Brevet FR2965197A1 — publié le 20120330

PROCEDE ET DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT D'UN PREMIER TUBE VIS- A-VIS D'UN DEUXIEME TUBE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte au domaine du positionnement de tubes les uns vis-à-vis des autres, plus précisément de tubes qu'il s'agit de mettre bout à bout en vue de les souder par leurs extrémités. D'un façon générale et globale, on aligne d'abord les tubes puis on les serre afin de les maintenir dans une position optimale avant de les souder bout à bout. [0002] Depuis de nombreuses années des procédés et dispositifs divers et variés ont été utilisés à ces fins. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003]0n connaît des solutions mécaniques où un anneau portant des vérins à vis régulièrement répartis sur sa circonférence, est placé autour de la surface ( ou paroi) extérieure d'un tube par exemple métallique. De façon connue l'anneau est constitué de deux demi-anneaux reliés par une articulation de type charnière, qui peuvent donc être écartés l'un de l'autre afin de placer ou au contraire d'enlever un tube ; en position fermée, les deux demi anneaux constituent un anneau qui entoure un ou deux tubes au niveau de leurs extrémités, et que les vérins à vis permettent de déformer et/ou d'aligner au mieux. [0004]Dans ce cas d'application, un vissage mécanique opéré par un opérateur permet d'exercer des pressions ponctuelles en autant de zones qu'il existe de vérins autour du tube. Ceci peut permettre au final de déformer ledit tube, par exemple de rendre rond un cylindre initialement ovale. [0005]Dans le cas où il s'agit de souder des tubes bout à bout, un tel anneau permet de serrer et de maintenir en position un tube qui peut être déformé afin d'obtenir une meilleure coïncidence entre les profils des extrémités de chacun des tubes ; si chaque extrémité de tube est équipée d'un tel anneau, une adéquation plus fine des surfaces d'extrémité peut être obtenue, par déformations successives et respectives de chacune des extrémités. Ainsi un meilleur soudage peut être réalisé. [0006]Plus récemment de nombreuses publications traitent de ce problème de positionnement et de serrage de tubes en vue de les souder par leurs extrémités. [0007]Ainsi on connaît le document WO 01/34340 qui divulgue une méthode et un dispositif selon lequel un serrage de la paroi extérieure d'un premier tube est réalisé ainsi qu'un serrage extérieur d'un deuxième tube grâce à un cadre rigide sur lequel sont montés un premier et un deuxième ensemble de serrage ; le soudage bout à bout des deux tubes peut ainsi être réalisé. Ensuite, le dispositif peut glisser sur la paroi extérieure de l'un des tubes en direction d'une autre extrémité où une autre soudure doit être réalisée. [0008]Ce dispositif permet un serrage et un positionnement de chaque tube à souder mais d'une façon assez grossière. Seule la forme générale et le diamètre extérieur de l'un des tubes semble prise en compte pour ajuster le positionnement et le serrage de l'autre tube. [0009]En matière de soudage il est maintenant reconnu nécessaire et décisif d'avoir d'excellentes surfaces de contact entre les extrémités de chaque tube au niveau du plan de joint. Cette problématique ne ressort pas de l'art antérieur qui, au mieux, cherche à obtenir une bonne coïncidence entre les diamètres extérieurs des tubes à souder. [0010]L'invention résout notamment ce problème en cherchant à affiner l'adéquation entre les surfaces de contact des tubes à souder, au niveau de leur plan de joint. EXPOSE DE L'INVENTION [0011]L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à améliorer grandement le positionnement et le serrage de tubes mis bout à bout. [0012]Pour ce faire est proposé selon un premier aspect de l'invention un procédé de positionnement axial d'un premier tube vis-à-vis d'un deuxième tube en vue du soudage desdits tubes au niveau de leurs d'extrémités dont les faces sont préalablement usinées et définissent un plan de joint, procédé selon lequel on utilise une pluralité de vérins répartis autour du premier et du deuxième tube, lesdits vérins étant reliés à une