FR2961576A1

FR2961576A1 - Joint filete et procede de realisation

Info

Publication number: FR2961576A1
Application number: FR1002563A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Coeffe; Celine Sches
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-23
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: BR112012032263A2; CA2801106A1; FR2961576B1; CN102947635B; BR112012032263B1; US9857004B2; AR081945A1; PL2583011T3; MX2012014937A; EP2583011A1; RU2013101998A; WO2011157359A1; US20130093185A1; EP2583011B1; JP2013528760A; CN102947635A; RU2561253C2; JP5800896B2; CA2801106C

Abstract

Composant femelle (1) pour colonne tubulaire d'exploitation d'hydrocarbures soumise à des efforts dynamiques de flexion, comprenant un filetage femelle conique (3) prévu pour coopérer avec un filetage mâle pour former une liaison mutuelle rigide d'éléments tubulaires, une extrémité libre, une surface femelle d'étanchéité (15) disposée entre l'extrémité libre et le filetage femelle, la surface femelle d'étanchéité (15) étant prévue pour être en contact à l'état vissé avec une surface mâle d'étanchéité pour former une étanchéité métal-métal, et une rainure annulaire (31) ménagée entre l'extrémité libre et la surface d'étanchéité femelle (15), laissant une distance axiale supérieure à zéro entre l'extrémité libre et une région de raccordement de la surface d'étanchéité femelle vers l'extérieur, et une distance radiale supérieure à zéro entre la surface d'étanchéité femelle et un chanfrein de l'extrémité libre, la rainure (31) comprenant un bord formé par le chanfrein et un bord formé par une portion de la région de raccordement, de façon à protéger la surface d'étanchéité femelle avant vissage.

Description

VMOG91.FRD 1 JOINT FILETE ET PROCEDE DE REALISATION [1] Composant femelle pour colonne tubulaire d'exploitation d'hydrocarbures, joints filetés et procédé de fabrication. [2] L'invention concerne un composant femelle de joints filetés tubulaires pour colonne 5 d'exploitation pétrolière soumise à des efforts dynamiques de flexion. Le composant femelle est complémentaire d'un composant mâle avec coopération avec vissage. [3] Ce type de joint fileté est notamment destiné à la réalisation de colonnes de tubes pour puits d'hydrocarbures ou puits similaires entre une plateforme et un puits formé dans un fond marin. 10 [004] Outre les efforts axiaux de traction relativement constants, les colonnes de tubes reliant une plateforme en mer au fond de la mer, notamment, sont soumises, sous l'action des vagues, du vent, des marées et des courants marins, à des efforts variables de flexion. Ces efforts sont transmis d'un tube à l'autre de la colonne par les joints filetés. [5] L'étanchéité du joint fileté est en général assurée par des surfaces d'étanchéité 15 situées en dehors de la zone des filetages et formant une étanchéité métal-métal. [6] Le document W085/02651 propose d'épaissir radialement vers l'intérieur une extrémité de l'élément femelle pour en protéger la surface d'étanchéité. L'épaississement qui revient à interrompre la conicité au profit d'une surface cylindrique au niveau de la surface périphérique intérieure de l'élément femelle, présente toutefois des risques sévères 20 d'endommagement de la surface d'étanchéité mâle lors du vissage. De plus, l'épaississement va dans le sens d'une rigidification trop importante de l'extrémité de l'élément femelle. [7] A la suite d'essais, la demanderesse s'est rendu compte que de tels composants étaient également sujets à des détériorations de la surface d'étanchéité femelle lors de leur 25 manipulation par les opérateurs et en particulier lors de leur mise en place préalable au vissage. [8] La demanderesse s'est notamment rendu compte qu'un composant conçu pour résister aux sollicitations de flexion dynamique devait conserver de telles propriétés jusqu'à la mise en oeuvre des composants. En d'autres termes, le composant doit être protégé lors de son transport, lors de sa manipulation en vue du vissage et lors de la prise en contact entre un composant mâle et un composant femelle. Un capuchon jetable peut être utilisé mais son coût d'achat, de mise en place en fin de fabrication, de retrait puis de recyclage n'est pas satisfaisant. On recherche à diminuer la quantité de matière à recycler et à simplifier les opérations devant être effectuées manuellement. Pour cela, la demanderesse a conçu un pare choc axialement disposé entre une surface femelle d'étanchéité et l'extrémité libre du composant femelle. On entend par extrémité libre, une surface terminale d'un composant femelle dont il est prévu qu'elle reste à distance axiale d'un composant mâle correspondant.

