Brevet FR2963959A1 — publié le 20120224

DISPOSITIF DE RACCORDEMENT ETANCHE, DE PREFERENCE POUR LANCEURS SPATIAUX DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne de façon générale un dispositif de raccordement étanche destiné à être interposé entre deux conduits de manière à les raccorder et à assurer une étanchéité performante entre eux. Il concerne plus préférentiellement des dispositifs de raccordement étanche destinés à être mis en oeuvre dans des conditions d'utilisation sévères telles que des températures très élevées ou très basses, c'est-à-dire cryogénique, des pressions de fluide importantes et de fortes contraintes mécaniques telles que des vibrations. La présente invention s'applique plus 15 particulièrement, mais non exclusivement, au domaine des lanceurs spatiaux. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Il est déjà connu des dispositifs de raccordement étanche ayant des performances 20 satisfaisantes pour de telles applications, notamment du document FR 2 800 147. Il y est décrit un joint, pouvant être incorporé à un dispositif de raccordement étanche, ayant un profil en forme de S dans une demi-coupe 25 axiale. Ce type de joint est relativement peu coûteux à fabriquer puisqu'il est réalisé par découpe et emboutissage. Il a l'avantage de présenter également de 2 bonnes performances en étanchéité et ceci dans des conditions relativement sévères d'utilisation. En effet, il présente une restitution utile importante bien qu'il soit soumis à de fortes contraintes mécaniques sur des plages de température s'étendant de 20 K à 930 K et des pressions de fluide allant jusqu'à 100 bar. A titre indicatif, il est rappelé que la restitution utile est définie par l'ouverture axisymétrique maximale des faces d'appui du logement du joint que celui-ci peut tolérer avant de ne plus conférer l'étanchéité requise. Dans certaines applications, le dispositif de raccordement étanche est soumis à des sollicitations mécaniques telles que des moments de flexion et également de fortes vibrations. En effet, un moment de flexion combiné à une vibration va avoir pour effet une dissymétrie de la pression de contact à l'interface du joint ce qui va se traduire par un écrasement important sur une partie de celui-ci et un écrasement moindre sur une partie opposée. Par conséquent, il pourra apparaître des plastifications locales sur le joint lui-même et sur la surface sur laquelle il est en contact conduisant à une performance en étanchéité moindre. De l'art antérieur, il est également connu le document FR 2 636 712, divulguant un joint dont le l'inconvénient majeur est le coût de fabrication élevé. Enfin, il est également connu des raccords toriques dont l'étanchéité est obtenue par serrage d'un cône sur une olive. Ce type de réalisation reste néanmoins peu résistant aux sollicitations décrites ci- 3 dessus. De plus, ses performances en étanchéité sont relativement faibles. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de remédier, au moins partiellement, aux inconvénients précités. Pour ce faire, elle a pour objet un dispositif de raccordement étanche pour raccorder un premier conduit et un second conduit, le dispositif comprenant : - un premier élément de raccord destiné à être raccordé audit premier conduit ; - un second élément de raccord destiné à être raccordé audit second conduit ; - un joint d'étanchéité annulaire agencé entre les premier et second éléments de raccord, ledit joint comportant une portée annulaire radialement intérieure ainsi qu'une portée annulaire radialement extérieure décalée axialement de la portée annulaire radialement intérieure et reliée à celle-ci par une portion annulaire de liaison; et - des moyens de serrage desdits premier et second éléments de raccord assurant une mise en contrainte dudit joint entre ces deux derniers éléments, ladite portée annulaire radialement intérieure étant en appui étanche contre ledit premier élément de raccord, et ladite portée annulaire radialement extérieure formant une liaison étanche avec ledit second élément de raccord. Selon l'invention, ledit premier élément de raccord comporte une protubérance plaquée contre ladite portée annulaire radialement extérieure de sorte que 4 celle-ci soit agencée entre le second élément de raccord et ladite protubérance. Dans la présente invention, une protubérance vient donc s'appuyer sur une portée annulaire radialement extérieure du joint. De cette manière, il existe un effort presseur sur les deux surfaces de contact du joint amenant ainsi à une étanchéité performante même lorsque le dispositif de raccordement subit des contraintes mécaniques telles que des moments de flexion combinés à des vibrations importantes. Lorsque le joint est soudé à sa surface d'appui, cet effort presseur permet de résoudre les éventuels problèmes inhérents aux soudures. En effet, une soudure peut présenter des imperfections dans le temps, telles