unité centrale de traitement et de commande. [0013]Plus précisément à proximité immédiate de la surface extérieure du premier et/ou du deuxième tube on pilote le mouvement de chacun des vérins vis-à-vis de ladite surface extérieure de façon à réaliser un alignement et un centrage des surfaces intérieures d'extrémité du premier et du deuxième tube. [0014] Par « proximité immédiate » on entend une distance de l'ordre de quelques millimètres entre l'extrémité d'un vérin et la surface extérieure d'un tube. Par « surface intérieure d'extrémité » on entend la paroi ou surface intérieure du premier ou du deuxième tube, au niveau de son extrémité mise en vis-à-vis de l'autre ( premier ou deuxième ) tube à positionner. La distance mesurée axialement est de l'ordre de quelques millimètres. [0015]Cette façon de procéder, basée sur la connaissance et l'alignement précis des tubes en fonction de leurs surfaces intérieures d'extrémités respectives, permet d'améliorer notablement la qualité des soudures. Comme il sera développé plus loin un tel ajustement permet de faire coïncider les fonds des chanfreins qui constituent la base de la soudure. [0016] Il a été constaté que les tubes à souder présentent souvent des formes variables et des tolérances de dimensionnement très larges de sorte qu'en cherchant à positionner globalement les tubes, les coïncidences des surfaces de contact de leurs surfaces intérieures d'extrémités respectives ne sont pas bonnes et les soudures qui suivent présentent des défauts tout à fait dommageables. Ce problème induit notamment un surcoût dans le contrôle qualité, des taux de rebut importants ; et en exploitation de sévères problèmes de réparation apparaissent avec les procédés de l'art antérieur. [0017] Selon une caractéristique de l'invention, chaque vérin permet de réaliser une première approche de la surface extérieure d'un tube grâce à un moyen spécifique tel qu'un capteur de déplacement relié à l'unité centrale de traitement. Cette approche est contrôlée ; les vérins ne sont pas nécessairement synchronisés durant cette phase. [0018] En outre, tout ou partie des vérins assure (ensemble) un serrage sur la surface extérieure du premier et/ou du deuxième tube grâce à au moins un moyen ( tel qu'une électrovanne) qui permet de réguler la pression de serrage sur ladite surface extérieure. Durant cette phase les vérins sont préférentiellement synchronisés entre eux, de façon à réaliser un serrage général sélectif et performant du premier et/ou du deuxième tube à souder. [0019]Selon une méthode intéressante, préalablement au positionnement des tubes, on réalise des mesures géométriques d'un ensemble de tubes et un marquage angulaire de référence à l'extrémité de chacun desdits tubes ,on mémorise lesdites mesures dans l'unité centrale puis in situ et avant le serrage du premier et du deuxième tube, on mesure et on mémorise le décalage angulaire de chaque extrémité du premier et du deuxième tube selon un plan de référence-machine, puis l'unité de calcul détermine et permet de piloter chaque vérin individuellement en fonction dudit décalage, de façon à aligner les surfaces intérieures d'extrémité du premier et du deuxième tube. [0020]Le plan de référence-machine est un plan spécifique déterminé par le constructeur de l'équipement. [0021]Bien entendu l'alignement est le but visé par l'invention ; il sera atteint de façon plus ou moins précise de sorte que l'alignement final sera plus ou moins parfait. Il sera « le meilleur possible ». [0022]Cette méthode se déroule préférentiellement selon une première étape qui est indépendante et préalable dans le temps à l'étape de positionnement et de serrage. On constitue dans cette étape une base de données relative à des géométries de tubes ; au moment et au lieu choisi pour la soudure, ces données sont exploitées et servent pour la commande et le contrôle de l'étape de positionnement et de serrage en elle-même. [0023]Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, on utilise des vérins hydrauliques. Des vérins électriques peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. [0024] L'invention vise en outre un dispositif