FR2788099A1 - Assemblage filete de deux tubes metalliques a couple eleve de vissage - Google Patents

Abstract

L'assemblage fileté de deux tubes métalliques selon l'invention comprend sur l'élément mâle un filetage mâle (3) conique à filets trapézoïdaux et sur l'élément femelle un filetage femelle (4) conjugué. La largeur (13, 14) des filets mâle et femelle (11, 12) en sommet de filet est inférieure à celle (11, 12) à la base des filets. La largeur des sommets de filets (13, 14) est supérieure à celle (16, 15) des fonds de filets conjugués. Les éléments mâle et femelle sont vissés jusqu'à une position située au-delà de la position où les deux flancs (13, 15) des filets mâles arrivent en contact avec les deux flancs (14, 13) des filets femelles. Un tel assemblage permet un vissage sous un couple très élevé. Les filets de l'un et/ ou l'autre des filetages peuvent optionnellement comporter une gorge débouchant en sommet de filet.

Description

ASSEMBLAGE FILETE DE DEUX TUBES METALLIQUES A COUPLE ELEVE DE

VISSAGE

L'invention concerne les assemblages filetés de deux tubes métalliques à filetage

conique et filets trapézoïdaux.

On connaît de tels assemblages, notamment utilisés pour constituer des colonnes de

5. tubes de cuvelage ou de production pour les puits d'hydrocarbures.

Dans la suite du présent document, le terme " assemblage fileté de deux tubes métalliques " couvre aussi bien l'assemblage entre deux tubes de grande longueur, que l'assemblage entre un premier tube de grande longueur et un second tube de

10. faible longueur tel que, par exemple, un manchon.

L'American Petroleum Institute (API) définit: - dans sa spécification API 5CT des tubes métalliques et des assemblages par filetage de tubes métalliques pour l'exploitation et le cuvelage de puits 15. d'hydrocarbures, -et dans sa spécification API 5B des formes standards de filetage pour de tels assemblages. Les filetages API sont dits coniques car disposés sur un tronc de cône et la forme

2 0 des filets peut être triangulaire, " ronde " ou trapézoïdale.

Les filets de ces assemblages à filets trapézoïdaux selon API comportent sur chacun des éléments mâle et femelle un fond de filet, un sommet de filet et deux flancs, à

savoir un flanc porteur et un flanc d'engagement.

25. Les fonds de filet et les sommets de filet sont le plus souvent parallèles au cône du filetage. Les flancs porteurs sont dénommés ainsi parce qu'en portant l'un sur l'autre lorsque 30. l'assemblage est soumis à des efforts de traction, par exemple du fait du poids des tubes, ils permettent à l'assemblage de supporter lesdits efforts de traction. Les

flancs porteurs sont situés sur les filets à l'opposé des flancs d'engagement.

Lors du vissage d'un assemblage selon API, compte tenu de la conicité des filetages, à un moment donné correspondant à une position relative donnée des éléments mâle et femelle, les fonds de filet d'un des éléments entrent en contact

avec les sommets de filets de l'autre élément.

5. Si l'on poursuit le vissage de l'élément mâle dans l'élément femelle au-delà de cette position, les filets mâles viennent interférer radialement avec les filets femelles, ce qui conduit à un gonflement de l'élément femelle et à une contraction du mâle; une telle interférence doit être limitée pour ne pas développer des contraintes ou des

10. déformations excessives.

L'interférence diamétrale entre les points conjugués de deux surfaces de révolution qui interfèrent radialement est définie de manière générale comme la différence de diamètre de section droite des surfaces en ces points, différence mesurée avant 15. assemblage et comptée positivement lorsque les deux surfaces une fois assemblées

exercent une pression de contact entre les points conjugués.

Pour limiter ces contraintes ou ces déformations, on peut disposer une surface d'appui annulaire d'orientation sensiblement transversale par rapport à l'axe de 20. l'assemblage sur chacun des éléments mâle et femelle, surfaces d'appui positionnées de façon telle qu'elles viennent en butée l'une sur l'autre à un moment donné du vissage et qu'elles définissent ainsi précisément une position de fin d'assemblage. 25. La position de fin d'assemblage est par exemple déterminée par le couple

nécessaire pour arriver à cette position.

L'utilisation de surfaces d'appui en butée pour positionner l'assemblage présente d'autres avantages: 30. - mise sous tension des flancs porteurs des filetages de l'assemblage qui sont alors prêts à supporter les contraintes de traction auxquelles l'assemblage est susceptible d'être soumis en service, - positionnement précis des éléments mâle et femelle permettant de garantir, lorsque chacun des éléments mâle et femelle de l'assemblage comporte une portée 35. d'étanchéité qui interfère radialement avec celle disposée sur l'élément conjugué, une pression élevée de contact métal-métal entre les portées sans risque de plastifier celles-ci,

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- risques réduits de dévissage accidentel du fait du couple de vissage à vaincre avant de pouvoir dévisser l'assemblage, ce couple étant bien défini et toujours

supérieur à une valeur minimale.

