Brevet FR3132728A1 — publié le 20230818

Titre de l’invention Joint fileté (1) comprenant une extrémité mâle (2) ayant un filetage mâle (4) et une extrémité libre mâle (13), une extrémité femelle (3) ayant un filetage femelle (5) et une extrémité libre femelle (8), ladite extrémité femelle (3) comprenant en outre au moins une extension (6) s’étendant axialement depuis le côté du filetage femelle (5) et formant l’extrémité libre femelle (8), ladite au moins une extensions (6) étant flexible radialement et comprenant sur une surface interne (9) un épaulement d’extension (10) agencé pour coopérer avec une surface de verrouillage (11) s’étendant depuis une surface extérieure (12) de l’extrémité mâle (2) et limiter axialement dans un sens le mouvement relatif de l’extrémité mâle (2) par rapport à l’extrémité femelle (3). Figure de l’abrégé : [Fig. 1] Joint fileté à dispositif anti-dévissage La présente invention concerne un ensemble pour la réalisation d’un joint fileté destiné à une utilisation dans un caténaire en acier, notamment soumis à des forces de torsion lorsque disposés sur un fond marin pour relier une tête de puits au fond de la mer à des équipements en surface, ou dans une colonne dite OCTG. Arrière-plan technologique Des tubes métalliques sont largement utilisés dans différents domaines de l’industrie de l’énergie tels que la production électrique, le pétrole et le gaz, ainsi que dans la construction mécanique. Résumé Dans l’état de la technique, il est connu de souder des tubes bout à bout pour réaliser une colonne destinée à subir de telles forces de torsion. Alternativement, il est également connu de réaliser de telles colonnes dans des matériaux flexibles. L’objet de l’invention est de fournir une alternative aux techniques connues à partir d’un joint fileté comportant des moyens pour limiter le dévissage du joint formé, même lorsqu’il est soumis à la houle et aux courants marins. La présente invention trouve également son utilité pour la mise en œuvre de colonnes destinées au forage ou bien à la préparation de l’exploitation des puits d’hydrocarbures (« drilling » and « drilling with casing »). On entend par composant « utilisé pour le forage et l’exploitation des puits d’hydrocarbures », tout élément de forme sensiblement tubulaire destiné à être assemblé à un autre élément du même type ou non pour constituer in fine soit une garniture apte à forer un puits d’hydrocarbures, soit une colonne de cuvelage ou de production intervenant dans l’exploitation du puits, cette colonne pouvant également être utilisée pour le forage. Un joint fileté comporte un premier et un deuxième composants tubulaires en acier, le premier composant tubulaire comportant à l’une de ses extrémités axiales une zone filetée mâle réalisée sur sa surface circonférentielle extérieure, le deuxième composant tubulaire comportant à l’une de ses extrémités axiales une zone filetée femelle réalisée sur sa surface circonférentielle intérieure, le joint fileté étant obtenu par vissage jusqu’à une position finale d’assemblage de la zone filetée mâle avec la zone filetée femelle. Les composants utilisés pour des applications de forage ou bien d’exploitation de puits d’hydrocarbure sont vissés entre eux avec un fort couple de vissage. Ce fort couple est généralement atteint grâce à la coopération en serrage de surfaces de butée ménagées sur chacun des composants ou bien au moyen de filetages dits autobloquants. Toutefois, certaines applications induisent des sollicitations encore plus élevées telles que les colonnes montantes sous-marines dites « risers ». De ce fait, il faut utiliser des couples de serrage élevés pour éviter le dévissage entre les composants. Toutefois, les couples de vissage sont limités par les risques de plastifications des surfaces en acier mises en coopération par serrage. Il est donc nécessaire d’adapter les joints vis-à-vis des risques de dévissage intempestif. Des développements ont été effectués afin de pallier ces inconvénients. Ainsi, le document US5794985 propose un joint avec manchon dont les extrémités des composants mâles sont emboîtées l’une dans l’autre, à l’intérieur du manchon, de manière à empêcher la rotation, et par voie de conséquence, le dévissage des composants l’un indépendamment de l’autre. Toutefois, si cet agencement rend en effet le