Brevet FR2718215A1 — publié le 19951006

COLLIER DE SERRAGE A EFFET DE SOULAGEMENT EN TRACTION AXIALE, POUR RELIER LES EXTREMITES DE DEUX TUBES La présente invention se rapporte à un collier de serra- ge à effet de soulagement en traction axiale, pour relier les extrémités de deux tubes majoritairement lisses, comportant au moins un élément de liaison en un métal qui coiffe le joint de séparation entre les extrémités des tubes, peut être bloqué dans le sens périphérique desdits tubes, par l'intermédiaire d'au moins un dispositif de blocage, et auquel est fixé, à pro- ximité de ses extrémités axiales, un ruban respectif d'arrêt axial constitué d'un métal, s'étendant dans le sens périphéri- que des tubes et présentant, sur au moins le bord axialement in- térieur parmi ses deux bords périphériques, des dents cunéifor- mes dirigées à l'oblique vers l'intérieur dans le sens radial, en vue de "mordre" dans le matériau constituant les tubes, les dents décrivant un premier angle avec un plan radial du collier de serrage, et les flancs desdites dents décrivant un second angle avec ledit plan. Dans un collier de serrage connu de ce genre, exerçant un effet de soulagement en traction axiale (DE-B2-25 55 179, DE- C1-36 26 289 ou DE-C2-36 32 127), il s'est révélé qu'il est à craindre, lorsque le fluide circulant dans les tubes présente des pressions supérieures à 10 bar, notamment dans le cas de tubes à surface très dure, que lesdits tubes soient repoussés axialement à l'écart l'un de l'autre dans le collier de serrage, et que la liaison perde son étanchéité. Dans de nombreux cas, il est cependant souhaitable que le collier de serrage résiste à des pressions très nettement supérieures du fluide parcourant les tubes, sans que la liaison tubulaire perde son étan- chéité. L'invention a pour objet de fournir un collier de serra- ge à effet de soulagement en traction axiale, du type cité en introduction, qui garantisse une ferme cohésion des tubes à des pressions encore supérieures. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que le premier angle est compris entre 30 et 40 , de préfé- rence entre 33 et 38 . Dans cette plage angulaire, la profondeur d'enfoncement des dents, dans le matériau des tubes, est maximale lorsque la force de blocage du dispositif de blocage est constante. Il s'est révélé que, dans cette plage angulaire, la liaison éta- blie entre les tubes par l'intermédiaire du collier de serrage résiste à des pressions atteignant jusqu'à 20 bar et plus, selon le diamètre des tubes, même lorsque le matériau constituant ces tubes est très dur. De préférence, le premier angle est égal à arc tan 0,5. En présence de cette valeur, la profondeur d'enfoncement des dents est maximale, de même, par conséquent, que l'aptitude de la solidarisation tubulaire à supporter des contraintes. Il conviendrait que le second angle mesure au maximum , et soit de préférence compris entre 45 et 90 . Dans cette plage angulaire, les dents s'enfoncent particulièrement en profondeur dans le matériau constituant les tubes. Lorsque le matériau constituant les rubans d'arrêt axial, et donc également les dents, est plus dur que celui des tubes et est, de préférence, à base d'acier trempé, les dents n'ont pas tendance à se gauchir, également en cas d'application de la force de blocage maximale du dispositif de blocage, ce qui permet de conserver fiablement le premier angle optimal desdi- tes dents. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue axiale d'un accouplement tubu- laire muni d'un collier de serrage conforme à l'invention, exerçant un effet de soulagement en traction axiale; la figure 2 est une vue radiale de l'accouplement tubu- laire selon la figure 1; la figure 3 est une coupe fragmentaire selon la ligne III-III de la figure 1, représentant des tubes insérés dans l'accouplement tubulaire; la figure 4 est une illustration, à échelle agrandie, d'une dent du collier de serrage "mordant" dans un tube; la figure 5 est une perspective de la partie de la dent selon la figure 4, qui "mord" dans le tube; et la figure 6 est un diagramme mettant en évidence la dé- pendance de la profondeur d'enfoncement de la dent selon la fi- gure 4, pour un volume constant du matériau tubulaire refoulé par la partie de la dent qui s'est enfoncée. L'accouplement tubulaire d'après les figures 