WO2002065012A9 - Joint filete tubulaire a filets trapezoidaux avec face de filet bombee convexe - Google Patents

Joint filete tubulaire a filets trapezoidaux avec face de filet bombee convexe

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WO2002065012A9
WO2002065012A9 PCT/FR2002/000420 FR0200420W WO02065012A9 WO 2002065012 A9 WO2002065012 A9 WO 2002065012A9 FR 0200420 W FR0200420 W FR 0200420W WO 02065012 A9 WO02065012 A9 WO 02065012A9
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convex
flank
thread
threads
male
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PCT/FR2002/000420
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Thierry Noel
Gabriel Roussie
Emmanuel Varenne
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Vallourec Mannesmann Oil & Gas
Sumitomo Metal Ind
Thierry Noel
Gabriel Roussie
Emmanuel Varenne
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    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
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    • E21B17/02—Couplings; joints
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    • F16L15/002—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with more then one threaded section
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    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/06—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints characterised by the shape of the screw-thread

Definitions

  • the invention relates to tubular threaded joints comprising a male threaded element and a female threaded element with trapezoidal threads arranged at the end of tubes to be assembled, the threaded elements being able to be arranged as a pin at the end of very long tubes as of short tubes. such as sleeves.
  • Such tubular threaded joints are used in particular to form columns of casing or production tubes or drill pipe sets for hydrocarbon wells or for similar wells such as wells for geothermal energy.
  • the trapezoidal threads include a flank of engagement of the thread side directed towards the free end of the threaded element considered, a flank worn on the affixed side of the threads, a thread top of non-zero width and a bottom of net also of non-zero width, the supporting flanks and the engaging flanks being oriented substantially perpendicular to the axis of the element -thinned (inclination of +3 "for the supporting flanks, of +10 ⁇ for the flanks for example in the case of the APl Buttress net).
  • Trapezoidal threads are thus defined in this document as opposed to other types of threads defined by the abovementioned API specifications, namely triangular or rounded triangular (“round”) threads whose bearing and engagement flanks are strongly inclined compared to normal to the axis of the threaded element (30 ° for example) and whose vertices and bottom of the thread are of substantially zero width, they have significant advantages over triangular or round threads. -vis the unacceptable risk of fjump ouf ngrè ⁇ ement ").
  • tubular threaded joints with trapezoidal threads according to A have been the subject of numerous developments, in particular to improve the resistance to very diverse stresses resulting from the operating conditions (axial traction, axial compression, bending, twisting, internal or external pressure ...) and their tightness to the fluids circulating inside or outside of these joints under such stresses. These improvements are for example described in the documents EP 488 912, EP 707 133, EP 454 147, WO 00/14441.
  • the faces of the trapezoidal threads of the threaded joints of the state of the art that is to say the flanks of the threads as well as the tops and bottoms of threads appear rectilinear in axial section except at the level of the connections between faces, connections which generally have a connection radius or a chamfer; this is why we will call such faces in this document rectilinear faces.
  • contact with contact pressure is developed between at least one face of the male thread and the corresponding face of the female thread.
  • this contact pressure can develop between peaks and combined thread bottoms, between load flanks, between engagement flanks or between several of these faces.
  • An oversteer can notably occur during the descent in rotation of a column of tubes at the bottom of deviated or even horizontal oil wells and cause a relative positioning deviation of the male and female elements with the harmful consequence a risk of leakage of the threaded joints.
  • the tubular threaded joint comprises a male threaded element at the end of a first tube and a female threaded element at the end of a second tube.
  • the male threaded element externally comprises a male thread with trapezoidal threads over substantially the entire length of the thread and the female threaded element internally comprises a female thread conjugate with the male thread, that is to say in shape and layout adapted to their screwing.
  • the male and female threaded elements are screwed into each other under a given screwing torque so that at least one face of male thread is under contact pressure with the corresponding face of the female thread.
  • thread means a thread in one or more threaded parts.
  • the threads are trapezoidal over substantially the entire length of each of the threaded parts.
  • At least one face of the thread under contact pressure of a thread has, before screwing, a convex convex shape continuous over the width of the face considered and is in so-called point contact with the corresponding face of the conjugate thread.
  • convex convex face is understood to mean a thread face which appears as convex curvilinear in axial section.
  • concave curved face and rectilinear face respectively means faces which appear as such in axial section (except at the level of the connections with the adjacent faces).
  • face width designates in this document the dimension of the face seen in axial section.
  • face width therefore designates the essentially axial dimension of vertices or bottom of the net and the essentially radial dimension of the flanks.
  • trapezoidal thread corresponds to the general definition which has been given above even if certain faces are not rectilinear in the case of the present invention. It covers trapezoidal nets with angles of load flanks and engagement as positive as negative or zero (square, hook, semi-dovetail or dovetail nets), the sign convention being illustrated in the embodiments described later in the text.
  • a convex convex face as defined creates with the corresponding face of the conjugate thread a contact which appears, in a section passing through the axis of the assembly, as punctual or substantially punctual provided, of course, that the radii of curvature of the faces are adapted.
  • the contact pressure resulting from said point contact is maximum at the point of contact and decreases on each side of this point more or less rapidly depending on the differences in radius of curvature of the two faces in contact and the elasticity characteristics of the materials in contact. .
  • the curvature of the convex convex face is chosen so that the threaded joint according to the invention has, once screwed under the given screwing torque compared to a conventional threaded joint in which all the faces of male and female threads are rectilinear, a resistance substantially increased when unscrewing or overfitting
  • the curvature of said convex curved face is also adapted to the geometry of the corresponding face in contact so that the maximum pressure does not lead to a plasticization of the material of the faces in point contact.
  • said convex curved face has over its width except at the connections with the adjacent faces one or more radii of curvature between 2 and 60 mm and preferably between 3 and 20mm.
  • Said convex curved face can be produced over all or part of the length of the thread considered but it is preferably carried out over the entire length of the thread considered and therefore over the entire length of each of the threaded parts when the thread comprises several threaded parts.
  • said convex curved face has a uniform curvature over the width of the face considered except at the level of the connections with the adjacent faces.
  • said convex curved face has a uniform curvature over the entire length of the thread.
  • a convex convex face corresponds with a straight face on the conjugate thread.
  • the male and female threads of the threaded joint are conical with threads interfering radially with one another and said convex convex face is a top of thread.
  • said convex convex face is a male or female flank of the thread and one or other of the threads, male or female, comprises means for making the convex curved flank or flexible the side corresponding to this on the conjugate thread.
  • the convex curved flank is a load-bearing flank.
  • the convex curved flank is an engagement flank.
  • said bending of the side thus qualified as flexible in the remainder of this document increases with the contact pressure during or at the end of screwing and in particular allows the threads to adapt to the dimensional dimension deviations of the male and female threads with respect to the dimensions. nominal without generating excessive contact pressure.
  • said means for making the convex convex flank or the flank corresponding to it flexible is a groove disposed on the top of the thread adjacent to the flexible flank.
  • the depth of the groove is less than or equal to the height of the net where it is made.
  • the groove has at its outlet a width less than or equal to 2/3 of the width of the net where it is made, the width of the net being measured at mid-height thereof.
  • the bottom of the groove is rounded along a radius greater than or equal to 0.2 mm.
  • the angle called “convex curved flank angle” formed by the tangent to the convex curved flank at mid-height thereof and the normal to the axis of the assembly is different from the angle called “corresponding flank angle” formed by the tangent to the flank corresponding to the convex convex flank also taken halfway up said corresponding flank and the normal to the axis of assembly.
  • the values of the convex curved flank angle and the corresponding flank angle are such that the first contact between the flank convex convex and the corresponding side takes place on the flexible side on the side of the top of the net where the groove is located.
  • the sign of the algebraic value of the offset between the convex curved flank angle and the corresponding flank angle is such that the point of contact between the convex curved flank and the corresponding flank moves during screwing towards the center of rotation of the flexible side.
  • the value of the offset between the convex curved flank angle and the corresponding flank angle is such that the final point of contact between the convex curved flank and the corresponding flank once the threaded joint is completely screwed is located in outside the quarter width of the convex curved side located at the end of the latter on the net end side.
  • the absolute value of the offset between the convex curved flank angle and the corresponding flank angle is between 1 and 5 e .
  • each male and female element comprises at least one sealing surface, each male sealing surface radially interfering with a corresponding female sealing surface on the tubular threaded joint in the screwed state in position.
  • each male and female element comprises at least one annular transverse abutment surface, at least one male abutment surface being in abutment against a corresponding female abutment surface on the tubular threaded joint at l screwed in position.
  • Figure 1 depicts a threaded sleeve connection comprising two threaded joints with conical threads and trapezoidal threads.
  • FIG. 2 describes an integral threaded assembly comprising a threaded joint with two-stage cylindrical threads and trapezoidal threads.
