EP4077867A1 - Connexion à capteur intégré - Google Patents

Connexion à capteur intégré

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Publication number
EP4077867A1
EP4077867A1 EP20842275.8A EP20842275A EP4077867A1 EP 4077867 A1 EP4077867 A1 EP 4077867A1 EP 20842275 A EP20842275 A EP 20842275A EP 4077867 A1 EP4077867 A1 EP 4077867A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
connection
threaded connection
thread
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20842275.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Verger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vallourec Oil and Gas France SAS
Original Assignee
Vallourec Oil and Gas France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vallourec Oil and Gas France SAS filed Critical Vallourec Oil and Gas France SAS
Publication of EP4077867A1 publication Critical patent/EP4077867A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to tubular threaded components and more particularly to steel tubular connections for a tubular threaded joint for drilling, operating hydrocarbon wells or for transporting oil and gas or for geothermal wells, or else. for CO 2 storage wells.
  • component is understood here to mean any element or accessory used to drill or exploit a well and comprising at least one connection or connector or even threaded end, and intended to be assembled by a thread to another component to constitute with this other component a tubular threaded joint.
  • the component can be for example a tubular element of relatively great length (in particular about ten meters in length), for example a tube, or else a tubular sleeve of a few tens of centimeters in length, or else an accessory of these. tubular elements (suspension device or "hanger”, part for changing section or “cross-over”, safety valve, connector for drill rod or "tool joint", “sub”, and the like).
  • Tubular components have threaded ends. These threaded ends are complementary allowing the connection of two male (“Pin”) and female (“Box”) tubular elements together, forming a joint. There is therefore a male threaded end and a female threaded end.
  • the so-called premium or semi-premium threaded ends generally have at least one abutment surface.
  • a first stop may be formed by two free surfaces on the threaded ends configured so as to be in contact with one another after the threaded ends have been screwed together or during compressive stresses. Stops generally have negative angles to the main axis of the connections.
  • galling is a phenomenon that can occur when assembling connections.
  • the occurrence of seizure can be identified during tightening, in particular thanks to abnormal variations in the speed or of the tightening torque applied during assembly, but any seizure is not necessarily detected by these parameters alone, the assembly being able to appear as normal with the existing means of measurement.
  • the location of a seizure cannot be determined with these parameters alone.
  • Seizure can result in localized tearing of material. For example, a tearing of material within the threads, or even a tearing of material at the sealing surfaces. It is therefore understood that the main functions of the threads or sealing surfaces can be compromised. There is therefore a need for additional solutions to improve the reliability of detecting the occurrence of seizure during assembly.
  • Another form of degradation of the functional elements of a connection can be unwanted plasticizations of material, following stresses undergone higher than the stresses of use under normal conditions, or following repetitions of stresses, including in standard areas of use for connection.
  • fatigue stresses can degrade the state of the functional elements of a connection, by causing fatigue cracks to appear in the material.
  • the present invention improves the situation.
  • FIG 1 shows a partial sectional view of a state-of-the-art connection.
  • FIG 2 shows a connection according to a first variation of the invention.
  • FIG 3 shows a graph of the distribution of the stress components as a function of the depth to the right of a sealing surface for a given connection.
  • FIG 4 shows a schematic perspective view of a variation of the invention.
  • FIG 5 shows a connection according to a second variation of the invention.
  • FIG 6 shows a connection according to a third variation of the invention.
  • FIG 7 shows a connection according to a fourth variation of the invention.
  • FIG 8 shows a connection according to a fifth variation of the invention.
  • the invention is a male or female tubular threaded connection (1) for a steel pipe comprising at least one external (10) or internal (11) thread, an end lip (12), a portion produced by additive manufacturing (3) arranged to house at least one sensor (4) at a predetermined distance from a functional surface (5, 6, 7) of said connection, the sensor (4) being arranged to measure a related physical quantity with said functional surface (5, 6, 7) and said functional surface (5, 6, 7) being selected from a sealing surface, a thread, a stopper, an internal diameter or an external diameter.
  • the at least one sensor (4) can include a transducer selected from a strain gauge, a shear gauge, a rosette-type strain gauge, a force sensor, a temperature gauge, a pressure sensor. , or a threshold detector. This makes it possible to access the physical conditions of constraints and temperatures within a connection, which are quantities that allow access to the states of the connection, whether in stress, fatigue, in conditions of use. .
  • connection can comprise a thermal protection plate (8) near said at least one sensor (4) and located between the at least one sensor (4) and the portion added by additive manufacturing (3). This protects the sensor and its associated electronics during the manufacture of the connection and the addition of additive material, and also improves the measurements of said sensors.
  • the sensor (4) can be at a distance D greater than or equal to a minimum depth Pmin such that:
  • the functional surface can be a sealing surface (5) and the sensor (4) is located in line with the sealing surface (5) at a radial distance of at least 0.6 mm from the sealing surface (5). This makes it possible in particular to measure physical quantities related to the sealing surface (5).
  • said sensor (4) is chosen from among a deformation gauge, a shear gauge, a rosette-type deformation gauge, a force sensor, and said sensor (4) is located in line with a surface sealing surface (5) and at a radial distance of at least 2 x Pmin from the sealing surface (5).
  • the functional surface may be an external (10) or internal (11) thread and the sensor (4) is located to the right of said external (10) or internal (1 1) thread at a greater distance or equal to Pmin with respect to a thread end line. This makes it possible to reliably measure the stresses in the connection representative of the stresses undergone by the thread (10, 11).
  • the functional surface can be an external (10) or internal (11) thread and the sensor (4) can be located to the right of said external (10) or internal (11) thread at a greater distance or equal to 0.6 mm with respect to a thread end line.
  • the functional surface can be an internal diameter (Di) and the sensor (4) can be located in line with the internal diameter (Di) and at a radial distance of at least 0.6 mm from the inner surface (5). This allows the stresses in the connection representative of the stresses on the interior surface (5) to be reliably measured.
  • the functional surface can be a stop surface (6) and the sensor is located at a distance D of at least 1 mm from the stop surface. This makes it possible to reliably measure the stresses in the connection representative of the stresses undergone by the stop (6) and to protect the sensor from high mechanical stresses which are usually exerted on a stop.
  • the added portion (11) can be produced by a method chosen from among recharging methods, electron beam melting methods, laser melting methods on a bed of metal powder or "selective laser melting", selective laser sintering processes, direct metal deposition or “Direct Energy Deposition” processes, binder projection deposition or laser projection deposition processes, arc-wire additive manufacturing deposition processes.
  • the invention is also a method of making a threaded connection (1) for a steel pipe comprising the steps of:
  • Figure 1 shows a partial sectional view of a female connection (2) and a male connection (1) of the state of the art comprising respectively an internal thread (10) and an external thread (11), a female sealing surface (7) and a male sealing surface (5), a male end lip (12) including a male stopper (6); a corresponding female stop (9) on the female connection (2).
  • connections may also include several stages of threads, additional sealing surfaces, for example located between the female end lip (13) and a thread (10, 11), with a corresponding sealing surface on the element. male (1).