de positionnement axial d'un premier tube vis-à-vis d'un deuxième tube en vue de les souder bout à bout au niveau d'un plan de joint, comprenant plusieurs vérins orientés radialement et disposés à l'extérieur desdits tubes et à proximité dudit plan de joint, aptes à serrer et positionner chaque tube vis-à-vis de l'autre tube, et un automate programmable ( encore appelée dans ce texte unité centrale de traitement ) apte à mémoriser des données géométriques relatives à des mesures dimensionnelles et/ou de positionnement du premier et/ou du deuxième tube ; ainsi les déplacements de chacun desdits vérins sont pilotés par ledit automate programmable en fonction desdites données et de telle sorte qu'un alignement desdits tubes est réalisé, basé sur un centrage desdits tubes et un alignement de leurs surfaces intérieures d'extrémité respectives. [0025]De façon plus précise et selon un mode de réalisation mis en oeuvre, cinq vérins sont prévus autour de chaque tube, répartis au mieux en fonction des contraintes dimensionnelles et environnementales liées au cas d'espèce. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0026][001]D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - la figure 1, une vue de côté du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2, une première vue en perspective du dispositif ; - la figure 3 , une deuxième vue en perspective du dispositif . [0027] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0028]La figure 1 montre par une vue de côté un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. Plus précisément cinq vérins hydrauliques 1 sont montés sur un premier anneau 10 disposé concentriquement au tube 0 qui doit être positionné, serré et aligné avec un autre tube 0' non visible sur la figure 1, notamment au niveau d'une soudure (ici annulaire) à réaliser. Le nombre de vérins sera choisi par l'homme de métier en fonction de contraintes techniques telles que l'encombrement, les efforts mis en oeuvre, le coût... [0029] Préférentiellement, pour des applications de soudage off-shore, on choisira des vérins hydrauliques qui, dans les exemples d'application envisagés et testés, peuvent supporter un effort radial de l'ordre de 20 % de leur capacité totale. Dans ce type d'application en effet, durant le soudage, les efforts de traction appliqués sur chaque tube sont considérables, couramment de l'ordre de plusieurs centaines de tonnes. Les mouvements relatifs des tubes sont également importants ; le dispositif selon l'invention doit pouvoir être opérationnel et fiable malgré ces conditions d'exploitation difficiles. [0030]Les vérins choisis ici sont des vérins à double effet et ils sont préférentiellement couplés à un flexible ( non représenté) par un raccord adapté tel qu'un raccord rapide. [0031]Chaque vérin 1 présente un capteur de déplacement interne ( non visible) directement relié à une unité centrale de commande et de traitement. De plus des électro vannes coopèrent individuellement avec chaque vérin 1 de façon à fournir une pression adaptée et contrôlée. [0032]Comme illustré sur la figure 2, un ensemble de cinq vérins 1 est fixé sur un premier anneau 10 tandis qu'un ensemble de cinq vérins 2 est fixé sur un deuxième anneau support 20 axialement distant du premier anneau-support 10. Au moins une pièce de liaison peut être prévue entre le premier 10 et le deuxième 20 anneau de sorte que chaque ensemble de vérins, respectivement 1,2, est finalement disposé au droit du premier tube et du second tube à souder, à proximité des extrémités à souder. Ce type de montage est connu et ne sera de ce fait pas davantage détaillé. [0033]Si nécessaire des plaques de renfort 3 peuvent être fixées sur le premier 10 et/ou le deuxième 20 anneau afin de renforcer et rigidifier ceux-ci au droit des vérins 1,2. Bien entendu l'homme de métier choisira le nombre, les dimensions, la constitution de telles plaques en fonction du type d'efforts exercés sur la structure. [0034]A titre illustratif un dispositif selon la figure 2 a été réalisé : sur chaque anneau-support 10, 20 cinq vérins hydrauliques 1,2 sont fixés. Chaque vérin 1,2 travaille sous une pression de 300 