5. Le brevet EP 488.912 décrit un tel assemblage possédant des filetages coniques vissés l'un dans l'autre, une paire de portées d'étanchéité métal-métal interférant radialement et une paire de surfaces d'appui en butée, à savoir une surface conique concave en extrémité de l'élément mâle et une surface annulaire convexe formant

un épaulement intérieur sur l'élément femelle.

10. Un tel assemblage fileté peut être obtenu avec des couples nominaux de vissage élevés, jusqu'à 34 kN.m (25000 Ibf.ft) par exemple, ce qui est suffisant dans la

plupart des cas.

15. Il peut néanmoins être nécessaire de faire passer dans l'assemblage des couples

encore plus élevés, notamment dans le cas de puits déviés ou de puits horizontaux.

L'utilisation de techniques de mise en rotation de la colonne comportant des tiges de forage en extrémité (" drilling liner ") permet un meilleur cimentage de ces puits mais nécessite des assemblages de tubes vissés à des couples élevés tels que les

20. couples du tableau ci-dessous.

Diamètre de tube Couple (mm) ( ") (kN.m) (Ibf.ft)

101,6 139,7 4" 1 5"1/2 20-34 15000-25000

25. 168,3 X 177,8 6"5/8 * 7" 27-41 20000-30000

244,5 9"5/8 54-88 40000-65000

Les surfaces d'appui en butée ne peuvent supporter de tels niveaux de couple sans détérioration sauf si on augmente la largeur radiale des surfaces d'appui mais il faut 30. alors mettre en oeuvre des tubes de forte épaisseur qui peuvent être incompatibles

avec les exigences d'utilisation.

Il est donc nécessaire d'utiliser d'autres moyens que les surfaces d'appui en butée

pour absorber des couples de vissage ou de rotation élevés.

35. La demande de brevet WO 94/29627 décrit un assemblage fileté à filetage conique et filets trapézoïdaux en demi-queue d'aronde dont la largeur du filet varie d'une

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extrémité du filetage à l'autre et de manière opposée entre le filetage mâle et le

filetage femelle.

Les filets sont dits en demi-queue d'aronde parce qu'ils surplombent les fonds de 5. filet d'un seul coté de ceux-ci, soit du côté des flancs porteurs, soit du côté des flancs d'engagement; en outre, I'angle entre le flanc porteur et la normale à l'axe de l'assemblage et celui entre le flanc d'engagement et ladite normale sont tels que la

largeur des filets est plus grande à leur sommet qu'à leur base.

10. Lorsque l'on engage l'élément mâle dans l'élément femelle selon ce document WO 94/29627, les sommets de filets les plus étroits font face aux fonds de filets les plus

larges et il existe un important jeu axial entre les flancs conjugués des filetages.

Au fur et à mesure que l'on visse l'élément mâle dans l'élément femelle, le jeu axial 15. diminue jusqu'à une position o les deux flancs mâles arrivent en contact avec leurs

conjugués femelles.

Au-delà de cette position, les flancs femelles viennent fretter les flancs mâles et il s'ensuit une élévation très rapide de la courbe de couple de vissage en fonction de

20. la rotation.

Un tel assemblage selon le document WO 94/25627 permet certes de faire passer un couple important de vissage compte tenu de la surface développée des filetages

mais il présente plusieurs inconvénients notables.

25.

Tout d'abord, les filets à largeur variable sont coûteux à usiner et délicats à contrôler.

En outre, les angles aigus des demi-queues d'aronde, disposés soit du côté flanc porteur, soit du côté flanc d'engagement, constituent des angles vifs sensibles aux 30. coups et les bavures issues de tels coups détériorent le fonctionnement de l'assemblage. Ces angles vifs induisent également des effets d'entaille au pied des filets et par

conséquent une plus grande fragilité en service.

35. On a cherché dans la présente invention à réaliser un assemblage fileté susceptible de transmettre un couple T de rotation ou de vissage élevé qui soit exempt de ces

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inconvénients et notamment un assemblage fileté dont l'usinage des éléments soit économique. On a en outre cherché à obtenir un assemblage fileté dont on puisse maîtriser la 5. pente dT/dN de la courbe du couple de vissage en fonction du nombre de tours, c'est-à-dire un assemblage fileté pour lequel le couple désiré de vissage est obtenu

après une rotation notable, par exemple de l'ordre de un tour.

On a en plus cherché à obtenir un assemblage qui soit particulièrement étanche aux

10. fluides intérieur et/ou extérieur.

L'assemblage fileté entre deux tubes métalliques selon la présente invention comprend un élément mâle en extrémité d'un premier tube vissé dans un élément

femelle en extrémité d'un second tube.

