Brevet FR2679622A1 — publié le 19930129

i La présente invention est relative aux assemblages verrouillés entre un bout mâle d'un tuyau et un emboîtement d'un autre tuyau Elle concerne en premier lieu une garniture d'étanchéité composite pour assemblage verrouillé de tuyaux à bout mâle et emboî- tement, du type comprenant un corps et un talon d'an- crage en matière élastique, et plusieurs inserts de verrouillage en matériau rigide noyés dans le talon et disposés de façon générale suivant des génératrices d'un cône ayant le même axe que la garniture et con- vergent en direction du corps, chaque insert faisant saillie hors de la garniture vers l'axe de celle-ci. Dans les assemblages entre tuyaux utilisant de telles garnitures d'étanchéité, chaque insert de verrouillage, en matériau dur, s'arc-boute suivant une certaine inclinaison entre l'emboîtement et le bout mâle Un tel verrouillage empêche les mouvements axiaux d'un tuyau par rapport à l'autre qui pourraient compromettre la bonne étanchéité du joint et même disjoindre complètement les tuyaux initialement as- semblés, sous l'action des forces axiales de sépara- tion engendrées par la pression du fluide contenu dans les tuyaux. Ce type de verrouillage remplace avanta- geusement un système coûteux de fixation d'une canali- sation sur des fondations ancrées dans le sol, ainsi que les dispositifs à bride et contre-bride boulon- nées- Toutefois, un tel verrouillage n'est plei- nement efficace que s'il peut garantir une distance maximale de recul du bout mâle lorsque la pression de fluide est établie Il faut pour cela être certain que l'introduction à force du bout mâle dans l'emboîtement ne va pas extruder les inserts ou l'ensemble de la garniture vers le fond de l'emboîtement dans l'espace annulaire compris entre celui-ci et le bout mâle. L'invention a pour but de fournir une solution simple à ce problème, adaptable directement aux tuyaux existants. A cet effet, l'invention a pour objet une garniture d'étanchéité du type précité, caractérisée en ce que la tête, ou partie radialement extérieure, de chaque insert présente, du côté du corps, un bec à arête vive délimité par deux surfaces dégagées, l'a- gencement étant tel que lorsque la garniture est en place dans l'emboîtement et le bout mâle est introduit à force dans ce dernier en comprimant radialement le corps de la garniture, les deux surfaces dégagées forment entre elles, au voisinage de l'arête vive, un angle saillant vers le fond de l'emboîtement, et ce au moins pour les grands diamètres du bout mâle. Suivant d'autres caractéristiques: les deux surfaces dégagées forment un angle saillant vers le fond de l'emboîtement pour tout diamètre du bout mâle compris dans sa gamme de tolé- rance et pour toute position d'introduction du bout mâle dans l'emboîtement; ledit angle est nettement inférieur à 900; ledit angle est légèrement supérieur à o; chaque insert présente plusieurs dents d'accrochage sur le bout mâle, décalées axialement et radialement les unes par rapport aux autres; la tête de chaque insert présente, du côté opposé au bec, une surface inclinée radialement vers l'intérieur et axialement vers l'extérieur de l'emboîtement, cette surface se terminant de préfé- rence par des arrondis; la garniture comporte, du côté de l'en- trée de l'emboîtement, une lèvre d'étanchéité inté- rieure sensiblement radiale. L'invention a également pour objet un assemblage verrouillé à bout mâle et emboîtement com- prenant une garniture d'étanchéité telle que définie ci-dessus, le corps de la garniture étant comprimé radialement entre l'emboîtement et le bout mâle, son talon étant logé dans une gorge d'ancrage de l'emboî- tement délimitée par un fond bordé de deux parois de butée, dont une paroi avant à peu près radiale, la partie radialement intérieure de chaque insert étant en prise de verrouillage sur la périphérie du bout mâle tandis que sa tête prend appui sur le fond de la gorge et éventuellement sur sa paroi de butée située du côté d'entrée de l'emboîtement. Dans le cas, déjà indiqué, o la tête de chaque insert présente, du côté opposé au bec, une surface inclinée radialement vers l'intérieur