Brevet FR2728050A1 — publié le 19960614

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La présente invention se rapporte de façon générale à des accouplements pour des tubes en matière plastique, et plus particuliérement elle concentre des perfectionnements à la résistance et à la longévité des systèmes d'accouplement mécanique. On utilise maintenant habituellement des tubes en polyéthylène pour le transport souterrain de gaz naturel. Les tronçons de tubes peuvent être réunis en utilisant des méthodes soit chimiques, soit thermiques ou mécaniques. Un système mécanique typique emploie un accouplement qui comprend un manchon doté de griffes, lequel est forcé à rintérieur du tuyau. Le manchon a une taille légèrement en excès, de telle sorte que le tuyau devient légèrement dilaté lorsqu'on y introduit le manchon. On enfile ultérieurement par dessus le tronçon dilaté du tuyau un fourreau de serrage afin de comprimer fermement le tuyau contre les griffes, ce qui amène le polyéthylène à fluer à froid et à remplir la fonction de son propre matériau d'étanchéité afin d'étancher le raccord.La force d'arrachement de ce type d'accouplement peut dépasser substantiellement la résistance à la traction du tuyau lui-même. Un tel dispositif et son procédé d'utilisation sont décrits en détail dans le brevet US 4 635 972, et on se référera à titre de référence au contenu de ce document. ll est nécessaire que l'accouplement mécanique décrit dessus soit capable de résister à des charges de compression, de traction et de cisaillement importantes pendant l'opération d'accouplement sans présenter de déformations notables, et il doit ensuite être capable de maintenir une stabilité dimensionnelle ainsi que son intégé stmcttrelle d'ensemble au cours de sa durée de vie en service. Additionnellement, les divers composants des systèmes de transmission de gaz doivent être capables de résister avec succès à des conditions très sévères pendant diverses procédures d'essai avant leur approbation en vue de leur utilisation, par diverses autorités compétentes. Des systèmes d'accouplement mécanique tels qu'ils ont décrit ci-dessus ont été réalisés avec succès en XENOY 6620, une résine polyester commercialisée par la Société General Electric. De tels dispositifs présentent des rapports excellents quant à leurs performances, à la fois sur site, ainsi que lorsqu'ils sont soumis aux procédures d'essais en place. Le matériau est extrêmement résistant, il présente un module de flexion élevée, et il est imperméable aux hydrocarbures. Cependant, on a proposé relativement récemment, en vue de leur adoption par les autorités industrielles, des procédures d'essais sensiblement plus rigoureuses, et par conséquent on a maintenant besoin d'accouplements mécaniques avec des capacités et des performances encore plus élevées. L'essai de rupture sous contrainte hydrostatique exige de mettre sous pression un accouplement assemblé jusqu'à 10 à 20% de la résistance à la rupture du tube tandis que celui-ci est rempli d'eau et qu'il est immergé dans de l'eau maintenue à une températuoe allant jusqu'à 90"C pendant une période jusqu'à 6000 heures, sans qu'il se produise de fuite. Les matériaux hygroscopiques, dans lesquels l'absorption d'eau a un effet négatif sur les propriétés mécaniques du matériau, ont tendance à ne pas passer ce type d'essai avec succès.Un essai additionnel qui soumet un accouplement à des conditions extrêmes est désigné comme essai de relaxation de contrainte. On applique une charge de traction égale à approximativement 1/2 de la résistance à la rupture du tube à la combinaison formée par le tube et l'accouplement pendant approximativement 500 heures, et on soumet à ce moment l'intérieur du tube à des pressions diverses allant jusqu'à 100 psi (7 kg/cm2) pendant 24 heures. Le tube et l'accouplement sont alors soumis à une traction et on constate la défaillance qui se manifeste par un arrachement, ou par la détection d'une fuite quelconque provenant de l'accouplement. Une terminaison de l'essai avec succès suppose une défaillance par rupture du tube avant de détecter une fuite quelconque. Les procédures d'essais plus rigoureuses ont créé un besoin pour améliorer la résistance d'accouplement mécanique pour des tubes en matière plastique. En outre, de telles performances