15. L'élément mâle comporte extérieurement un filetage mâle conique à filets trapézoïdaux dont la largeur des sommets de filet est inférieure à celle de la base de filet. 20. L'élément femelle comporte intérieurement un filetage femelle conique à filets

trapézoïdaux qui est conjugué du filetage mâle.

Par filetage femelle conjugué du filetage mâle, on entend ici que la conicité et le pas du filetage femelle sont identiques à ceux du filetage mâle et que la forme des filets 25. femelles est sensiblement identique à celle des filets mâles, I'inclinaison des flancs de filets sur l'axe de l'assemblage étant notamment identique entre filets mâle et femelle, la largeur des sommets de filet femelle étant inférieure à celle de leur base

comme sur les filets mâles.

30. La largeur des sommets de filet sur chacun des filetages mâle et femelle est

supérieure à celle des fonds de filet du filetage conjugué.

L'élément mâle est vissé dans l'élément femelle jusqu'à une position relative de ces deux éléments située au-delà du point o les deux flancs des filets mâles arrivent en 35. contact avec les deux flancs des filets femelles, de manière à induire à partir de ce

point un frettage axial des filets mâles par les filets femelles et réciproquement.

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Compte tenu de la forme des filets trapézoïdaux utilisés dont la largeur en sommet est inférieure à celle à la base, les filets mâles et femelles pénètrent dans les creux conjugués par effet de coin au fur et à mesure de la progression axiale des filets au cours du vissage et induisent ainsi au-delà de la position de contact des deux flancs

5. conjugués un frettage axial des filets mâles par les filets femelles et réciproquement.

Ce frettage se traduit par la possibilité d'absorber dans des filets un niveau élevé de

couple T de vissage.

10. Les caractéristiques de tels filets font qu'ils peuvent être réalisés de manière

économique, qu'ils sont commodément contrôlés et peu fragiles à l'usage.

La demande de brevet EP 454.147 décrit aussi un assemblage fileté avec filetage conique et filets trapézoïdaux dont la largeur des sommets de filet femelle est plus 15. grande que celle des fonds de filet mâle et qui en fin d'assemblage présente les deux flancs du filetage d'un élément en contact avec ceux du filetage de l'élément

conjugué, au moins sur une partie du filetage.

Mais, selon ce document EP 454147, on ne cherche à réaliser qu'un simple contact, 20. même seulement partiel, entre flancs conjugués de manière à ce que, au cas o l'assemblage serait soumis à des contraintes de compression après avoir été soumis à des contraintes de traction, il n'y ait pas repositionnement des flancs d'engagement du fait d'un jeu axial préexistant au niveau de ces derniers, repositionnement susceptible d'induire une plastification du métal, notamment des 25. portées d'étanchéité, et de ce fait d'induire un risque ultérieur de fuite lorsque l'assemblage serait de nouveau soumis à des contraintes de traction. Pour obtenir ce simple contact des flancs des filets en fin d'assemblage, le document EP 454147 prévoit impérativement l'emploi de moyens de positionnement des éléments, à savoir une surface d'appui transversale sur chaque élément, chaque surface d'appui étant 30. apte à être mise en butée avec celle de l'élément conjugué. Les flancs d'engagement conjugués mâle et femelle sont disposés de façon à ménager entre eux un jeu axial minimal avant l'arrivée en contact des surfaces d'appui, jeu axial qui

se réduit à zéro ou quasiment zéro lorsque les surfaces d'appui sont mises en butée.

Ces surfaces transversales en butée permettent en outre classiquement d'absorber 35. le couple de vissage, le document EP 454147 ne divulguant aucunement un

assemblage fileté à couple de vissage élevé.

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Dans la présente invention, en fin de vissage, l'interférence diamétrale entre les sommets de filet de chacun des deux filetages mâle et femelle et les fonds de filet

du filetage conjugué est préférentiellement négative ou nulle.

5. Très préférentiellement lorsque les deux flancs du filetage mâle arrivent en contact avec leurs conjugués du filetage femelle au cours du vissage, il subsiste un jeu

radial entre sommets et fonds de filets conjugués au moins égal à 0,15 mm.

Préférentiellement pour obtenir un frettage axial efficace des filets par effet de coin, 10. I'angle 6 entre flanc porteur et flanc d'engagement des filets male ou femelle est

inférieur ou égal à 20 .

Il est très préférentiellement compris entre 7 et 20 et plus particulièrement voisin de 100. 15. De préférence encore, les sommets de filet de chacun des filetages mâle et femelle surplombent les fonds de filet du même filetage du côté des flancs porteurs, I'angle ci entre le flanc porteur et la normale à l'axe de l'assemblage étant compté de ce fait

négativement et ayant une valeur comprise entre 0 et -15 .

20. Avantageusement si l'on souhaite atténuer un effet de coin trop brutal entraînant une pente dT/dN trop élevée de la courbe du couple de vissage en fonction du nombre de tours, au moins un des filetages mâle et/ou femelle comporte une gorge

débouchant en sommet de filet sur tout ou partie de la longueur du ou des filetages.