  • FIG. 3 describes some trapezoidal threads of a threaded joint according to the invention of the type of FIG. 1 in which the female thread tops are convex convex: FIG. 3A relates to the female thread alone, FIG. 3B relates to the thread male only and FIG. 3C relates to the completed assembly of the elements of FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 4 describes some threads of another threaded joint according to the invention, the threaded joint being of the type of FIG. 1 with trapezoidal threads with axial shrinking, the male engagement flank of which is convexly convex.
  • FIG. 5 describes a variant of the threaded joint of FIG. 4.
  • FIG. 6 describes some threads of another threaded joint according to the invention, of the type of FIG. 2 with trapezoidal threads with variable width corners, the male carrying flank of which is convexly convex.
  • Figures 4 to 6 each include 4 sub-figures identified by the indices A to D:
  • the index A relates to the female thread alone while the index B relates to the male thread only.
  • the index C relates to the assembly of the elements of the indices A and B during screwing at the point where the corresponding faces come into contact.
  • Index D refers to the completed assembly of elements of indices A and B.
  • FIGS 1 to 6 are not to scale, the characteristics of the threaded joints having been exaggerated to better highlight them or better understand their operation.
  • FIG. 7 represents the distribution of the contact pressures between the male top and female bottom of interfering trapezoidal threads, FIG. 7A being related to the contact between rectilinear top and bottom of a threaded joint of the prior art and FIG. 7B in contact between rectilinear bottom and convex convex top of the threaded joint of FIG. 3C.
  • FIG. 8 is a graph representing the displacement of the fretting contact point in the case of the threads of FIG. 4 as a function of the screwing for different angular configurations of the engagement flanks.
  • FIG. 9 is a graph showing the rotation of the flexible engagement flank of FIG. 4 as a function of the screwing for different angular configurations of the engagement flanks.
  • FIG. 10 is a graph showing the displacement of the fretting contact point in the case of the threads of FIG. 4 as a function of the screwing for different radii of curvature of the convex convex face.
  • Figure 11 shows some threads of another threaded joint according to the invention of the type of Figure 1 with conical threads with interfering trapezoidal threads.
  • FIG. 1 represents a threaded sleeve assembly 200 between two very long tubes 101, 101 ′.
  • tube of great length is meant tubes of several meters in length, for example about 10 m in length.
  • Such tubes are commonly assembled to form columns of casing or production tubes for oil wells or drill string for the same wells.
  • the tubes can be made of all kinds of non-alloyed, low-alloyed or highly-alloyed steels, or even ferrous or non-ferrous alloys to adapt to different service conditions: level of mechanical stress, corrosive nature of the fluid inside or outside the tubes. It is also possible to use steel tubes which are not very resistant to corrosion and which have a coating, for example of synthetic material, preventing any contact between the steel and the corrosive fluid.
  • the tubes 101, 101 ' are provided at their ends with identical male threaded elements 1, 1' and are assembled by means of a sleeve 202 provided at each end with a female threaded element 2, 2 '.
  • the male threaded elements 1, 1 ' are respectively assembled by screwing in the female threaded elements 2, 2' by constituting two symmetrical threaded joints 100, 100 'joined by a heel 10 a few centimeters in length.
  • the heel 10 of the sleeve has an internal diameter substantially identical to that of the tubes 101, 101 ′ so that the flow of the fluid circulating internally is not disturbed.
  • the threaded joints 100, 100 ′ being symmetrical, the operation of only one of these joints will be described.
  • the male threaded element 1 comprises a male thread 3 with trapezoidal threads derived from the type known as "Buttress" according to API specification 5B; this male thread 3 is conical and disposed on the outside of the male element and it is separated from the free end 7 of said element by a non-threaded lip 11.
  • the free end 7 is a substantially transverse annular abutment surface.
  • Adjoining the free end 7 on the outer surface of the lip 11 is a conical surface with a bearing surface 5 whose conicity is greater than that of the male thread 3.
  • the female element 2 comprises means combined with those of the male element 1, that is to say that they correspond in shape and are intended to cooperate by their arrangement with the male means.
  • the female element 2 thus internally comprises a conical female thread 4 and a non-threaded part between the thread and the heel 10.
  • This non-threaded part comprises in particular an annular surface of substantially transverse orientation of stop 8 forming a shoulder at the end of the heel and a conical surface of bearing 6 following the shoulder.
  • the bearing surfaces 5, 6 thus constitute sealing surfaces which make the threaded seal watertight even for high internal or external fluid pressures and for various stresses (axial traction, axial compression, bending, torsion, etc.).
  • sealing ring made of synthetic material such as a fluoropolymer in order to produce or reinforce the sealing.
  • FIG. 2 Another example of a threaded connection between two very long tubes is illustrated in FIG. 2, this type of connection 300 which implements only one threaded joint being qualified as integral.
  • the tube 301 is provided at one of its ends with a male threaded element 1, the second tube 302 being provided with a female threaded element 2 at the corresponding end.
  • the male threaded element 1 comprises an external male thread constituted in the case of FIG. 2 of two stages or cylindrical steps 303, 303 ′, with trapezoidal threads separated by a transverse annular surface 307 of a central shoulder forming a stop, the step of smaller diameter 303 'being disposed on the free end side 309' of the element, which free end 309 'is a transverse annular surface.
  • the threaded part 303 is extended by a non-threaded part comprising a conical bearing surface 311 and a transverse annular surface 309 forming a shoulder.
  • the female threaded element 2 internally comprises female means combined with male means.
  • the female element 2 thus comprises a female thread consisting of 2 cylindrical steps 304, 304 ′ separated by a transverse annular surface 308 of a central shoulder forming a stop, the step of larger diameter 304 being disposed towards the transverse annular free end 310 of the female element.
  • the female element further comprises two conical surfaces of bearing 312, 312 'corresponding to the male bearing surfaces 311, 311' and a transverse annular surface 310 'forming a shoulder at the end of the element opposite the free end 310 .
  • the male threaded parts 303, 303 ' are screwed respectively into the female threaded parts 304, 304' and the abutment surfaces of the central shoulders 307, 308 are in abutment against one another.
  • the transverse end surfaces 309, 309 ′ are in quasi-contact with those of shoulder respectively 310, 310 ′ and constitute auxiliary stops for the central main stop 307, 308.
  • the sleeve threaded assembly can be with cylindrical threads and the integral assembly with conical threads.
  • the threads can also each have two conical threaded parts of identical or different taper or of the cylindro-conical type, the threaded parts of the same thread being able to be stepped or not stepped.
  • FIGS. 1 and 2 the threads have been shown diagrammatically by the generators or the covers of the top of the thread and of the bottom of the thread.
  • the following figures describe the threaded joint threads according to several variants of the invention.
  • FIG. 3 relates to conical threads with radially interfering trapezoidal threads and to convex convex thread summits of a threaded joint 100 of FIG. 1.
  • FIG. 3B represents the male threads 21 of this type of threaded joint which have a conventional trapezoidal shape in axial section and which comprise a carrying flank 23, an engaging flank 25, a thread top 29 and a thread bottom 27.
  • Their height is h1 and their width at half height is 2.5 mm (thread of the type 5 threads per inch).
  • the vertices and bottom of the threads are arranged on conical surfaces of the same conicity defined by the half-angle at the vertex ⁇ between the "primitive" cone symbolized by its generatrix 37 and the direction of the axis of the assembly.
  • the thread tops 29 and the thread bottoms 27 are rectilinear except at the level of the connections with the sides; these connections have, in a manner known per se, a radius of the order of a fraction of mm to limit the stress concentrations of the thread bottoms and the brittleness of the edges; the thread tops 29 and the thread bottoms 27 are arranged on conical surfaces with a half-angle at the top ⁇ .
  • the supporting flanks 23 and engagement 25 are also rectilinear and form an angle ⁇ and ⁇ respectively with the normal to the axis of the assembly.
  • ⁇ is slightly negative (the flank 23 somewhat overhangs the bottom of the thread 27) while the angle ⁇ is positive and more inclined.
  • the female threads 22 are shown in FIG. 3A. Their shape is substantially trapezoidal and suitable for screwing with the male threads 21. Their height h2 is slightly greater than that h1 of the male threads 21 and their width at half height is 2.5 mm (thread of the type 5 threads per inch) .
  • the female thread tops 128 and female thread bottoms 30 are tangent to or are arranged on conical surfaces with a half-angle at the top ⁇ identical to that relating to the female threads.
  • the female thread bottoms 30 are rectilinear except at the connections with the sides which, like the male threads, have a connection radius.
  • the female thread tops 128 are convexly convex over their entire width, that is to say that they have no discontinuity over their width.
  • the supporting flanks 24 and engagement 26 respectively make the same angles ⁇ and ⁇ with the normal to the axis of the assembly as the corresponding flanks 23, 25 of the male thread.
  • the curvature of the convex convex female thread top 128 makes it possible to increase the resistance to unscrewing or overfitting the threaded joint according to the invention.
  • FIG. 7A schematically shows the distribution of the contact pressures on a threaded joint of the state of the art between a female thread top 28 of rectilinear shape and a corresponding male thread bottom 27 also of straight shape.
  • the arrows P c give the measurement of the local contact pressure at each point of the distributed contact; it is noted that the values of contact pressure P c are higher at each end R, S, T, U of the contact segments.
