanne doit être démontée, nécessitant une main-d'oeuvre très importante et conduisant fréquemment à une détérioration du fût et à la nécessité d'un réusinage de celui- ci. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention propose un joint d'étanchéité à âme métallique présentant une configuration sensiblement annulaire et comportant des première et seconde surfaces d'étanchéité et une surface d'appui sensiblement annulaires, les première et seconde surfaces d'étanchéité formant entre elles un angle aigu et la surface d'appui étant comprise dans ledit angle aigu, de façon que, lorsque le joint est assemblé, une poussée exercée sur elle par un élément d'appui amène les surfaces d'étanchéité en contact étanche avec des surfaces coopérantes respectives de l'assemblage, et étant adjacente à la première surface d'étan- chéité, caractérisé en ce qu'il comprend une première garniture en matière tendre logée dans une feuillure de l'âme métallique ménagée dans la première surface d'étanchéité et dans la surface d'appui, et une seconde garniture en matière tendre logée dans un lamage de l'âme métallique ménagé dans la seconde surface d'étanchéité, ainsi qu'une bague d'appui rigide recouvrant la première garniture du côté de la surface d'appui et également logée, à l'état monté du joint, dans ladite feuillure, en venant en affleurement de la partie de la surface d'appui définie par l'âme métallique, le contact étanche des première et seconde surfaces d'étanchéité étant assuré par les première et seconde garnitures respectivement. On entend par "matière tendre" une matière qui peut se déformer ou se comprimer sous un effort sensiblement moins élevé que celui requis pour déformer le métal de l'âme. Très avantageusement, les première et seconde garnitures sont en graphite expansé, les volumes des logements pour celles-ci étant choisis de telle sorte que la densité du graphite dans le joint monté soit comprise entre 1,6 et 1,9 environ. Le joint comprend de préférence des moyens de retenue pour empêcher le fluage de la première garniture, notamment lorsque celle-ci est en graphite expansé, le long de la première surface d'étanchéité, en regard de l'âme métallique d'une part et de la bague d'appui d'autre part Ces moyens peuvent comprendre deux coupelles annulaires entre lesquelles la première garniture est serrée dans la direction d'appui de la bague d'appui, ces deux coupelles présentant, au niveau de la première surface d'étan- chéité, des bords respectifs recourbés l'un vers l'autre et se terminant à distance l'un de l'autre. L'âme métallique, les garnitures, la bague d'appui et le cas échéant les coupelles annulaires sont de préférence solidaires les unes des autres. Dans une forme de réalisation de l'invention, la première surface d'étanchéité et la surface d'appui forment entre elles, en section transversale, un angle sensiblement droit Les première et seconde surfaces d'étanchéité et la surface d'appui peuvent être sensiblement cylindrique, tronconique et plane, respective- ment, et un évidement de faible profondeur peut être ménagé dans la première surface d'étanchéité, dans sa région adjacente à la seconde surface d'étanchéité. L'invention vise également un procédé de réalisation d'un assemblage rendu étanche par un joint tel que défini ci-dessus, dans lequel on met en place, dans un élément tubulaire de l'assemblage, un élément central dont une surface annulaire forme avec la surface interne de l'élément tubulaire un logement annulaire, et on dispose le joint dans ledit logement, ses première et seconde surfaces d'étanchéité venant en regard de ladite surface interne et en contact avec ladite surface annulaire de l'élément central respectivement, puis on déplace axialement l'élément central par rapport à l'élément tubulaire, de façon à amener la bague d'appui contre une butée solidaire de l'élément tubulaire, jusqu'à ce que la butée et la surface annulaire de l'élément central viennent en contact avec l'âme métallique. Dans ce procédé, l'élément tubulaire et l'élément central peuvent notamment appartenir respectivement au fût et au chapeau d'une vanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description détaillée d'un exemple de réalisation, et des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'une vanne équipée d'un joint annulaire métallique connu; la figure 2 est un détail agrandi de la figure 1; la figure 3 est une demi-vue en coupe axiale d'un joint selon l'invention; et la figure 4 est une vue analogue à la figure 2, dans laquelle le joint connu est remplacé par le joint de la figure 3. Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites en relation avec l'exposé de la technique antérieure. Le joint 20 illustré à la figure 3, destiné à remplacer le joint 1 dans l'assemblage des figures 1 et 2, sans modification des autres éléments de cet assemblage, comprend une âme 21 en acier inoxydable dont la forme diffère de celle du joint 1 d'une part en ce que l'angle formé, en section transversale, par sa surface tronconique 23 et par sa surface cylindrique 24, est légèrement augmentée pour correspondre à l'angle formé par la surface 5 du chapeau et la surface 7 du fût, d'autre part en ce qu'y sont ménagés trois évidements annulaires Un premier évidement est une feuillure de section rectangulaire 40 ménagée à partir des faces cylindrique 24 et radiale 32 de l'âme correspondant respective- ment aux faces 4 et 12 du joint 1 Le second évidement est un lamage ménagé dans la face tronconique 23 correspondant à la face 3 du joint 1 Enfin, le troisième évidement 43 est ménagé sur une faible profondeur sensiblement uniforme dans la face 24 et s'étend à partir de l'arête arrondie 37, en direction de la feuillure 40, sur une distance inférieure ou à peu près égale à la distance séparant ce même arrondi du lamage 42. La feuillure 40 reçoit un sous-ensemble occupant sensiblement tout son volume et composé de deux coupelles annulaires en tôle d'acier inoxydable 44 et 45 d'une fraction de millimètre d'épaisseur encadrant une garniture de graphite expansé 46. Chacune des coupelles 44 et 45 comprend un fond situé sensible- ment dans un plan radial et deux rebords respectivement intérieur et extérieur s'étendant sensiblement dans des surfaces cylindri- ques Le fond de la coupelle 44 repose sur la paroi radiale de la feuillure 40, et celui de la coupelle 45 vient, à l'état neuf du joint comme montré à la figure 4, sensiblement en affleurement de la face radiale 32 de l'âme 21 Les rebords intérieurs des deux coupelles et la surface libre de la garniture 46 reliant ceux-ci s'étendent le long de la paroi cylindrique intérieure de la feuillure 40, et leurs rebords extérieurs, ainsi que la surface libre de la garniture 46 s'étendant entre ceux-ci, viennent sensiblement en affleurement de la face cylindrique extérieure 24 de l'âme 21 Le fond de la coupelle 45 est recouvert par une bague d'appui rigide en acier inoxydable présentant une section transversale axiale rectangulaire dont la longueur radiale coïncide avec celle de la feuillure 40 et des coupelles 44 et 45 Une seconde garniture de graphite expansé 48 remplit entièrement le lamage 42 et fait saillie, à l'état neuf du joint, hors de celui-ci, au-delà de la face tronconique 23 de l'âme 21 La garniture 48 présente une surface libre tronconique 49 de même angle au sommet que les surfaces 23 et 5, et est située entièrement à l'extérieur de la nappe conique contenant cette surface libre 49 De plus, la garniture 48 et le lamage 42 sont limités dans la direction radiale par deux surfaces cylindriques, le lamage 42 présentant deux portions de paroi 50 et 51 adjacentes à la face 23 et contenues respectivement dans ces deux surfaces cylindriques. L'âme 21, les coupelles 44 et 45, les garnitures 46 et 48 et la bague 47 sont solidaires les unes des autres, les fonds des coupelles 44 et 45 étant par exemple soudés à l'âme et à la bague d'appui respectivement, la garniture 46 collée aux fonds des coupelles et la garniture 48 au fond du lamage 42 Des trous taraudés 52 sont ménagés parallèlement à l'axe du joint dans l'âme 21 et débouchent dans la face radiale 32 Ces trous servent à attacher le joint à un outil pour son extraction lors du démontage de l'assemblage De tels trous existent également dans le joint connu illustré à la figure 2. La mise en place du joint selon l'invention s'effectue comme décrit cidessus pour le joint connu Dans un premier temps, le joint vient en contact avec la surface 5 du chapeau 6 seulement par la surface libre tronconique 49 de la garniture 48, puis il vient en contact avec les segments de butée 10 par la face radiale libre de la bague d'appui 47 Lors du vissage des vis 16, la bague 47 pénètre dans le lamage 40 et les garnitures 46 et 48 sont comprimées jusqu'à ce que la face 32 de l'âme 21 vienne à son tour en appui sur les segments 10 et que la surface tronconi- que 3 de l'âme vienne dans sa totalité en contact avec la surface du chapeau L'étanchéité entre le chapeau et le fût 8 est alors assurée par le contact des garnitures 46 et 48 convenablement comprimées avec les surfaces 7 et 5, arrêtant les fuites de fluide entre le joint d'une part et le fût et le chapeau respectivement d'autre part Il n'est pas nécessaire d'exercer une pression très élevée qui déformerait l'âme 21 du joint et le fût 8, de sorte que le joint peut être si nécessaire démonté facilement et remplacé sans autre intervention. L'évidement 43 sert à faciliter l'introduction du joint dans le fût Il peut être supprimé sans affecter le fonctionnement du joint De