1 à 3 sert à relier les extrémités de deux tubes cylindriques 1 et 2, majo- ritairement lisses. Cet accouplement présente un collier de serrage à effet de soulagement en traction axiale, muni d'un élément de liaison 3 revêtant la forme d'une enveloppe de col- lier coiffant le joint de séparation entre les extrémités des tubes 1, 2 (c'est-à-dire leurs faces extrêmes tournées l'une vers l'autre), et se composant de deux demi-coquilles 3a et 3b dont les extrémités sont reliées par un dispositif respectif de blocage 4. L'élément de liaison 3 consiste en un métal et un ru- ban respectif 5 d'arrêt axial, constitué d'un métal et s'éten- dant dans le sens périphérique dudit élément 3, est fixé à la face interne de ce dernier, à proximité de ses extrémités axia- les. Chaque ruban 5 d'arrêt axial comprend deux moitiés 5a et 5b sensiblement semi-cylindriques qui sont respectivement fixées, par soudage par points, à une demi-coquille 3a, 3b de l'élément de liaison 3. Chaque ruban 5 comporte, sur ses deux bords péri- phériques, des dents cunéiformes symétriques 6 dirigées à l'oblique vers l'intérieur, dans le sens radial, et pourvues de flancs 7 pour "mordre" dans le matériau constituant les tubes. Seules quelques-unes des dents 6 sont illustrées, sur la figure 1, en vue de simplifier la représentation. Les autres dents sont évoquées par des lignes en traits mixtes. Les rubans 5, y com- pris les dents 6, consistent en de l'acier trempé, de préférence en de l'acier cémenté et trempé, de sorte qu'ils sont plus durs que le matériau des tubes. Un ruban de serrage 8 pouvant être bloqué est interposé, sur la face interne de l'élément de liaison 3, entre les deux rubans 5 d'arrêt axial. Le ruban de serrage 8 présente, à ses ex- trémités axiales, des parois latérales 9 coudées à l'oblique vers l'intérieur dans le sens radial. Les parois latérales 9 peuvent prendre appui sur les tubes 1, 2 au stade du blocage. Une garniture d'étanchement 10 en un élastomère est encastrée entre les parois latérales 9. La garniture 10 possède, sur sa face in- terne, une nervure circonférentielle 11 contre laquelle les fa- ces extrêmes des tubes 1, 2 viennent s'appliquer, afin de limi- ter l'insertion de ces tubes. Conformément à la figure 3, les parois latérales 9 du ruban de serrage 8 sont espacées radialement des dents 6 voi- sines. Le ruban de serrage 8 est équipé d'une fermeture 12 par blocage faisant saillie radialement, vers l'extérieur, à tra- vers un trou 13 ménagé dans l'élément de liaison 3 (dans l'une, 3a, des demi-coquilles de cet élément 3 dans le cas considéré). De ce fait, la fermeture 12 est accessible en vue du blocage ou du déblocage du ruban 8. Conformément à la figure 3, l'élément 3 et le ruban 8 sont distants l'un de l'autre dans le sens radial. Les dispositifs de blocage 4 englobent, respectivement, deux vis de blocage 14 dont la tête 15 présente une configura- tion à six pans creux. Les dispositifs 4 englobent en outre, aux extrémités des demi-coquilles 3a et 3b de l'élément de liaison 3, des mâchoires de blocage 16 qui sont coudées vers l'extérieur dans le sens radial, et sur lesquelles des plaquettes de rigidi- fication 17 et 18 sont rapportées par soudage. Les mâchoires 16 et les plaquettes 17 sont percées de trous traversants pour le passage de la tige des vis de blocage 14, les plaquettes 18 étant dotées de trous taraudés pour recevoir le filetage desdites vis 14. La fermeture 12 du ruban de serrage 8, dont les extrémi- tés se chevauchent au voisinage de ladite fermeture 12, se com- posent de deux mors de blocage 19, d'une vis de blocage 20 et d'un écrou 21 de forme carrée. Les mors de blocage 19 sont respectivement constitués d'un ruban d'acier qui s'étend transversalement par rapport au ruban de serrage 8 et est bombé centralement vers l'extérieur, dans le sens radial, sous la forme d'un oeillet permettant le passage de la vis de blocage 20; une tête 22 de ladite vis 20 porte alors contre l'un des bords de l'un des oeillets, et l'écrou 21 porte contre l'un des bords de l'autre oeillet. Par ailleurs, les mors 19 sont reliés au ruban 8 par des soudures par points (voir la figure 2). L'élément de liaison 3 présente, dans la zone située en- tre les rubans 5 d'arrêt axial, une gorge sensiblement trapé- zoïdale qui est repoussée radialement vers l'extérieur afin de