que des criques par exemple, abaissant ainsi les performances en étanchéité. De plus, dans certains cas, la soudure peut ne pas être complètement circulaire mais discontinue. L'effort presseur permet ainsi de plaquer le joint contre sa surface d'appui en particulier aux endroits où il n'y a pas de soudure et ainsi obtenir une bonne étanchéité. En outre, cette protubérance a l'avantage de limiter l'écrasement du joint lors de l'installation du dispositif de raccordement et également en fonctionnement. Ainsi, le joint ne peut pas être écrasé au-delà de ce qui a été prévu par le concepteur du dispositif. Dans une réalisation préférentielle de l'invention, ledit joint présente en demi-coupe axiale un profil en forme de S allongé. Le joint ayant un profil en forme de S peut être fabriqué par emboutissage, ce procédé permettant une fabrication à bas coût. De plus, celui-ci assure une bonne étanchéité même si les surfaces sur lesquelles il est en contact sont réalisées avec des tolérances considérées comme moyennes, de sorte que son 5 coût de fabrication s'en trouve encore amoindri. De préférence, ladite liaison étanche entre la portée annulaire radialement extérieure et le second élément est une soudure. Cela permet avantageusement de solidariser le joint et le second élément diminuant ainsi fortement les risques de perte. En effet, il peut s'avérer que l'installation se fasse dans des conditions où les manipulations ne sont pas aisées si bien qu'il peut être facile de lâcher le joint par inadvertance et le perdre dans les divers dispositifs environnant le raccord. Ainsi, il peut être intéressant de rendre le joint solidaire du second élément par une soudure de manière à pouvoir ensuite assembler le raccord, sans crainte de perte du joint. Le bénéfice est d'autant plus important lorsque le joint est de petite dimension parce que les risques de perte sont plus élevés. En outre, l'étanchéité s'en trouve encore améliorée en raison de cette solidarisation par soudage. Alternativement, ladite liaison étanche est réalisée par un appui étanche de la portée annulaire radialement extérieure sur le second élément. En effet, dans certains cas, la soudure ne s'avère pas nécessaire, en particulier lorsque la manipulation du joint est plus aisée, et que les risques de perte sont plus faibles. 6 Préférentiellement, ladite protubérance est une collerette en saillie en direction du second élément de raccord. La collerette, également appelée talon, permet avantageusement d'avoir un appui uniforme tout autour de sa portion d'extrémité appuyant sur la portée annulaire radialement extérieure et renforce encore davantage l'étanchéité. Alternativement, la collerette peut être remplacée par une pluralité d'appuis, par exemple des pions, espacés les uns des autres, circonférentiellement. De préférence, ladite collerette délimite une cavité dans laquelle est logée une partie dudit 15 joint. Lors de l'installation, cette cavité accentue le maintien du joint avant que sa position finale dans le dispositif ne soit atteinte. De préférence, les premier conduit, second 20 conduit et joint sont chacun pourvus d'un orifice pour la traversée d'un fluide et les trois orifices présentent des axes confondus avec l'axe du joint. Cette disposition permet la circulation du fluide entre les deux conduits. De préférence, lesdits moyens de serrage comprennent un filetage disposé sur l'un desdits premier ou second éléments et un écrou coopérant avec ledit filetage, l'écrou étant muni d'une portée venant prendre appui sur l'autre desdits éléments. Un moyen de serrage par boulonnage a l'avantage d'une mise en contrainte élevée du joint et 25 30 7 permet ainsi une étanchéité améliorée à l'aide de composants peu complexes à fabriquer. De préférence, la portée dudit écrou est sensiblement alignée avec une face de ladite protubérance en appui sur ladite portée annulaire radialement extérieure selon une direction axiale dudit écrou. Cela permet avantageusement d'induire une pression de contact élevée entre la portée du joint et la face sur laquelle il est en appui, d'où une étanchéité accrue. En outre, cela a également l'avantage de ne pas induire de moments de flexion parasites qui pourraient nuire aux performances en termes d'étanchéité. De préférence, ledit joint comporte un revêtement. De préférence, ledit revêtement est constitué d'argent ou de nickel ou de nickel-adouci ou de polytétrafluoroéthyléne. Le revêtement a pour fonction l'amélioration de l'étanchéité, la surface du joint étant recouverte par celui-ci. Lors du serrage des éléments de raccord entre lesquels le joint se situe, le revêtement va s'écraser, fluer et combler les vides 25 existant à la surface de ces éléments. De plus, le revêtement va permettre de conserver une étanchéité satisfaisante en fonctionnement. En effet les éléments se déforment de manière a générer des micro-déplacements se produisant entre le joint, le premier 30 élément et le second élément. L'étanchéité est 20 8 néanmoins conservée et ceci est dû à la présence du revêtement. Le polytétrafluoroéthylène est utilisé pour des applications à basse température dans lesquelles la température varie entre 20K à 400 K, voire un peu plus que 400 K, l'argent pour des températures maximum de l'ordre de 800K, voire plus encore, et le nickel et nickel adouci (nickel + flash de nickel) pour des températures de l'ordre de 1000K, voire plus encore, par exemple 1100 ou 1200 K. Les revêtements d'argent et de nickel sont ainsi utilisés pour de hautes températures. