FR2546244A1 - Procede de protection de filetages - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE PROTECTION DES FILETS. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE SELON LEQUEL LES FILETS DE DEUX ELEMENTS MALE ET FEMELLE 14, 16 SONT REVETUS L'UN D'UN LUBRIFIANT EN FILM SEC ET L'AUTRE D'UN LUBRIFIANT LIQUIDE. LE LUBRIFIANT EN FILM SEC EST A BASE DE BISULFURE DE MOLYBDENE, ET LE LUBRIFIANT LIQUIDE EST A BASE AQUEUSE ET CONTIENT UN AGENT MOUILLANT ET TENSIOACTIF. APPLICATION AUX RACCORDS DES TRAINS DE TIGES DES PUITS DE PETROLE.

Description

La présente invention concerne la protection des filetages.

Il est courant d'utiliser, dans les raccords de tuyauteries (canalisations) un enduit ou agent d'étanchéité appliqué sur les filetages complémentaires afin qu'il les lubrifie et qu'il réduise le risque de fuite. De tels enduits peuvent ne pas présenter de difficultés en cours d'utilisation lorsque la pression interne à la canalisation est faible et lorsque la température ambiante est modeste (c'est-à-dire lorsqu'elle est proche de la tempéra ture habituelle), mais des difficultés bien plus importantes peuvent apparaître lors de la mise en oeuvre de pression et de températures élevées, par exemple dans les trains de tiges de production et de réinjection utilisés dans les puits de pétrole et de gaz.

Les problèmes posés par les pressions élevées dans les puits de pétrole et-de gaz ont conduit à la mise au oint de lubrifiants (ou d'enduits) ayant comme base une graisse d'hydrocarbures, avec addition de particules relativement grosses (de l'odre de 100 pm), de cuivre, de graphite, de zinc, de plomb ou d'autres matériaux ou leurs mélanges. Ces particules ont tendance à s'accurululer dans les hélices des pieds des filetages et, en théorie, elles empêchent l'établissement de trajets hélicoidaux de fuite. Cependant, l'effet des températures élevées est un abaissement de la viscosité de la base constituée par la graisse, et la pression élevée permet l'établissement d'un trajet de fuite entre ces particules relativement grosses.Le trajet de fuite le long du filetage n'a pas de conséquences importantes pourvu que les surfaces d'étanchéité spécialement prévues soient elles-mêmes bien en contact et ainsi efficaces, mais il est possible que les surfaces d'étanchéité elles-mêmes n'aient pas en pratique leur pleine efficacité lorsque le couple de serrage n'a pas complètement aplati les particules grossières se trouvant sur I'épauleent ou sur une autre butée finale des deux filets complémen.aires. Il est aussi possible que les faces d'étanchéité puissent elles-memes être détériorées par les particules grossières.

On a fait subir des essais à des trains de tiges (canalisations) avant leur installation afin que les fuites existantes éventuelles soient détectées, mais les enduits utilisés jusqu'à présent ont caché les fuites qui n'apparaissent que lorsque la canalisation est utilisée. Ainsi, 7es enduits classiques et proposés JusquSà présent, qui empêchent ostensiblement les fuites dans les raccords détériorés ou défectueux, ne font en pratique que cacher les fuites jusqu'à ce que la tige soit introduite dans le puits, et à ce moment il est difficile et couteux de supprimer les fuites.

Il est donc souhaitable, lors des essais des raccords des tiges destinés à déterminer l'étanchéité, d'éviter l'utilisation d'enduits ayant des particules grossières et un véhicule visqueux qui peut empecher temporairement la formation d'un circuit de fuite.

. L'invention concerne un procédé de protection de filets complémentaires, au moins soumis à des couples de serrage, le procédé comprenant l'application d'un film sec d'un lubrifiant à un filet, l'application d'un lubrifiant liquide à l'autre filet, la mise en prise des deux filets et le serrage au couple voulu, le lubrifiant liquide n'ayant pratiquement aucune action dissolvante sur le lubrifiant constituant le film sec, le procédé assurant la protection des filets complémentaires tout en évitant de cacher un circuit de fuite qui pourrait exister entre les filets.

L'invention concerne aussi un procédé de protection des filets et des surfaces d'étanchéité d'organes filetés complémentaires au moins soumis à des couples de serrage, le procédé comprenant la pulvérisation d'un lubrifiant constituant un film sec, dans un véhicule volatil, sur un taraudage, l'évaporation naturelle du véhicule, 1'application d'un lubrifiant liquide sur le filetage, la mise S édiate en coopération des filets du taraudage et du filetage et le serrage avec le couple voulu, le lubrifiant liquide ayant de bonnes propriétés de mouillabilité et une faible viscosité, le procédé assurant la protection des filets et des surfaces d'étanchéité contre la détérioration et évitant de cacher les trajets de fuite dans les conditions d'essai.