25. Une telle gorge augmente la souplesse du filet et diminue quelque peu les forces de frettage, d'autant plus que la gorge possède une profondeur et une largeur importantes. Il s'ensuit une nette diminution de la pente dT/dN de la courbe du couple de vissage en fonction du nombre de tours au prix d'une légère diminution du 30. couple maximal de vissage. On peut ainsi optimiser l'ensemble des deux

caractéristiques couple maximal de vissage et pente dT/dN.

Préférentiellement, la gorge a une profondeur au plus égale à la hauteur de filet et la largeur de la gorge à son débouché en sommet de filet est au plus égale aux 2/3 de 35. la largeur de filet, la hauteur de filet étant la distance radiale mesurée perpendiculairement à l'axe de l'assemblage entre le cône enveloppe des sommets

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de filet et celui des fonds de filet et la largeur de filet étant mesurée parallèlement à

l'axe de l'assemblage à mi-hauteur de filet.

Préférentiellement encore, la gorge a, selon un plan longitudinal axial, un profil en U

5. à branches parallèles ou non ou en V avec un fond arrondi.

Très préférentiellement, le fond arrondi de la gorge présente un rayon au moins égal

à 0,2 mm pour éviter les concentrations de contraintes en fond de gorge.

10. Préférentiellement encore, chacun des éléments mâle et femelle comprend au moins une portée d'étanchéité, chaque portée d'étanchéité mâle ayant une orientation sensiblement longitudinale et interférant radialement avec une portée d'étanchéité conjuguée femelle en fin d'assemblage de manière à réaliser l'étanchéité de l'assemblage. 15. Préférentiellement toujours, chacun des éléments mâle et femelle comprend au moins une surface d'appui d'orientation sensiblement transversale, au moins une surface d'appui mâle venant en butée contre une surface d'appui femelle en fin d'assemblage pour positionner précisément les portées d'étanchéité et définir ainsi

20. leur interférence.

De telles surfaces d'appui n'ont par contre pas pour fonction de définir la position de

fin d'assemblage à l'arrivée en contact des flancs d'engagement des filets.

25. Les figures suivantes illustrent des modes particuliers et non limitatifs de réalisation

de l'invention.

La figure 1 représente en demi-coupe axiale une extrémité de tube ou de manchon

comportant un élément femelle d'un assemblage fileté selon l'invention.

30. La figure 2 représente en demi-coupe axiale une extrémité d'un autre tube

comportant un élément mâle d'un assemblage fileté selon l'invention.

La figure 3 représente en demi-coupe axiale l'assemblage fileté obtenu après

35. vissage des éléments des figures 1 et 2.

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La figure 4 représente schématiquement en demi-coupe axiale un détail de quelques

filets femelles de l'élément femelle de la figure 1.

La figure 5 représente schématiquement en demi-coupe axiale un détail de quelques

5. filets mâles de l'élément mâle de la figure 2.

La figure 6 représente schématiquement en demi-coupe axiale un détail de quelques

filets assemblés de l'assemblage de la figure 3.

10. La figure 7 représente une courbe du couple T de vissage en fonction du nombre de

tours N de vissage sur deux variantes de l'assemblage de la figure 6.

La figure 8 représente une variante de la figure 4 avec une gorge dans les filets femelles. 15. La figure 9 représente une variante de la figure 5 avec une gorge dans les filets mâles. La figure 3 représente un assemblage fileté 100 entre un élément mâle 1 en 20. extrémité d'un premier tube métallique 101 et un élément femelle 2 en extrémité d'un second tube métallique 102 qui peut être un tube de grande longueur ou un manchon. De tels assemblages filetés permettent par exemple de constituer des

colonnes de tubes de cuvelage ou de production pour les puits d'hydrocarbures.

25. L'élément mâle 1 représenté à la figure 2 comporte sur sa surface extérieure un filetage mâle conique 3 à filets trapézoïdaux et son extrémité qui est aussi l'extrémité

du premier tube présente une surface d'extrémité mâle 7 annulaire et transversale.

L'élément femelle 2 représenté à la figure 1 comporte sur sa surface intérieure un

30. filetage femelle conique 4 conjugué du filetage mâle 3.

L'assemblage des tubes 101 102 est obtenu en vissant le filetage mâle 3 de

l'élément mâle 1 dans le filetage femelle 4 de l'élément femelle 2.

35. L'assemblage de la figure 3 comporte optionnellement sur chacun des éléments des moyens additionnels lorsque l'on désire que l'assemblage soit particulièrement étanche, à savoir:

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a) sur l'élément mâle, une portée d'étanchéité mâle 5 extérieure et conique dont la conicité est en général supérieure à celle du filetage mâle 3; la conicité de la portée d'étanchéité mâle 5 rapportée au diamètre est par exemple de 20%; b) sur l'élément femelle: 5. - une portée d'étanchéité femelle 6 intérieure et conique dont la conicité est sensiblement identique à celle de la portée d'étanchéité mâle 5,

- un épaulement intérieur avec une surface d'appui 8 annulaire et transversale.