Le pare choc peut alors encaisser diverses agressions mécaniques pouvant même le déformer légèrement tout en conservant les propriétés d'étanchéité de la connexion. [9] L'invention a pour but d'améliorer la situation par une protection améliorée de la surface d'étanchéité femelle. [10] Le composant femelle pour colonnes tubulaires d'exploitation d'hydrocarbures soumise à des efforts dynamiques de flexion, comprend un filetage femelle conique prévu pour coopérer avec un filetage mâle pour former une liaison mutuelle rigide d'éléments tubulaires, une extrémité libre et une surface femelle d'étanchéité disposée entre l'extrémité libre et le filetage femelle. La surface femelle d'étanchéité est prévue pour être en contact à l'état vissé avec une surface mâle d'étanchéité pour former l'étanchéité métal-métal. Le composant comprend une rainure annulaire ménagée entre l'extrémité libre et la surface femelle d'étanchéité. La rainure annulaire laisse une distance axiale entre l'extrémité libre et une région de raccordement de la surface d'étanchéité femelle vers l'extérieur, et une distance radiale entre la surface d'étanchéité femelle et un chanfrein de l'extrémité libre, de façon à protéger la surface d'étanchéité femelle avant vissage. 2 5 [011] En d'autres termes, par rapport à l'extrémité libre, la surface d'étanchéité femelle est située nettement en arrière, d'au moins ladite distance axiale. La surface d'étanchéité femelle en retrait se trouve donc moins exposée aux chocs, l'extrémité libre pouvant jouer le rôle de pare-chocs. Ladite extrémité libre étant prévue pour rester libre, y compris à l'état vissé, peut subir des chocs variés tout en conservant les propriétés d'étanchéité de la surface 3 0 femelle d'étanchéité. L'extrémité libre étant pourvue d'un chanfrein du côté de la rainure.

Ainsi, la surface d'étanchéité du composant mâle reste à distance de surfaces autres que la surface d'étanchéité du composant femelle. [12] En outre, la matière du composant femelle se trouvant entre l'extrémité libre et un plan radial passant par la région de raccordement peut également participer à la rigidité radiale de la surface d'étanchéité femelle. Plus particulièrement, la demanderesse s'est rendue compte d'une propriété remarquable du composant femelle selon l'invention : l'existence d'une corrélation entre ladite distance axiale et la position le long de l'axe du composant femelle de la zone de contact d'une surface d'étanchéité mâle avec la surface d'étanchéité femelle présentant la pression de contact maximale. Ainsi, toutes caractéristiques étant égales par ailleurs, on peut régler la position axiale de la zone de pression de contact maximale en jouant sur ladite distance axiale. On peut ainsi éviter de modifier les caractéristiques géométriques des surfaces d'étanchéité mâle et femelle, les caractéristiques des filetages et plus généralement les caractéristiques géométriques des éléments situés du côté du plan radial passant par la région de raccordement opposée à l'extrémité libre du composant femelle. [13] Dans un mode de réalisation, le composant comprend une butée. La butée peut être interne. La butée peut être disposée à l'opposé de l'extrémité libre par rapport au filetage femelle. [14] Dans un autre mode de réalisation, la fonction de butée est assurée par des filetages auto-bloquants (le pas des flancs d'engagement est constant et inférieur au pas des flancs porteurs également constant). Lors de la phase de vissage final, les flancs des composants mâle et femelle viennent en contact serrant les uns contre les autres de manière à totaliser sur toute la longueur du filetage une pression de contact équivalente à celle qui est supportée par la butée interne. [015] Dans un mode de réalisation, le chanfrein est tronconique. [16] Dans un mode de réalisation, l'extrémité libre comprend une surface de forme générale radiale. [17] Dans un mode de réalisation, une portion de la région de raccordement est de forme générale en arc de cercle en coupe axiale. La surface femelle d'étanchéité peut être de forme générale en arc de cercle en coupe axiale. Le rayon de la surface femelle d'étanchéité peut être supérieur à 150 mm, de préférence supérieur à 180 mm. Le rayon de surface femelle d'étanchéité peut être supérieur à au moins cinq fois le rayon de la portion de la région de raccordement, de préférence au moins dix fois. [018] Dans un autre mode de réalisation, une portion de la région de raccordement est de forme générale en arc de cercle en coupe axiale et la surface femelle d'étanchéité est tronconique. [19] Dans un mode de réalisation, la surface femelle d'étanchéité se raccorde au filetage femelle par une surface de forme générale cylindrique. Le filetage femelle peut présenter 10 une enveloppe tangente avec ladite surface de forme générale cylindrique. [20] Dans un mode de réalisation, la surface femelle d'étanchéité présente une pente moyenne inférieure à la pente dudit chanfrein, préférablement d'au moins 10 %. [21] Dans un mode de réalisation, la surface femelle d'étanchéité présente une pente moyenne supérieure à 35 %, préférablement 45 %, par exemple environ 50 %. 