Brevet FR2798716A1 — publié le 20010323

La présente invention se rapporte à un raccord fileté à haute résistance au couple excessif et à la compression, et elle s'applique à des raccords qui relient des éléments tubulaires, particulièrement mais non exclusivement destinés à des tubes pour le transport de liquides ou de gaz sous pression comme la vapeur, le gaz ou le pétrole, utilisés dans des colonnes d'exploration ou de production de gaz ou de pétrole, ou à des tubes ou canalisations (pipelines) de liquides ou gaz. L'un des principaux types de raccords utilisés actuellement pour les objectifs cités comprend un élément femelle qui possède une surface circonférentielle intérieure munie d'un filetage et un élément mâle qui possède une surface circonférentielle extérieure, elle aussi munie d'un filetage qui correspond à celui de l'élément femelle, et qui se loge dans l'élément femelle au moyen du filetage. Le bord libre de l'un des éléments (généralement l'élément mâle), appelé nez, possède une surface annulaire orientée axialement, qui s'applique sous pression contre une surface correspondante prévue dans l'autre élément (épaulement de couple). Dans ces raccords, il peut exister ou ne pas exister une autre surface dirigée radialement à l'extrémité libre de l'un des éléments, surface qui joue le rôle de joint en s'appliquant sous pression contre une surface correspondante dirigée radialement prévue dans l'autre élément. Les surfaces annulaires dirigées axialement sont comprimées sous l'effet de l'assemblage du raccord. Le couple maximum que le raccord est capable d'absorber est limité par les dimensions et le dessin de l'extrémité libre du premier élément et de l'extrémité de la zone de l'épaulement de couple. Dans les raccords actuels, il existe une similitude entre les dimensions de la surface orientée axialement de l'extrémité libre de l'élément mâle et celles de la surface correspondante de l'élément femelle, ainsi qu'entre la zone résistante du nez et la zone résistante de l'épaulement. Néanmoins, dans les raccords actuels, lorsque le couple appliqué croît au cours de l'assemblage, ou ultérieurement pendant une opération quelconque exécutée avec la colonne assemblée, la combinaison de tensions qui se produit dans l'épaulement de couple favorise le développement de tensions de coupe qui cisaillent la matière et provoquent la rupture de l'épaulement, en constituant de cette façon le point faible ou la zone critique du raccord face à ce type d'efforts de torsion. Pour améliorer les performances du raccord face à ce type d'efforts, il est de pratique habituelle d'augmenter l'épaisseur du nez ou de l'épaulement de couple dans la même mesure, en obtenant ainsi un accroissement de la capacité de supporter le couple excessif mais en accroissant la susceptibilité du joint à engendrer des entaillages, en raison de la plus grande rigidité du nez et de l'accroissement résultant des pressions de contact. En supplément, cette variante consistant à augmenter l'épaisseur du nez exige une conformation de l'extrémité du tube avant le filetage, ce qui affecte les propriétés de la matière et constitue une complication pour le processus de fabrication. Le principal but de la présente invention est de réaliser un raccord de tube perfectionné qui élimine ou réduise les inconvénients de l'état de la technique décrite et qui ne provoque pas la défaillance prématurée de l'épaulement de couple, en augmentant la capacité du raccord à supporter les efforts de torsion. Un autre but de la présente invention consiste à réaliser des raccords de tubes o la pression de contact développée dans les surfaces du joint reste limitée, en maintenant de cette façon à une valeur limitée le risque de voir se produire des entaillages. Un but de l'invention consiste aussi à réaliser un raccord capable de ne pas produire d'altérations substantielles de la forme des filets de courant du fluide qui circule à l'intérieur. Pour atteindre les objectifs cités, le raccord de tube selon la présente invention comprend un élément femelle qui possède une surface circonférentielle intérieure munie d'un filetage et un élément mâle qui possède une surface circonférentielle extérieure, elle aussi munie d'un filetage qui correspond à celui de l'élément femelle, et qui se loge dans l'élément femelle au moyen du filetage, dans lequel les éléments sont accrochés l'un à l'autre, une surface annuaire sensiblement orientée axialement, située à l'extrémité libre de l'un des éléments, appelée nez, entre en contact étroit avec une surface annulaire opposée sensiblement orientée axialement, prévue sur l'autre élément, appelée épaulement de couple, la surface annulaire orientée axialement du premier élément coupant, au niveau de son petit diamètre, la surface intérieure du tube ou, en variante, coupant une surface cylindrique intérieure parallèle à l'axe du tube, ou, en variante, coupant une surface tronconique, laquelle coupe à son tour la surface intérieure du tube, tandis que la surface annulaire orientée axialement du deuxième