D'autres caractéristiques et avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel
la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un ensemble classique comprenant des éléments vissés, incorporés à des trains de tiges de puits de pétrole et de gaz ; et
la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'un autre ensemble comprenant des éléments vissés, analogues à la figure 1 mais concernant un tubage.

Les figures représentent des éléments vissés, les jeux étant exagérés pour des raisons de clarté. Ces éléments ont des filets d'artillerie et sont utilisés de façon très importante dans les raccords de trains de tiges dans les industries du pétrole et du gaz, par exemple dans les trains de tiges et les tubages.

Les filetages 10 et 12 des éléments 14, 16 de l'ensemble ont chacun des flancs inclinés 18 et 20 et des flancs 22 et 24 qui sont sensiblement perpendiculaires à la longueur ou à l'axe longitudinal du tube. La crête 26, 28 d'un filet se trouve pratiquement au pied 30, 32 de l'autre ensemble et inversement, de manière classique dans toutes les formes de filetage. Il n'est pas possible en pratique de réaliser la crête 26, 28 d'un filet afin qu'elle soit ajustée contre le pied 30, 32 de l'autre si bien que des espaces hélicoldaux 34, 36 sont formés. Les flancs 18, 20 et 22, 24 sont emmanchés à force et ils .ne délimitent normalement aucun circuit de fuite.

Dans les filets d'artillerie, chaque fois qu'une étanchéité totale est nécessaire, par exemple comme repré senté, au moins une zone annulaire métal-métal d'étanchéité 40 est incorporée, ses dimensions étant telles que, lorsque les filets sont totalement en prise et serrés, les zones d'étanchéité soient en contact sous compression si bien qu'aucune fuite ne peut avoir lieu.

Comme l'indique le dessin, les surfaces d'étanchéité disposées en direction générale axiale 42, 44 se trouvent à une première extrémité d'un premier élément 16 et vers l'intérieur de l'extrémité de l'autre élément 14.

Les surfaces de la zone d'étanchéité 40 sont en compression mutuelle lorsque les filets sont au couple maximal, les surfaces d'épaulement 46, 48 étant en contact intime.

Les surfaces de la zone d'étanchéité 40 sont disposées l'une par rapport à l'autre de manière que le contact s'effectue peu avant l'emplacement angulaire auquel les épaulements 46, 48 sont en butée si bien que, lorsque les épaulements sont totalement en butée, les surfaces d'étanchéité se déforment légèrement sous l'action de la force de compression, donnant ainsi le degré voulu de compression sur les surfaces de la zone 40. On a représenté les surfaces, notamment les surfaces 42, 44, 46 et 48, a' distance les unes des autres par raison de clarté, mais, après application du couple maximal, les surfaces de butée en regard 46, 48 sont en contact intime, et chaque paire de surfaces devrait être représentée par un seul trait. Les surfaces 42, 44 ne sont pas en contact, même lorsque les éléments 14, 16 sont soumis au couple maximal.

Les filets représentés sur la figure 2 sont aussi formés sur deux éléments opposés 50, 52, avec des cretes 54, 56 et des rigoles 58, 60 qui sont délimitées par les filets hélicoïdaux de forme trapézoidale. Cependant, dans cette forme classique de filet, la dernière spire 62 du filet de l'élément 50 est parfois de section triangulaire .alors que la spire correspondante de l'élément 52 reste trapézoidale. Un espace sensiblement annulaire 64 est alors formé si bien que le contact disparaît le long des courbes hélicoldales 66 et 68 lorsque les éléments 5G, 52 sont serrés au couple maximal.Une partie 70 d'extrémité de l'élément 50 a une surface externe 72 (tournée vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal de l'élément) qui a une forme générale annulaire mais qui est convexe en coupe. Cette surface 72 coopère avec une surface interne annulaire correspondante 74 qui est concave en coupe, mais la courbure est différente Si bien que, comme l'indique la figure 2, le contact entre les surfaces 72 et 74 n'a lieu que sur une partie relativement faible des surfaces des deux faces. La déformation réelle de la zone 76 de contact annulaire s'effectue de manière que, en théorie, l'étanchéité soit parfaite. Les surfaces 66, 80 qui correspondent aux surfaces 46, 48 de la figure 1 sont en butée lorsque le couple maximal a été appliqué, mais on les a représentées à distance l'une de l'autre afin qu'elles puissent apparaître individuellement.