15 [022] Dans un mode de réalisation, l'élément tubulaire femelle comprend un chanfrein entre l'extrémité libre et une surface extérieure de l'élément tubulaire femelle. [23] Dans un mode de réalisation, l'élément tubulaire femelle comprend une zone de faible épaisseur au droit de filetage femelle et une zone de forte épaisseur au droit de la surface femelle d'étanchéité. La zone de faible épaisseur peut s'étendre sur une partie de la 20 longueur de filetage femelle. La zone de faible épaisseur peut être obtenue en ménageant une concavité en coupe axiale à partir de la surface extérieure de l'élément tubulaire femelle. [24] Dans un mode de réalisation, la distance axiale entre l'extrémité libre et une région de raccordement de la surface femelle d'étanchéité vers l'extérieur est supérieure à 1 mm. La 25 distance radiale entre la surface d'étanchéité femelle et un chanfrein d'extrémité libre peut être supérieure à 1,5 mm. [25] Dans un mode de réalisation, le filetage femelle comprend des fonds, des crêtes, des flancs porteurs et des flancs d'engagement se raccordant par des congés à deux rayons de courbure, un grand rayon de courbure au voisinage des fonds et des crêtes et un petit rayon de courbure au voisinage des flancs porteurs et des flancs d'engagement. [26] Dans un mode de réalisation, le filetage femelle comprend des flancs porteurs sensiblement radiaux et des flancs d'engagement comprenant une partie de petit diamètre de forme tronconique et une partie de grand diamètre de forme concave arrondis en coupe axiale avec raccordement entre la partie de grand diamètre et la partie de petit diamètre par un rayon de raccordement convexe. [27] Dans un mode de réalisation, le filetage femelle et le filetage mâle sont auto-bloquants dans le sens radial. [028] Dans un mode de réalisation, le composant tubulaire femelle fait partie d'un tube à deux composants femelles. Ce type de tube est généralement de faible longueur, par exemple inférieure à un mètre et dénommé manchon. Un tel manchon peut servir à raccorder deux tubes pourvus d'extrémités mâles correspondantes. [29] L'invention vise également un joint fileté comprenant un composant femelle tel que ci-dessus et un composant tubulaire mâle comprenant un filetage mâle conique, une surface mâle d'étanchéité et une surface cylindrique extérieure dont le diamètre est maximal pour le composant tubulaire mâle. La surface mâle d'étanchéité peut être disposée entre le filetage mâle et la surface cylindrique extérieure. Une rampe peut être ménagée au voisinage de la surface cylindrique extérieure. Une surface cylindrique de contrôle peut être ménagée entre la rampe et la surface tronconique d'étanchéité. [30] Dans un mode de réalisation, un joint fileté tel que ci-dessus comprend lors de sa fabrication une étape dans laquelle on contrôle l'usinage de la surface mâle d'étanchéité par vérification du fait que la surface cylindrique de contrôle a été usinée. La surface cylindrique de contrôle présentant un diamètre au moins égal à celui de la surface mâle d'étanchéité, l'usinage de la surface de contrôle, et surtout son pourtour, montre que l'outil d'usinage a usiné les diamètres inférieurs aux diamètres de la surface cylindrique de contrôle. [31] L'invention vise également un procédé de fabrication d'un composant femelle tel que ci-dessus dans lequel on choisit un lieu de pression maximale subi par la surface d'étanchéité femelle en contact avec une surface d'étanchéité mâle en fonction de la distance axiale entre l'extrémité libre et la région de raccordement de la surface d'étanchéité femelle vers l'extérieur. [32] Grâce à l'invention, la surface d'étanchéité femelle du composant femelle d'un joint fileté se trouve particulièrement bien protégée contre les agressions ou chocs externes avant son vissage. Cette protection faisant intégralement partie du composant femelle peut éviter l'utilisation de protection amovible, par exemple réalisée en matériaux synthétiques présentant des formes de bouchons ou de capuchons qui sont parfois mis en oeuvre puis jetés lors de l'assemblage des tubes. On diminue la quantité de matière usagée à recycler. La surface d'étanchéité femelle se trouve également mieux protégée contre un choc avec un composant mâle prévu pour venir en prise avec le composant femelle. Enfin, le lieu de la pression maximale s'exerçant sur la surface d'étanchéité femelle peut être réglé sur une certaine course par le choix de la distance axiale entre l'extrémité libre et la région de raccordement. Ladite distance axiale influe relativement peu sur d'autres paramètres et offre ainsi un moyen de réglage simple et de mise en oeuvre économique évitant d'avoir à concevoir une nouvelle connexion pour un simple déplacement souhaité du lieu de la pression maximale. [33] Les caractéristiques et avantages de l'invention sont exposés plus en détail dans la description ci-après, donnée à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins 2 0 annexés les figures 1 et 2 sont des vues en coupe axiale de composants femelle et mâle selon un mode de réalisation ; les figures 3 et 4 sont des vues de détail des figures 1 et 2 ; et la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale de filetages des composants femelle et 2 5 mâle des figures 1 et 2. [34] Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [35] On revient ici sur l'exploitation de puits, notamment d'hydrocarbure, en mer. Entre le puits foré dans le fond marin et la plateforme située au-dessus du plus haut niveau de la mer, s'étend une colonne de tubes soumis, non seulement aux efforts habituellement rencontrés pour les colonnes de tubes de puits terrestres tels que la compression, la traction, etc. Mais encore aux efforts exercés par la mer tels que les courants marins, la houle, le vent et les vibrations de la plate-forme. Ces efforts se traduisent généralement par une flexion statique et/ou dynamique de la colonne de tubes. La contrainte de flexion s'exerce entre autre sur la connexion entre deux tubes. Ainsi, les filetages sont particulièrement sollicités car subissant le moment de flexion en plus de la charge axiale. Il existe un risque de générations