La surface d'extrémité mâle 7 peut être de manière connue en soi conique concave 10. de demi-angle au sommet très ouvert, par exemple 75 , la surface d'appui femelle 8

étant dans ce cas convexe de même demi-angle au sommet.

Les moyens additionnels 5, 6, 8 qui sont optionnels vis-à-vis de l'invention,

fonctionnent de la manière suivante sur l'assemblage 100.

15. La portée d'étanchéité mâle 5 interfère radialement avec la portée d'étanchéité femelle 6, c'est-à-dire que son diamètre en un point de référence est avant assemblage supérieur au diamètre du point conjugué de la portée d'étanchéité

femelle 6, diamètre également mesuré avant assemblage.

20. Au cours du vissage, une fois le contact entre portées d'étanchéité obtenu, la poursuite du vissage induit une interférence diamétrale croissante des portées d'étanchéité. 25. La position précise de fin d'assemblage est déterminée par la mise en butée de la surface d'extrémité mâle 7 contre la surface d'appui 8 de l'épaulement intérieur femelle, ce qui définit une valeur précise d'interférence entre les portées d'étanchéité ,6. 30. La position de fin d'assemblage peut notamment être repérée par une valeur donnée

du couple de vissage.

La forme conique concave-convexe des surfaces d'appui 7, 8 empêche le déboîtement des surfaces d'appui et augmente la pression de contact des portées

35. d'étanchéité.

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Les figures 4, 5 et 6 précisent les caractéristiques de filetages mâle et femelle d'un

assemblage selon l'invention.

Le filetage mâle 3 (fig. 5) est un filetage conique de pas P dont la ligne directrice 21 5. de la surface primitive (ou en abrégé ligne primitive) est inclinée d'un angle y sur l'axe de l'assemblage tel que y = arc tg (TT/200), TT étant la conicité du filetage

rapportée au diamètre et exprimée en %.

Les filets mâles 11 sont des filets trapézdoïdaux présentant un sommet de filet 17,

10. deux flancs 13 et 15 et sont séparés par un fond de filet 19.

Les sommets de filet 17 et le fond de filet 19 sont parallèles à la ligne primitive mâle 21. 15. Les flancs comprennent un flanc porteur 13 et un flanc d'engagement 15, ce dernier

étant tourné vers la surface d'extrémité mâle 7.

Les flancs porteurs 13 et d'engagement 15 sont respectivement inclinés d'un angle oa et p par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage et présentent entre eux un

20. angle 8.

Les sommets de filet 17 surplombent les fonds du filet 19 du côté des flancs porteurs 13 dans la représentation de la figure 5 de manière à éviter un déboîtement des filets lors de l'assemblage. Par convention, I'angle a est alors compté négativement,

25. l'angle P du côté non surplombant étant compté positivement.

L'angle 8 est égal à la somme algébrique de (c+p3) et son sommet est dirigé vers l'extérieur du filetage mâle de sorte que les filets mâles 11 possèdent une largeur Il

à leur base supérieure à celle 13 à leur sommet.

30. Le filetage femelle 4 (fig. 4) présente des caractéristiques conjuguées de celles du

filetage mâle 3.

La ligne primitive femelle 22 du filetage femelle est inclinée d'un angle y sur l'axe de

35. I'assemblage.

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Les sommets 20 et fonds 18 de filet femelle sont parallèles à la primitive femelle 22.

Les flancs porteurs 14 et d'engagement 16 de filet femelle sont inclinés respectivement d'un angle cL et p par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage et

5. font entre eux un angle 6.

La largeur 13 du sommet de filet mâle 17 est légèrement supérieure à la largeur 16 du

fond du filet femelle 18, par exemple de 0,2 mm.

10. La largeur 14 du sommet de filet femelle 20 est légèrement supérieure à la largeur 15

du fond du filet mâle 19, par exemple de 0,2 mm.

Lorsque l'on visse le filetage mâle 3 dans le filetage femelle 4, à un moment donné illustré par la figure 6, les deux flancs 13, 15 des filets mâles 11 viennent en contact

15. avec les deux flancs 14, 16 des filets femelles 12.

Ceci résulte du fait que la largeur des sommets du filet mâle et femelle 13, 14 est supérieure à la largeur des fonds conjugués 16, 15 et de la forme trapézoïdale des

filets avec Il> 13 et 12 > 14.

20. Si l'on poursuit le vissage, les filets mâles 11 pénètrent radialement en coin dans les creux femelles et de même les filets femelles 12 s'enfoncent radialement en coin

dans les creux mâles.