  • Figure 2 shows a first embodiment of the invention in which a male connection (1) comprises a body (21), a thread (1 1), an end lip (12), a portion produced by additive manufacturing (3), and a sensor (4).
  • the sensor (4) includes a transducer for converting a physical signal into another signal, particularly an electrical signal.
  • the portion produced by additive manufacturing (3) includes a sealing surface (5).
  • the sensor (4) is located at a predetermined distance D from the sealing surface (5).
  • the sensor (4) is arranged to measure a physical quantity related to said functional surface which is here a sealing surface. That is to say that the sensor is designed to be able to measure physical quantities such as a stress, a temperature, a force, near said functional surface (5) and which are representative of quantities exerted at the level of the functional surface (5).
  • connection comprises a thermal protection plate (8), located near the sensor (4) and arranged to separate the transducer from the sensor (4) from a part of the portion added by additive manufacturing (3). ).
  • the thermal protection plate protects the sensor from degradation due to heat during the stage of making the part added by additive manufacturing, a process which is exothermic.
  • the protective plate (8) is arranged so as to limit the loss of transmission of the stresses at the level of the outer surface near the sensor (4).
  • the surface near the sensor is the sealing surface (5).
  • the protection plate is therefore arranged so as to be able to transmit the stresses exerted at the level of the sealing surface (5) and transmitted into the material near said sealing surface (5).
  • the sensor (4) and the thermal protection plate (8) can be linked by gluing, screwing, punching, the transducer can be printed, for example on an epoxy plate.
  • the thermal protection plate is a substantially planar plate. It may have bent or curved ends so that the thermal protection plate has an inverted U-profile or an H-profile, in order to protect the transducer from the heat. sensor (4) laterally and / or in order to improve the grip of the protection plate in the connection.
  • the transducer of the sensor (4) is selected from a strain gauge, shear gauge, a rosette-type strain gauge, a force sensor, a temperature gauge, a pressure sensor, a threshold detector. .
  • the transducer of the sensor (4) can be a piezoresistive strain gauge of the film screen gauge type, made of a printed circuit on an epoxy support plate screwed onto the protection plate.
  • the gauge can be a wire gauge glued to a support plate.
  • the sensor can be soldered or printed.
  • the support plate is the thermal protection plate (4).
  • the addition of material by additive manufacturing is done on the thermal protection plate, so that the intimacy between the thermal protection plate and the added material allows stress to be transmitted from the added material to the thermal protection plate.
  • the thermal protection plate may have a thickness greater than 0.3 mm.
  • the thermal protection plate can be made of steel, stainless steel or titanium alloy, copper alloy and / or aluminum.
  • the thermal protection plate can be a combination of two layers, a layer of steel or stainless steel or titanium alloy and a layer of copper and / or aluminum alloy, or a layer of low thermal conductivity to stop the propagation of the heat. heat and a layer of high thermal conductivity to dissipate heat.
  • the senor (4) can be of the integrated type.
  • An integrated sensor comprises, in addition to a transducer of a physical component into an electrical signal or measurement signal, electronics arranged to form said measurement signal into a measurement output signal, optionally a memory module and a communication module to store the measurements made in the form of data sets and to communicate on request from a control unit external measurement data.
  • the sensor may further include a power source.
  • a sensor (4) is located in line with the sealing surface (5).
  • the sensor (4) is located at a distance D of at least 0.6 mm from the sealing surface (5).
  • the sensor (4) when the sensor (4) is chosen from among stress or force sensors, such as a strain gauge, shear gauge, a rosette-type strain gauge, a force sensor, a pressure sensor, a detector threshold, it is preferable that said sensor (4) is located at a minimum distance from a sealing surface, a distance D greater than or equal to the depth Pmin such that
  • This equation (1) is applicable to a toroidal or torus-cone type sealing surface, that is to say a metal-to-metal seal, one of the surfaces of which has a radius of curvature R.
  • This minimum distance Pmin depends on the diameter of the sealing surface D, the interference intf, the thickness e of the lip supporting the sealing surface, the radius R of the toric portion as well as the Poisson's ratio of the material.
  • the multiplier coefficient 5.031 is applied. This coefficient corresponds to the half-length of contact which, multiplied by 0.7861, allows to calculate the depth for which the shear stress is maximum i.e. (12.8 / 2) x 0.7861 ⁇ 5.031.
  • the number 0.7861 corresponds to the coefficient of Hertz theory for a line contact.
  • the variation in value of the stresses is said to be stabilized, without inflection of the variation in values.
  • the presence of the sensor may involve a redistribution of the stresses in the material due to a discontinuity, even if this effect remains point relative to the circumference of the sealing surface.
  • a minimum distance of 0.6 mm from the sensor relative to the constrained surface makes it possible in most cases to avoid abrupt variations in stresses and also makes it possible to limit the redistribution effects of constraints.
  • the sensor is located at a distance of at most 5 mm from the sealing surface (5), in order to ensure that the sensor (4) can measure stresses representative of a contact state of the sealing surface, in particular of contact with a corresponding sealing surface of a female connection.
  • connection can include more than one sensor, preferably distributed circumferentially.
  • the sensors can be of the same type or of different types.
  • connection may include more than one sensor, all contained in the same portion produced by additive manufacturing (3).
  • the tubular threaded connection (1) of FIG. 4 comprises three sensors (4a, 4b, 4c).
  • the three sensors (4a, 4b, 4c) are strain gauges.
  • a strain gauge has an orientation called longitudinal orientation.
  • the three sensors (4a, 4b, 4c) are arranged so as to measure three components of the stress undergone by the connection: a normal axial strain gauge (4a), the longitudinal orientation of which is substantially parallel to the axis of the connection; a normal circular strain gauge (called "hoop stress") (4b), the longitudinal orientation of which is substantially perpendicular to the axis of the connection; a shear gauge (4c), the longitudinal orientation of which is at an angle of 45 ° with a line parallel to the axis of the connection and passing through a point on the gauge.
  • the addition of additional sensors for example of a different nature, such as a temperature gauge, a force sensor.
  • the stress sensors can be of different types. It is possible to replace a strain gauge with another of the rosette type, or a shear gauge.
  • the temperature gauge makes it possible to know the operating temperature of the sensor and the Temperature data can be used to perform a corrective calculation for the stresses measured by one or more strain gauges.
  • the strain gauge can be produced by means of additive manufacturing processes, by printing successively electrically non-conductive and electrically conductive layers and arranged with patterns making it possible to achieve electrically conductive and insulated tracks.
  • the conductive tracks have shapes of network, comb, rosette bridge type, namely the conventional shapes of strain gauges.
  • a connection according to the invention may include a circular groove in which a belt of sensors is placed, which groove is then completed by a deposit of material made by additive manufacturing.
  • a sensor (4) can include processing electronics connected to the transducer of the sensor (4).
  • the processing electronics may include a signal conditioning stage, which may include a converter sub-stage, an amplifier sub-stage, and a filter sub-stage.
  • the processing electronics may include a memory arranged to store the measurement data.