d'amorce de fissure de fatigue sur les filetages, en particulier les derniers filets mâles. Ces efforts dynamiques entraînent également des frottements entre les parties en contact des composants mâles et femelles conduisant à des fissurations par fatigue de contact ou "fretting fatigue". On peut se reporter au document FR 2 868 146 qui propose de transférer une partie du moment de flexion par une zone de transfert écartée des filetages. [36] Par ailleurs, il convient de se prémunir contre le risque de désengagement ou 15 désengrenage (dit "jump out") des composants tubulaires en service. On peut se reporter au document FR 2 863 681. [37] La demanderesse s'est rendu compte qu'un composant conçu pour résister aux sollicitations de flexion dynamique devait conserver de telles propriétés jusqu'à la mise en oeuvre des composants. En d'autres termes, le composant doit être protégé lors de son 20 transport, lors de sa manipulation en vue du vissage et lors de la prise en contact entre un composant mâle et un composant femelle. Un capuchon jetable peut être utilisé mais son coût d'achat, de mise en place en fin de fabrication, de retrait puis de recyclage n'est pas satisfaisant. On recherche à diminuer la quantité de matière à recycler et à simplifier les opérations devant être effectuées manuellement. Pour cela, la demanderesse a conçu un 25 pare choc axialement disposé entre une surface femelle d'étanchéité et l'extrémité libre du composant femelle. On entend par extrémité libre, une surface terminale d'un composant femelle dont il est prévu qu'elle reste à distance axiale d'un composant mâle correspondant. Le pare choc peut alors encaisser diverses agressions mécaniques pouvant même le déformer légèrement tout en conservant les propriétés d'étanchéité de la connexion. 30 [038] Le joint fileté tubulaire représenté sur les figures 1 et 2 comprend un élément tubulaire femelle 1 et un élément tubulaire mâle 2 muni de filetages coniques respectifs 3, 4 qui coopèrent entre eux pour l'assemblage mutuel par vissage des deux éléments. L'élément femelle 1 est formé à une extrémité d'un manchon tubulaire 11 destiné au raccordement de deux tubes de grande longueur et l'élément mâle 2 à une extrémité d'un tube de grande longueur 12 destiné à être raccordé par deux manchons tels que 11. Une multiplicité de tubes 12, dont chacun présente deux éléments filetés 2 à ses deux extrémités, peuvent ainsi être raccordés entre eux par l'intermédiaire de manchons 11, dont chacun présente deux éléments filetés femelle 1 à ses deux extrémités, pour former une colonne de tubes équipant par exemple un puits de pétrole. [039] Dans la cas illustré, le tube 12 présente, entre ces deux éléments mâles, c'est-à-dire sur la majeure partie de sa longueur, dite partie courante, un diamètre extérieur uniforme, par exemple de 533,4 mm (21 pouces), qui représente le diamètre nominal du joint fileté. Les valeurs de dimension données ci-après tiennent compte de ce diamètre nominal et peuvent varier avec celui-ci. [040] Le joint fileté comprend une étanchéité intérieure située entre les filetages 3, 4 et les alésages 5, 6 respectivement du manchon 11 et du tube 12. L'étanchéité intérieure est assurée par contact entre une surface femelle d'étanchéité 7, par exemple tronconique en contact à l'état vissé, et une surface mâle d'étanchéité 8, par exemple tronconique ou bombée. La pente de la surface femelle d'étanchéité 7 peut être comprise entre 25 et 75 %, préférablement entre 40 et 60 %, par exemple environ 50 %. Dans le cas illustré, la pente moyenne de la surface mâle d'étanchéité 8 est égale à la pente de la surface femelle d'étanchéité 7. [041] Une rainure annulaire 9 est ménagée dans l'élément femelle 11 entre le filetage 3 et la surface femelle d'étanchéité 7. La rainure 9 comprend un fond tronconique. Ledit fond peut être d'inclinaison égale à celle du filetage 3. Ledit fond peut être en retrait par rapport au fond des filets du filetage 3, en présentant un diamètre plus élevé que le fond des filets au voisinage du filetage 3. Alternativement, ledit fond peut être situé dans le prolongement du fond des filets du filetage 3. La rainure 9 peut ainsi servir au dégagement de l'outil d'usinage des filets. La rainure 9 comprend un bord du côté du filetage 3, ménagé dans les filets d'extrémité, par exemple d'inclinaison comprise entre 25 et 50° par rapport à l'axe du manchon 11. La rainure 9 possède un bord opposé rejoignant la surface femelle d'étanchéité 7. Ledit bord opposé peut présenter une inclinaison de l'ordre de 20 à 60° par rapport à l'axe du manchon 11 avec raccordement selon des congés de rayons adaptés. [42] Entre la surface femelle d'étanchéité 7 et l'alésage 5, est ménagé un épaulement s'étendant axialement dans une direction opposée à la surface femelle d'étanchéité 7 de telle sorte qu'en fin de vissage, ledit épaulement tende à plaquer le nez de la partie mâle contre la surface femelle d'étanchéité 7. L'épaulement forme une butée axiale 13 d'inclinaison comprise entre 10 et 20° par rapport à un plan radial. L'angle formé entre la surface femelle d'étanchéité 7 et la butée axiale 13 peut être de l'ordre de 80 à 100°. La surface femelle d'étanchéité 7 se raccorde à l'épaulement 13 par un congé de raccordement. Un congé de raccordement relie la butée axiale 13 et l'alésage 5. [43] L'élément tubulaire mâle 2 comprend une surface extérieure 10 formée entre la surface mâle d'étanchéité 8 et le filetage 4. La surface extérieure 10 est située sensiblement dans le prolongement des fonds de filets du filetage 4. La surface extérieure 10 est tronconique avec une inclinaison de l'ordre de 1 à 5°, par exemple