même, les coupelles 40 et 45 et la bague d'appui 47 peuvent être remplacées par d'autres moyens pour empêcher le fluage de la garniture 46 d'une part et assurer une répartition uniforme sur tout le périmètre de celle- ci des efforts exercés par les segments de butée 10 Par exemple, la coupelle 45 et la bague 47 peuvent être remplacées par une pièce unique d'une forme et d'une épaisseur appropriées pour ces deux fonctions Le fond de la coupelle 45 peut se situer, à l'état neuf du joint, dans un autre plan que celui de la face 32 de l'âme La forme de la section transversale du joint peut également être modifiée Elle peut être par exemple triangulaire, la longueur de la petite base du trapèze étant réduite à zéro. Revendications 1. Joint d'étanchéité ( 20) à âme métallique ( 21) présentant une configuration sensiblement annulaire et comportant des première et seconde surfaces d'étanchéité ( 24,23) et une surface d'appui ( 32) sensiblement annulaires, les première et seconde surfaces d'étanchéité formant entre elles un angle aigu et la surface d'appui étant comprise dans ledit angle aigu, de façon que, lorsque le joint est assemblé, une poussée exercée sur elle par un élément d'appui ( 10) amène les surfaces d'étanchéité en contact étanche avec des surfaces coopérantes respectives ( 7,5) de l'assemblage, et étant adjacente à la première surface d'étan- chéité, caractérisé en ce qu'il comprend une première garniture ( 46) en matière tendre logée dans une feuillure ( 40) de l'âme métallique ménagée dans la première surface d'étanchéité et dans la surface d'appui, et une seconde garniture ( 48) en matière tendre logée dans un lamage ( 42) de l'âme métallique ménagé dans la seconde surface d'étanchéité, ainsi qu'une bague d'appui rigide ( 47) recouvrant la première garniture du côté de la surface d'appui et également logée, à l'état monté du joint, dans ladite feuillure en venant en affleurement de la partie de la surface d'appui ( 32) définie par l'âme métallique, le contact étanche des première et seconde surfaces d'étanchéité étant assuré par les première et seconde garnitures respectivement. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde garnitures sont en graphite expansé, les volumes des logements pour celles-ci étant choisis de telle sorte que la densité du graphite dans le joint monté soit comprise entre 1,6 et 1,9 environ. 3. Joint selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de retenue ( 44,45) pour empêcher le fluage de la première garniture le long de la première surface d'étanchéité, en regard de l'âme métallique d'une part et de la bague d'appui d'autre part. 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de retenue comprennent deux coupelles annulaires ( 44,45) entre lesquelles la première garniture est serrée dans la direction d'appui de la bague d'appui, ces deux coupelles présentant, au niveau de la première surface d'étanchéité, des bords respectifs recourbés l'un vers l'autre et se terminant à distance l'un de l'autre. 5. Joint selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme métallique, les garnitures, la bague d'appui et le cas échéant les coupelles annulaires sont solidaires les unes des autres. 6. Joint selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première surface d'étanchéité et la surface d'appui forment entre elles, en section transversale, un angle sensible- ment droit. 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé en ce que les première et seconde surfaces d'étanchéité et la surface d'appui sont sensiblement cylindrique, tronconique et plane respective- ment. 8. Joint selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un évidement ( 43) de faible profondeur est ménagé dans la première surface d'étanchéité, dans sa région adjacente à la seconde surface d'étanchéité. 9. Procédé de réalisation d'un assemblage rendu étanche par un joint selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on met en place, dans un élément tubulaire ( 8) de l'assemblage, un élément central ( 6) dont une surface annulaire ( 5) forme avec la surface interne ( 7) de l'élément tubulaire un logement annulaire, et on dispose le joint dans ledit logement, ses première et seconde surfaces d'étanchéité ( 24,23) venant en regard de ladite surface interne et en contact avec ladite surface annulaire de l'élément central respectivement, puis on déplace axialement l'élément central par rapport à l'élément tubulaire, de façon à amener la bague d'appui ( 47) contre une butée ( 10) solidaire de l'élément tubulaire, jusqu'à ce que la butée et la surface annulaire de l'élément central viennent en contact avec l'âme métallique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire et ledit élément central appartiennent respectivement au fût et au chapeau d'une vanne.