  • the sensor (4) can be interrogated by an external device to record the measurements made during a period of time.
  • the senor (4) may be provided with a circuit arranged to count the number of cycles during which a measured stress intensity has exceeded a predetermined stress threshold intensity.
  • the sensor can record the number of cycles undergone by the connection at the level of the monitored functional surface.
  • FIG. 3 is a graph showing curves corresponding to the components of the stresses in the material, as a function of the depth and to the right of a sealing surface, for a connection of the state of the art.
  • the ordinate corresponds to the depth in mm from the sealing surface.
  • the abscissa represents the stress values in Mpa. It is noted that the variations of stresses decrease strongly beyond a depth of 1mm and also that the evolutions of stresses stabilize, that is to say without inflection of the curve, as is the case for the curve of the values. shear stresses around 1 mm away from the sealing surface.
  • the senor (4) can be at a distance of at most 5 mm from the monitored functional surface, because beyond that, certain components of physical quantities to be measured, such as the stresses, can no longer be effectively measurable. or so as to be able to reliably find the corresponding representative quantities at the level of the surface of the object.
  • a sensor (4) can be arranged to measure stresses, forces or temperatures exerted at a sealing surface, for example to measure torsional stresses at the sealing surface.
  • the sensor having a given orientation, therefore a known component of the stresses, a predetermined distance from the sealing surface whose geometry is known, it is possible to determine a stress exerted at the level of the sealing surface ( 5) from a stress measured by the sensor (4).
  • the connection comprises a portion produced by additive manufacturing (3), a sensor (4) located at a predetermined distance from an external thread (10) or internal thread (11), according to that the connection is respectively a male or female connection, the sensor (4) being arranged to measure a physical quantity related to the internal or external thread.
  • An external (10) or internal (11) thread comprises, in a side view as shown in FIG. 5, a series of threads (61) comprising vertices (62), bottoms (63) of the engagement flanks ( 64) and loading sides (65).
  • the thread bases (63) seen in a section plane are connected virtually by a thread end line (66) which is a virtual line joining the thread bases of the thread.
  • the sensor (4) is located at a distance of at least 0.6 mm from the bottom line of the thread. Preferably, the sensor (4) is located at a distance of at most 5 mm from the bottom line of the thread.
  • distance refers to the distance from a point to a line and therefore corresponds to the shortest distance between a point and a point running on the line, i.e. the shortest distance between the sensor and a point on the line thread root.
  • a connection with multiple thread stages can have a thread end line if the thread stages are aligned, or each have its thread end line when the thread stages are not aligned.
  • a sensor (4) can be arranged to measure stresses, forces or temperatures exerted in the thread, for example to measure shear stresses at the base of the teeth of the thread.
  • the sensor having a given orientation, therefore a known component of the stresses, a predetermined distance from the base of a tooth of the thread, and the geometry of the teeth being known, it is possible to determine a stress exerted at the base of the tooth of the thread considered from a stress measured by the sensor (4).
  • the connection comprises a portion produced by additive manufacturing (3), a sensor (4) and a stop surface (6), the sensor (4) being located at a predetermined distance from the stop surface (6) and arranged to measure a physical quantity related to the stop surface (6).
  • the sensor (4) is at a substantially axial distance D of at least 1 mm from the stop surface (6) and at most 7 mm.
  • the distance from the sensor to the abutment surface is generally greater than in the case of other functional surfaces because the forces involved at one abutment surface are greater than for other functional surfaces.
  • the measurement of a stress at the level of the sensor (4) makes it possible to determine a corresponding stress at the level of the abutment surface. This makes it possible, for example, to detect cases of risk of plasticization of the stopper, or even when the sensor is equipped with a memory and a counter for exceeding a predetermined threshold, the counting of the number of stressing cycles. of the stopper surface.
  • the connection is a male connection and comprises a portion produced by additive manufacturing (3) arranged to house a sensor (4) and an interior surface (81), the sensor (4) is located at a predetermined distance from the interior surface (81) and arranged to measure a physical magnitude related to the interior surface (81).
  • the portion produced by additive manufacturing separates the sensor (4) from the interior surface (81).
  • the portion made by additive manufacturing includes a part of the interior surface (81).
  • the sensor (4) is at a substantially radial distance D of at least 0.6 mm from the interior surface, in order to protect the sensor (4) from the wear which may occur in service on the interior surface ( 81).
  • the sensor (4) is at a distance less than or equal to 7mm from the interior surface (81). All of the four embodiments are not mutually exclusive, they can perfectly be combined one by one or all together.
  • FIG. 8 represents a variation combining several embodiments described, with a joint in which the female connection 2 comprises two zones added by additive manufacturing (3a, 3b) arranged to house two sensors (4a, 4b) respectively placed at a predetermined distance a female stop surface (9) and a sealing surface (7).
  • the sensor (4b) near the sealing surface (7) is connected to processing electronics (22) and transmission electronics (23) located near the outer surface (25).
  • the senor (4) can be connected to processing electronics (22) and / or transmission electronics (23). These processing and / or transmission electronics (22, 23) can be placed near the sensor (s), these electronics can be installed in the same housing of an integrated sensor.
  • connection may comprise electrically conductive tracks, particularly insulated conductive wires positioned in fitted housings and of which one wall portion is made by additive manufacturing.
  • electrically conductive tracks particularly insulated conductive wires positioned in fitted housings and of which one wall portion is made by additive manufacturing.
  • These conductors can preferably open near an imperfect thread, or near a grease pocket, or on an interior surface in the case of a male connection, or an exterior surface in the case of a female connection. or a sleeve. These arrangements are subjected to lower mechanical stresses than perfect threads, sealing surfaces or abutments.
  • a processing electronics (22) comprises a circuit arranged to receive at input an electrical signal coming from the sensor and to emit at output a signal representative of the magnitude. measured by the sensor modified by a transformation factor k.
  • This transformation factor k can be predetermined so as to take into account the position of the sensor, its depth or distance from the targeted functional surface, the presence of additional elements such as a protective plate (8), the latter can introduce a discontinuity in the material and disturb the distribution of mechanical stresses or temperatures in the volume of the part.
  • the transformation factor k can be linear.
  • the transformation factor can be nonlinear.
  • the transformation factor is determined by a calibration performed on the basis of a connection model, a sensor configuration and implantation of said sensor.
  • the variation of the stress values as a function of the depth is smaller and makes it possible to obtain good repeatability of the measurements from a connection equipped with a sensor to another having the same configuration. It is therefore possible to calibrate the sensor and the processing electronics (22) from a standard model.
  • the invention is also a method of obtaining a connection equipped with at least one sensor in which a first machining of a tubular element is carried out, by milling or turning.
  • the first machining can be a housing, in the form of a recess or a groove made from a tubular element obtained after drilling thereof, or after a possible conification step, which is designated by the term connection body.
  • a second assembly step includes the actions of installing one or more sensors (4), possibly placed near one or more thermal protection plates.
  • a third step is to dispose of the material by additive manufacturing over the sensor (s) (4) and so as to fill the recess or the machined groove.