et axia- lement vers l'extérieur de l'emboîtement, cette sur- face se terminant de préférence par des arrondis, de façon avantageuse, la paroi de butée de l'emboîtement située du côté de son entrée présente une partie ra- dialement extérieure tronconique, de sorte que la tête des inserts prend appui à peu près sur le raccordement de cette partie et du fond de la gorge pour les grands diamètres du bout mâle tandis qu'elle prend appui et sur ce fond et sur la même partie inclinée pour les petits diamètres du bout mâle. Suivant une autre caractéristique de l'as- semblage, l'angle que forme la surface dégagée exté- rieure avec ladite paroi avant est inférieur à l'angle que forme avec cette dernière l'autre surface dégagée. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels: la Figure 1 est une demi- vue en coupe axiale d'un emboîtement équipé d'une garniture d'étan- chéité suivant l'invention et d'un bout mâle prêt à être introduit dans cet emboîtement; la Figure 2 est une vue analogue montrant l'assemblage verrouillé résultant; les Figures 3 et 4 illustrent à plus grande échelle, également en demi-coupe axiale, le comportement des inserts de la garniture lors de l'in- troduction du bout mâle, respectivement pour un diamè- tre maximal et pour un diamètre minimal de ce bout mâle, la partie élastique de la garniture ayant été omise pour la clarté du dessin; et les Figures 5 à 8 illustrent de manière analogue le verrouillage de l'assemblage pour des diamètres décroissants du bout mâle. On a représenté à la Figure 1 le bout mâle 1 d'un premier tuyau 2 et l'emboîtement 3 d'un second tuyau 4, cet emboîtement étant équipé d'une garniture d'étanchéité 5 Les trois éléments 1, 3 et 5 sont sensiblement de révolution autour d'un même axe X-X supposé horizontal Les deux tuyaux sont par exemple en fonte à graphite sphéroïdal. Le bout mâle 1 présente une surface exté- rieure cylindrique, chanfreinée extérieurement en 6 à son extrémité. L'emboîtement 3 comporte une collerette d'entrée 7, puis successivement, de l'arrière vers l'avant, c'est-à-dire en allant de cette collerette vers le fond de l'emboîtement: une gorge d'ancrage 8 relativement profonde, une cavité d'étanchéité 9 moins profonde, une saillie intérieure 10 limitant axiale- ment cette cavité 9, et une cavité avant 11 moins profonde que la cavité 9 et recevant librement l'ex- trémité du bout mâle 1 Pour un diamètre d'entrée donné de l'emboîtement, les tolérances de fabrication du bout mâle et ses défauts de positionnement (désaxe- ment et déviation angulaire) ont pour résultat que, dans chaque demi-plan de coupe axiale, la génératrice extérieure du bout mâle peut se trouver dans toute une gamme de positions, entre une position correspondant à un jeu radial pratiquement nul par rapport à la colle- rette 7 et un jeu radial maximal par rapport à cette même collerette Ceci est équivalent à une gamme de diamètres extérieurs du bout mâle compris entre une valeur maximale et une valeur minimale avec une posi- tion parfaitement centrée du bout mâle, et, dans la suite, on se référera uniquement à une telle gamme de diamètres. Comme on le voit mieux sur la Figure 3, la gorge 8 de l'emboîtement est délimitée vers l'arrière par une paroi 12 radialement intérieure, faiblement inclinée sur la verticale, et par une paroi 13 radia- lement extérieure nettement plus inclinée, à peu près à 450 dans l'exemple représenté La paroi 13 se rac- corde au fond cylindrique 14 de la gorge 8, lequel se raccorde à son tour à une paroi avant 15 à peu près radiale de cette gorge Quant à la cavité 9, elle comporte un fond cylindrique 16 raccordé à la paroi , et un épaulement d'extrémité avant 17 à peu ra- dial. La garniture 5 (Figure 1) est une pièce moulée en matériau souple ou résilient, par exemple en élastomère, dans laquelle sont noyés une série d'in- serts de verrouillage 18 Elle comprend à l'avant un corps massif 19, et à l'arrière un talon d'ancrage 20 en saillie radialement vers l'extérieur et une lèvre 21 en saillie radialement vers l'intérieur. Au repos, les profils arrière et radiale- ment extérieur de la garniture sont sensiblement les mêmes que les profils des