  • FIG. 7B shows that a small curvature of the female thread tops 128 makes it possible to eliminate the median contact pressure trough and therefore the trapping of the lubricant between the female thread tops 128 and the interfering male thread bottoms 27, on the contrary creating a median contact pressure peak.
  • a radius of curvature R3 that is too small leads to a median peak in contact pressure that is too pronounced and consequently to a risk of plasticization of the material and / or seizure of the threads after several uses of the threaded joints; it also induces a reduction in the width of the supporting flanks 23, 24 and therefore in the maximum acceptable axial traction load: a radius of curvature R3 greater than or equal to 2 mm is entirely suitable.
  • a radius of curvature R3 less than or equal to 60 mm and preferably 20 mm is adequate .
  • FIG. 4 relates to conical threads with trapezoidal threads with axial hooping of a threaded joint 100 of FIG. 1.
  • trapezoidal threads with axial hooping means threads as described in document WO 00/14441 in which the width of the threads at half height is greater than the width also at half height of the spaces between corresponding threads of the conjugate thread, this which induces axial hooping of the two flanks of a thread by those of the conjugate thread and vice versa.
  • FIG. 4B represents a few male threads 21 which have a substantially trapezoidal shape in axial section and which comprise a carrying flank 23, an engaging flank 125, a thread top 29 and a thread bottom 27.
  • the vertices and bottom of the threads are rectilinear (except at the level of the connections with the flanks which have a radius of the order of a fraction of mm to limit the stress concentrations of the bottom of the thread and the brittleness of the edges) and are arranged on conical surfaces of the same conicity defined by the half-angle at the top ⁇ between the "primitive" cone symbolized by its generatrix 37 and the direction of the axis of the assembly.
  • the threads have, throughout their entire length, a helical groove 31, the profile of which has an axis substantially normal to that of the assembly which opens onto the top of the thread approximately at mid-width.
  • the groove 31 has a V-shaped profile with a rounded bottom, the angle between the branches of the V is of the order of 35 ° and the radius at the bottom of the groove 61 is 0.4 mm.
  • Its opening width is around 35% of the width of the top of the net 29 and its depth is around 60% of the height of the net 21.
  • the supporting flank 23 is rectilinear (except at the level of the connections with the tops and the bottoms of the net as indicated above) and overhangs very slightly the bottom of the thread, the angle ⁇ of this load-bearing flank relative to the normal to the axis of the assembly being therefore very slightly negative, equal to -3 °.
  • the engagement flank 125 which is adjacent to the top of the thread 29 is convexly convex over its entire width MP; it has a uniform radius of curvature R1 of several mm except at the level of the connections with the tops and bottom of the net where the radius of curvature is smaller, of the order of the fraction of mm.
  • the tangent 39 to the engagement flank taken halfway up the net forms an angle A with the normal to the axis of the assembly.
  • the width of the net taken halfway through the net is £ 1 while £ Z represents the space between the teeth of the net at mid-height, the sum (il + £ 3) being equal to the pitch of the net.
  • FIG. 4A represents some female trapezoidal threads 22 of shape adapted to that of the male threads 21.
  • the female threads 22 have 4 rectilinear faces (except at the level of the connections with the tops and bottoms of the net which have, in a manner known per se, a radius of the order of the fraction of mm to limit the stress concentrations of the bottoms of the net and the brittleness of the edges), namely:
  • a supporting flank 24 which overhangs the bottom of the thread 30 and is inclined at an angle ⁇ with respect to the normal to the axis of the assembly, this angle ⁇ being identical to the angle of the male carrying flank, a flank d engagement 26 which is inclined at an angle B relative to the normal to the axis of the assembly, the angle B being slightly greater than the angle A in FIG. 4B, - a top of the thread 28 disposed on a conical surface with a half-angle at the top ⁇ identical to that of the conical surface relating to the male thread, a bottom of the thread 30 also disposed on a conical surface with a half-angle at the top ⁇ .
  • the angles ⁇ and B are different, their difference ⁇ being such that the threads 22 are narrower at their apex 28 than at their base.
  • £ 2 represents the width of the female net at half height while £ A represents the space between teeth of the female net at half height; the sum (£ 2 + £ A) represents the pitch of the female net which is identical to the pitch of the male net.
  • FIG. 4C represents the position of male 21 and female 22 threads at the time of the first contact during screwing.
  • the supporting flanks 23, 24 rectilinear with angle ⁇ are in contact distributed over their entire common width.
  • the vertices of the threads 29, 28 are still distant from the corresponding thread bottoms 30, 27.
  • the engagement flanks 125, 26 are in contact at the point O which is located on the arc MP closer to M than to P on the male flank 125 and also closer to Q than to N on the female flank 26. The contact therefore takes place on the side of the male thread top where the groove 31 is located.
  • the groove 31 which opens onto the top of the thread 29 adjacent to the convex convex flank 125 allows the two parts 33, 35 of male thread 21 to be deformed by bending under the fretting contact pressure resulting from the continued screwing in. beyond the first contact: the groove 31 therefore makes it possible to soften the structure of the male thread 21 and to reduce the rigidity of the engagement flank 125.
  • the deformation of the two parts 33, 35 of male thread is proportional to the contact pressure since the material of the male thread 21 is made to work in the elastic range, the solid female thread 22 being able to be considered in first approximation as rigid and the stiffness of the spring constituted by the thread part 35 between the groove 31 and the flexible engagement flank being determined by the geometry of this thread part 35 and by the elasticity of the material, for example the steel, of which it is made.
  • the curvature of the convex convex male engagement flank 125 makes it possible to work the groove optimally: in the absence of such a curvature, that is to say if the male engagement flank was rectilinear at an angle equal to B, there would be approximation by translation of the parts 33, 35 of the male thread tooth, which would lead to a significant reduction in the radius R2 at the bottom of the groove and to a risk of shearing of the root of the thread parts 33 , 35.
  • the curvature of the male engagement flank 125 allows, on the contrary, the progressive rotation of the convex convex engagement flank 125 thus made flexible during the continuation of the screwing, as well as a distribution of the contact pressures according to Hertz theory.
  • the center of rotation of the flexible engagement flank 125 is substantially located at P, at the foot of the flexible engagement flank 125.
  • Figure 4D illustrates the positioning of the threads at the end of screwing.
  • the part 35 of the thread between groove 31 and flexible engagement flank 125 has rotated by a certain angle to allow adaptation of the space between flanks of male and female threads.
  • the initial contact point O has moved in O 'towards the point P along the arc MP.
  • Such displacement OO ′ is beneficial because it makes it possible not to always work the same point of the engagement flanks during screwing and therefore to limit the risks of seizing.
  • the graph in FIG. 8 shows the displacement DC of the contact point O along the arc MP of the flexible flank 125 of FIG. 4 as a function of the tightening FA on the engagement flank for various values of the angle A included between 9 and 14.
  • angle A less than 9 ° because the point O would then risk being outside the arc MP beyond M. Values of angle A greater than 12 ° are also not desirable since the final contact point O 'could be beyond P for certain pairs of male-female threaded elements that are poorly matched.
  • FIG. 9 shows on the same threaded joints the evolution of the angle of rotation RFE of the flexible side 125 as a function of the tightening FA.
  • the graph in FIG. 10 shows for the same type of threaded joint the influence for different radii of curvature R1 of the sidewall 125 the influence of the tightening FA on the displacement DC of the contact point, the angle A being kept constant and equal at 10 °.
  • the initial contact takes place at M and the contact point quickly moves along the arc MP as and when tightening.
  • the male threaded element is conventional with a male thread with rectilinear faces while the female threaded element comprises a female thread having a convex convex flank of engagement and a groove opening at the top of the female thread.
  • FIG. 5 is a variant of FIG. 4.
  • the male thread 21 also has a convex flank 125 convexly convex of angle A with half flank width, but it does not have a groove.
  • a groove 32 is on the other hand disposed on the female thread 22 and allows the bending of the rectilinear female engagement flank 26 which corresponds to the convex convex engagement flank 125 in the condition of shrinking contact during screwing.
  • the angle A is greater than the angle B.
  • Such a configuration allows, as seen in FIGS. 5C and 5D, a first contact in O on the half-width of the engagement flank flexible 26 on the side of the female thread top 28 where the groove 32 is located. This configuration also allows the displacement OO ′ of the contact point towards the center of rotation Q.
  • FIG. 6 shows the application to the threaded joint 300 of FIG. 2 of a thread with a convex groove and flank of engagement convex to a cylindrical thread with trapezoidal threads called corners or with variable width, such threads with corner threads being in particular known from US patent Re 30647.
  • the male thread 303 ′ of FIG. 6B comprises threads of the trapezoidal type in dovetail and with variable width.
  • the male trapezoidal threads 321 comprise: a straight top of thread 329 parallel to the axis of the threaded joint; - A thread bottom 327 also straight and parallel to the axis of the threaded joint; a straight flank 325 which overhangs the bottom of the thread 327, the angle ⁇ between flank and normal to the axis of the assembly being counted thereby negatively; a convex convex flank 323 of radius R1 (apart from the connections with the tops and the bottoms of the thread).