  • the deposition of material by additive manufacturing can be done with a non-rotating print head and a rotating tube.
  • a fourth step comprises the complementary machining of the connection to produce a functional surface of which at least part of the machining takes place in the material added by additive manufacturing, the functional surface being chosen from a sealing surface, a stop, an inner or outer surface, a thread.

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Abstract

Connexion filetée tubulaire mâle ou femelle (1) pour une conduite en acier comprenant au moins un filetage extérieur (10) ou intérieur (11), une lèvre d'extrémité (12), une portion réalisée par fabrication additive (3) agencée pour loger au moins un capteur (4) à une distance prédéterminée d'une surface fonctionnelle (5, 6, 7) de ladite connexion, le capteur (4) étant agencé pour mesurer une grandeur physique liée à ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) et ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) étant choisie parmi une surface d'étanchéité, un filetage, une butée, un diamètre intérieur ou un diamètre extérieur.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Connexion à capteur intégré
L’invention concerne les composants filetés tubulaires et plus particulièrement les connexions tubulaires en acier pour joint fileté tubulaire pour le forage, l’exploitation des puits d’hydrocarbures ou pour le transport de pétrole et de gaz ou pour les puits de géothermie, ou encore pour les puits de stockage de CO2.
On entend ici par “composant” tout élément ou accessoire utilisé pour forer ou exploiter un puits et comprenant au moins une connexion ou connecteur ou encore extrémité filetée, et destiné à être assemblé par un filetage à un autre composant pour constituer avec cet autre composant un joint fileté tubulaire. Le composant peut être par exemple un élément tubulaire de relativement grande longueur (notamment d’environ une dizaine de mètres de longueur), par exemple un tube, ou bien un manchon tubulaire de quelques dizaines de centimètres de longueur, ou encore un accessoire de ces éléments tubulaires (dispositif de suspension ou « hanger », pièce de changement de section ou « cross-over », vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage ou « tool joint », « sub », et analogues).
Les composants tubulaires sont dotés d’extrémités filetées. Ces extrémités filetées sont complémentaires permettant le raccordement de deux éléments tubulaires mâle (« Pin ») et femelle (« Box ») entre eux, formant un joint. Il y a donc une extrémité filetée male et une extrémité filetée femelle. Les extrémités filetées dites premium ou semi-premium comportent généralement au moins une surface de butée. Une première butée peut être formée par deux surfaces libres sur les extrémités filetées configurées de façon à être en contact l’une avec l’autre à l’issue du vissage des extrémités filetées entre elles ou lors de sollicitations de compression. Les butées ont généralement des angles négatifs par rapport à l’axe principal des connexions. Ces joints sont soumis à des sollicitations de traction ou de compression axiales, de pressions intérieures ou extérieures de fluide, de flexion ou encore de torsion, éventuellement combinées et d'intensité pouvant fluctuer. L'étanchéité doit être assurée malgré les sollicitations et malgré les conditions d'emploi rudes sur chantier. Les joints filetés doivent pouvoir être vissés et dévissés plusieurs fois sans dégradation de leurs performances, notamment par grippage. Après dévissage, les composants tubulaires peuvent être réutilisés dans d'autres conditions de service.
En particulier, le grippage est un phénomène qui peut apparaître lors de l’assemblage de connexions. L’occurrence d’un grippage peut être identifiée lors du vissage, notamment grâce à des variations anormales de la vitesse ou du couple de vissage appliqués lors de l’assemblage, mais tout grippage, n’est pas nécessairement détecté par ces seuls paramètres, l’assemblage pouvant apparaître comme normal avec les moyens de mesure existants. De plus, la localisation d’un grippage n’est pas déterminable avec ces seuls paramètres. Un grippage peut se traduire par un arrachement localisé de matière. Par exemple, un arrachement de matière au sein des filets, ou bien encore un arrachement de matière au niveau des surfaces d’étanchéités. On comprend alors que les fonctions principales des filets ou des surfaces d’étanchéités peuvent être compromises. Il existe donc un besoin pour des solutions supplémentaires permettant d’améliorer la fiabilité de détection de l’apparition d’un grippage pendant l’assemblage.
Par ailleurs, une autre forme de dégradation des éléments fonctionnels d’une connexion peut être des plastifications de matière non désirées, suite à des sollicitations subies plus élevées que les sollicitations d’utilisation dans des conditions normales, ou suite à des répétitions de sollicitations, y compris dans des domaines d’utilisation standards pour la connexion. Encore par ailleurs, des sollicitations de fatigue peuvent dégrader l’état des éléments fonctionnels d’une connexion, en faisant apparaître des craquelures de fatigue dans la matière. Il existe donc un besoin pour une solution permettant de déterminer des conditions d’état des connexions lors de leur assemblage ou pendant leur utilisation.
La présente invention permet d’améliorer la situation.
[Fig 1] montre, en vue partielle en coupe, une connexion de l’état de l’art.
[Fig 2] montre une connexion selon une première variation de l’invention.
[Fig 3] montre un graphique de répartition des composantes des contraintes en fonction de la profondeur au droit d’une surface d’étanchéité pour une connexion donnée.
[Fig 4] montre une vue schématique en perspective d’une variation de l’invention.
[Fig 5] montre une connexion selon une deuxième variation de l’invention.
[Fig 6] montre une connexion selon une troisième variation de l’invention.
[Fig 7] montre une connexion selon une quatrième variation de l’invention.
[Fig 8] montre une connexion selon une cinquième variation de l’invention.
Selon un premier aspect, l’invention est une connexion filetée tubulaire mâle ou femelle (1) pour une conduite en acier comprenant au moins un filetage extérieur (10) ou intérieur (11), une lèvre d’extrémité (12), une portion réalisée par fabrication additive (3) agencée pour loger au moins un capteur (4) à une distance prédéterminée d’une surface fonctionnelle (5, 6, 7) de ladite connexion, le capteur (4) étant agencé pour mesurer une grandeur physique liée à ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) et ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) étant choisie parmi une surface d’étanchéité, un filetage, une butée, un diamètre intérieur ou un diamètre extérieur. Ceci permet d’avoir au moins un capteur dans la connexion et de pouvoir accéder à des mesures de conditions physiques de la connexion. Selon un aspect, le au moins un capteur (4) peut comprendre un transducteur choisi parmi une jauge de déformation, une jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, une jauge de température, un capteur de pression, ou un détecteur à seuil. Ceci permet d’accéder aux conditions physiques de contraintes et de températures au sein d’une connexion, qui sont des grandeurs qui permettent d’accéder à des états de la connexion, que ce soit en sollicitation, en fatigue, en conditions d’utilisation.
Selon un autre aspect, la connexion peut comprendre une plaque de protection thermique (8) à proximité dudit au moins un capteur (4) et située entre le au moins un capteur (4) et la portion ajoutée par fabrication additive (3). Ceci permet de protéger le capteur et son électronique associée pendant la fabrication de la connexion et l’ajout de matière additive, et permet également d’améliorer les mesures desdits capteurs.