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de raccordement étanche. Selon l'invention, il comprend les étapes suivantes: - réalisation du joint d'étanchéité annulaire de manière à ce qu'il comporte sur sa portée annulaire radialement extérieure au moins une partie saillante de contact électrique ; - mise en place dudit joint de manière à ce que la partie saillante soit en appui sur ledit second élément ; et - soudage électrique dudit joint sur ledit second élément, même si d'autres techniques de soudage sont envisageables, sans sortir du cadre de l'invention. Ce procédé présente l'avantage d'un soudage ne nécessitant pas d'apport de matière, rapide à réaliser et de très bonne qualité puisque le courant électrique va être concentré sur la partie saillante présente sur le joint. 9 De préférence, ladite au moins une partie saillante est sensiblement de forme bombée. Cela a pour avantage un passage de courant électrique quasi-ponctuel et par conséquent très concentré, d'où l'obtention d'un soudage amélioré. De préférence, ladite au moins une partie saillante a sensiblement la forme d'un anneau. Cela permet une soudure continue entre la portée du joint et la surface sur laquelle il vient s'appuyer. De cette manière, l'étanchéité est encore améliorée. Un autre objet de l'invention est un lanceur comportant au moins un dispositif de raccordement étanche décrit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente une vue schématique en demi-coupe axiale d'un dispositif de raccordement étanche interposé entre deux conduits, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; - les figures la et lb montrent des alternatives de réalisation pour le mode de réalisation représenté sur la figure 1 ; - la figure 2 montre une vue en perspective du joint montré sur la figure précédente, 10 le joint se présentant sous la forme d'un mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la figure 3 représente une vue schématique en demi-coupe axiale d'un autre mode de réalisation préféré, le joint étant soudé à un élément du dispositif de raccordement étanche selon l'invention ; et - la figure 4 illustre une étape du procédé de fabrication du dispositif représenté sur la figure 3. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFERÉS En référence tout d'abord à la figure 1, on peut apercevoir schématiquement un dispositif de raccordement étanche 1. On voit, par ailleurs, un premier conduit 3 et un deuxième conduit 4 présentant un axe principal 2, entre lesquels est disposé le dispositif de raccordement étanche 1 destiné à faire circuler un fluide entre eux. Le dispositif 1 comporte globalement un premier élément de raccord 5 soudé au premier conduit 3 par une soudure 9, un second élément de raccord 6 soudé au deuxième conduit 4 par une soudure 10, et un joint d'étanchéité annulaire 8 logé entre les deux éléments de raccord, ces derniers étant serrés par des moyens de serrage comprenant un écrou 7 et un filetage 14. Par ailleurs, l'axe principal 2 correspond à l'axe de révolution de chacun des éléments précédemment cités. A titre d'exemple, les premier conduit 3 et second conduit 4 peuvent être réalisés dans des alliages à hautes caractéristiques mécaniques tels que notamment l'alliage NC19FeNb connu sous la 11 dénomination Inconel 718. Les premier élément de raccord 5 et second élément de raccord 6 peuvent être réalisés en un acier inoxydable à basse teneur en carbone tel que l'acier inoxydable Z2CN18-10. De préférence, les premier conduit 3, second conduit 4 et joint 8 sont chacun pourvus d'un orifice, de section identique, pour la traversée d'un fluide 25 et ces trois orifices 26, 27, 28 présentent des axes confondus avec l'axe principal 2. Le fluide 25 peut être notamment de l'azote liquide ou gazeux, l'hélium liquide ou gazeux, l'hydrogène liquide ou gazeux, l'oxygène liquide ou gazeux, le peroxyde d'azote, la dimethylhydrazine dissymétrique ou l'eau ou encore tout autre fluide. Le dispositif de raccordement étanche 1 de la présente invention, est conçu pour assurer une étanchéité dans une gamme de pression allant de quelques bars jusqu'à plusieurs centaines de bars, et dans une plage de température allant de 20 K à 1000 K, voire plus encore. Le joint 8 est agencé entre les premier et second éléments de raccord 5, 6. Il comporte