  • the flank 323 is such that the tangent 339 at mid-height of the net forms an angle A with the normal to the axis of the assembly.
  • angles ⁇ and A are such that the threads are wider at their top 329 than at their base (dovetail threads).
  • These threads are said to be of constant pitch and of variable width because the thread width increases (and therefore the space between thread teeth decreases) when one moves away from the free end of the threaded element: there is thus £ 3.1 greater than £ 3.2 in FIG. 7B.
  • the female threads 322 are of the type known as a dovetail with variable width and suitable for the male threads 321.
  • the thread vertices 328 and thread bottoms 330 are straight and parallel to the axis of the assembly.
  • the load-bearing 324 and engagement 326 sides are also rectilinear; they both overhang the thread bottoms 330 so that their respective angles B and ⁇ with respect to the normal to the axis of the assembly are counted negatively.
  • the female threads 322 further comprise over their entire length a helical groove 332 whose profile has an axis substantially normal to the axis of the assembly and which opens onto the top of the thread 328.
  • This groove has a V-shaped profile with rounded bottom of radius R2 equal to 0.4 mm.
  • the point O is located on the segment NQ on the side of the top of the thread 328 where the groove 332 is located. This comes, as before, from the fact that the angle A is less than the angle B in absolute value.
  • the function of the groove 332 advantageously aided by the convex convex shape of the supporting flank 323 is to allow such elastic deformation of the flanks.
  • the functions of the groove 332 and of the convex curved flank 323 are similar to those of the grooves 31, 32 and of the convex curved flank 125 of FIGS. 4 and 5, the flexible flank 324 being rectilinear as in the case of FIG. 5.
  • FIGS. 4 to 6 can also be adapted to conical threads with corner threads of variable width of the type disclosed in document WO 94/29627. Such an adaptation is easy for a person skilled in the art taking into account the preceding indications.
  • tubular threaded joint with axial shrinking according to FIG. 4 which presents a radial interference between the tops of one of the threads, male or female and the bottom of the conjugate thread at the end of screwing.
  • the height h1 of the male threads is slightly less than that h2 of the female threads and the width of the male or female threads is slightly less than that of the spaces between corresponding threads as in FIGS. 3A, 3B so that after screwing (fig. 11C) the female thread tops 28 interfere radially with the male thread bottoms 27 while there is a radial clearance between male thread tips 29 and female thread bottoms 30.
  • the male 123 and female 24 supporting flanks are in support while there is an axial clearance between male 25 and female 26 engagement flanks.
  • the female threads 22 are full while the male threads 21 have a groove 31 similar to that of FIG. 4, which makes it possible to accommodate the variations in contact pressure in service.
  • the curvature of the male supporting flank 123 allows, in addition to the effects on the resistance to over-rolling and unscrewing, very advantageously, to control the width of the contact and the location of the contact between the supporting flanks 123, 24 as indicated above when the convex convex face is an engagement flank (see Figures 4 and 5). Similar effects could be obtained by producing a convex convex female carrying flank, the male carrying flank being rectilinear.

Abstract

Le joint fileté tubulaire comprend deux éléments filetés mâle et femelle vissés l'un dans l'autre sous un couple donné dans lesquels au moins une face de filet sous pression de contact (125) possède avant vissage une forme bombée convexe continue sur sa largeur de rayon de courbure compris entre 2 et 60 mm et est en contact ponctuel avec la face correspondante (26) de l'élément conjugué. Un tel joint fileté présente une résistance accrue au dévissage ou au survissage. Dans un mode de réalisation, la face bombée convexe (125) est un flanc de filet mâle ou femelle et un des filets mâle ou femelle comprend une gorge (31) débouchant en sommet de filet (29) pour rendre flexible selon le cas le flanc bombé convexe (125) ou le flanc correspondant. Une telle géométrie permet d'accommoder les variations de contact entre flancs.

Description

Joint fileté tubulaire à filets trapézoïdaux avec face de filet bombée convexe
L'invention concerne les joints filetés tubulaires comprenant un élément fileté mâle et un élément fileté femelle à filets trapézoïdaux disposés en extrémité de tubes à assembler, les éléments filetés pouvant être disposés aussi pion en extrémité de tubes de grande longueur que de tubes de faible longueur tels que des manchons.
De tels joints filetés tubulaires sont notamment utilisés pour constituer des colonnes de tubes de cuvelage ou de production ou des trains de tiges de forage pour des puits d'hydrocarbures ou pour des puits similaires tels que des puits pour la géothermie.
Ils sont par exemple définis par les spécifications API 5B et 5CT de l'American Petroleum Institute (API) avec des filetages coniques à flleb i trapézoïdaux dits "Buttress".
Les filets trapézoïdaux comprennent un flanc d'engagement du ι»té des filets dirigé vers l'extrémité libre de l'élément fileté considéré, un flanc port aux du côté apposé des filets, un sommet de filet de largeur non nulle et un fond de filet de largeur également non nulle, les flancs porteurs et les flancs d'engagement étant d'orientation sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'élément -ileté (inclinaison de +3" pour les flancs porteurs, de +10β pour les flancs d'engagement par exemple dans le cas du filet APl Buttress).
Les filets trapézoïdaux sont ainsi définis dans le présent document par opposition à d'autres types de filets définis par les spécifications API précitées, à savoir les filets triangulaires ou triangulaires arrondis ("ronds") dont les flancs porteurs et d'engagement sont fortement inclinés par rapport à la normale à l'axe de l'élément fileté (de 30° par example) et dont les sommets et fonds de filet sont de largeur sensiblement nulle, ils présentent par rapport aux filets triangulaires ou ronds des avantages importants vis-à-vis du risque inacceptable de dés ngrèπement fjump ouf").
Les jointe filetés tubulaires à filets trapézoïdaux selon A ont fait l'objet de nombreux développements, notamment pour améliorer l<sur résistance aux sollicitations très diverses résultant des conditions d'exploitation (traction axiale, compression axiale, flexion, torsion, pression intérieure ou extérieure...) et leur étanchéité aux fluides circulant à l'intérieur ou à l'extérieur de ces joints sous de telles sollicitations. Ces améliorations sont par exemple décrites dans les documents EP 488 912, EP 707 133, EP 454 147, WO 00/14441.
D'autres types de joints filetés à filets trapézoïdaux décrits par exemple dans les brevets US 4 521 042 ou US 4 570 982 et destinés au même usage mettent en œuvre des filetages cylindriques, notamment à double étage.
De manière générale les faces des filets trapézoïdaux des joints filetés de l'état de la technique c'est-à-dire les flancs de filets ainsi que les sommets et fonds de filets apparaissent rectilignes en coupe axiale hormis au niveau des raccordements entre faces, raccordements qui présentent généralement un rayon de raccordement ou un chanfrein ; c'est pourquoi on appellera de telles faces dans le présent document des faces rectilignes.
Dans tous ces types de joints filetés tubulaires, on développe, en fin de vissage des éléments filetés l'un dans l'autre, un contact avec pression de contact entre au moins une face de filet mâle et la face correspondante du filet femelle. Selon le type de filetage, cette pression de contact peut se développer entre sommets et fonds de filet conjugués, entre flancs porteurs, entre flancs d'engagement ou entre plusieurs de ces faces.
Le développement d'une pression de contact entre faces correspondantes de filets trapézoïdaux (et éventuellement entre d'autres surfaces telles que des portées d'étanchéité et des surfaces transversales de butée disposées de manière correspondante sur les éléments filetés) résulte de la nécessité de visser le joint fileté sous un couple notable de vissage
Une fois le joint fileté assemblé sous un couple de vissage donné, on constate sur les joints filetés connus qu'il suffit d'appliquer un couple à peine supérieur en valeur absolue au couple de vissage pour, selon le sens de ce couple, survisser ou dévisser le joint fileté.
Un survissage peut notamment survenir lors de la descente en rotation d'une colonne de tubes au fond de puits d'hydrocarbures déviés voire horizontaux et occasionner un écart de positionnement relatif des éléments mâles et femelles avec pour conséquence néfaste un risque de fuite des joints filetés.
Un dévissage accidentel dans un puits peut avoir des conséquences encore plus graves.
On a donc cherché par l'invention à réaliser des joints filetés tubulaires à filets trapézoïdaux qui une fois vissés nécessitent, pour aller au-delà de leur position de vissage ou pour les dévisser, des couples sensiblement supérieurs en valeur absolue au couple dit de vissage sans que ces joints filetés tubulaires soient sensibles au grippage.
On a aussi cherché à éviter les grippages résultant de pressions de contact excessives entre faces correspondantes de filet, notamment entre flancs correspondants de filet.
On a particulièrement cherché à éviter les grippages dans le cas de filetages à frettage axial ou à filets coins décrits par exemple respectivement dans les demandes de brevet WO 00/14441 et WO 94/29627 où un contact frettant se produit à la fois entre flancs porteurs et flancs d'engagement des filets, les pressions de contact développées entre les flancs en contact frettant étant très sensibles à la géométrie effective des filets mâles et femelles et donc à leur appariement.