Cependant, habituellement, on revet l'ensemble des filets des types décrits précédemment d'un lubrifiant à base d'une graisse d'hydrocarbures et d'un enduit secondaire d'étanchéité (appelé couramment "enduit") contenant des particules d'un métal mou ayant diverses dimensions pouvant atteindre 100 pm, et, au couple maximal, cet enduit se rassemble dans les espaces hélicoidaux 34, 36 et 64.

L'enduit est aussi piégé dans les zones 40, 76 d'étanchéité et peut empêcher l'étanchéité en permettant une application prématurée du couple maximal aux surfaces des zones 40, 76 d'étanchéité car les épaulements 46, 48 (figure 1) et 78, 80 (figure 2) ne peuvent pas venir convenablement en butée. En fait, les fabricants de tuyauteries et de raccords spécifient des facteurs de correction de couple qui dépendent de l'enduit particulier utilisé et, si ces facteurs sont ignorés, il existe une probabilité importante pour qu'il ne se forme pas de joint efficace à des pressions de l'ordre de 420 bars et plus. Si ces facteurs sont ignorés, des couples excessifs risquent de détériorer les surfaces d'étanchéité.

L'absence d'un tel joint efficace est en général considérée comme de peu d'importance en particulier au début de l'utilisation du puits étant donné que 3'enduit des espaces hélicoïdaux 34, 36, 64, empêche les Suites.

Dans certains cas, les températures élevées régnant dans certains puits réduisent la viscosité du véhicule à base d'hydrocarbures et les particules métalliques n'arrêtent pas seules les fuites car les espaces entre les particules peuvent facilement permettre la formation d'un trajet de fuite, notamment aux pressions élevées.

Les fuites de ce type ne pue'vent pas être toujours détectées avant l'installation étant donné la présence de l'enduit, même lors de l'utilisation d'essais élaborés tels que décrits dans la demande de brevet français n0 80.17 890. La raison du défaut de cet essai à détecter une fuite est L'enduit lui-meme dont l'un des rôles est d'empêcher en permanence les fuites. Les températures élevées sont supposées compensées par les particules métalliques molles, mais leur grande dimension permet la formation trop facile d'un trajet de fuite en l'absence de graisse.

Une propriété connue du bisulfure de molybdène est qu'il adhère à une surface d'acier si bien qu'une couche de Mbs2 ayant une épaisseur moléculaire peut se former. Le bisulfure de molybdène est bien connu dans un véhicule oléagineux comme lubrifiant d'éléments mobiles et on l'ajoute à l'huile lubrifiante normale.

La caractéristique essentielle du procédé selon l'invention est que, avant le montage de deux éléments d'acier ou d'acier allié, fileté et taraudé, par exemple tels que représentés sur la figure 1ou sur la figure 2, une couche de bisulfure de molybdène ou d'un élément col loldal tel que le graphite ou le polytétrafluoréthylène, sous forme d'un film sec, est appliquée à l'un des deux filets complémentaires avant le montage, de préférence le taraudage (filet de la partie femelle du raccord).Le bisulfure de molybdène ou le lubrifiant en film sec d'un autre type se trouve dans un véhicule à faible viscosité tel que le trichloréthylène, le trichloréthane ou l'un des hydrocarbures fluorés et chlorés, ces derniers étant particulièrement utiles lorsque le constituant actif oit etre appliqué sous forme d'un aérosol qui laisse une mince couche sur le filet et en particulier sur les parties de contact normalement métal-sur-métal de la zone d'étanchéité 40, 76 et sur les flancs 18 et 22 (figure 1) et 55, 57 (figure 2) des filets. La couche appliquée aux surfaces des crêtes et des creux 30, 36 (figure 1), 54, 56, 58, 60 (figure 2) n'est pas efficace puisque le rôle de la couche formée sur les surfaces d'étanchéité et sur les flancs est d'empêcher le grippage lorsque les filets sont serrés ou desserrés.La proportion de bisulfure de molybdène dans le véhicule volatil ou de faible viscosité ne dépasse pas normalement 10 % en poids, bien que des proportions comprises entre 0,5 et 25 % soient possibles. Lorsque le bisulfure de molybdène a été appliqué par pulvérisation, on le laisse sécher pendant une courte période avant de mettre les filets en prise. On utilise de préférence une résine cétonique afin que l'accrochage du film aux filets soit rapide.