dévissage (break out) difficile, il complique également le vissage des composants mâles dans le manchon. En effet, il est nécessaire de positionner les composants mâles l’un par rapport à l’autre de sorte que leurs extrémités soient emboîtables à la fin du vissage, ce qui nécessite un contrôle des positions angulaires excessivement précis. On connaît également du document US-5785357 un joint fileté ne nécessitant pas l’emboîtement des deux composants mâles, mais nécessitant l’emboîtement d’une bague dentée portée par le composant mâle, chaque dent de la bague devant être reçue dans une dentelure complémentaire présentée par le manchon muni du filetage femelle. Une telle bague est immobilisée en rotation autour de l’élément mâle par des cannelures coopérant avec des rainures du composant mâle. Une telle conception rend l’opération d’assemblage compliquée car la fin de vissage entre le composant mâle et le composant femelle est tributaire de la position de la couronne dentée. Or les clés de vissage utilisées sur chantier ont des tolérances, et il est très compliqué de garantir l’alignement des nombreuses dents portées par la bague dans leur dentelure complémentaire. L’invention a pour objet un joint fileté qui soit simple à mettre en œuvre sur chantier, à la fois au vissage, comme au dévissage, et qui propose une résistance importante au dévissage. La solution de l’invention prévoit une décorrélation structurelle des moyens permettant l’immobilisation en rotation de la bague autour du composant mâle, des moyens permettant d’empêcher le dévissage entre le composant mâle et le composant femelle. Le joint selon l’invention est doté d’une fonction « anti-dévissage ». On entend par fonction « anti-dévissage » l’aptitude que comporte le joint à ne pas se dévisser de manière intempestive, c'est-à-dire lorsque cela n’est pas souhaité. Plus concrètement, un joint doté d’une telle fonction ne doit pas se dévisser lorsqu’il est soumis en fonctionnement par exemple à des contraintes de torsion ou de traction, ou encore des vibrations. La fonction anti-dévissage d’un joint selon l’invention est lié au fait qu’il n’est pas possible de désolidariser le premier composant tubulaire du deuxième en exerçant un couple de torsion entre les deux composants Une idée à la base de l’invention est d’empêcher le dévissage des deux composants en limitant la possibilité de dévissage, qui par un mouvement hélicoïdal conjugue mouvements de rotation et de translation, par un blocage de la translation axiale des deux extrémités, tout en n’empêchant pas d’assembler les deux composants de manière classique par vissage. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un joint fileté comprenant une extrémité mâle ayant un filetage mâle et une extrémité libre mâle, une extrémité femelle ayant un filetage femelle et une extrémité libre femelle, ladite extrémité femelle comprenant en outre au moins une extension s’étendant axialement depuis le côté du filetage femelle et formant l’extrémité libre femelle, ladite au moins une extensions étant flexible radialement et comprenant sur une surface interne un épaulement d’extension agencé pour coopérer avec un épaulement radial d’une surface de verrouillage s’étendant depuis une surface extérieure de l’extrémité mâle et limiter axialement dans un sens le mouvement relatif de l’extrémité mâle par rapport à l’extrémité femelle. Ceci permet d’augmenter la résistance du joint à des sollicitations de traction, torsion ou flexion contre le dévissage. Selon des modes de réalisation, un tel dispositif peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon un mode de réalisation, l’extrémité femelle peut comprendre une pluralité d’extensions séparées par des évidements et réparties circonférentiellement, chaque extension étant flexible radialement et comprenant sur sa surface interne un épaulement d’extension agencé pour coopérer avec l’épaulement radial de la surface de verrouillage et limiter axialement dans un sens le mouvement relatif de l’extrémité mâle par rapport à l’extrémité femelle. Selon un mode de réalisation, la surface de verrouillage peut être située du côté du filetage mâle opposé à l’extrémité libre mâle. Ainsi, le joint peut être assemblé par vissage selon les pratiques usuelles du métier. Selon un mode de réalisation, un anneau de maintien