Ceci oblige à usiner les filetages avec une grande précision, donc à un coût élevé. On a aussi cherché à ce que de tels joints filetés tubulaires avec des filets coins ou des filets à frettage axial puissent être usinés avec des tolérances dimensionnelles normales, par exemple de l'ordre de 0,01 mm.
Le joint fileté tubulaire selon l'invention comprend un élément fileté mâle en extrémité d'un premier tube et un élément fileté femelle en extrémité d'un second tube.
L'élément fileté mâle comporte extérieurement un filetage mâle à filets trapézoïdaux sur sensiblement toute la longueur du filetage et l'élément fileté femelle comporte intérieurement un filetage femelle conjugué du filetage mâle, c'est-à-dire de forme et de disposition adaptées à leur vissage. Les éléments filetés mâles et femelles sont vissés l'un dans l'autre sous un couple de vissage donné de sorte qu'au moins une face de filet mâle est sous pression de contact avec la face correspondante du filetage femelle.
Par filetage, on entend un filetage en une seule ou plusieurs parties filetées. Dans ce dernier cas, les filets sont trapézoïdaux sur sensiblement toute la longueur de chacune des parties filetées.
Au moins une face de filet sous pression de contact d'un filetage possède avant vissage une forme bombée convexe continue sur la largeur de la face considérée et est en contact dit ponctuel avec la face correspondante du filetage conjugué.
On entend dans le présent document par face bombée convexe une face de filet qui apparaît comme curviligne convexe en coupe axiale. De même on entend respectivement par face bombée concave et par face rectiligne des faces qui apparaissent comme telles en coupe axiale (hormis au niveau des raccordements avec les faces adjacentes).
Le terme « largeur » de face désigne dans le présent document la dimension de la face vue en coupe axiale. Le terme « largeur » de face désigne par conséquent la dimension essentiellement axiale de sommets ou de fonds de filet et la dimension essentiellement radiale de flancs de filet.
Le terme "filet trapézoïdal" correspond à la définition générale qui a été donnée ci- avant même si certaines faces ne sont pas rectilignes dans le cas de la présente invention. Il recouvre des filets trapézoïdaux avec des angles de flancs porteurs et d'engagement tant positifs que négatifs ou nuls (filets carrés, en crochet, en semi- queue d'aronde ou en queue d'aronde), la convention de signe étant illustrée dans les modes de réalisation exposés plus loin dans le texte.
Une face bombée convexe telle que définie crée avec la face correspondante du filetage conjugué un contact qui apparaît, selon une coupe passant par l'axe de l'assemblage, comme ponctuel ou sensiblement ponctuel pourvu, bien sûr, que les rayons de courbure des faces correspondantes soient adaptés. La pression de contact résultant dudit contact ponctuel est maximale au niveau du point de contact et décroît de chaque côté de ce point plus ou moins rapidement selon les écarts de rayon de courbure des deux faces en contact et les caractéristiques d'élasticité des matériaux en contact.
La courbure de la face bombée convexe est choisie pour que le joint fileté selon l'invention présente, une fois vissé sous le couple de vissage donné comparativement à un joint fileté conventionnel dont toutes les faces de filets mâles et femelles sont rectilignes, une résistance sensiblement accrue au dévissage ou au survissage.
Il faut en effet de manière surprenante appliquer un couple nettement supérieur en valeur absolue au couple de vissage, en moyenne un couple supérieur d'au moins 5 % au couple de vissage, pour selon le sens du couple appliqué survisser ou dévisser le joint fileté selon l'invention une fois celui-ci vissé au couple de vissage spécifié. On s'attendrait à priori au contraire, c'est-à-dire à une résistance accrue au dévissage/survissage pour le joint fileté à faces de filets rectilignes qui présente a priori de plus grandes surfaces de frottement.
En outre, compte tenu des charges auxquelles sont soumises les faces de filets de joints filetés tubulaires, notamment dans le cas de joints filetés tubulaires mis en œuvre pour l'exploitation de puits d'hydrocarbures qui possèdent de faibles largeur et hauteur de filet, l'homme du métier n'était jusqu'à présent pas incité à établir des contacts ponctuels donc non répartis entre faces correspondantes sous pression de contact de filets trapézoïdaux
La courbure de ladite face bombée convexe est également adaptée à la géométrie de la face correspondante en contact pour que la pression maximale ne conduise pas à une plastification du matériau des faces en contact ponctuel.
Avantageusement pour cela, ladite face bombée convexe présente sur sa largeur hormis au niveau des raccordements avec les faces adjacentes un ou des rayons de courbure compris entre 2 et 60 mm et préférentiellement entre 3 et 20mm.
Ladite face bombée convexe peut être réalisée sur toute ou partie de la longueur du filetage considéré mais elle est préférentiellement réalisée sur toute la longueur du filetage considéré et donc sur toute la longueur de chacune des parties filetées lorsque le filetage comporte plusieurs parties filetées.
Préférentiellement, ladite face bombée convexe possède une courbure uniforme sur la largeur de la face considérée hormis au niveau des raccordements avec les faces adjacentes.
Préférentiellement aussi, ladite face bombée convexe possède une courbure uniforme sur toute la longueur du filetage.
Préférentiellement aussi une face bombée convexe correspond avec une face rectiligne sur le filetage conjugué.
De manière très préférentielle, il n'existe qu'une seule face bombée convexe disposée sur un seul filetage, mâle ou femelle.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les filetages mâle et femelle du joint fileté sont coniques à filets interférant radialement l'un sur l'autre et ladite face bombée convexe est un sommet de filet.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, ladite face bombée convexe est un flanc de filet mâle ou femelle et l'un ou l'autre des filets, mâle ou femelle, comprend un moyen pour rendre flexible le flanc bombé convexe ou le flanc correspondant à celui-ci sur le filetage conjugué.
Préférentiellement le flanc bombé convexe est un flanc porteur.
En variante de ce second mode de réalisation, le flanc bombé convexe est un flanc d'engagement.
La flexion du flanc qualifié ainsi de flexible dans la suite du présent document augmente avec la pression de contact au cours ou en fin de vissage et permet notamment aux filets de s'adapter aux écarts de cotes dimensionnelles des filetages mâle et femelle par rapport aux cotes nominales sans générer de pression de contact excessive. Préférentiellement dans ce second mode de réalisation de l'invention, ledit moyen pour rendre flexible le flanc bombé convexe ou le flanc correspondant à celui-ci est une gorge disposée sur le sommet de filet adjacent au flanc flexible.
La flexion de la partie de filet entre gorge et flanc flexible lors d'un contact sous pression de contact induit dans une représentation en coupe axiale une rotation du flanc flexible autour d'un centre de rotation situé au pied du flanc flexible.
Préférentiellement la profondeur de la gorge est inférieure ou égale à la hauteur de filet où elle est réalisée.
Préférentiellement aussi, la gorge possède à son débouché une largeur inférieure ou égale aux 2/3 de la largeur du filet où elle est réalisée, la largeur de filet étant mesurée à mi-hauteur de celui-ci.
Préférentiellement encore, le fond de la gorge est arrondi suivant un rayon supérieur ou égal à 0,2 mm.
Avantageusement dans le cas où le moyen pour diminuer la rigidité d'un flanc de filet est une gorge, l'angle appelé « angle de flanc bombé convexe » formé par la tangente au flanc bombé convexe à mi-hauteur de celui-ci et la normale à l'axe de l'assemblage est différent de l'angle appelé « angle de flanc correspondant » formé par la tangente au flanc correspondant au flanc bombé convexe prise également à mi-hauteur dudit flanc correspondant et la normale à l'axe de l'assemblage.
Une telle différence entre ces angles entraîne un déplacement du point de contact entre flanc bombé convexe et flanc correspondant le long de ces flancs lors de la mise en flexion du flanc flexible en fin de vissage ou en fonction des sollicitations axiales en service.
Un tel déplacement du point de contact évite de toujours solliciter le même point du flanc bombé convexe et du flanc correspondant, ce qui tend à réduire les risques de grippage de ces flancs après plusieurs vissages-dévissages.
Très avantageusement dans ce cas, les valeurs de l'angle de flanc bombé convexe et de l'angle de flanc correspondant sont telles que le premier contact entre le flanc bombé convexe et le flanc correspondant a lieu sur le flanc flexible du côté du sommet de filet où est implantée la gorge.
Très avantageusement aussi, le signe de la valeur algébrique du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe et l'angle de flanc correspondant est tel que le point de contact entre le flanc bombé convexe et le flanc correspondant se déplace au cours du vissage vers le centre de rotation du flanc flexible.
Très avantageusement encore, la valeur du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe et l'angle de flanc correspondant est telle que le point de contact final entre le flanc bombé convexe et le flanc correspondant une fois le joint fileté totalement vissé se situe en dehors du quart de largeur du flanc bombé convexe situé en extrémité de celui-ci du côté pied de filet.