Bien qu'il soit préférable d'utiliser un composé tel que le bisulfure de molybdène étant donné sa grande affinité vis-à-vis de l'acier ainsi allié, les substances à base de polytétrafluoréthylène ou du graphite colloïdal peuvent aussi être utilisées. Certains de ces matériaux supportent des températures pouvant atteindre au moins 4000C.

Le bisulfure de molybdène ou un autre lubrifiant en film sec constitue un agent de protection mis en oeuvre dans le procédé de l'invention.

Le bisulfure de molybdène ou un autre lubrifiant sec est de préférence appliqué sous forme d'un mélange du lubrifiant sec, d'une résine et d'un véhicule de faible viscosité. On peut utiliser une résine quelconque qui adhère à la surface métallique sous forme d'un film sec, mais la résine utilisée est de préférence une résine cétonique.

L'utilisation d'un lubrifiant en film sec seul présente l'inconvénient de provoquer une augmentation très rapide du couple appliqué lorsque le couple de serrage appliqué aux raccords met les filets à une faible distance angulaire de la position de butée des épaulements 46, 48 (figure 1) et 78, 80 (figure 2) étant donné l'absence de lubrification hydrodynamique (sous pression) du type obtenu avec les enduits classiques. Une pression hydrodynamique se présente à tous les endroits qui sont en contact.

En général, le couple nécessaire pendant J a spire finale est supérieur à celui qui est nécessaire dans le cas des enduits modifiés de tuyauterie de type classique API (American
Petroleum Institute).

Le filetage (partie mâle) est revêtu d'un adjuvant modificateur fluide qui n'est pas un solvant du lubrifiant en film sec appliqué sur le taraudage afin que le couple soit réduit, notamment lorsqu'il approche de sa valeur maximale. Un adjuvant modificateur convenable fluide est une matière aqueuse de faible viscosité contenant une petite quantité d'un adjuvant mouillant et tensioactif (0,1 à 1 %) additionné d'un inhibiteur de corrosion. Un exemple d'agent mouillant et tensioactif est "WS 50" qui est une composition de BOC-Nowsco Ltd. Il s'agit d'une composition non ionique contenant des groupes oxyde d'éthylène et du méthanol . L'agent mouillant peut être la glycérine. Le lubrifiant modificateur peut être considéré comme un second agent de protection. Lorsque le filetage est revêtu du lubrifiant en film sec, le lubrifiant "humide" est évidemment appliqué au taraudage.

Un exemple de composition de lubrifiant humide contient 50 % d'eau, 47,9 % de méthanol, 2,0 % d'un inhibiteur de corrosion (par exemple "CRODIN") et 0,1 % d'un agent réducteur de frottement (par exemple "FC 760") qui a aussi pour rôle de réduire la tension superficielle et ainsi d'améliorer la mouillabilité.

A Ala place du lubrifiant liquide "humide" à base d'eau, on peut utiliser des silicones, notamment de type fluoré. Un critère général que doit remplir le lubrifiant "humide" est qu'il doit posséder une 2rne mouillabilité, une faible viscosité et La possit.lLl1e de conserver ces propriétés à de faibles températures, par exemple jusqu'à - 400C.

Il est souhaitable que les filets soient initialement soigneusement nettoyés afin que la protection des filets soit efficace sur tout le filetage ou le taraudage.

Cette opération peut être réalisée par application d'un aérosol d'air et d'un solvant de graisse pulvérisé sur les filets considérés, puis la pulvérisation immédiate du lubrifiant sec sur la partie femelle et le séchage total avant que le lubrifiant "humide" soit appliqué sur la partie mâle. L'évaporation du solvant des graisses peut etre favorisée par un jet d'air.

On sait que des couples de desserrage peuvent dépasser les couples de serrage de 40 % environ. Les agents de protection utilisés dans les procédés selon l'invention n'affectent pas notablement cette caractéristique, que l'agent sec de protection soit présent pendant le desserrage ou que les deux agents soient présents. Ce couple accru de desserrage ou de démontage est souhaitable car il existerait dans le cas contraire une certaine probabilité pour que le raccord se desserre par inadvertance.

Les résultats suivants d'essais permettent une comparaison entre divers paramètres des agents de protection selon l'invention et d'un enduit modifié API de type classique.