une portée annulaire radialement intérieure 11 ainsi qu'une portée annulaire radialement extérieure 12 décalée axialement suivant l'axe principal 2 de la portée annulaire radialement intérieure 11, une portion annulaire de liaison 13 reliant les portées 11 et 12. Le joint 8 peut être fabriqué par emboutissage à partir d'un feuillard en Inconel 718. La portée annulaire radialement intérieure 11 est en appui sur une face 37 du premier élément de raccord 5, et également en appui sur sa portée radialement extérieure 12 sur une face 38 12 en regard de la face 37 appartenant au second élément de raccord 6. Dans le mode de réalisation représenté, le joint 8 présente en demi-coupe axiale un profil en forme de S allongé. On entend par S allongé, la lettre S qui est déformée sur ses extrémités par des efforts de traction opposés et dirigés vers l'extérieur. Une surface cylindrique 23 dans la continuité de la surface cylindrique extérieure 24 appartenant au premier élément 5 et une surface intérieure 22, par exemple en forme de tronc de cône, définissent une collerette 16. Une cavité 20 est formée par la collerette 16 et la face 37, dans laquelle vient se loger le joint 8. L'extrémité 21 de la collerette 16 fait saillie de la face 37 vers la face en regard 38, la collerette 16 étant ainsi en appui sur la portée radialement extérieure 12 du joint 8 de manière à ce que la portée 12 soit agencée entre l'extrémité 21 et la face 38 du second élément de raccord 6. En référence à la figure 2 représentant le joint 8 en perspective, on peut voir que la portée annulaire radialement extérieure 12 a une surface supérieure 17 relativement importante de manière à pourvoir recevoir la collerette 16 et également permettre d'avoir une large surface d'appui 19 sur le second élément 6. Le joint 8 comporte un revêtement sur toute sa surface, celui-ci ayant une épaisseur allant de quelques microns à quelques dizaines de microns. Pour le serrage des premier et second éléments de raccord 5, 6, on prévoit le filetage 14 disposé sur le second élément de raccord 6 et l'écrou 7 13 coopérant avec le filetage 14, celui-ci étant en appui sur le second élément de raccord 5 sur une face 15 qui est alignée avec l'extrémité 21 selon la direction de l'axe principal 2. La face 15 introduit un effort de serrage au niveau de la base de la collerette puis cet effort transite axialement jusqu'à l'extrémité 21. Par conséquent, il est ainsi créé une mise en contrainte du joint 8 à la fois sur la portée radialement intérieure 11 par l'intermédiaire de la face 37 et sur la portée radialement extérieure 12 par l'intermédiaire de la face 38. La collerette 16 permet de limiter également l'écrasement du joint lors de l'opération de serrage. Pour accentuer la pression de contact de la portée annulaire radialement extérieure 12 sur la face 38, et donc améliorer encore davantage l'étanchéité, plusieurs solutions peuvent être envisagées. La première, schématisée sur la figure la, consiste à prévoir la portée annulaire 12 avec une partie saillante 54 assurant le contact étanche avec la face 38. La partie saillante 54, située au droit de la collerette 16 dans la direction axiale, est préférentiellement un anneau situé sensiblement au milieu de la portée annulaire radialement extérieure 12. Son épaisseur peut être du même ordre que l'épaisseur de la portée 12, tandis que sa largeur à la base est quant à elle égale à 1 à 3 fois son épaisseur. Le contact entre l'anneau bombé 54 et la face 38 se rapproche alors davantage d'un contact linéique en forme de cercle, permettant de concentrer la pression. La seconde solution, représentée sur la figure lb, consiste à prévoir la portée annulaire 14 radialement extérieure 12 de forme bombée. Cette portée 12, qui présente de préférence toujours une épaisseur sensiblement constante, établit alors un contact avec la face 38 au niveau de sa partie la plus en saillie axialement, qui se situe au droit de la collerette 16. Ici aussi, le contact entre la portée bombée 12 et la face 38 se rapproche alors davantage d'un contact linéique en forme de cercle, permettant de concentrer la pression, et d'obtenir une meilleure étanchéité. L'écrou 7 peut être à prise de clé hexagonale, bihexagonale ou à encoches et être auto-freiné afin d'empêcher un desserrage intempestif dû aux vibrations. Il peut être réalisé en un alliage métallique ayant de bonnes caractéristiques mécaniques à chaud tel que notamment l'acier inoxydable à durcissement structural refondu sous vide EZ6NCT25-15 connu sous la dénomination A286. En référence maintenant à la figure 3, on peut apercevoir un autre mode de réalisation préféré, le joint 8 étant soudé au second élément de raccord 6 par une soudure 29 constituant ainsi une liaison étanche. La soudure 29 est localisée vers le milieu de la portée annulaire radialement extérieure 12 et située sur la périphérie de la surface d'appui 38 du second élément de raccord 6. La soudure 29 est réalisée par un soudage électrique appelé également soudage par résistance. Celle-ci peut être également réalisée, notamment, par un soudage par friction, par diffusion par compression isostatique à chaud ou TIG avec apport de métal. 