25. Il y a de ce fait frettage axial des flancs des filets mâles et femelles et il est nécessaire d'augmenter fortement le couple pour poursuivre le vissage. Il s'ensuit une très forte pente dT/dN de la courbe du couple en fonction du nombre de tours N

du vissage, compte tenu de la surface de flancs frettants.

30. La pente dT/dN est une fonction du module d'élasticité du métal des éléments, de la conicité TT du filetage, de la longueur du filetage, du diamètre moyen de celui-ci, de la hauteur de filet, de l'angle 8 entre flancs d'un même filet et du coefficient de

frottement entre filets mâle et femelle. Il est donc possible de prévoir la pente dT/dN.

35. Pour que les filets mâle et femelle puissent pénétrer radialement dans les creux conjugués, il est avantageux que l'angle 8 du coin formé par les flancs des filets 11,

12 ne soit pas trop grand et reste, par exemple, inférieur à 20 .

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Un angle 6 trop faible n'est pas non plus souhaitable car le phénomène de coin serait plus difficile à mettre en oeuvre: on préférera choisir l'angle 6 dans l'intervalle

[7 , 20 ], un angle 6 de 10 étant de fait préféré.

Le choix de filets à flanc porteur 13, 14 d'angle a négatif, par exemple d'angle a = -

3 permet en outre de choisir un angle 3 de +13 suffisamment incliné pour

permettre un engagement facile des filets.

La valeur maximale du couple de vissage T admissible est déterminée par la limite 10. d'élasticité du métal des éléments. Il est donc également possible de prévoir la

valeur maximale du couple de vissage T admissible.

Pour obtenir un effet de coin optimal sans contraintes excessives dans les éléments mâle et femelle et permettre l'écoulement de la graisse qui est disposée sur les filets 15. avant assemblage, il convient d'éviter toute interférence radiale entre les sommets de filet (17, 20, 37, 40) de chacun des deux filetages mâle et femelle (3, 4) et les fonds de filet (18, 19, 38, 39) du filetage conjugué (4, 3); On concevra donc les filets et notamment leur largeur pour que l'interférence diamétrale entre les sommets de filet de chacun des deux filetages mâle et femelle et les fonds de filet du filetage

20. conjugué soit négative ou nulle en fin de vissage.

On peut notamment concevoir les filets pour qu'au moment du premier contact sur les deux flancs (fig. 6), la valeur xl du jeu radial entre sommet de filet mâle 17 et creux de filet femelle 18 et celle x2 du jeu radial entre sommet de filet femelle 20 et

25. creux de filet mâle 19 soient au moins égales à 0,15 mm.

La figure 7 montre une courbe de couple de vissage T en fonction de nombre de tours N pour la géométrie suivante: - diamètre de tubes: 177, 80 mm 30. - épaisseur de tubes: 10,36 mm (29 Ib/ft) - matériau de tubes: acier peu allié de limite d'élasticité > 551 MPa - filetages à 5 filets par pouce conicité filetages TT = 6,25% sur le diamètre ( Y = 1, 79 ) - angle a de flanc porteur = -3 35. - angle P de flanc d'engagement: +9 et +13

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-angle 8 entre flancs: 6 et 10 .

Sur ce graphique, I'abscisse N = 0 correspond au premier contact sur les deux flancs

13-14 et 15-16 des filets conjugués. 5. Pour les filets avec f3 = +9 (8 = 6 ), on a obtenu un couple de plus

de 35 kN.m (26

000 Ibf.ft) en 0,8 tour, ce qui correspond à une pente de 44,5 kN.m/tour.

Pour les filets avec p3 = +13 (8 = 10 ), on a obtenu un couple de 45,9 kN.m (33 850 10.

Ibf.ft) en 0,47 tour, ce qui correspond à une pente de 97,5 kN.m/tour.

Un tel filetage à flancs de filets frettants permet de visser les éléments mâle et femelle avec un couple très élevé sans qu'il y ait besoin d'une butée mais un tel couple est alors obtenu après une rotation d'une fraction de tour des éléments mâle 15. et femelle, qui peut s'avérer insuffisante notamment si l'on souhaite disposer des portées d'étanchéité sur les éléments mâle et femelle telles que, par exemple, celles , 6 de la figure 3. Le développement d'une pression de contact donnée entre de telles portées 20. d'étanchéité nécessite en effet une rotation d'un élément par rapport à l'autre de l'ordre d'un tour après la mise en contact des portées d'étanchéité et un positionnement précis des éléments mâle et femelle en fin d'assemblage, positionnement obtenu à l'aide d'une butée constituée de deux surfaces

transversales en appui telles que 7, 8 sur la figure 3.

25. Il est de ce fait difficile de garantir une étanchéité satisfaisante en service sur un assemblage fileté avec des filets à flancs frettants du type des figures 4, 5, 6, des portées d'étanchéité et des surfaces transversales d'appui en butée du type de la figure 3, compte tenu des tolérances nécessaires de fabrication des éléments mâle

30. et femelle.