Une telle disposition permet d'éviter des concentrations de contraintes excessives et néfastes au niveau du pied de filet.
Les valeurs de l'angle de flanc bombé convexe et de l'angle de flanc correspondant pour obtenir de tels effets techniques sont déterminables par calcul ou par essais ainsi qu'on le verra dans les modes de réalisation exposés.
Préférentiellement, la valeur absolue du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe et l'angle de flanc correspondant est comprise entre 1 et 5e.
Préférentiellement sur le joint fileté selon l'invention, chaque élément mâle et femelle comprend au moins une portée d'étanchéité, chaque portée d'étanchéité mâle interférant radialement avec une portée d'étanchéité femelle correspondante sur le joint fileté tubulaire à l'état vissé en position.
Préférentiellement aussi sur le joint fileté selon l'invention, chaque élément mâle et femelle comprend au moins une surface annulaire transversale de butée, au moins une surface de butée mâle étant en appui contre une surface de butée femelle correspondante sur le joint fileté tubulaire à l'état vissé en position.
Les figures ci-après décrivent de manière schématique et non limitative différents modes de réalisation et d'utilisation de joints filetés tubulaires selon l'invention. La figure 1 décrit un assemblage fileté manchonné comportant deux joints filetés à filetages coniques et filets trapézoïdaux.
La figure 2 décrit un assemblage fileté intégral comportant un joint fileté à filetages cylindriques bi-étagés et filets trapézoïdaux.
La figure 3 décrit quelques filets trapézoïdaux d'un joint fileté selon l'invention du type de la figure 1 dans lequel les sommets de filet femelles sont bombés convexes : la figure 3A se rapporte au filetage femelle seul, la figure 3B se rapporte au filetage mâle seul et la figure 3C se rapporte à l'assemblage terminé des éléments des figures 3A et 3B.
La figure 4 décrit quelques filets d'un autre joint fileté selon l'invention, le joint fileté étant du type de la figure 1 avec des filets trapézoïdaux à frettage axial dont le flanc d'engagement mâle est bombé convexe.
La figure 5 décrit une variante du joint fileté de la figure 4.
La figure 6 décrit quelques filets d'un autre joint fileté selon l'invention, du type de la figure 2 avec des filets trapézoïdaux coins à largeur variable dont le flanc porteur mâle est bombé convexe.
Les figures 4 à 6 comprennent chacune 4 sous-figures repérées par les indices A à D : L'indice A se rapporte au filetage femelle seul tandis que l'indice B se rapporte au filetage mâle seul. L'indice C se rapporte à l'assemblage des éléments des indices A et B en cours de vissage au point où les faces correspondantes arrivent en contact. L'indice D se rapporte à l'assemblage terminé des éléments des indices A et B.
Les figures 1 à 6 ne sont pas à l'échelle, les caractéristiques des joints filetés ayant été exagérées pour mieux les mettre en évidence ou mieux en faire comprendre le fonctionnement.
La figure 7 représente la répartition des pressions de contact entre sommet mâle et fond femelle de filets trapézoïdaux interférents, la figure 7A étant relative au contact entre sommet et fond rectilignes d'un joint fileté de l'état de la technique et la figure 7B au contact entre fond rectiligne et sommet bombé convexe du joint fileté de la figure 3C.
La figure 8 est un graphique représentant le déplacement du point de contact frettant dans le cas des filets de la figure 4 en fonction du vissage pour différentes configurations angulaires des flancs d'engagement.
La figure 9 est un graphique représentant la rotation du flanc d'engagement flexible de la figure 4 en fonction du vissage pour différentes configurations angulaires des flancs d'engagement.
La figure 10 est un graphique représentant le déplacement du point de contact frettant dans le cas des filets de la figure 4 en fonction du vissage pour différents rayons de courbure de la face bombée convexe.
La figure 11 représente quelques filets d'un autre joint fileté selon l'invention du type de la figure 1 avec des filetages coniques à filets trapézoïdaux interférents.
La figure 1 représente un assemblage fileté manchonne 200 entre deux tubes de grande longueur 101 , 101'.
Par tube de grande longueur, on entend des tubes de plusieurs mètres de longueur, par exemple d'environ 10 m de longueur.
De tels tubes sont couramment assemblés pour constituer des colonnes de tubes de cuvelage ou de production pour les puits d'hydrocarbures ou des trains de tiges de forage pour les mêmes puits.
Les tubes peuvent être réalisés en toutes sortes d'aciers non alliés, faiblement alliés ou fortement alliés, voire en alliages ferreux ou non ferreux pour s'adapter aux différentes conditions de service : niveau de sollicitation mécanique, caractère corrosif du fluide intérieur ou extérieur aux tubes. On peut également utiliser des tubes en acier peu résistant à la corrosion munis d'un revêtement par exemple en matériau synthétique empêchant tout contact entre l'acier et le fluide corrosif.
Les tubes 101 , 101' sont munis à leurs extrémités d'éléments filetés mâles identiques 1 , 1 ' et sont assemblés par l'intermédiaire d'un manchon 202 muni à chaque extrémité d'un élément fileté femelle 2, 2'.
Les éléments filetés mâles 1 , 1 ' sont respectivement assemblés par vissage dans les éléments filetés femelles 2, 2' en constituant deux joints filetés 100, 100' symétriques réunis par un talon 10 de quelques centimètres de longueur.
Le talon 10 du manchon possède un diamètre intérieur sensiblement identique à celui des tubes 101 , 101 ' de sorte que l'écoulement du fluide circulant intérieurement n'est pas perturbé.
Les joints filetés 100, 100' étant symétriques, on ne décrira le fonctionnement que d'un seul de ces joints.
L'élément fileté mâle 1 comprend un filetage mâle 3 à filets trapézoïdaux dérivés du type dit « Buttress » selon spécification API 5B ; ce filetage mâle 3 est conique et disposé sur l'extérieur de l'élément mâle et il est séparé de l'extrémité libre 7 dudit élément par une lèvre non filetée 11. L'extrémité libre 7 est une surface annulaire sensiblement transversale de butée.
Jouxtant l'extrémité libre 7 sur la surface extérieure de la lèvre 11 se trouve une surface conique de portée 5 dont la conicité est supérieure à celle du filetage mâle 3.
L'élément femelle 2 comprend des moyens conjugués de ceux de l'élément mâle 1 , c'est-à-dire qu'ils correspondent de par la forme et sont destinés à coopérer de par leur disposition avec les moyens mâles.
L'élément femelle 2 comprend ainsi intérieurement un filetage femelle conique 4 et une partie non filetée entre le filetage et le talon 10. Cette partie non filetée comprend notamment une surface annulaire d'orientation sensiblement transversale de butée 8 formant épaulement à l'extrémité du talon et une surface conique de portée 6 à la suite de l'épaulement.
Après vissage complet du filetage mâle dans le filetage femelle, les surfaces transversales de butée 7 et 8 sont en appui l'une contre l'autre tandis que les surfaces de portée 5, 6 interfèrent radialement et sont de ce fait sous pression de contact métal-métal. Les surfaces de portée 5, 6 constituent ainsi des portées d'étanchéité qui rendent le joint fileté étanche même pour des pressions de fluide intérieur ou extérieur élevées et pour des sollicitations diverses (traction axiale, compression axiale, flexion, torsion...).
On peut aussi intégrer dans les filetages un anneau d'étanchéité en matériau synthétique tel qu'un fluoropolymère pour réaliser ou renforcer l'étanchéité.
Un autre exemple d'assemblage fileté entre deux tubes de grande longueur est illustré à la figure 2, ce type d'assemblage 300 qui ne met en œuvre qu'un seul joint fileté étant qualifié d'intégral.
Le tube 301 est muni à une de ses extrémités d'un élément fileté mâle 1 , le second tube 302 étant muni d'un élément fileté femelle 2 à l'extrémité correspondante.
L'élément fileté mâle 1 comprend un filetage mâle extérieur constitué dans le cas de la figure 2 de deux étages ou gradins cylindriques 303, 303', à filets trapézoïdaux séparés par une surface annulaire transversale 307 d'un épaulement central formant butée, le gradin de plus faible diamètre 303' étant disposé du côté extrémité libre 309' de l'élément, laquelle extrémité libre 309' est une surface annulaire transversale.
Entre partie filetée 303' et surface d'extrémité 309' se trouve extérieurement une surface de portée conique 311 '.
A l'opposé sur l'élément mâle, la partie filetée 303 est prolongée par une partie non filetée comprenant une surface de portée conique 311 et une surface annulaire transversale 309 formant épaulement. L'élément fileté femelle 2 comprend intérieurement des moyens femelles conjugués des moyens mâles.
L'élément femelle 2 comprend ainsi un filetage femelle constitué de 2 gradins cylindriques 304, 304' séparés par une surface annulaire transversale 308 d'un épaulement central formant butée, le gradin de plus grand diamètre 304 étant disposé vers l'extrémité libre annulaire transversale 310 de l'élément femelle.