améliorées devraient être obtenues sans exiger de changer les procédures employées jusqu'ici pour l'assemblage des accouplements, et sans exiger de modifier les outils que l'on utilise habituellement pendant un tel assemblage. SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention propose un accouplement mécanique pour des tubes en matière plastique, de résistance et de performance supérieures par rapport à des dispositifs utilisés antérieurement, tandis que l'accouplement est assemblé précisément de la même manière et en utilisant les mêmes outils qu'auparavant. Une amélioration significative a été réalisée de façon inattendue en utilisant dans la construction de l'accouplement du nylon 11, au lieu de la résine polyester auparavant préférée. Le nylon 11 est un polyamide disponible auprès de la Société ELF Atochem North America Inc., et il est commercialisé sous la marque RILSAN.Alors qu'on a utilisé auparavant du nylon 1 1 pour la fabrication de tuyaux de gaz, ainsi que pour la réalisation d'accouplements à fusion par solvant pour être utilisés avec ces tuyaux, on a constaté de façon inattendue que les propriétés mécaniques du nylon 1 1 conviennent de façon idéale pour résister aux contraintes mécaniques qui sont imposées au matériau dans une application à un accouplement mécanique. Le nylon 11 présente des résistances à la traction, à la compression et au cisaillement supérieures, un module en flexion élevé, il a une tendance hygroscopique extrêmement faible, et il a une excellente résistance vis-à-vis de la fissuration lente. Un perfectionnement additionnel par rapport au dispositif d'accouplement mécanique utilisé auparavant est accompli avec la reconfiguration des griffes qui sont formées sur la surface extérieure du manchon. L'utilisation du nylon 1 1 a permis d'effiler le profil de chaque griffe, de sorte qu'on assure une pénétration importante de la griffe à l'intérieur du tube tandis que le tube est forcé par dessus le manchon. La résistance inhérente au frettage du tube en polyéthylène provoque l'application d'une force de compression tandis que le tube est forcé par dessus le manchon, et par conséquent dilaté. En outre, le nylon 11 est slXfliwTnment résistant pour que ces griffes soient capables de résister à un écrasement lorsqu'on assemble le fourreau de terminaison.De plus, des accouplements de grande taille (pour des tubes de diamètre supérieur à 1,5 pouces ou 38, 1 mm) ont profité d'une réduction de la taille hors-tout de chaque griffe tout en augmentant le nombre total de griffes. Grâce à ceci on a maintenu la résistance à l'arrachement tandis qu'on a réduit les contraintes et les efforts sur le tube de polyéthylène et les déformations des griffes. Ceci a pour effet de prolonger la durée de vie en service de l'accouplement et d'améliorer les performances de l'accouplement lors des essais en fatigue. Ces caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, deviendront apparents à la lecture de la description detaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, cette description illustrant à titre d'exemple les principes de l'invention, en combinaison avec les dessins cl-omts. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en coupe longitudinale du système d'accouplement de la présente invention, dans un état partiellement assemblé ; et la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la partie de la figure 1 entourée par un cercle. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES Les figures illustrent de façon générale le système d'accouplement de la présente invention. Le dispositif d'accouplement particulier 12 qui est illustré pennet de raccorder rapidement et de façon permanente deux tronçons de tubes en polyéthylène 14, 16 le long d'un axe commun en utilisant uniquement des outils à main. La figure 1 montre les composants d'une moitié de l'accouplement avant leur assemblage, et elle montre la moitié opposée complètement assemblée. En se référant à la figure 1, le dispositif d'accouplement 12 comporte une noix de raccord 18 et des fourreaux de terminaison 26, 28. Dans le cas de la configuration particulière illustrée, la noix de raccord 18 comprend deux manchons 20, 22 qui s'étendent à l'opposé l'un de l'autre et sont séparés par une paire de brides 21 qui définissent entre