La diminution de l'angle ô entre flancs de filets permettrait certes de réduire la pente de la courbe de couple de vissage en fonction du nombre de tours mais, à moins d'utiliser un angle a très négatif, inférieur à 15 , ce qui n'est pas désirable, il faudrait 35. diminuer fortement l'angle p3 sur les flancs d'engagement, ce qui n'est pas non plus souhaité.

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Les formes de filets illustrées aux figures 8 et 9 permettent de résoudre les problèmes de compatibilité entre des valeurs élevées du couple T de vissage et une valeur pas trop élevée, de l'ordre de 20 kN. m/tour par exemple, de la pente dT/dN de

la courbe du couple en fonction du nombre de tours.

5. Les filets des figures 8 et 9 sont particulièrement avantageux dans le cas d'un

assemblage avec portées d'étanchéité et butée du genre de la figure 3.

Les filets mâles 31 de la figure 9 présentent comme sur la figure 5 un flanc porteur 10. 33 incliné d'un angle a négatif par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage, un flanc d'engagement 35 incliné d'un angle f3 positif par rapport à cette même normale,

un sommet de filet 39 et sont séparés par un fond de filet 37.

Les filets femelles 32 de la figure 8 présentent des caractéristiques correspondant à 15. celles des filets mâles 31 de la figure 9 avec un flanc porteur 34, un flanc

d'engagement 36, un sommet de filet 38 et un fond de filet 40.

La largeur des sommets de filet mâle et femelle 39, 38 est supérieure à celle des fonds de filet conjugués 40, 37 de sorte qu'à un moment donné du vissage, les 20. flancs mâles 33, 35 sont tous deux en contact avec leurs conjugués femelles 34, 36 alors qu'il subsiste un jeu radial entre sommets de filet 39, 38 et fonds de filet

conjugué 40, 37.

Le filet mâle 31 présente une gorge 61 débouchant en sommet de filet mâle 39, 25. gorge dont le profil est en V à fond arrondi et dont l'axe du V est sensiblement

normal à l'axe de l'assemblage.

La profondeur de la gorge 61, mesurée radialement est égale à 65% de la hauteur

du filet mâle 31 et son fond est un arc de cercle de rayon 0,4 mm.

30. L'angle entre les deux branches du V de la gorge 61 est de 350 et induit sur le filet mâle 31 de la figure 9 une largeur de gorge à son débouché en sommet de filet

égale à 34% de la largeur de filet mâle prise à mi-hauteur.

35. Le filet femelle 32 présente une gorge 62 débouchant en sommet de filet femelle 38, de même géométrie que la gorge 61 dans le filet mâle 31 et disposée dans le filet

femelle de la même façon que la gorge 61.

De telles gorges 61, 62 transforment chacun des filets 31, 32 soumis à des contraintes de compression sur les deux flancs 33, 34, 35, 36 en deux poutres

encastrées 63+65, 64+66, soumises à des contraintes de flexion.

5. La souplesse qui en résulte induit une diminution des forces de frettage lorsque l'on visse l'assemblage au-delà du point de contact simultané des flancs et par conséquent une diminution de la pente dT/dN de la courbe du couple de vissage en

fonction de la rotation.

10. La profondeur de gorge et sa largeur à son débouché en sommet de filet sont des paramètres sur lesquels on peut jouer pour obtenir une pente dT/dN de la courbe de couple de vissage en fonction de la rotation qui ne soit pas trop élevée, qui reste par

exemple de l'ordre de 20 kN.m/tour.

15. La profondeur de gorge doit être inférieure ou égale à la hauteur de filet car

autrement, on affaiblirait la structure de l'assemblage de manière inacceptable.

* La largeur de gorge à son débouché en sommet de filet doit être inférieure ou égale aux 2/3 de la largeur du filet mesuré à mi-hauteur de celui-ci pour conserver une

20. rigidité suffisante au niveau des poutres 63, 65, 64, 66.

Le rayon de 0,4 mm pour le fond de gorge permet de limiter les concentrations de

contrainte en fond de gorge.

25. Une telle structure de filets sur des tubes en acier permet de réaliser le vissage avec une pente dT/dN de l'ordre de 15 à 20 kN.m/tour et de terminer le vissage sous un

couple T qui n'est que légèrement inférieur à celui obtenu avec des filets sans gorge.

L'assemblage selon la présente invention peut être réalisé selon de nombreuses 30. variantes, les quelques exemples de réalisation présentés n'étant nullement limitatifs. Notamment, la présente invention peut s'appliquer aussi bien à: - un assemblage fileté dit intégral, un élément mâle étant disposé en extrémité d'un 35. premier tube métallique de grande longueur et un élément femelle étant disposé en extrémité d'un second tube métallique également de grande longueur;

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- un assemblage fileté dit manchonné, dans lequel deux tubes métalliques de grande longueur comportant un élément male en extrémité sont assemblés par l'intermédiaire d'un manchon métallique lequel est muni à chacune de ses extrémités d'un élément femelle, un tel assemblage fileté manchonné mettant en

5. oeuvre deux assemblages filetés selon l'invention.