élément coupe, au niveau de son petit diamètre, une surface tronconique dirigée radialement, qui forme un angle B d'entre 5 et 25 avec l'axe du tube, cette surface coupant à son tour une surface cylindrique intérieure parallèle à l'axe du tube ou qui, en variante, forme un angle de moins de 5 avec cet axe. La configuration de l'épaulement de couple selon la présente invention permet d'accroître la capacité de couple excessif du raccord en améliorant sensiblement la résistance de cette zone faible des raccords habituels, en augmentant la section résistante de l'épaulement de couple dans le plan o s'engendrent les principales tensions de couple responsables du mécanisme de la défaillance dans les raccords classiques. Cette amélioration de la résistance est obtenue sans augmenter l'épaisseur du nez, ce qui n'augmente pas le risque d'entaillage lorsque le nez possède une surface de joint à contact métal sur métal. Selon une configuration, le premier élément correspond à l'élément mâle, avec une surface généralement orientée axialement qui forme un angle A avec le plan perpendiculaire à l'axe du tube dans l'élément mâle en entrant en contact sous basse pression avec une surface correspondante généralement orientée axialement et qui forme un angle A avec la perpendiculaire à l'axe du tube dans l'élément femelle. L'invention sera mieux comprise en se reportant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 correspond à une vue en coupe axiale d'une configuration de raccord selon la présente invention; Les figures 2 et 3 sont des vues agrandies des coupes axiales de la partie du raccord indiquée sur la figure 1; La figure 4 montre les parties indiquées sur les figures 2 et 3 lorsque le raccord est assemblé, et La figure 5 montre la vue d'une coupe axiale d'une autre configuration possible pour la présente invention. La figure 1 montre un raccord qui comprend un élément mâle 1 et un élément femelle 2. Dans cette configuration, l'élément femelle est formée par une partie d'un manchon 3 qui forme aussi un deuxième élément femelle 2a destiné à se raccorder à un deuxième élément mâle la. Chacun des éléments mâles 1, la est prévu à l'extrémité d'un tronçon de tube 4, 4a et, comme on le montre, il peut être formé en une seule pièce ave le tronçon de tube ou encore il peut être fabriqué séparément et soudé ou fixé d'une autre façon. Cmme on le montre sur la figure, chaque élément mâle 1, la possède une surface extérieure périphérique tronconique 5, 5a munie d'un filetage et chaque élément femelle 2, 2a possède une surface périphérique intérieure tronconique correspondante 6, 6a qui est elle aussi munie d'un filetage pour recevoir et accrocher l'élément mâle correspondant. Les éléments peuvent être filetés de façon classique. Les filetages des surfaces périphériques se terminent près des extrémités libres 7, 7a de l'élément mâle et des extrémités intérieures correspondantes des surfaces 6, 6a de l'élément femelle et, lorsque les éléments sont complètement accrochés l'un à l'autre, une surface dirigée sensiblement axialement à l'extrémité libre de chaque élément mâle 7, 7a (le nez) est dirigée à l'intérieur d'une butée de joint ayant une surface correspondante opposée dirigée sensiblement axialement sur un épaulement 8 de l'élément femelle (épaulement de couple), comme on le décrit de façon plus détaillée sur les figures 2 et 3, lesquelles montrent seulement l'extrémité libre 7 de l'élément mâle 1 et la partie correspondante de l'épaulement 8, et la surface intérieure adjacente de l'élément femelle 2. Comme on le représente sur la figure 2, l'extrémité libre 7 de l'élément mâle 1 (appelée le nez) est munie d'une première surface extérieure annulaire dirigée radialement 9 et d'une deuxième surface annulaire 10 dirigée axialement et formant un angle A avec le plan perpendiculaire à l'axe du tube. La surface 9 peut à son tour contenir ou ne pas contenir une surface ou région annulaire destinée à produire l'étanchéité du raccord lorsqu'elle se trouve en contact avec la surface correspondante de l'élément femelle. La deuxième surface 10 peut se terminer en 11, cet endroit étant d'un diamètre prédéfini, sur la surface intérieure de l'élément mâle ou; en variante, sur une troisième surface cylindrique intérieure 12, ou encore en variante sur une surface tronconique 13, indiquée en trait interrompu. Cette surface 13 se termine sur la surface intérieure de l'élément mâle. Les surfaces 9 et 10 sont réunies par une surface annulaire 14 qui possède un rayon de courbure Ri. Comme caractéristique de cet élément mâle appelé nez, on appelle Tn, ou épaisseur de nez, la distance entre l'intersection virtuelle des surfaces 9 et et le point 1 1 qui est la terminaison de la surface 10 dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube. Comme on le représente sur la figure 3, l'élément femelle 2 est muni de surfaces 15 et 16 correspondant aux surfaces 9 et 10 de l'élément mâle, réunies par une surface annulaire 17 qui possède un rayon de courbure R2 qui, pour des raisons d'assemblage, doit