environ 2°. A l'état vissé, la surface extérieure 10 fait face à la rainure 9. [44] L'élément tubulaire mâle 2 se prolonge radialement vers l'intérieur au-delà de la surface mâle d'étanchéité 8 par une butée axiale mâle 14 prévue pour entrer en contact avec la butée axiale femelle 13. La butée axiale 14 présente un angle de 10 à 20° par rapport à un 2 0 plan radial. La butée axiale 14 est inclinée d'environ 80 à 100° par rapport à la surface mâle d'étanchéité 8. Entre l'alésage 6 et la butée axiale 14, l'élément tubulaire mâle 2 comprend, ici, un chanfrein tronconique d'inclinaison comprise entre 5 et 15°, par exemple 10°, par rapport à l'axe du tube 12. [45] Des congés de raccordement sont prévus entre les différentes surfaces 25 tronconiques. Dans un mode particulier de réalisation, la surface mâle d'étanchéité 8 est bombée à grand rayon de courbure, par exemple compris entre 100 et 300 mm permettant d'offrir une excellente étanchéité avec la surface d'étanchéité femelle 7 de forme tronconique, avec laquelle un contact métal-métal est établi à l'état vissé. [46] Le joint fileté tubulaire comprend une étanchéité extérieure, disposée radialement à l'extérieur des filetages 3 et 4. L'élément tubulaire femelle 1 comprend une surface d'étanchéité femelle extérieure 15. L'élément tubulaire mâle 2 comprend une surface d'étanchéité mâle extérieure 16 de forme concordante à la surface d'étanchéité 15 pour assurer une étanchéité par contact métal-métal à l'état vissé du joint fileté tubulaire. La surface d'étanchéité femelle 15 est disposée entre le filetage 3 et l'extrémité libre de l'élément tubulaire femelle 1. La surface d'étanchéité femelle 15 peut être tronconique de pente comprise entre 35 et 60 %, par exemple 50 % ou encore bombée à grand rayon, par exemple compris entre 100 et 300 mm tout en présentant une pente moyenne de l'ordre de 35 à 60 %, par exemple égale à 50 % par rapport à l'axe du manchon 11. Entre la surface d'étanchéité femelle 15 et le filetage 3 est prévue une surface intérieure 17 sensiblement cylindrique. [47] Le filetage 3 est formé à partir de l'extrémité de la surface cylindrique 17 opposée à la surface d'étanchéité 15. Au voisinage de la surface intérieure 17, les fonds de filets suivent une génératrice inclinée d'un angle compris entre 5 et 10° par rapport à l'axe du manchon 11. Les sommets de filets sont tangents à la surface 17 et donc eux-mêmes cylindriques, formant ainsi un ou plusieurs filets imparfaits et ce, jusqu'à l'obtention de la profondeur nominale des filets. A distance de la surface intérieure 17, les fonds de filets suivent une pente de sens inverse parallèle à la pente générale du filetage 3. Afin d'augmenter le nombre de filets parfaits (complets à pleine hauteur), un ressaut 3a peut être prévu, cf figure 4. Le ressaut 3a forme un épaulement du filetage 3 dirigé vers l'intérieur. Le ressaut 3a est disposé à proximité axiale du changement de pente des fonds de filets. [48] Du côté de la surface d'étanchéité 15 opposé à la surface cylindrique 17, l'élément tubulaire femelle 1 comprend un rayon d'engagement de la portée extérieure prolongeant la surface d'étanchéité 15 et formant une surface bombée 19. La surface bombée 19 peut présenter un rayon de courbure compris entre 0,5 et 3 mm, par exemple de l'ordre de 1 mm. [49] La surface bombée 19 se prolonge radialement vers l'extérieur par une surface sensiblement radiale 21. La surface sensiblement radiale 21 s'étend sur une distance de l'ordre de 1 à 3 min. La surface bombée 19 et la surface sensiblement radiale 21 forment une région de raccordement pour raccorder la surface d'étanchéité 15. Ladite région de raccordement peut être vue comme comprenant une portion en forme de partie de tore et une portion sensiblement radiale. [50] L'élément tubulaire femelle 1 comprend une surface extérieure 23 de forme générale cylindrique. La surface extérieure 23 s'étend sensiblement au même niveau de l'élément tubulaire femelle 1, pris au sens axial par rapport à un axe du manchon 11, que la surface d'étanchéité 15 et la surface intérieure 17. En pratique, la surface extérieure 23 cylindrique s'étend axialement au-delà de la surface intérieure 17, jusque dans la zone des filets parfaits du filetage 3. [51] Du côté opposé, la surface extérieure 23 s'étend sensiblement jusqu'à un plan radial comprenant la surface radiale 21. L'élément tubulaire femelle 1 comprend une extrémité libre sous la forme d'une surface radiale 25 de forme annulaire. La surface radiale 25 est délimitée par un petit diamètre supérieur au diamètre le plus grand de la surface d'étanchéité mâle 16. La surface d'extrémité 25 se raccorde à la surface extérieure 23 par un chanfrein 27 extérieur tronconique. Le chanfrein extérieur 27 peut présenter une inclinaison de l'ordre de 60 à 80° par rapport à un plan radial, par exemple de l'ordre de 70°. [052] Un chanfrein intérieur 29 est ménagé entre la surface d'extrémité 25 et la surface radiale 21. Le chanfrein intérieur 29 peut présenter une inclinaison de l'ordre de 60 à 80° par rapport à un plan radial, par exemple de l'ordre de 70°. Le chanfrein intérieur 29 et la surface radiale 21 forment une rainure annulaire 31 comme on peut le voir sur la figure 4. Le chanfrein intérieur 29 et la surface radiale 21 forment une concavité dans une vue en coupe axiale. Ladite concavité est essentiellement définie par les deux segments de droite formés vers l'extérieur par le chanfrein 29 et vers l'intérieur par la surface radiale 21. L'angle entre le chanfrein intérieur 29 et la surface radiale 21 est inférieur à 160°, par exemple de l'ordre de 100 à 120°. La rainure 31 est en forme de V à