L'élément femelle comprend en outre deux surfaces coniques de portée 312, 312' correspondant aux surfaces de portée mâles 311 , 311' et une surface annulaire transversale 310' formant épaulement à l'extrémité de l'élément opposée à l'extrémité libre 310.
A l'état vissé, les parties filetées mâles 303, 303' sont vissées respectivement dans les parties filetées femelles 304, 304' et les surfaces de butée des épaulements centraux 307, 308 sont en appui l'une contre l'autre. Les surfaces transversales d'extrémité 309, 309' sont en quasi-contact avec celles d'épaulement respectivement 310, 310' et constituent des butées auxiliaires pour la butée principale centrale 307, 308.
Les surfaces de portée mâles 311 , 311' interfèrent radialement respectivement avec les surfaces de portée femelles 312, 312' en développant des pressions de contact métal-métal élevées aptes à assurer l'étanchéité du joint vis-à-vis de fluides extérieurs ou intérieurs.
En variantes non représentées, l'assemblage fileté manchonne peut être à filetages cylindriques et l'assemblage intégral à filetages coniques.
Les filetages peuvent aussi être chacun à deux parties filetées coniques de conicité identique ou différente ou du type cylindro-conique, les parties filetées d'un même filetage pouvant être étagées ou non étagées.
Dans les figures 1 et 2, les filetages ont été schématisés par les génératrices ou les enveloppes de sommet de filet et de fond de filet. Les figures suivantes permettent de décrire les filets de joints filetés selon plusieurs variantes de l'invention.
La figure 3 est relative à des filetages coniques à filets trapézoïdaux interférents radialement et à sommets de filet bombés convexes d'un joint fileté 100 de la figure 1.
La figure 3B représente les filets mâles 21 de ce type de joint fileté qui ont une forme trapézoïdale classique en coupe axiale et qui comportent un flanc porteur 23, un flanc d'engagement 25, un sommet de filet 29 et un fond de filet 27. Leur hauteur est h1 et leur largeur à mi-hauteur est de 2,5 mm (filetage du type 5 filets par pouce).
Les sommets et fonds de filets sont disposés sur des surfaces coniques de même conicité définie par le demi-angle au sommet γ entre le cône « primitif » symbolisé par sa génératrice 37 et la direction de l'axe de l'assemblage.
Les sommets de filet 29 et les fonds de filet 27 sont rectilignes hormis au niveau des raccordements avec les flancs ; ces raccordements présentent de manière connue en soi un rayon de l'ordre de la fraction de mm pour limiter les concentrations de contraintes des fonds de filet et la fragilité des arêtes ; les sommets de filet 29 et les fonds de filet 27 sont disposés sur des surfaces coniques de demi-angle au sommet γ.
Les flancs porteurs 23 et d'engagement 25 sont également rectilignes et font respectivement un angle α et β avec la normale à l'axe de l'assemblage.
Dans le cas présent, α est légèrement négatif (le flanc 23 surplombe quelque peu le fond de filet 27) alors que l'angle β est positif et davantage incliné.
Il s'ensuit que les flancs forment entre eux un angle δ tel que les filets trapézoïdaux 21 sont moins larges à leur sommet 29 qu'à leur base.
Les filets femelles 22 sont représentés figure 3A. Leur forme est sensiblement trapézoïdale et adaptée au vissage avec les filets mâles 21. Leur hauteur h2 est légèrement supérieure à celle h1 des filets mâles 21 et leur largeur à mi-hauteur est de 2,5 mm (filetage du type 5 filets par pouce).
Les sommets de filet femelle 128 et fonds de filet femelle 30 sont tangents à ou sont disposés sur des surfaces coniques de demi-angle au sommet γ identique à celui relatif aux filets femelles.
Les fonds de filet femelle 30 sont rectilignes hormis au niveau des raccordements avec les flancs qui présentent comme les filets mâles un rayon de raccordement.
Les sommets de filet femelle 128 sont bombés convexes de manière continue sur toute leur largeur, c'est-à-dire qu'ils ne présentent pas de discontinuité sur leur largeur.
Ils possèdent un rayon R3 égal à 5 mm (hormis au niveau des raccordements avec les flancs qui présentent un rayon de raccordement plus faible adapté aux rayons de raccordement des filets mâles)
Les flancs porteurs 24 et d'engagement 26 font respectivement les mêmes angles α et β avec la normale à l'axe de l'assemblage que les flancs correspondants 23, 25 du filetage mâle.
Lorsque l'on visse le filetage mâle 3 dans le filetage femelle 4, à un moment donné un contact se produit entre le sommet de filet femelle 128 bombé convexe et le fond de filet mâle 27 car on s'est arrangé du point de vue géométrique (h2 > h1) pour qu'un jeu subsiste entre sommet de filet mâle 29 et fond de filet femelle 30 qui sont tous deux rectilignes : voir Figure 3C.
Compte tenu de la présence des butées 7, 8 (voir figure 1) qui sont en appui l'une sur l'autre une fois le joint fileté vissé, les éléments mâles et femelles sont sous traction axiale, ce qui fait que les flancs porteurs 23, 24 sont sous pression de contact. Au contraire, il existe un jeu entre flancs d'engagement mâle et femelle 25, 26. Le contact dit interfèrent entre le sommet de filet femelle 128 bombé convexe et le fond de filet mâle 27 se produit ponctuellement en O qui est sensiblement au milieu du sommet bombé 128 et du fond rectiligne 27.
La courbure du sommet de filet femelle 128 bombé convexe permet d'accroître la résistance au dévissage ou au survissage du joint fileté selon l'invention.
La figure 7A montre schématiquement la répartition des pressions de contact sur un joint fileté de l'état de la technique entre un sommet de filet femelle 28 de forme rectiligne et un fond de filet mâle 27 correspondant de forme également rectiligne.
Les flèches Pc donnent la mesure de la pression locale de contact en chaque point du contact réparti ; on constate que les valeurs de pression de contact Pc sont plus élevées à chaque extrémité R, S, T, U des segments de contact.
Il s'ensuit que la graisse introduite pour lubrifier les filetages et éviter le grippage tend à être piégée à l'intérieur du segment de contact.
Une fois le vissage terminé sous un couple Tf donné, il suffit sur un tel joint fileté de l'état de la technique d'exercer un couple Ts de valeur à peine supérieure à Tf pour reprendre le vissage compte tenu du lubrifiant piégé dans les segments de contact. Ceci se traduit par un déplacement relatif des éléments mâles et femelles et par un positionnement inadéquat des moyens d'étanchéité.
Les techniques récentes de forage de puits déviés en oblique voire horizontalement nécessitent notamment de faire tourner les tubes et les joints filetés qui les assemblent lors de leur descente dans le puits et donc de soumettre les joints filetés à un couple de torsion important. Il est impératif qu'une telle rotation ne conduise pas à des fuites en service.
De même pour dévisser un joint fileté, il faut exercer un couple T de sens opposé à Tf mais ce couple est sur un joint fileté de l'état de la technique en valeur absolue identique au couple de vissage Tf.
La figure 7B montre qu'une faible courbure des sommets de filet femelle 128 permet d'éliminer le creux médian de pression de contact et donc le piégeage du lubrifiant entre les sommets de filet femelle 128 et les fonds de filet mâle 27 interférents en créant au contraire un pic médian de pression de contact.
Il faut alors exercer un couple T nettement supérieur à Tf en valeur absolue pour survisser ou dévisser le joint fileté.
Des essais de vissage-dévissage ont ainsi été effectués sur des joints filetés du type VAM TOP ® (selon catalogue VAM ® n° 940 édité en juillet 1994 par Vallourec Oil & Gas) modifiés selon figure 3 et de caractéristiques suivantes : • tubes en acier peu allié traités pour un grade API L80 (limite d'élasticité supérieure ou égale à 552 MPa)
• diamètre extérieur des tubes : 177,8 mm (7")
• épaisseur des tubes : 10,36 mm (29lb/ft)
• filetages à 5 filets par pouce • conicité filetage = 6,25 % (γ = 1 ,79°).
On a mesuré les valeurs de couple de dévissage Tb pour un vissage sous un couple Tf pour 4 joints filetés différents et différents niveaux de couple de vissage.
Sur les 11 essais de vissage-dévissage réalisés, l'écart relatif entre Tf et Tb varie en valeur absolue entre 3 % et 14 % et il est en moyenne de 7,5 %.
Le choix d'un rayon de courbure R3 trop faible conduit à un pic médian de pression de contact trop accusé et par conséquent à un risque de plastification du matériau et/ou de grippage des filets après plusieurs utilisations des joints filetés ; il induit aussi une baisse de la largeur des flancs porteurs 23, 24 et donc de la charge maximale de traction axiale acceptable : un rayon de courbure R3 supérieur ou égal à 2 mm est tout à fait adapté.
Le choix d'un rayon de courbure R3 trop grand ne permet plus d'obtenir l'effet escompté et conduit donc à un risque de piégeage du lubrifiant : un rayon de courbure R3 inférieur ou égal à 60 mm et préférablement à 20 mm est adéquat.