être supérieur à Ri. La surface 16 se réunit en 18 à la surface tronconique 19 laquelle forme avec l'axe du tube un angle B d'une valeur d'entre 5 et 25 . La surface 19 se réunit à son tour, au point 20, à la surface cylindrique intérieure 21. En variante, la surface 21 peut former un angle de moins de 5 avec l'axe du tube. La section de l'élément femelle formée par les surfaces 16, 19 et 21, constitue " l'épaulement de couple " qui doit supporter les charges de compression provenant de la torsion pendant l'assemblage ou en fonctionnement. On appelle Th ou "épaisseur d'épaulement" la distance entre l'intersection virtuelle des surfaces 15 et 16 et le point 20 o se coupent les surfaces 19 et 21. La rencontre des surfaces 16 et 19, le point 18, peut en variante comprendre un biseau ou un rayon de raccordement. Comme condition de la présente invention, la relation suivante peut être établit entre l'épaisseur de nez, Tn, et l'épaisseur de l'épaulement Th: 1,1 La figure 4 montre le détail de l'extrémité libre de l'élément mâle décrit sur la figure 2 lorsqu'il se trouve dans la position finale de l'assemblage avec l'élément femelle décrit sur la figure 3. Les surfaces correspondantes 10 et 16 se trouvent en contact étroit sous des charges de compression. Les surfaces 9 et 15 se trouvent ou ne se trouvent pas en contact, selon que le raccord possède ou ne possède pas un type de joint métal sur métal. Lorsque la pression entre les surfaces et 16 s'accroît en raison de l'accroissement de l'effort de torsion ou de celui de charges de compression exercées sur le raccord, la région définie par les surfaces 16, 19 et 21, appelée épaulement de couple, absorbera les tensions engendrées avec une plus grande capacité que les raccords classiques. En supplément, les surfaces 12, 19 et 21 établissent une transition douce pour l'écoulement de liquide ou de gaz à l'intérieur du tube. Bien que la présente invention ait été décrite dans le contexte d'un raccord dans lequel l'élément femelle est formé par un manchon, elle est aussi applicable à un raccord à mamelon et emboîture, comme on le représente sur la figure 5, o les éléments mâle et femelle 22 et 23 sont conformés en un seul tenant avec les extrémités de tronçons d'embouts 4, 4a, avec une surface sensiblement orientée axialement, comme celle décrite sur la figure 2 au bord libre 24 de l'élément mâle, qui entre en contact avec la surface orientée sensiblement axialement et qui correspond à la précédente, comme celle décrite sur la figure 3, prévue dans l'épaulement de couple 25 de l'élément femelle 23. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du raccord fileté dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention REVENDICATIONS 1. Raccord fileté à haute résistance au couple excessif et à la compression, composé d'un élément femelle (2) qui possède une surface circonférentielle intérieure (6, 6a) munie d'un filetage et d'un élément mâle (1) qui possède une surface circonférentielle extérieure (5, 5a) qui correspond à la circonférence intérieure de l'élément femelle, pour se loger dans l'élément femelle et munie d'un filetage destiné à s'assembler au filetage de l'élément femelle, l'un desdits éléments étant muni à son extrémité libre d'une surface annulaire (10, 16) sensiblement orientée axialement, qui correspond à celle (16, 10) de l'autre élément et qui entre en contact avec la surface du premier élément dans la position de l'assemblage final, cette surface étant celle qui est chargée de transmettre l'effort provenant du couple et la compression appliquée au raccord, ledit raccord étant caractérisé en ce que ladite surface annulaire sensiblement orientée axialement (16) de l'élément femelle coupe, au niveau de son petit diamètre, une deuxième surface tronconique (19) qui forme un angle B avec l'axe du tube, cette surface coupant à son tour une surface cylindrique (20) parallèle à l'axe du tube, les trois surfaces précitées de l'élément' femelle étant celles qui constituent l'épaulement de couple, lesquelles possèdent une combinaison d'angles d'inclinaison et de dimension appropriée pour assurer les conditions suivantes 1,1 ou avec la surface tronconique qui coupe la surface intérieure du tube. 2. Raccord fileté selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre de l'élément mâle (1, la) possède une surface ou combinaison de surfaces dirigées radialement sur son rayon extérieur qui entre en contact étroit avec une surface ou un ensemble de surfaces correspondantes prévues dans l'élément femelle (2), avec pour but d'assurer l'étanchéité du raccord. 3. Raccord fileté selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément femelle (2) est muni d'un manchon possédant deux parties femelles opposées (2, 2a) et l'élément mâle (1) est formé en une seule pièce à une extrémité de tube. 4. Raccord fileté selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément femelle (2) est prévu en une seule pièce à une extrémité de tube et l'élément mâle (1) est prévu en une seule pièce à une extrémité de tube.