surfaces 12 à 16 de l'em- boîtement 3 Plus précisément, la garniture se loge sans déformation notable dans l'emboîtement, et il subsiste alors un jeu entre elle et les surfaces 12 à 14 de l'emboîtement, tandis qu'elle s'applique contre les surfaces 15 et 16 Un espace libre subsiste alors entre l'extrémité avant 22, de forme concave, du corps 19 et la surface 17. Par ailleurs la surface intérieure 23 du corps 19 converge vers l'avant de façon sensiblement conique d'un diamètre voisin du diamètre intérieur de la collerette 7 à un diamètre inférieur au plus petit diamètre extérieur possible du bout mâle 1, au sens indiqué plus haut; la lèvre 21 est orientée sensiblement radialement et s'étend à peu près entre les mêmes diamètres que la surface intérieure 23, en prolongeant la surface d'extrémité arrière du corps 19. Chaque insert 18 (Figures 1, 3 et 4) est contenu dans un plan radial, a une forme générale en L et comporte une tête radialement extérieure 24 noyée dans le talon 20 et une queue radialement intérieure qui converge vers l'avant jusqu'à faire légèrement saillie sur la surface 23 du corps de la garniture, à peu près à mi-longueur de celle-ci. La tête 24 (Figures 3 et 4) présente une forme générale rectangulaire, avec: à l'arrière, un côté 26 qui, au repos, est à peu près parallèle à la surface 13 de l'emboîte- ment; radialement à l'extérieur, un côté 27 à peu près perpendiculaire au précédent et raccordé à 7 ' celui-ci par un arrondi 28; et à l'avant, un côté en forme de bec, en deux parties: une partie radialement extérieure 29, formant un angle obtus, de l'ordre de 1350 dans cet exemple, avec le côté 27, et s'étendant jusqu'à une arête vive 30; et une partie radialement intérieure 31, en large arrondi concave ayant un angle au centre d'environ 90 La tangente à cet arrondi au niveau de l'arête 30 forme avec la partie 29 du bec un angle légèrement supérieur à 90 En variante, cet angle pourrait également être nettement inférieur à 90 . La queue 25 est délimitée latéralement par deux côtés à peu près parallèles: un côté arrière 32 raccordé au côté 26 par un arrondi 33, et un côté avant 34 raccordé tangentiellement à l'arrondi 31 La queue 25 se termine par quatre saillies 35 décalées axialement et radialement les unes par rapport aux autres Comme on l'expliquera en détail plus loin, les trois saillies 35 situées vers l'arrière constituent des dents d'accrochage sur le bout mâle, tandis que la quatrième saillie 35, située vers l'avant, c'est-à- dire vers le fond de l'emboîtement, constitue un talon anti-pénétration, limitant la pénétration des dents dans le bout mâle. Lorsque le bout mâle 1 est introduit dans l'emboîtement 3, il replie la lèvre 21 puis pousse vers l'avant le corps 19 en le comprimant radialement. L'ensemble de la garniture a alors tendance à se dé- placer vers l'avant Ceci amène l'arête vive 30 des inserts 18 au contact de la surface 15 de l'emboîte- ment (Figures 3 et 4), et l'agencement est tel que quel que soit le diamètre extérieur du bout mâle, pendant l'introduction de ce dernier, cette arête 30 fasse toujours saillie vers l'avant sur la tête des inserts et se trouve toujours en regard de la surface Cette butée franche 30-15 empêche les inserts de glisser radialement vers l'intérieur de l'emboîtement, hors de la chambre, et donc d'être extrudés Comme l'indiquent les Figures 3 et 4, ce mode de fonctionnement, pourrait se poursuivre jusqu'à la position fictive, c'est-à-dire au-delà de la plage normale de fonctionnement, indiquée en traits mixtes, offrant ainsi une large marge de sécurité. De plus, pour les plages normales de fonc- tionnement, c'est-à-dire pour la gamme de diamètres de bout mâle et pour les positions d'emboîtage prévues, et même au-delà, le couple 30-15 se comporte comme un système unidirectionnel augmentant encore la fiabilité de l'ensemble En effet, l'angle d'incidence î entre les surfaces 29 et 15 reste inférieur à l'angle P entre les surfaces 31 et 15 (Figures 3 et 4), de sorte que l'insert peut aisément pénétrer dans la chambre 8 (vers la surface 14 de l'emboîtement) lorsqu'il est soumis à des efforts radiaux dans cette direction,, alors