Le capteur (4) peut être à une distance D supérieure ou égale à une profondeur minimale Pmin telle que :
Selon une variante, la surface fonctionnelle peut être une surface d’étanchéité (5) et le capteur (4) est situé au droit de la surface d’étanchéité (5) à une distance radiale d’au moins 0,6 mm de la surface d’étanchéité (5). Ceci permet en particulier de mesurer des grandeurs physiques liées à la surface d’étanchéité (5).
Selon une autre variante, ledit capteur (4) est choisi parmi une jauge de déformation, une jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, et ledit capteur (4) est situé au droit d’une surface d’étanchéité (5) et à une distance radiale d’au moins 2 x Pmin de la surface d’étanchéité (5). Ceci permet de mesurer de manière fiable les contraintes dans la connexion représentatives des contraintes subies par la surface d’étanchéité (5). Selon une variante complémentaire ou alternative, la surface fonctionnelle peut être un filetage extérieur (10) ou intérieur (11) et le capteur (4) est situé au droit dudit filetage extérieur (10) ou intérieur (1 1) à une distance supérieure ou égale à Pmin par rapport à une ligne de fond de filetage. Ceci permet de mesurer de manière fiable les contraintes dans la connexion représentatives des contraintes subies par le filetage (10, 11).
Selon une variante complémentaire ou alternative, la surface fonctionnelle peut être un filetage extérieur (10) ou intérieur (11) et le capteur (4) peut être situé au droit dudit filetage extérieur (10) ou intérieur (11) à une distance supérieure ou égale à 0,6 mm par rapport à une ligne de fond de filetage.
Selon une variante complémentaire ou alternative, la surface fonctionnelle peut être un diamètre intérieur (Di) et le capteur (4) peut être situé au droit du diamètre intérieur (Di) et à une distance radiale d’au moins 0,6 mm de la surface intérieure (5). Ceci permet de mesurer de manière fiable les contraintes dans la connexion représentatives des contraintes subies par la surface intérieure (5).
Selon une variante complémentaire ou alternative, la surface fonctionnelle peut être une surface de butée (6) et le capteur est situé à une distance D d’au moins 1 mm de la surface de butée. Ceci permet de mesurer de manière fiable les contraintes dans la connexion représentatives des contraintes subies par la butée (6) et de protéger le capteur de contraintes mécaniques élevées qui s’exercent usuellement sur une butée.
Selon un aspect, la portion ajoutée (11) peut être réalisée par un procédé choisi parmi les procédés de rechargement, les procédés de fusion par faisceau d’électrons, les procédés de fusion laser sur lit de poudre métallique ou « sélective laser melting », les procédés de frittage sélectif par laser, les procédés de dépôt métallique direct ou « Direct Energy Déposition », les procédés de Dépôt par Projection de Liant ou Dépôt par Projection Laser, les procédés de dépôt par fabrication additive arc-fil. L’invention est aussi un procédé de réalisation d’une connexion filetée (1) pour une conduite en acier comprenant les étapes de :
- Premier usinage d’un corps de connexion ménageant un logement,
- Montage d’au moins un capteur dans ledit logement, avec optionnellement au moins une plaque de protection thermique,
- Dépôt de matière par fabrication additive de manière à compléter ledit logement par-dessus le au moins un capteur (4) et optionnellement par-dessus la plaque de protection thermique (8) et ainsi réaliser une portion par fabrication additive,
- Usinage complémentaire de la connexion comprenant l’usinage d’une surface fonctionnelle dans ladite portion réalisée par fabrication additive.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description et des dessins annexés.
La figure 1 montre une vue partielle en coupe d’une connexion femelle (2) et d’une connexion mâle (1) de l’état de l’art comprenant respectivement un filetage interne (10) et un filetage externe (11), une surface d’étanchéité femelle (7) et une surface d’étanchéité mâle (5), une lèvre d’extrémité mâle (12) comprenant une butée mâle (6) ; une butée femelle (9) correspondante sur la connexion femelle (2).
Les connexions peuvent également comprendre plusieurs étages de filetages, des surfaces d’étanchéités supplémentaires, par exemple situées entre la lèvre d’extrémité femelle (13) et un filetage (10, 11), avec une surface d’étanchéité correspondante sur l’élément mâle (1).
Les modes de réalisation décrits ci-après décrivent une connexion mâle mais les caractéristiques décrites s’appliquent également sur une connexion femelle.
La figure 2 montre un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel une connexion mâle (1) comprend un corps (21), un filetage (1 1), une lèvre d’extrémité (12), une portion réalisée par fabrication additive (3), et un capteur (4). Le capteur (4) comprend un transducteur permettant de convertir un signal physique en un autre signal, particulièrement un signal électrique.
La portion réalisée par fabrication additive (3) comprend une surface d’étanchéité (5). Le capteur (4) est situé à une distance prédéterminée D de la surface d’étanchéité (5). Le capteur (4) est agencé pour mesurer une grandeur physique liée à ladite surface fonctionnelle qui est ici une surface d’étanchéité. C'est-à-dire que le capteur est agencé pour pouvoir mesurer des grandeurs physiques telles qu’une contrainte, une température, une force, à proximité de ladite surface fonctionnelle (5) et qui sont représentatives de grandeurs exercées au niveau de la surface fonctionnelle (5).
Selon un aspect, la connexion comprend une plaque de protection thermique (8), située à proximité du capteur (4) et agencée de manière à séparer le transducteur du capteur (4) d’une partie de la portion ajoutée par fabrication additive (3). La plaque de protection thermique permet de protéger le capteur de dégradations dues à la chaleur pendant l’étape de réalisation de la partie ajoutée par fabrication additive, procédé qui est exothermique.
Avantageusement, la plaque de protection (8) est agencée de manière à limiter la perte de transmission des sollicitations au niveau de la surface extérieure à proximité du capteur (4). Dans le cas du premier mode de réalisation, la surface à proximité du capteur est la surface d’étanchéité (5). La plaque de protection est donc agencée de manière à pouvoir transmettre les contraintes s’exerçant au niveau de la surface d’étanchéité (5) et transmises dans la matière à proximité de ladite surface d’étanchéité (5). Le capteur (4) et la plaque de protection thermique (8) peuvent être liés par collage, vissage, poinçonnage, le transducteur peut être imprimé, par exemple sur une plaque époxy. En pratique la plaque de protection thermique est une plaque sensiblement plane. Elle peut comporter des extrémités pliées ou recourbées de manière à ce que la plaque de protection thermique ait un profil en U inversé ou un profil en H, ceci afin de protéger le transducteur du capteur (4) latéralement et/ou afin d’améliorer l’accroche de la plaque de protection dans la connexion.
Selon un aspect, le transducteur du capteur (4) est choisi parmi une jauge de déformation, jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, une jauge de température, un capteur de pression, un détecteur à seuil.
A titre d’exemple, le transducteur du capteur (4) peut être une jauge de contrainte piezorésistive de type jauge à trame pelliculaire, réalisée en un circuit imprimé sur plaque support en époxy vissé sur la plaque de protection. Alternativement, la jauge peut être une jauge à fil collée sur une plaque support. Alternativement, le capteur peut être soudé ou imprimé.