peut s’étendre au moins partiellement autour de la au moins une extension. Ainsi, les performances anti-dévissage sont encore améliorées. Selon un mode de réalisation, l’anneau de maintien peut être fixé sur les extensions par un moyen choisi parmi des vis, de la colle, des pions. Ainsi, l’anneau de maintien est maintenu en position durant l’utilisation du joint. Selon un mode de réalisation, l’anneau de maintien peut être un collier de serrage. Selon un mode de réalisation, l’anneau de maintien peut comprendre une portion axialement située au-delà des extensions et s’étendant radialement vers la surface extérieure de l’extrémité mâle, ladite portion étant agencée pour protéger lesdites extensions. Ainsi, les extensions et leurs surfaces fonctionnelles sont protégées en particulier pendant le transport ou la manipulation de tubes comportant l’extrémité femelle. Selon un mode de réalisation, les extensions (6) peuvent avoir individuellement une longueur d’extension CL, une hauteur d’extension CH, et la surface de verrouillage (11) a une hauteur de surface de verrouillage minimale BOSHmin (en mm) tels que : [Math 1] où E est le module d’Young de l’acier de l’extension 6 et Ys est la limite élastique de l’extension 6. Selon un mode de réalisation, la surface de verrouillage (11) peut avoir une hauteur de surface de verrouillage maximale BOSHmax telle que [Math 2] où E est le module d’Young de l’acier de l’extension 6 et Ys est la limite élastique de l’extension 6. Ainsi, les performances anti-dévissage sont améliorées. Selon un mode de réalisation, l’anneau de maintien peut avoir une hauteur RH d’anneau de maintien de au moins 0,5 mm. Ceci permet d’avoir une résistance de l’anneau aux sollicitations des extensions lors de sollicitations du joint en traction, torsion ou flexion. Selon un mode de réalisation, la surface de verrouillage peut comprendre une surface d’engagement ayant un angle compris entre 3° et 30°, préférentiellement entre 5° et 20°. Ceci permet de faciliter l’assemblage du joint fileté. Selon un mode de réalisation, l’épaulement radial (18) peut être une surface tronconique d’angle supérieur à 0° et inférieur à 30°, préférentiellement d’angle d’au moins 3°. Ceci permet d’améliorer des performances anti-dévissement. Selon un mode de réalisation, les extensions 6 peuvent comprendre trois portions successives : une portion amont 25 située du côté du filetage femelle 5 et ayant un diamètre extérieur amont CD, une portion aval 24 ayant un diamètre extérieur aval ED inférieur au diamètre extérieur amont CD, une portion d’extrémité 23 avec un diamètre extérieur d’extrémité BD supérieur au diamètre extérieur amont CD, l’anneau de maintien 14 ayant un diamètre intérieur annulaire AD inférieur au diamètre extérieur d’extrémité CD et supérieur au diamètre extérieur aval ED. Ceci permet de monter l’anneau de maintien sur l’extrémité femelle et de manipuler l’extrémité femelle avec l’anneau, et dans un deuxième temps de verrouiller l’anneau de maintien sur la portion amont des extensions et d’activer la fonction anti-dévissage de l’invention facilement après assemblage du joint. Selon un mode de réalisation, l’extrémité mâle 2 peut comprendre une surface d’étanchéité mâle 26 et l’extrémité femelle 3 peut comprendre une surface d’étanchéité femelle 27, la surface d’étanchéité mâle 26 étant agencée pour coopérer avec la surface d’étanchéité femelle 27 pour former une étanchéité. Ainsi, un joint selon l’invention permet de maintenir ou d’améliorer des performances en étanchéité lorsque le joint est soumis à des sollicitations de traction, torsion ou flexion. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. La est une vue en perspective d’un joint résultant de l’assemblage par vissage d’un ensemble de composants tubulaires selon l’invention. La est une vue en coupe du joint de la La est une vue en coupe et en perspective d’une variation du mode de réalisation de la La est une vue en coupe d’un joint selon un mode de réalisation de l’invention La est une vue en coupe d’un joint selon un mode de réalisation de l’invention dans une première position La est une vue en coupe d’un joint selon du mode de réalisation de la dans une deuxième position. Joint fileté (1) comprenant une extrémité mâle (2) ayant un filetage mâle (4) et une extrémité libre mâle (13), une