qu'il est bloqué si la direction des efforts radiaux s'inverse. Il est à noter que la largeur de la queue est inférieure au jeu radial entre la surface 16 et le bout mâle, pour éviter tout risque de coincement du joint Par ailleurs, on comprend que la butée 30-15 est importante principalement pour les grands diamè- tres extérieurs du bout mâle, pour lesquels le risque d'entraînement de la garniture est élevé (Figure 3). Lorsque l'introduction du bout mâle est terminée et la canalisation mise sous pression, les bouts mâles sont en général sollicités vers l'arrière. Les inserts 18 limitent ce recul de la manière sui- vante, illustrée aux Figures 5 à 8. Lorsque le diamètre extérieur du bout mâle est maximal (jeu radial nul entre le bout mâle et la collerette 7 de l'emboîtement), son recul amène l'ar- rondi 28 de chaque insert à peu près dans l'angle formé par les surfaces 13 et 14 de l'emboîtement, et la seconde dent 35 à partir de l'arrière vient en prise sur le bout mâle Ceci définit une force d'arc- boutement 36 et un centre de rotation 37 de l'insert. L'agencement est tel que l'inclinaison sur la direc- tion radiale de la force 36 est comprise entre une limite inférieure pour laquelle la dent risque de perforer le bout mâle, et une limite supérieure pour laquelle existerait un risque de glissement de la dent sur le bout mâle. Pour les diamètres extérieurs du bout mâle décroissants à partir du diamètre maximal (Figure 6), l'appui de la tête des inserts sur l'emboîtement est le même que précédemment, mais les deux dents 35 in- termédiaires, puis seulement la troisième dent, vien- nent en prise sur le bout mâle, ce qui a pour effet de maintenir l'inclinaison de la force d'arc-boutement 36 dans les limites précitées malgré la plus grande inclinaison de la queue des inserts. Le diamètre extérieur du bout mâle conti- nuant à décroître, le basculement des inserts se pour- suit jusqu'à ce que le côté 26 s'applique sur la sur- face 13 de l'emboîtement (Figure 7) Le centre de rotation des inserts passe alors du point 37 à un autre point 38 situé plus près de l'axe X-X et plus en arrière, permettant à la force d'arc-boutement de rester dans les limites désirées alors qu'elle en sortirait pour un même diamètre de bout mâle sans ce principe Enfin, dans la gamme inférieure des diamè- tres extérieurs du bout mâle (Figure 8), la troisième dent 35 est toujours en prise sur le bout mâle, et la tête des inserts s'appuie en deux points dans la gorge 8: par l'arrondi 28 sur le fond 14, et par l'arrondi 33 sur la surface 13 De nouveau, le centre de rota- tion 38 est situé de façon à garantir une inclinaison appropriée de la force 36. Ce maintien de l'inclinaison de la force 36 grâce au double appui de la tête des inserts a pour conséquence avantageuse une augmentation de la pres- sion interne admissible dans la canalisation, cette pression étant sensiblement proportionnelle à l'angle que fait la force d'arc- boutement avec la direction radiale Il est à noter que ceci est obtenu sans faire intervenir de dent supplémentaire des inserts, ce qui permet de réaliser des économies de matière, d'encom- brement et de fabrication des inserts. Dans tous les cas, l'appui de l'arête 30 sur la surface 15 lors de l'emboîtage limite le recul maximal possible du bout mâle lors de la mise en ser- vice de la canalisation. La saillie 35 extrême la plus petite, située du côté de l'entrée de l'emboîtement, est une sécurité destinée aux cas de mauvais positionnement des inserts par rapport à leur position normale La saillie 35 d'extrémité située vers le fond de l'emboî- tement est un talon anti-pénétration qui permet de limiter la pression de contact de la dent intermédiai- re voisine sur les bouts mâles présentant les diamè- tres les plus petits, et permet ainsi d'augmenter le seuil maximum de pression admissible. La lèvre 21 assure l'étanchéité par rapport aux éléments extérieurs, c 'est-à-dire permet d'éviter l'introduction d'éléments extérieurs agressifs ou corrosifs dans la zone verrouillée Grâce à son orien- tation radiale, elle ne risque pas de se positionner sous les inserts lors de l'emboîtage. il Si désiré, les inserts