fond arrondi. La surface femelle d'étanchéité 15 est de pente moyenne inférieure à la pente dudit chanfrein 29. Préférablement, la différence de pente est d'au moins 10% exprimés en pourcentage de pente. [053] Les chanfreins 27 et 29 occupent un espace limité dans le sens radial afin de conserver une section de matière conséquente pour le pare-choc. La dimension radiale totale des chanfreins 27 et 29 est inférieure à 50 % de la dimension radiale du composant 3 0 femelle à l'extrémité des chanfreins opposée à ladite extrémité libre, i.e. dans le plan radial 11 défini par la surface radiale 21. La dimension radiale cumulée des chanfreins 27 et 29 et de la surface d'extrémité 25 est d'au moins 80% ode la dimension radiale maximale de l'élément tubulaire femelle 1 au-delà des filets parfaits du filetage 3 en direction de l'extrémité, en d'autres termes du nez de l'élément tubulaire femelle 1. [054] La surface d'extrémité 25 est décalée axialement par rapport à la surface radiale 21 d'une distance L de l'ordre de 1 à 5 mm, par exemple de l'ordre de 2 mm. La distance L inférieure est inférieure à 25% du diamètre extérieur nominal du composant. La surface radiale 21 et la surface bombée 19 offrent un décalage radial entre le chanfrein intérieur 29 et la surface d'étanchéité femelle 15 supérieur à 1,5 mm, de l'ordre de 2 mm. La surface d'étanchéité femelle 15 se trouve protégée par la surface d'extrémité 25 en avancée par rapport au plan radial de la surface radiale 21. La surface d'extrémité 25 en avancée forme ainsi un pare choc, notamment contre les chocs de manipulation avant le vissage du joint fileté. En cas de chute sur une surface plane, la surface de l'extrémité 25 portera en premier et pourra, le cas échéant, être déformée tout en préservant l'intégrité notamment dimensionnelle, de la surface d'étanchéité 15. On peut ainsi se passer d'un capuchon amovible, générateur de perte de temps et de déchets. [055] La demanderesse s'est rendu compte que plus la distance axiale L est grande, plus le contact des surfaces d'étanchéité métal-métal 15 et 16 se décale vers l'extrémité libre 25 du composant femelle. En effet, plus la distance axiale L est importante, plus la rigidité radiale 2 0 au voisinage de l'extrémité libre 25 du composant femelle est grande. De ce fait, la zone d'interférence des surfaces d'étanchéité métal-métal 15 et 16 est décalée vers l'extrémité libre 25 du composant femelle. Il est souhaitable de limiter la distance axiale L de manière que le contact des surfaces d'étanchéité métal-métal 15 et 16 se situe hors de la rainure. Dans l'exemple, la valeur optimale de L calculée par éléments finis est d'environ 2 mm. 2 5 [056] En fonction de la distance axiale L, les paramètres (rayons, pentes, formes..) des surfaces d'étanchéités 15 et 16 sont adaptés afin d'obtenir un contact stable optimal. [057] Lors du vissage, la surface d'étanchéité femelle 15 vient progressivement en contact serrant avec la surface d'étanchéité mâle 16 pour former une étanchéité par contact métal-métal. La surface d'étanchéité femelle 15 tend à se déformer par augmentation de 3 0 diamètre dans le domaine élastique. Cette possible augmentation de diamètre est contrée par la rigidité du nez de l'élément tubulaire femelle 1, rigidité augmentée par la présence d'un anneau de matière supplémentaire délimitée par le plan radial de la surface radiale 21, la surface d'extrémité 25 et les chanfreins 27 et 29. Cet anneau de matière supplémentaire augmente significativement l'effort nécessaire à une augmentation du diamètre de la surface d'étanchéité 15 d'où une augmentation correspondante des efforts de contact entre les surfaces d'étanchéité 15 et 16. Ainsi, la matière de l'élément tubulaire femelle 1 se trouvant au-delà du plan radial de la surface radiale 21 assure une double fonction de pare chocs, et en raison de sa forme annulaire, de raidisseur contre une déformation radiale vers l'extérieur de la surface d'étanchéité 15. [058] L'élément tubulaire mâle 2 comprend, entre la surface d'étanchéité mâle 16 et le filetage 4 une surface extérieure sensiblement cylindrique 18 à partir de laquelle sont progressivement ménagés les filets du filetage 4 avec une zone de filets imparfaits, la crête des filets du filetage 4 présentant un diamètre inférieur ou égal au diamètre de la surface extérieure cylindrique 18. L'élément tubulaire mâle 2 comprend une surface intermédiaire 20 disposée du côté de la surface d'étanchéité 16 opposé à la surface cylindrique 18. La surface intermédiaire 20 est de faible longueur, par exemple comprise entre 2 et 10 mm. La surface intermédiaire 20 est préférablement cylindrique pour des raisons de simplicité, mais peut être très légèrement tronconique de pente inférieure à la pente des portées tronconiques 16 et 22. Au-delà de la surface intermédiaire 20, est prévue une surface tronconique 22 2 0 s'étendant entre la surface intermédiaire 20 et la surface extérieure 24 définissant le diamètre extérieur nominal du tube 12. La surface tronconique 22 peut présenter une inclinaison de l'ordre de 40 à 60 % par rapport à l'axe de l'élément tubulaire mâle 2, par exemple égale à l'inclinaison de la surface d'étanchéité 16. [059] Le profil de la partie mâle de l'étanchéité extérieure, illustrée plus en détail sur la 25 figure 4, s'avère avantageux en raison de l'étagement des portées tronconiques formées d'une part par la surface d'étanchéité 16 et d'autre part par la surface tronconique extérieure 22 formant une rampe. Il est avantageux pour des raisons de simplicité d'usinage de prévoir la même pente sur les deux portées tronconiques. Une des difficultés lors de l'usinage