à 800 bars ; présente une capacité de poussée de 5 à 50 tonnes et une capacité de traction de 1 à 5 tonnes ; avec une course de 30 à 100 mm. Chaque vérin comprend un capteur interne de déplacement qui présente une précision de 0.05 mm et une résolution de 0.05 ; le capteur de déplacement est relié à une unité de traitement et de commande tel qu'un micro-calculateur ou automate programmable par exemple de marque commerciale Allen Bradley, de la famille Control Logic ; au moins une entrée 11 et une sortie 12 sont prévues sur chaque vérin 1, chacune reliée par un connecteur « rapide » à une conduite flexible supportant une pression de 300 à 800 bars. [0035] L'invention concerne en outre un procédé de positionnement et de serrage d'un premier tube 0 vis-à-vis d'un deuxième tube 0' en vue du soudage desdits tubes au niveau de leurs faces d'extrémités préalablement usinées. [0036]Selon un mode de réalisation de l'invention, les caractéristiques géométriques telles que diamètre intérieur, diamètre extérieur, épaisseur, ovalisation .. d'un tube donné sont mémorisées dans une unité centrale de traitement. De plus une marque est apposée sur la face d'extrémité de chaque tube, selon son épaisseur. Cette marque constitue un repère angulaire dit de référence « 0 » pour chaque tube. Pour cette étape, un équipement spécifique et indépendant du dispositif de positionnement et de serrage est prévu. Plusieurs relevés sont ainsi réalisés, chacun identifiant la géométrie d'un tube donné. [0037]Au moment et au lieu du positionnement des tubes, c'est-à-dire in situ, on présente l'extrémité d'un premier tube au niveau du premier anneau 10 ; à ce stade les patins de serrage placés aux extrémités de chacun des vérins 1 sont situés à une distance théorique donnée du diamètre extérieur du premier tube. On repère alors un décalage angulaire dudit premier tube 0 selon un plan de référence de l'équipement. Ce plan est déterminé et défini par le constructeur de l'équipement. [0038]En outre une calibration est opérée grâce à un tube étalon qui permet d'étalonner l'équipement en fonction de la surface extérieure d'un tube déterminé et parfaitement connu. [0039]0n repère ensuite le décalage angulaire relatif au deuxième tube 0'. Ces décalages sont enregistrés dans l'unité centrale, soit par l'opérateur lui-même soit automatiquement. On rapproche alors les patins de la surface extérieure du premier tube et du deuxième tube. Si ce n'est pas déjà fait, on amène les patins au droit du plan de joint par un déplacement selon l'axe des tubes. On approche les patins de la paroi extérieure des tubes de façon non synchronisée, par exemple à une vitesse inférieure à 6mm/s ; la pression des vérins est ici comprise entre 50 et 400 bars. Lorsque les patins atteignent un diamètre donné théorique supérieur par exemple de quelques millimètres à celui des diamètres extérieurs des tubes, alors les vérins 1,2 fonctionnent en mode synchronisé, avec une vitesse de déplacement très faible par exemple de 0.2 à 1 mm/s, de façon à avoir une précision de positionnement finale de l'ordre de 0.1 mm. Bien entendu la vitesse de déplacement des vérins est ajustable par l'homme de métier en fonction du cas d'espèce. De même la pression finale sur chaque vérin est un paramètre ajustable ; l'homme de métier peut combiner ces deux paramètres afin d'affiner le serrage du premier et du deuxième tube. [0040] Le serrage est considéré comme terminé lorsqu'une pression et/ou une 30 course donnée est atteint au niveau de chacun des vérins. [0041]Selon un mode préféré, le début du serrage est commandé selon les données des capteurs de déplacement tandis que le réglage final et précis du serrage est opéré en fonction de la pression appliquée par chacun des vérins sur la paroi extérieure des tubes à souder ultérieurement. [0042] L'unité de calcul, de traitement et de pilotage, éventuellement associée à des données introduites par l'opérateur, permet au final un positionnement et un centrage des tubes basés sur leurs surfaces intérieures d'extrémités respectives. Dans le cas de tubes cylindriques, on parlera de diamètres intérieurs. Ce critère apparaît