peuvent être revêtus d'une matière électriquement isolante, par exemple d'une céramique. REVENDICATIONS 1 Garniture d'étanchéité composite pour assemblage verrouillé de tuyaux à bout mâle ( 1) et emboîtement ( 3), du type comprenant un corps ( 19) et un talon d'ancrage ( 20) en matière élastique, et plu- sieurs inserts de verrouillage ( 18) en matériau rigide noyés dans le talon et disposés de façon générale suivant des génératrices d'un cône ayant le même axe (X-X) que la garniture et convergent en direction du corps ( 19), chaque insert faisant saillie hors de la garniture ( 5) vers l'axe de celle-ci, caractérisée en ce que la tête ( 24), ou partie radialement extérieure> de chaque insert ( 18) présente, du côté du corps, un bec à arête vive ( 30) délimité par deux surfaces déga- gées ( 29, 31), l'agencement étant tel que lorsque la garniture est en place dans l'emboîtement et le bout mâle est introduit à force dans ce dernier en compri- mant radialement le corps de la garniture, les deux surfaces dégagées ( 29, 31) forment entre elles, au voisinage de l'arête vive ( 30), un angle saillant vers le fond de l'emboîtement, et ce au moins pour les grands diamètres du bout mâle. 2 Garniture d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les deux sur- faces dégagées ( 29, 31) forment un angle saillant vers le fond de l'emboîtement pour tout diamètre du bout mâle ( 1) compris dans sa gamme de tolérance et pour toute position d'introduction du bout mâle dans l'em- boîtement. 3 Garniture d'étanchéité suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit angle est nettement inférieur à 90 '. 4 Garniture d'étanchéité suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit angle est légèrement supérieur à 90 . Garniture d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque insert ( 18) présente plusieurs dents ( 35) d'accrochage sur le bout mâle ( 1), décalées axia- lement et radialement les unes par rapport aux autres. 6 Garniture d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la tête ( 24) de chaque insert ( 18) présente, du côté opposé au bec ( 29 à 31), une surface ( 26) incli- née radialement vers l'intérieur et axialement vers l'extérieur de l'emboîtement, cette surface se termi- nant de préférence par des arrondis ( 28, 33). 7 Garniture d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la garniture ( 5) comporte, du côté de l'entrée de l'emboîtement ( 3), une lèvre d'étanchéité inté- rieure ( 21) sensiblement radiale. 8 Assemblage verrouillé à bout mâle ( 1) et emboîtement ( 3) comprenant une garniture d'étan- chéité ( 5) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, le corps ( 19) de la garniture étant comprimé radialement entre l'emboîtement et le bout mâle, son talon ( 20) étant logé dans une gorge d'ancrage ( 8) de l'emboîtement délimitée par un fond ( 14) bordé de deux parois ( 12-13, 15) de butée, dont une paroi avant ( 15) à peu près radiale, la partie radialement intérieure ( 25) de chaque insert ( 18) étant en prise de verrouil- lage sur la périphérie du bout mâle tandis que sa tête ( 24) prend appui sur le fond ( 14) de la gorge ( 8) et éventuellement sur sa paroi de butée ( 12-13) située du côté d'entrée de l'emboîtement. 9 Assemblage suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la garniture ( 5) est conforme à la revendication 6 et la paroi de butée ( 12-13) de l'emboîtement ( 3) située du côté de son entrée pré- sente une partie radialement extérieure ( 13) tronconi- que, de sorte que la tête ( 24) des inserts ( 18) prend appui à peu près sur le raccordement de cette partie ( 13) et du fond ( 14) de la gorge ( 8) pour les grands diamètres du bout mâle ( 1) tandis qu'elle prend appui sur ce fond ( 14) et sur la même partie inclinée ( 13) pour les petits diamètres du bout mâle. Assemblage suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que, pour tout diamètre du bout mâle ( 1) compris dans sa gamme de tolérance et pour toute position d'introduction du bout mâle dans l'emboîtement, l'angle (î) que forme la surface déga- gée extérieure ( 29) avec ladite paroi avant ( 15) est inférieur à l'angle ( l'autre surface dégagée ( 31).