extrémité femelle (3) ayant un filetage femelle (5) et une extrémité libre femelle (8), ladite extrémité femelle (3) comprenant en outre au moins une extension (6) s’étendant axialement depuis le côté du filetage femelle (5) et formant l’extrémité libre femelle (8), ladite au moins une extensions (6) étant flexible radialement et comprenant sur une surface interne (9) un épaulement d’extension (10) agencé pour coopérer avec un épaulement radial (18) d’ une surface de verrouillage (11) s’étendant depuis une surface extérieure (12) de l’extrémité mâle (2) et limiter axialement dans un sens le mouvement relatif de l’extrémité mâle (2) par rapport à l’extrémité femelle (3). Joint fileté (1) de la revendication 1 dans lequel l’extrémité femelle (3) comprend une pluralité d’extensions (6) séparées par des évidements (7) et réparties circonférentiellement, chaque extension (6) étant flexible radialement et comprenant sur sa surface interne (9) un épaulement d’extension (10) agencé pour coopérer avec l’ épaulement radial (18) de la surface de verrouillage (11) et limiter axialement dans un sens le mouvement relatif de l’extrémité mâle (2) par rapport à l’extrémité femelle (3). Joint fileté (1) de la revendication 1 ou 2 dans lequel la surface de verrouillage (11) est située du côté du filetage mâle (4) opposé à l’extrémité libre mâle (13). Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 3 comprenant en outre un anneau de maintien (14) s’étendant au moins partiellement autour de la au moins une extension (6). Joint fileté (1) selon la revendication 4 dans lequel l’anneau de maintien est fixé sur les extensions (6) par un moyen choisi parmi des vis, de la colle, des pions. Joint fileté (1) selon la revendication 4 dans lequel l’anneau de maintien (14) est un collier de serrage. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 4 à 5 dans lequel l’anneau de maintien (14) comprend une portion (21) axialement située au-delà des extensions (6) et s’étendant radialement vers la surface extérieure (12) de l’extrémité mâle, ladite portion (21) étant agencée pour protéger lesdites extensions (6). Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel les extensions (6) ont individuellement une longueur d’extension CL, une hauteur d’extension CH, et la surface de verrouillage (11) a une hauteur de surface de verrouillage minimale BOSHmin (en mm) tels que : [Math 1] où E est le module d’Young de l’acier de l’extension 6 et Ys est la limite élastique de l’extension 6. Joint fileté (1) selon la revendication 7 dans lequel la surface de verrouillage (11) a une hauteur de surface de verrouillage maximale BOSHmax telle que [Math 2] où E est le module d’Young de l’acier de l’extension 6 et Ys est la limite élastique de l’extension 6. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 4 à 9 dans lequel l’anneau de maintien (14) a une hauteur RH d’anneau de maintien (14) d’au moins 0,5 mm. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel la surface de verrouillage (11) comprend une surface d’engagement (15) ayant un angle compris entre 3° et 30°, préférentiellement entre 5° et 20°. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel l’épaulement radial (18) est une surface tronconique d’angle supérieur à 0° et inférieur à 30°, préférentiellement une surface tronconique d’angle d’au moins 3°. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 5 ou 7 à 12 dans lequel les extensions 6 comprennent trois portions successives : une portion amont 25 située du côté du filetage femelle 5 et ayant un diamètre extérieur amont CD, une portion aval 24 ayant un diamètre extérieur aval ED inférieur au diamètre extérieur amont CD, une portion d’extrémité 23 du côté de l’extrémité libre femelle (8), la portion d’extrémité 23 ayant un diamètre extérieur d’extrémité BD supérieur au diamètre extérieur amont CD, l’anneau de maintien 14 ayant un diamètre intérieur annulaire AD inférieur au diamètre extérieur d’extrémité CD et supérieur au diamètre extérieur aval ED. Joint fileté (1) selon l’une des revendications 1 à 13 dans lequel l’extrémité mâle 2 comprend une surface d’étanchéité mâle 26 et l’extrémité femelle 3 comprend une surface d’étanchéité femelle 27 et la surface d’étanchéité mâle 26 est agencée pour coopérer avec la surface d’étanchéité femelle 27 pour former une étanchéité.