elles une gorge 23 pour la réception d'un outil. Un passage creux 17 s'étend à travers la noix de raccord le long de son axe central et ce passage est doublé par un tube de support 19 qui est capable de résister aux forces de compression qui doivent être appliquées aux manchons.Ces caractéristiques peuvent être remodelées sous un nombre quelconque de variantes, comme par exemple des coudes ou des Tés, des collecteurs à partir desquels se projette une pluralité de manchons, ou tout autre dispositif qui peut incorporer un manchon. Chaque manchon comprend une série de griffes annulaires 24 formées sur sa surface extérieure. Les griffes définissent chacune une forme tronconique dans laquelle la surface 25 en forme de rampe est orientée en direction de l'extrémité distale de chaque manchon, tandis que la base 27 de chaque tronc de cône, qui est perpendiculaire à l'axe central de la noix 18, est orientée vers l'extrémité proximale de chaque manchon Le diamètre maximum et l'angle de cône des griffes sont choisis de telle façon que la pénétration des griffes à l'intérieur de la paroi du tube en polyéthylène est réalisée lorsque le tube est enfilé par dessus, même avant avoir assemblé le fourreau de terminaison.Ceci se base sur la résistance au frettage inhérente du tube de polyéthylène, et assure la réalisation d'un joint extrêmement étanche lorsque le fourreau de terminaison est presse par dessus le tube. Additionnellement, le nombre de griffes est choisi de telle façon que la superficie combinée des bases 27 de toutes les griffes soit égale ou supérieure à la superficie en section transversale de la paroi du tube en polyéthylène. En outre, les manchons ont des dimensions telles que le diamètre de leur paroi extérieure dépasse légèrement le diamètre intérieur du tube en polyéthylène de manière à provoquer l'expansion du tube lorsque celui-ci est enfilé par dessus. Un fourreau de terminaison 26, 28 est prévu pour chaque manchon. Ce fourreau a une surface intérieure cylindrique lisse dont la dimension est propre à comprimer les parois de la partie du tube en polyéthylène qui est placée par dessus le manchon. Les extrémités opposées des fourreaux au niveau de leurs diamètres intérieurs sont arrondies (31) pour constituer une surface de coulissement pour faciliter le montage à force de ces fourreaux sur le tronçon de tube qui est enfilé sur le manchon. L'extérieur du fourreau de terminaison présente une structure nervurée 29 qui sert à renforcer le composant en améliorant sa qualité de moulage.Les vides entre les nervures servent à réduire la masse de matériaux de moulage, ce qui contribue à des performances de refroidissement plus uniformes pendant le processus de moulage, et réduit grâce à ceci la formation de vides et de bulles à l'intérieur. H en résulte un moulage plus résistant et moins poreux. La noix de raccord, ainsi que les fourreaux de terminaison, sont moulés en nylon 1 1 disponible sous la marque RILSAN et produits par la Société Elf Atochem North America, Inc. Le nylon 11 est un polyamide dont on a constaté qu'il possède les propriétés mécaniques convenant de façon idéale pour satisfaire aux exigences de l'accouplement mécanique de la présente invention. Le matériau a des résistances à la compression, à la traction et au cisaillement extrêmement élevées, une résistance élevé vis-à-vis de la croissance lente de fissures, une tendance hygroscopique extrêmement faible, un module à la flexion élevé, et il est imperméable vis-à-vis des hydrocarbures. Les pièces sont moulées par injection dune manière traditionnelle. Le tube support en aluminium 19 est mis en place à la presse après avoir terminé le moulage de la noix centrale 18. Les tronçons de tubes en polyéthylène sont réunis au moyen de l'accouplement de la présente invention en utilisant de simples outils à main. L'extrémité du tube est tout d'abord coupée droite, et on coulisse par dessus le tube le fourreau de terminaison jusqu'à une position nettement éloignée de l'extrémité du tube. On serre alors sur le tube et à quelques pouces (5 à 10 cm) près de l'extrémité du tube une pince bloquante. La pince présente des mâchoires de serrage circulaires pour faciliter une saisie correcte de la surface extérieure du tube. On place ensuite une presse mécanique de manière à engager