15 En référence maintenant à la figure 4, on peut voir une étape du procédé de fabrication du dispositif 1 représenté sur la figure 3. Avant son soudage sur 6, le joint d'étanchéité annulaire 8 présente sur sa portée radialement extérieure 12 une partie saillante de contact électrique 33. La partie saillante est préférentiellement un anneau situé sensiblement au milieu de la portée annulaire radialement extérieure 12 et a une épaisseur 34 du même ordre que l'épaisseur 35 de la portée 12, sa largeur à la base 36 étant quant à elle égale à 1 à 3 fois son épaisseur 34. La partie saillante 33 peut également être une pluralité d'éléments, par exemple des pions, espacés les uns des autres et disposés circonférentiellement sur la portée 12 du joint 8. Dans le procédé de fabrication préférentiel schématisé sur la figure 4, le joint 8 est mis en place de manière à ce que la partie saillante 33 soit en appui sur la surface 38 du second élément 6, et, ensuite un soudage électrique classique est réalisé créant ainsi la soudure 29 montrée sur la figure 3. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.30 REVENDICATIONS1. Dispositif de raccordement étanche (1) pour raccorder un premier conduit (3) et un second conduit (4), le dispositif comprenant : - un premier élément de raccord (5) destiné à être raccordé audit premier conduit (3) ; - un second élément de raccord (6) destiné à être raccordé audit second conduit (4) ; - un joint d'étanchéité annulaire (8) agencé entre les premier et second éléments de raccord (5,6), ledit joint (8) comportant une portée annulaire radialement intérieure (11) ainsi qu'une portée annulaire radialement extérieure (12) décalée axialement de la portée annulaire radialement intérieure (11) et reliée à celle-ci par une portion annulaire de liaison (13); et - des moyens de serrage desdits premier et second éléments de raccord (5,6) assurant une mise en contrainte dudit joint (8) entre ces deux derniers éléments (5,6), ladite portée annulaire radialement intérieure (11) étant en appui étanche contre ledit premier élément de raccord (5), et ladite portée annulaire radialement extérieure (12) formant une liaison étanche avec ledit second élément de raccord (6), caractérisé en ce que ledit premier élément de raccord (5) comporte une protubérance (16) plaquée contre ladite portée annulaire radialement extérieure (12) de sorte que celle-ci soit agencée entre le second élément de raccord (5) et ladite protubérance (16). 2. Dispositif de raccordement étanche (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit joint (8) présente en demi-coupe axiale un profil en forme de S allongé. 3. Dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite liaison étanche entre la portée annulaire radialement extérieure (12) et le second élément (6) est une soudure (29). 4. Dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la liaison étanche est réalisée par un appui étanche (19) de la portée annulaire radialement extérieure (12) sur le second élément (6). 5. Dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite protubérance est une collerette (16) en saillie en direction du second élément de raccord (6). 6. Dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier conduit (3), second conduit (4) et joint (8) sont chacun pourvus d'un orifice pour la traversée d'un fluide et les trois orifices (26, 27, 28) présentent des axes confondus avec l'axe du joint (2). 18 7. Dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de serrage comprennent un filetage (14) disposé sur l'un desdits premier (5) ou second éléments (6) et un écrou (7) coopérant avec ledit filetage (14), l'écrou (7) étant muni d'une portée (15) venant prendre appui sur l'autre desdits éléments. 8. Dispositif de raccordement étanche (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portée (15) dudit écrou (7) est sensiblement alignée avec une face (21) de ladite protubérance (16) en appui sur ladite portée annulaire radialement extérieure (12) selon une direction axiale dudit écrou (7). 9. Procédé de fabrication d'un dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - réalisation du joint d'étanchéité annulaire (8) de manière à ce qu'il comporte sur sa portée annulaire radialement extérieure (12) au moins une partie saillante de contact électrique (33) ; - mise en place dudit joint (8) de manière à ce que la partie saillante (33) soit en appui sur ledit second élément (6) ; et - soudage électrique dudit joint (8) sur ledit second élément (6). 19 10. Lanceur caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de raccordement étanche (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.5