recevoir le ruban de serrage 8, et de rigidifier ledit élément 3. Comme le montrent la figure 3 et notamment la figure 4, les dents 6 décrivent un angle aigu a avec un plan radial res- pectif 22' de l'accouplement tubulaire ou du collier de serra- ge, tandis que leurs flancs 7 décrivent un angle aigu 0 confor- mément aux figures 1 et 5. Ainsi, au stade du blocage des dispo- sitifs de blocage, les dents 6 s'enfoncent normalement, dans le matériau constituant les tubes, par leurs coins axialement intérieurs, de la façon illustrée sur les figures 3 et 4. Le cas échéant, la solidarisation des tubes 1, 2 peut résister à de grandes forces axiales en présence de fortes pressions régnant dans ces tubes 1, 2. Dans ce cas, les pressions internes peuvent être d'autant plus fortes que la profondeur d'enfoncement des dents 6 est grande. Toutefois, en particulier dans le cas de tubes 1, 2 à surface très dure, il est à craindre que les dents 6 ne "mordent" pas, dans le matériau des tubes, d'une profondeur suffisante pour éviter que ces tubes 1, 2 soient repoussés à l'écart l'un de l'autre lorsque règnent de très fortes pres- sions internes, car la force de blocage pouvant être appliquée par les dispositifs de blocage 4 ne peut pas être augmentée sans limites. Néanmoins, une observation de la figure 4 démontre que la profondeur d'enfoncement h des dents 6 atteint une valeur maximale, pour un angle a déterminé, en présence d'une force de blocage préétablie et de la forme des dents indiquée. Ce résul- tat étonnant se fonde sur l'expérience selon laquelle le volume du matériau tubulaire, refoulé par la partie d'une dent s'en- fonçant dans le tube, devrait être le plus petit possible avec l'angle a prédéterminé. En effet, plus le volume du matériau tu- bulaire refoulé est faible, plus la profondeur d'enfoncement h sera conséquente en présence d'une force de blocage préétablie du dispositif de blocage 4. Le volume V du matériau tubulaire refoulé obéit (avec une approximation suffisamment précise) à la formule sui- vante: V = A y/3 (1), expression dans laquelle A est la surface axialement intérieure de la partie de la dent enfoncée dans le matériau tubulaire, et illustrée en perspective sur la figure 5. Cette partie de dent revêt, avec une approximation suffisamment précise, la forme d'une pyramide à trois côtés présentant la surface de base A et la hauteur h. La surface A est l'aire du triangle isocèle pré- sentant une base c, une hauteur x et l'angle 0 au sommet par rap- port à la base c. Conformément à la figure 4, une hauteur y de la pyramide est exprimée par y = h/sin a (2) et l'aire de la surface de base est exprimée par A = cx/2 (3). D'après la figure 4, la hauteur x de la surface A est ex- primée par x = h/cos a (4) et la base est exprimée par c = 2 x tan(0/2) (5). Une intégration des équations (2) à (5) dans l'équation (1) permet ensuite d'obtenir h3tan(P/2) V = (6). 3sin a cos2a En réécrivant l'équation (6), l'on obtient 3V h3 = sin a cos2a (7) tan(e/2) et, en normalisant l'équation (7) conformément à l'équation (8) suivante tan(0/2) h3n = h3 (8), 3V l'on obtient, pour la profondeur d'enfoncement normalisée hnt hn = sin a cos2a (9) avec un volume V constant et un angle 0 constant. La dépendance de la profondeur d'enfoncement normalisée hn se différenciant, de la profondeur d'enfoncement h. unique- ment par le facteur de proportionnalité v3 3 k = (10), tan(0/2) est illustrée sous la forme d'un diagramme sur la figure 6. Ce diagramme révèle que la profondeur d'enfoncement présente un maximum avec l'angle am, et cela indépendamment de V et À. La po- sition de ce maximum ou, respectivement, l'angle am, est obte- nu(e) par différenciation de l'équation (9) selon a et par mise à zéro du quotient différentiel, comme suit: am = arc tan 0,5 = 35,26 (11). La profondeur d'enfoncement optimale se situe par con- séquent à a = am. Comme le montre la figure 6, l'angle a peut toutefois aussi être compris entre 300 et 40 , de préférence en- tre 330 et 38 sans que la profondeur d'enfoncement se réduise notablement. Par différenciation de l'équation (6) selon a et par mise à zéro du quotient différentiel, il peut être démontré que le volume est minimal avec le même angle de 35,26. D'autre part, la profondeur d'enfoncement selon l'équa- tion (7) est d'autant plus grande, et le