comme décisif pour réaliser une soudure de haute qualité car ainsi le fond du chanfrein qui constitue la base de la soudure est optimisé. En effet pour réaliser une soudure exempte ou quasi exempte de défauts, il est nécessaire de minimiser les décalages au niveau des surfaces intérieures d'extrémité de chacun des tubes placés en vis-à-vis. La présente invention permet d'atteindre un tel objectif. C'est en ce sens qu'il faut comprendre « l'alignement des surfaces intérieures d'extrémité « selon l'invention. [0043]A titre illustratif, la figure 3 montre en perspective un dispositif selon l'invention, en position ouverte. Cette position permet de placer aisément et grossièrement le premier et le deuxième tube en vis-à-vis, et le dispositif au plus près du plan de joint entre les tubes ainsi placés. Ensuite, un tel dispositif est apte à se refermer et entourer lesdits tubes, selon la figure 2. REVENDICATIONS1 Procédé de positionnement axial d'un premier tube (0) vis-à-vis d'un deuxième tube (O') en vue du soudage desdits tubes au niveau de leurs d'extrémités dont les faces sont préalablement usinées et définissent un plan de joint, selon lequel on utilise une pluralité de vérins (1,2) répartis autour du premier et du deuxième tube, lesdits vérins étant reliés à une unité centrale de traitement et de commande, caractérisé en ce qu' à proximité immédiate de la surface extérieure du premier et/ou du deuxième tube on pilote le mouvement de chacun des vérins (1,2) vis-à-vis de ladite surface extérieure de façon à réaliser un alignement et un centrage des surfaces intérieures d'extrémité du premier et du deuxième tube. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque vérin (1,2) permet de réaliser une première approche de la surface extérieure grâce à un moyen spécifique tel qu'un capteur de déplacement relié à ladite unité centrale de traitement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que tout ou partie des vérins (1,2) assure un serrage sur la surface extérieure du premier et/ou du deuxième tube grâce à au moins un moyen interne à chaque vérin, de façon à réguler la pression de serrage sur ladite surface extérieure. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que préalablement au positionnement des tubes, on réalise des mesures géométriques d'un ensemble de tubes et un marquage angulaire de référence à l'extrémité desdits tubes ,on mémorise lesdites mesures dans l'unité centrale puis in situ on mesure et on mémorise le décalage angulaire de chaque extrémité du premier et du deuxième tube selon un plan de référence-machine, puis l'unité de calcul détermine et permet de piloter chaque vérin individuellement en fonction du décalage, de façon à aligner les surfaces intérieures d'extrémité du premier et du deuxième tube. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise des vérins hydrauliques. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'on utilise des vérins électriques. 7. Dispositif de positionnement axial d'un premier tube vis-à-vis d'un deuxième tube en vue de les souder bout à bout au niveau d'un plan de joint, comprenant plusieurs vérins (1,2) orientés radialement et disposés à l'extérieur desdits tubes et à proximité dudit plan de joint, aptes à serrer et positionner chaque tube vis-à-vis de l'autre tube, et un automate programmable apte à mémoriser des données géométriques relatives à des mesures dimensionnelles et/ou de positionnement du premier et/ou du deuxième tube caractérisé en ce que les déplacements de chacun desdits vérins sont pilotés par ledit automate programmable de telle sorte qu'un alignement desdits tubes est réalisé, basé sur un centrage desdits tubes et un alignement de leurs surfaces intérieures d'extrémité respectives. 8. Dispositif d'alignement selon la revendication 7 caractérisé en ce que les vérins sont constitués de vérins hydrauliques. 9. Dispositif d'alignement selon la revendication 7 caractérisé en ce que les vérins sont constitués de vérins électriques. 10. Dispositif d'alignement selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que cinq vérins sont prévus autour de chaque tube, angulairement répartis.