simultanément la gorge de réception d'outils 23 et la surface distale 30 du fourreau de terminaison 26.Lorsqu'on applique une force de compression qui porte sur les surfaces opposées, le fourreau de terminaison engage la pince qui est fermement bloquée sur le tube, pour provoquer l'engagement à force de l'extrémité du tube par dessus le manchon. Ceci amène le tube 14 à se dilater légèrement, comme montré à la figure 1 sous la référence 32. La résistance au frettage du tube est suffisante pour provoquer la pénétration des griffes à l'intérieur de la paroi de tube en polyéthylène. Une fois que le tube a été mis à force par dessus le manchon, on enlève la pince bloquante, et on reprend l'application d'une force de compression entre le fourreau de terminaison, au niveau de la référence 30, et la gorge de réception d'outils 23, de manière à amener le fourreau de tenninaison en force par dessus le tronçon de tube qui est placé par dessus le manchon 20. On répète ces opérations pour chaque raccordement. Le tube est immédiatement prêt à l'emploi. Alors qu'on a illustré et décrit une forme particulière de l'invention, il apparaîtra également aux hommes de métier que l'on peut apporter des modifications diverses sans quitter le cadre de l'invention. En outre, on comprendra que l'invention peut être incorporée en un nombre quelconque de configurations et de tailles d'accouplements. De plus, la présente invention n'est pas limitée à des applications au transport de gaz naturel, puisque la tendance hygroscopique extrêmement faible du nylon 1 1 et sa résistance inhérente font que l'accouplement qui est construit à partir de cette matière convient de façon idéale pour la transmission d'autres fluides, comme de l'eau, sous des pressions relativement élevées. Ainsi, l'invention ne doit pas être limitée autrement que par les revendications ci-après. Revendications 1. Accouplement (12) pour raccorder mécaniquement des tubes en polyéthylène (14, 16), lesdits tubes présentant une résistance prédéterminée au frettage, un diamètre intérieur prédéterminé et une paroi d'une section transversale . prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend: - une noix de raccord (18) moulée en nylon (11), comprenant au moins un manchon (20, 22) afin de recevoir axialement ledit tube par dessus ce manchon, ledit manchon (20, 22) comportant une pluralité de griffes annulaires (24) formées sur sa surface, lesdites griffes étant configurées et dimensionnées de manière à pénétrer dans ledit tube en polyéthylène lorsque ce dernier est reçu par dessus lesdites griffes, en résultat de la résistance au frettage desdits tubes (14, 16) et - un fourreau de terminaison (26, 28) moulé en nylon (11), dimensionné de manière à être reçu axialement par dessus ledit tube en polyéthylène (14, 16) placé par dessus ledit manchon (20, 22) de manière à comprimer ledit tube contre ledit manchon, grâce à quoi on réalise unjoint permanent entre ledit tube (14, 16) et ledit accouplement (12). 2. Accouplement selon la revendication 1, dans lequel lesdites griffes annulaires (24) ont la forme de troncs de cônes, chaque tronc de cône ayant une surface inclinée (25) orientée en direction de l'extrémité distale du manchon (20, 22), et une surface de base (27) perpendiculaire à raxe central du manchon (20, 22) et orientée vers l'extrémité proximale du manchon (20, 22), la taille et le nombre des griffes (24) étant choisis de telle manière que la superficie combinée de toutes les surfaces de base (27) est approximativement égale à la superficie en section transversale de la paroi du tube (14, 16). 3. Accouplement selon la revendication 2, dans lequel ledit manchon (20, 22) a un diamètre extérieur choisi de façon à dépasser le diamètre intérieur du tube en polyéthylène (14, 16), grâce à quoi le tube est dilaté lorsqu'il est reçu par dessus ledit manchon (20, 22). 4. Accouplement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un tube de support métallique (19) est disposé à l'intérieur dudit manchon (20, 22). 5. Accouplement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite noix de raccord comprend une bride en projection radiale (21) à proximité de son extrémité proximale, grâce à quoi un outil qui engage cette bride (21) peut exercer une force alignée le long de l'axe du manchon (20, 22).