provient des défauts de la surface extérieure 24. La surface extérieure 24 est nominalement 30 de révolution. La surface extérieure 24 d'un tube réel présente un certain décalage par rapport à un cercle parfait, vu en coupe transversale. Or, la surface d'étanchéité 16 fait l'objet d'un usinage extrêmement précis tandis que la surface extérieure 24 est venue de forge avec des tolérances plus larges d'au moins un ordre de grandeur. La surface d'étanchéité 16 doit être de révolution avec des tolérances précises et faibles. [60] La présence de la surface intermédiaire 20 et de la surface tronconique extérieure 22 permet de vérifier visuellement l'usinage, soit par un opérateur ou soit par un système de prise et de traitement d'images. En cas de léger défaut, la surface tronconique 22 ne sera que partiellement usinée voire pas du tout. Il suffit de vérifier que la surface intermédiaire 20 a bien été usinée pour être certain que la portée d'étanchéité 16 a également été complètement usinée. La surface intermédiaire 20 forme une surface de contrôle. Les tubes de grosses dimensions étant particulièrement sujets à des défauts, notamment d'ovalisation ou encore de diamètre trop faible, ou encore de courbure, la surface intermédiaire 20 permet une vérification rapide et relativement sûre de l'usinage complet de la surface d'étanchéité 16 de l'élément tubulaire mâle 2. [61] Par ailleurs, la surface d'étanchéité 16 peut être conforme au brevet FR 2868146 auquel le lecteur est invité à se reporter. La surface d'étanchéité 16 peut être ondulée avec une série de nervures annulaires arrondies venant en contact avec la surface d'étanchéité 15 en regard, à l'état vissé. La surface d'étanchéité 15 est lisse. [62] Sur la figure 1, la surface extérieure 23 voisine de l'extrémité du manchon se raccorde à la surface extérieure 33 de diamètre maximal du manchon par l'intermédiaire d'une rainure annulaire 35 également appelée « lunule » obtenue par prélèvement de matière encore appelé « délardage », dans la zone entre les surfaces extérieures 23 et 33. On peut ainsi accroître la souplesse du manchon axialement au niveau du filetage 3 tout en conservant une rigidité radiale élevée axialement au niveau de la surface d'étanchéité 15. Le lecteur est invité à se reporter au document FR 2 807 095. [063] La rainure annulaire 35 peut présenter un bord voisin de la surface extérieure 23 incliné d'environ 10 à 30°, par exemple 20° par rapport à un axe du manchon, un fond sensiblement cylindrique et un bord voisin de la surface extérieure de grand diamètre 33 à deux pentes, une pente faible au voisinage du fond et une pente forte au voisinage de la surface extérieure 33. La pente faible peut être inclinée de l'ordre de 5 à 15°, par exemple environ 10° par rapport à l'axe du manchon. La pente forte peut être inclinée de l'ordre de 30 à 50°, par exemple environ 45° par rapport à l'axe du manchon. La rainure annulaire 35 est située axialement au niveau des filets parfaits du filetage 3 tout en restant à distance de l'extrémité du filetage 3 voisine de la surface d'étanchéité intérieure 5. On obtient une zone de faible épaisseur au droit du filetage femelle 3 et une zone de forte épaisseur au droit de la surface femelle d'étanchéité 15. La zone de faible épaisseur s'étend sur une partie de la longueur du filetage femelle 3. [64] Les filetages 3 et 4 sont auto-bloquants dans le sens radial, cf figure 5. En cas d'effort de traction, la contre pente des flancs d'engagement tend à resserrer l'élément tubulaire femelle 1 sur l'élément tubulaire mâle 2. La pression de contact des surfaces femelles d'étanchéité 7 et 15 sur les surfaces mâles d'étanchéité 8 et 16 est accrue. [65] Comme illustré sur la figure 5, les filetages 3 et 4 comprennent des fonds et des crêtes généralement lisses suivant la conicité desdits filetages 3 et 4. Les flancs d'engagement 51 et 52 présentent un angle compris entre +1° et +5° dans le sens trigonométrique, par exemple environ 3°. Les flancs porteurs 53 et 54 présentent un angle compris entre -5° et -35° dans le sens trigonométrique, par exemple environ -25°. Le raccord entre le fond, la crête, le flanc porteur et le flanc d'engagement s'effectue par des congés à double rayons. Le grand rayon est de 2 à 3 fois plus grand que le petit rayon. Le petit rayon est voisin du flanc tandis que le grand rayon est voisin du fond ou de la crête. Les contraintes sont moins concentrées d'où une résistance accrue à la fatigue.20

Claims

REVENDICATIONS1. Composant femelle (1) pour colonne tubulaire d'exploitation d'hydrocarbures soumise à des efforts dynamiques de flexion, comprenant un filetage femelle conique (3) prévu pour coopérer avec un filetage mâle (4) pour former une liaison mutuelle rigide d'éléments tubulaires, une extrémité libre et une surface femelle d'étanchéité (15) disposée entre l'extrémité libre et le filetage femelle, la surface femelle d'étanchéité (15) étant prévue pour être en contact à l'état vissé avec une surface mâle d'étanchéité (16) pour former une étanchéité métal-métal, caractérisé par le fait qu'il comprend une rainure annulaire (31) ménagée entre l'extrémité libre et la surface d'étanchéité femelle (15), laissant une distance axiale supérieure à zéro entre l'extrémité libre et une région de raccordement de la surface d'étanchéité femelle vers l'extérieur, et une distance radiale supérieure à zéro entre la surface d'étanchéité femelle et un chanfrein (29) de l'extrémité libre, la rainure (31) comprenant un bord formé par le chanfrein (29) et un bord formé par une portion de la région de raccordement, de façon à protéger la surface d'étanchéité femelle avant vissage.