Avantageusement, la plaque support est la plaque de protection thermique (4). L’ajout de matière par fabrication additive se fait sur la plaque de protection thermique, de sorte que l’intimité entre la plaque de protection thermique et la matière ajoutée permet de transmettre des contraintes de la matière ajoutée vers la plaque de protection thermique.
La plaque de protection thermique peut avoir une épaisseur supérieure à 0,3 mm. La plaque de protection thermique peut être en acier, acier inoxydable ou alliage de titane, en alliage de cuivre et/ou aluminium. La plaque de protection thermique peut être une combinaison de deux couches, une couche d’acier ou acier inoxydable ou alliage de titane et une couche en alliage de cuivre et/ou aluminium, soit une couche de faible conductivité thermique pour stopper la propagation de la chaleur et une couche de forte conductivité thermique pour dissiper la chaleur.
Selon un autre aspect, le capteur (4) peut être de type intégré. Un capteur intégré comprend, en plus d’un transducteur d’une composante physique en un signal électrique ou signal de mesure, une électronique agencée pour mettre en forme ledit signal de mesure en un signal de sortie de mesure, optionnellement un module de mémoire et un module de communication pour conserver les mesures effectuées sous la forme de jeux de données et communiquer sur demande d’une unité de contrôle extérieure les données de mesures. Le capteur peut en outre comprendre une source d’alimentation.
Dans le premier mode de réalisation de la figure 2, un capteur (4) est situé au droit de la surface d’étanchéité (5). Le capteur (4) est situé à une distance D d’au moins 0,6 mm de la surface d’étanchéité (5).
Plus généralement, lorsque le capteur (4) est choisi parmi les capteurs de contrainte ou de force, comme une jauge de déformation, jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, un capteur de pression, un détecteur à seuil, il est préférable que ledit capteur (4) soit situé à une distance minimale d’une surface d’étanchéité, une distance D supérieure ou égale à la profondeur Pmin telle que
(1)
Cette équation (1) est applicable à une surface d’étanchéité torique ou de type tore-cône, c'est-à-dire une étanchéité métal-métal dont l’une des surfaces présente un rayon de courbure R.
Cette distance minimale Pmin dépend du diamètre de la surface d’étanchéité D, de l’interférence intf, de l’épaisseur e de la lèvre supportant la surface d’étanchéité, le rayon R de la portion torique ainsi que du coefficient de Poisson du matériau. Le coefficient multiplicateur 5,031 est appliqué. Ce coefficient correspond à la demi- longueur de contact qui, multiplié par 0.7861, permet de calculer la profondeur pour laquelle la contrainte de cisaillement est maximale c’est-à-dire (12.8/2) x 0.7861 ~ 5.031. Le chiffre 0.7861 correspond au coefficient de la théorie de Hertz dans le cadre d’un contact linéique.
Au-delà de la profondeur Pmin, la variation de valeur des contraintes est dite stabilisée, sans inflexion de la variation de valeurs. De plus, la présence du capteur peut impliquer une redistribution des contraintes dans la matière due à une discontinuité, même si cet effet reste ponctuel par rapport à la circonférence de la surface d’étanchéité. Néanmoins, il a été déterminé qu’une distance minimale de 0,6 mm du capteur par rapport à la surface contrainte permet de s’affranchir pour la plupart des cas des variations abruptes de contraintes et permet en outre de limiter les effets de redistribution de contraintes. Le capteur est situé au plus à une distance de 5 mm de la surface d’étanchéité (5), afin de garantir que le capteur (4) peut mesurer des contraintes représentatives d’un état du contact de la surface d’étanchéité, en particulier du contact avec une surface d’étanchéité correspondante d’une connexion femelle.
La connexion peut comporter plus d’un capteur, préférentiellement répartis circonférentiellement. Les capteurs peuvent être de même type ou de types différents. En complément ou alternativement, la connexion peut comporter plus d’un capteur, tous contenus dans une même portion réalisée par fabrication additive (3).
Par exemple la connexion filetée tubulaire (1) de la figure 4 comprend trois capteurs (4a, 4b, 4c). Les trois capteurs (4a, 4b, 4c) sont des jauges de contrainte. Une jauge de contrainte présente une orientation dite orientation longitudinale. Les trois capteurs (4a, 4b, 4c) sont disposés de manière à mesurer trois composantes de la contrainte subie par la connexion: une jauge de contrainte normale axiale (4a), dont l’orientation longitudinale est sensiblement parallèle à l’axe de la connexion; une jauge de contrainte normale en cercle (dite “hoop stress”) (4b), dont l’orientation longitudinale est sensiblement perpendiculaire à l’axe de la connexion; une jauge de cisaillement (4c), dont l’orientation longitudinale est forme un angle de 45° avec une droite parallèle à l’axe de la connexion et passant par un point de la jauge.
Cet exemple est non limitatif par rapport à l’ajout de capteurs supplémentaires, par exemple de nature différente, tel qu’une jauge de température, un capteur de force. Par exemple aussi, les capteurs de contrainte peuvent être de différentes natures. Il est possible de remplacer une jauge de contrainte par une autre de type rosette, ou une jauge de cisaillement. Avantageusement, la jauge de température permet de connaître la température d’opération du capteur et les données de températures peuvent être utilisées pour effectuer un calcul correcteur des contraintes mesurées par une ou plusieurs jauges de contrainte.
Alternativement, pour un capteur de type jauge de contrainte, la jauge de contrainte peut être réalisée par le biais de procédés de fabrication additive, par le biais d’impression de couches successivement non conductrices électriquement et conductrice électriquement et arrangées avec des motifs permettant de réaliser des pistes conductrices électriquement et isolées. Typiquement, les pistes conductrices ont des formes de type réseau, peigne, pont de rosette, à savoir les formes classiques des jauges de contrainte.
Dans une variation de connexion comportant plusieurs capteurs répartis circonférentiellement, une connexion selon l’invention peut comprendre une gorge circulaire dans laquelle est placée une ceinture de capteurs, gorge qui est ensuite complétée par un dépôt de matière fait par fabrication additive.
Un capteur (4) peut comprendre une électronique de traitement reliée au transducteur du capteur (4). L’électronique de traitement peut comprendre un étage de conditionnement du signal, pouvant comprendre un sous-étage convertisseur, un sous-étage amplificateur, et un sous-étage filtre. L’électronique de traitement peut comprendre une mémoire agencée pour conserver les données de mesure. Ainsi, le capteur (4) peut être interrogé par un dispositif externe pour relever les mesures effectuées durant une période de temps.
Dans une variation, le capteur (4) peut être muni d’un circuit agencé pour compter le nombre de cycles au cours desquels une intensité de contrainte mesurée a dépassé une intensité seuil de contrainte prédéterminée. Ainsi, le capteur peut enregistrer le nombre de cycles subis par la connexion au niveau de la surface fonctionnelle surveillée.