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1 ) Assemblage fileté (100) de deux tubes métalliques comprenant un élément mâle (1) en extrémité d'un premier tube métallique vissé dans un élément femelle (2) en extrémité d'un second tube métallique, l'élément mâle (1) comportant extérieurement un filetage mâle (3) conique, à filets trapézoïdaux (11, 31) comprenant deux flancs, à 5. savoir un flanc porteur (13, 33) et un flanc d'engagement (15, 35), la largeur (13) en sommet de filet mâle (17, 37) étant inférieure à celle (l]) à la base du filet mâle, l'élément femelle (2) comportant intérieurement un filetage femelle (4) conique à filets trapézoïdaux (12, 32) conjugué du filetage mâle (3), la largeur des sommets de filet (13, 14) sur chacun des filetages mâle et femelle étant supérieure à celle (16, 15) 10. des fonds de filet du filetage conjugué, caractérisé en ce que l'élément mâle (1) est vissé dans l'élément femelle (2) jusqu'à une position relative de ces deux éléments située au-delà du point o les deux flancs (13, 15, 33, 35) des filets mâles (11, 31) arrivent en contact avec les deux flancs (14, 16, 34, 36) des filets femelles (12, 32) de manière à induire un frettage axial des filets mâles par les filets femelles et

15. réciproquement.

2 ) Assemblage fileté selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interférence diamétrale entre les sommets de filet (17, 20, 37, 40) de chacun des deux filetages mâle et femelle (3, 4) et les fonds de filet (18, 19, 38, 39) du filetage conjugué (4, 3)

20. est négative ou nulle en fin de vissage.

3 ) Assemblage fileté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il subsiste un jeu radial (xl, x2) au moins égal à 0,15 mm entre sommets et fonds de filets conjugués lorsque les deux flancs (13, 15, 33, 35) des filets mâles arrivent en

25. contact avec leurs conjugués femelles (14, 16, 34, 36) au cours du vissage.

4 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé

en ce que l'angle ô entre flanc porteur (13, 14, 33, 34) et flanc d'engagement (15,

16, 35, 36) des filets mâle ou femelle est inférieur ou égal à 20 .

30. ) Assemblage fileté selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle 6 est

compris entre 7 et 20 .

6 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé

35. en ce que, pour chacun des filetages mâle et femelle (3, 4), les sommets de filet (17,

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, 37, 40) surplombent les fonds de filet (19, 18, 39, 38) du côté des flancs porteurs (13, 14, 33, 34), I'angle (oc) entre lesdits flancs porteurs et la normale à l'axe de

l'assemblage étant compris entre 0 et -15 .

5. 7 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé

en ce qu'au moins un des filetages mâle et/ou femelle (3, 4) comporte une gorge (61, 62) débouchant en sommet de filet (37, 40) sur tout ou partie de la longueur du

ou des filetages.

10. 8 ) Assemblage fileté selon la revendication 7, caractérisé en ce que la gorge (61,

62) a une profondeur au plus égale à la hauteur de filet.

9 ) Assemblage fileté selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la gorge (61, 62) possède une largeur à son débouché en sommet de filet (37, 40) au plus

15. égale aux 2/3 de la largeur de filet mesurée à mi-hauteur de filet.

) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé

en ce que la gorge (61, 62) possède un profil en U ou en V à fond arrondi.

20. 11 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que chacun des éléments mâle et femelle (1, 2) comprend au moins une portée d'étanchéité (5, 6), chaque portée d'étanchéité mâle (5) ayant une orientation sensiblement longitudinale et interférant radialement avec une portée

d'étanchéité conjuguée femelle (6) en fin d'assemblage.

25.

12 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications I à 11,

caractérisé en ce que chacun des éléments mâle et femelle (1, 2) comprend au moins une surface d'appui (7, 8) d'orientation sensiblement transversale, au moins une surface d'appui mâle (7) étant en butée avec une surface d'appui femelle (8) en

30. fin d'assemblage.

13 ) Assemblage fileté selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce qu'il comprend un élément mâle disposé en extrémité d'un premier tube métallique de grande longueur et un élément femelle disposé en extrémité d'un

35. second tube métallique également de grande longueur.

14 ) Utilisation de deux assemblages filetés selon l'une quelconque des

revendications 1 à 12 pour assembler deux tubes métalliques de grande longueur

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qui comportent un élément mâle en extrémité par l'intermédiaire d'un manchon

métallique lequel est muni à chacune de ses extrémités d'un élément femelle.