2. Composant femelle selon la revendication 1, comprenant une surface de butée interne, disposée au voisinage du filetage femelle du côté opposé à l'extrémité femelle.
3 Composant femelle selon la revendication 1, dans lequel le filetage est auto bloquant.
4. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit chanfrein (29) est tronconique, préférablement d'angle compris entre 10° et 30°.
5 Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 2 5 l'extrémité libre comprend une surface (25) orientée de manière sensiblement radiale.
6. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la rainure (31) présente, en section selon un plan passant par l'axe, une concavité d'unangle inférieur à 160°.
7. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion de la région de raccordement est sensiblement radiale.
8. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion de la région de raccordement est de forme générale en arc de cercle en coupe axiale et la surface femelle d'étanchéité (15) est de forme générale en arc de cercle en coupe axiale, le rayon de la surface femelle d'étanchéité étant supérieur à 150 mm, de préférence le rayon de la surface femelle d'étanchéité étant supérieur à au moins 10 fois le rayon d'une portion de la région de raccordement.
9. Composant femelle selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la portion de la région de raccordement est de forme générale en arc de cercle en coupe axiale et la surface femelle d'étanchéité est tronconique.
10. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface femelle d'étanchéité (15) présente une pente moyenne inférieure à la pente dudit chanfrein (29), préférablement d'au moins 10%.
11. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface femelle d'étanchéité (15) présente une pente moyenne supérieure à 35%, préférablement 45%.
12. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 2 0 l'élément tubulaire femelle (1) comprend un chanfrein (27) entre l'extrémité libre et une surface extérieure (23) de l'élément tubulaire femelle, préférablement d'angle compris entre compris entre 10° et 30°, les chanfreins possédant une dimension radiale inférieure à 50% de la dimension radiale du composant femelle à l'extrémité des chanfreins opposée à ladite extrémité libre. 25
13. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément tubulaire femelle (1) comprend une zone de faible épaisseur au droit du filetage femelle (3) et une zone de forte épaisseur au droit de la surface femelle d'étanchéité (15), la zone de faible épaisseur s'étendant sur une partie de la 17longueur du filetage femelle et étant obtenue en ménageant une concavité (35) en coupe axiale à partir d'une surface extérieure de l'élément tubulaire femelle.
14. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distance axiale entre l'extrémité libre et la région de raccordement de la surface femelle d'étanchéité vers l'extérieur est supérieure à 1 mm et inférieure à 25% du diamètre extérieur nominal du composant, et la distance radiale entre la surface femelle d'étanchéité et un chanfrein de l'extrémité libre est supérieure à 1,5 mm.
15. Composant femelle selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filetage femelle (3) comprend des fonds, des crêtes, des flancs porteurs et des flancs d'engagement se raccordant par des congés à deux rayons de courbure, un grand rayon de courbure au voisinage des fonds et des crêtes, un petit rayon de courbure au voisinage des flancs porteurs et des flancs d'engagement.
16. Joint fileté comprenant un composant femelle selon l'une des revendications 1 à 15 et un composant mâle (12) comprenant un filetage mâle conique (4), une surface mâle d'étanchéité (16) et une surface cylindrique extérieure (24), la surface mâle d'étanchéité étant disposée entre le filetage mâle et la surface cylindrique extérieure (OD), une rampe (22) étant ménagée au voisinage de la surface cylindrique extérieure et une surface cylindrique (20) de contrôle étant ménagée entre la rampe et la surface tronconique d'étanchéité.
17. Procédé de fabrication d'un joint fileté selon la revendication 16, dans lequel on contrôle l'usinage de la surface mâle d'étanchéité par vérification du fait que la surface cylindrique de contrôle a été usinée.
18. Procédé de fabrication d'un composant femelle selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel on choisit un lieu de pression maximale subie par la surface d'étanchéité femelle en contact avec une surface d'étanchéité mâle en fonction de la distance axiale entre l'extrémité libre et la région de raccordement de la surface d'étanchéité femelle vers l'extérieur.