Agent ci protection Enduit
sou-s forme d'un film modifié
sec selon l'#vention @Pi
Multiplicateur de couple (avec adjacant liquide modificateur de couple 1 couplt)
Exemple de couple de des- 125 128 % serrage (pourcentage de serrage)
Coefficient de frottement 0,04 ! 12 fessai AMSLER force 1 kN) (film sec seul,
Temps de séchage - sec au in non applitoucher (20 C) cabre
Plage de températures d'-ap- + 5 à - 20 C à plication de la tuyauterie 40 C Oc.::
Température maximale de travail 3500C 1480C
Oxydation au-dessus de 4000C 177 C
Température de fusion 18000C faible
Densité 1,4 à 1,3 1,82
Densité du film 0,6 mg/cm3 8,8 mg/cm
Exemple d'épaisseur de revêtement 0,0127 mm 0,1016 mm
Dureté (échelle Moh) 1 à 15 non ap
plicable Charge de rupture "Falex" 11,1.103 N 3,3.10 n3 N
Résistance à l'essai TIMKEN 60 min moins de 420 bars 15 min
Sensibilité à une fuite de 30 s nuant 0,85 m3/cm par un manchon de 11,43 cm
Aspect gris mat gris
sombre
Application pulvérisation à la brosse
Composition solvant 90 % graisse 36 %
ingrédients actifs matières
10 % solide 64%
grap'nite,
plomb, zinc
cuivre
La valeur donnée précédemment pour le couple et le multiplicateur s'aplique au couple de serrage final.

Le procédé décrit précédemment ernpêche la falsification après installation des essais de détection de fuite effectués sur les trains de tiges avant leur installation, du fait de la réduction de la viscosité de la graisse d'hydrocarbures des enduits classiques d'étanchéité placés sur les raccords. Le film mince formé par l'agent de protection des filets en film sec n'empêche pas l'étanchéité assurée par les flancs des filets ou par les zones particulières d'étanchéité des extrémités des filets. Toute fuite au niveau des surfaces 42, 44, 76 d'étanchéité des filets représentés n'est pas cachée puisque le trajet hélicoïdal entre les surfaces hélicoïdales n'est bouché que par la matière aqueuse de faible viscosité ou un autre lubrifiant humide, et tout courant de fuite par le trajet hélicoïdal forme-simplement un passage dans le matériau. Les agents ont pour rôle d'éliminer le grippage des filets (ou au moins d'en réduire la probabilité) si bien que le démontage et le remontage sont possibles. La très faible dimension des particules, de l'ordre du micron,-élimine le risque de formation de trajet de fuite dans les zones d'étanchéité.

L'addition d'un agent de protection liquide modificateur, lorsqu'il est utilisé avec le lubrifiant en film sec, assure la reproduction des caractéristiques de serrage et de desserrage (couple) des agents lubrifiants et d'étanchéité classiques (enduit) actuellement utilisés.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. procédé de protection de filets coopérants (10, 12) et de surfaces associées d'étanchéité (42, 44) au moins sous l'action de couples de serrage, caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'un lubrifiant en film sec à l'un des filets (10), l'application d'un lubrifiant liquide à l'autre des filets (12), la mise en coopération des filets (10, 12) et leur serrage au couple nécessaire, le lubrifiant liquide n'ayant pratiquement aucune action dissolvante sur le lubrifiant en film sec, le procédé assurant à la fois la protection des filets coopérants (10, 12) et des surfaces d'étanchéité (42, 44) et la prévention de la formation d'un trajet de fuite entre les filets et les surfaces d'étanchéité.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant en film sec contient du bisulfure de molybdène.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant en film sec est du graphite colloï- dal.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant en film sec est un polytétrafluoréthylène.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le lubrifiant en film sec est appliqué au filet (10, 12) et à la surface d'étanchéité (42, 44) dans un véhicule de faible viscosité.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le véhicule est choisi dans le groupe qui comprend le trichloréthylène, le trichloréthane et les hydrocarbures fluorés et chlorés.

7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le véhicule de faible viscosité contient une résine cétonique.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la proportion du lubrifiant en film sec dans le véhicule est comprise entre 0,5 et 25 %.

9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le lubrifiant liquide est aqueux et contient une certaine quantité d'un agent mouillant et tensioactif.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'agent mouillant et tensioactif est une composition non ionique contenant des groupes oxyde d'éthylène et du méthanol.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les filets (10, 12) ont chacun une zone voisine d'étanchéité qui, lorsque le couple maximal a été appliqué, sont en contact étanche, ces zones étant revêtues respectivement du lubrifiant en film sec et du lubrifiant liquide.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le lubrifiant en film sec est appliqué au taraudage.