volume V selon l'équa- tion (6) est d'autant plus petit que l'angle 0 est faible à la pointe des dents entre les flancs 7, c'est-à-dire que les dents 6 sont pointues. Concernant la dérivation des équations (1) à (11), une considération restrictive réside dans le fait que l'épaisseur d (figure 4) des dents 6 est supérieure à y, c'est-à-dire que, conformément à l'équation (2), d > h/sin a (12) ou bien que, en d'autres termes, les dents 6 ne s'enfoncent pas dans le matériau tubulaire au-delà de la longueur de leurs bords radialement intérieurs. Une autre condition préalable restrictive, concernant la précision des équations (1) à (10), réside dans le fait que la ligne c est admise comme rectiligne sur la figure 5, bien qu'elle soit, concrètement, légèrement curviligne d'une façon correspondant au diamètre externe des tubes 1, 2, ce qui est toutefois négligeable compte tenu de la faible longueur de la ligne c par rapport au périmètre des tubes 1, 2. Avec le choix de l'angle aC, la liaison établie entre les tubes résiste à des pressions de fluides atteignant jusqu'à 20 bar et plus. Pour un diamètre des tubes compris entre 50 mm et mm, par exemple, la pression admissible peut être d'environ bar à 5 bar. Une modification de l'exemple de réalisation illustré peut consister à supprimer les couronnes dentées axialement ex- térieures, situées sur le bord des rubans 5 d'arrêt axial qui est tourné à l'opposé du plan médian radial de l'accouplement tubulaire, car elles n'absorbent que des forces de traction axiale plus modestes des tubes 1, 2, du fait de leur angle d'in- clinaison opposé à l'angle d'inclinaison des autres dents. Moyennant une même force de blocage des dispositifs de blocage 4, les autres dents 6 atteignent alors une profondeur d'enfon- cement encore supérieure, avec une aptitude conséquemment plus grande des tubes 1, 2 à supporter une traction axiale. D'autres modifications de l'exemple de réalisation re- présenté peuvent, par exemple, consister à prévoir, à la place de l'un des dispositifs de blocage 4, une liaison monobloc ou une liaison articulée entre les demi-coquilles 3a et 3b de l'en- veloppe du collier (élément de liaison 3). En variante, l'enve- loppe du collier peut également être subdivisée en trois seg- ments ou plus, trois dispositifs de blocage 4 ou plus pouvant alors être prévus. En outre, à la place de la fermeture 12 par blocage illustrée, il peut être prévu une fermeture par blocage correspondant à l'un des dispositifs de blocage 4, mais présen- tant toutefois une seule vis de blocage. Il va donc de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au collier de serrage décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. -R E V E N D I C A T I ONS- 1. Collier de serrage à effet de soulagement en traction axiale, pour relier les extrémités de deux tubes (1, 2) majori- tairement lisses, comportant au moins un élément de liaison (3) en un métal qui coiffe le joint de séparation entre les extrémi- tés des tubes, peut être bloqué dans le sens périphérique des- dits tubes (1, 2), par l'intermédiaire d'au moins un dispositif de blocage (4), et auquel est fixé, à proximité de ses extrémi- tés axiales, un ruban respectif (5) d'arrêt axial constitué d'un métal, s'étendant dans le sens périphérique des tubes (1, 2) et présentant, sur au moins le bord axialement intérieur par- mi ses deux bords périphériques, des dents cunéiformes (6) di- rigées à l'oblique vers l'intérieur dans le sens radial, en vue de "mordre" dans le matériau constituant les tubes, les dents (6) décrivant un premier angle (a) avec un plan radial (22') du collier de serrage, et les flancs (7) desdites dents décrivant un second angle (0) avec ledit plan, collier caractérisé par le fait que le premier angle (a) est compris entre 30 et 40 , de préférence entre 33 et 380. 2. Collier de serrage selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le premier angle (a) est égal à arc tan 0r-,5. 3. Collier de serrage selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé par le fait que le second angle (0) mesure au maximum , et est de préférence compris entre 45 et 90 . 4. Collier de serrage selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau consti- tuant les rubans (5) d'arrêt axial est plus dur que celui des tubes et est, de préférence, à base d'acier trempé.