L’électronique de traitement peut être reliée par un conducteur ou par un émetteur permettant de transmettre un signal de mesure sans fil à une unité de contrôle. Cette unité de contrôle est agencée pour transmettre, traiter ou afficher la grandeur mesurée. La figure 3 est un graphique montrant des courbes correspondant aux composantes des contraintes dans la matière, en fonction de la profondeur et au droit d’une portée d’étanchéité, pour une connexion de l’état de l’art. L’ordonnée correspond à la profondeur en mm par rapport à la surface d’étanchéité. L’abscisse représente les valeurs de contraintes en Mpa. On constate que les variations de contraintes diminuent fortement au-delà d’une profondeur de 1mm et aussi que les évolutions de contraintes se stabilisent, c'est à dire sans inflexion de la courbe, comme c’est le cas pour la courbe des valeurs de contraintes de cisaillement aux environs de 1 mm de distance à la surface d’étanchéité. Ainsi, il est plus intéressant d’introduire une discontinuité dans la matière à partir de 1 mm de distance de la surface d’étanchéité dans le cas de cette connexion. Des calculs ont montré qu’une profondeur minimale de 0,6mm était indiquée pour la plupart des connexions. Il est aussi possible d’utiliser le calcul de la profondeur minimale Pmin selon l’équation (1) mentionnée.
Préférentiellement, le capteur (4) peut être à une distance d'au plus 5 mm de la surface fonctionnelle surveillée, car au-delà, certaines composantes de grandeurs physiques à mesurer, telles que les contraintes, peuvent ne plus être mesurables de manière efficace ou de manière à pouvoir retrouver de manière fiable les grandeurs représentatives correspondantes au niveau de la surface de l’objet.
Ainsi, un capteur (4) peut être agencé pour mesurer des contraintes, des forces ou températures s’exerçant au niveau d’une surface d’étanchéité, par exemple pour mesurer des contraintes de torsion au niveau de la surface d’étanchéité. En effet, le capteur ayant une orientation donnée, donc une composante des contraintes connue, une distance prédéterminée de surface d’étanchéité dont la géométrie est connue, il est possible de déterminer une contrainte s’exerçant au niveau de la surface d’étanchéité (5) à partir d’une contrainte mesurée par le capteur (4).
Filetage Selon un second mode de réalisation représenté en figure 5, la connexion comprend une portion réalisée par fabrication additive (3), un capteur (4) situé à une distance prédéterminée d’un filetage extérieur (10) ou filetage intérieur (11), selon que la connexion est respectivement une connexion mâle ou femelle, le capteur (4) étant agencé pour mesurer une grandeur physique liée au filetage intérieur ou extérieur. Un filetage extérieur (10) ou intérieur (11) comprend, dans une vue de profil telle que représentée en figure 5, une série de filets (61) comprenant des sommets (62), des fonds (63) des flancs d’engagement (64) et des flancs de chargement (65). Les fonds de filet (63) vus dans un plan de coupe sont reliés virtuellement par une ligne de fond de filetage (66) qui est une ligne virtuelle joignant les fonds de filet du filetage. Le capteur (4) est situé à une distance d'au moins 0,6 mm de la ligne de fond de filetage. Préférentiellement, le capteur (4) est situé à une distance d'au plus 5 mm de la ligne de fond de filetage. Par distance il est fait ici référence à la distance d’un point à une droite et correspond donc à la plus courte distance entre un point et un point courant de la droite, soit la plus courte distance entre le capteur et un point de la ligne de fond de filet du filetage.
Une connexion comportant plusieurs étages de filetage peut avoir une ligne de fond de filetage si les étages de filets sont alignés, ou chacun avoir sa ligne de fond de filetage lorsque les étages de filets ne sont pas alignés.
Ainsi, un capteur (4) peut être agencé pour mesurer des contraintes, des forces ou températures s’exerçant dans le filetage, par exemple pour mesurer des contraintes de cisaillement à la base des dents du filetage. En effet, le capteur ayant une orientation donnée, donc une composante des contraintes connue, une distance prédéterminée de la base d’une dent du filetage, et la géométrie des dents étant connue, il est possible de déterminer une contrainte s’exerçant à la base de la dent du filetage considérée à partir d’une contrainte mesurée par le capteur (4).
Butée Selon un troisième mode de réalisation représenté en figure 6, la connexion comprend une portion réalisée par fabrication additive (3) un capteur (4) et une surface de butée (6), le capteur (4) étant situé à une distance prédéterminée de la surface de butée (6) et agencé pour mesurer une grandeur physique liée à la surface de butée (6). Préférentiellement, le capteur (4) est à une distance D substantiellement axiale d’au moins 1 mm de la surface de butée (6) et d'au plus 7 mm. La distance du capteur à la surface de butée est généralement plus élevée que dans le cas des autres surfaces fonctionnelles car les forces mises en jeu au niveau d’une surface de butée sont plus élevées que pour les autres surfaces fonctionnelles.
De manière analogue aux autres modes de réalisation, la mesure d’une contrainte au niveau du capteur (4) permet de déterminer une contrainte correspondante au niveau de la surface de butée. Ceci permet par exemple de détecter des cas de risques de plastification de la butée, ou encore lorsque le capteur est équipé d’une mémoire et d’un compteur de dépassement d’un seuil prédéterminé, le comptage du nombre de cycles de mise en contrainte de la surface de la butée.
Diamètre intérieur
Selon un quatrième mode de réalisation représenté en figure 7, la connexion est une connexion mâle et comprend une portion réalisée par fabrication additive (3) agencée pour loger un capteur (4) et une surface intérieure (81), le capteur (4) est situé à une distance prédéterminée de la surface intérieure (81) et agencé pour mesurer une grandeur physique liée à la surface intérieure (81). La portion réalisée par fabrication additive sépare le capteur (4) de la surface intérieure (81). La portion réalisée par fabrication additive comprend une partie de la surface intérieure (81). Préférentiellement, le capteur (4) est à une distance D substantiellement radiale d’au moins 0,6 mm de la surface intérieure, afin de protéger le capteur (4) de l’usure qui peut se produire en service sur la surface intérieure (81). Préférentiellement, le capteur (4) est à une distance inférieure ou égale à 7mm de la surface intérieure (81). L’ensemble des quatre modes de réalisation ne sont pas exclusifs l’un par rapport à l’autre, ils peuvent parfaitement être combinés un à un ou tous ensemble.
La figure 8 représente une variation combinant plusieurs modes de réalisation décrits, avec un joint dans lequel la connexion femelle 2 comprend deux zones ajoutées par fabrication additive (3a, 3b) agencées pour loger deux capteurs (4a, 4b) respectivement placés à une distance prédéterminée d’une surface de butée femelle (9) et d’une surface d’étanchéité (7). Le capteur (4b) à proximité de la surface d’étanchéité (7) est relié à une électronique de traitement (22) et une électronique de transmission (23) situés à proximité de la surface extérieure (25).
Selon un autre aspect de l’invention, le capteur (4) peut être relié à une électronique de traitement (22) et/ou une électronique de transmission (23). Ces électroniques de traitement et/ou de transmission (22, 23) peuvent être disposées à proximité du ou des capteurs, ces électroniques peuvent être implantées dans un même boîtier d’un capteur intégré.
Lorsqu’une partie au moins de ces électroniques (22, 23) est située à distance du ou des capteurs (4), la connexion peut comprendre des pistes conductrices d’électricité, particulièrement des fils conducteurs isolés positionnés dans des logements aménagés et dont une portion de paroi est réalisée par fabrication additive. Ces conducteurs peuvent déboucher préférentiellement à proximité d’un filet imparfait, ou à proximité d’une poche à graisse, ou encore sur une surface intérieure dans le cas d’une connexion mâle, ou une surface extérieure dans le cas d’une connexion femelle ou d’un manchon. Ces agencements subissent de plus faibles sollicitations mécaniques que les filets parfaits, les surfaces d’étanchéité ou les butées.
Electronique
Une électronique de traitement (22) comprend un circuit agencé pour recevoir en entrée un signal électrique en provenance du capteur et émettre en sortie un signal représentatif de la grandeur mesurée par le capteur modifiée par un facteur de transformation k. Ce facteur de transformation k peut être prédéterminé de façon à tenir compte de la position du capteur, sa profondeur ou distance par rapport à la surface fonctionnelle visée, la présence d’éléments complémentaires tels qu’une plaque de protection (8), cette dernière pouvant introduire une discontinuité dans la matière et perturber la répartition de contraintes mécaniques ou de températures dans le volume de la pièce. Le facteur de transformation k peut être linéaire. Le facteur de transformation peut être non linéaire. De préférence, le facteur de transformation est déterminé par un étalonnage effectué sur la base d’un modèle de connexion, d’une configuration de capteur et d’implantation dudit capteur. Avec une profondeur d’implantation suffisante, la variation des valeurs de contraintes en fonction de la profondeur est plus faible et permet d’obtenir une bonne répétabilité des mesures d’une connexion équipée d’un capteur à une autre ayant la même configuration. 11 est donc possible de calibrer le capteur et l’électronique de traitement (22) à partir d’un modèle étalon.
Méthode d’obtention
Selon un aspect, l’invention est aussi une méthode d’obtention d’une connexion équipée d’au moins un capteur dans laquelle un premier usinage d’un élément tubulaire est réalisé, par fraisage ou tournage.
Le premier usinage peut être un logement, sous la forme d’un évidement ou une rainure faite à partir d’un élément tubulaire obtenu après perçage de celui-ci, ou après une éventuelle étape de conification, que l’on désigne sous le terme corps de connexion.
Ensuite une deuxième étape de montage comprend les actions de mettre en place un ou plusieurs capteurs (4), éventuellement disposés près d’une ou plusieurs plaques de protection thermique.
Une troisième étape est de disposer de la matière par fabrication additive par-dessus le ou les capteurs (4) et de manière à combler l’évidement ou la rainure usinée. Dans le cas d’une rainure circonférentielle, le dépôt de matière par fabrication additive peut se faire avec une tête d’impression non tournante et un tube tournant. Une quatrième étape comprend l’usinage complémentaire de la connexion pour réaliser une surface fonctionnelle dont une partie au moins de l’usinage se fait dans la matière ajoutée par fabrication additive, la surface fonctionnelle étant choisie parmi une portée d’étanchéité, une butée, une surface intérieure ou extérieure, un filetage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Connexion filetée tubulaire mâle ou femelle (1) pour une conduite en acier comprenant au moins un filetage extérieur (10) ou intérieur (11), une lèvre d’extrémité (12), une portion réalisée par fabrication additive (3) agencée pour loger au moins un capteur (4) à une distance prédéterminée d’une surface fonctionnelle (5, 6, 7) de ladite connexion, le capteur (4) étant agencé pour mesurer une grandeur physique liée à ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) et ladite surface fonctionnelle (5, 6, 7) étant choisie parmi une surface d’étanchéité, un filetage, une butée, un diamètre intérieur ou un diamètre extérieur.
2. Connexion filetée (1 ) selon la revendication 1 dans laquelle le au moins un capteur (4) comprend un transducteur choisi parmi une jauge de déformation, une jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, une jauge de température, un capteur de pression, ou un détecteur à seuil.
3. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications 1 à 2 comprenant une plaque de protection thermique (8) à proximité dudit au moins un capteur (4) et située entre le au moins un capteur (4) et la portion ajoutée par fabrication additive (3).
4. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle le capteur (4) est à une distance D supérieure ou égale à une profondeur minimale Pmin telle que :
5. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la surface fonctionnelle est une surface d’étanchéité (5) et le capteur (4) est situé au droit de la surface d’étanchéité (5) à une distance radiale d’au moins 0,6 mm de la surface d’étanchéité (5).
6. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle ledit capteur (4) est choisi parmi une jauge de déformation, une jauge de cisaillement, une jauge de déformation de type rosette, un capteur de force, et ledit capteur (4) est situé au droit d’une surface d’étanchéité (5) et à une distance radiale d’au moins 2 x Pmin de la surface d’étanchéité (5).
7. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la surface fonctionnelle est un filetage extérieur (10) ou intérieur (11) et le capteur (4) est situé au droit dudit filetage extérieur (10) ou intérieur (11) à une distance supérieure ou égale à Pmin par rapport à une ligne de fond de filetage.
8. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la surface fonctionnelle est un filetage extérieur (10) ou intérieur (11) et le capteur (4) est situé au droit dudit filetage extérieur (10) ou intérieur (11) à une distance supérieure ou égale à 0,6 mm par rapport à une ligne de fond de filetage.
9. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la surface fonctionnelle est un diamètre intérieur (Di) et le capteur (4) est situé au droit du diamètre intérieur (Di) et à une distance radiale d’au moins 0,6 mm de la surface intérieure (5).
10. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la surface fonctionnelle est une surface de butée (6) et le capteur est situé à une distance D d’au moins 1 mm de la surface de butée.
11. Connexion filetée (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie ajoutée (11) est réalisée par un procédé choisi parmi les procédés de rechargement, les procédés de fusion par faisceau d’électrons, les procédés de fusion laser sur lit de poudre métallique ou « sélective laser melting », les procédés de frittage sélectif par laser, les procédés de dépôt métallique direct ou « Direct Energy Déposition », les procédés de Dépôt par Projection de Liant ou Dépôt par Projection Laser, les procédés de dépôt par fabrication additive arc-fil.
12. Procédé de réalisation d’une connexion filetée (1) pour une conduite en acier comprenant les étapes de :
- Premier usinage d’un corps de connexion ménageant un logement,
- Montage d’au moins un capteur dans ledit logement, avec optionnellement au moins une plaque de protection thermique,
- Dépôt de matière par fabrication additive de manière à compléter ledit logement par-dessus le au moins un capteur (4) et optionnellement par-dessus la plaque de protection thermique (8) et ainsi réaliser une portion par fabrication additive,
- Usinage complémentaire de la connexion comprenant l’usinage d’une surface fonctionnelle dans ladite portion réalisée par fabrication additive.
EP20842275.8A 2019-12-20 2020-12-09 Connexion à capteur intégré Pending EP4077867A1 (fr)

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