On pourrait encore améliorer la caractéristique avantageuse de résistance au dévissage ou au survissage du joint fileté selon l'invention en réalisant en outre un flanc porteur mâle ou femelle légèrement bombé convexe de manière à éviter tout emprisonnement de graisse au milieu des flancs porteurs.
La figure 4 est relative à des filetages coniques avec des filets trapézoïdaux à frettage axial d'un joint fileté 100 de la figure 1.
On entend par filets trapézoïdaux à frettage axial des filets tels que décrits dans le document WO 00/14441 dans lesquels la largeur des filets à mi-hauteur est supérieure à la largeur également à mi-hauteur des espaces entre filets correspondants du filetage conjugué, ce qui induit un frettage axial des deux flancs de filet d'un filetage par ceux du filetage conjugué et réciproquement.
La figure 4B représente quelques filets mâles 21 qui ont une forme sensiblement trapézoïdale en coupe axiale et qui comportent un flanc porteur 23, un flanc d'engagement 125, un sommet de filet 29 et un fond de filet 27.
Les sommets et fonds de filets sont rectilignes (hormis au niveau des raccordements avec les flancs qui présentent un rayon de l'ordre de la fraction de mm pour limiter les concentrations de contraintes des fonds de filet et la fragilité des arêtes) et sont disposés sur des surfaces coniques de même conicite définie par le demi-angle au sommet γ entre le cône « primitif » symbolisé par sa génératrice 37 et la direction de l'axe de l'assemblage.
Les filets présentent sous toute leur longueur une gorge hélicoïdale 31 dont le profil présente un axe sensiblement normal à celui de l'assemblage qui débouche sur le sommet de filet environ à mi-largeur.
La gorge 31 a un profil en V à fond arrondi, l'angle entre les branches du V est de l'ordre de 35° et le rayon à fond de gorge 61 de 0,4 mm.
Sa largeur au débouché est de l'ordre de 35 % de la largeur du sommet de filet 29 et sa profondeur est de l'ordre de 60 % de la hauteur du filet 21.
Le flanc porteur 23 est rectiligne (hormis au niveau des raccordements avec les sommets et fonds de filet comme il a été indiqué plus haut) et surplombe très légèrement le fond de filet, l'angle α de ce flanc porteur par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage étant de ce fait très légèrement négatif, égal à -3°.
Le flanc d'engagement 125 qui est adjacent au sommet de filet 29 est bombé convexe sur toute sa largeur MP ; il présente un rayon de courbure uniforme R1 de plusieurs mm hormis au niveau des raccordements avec les sommets et fonds de filet où le rayon de courbure est plus faible, de l'ordre de la fraction de mm.
La tangente 39 au flanc d'engagement prise à mi-hauteur de filet fait un angle A avec la normale à l'axe de l'assemblage.
La largeur de filet prise à mi-hauteur de filet est £1 tandis que £Z représente l'espace entre dents de filet à mi-hauteur, la somme (il + £3) étant égale au pas du filet.
La figure 4A représente quelques filets trapézoïdaux femelles 22 de forme adaptée à celle des filets mâles 21.
Les filets femelles 22 possèdent 4 faces rectilignes (hormis au niveau des raccordements avec les sommets et fonds de filet qui présentent de manière connue en soi un rayon de l'ordre de la fraction de mm pour limiter les concentrations de contraintes des fonds de filet et la fragilité des arêtes), à savoir :
un flanc porteur 24 qui surplombe le fond de filet 30 et est incliné d'un angle α par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage, cet angle α étant identique à l'angle de flanc porteur mâle, un flanc d'engagement 26 qui est incliné d'un angle B par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage, l'angle B étant légèrement supérieur à l'angle A de la figure 4B, - un sommet de filet 28 disposé sur une surface conique de demi-angle au sommet γ identique à celui de la surface conique relative au filetage mâle, un fond de filet 30 également disposé sur une surface conique de demi-angle au sommet γ. Les angles α et B sont différents, leur différence δ étant telle que les filets 22 sont moins larges à leur sommet 28 qu'à leur base.
£2 représente la largeur du filet femelle à mi-hauteur tandis que £A représente l'espace entre dents de filet femelle à mi-hauteur ; la somme (£2 + £A) représente le pas du filet femelle qui est identique au pas du filet mâle.
Dans la configuration du joint fileté de la figure 4, £1 est supérieur à £A et £2 est supérieur à £3 ce qui a pour conséquence que, lors du vissage, les deux flancs mâles 23, 125 vont à un moment donné compte tenu de la conicite des filetages venir en contact avec les deux flancs femelles 24, 26 ; en continuant le vissage les filets 21 , 22 vont être soumis à un frettage axial, d'où le qualificatif de filets à frettage axial donné à ce type de filets.
Le figure 4C représente la position de filets mâle 21 et femelle 22 au moment du premier contact au cours du vissage.
Les flancs porteurs 23, 24 rectilignes d'angle α sont en contact réparti sur toute leur largeur commune.
Les sommets de filets 29, 28 sont encore éloignés des fonds de filets correspondants 30, 27.
Les flancs d'engagement 125, 26 sont en contact au point O qui est situé sur l'arc MP plus près de M que de P sur le flanc mâle 125 et également plus près de Q que de N sur le flanc femelle 26. Le contact a donc lieu du côté du sommet de filet mâle où est implantée la gorge 31.
Le contact décalé vers M résulte du fait que l'angle A de la tangente 39 au flanc bombé convexe 125 à mi-hauteur de filet est inférieur à l'angle B constant du flanc femelle rectiligne 26, le point O correspondant au point où la tangente au flanc bombé convexe 125 fait un angle égal à B par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage. Lorsque l'on poursuit le vissage au-delà de la position illustrée par la figure 4C, du fait des filetages coniques, les filets mâles tendent à pénétrer en coin dans les creux entre les filets femelles et réciproquement pour les filets femelles à pénétrer en coin dans les creux entre les filets mâles en générant une pression de contact frettant entre les flancs correspondants. Cette pression de contact augmente lorsque l'on poursuit le vissage du fait de la forme trapézoïdale des filets et de la conicite des filetages.
En l'absence de toute gorge sur des filets mâles et femelles trapézoïdaux classiques, compte tenu de la réalisation des filets en matériau à module d'élasticité élevée du genre acier, les deux flancs forment très vite une butée extrêmement rigide et on ne peut alors plus poursuivre le vissage.
Ceci ne serait pas un inconvénient grave si la géométrie des filets était parfaitement reproductible, ce qui n'est pas le cas.
Des tolérances normales d'usinage de ± 0,01 mm sur les largeurs de filet mâle et femelle sont susceptibles d'entraîner un écart de 0,02 mm sur le frettage axial ou serrage égal à (£1 - £A) ou (£2 - £3).
Cet écart se traduit du fait de la conicite des filetages par des écarts inacceptables de positionnement élément fileté mâle/ élément fileté femelle et il induit notamment des écarts d'interférence radiale au niveau des portées d'étanchéité 5, 6, donc des risques inacceptables de fuite en service.
La gorge 31 qui débouche sur le sommet de filet 29 adjacent au flanc d'engagement bombé convexe 125 permet aux deux parties 33, 35 de filet mâle 21 de se déformer par flexion sous la pression de contact frettant résultant de la poursuite du vissage au-delà du premier contact : la gorge 31 permet donc d'assouplir la structure du filet mâle 21 et de diminuer la rigidité du flanc d'engagement 125.
La déformation des deux parties 33, 35 de filet mâle est proportionnelle à la pression de contact étant donné que l'on fait travailler le matériau du filet mâle 21 dans le domaine élastique, le filet femelle plein 22 pouvant être considéré en première approximation comme rigide et la raideur du ressort constitué par la partie de filet 35 entre la gorge 31 et le flanc d'engagement flexible étant déterminée par la géométrie de cette partie de filet 35 et par l'élasticité du matériau, par exemple de l'acier, dont elle est constituée.
La courbure du flanc d'engagement mâle bombé convexe 125 permet de faire travailler la gorge de façon optimale : en l'absence d'une telle courbure, c'est-à-dire si le flanc d'engagement mâle était rectiligne d'angle égal à B, il y aurait rapprochement par translation des parties 33, 35 de la dent de filet mâle, ce qui conduirait à une diminution importante du rayon R2 à fond de gorge et à un risque de cisaillement de la racine des parties de filet 33, 35.
La courbure du flanc d'engagement mâle 125 permet au contraire la rotation progressive du flanc d'engagement bombé convexe 125 rendu ainsi flexible au cours de la poursuite du vissage ainsi qu'une répartition des pressions de contact selon la théorie de Hertz.
Le centre de rotation du flanc d'engagement flexible 125 est sensiblement situé en P, au pied du flanc d'engagement flexible 125.
La figure 4D illustre le positionnement des filets en fin de vissage.
La partie 35 du filet comprise entre gorge 31 et flanc d'engagement flexible 125 a tourné d'un certain angle pour permettre l'adaptation de l'encombrement entre flancs de filets mâles et femelles.
Le point de contact initial O s'est déplacé en O' en direction du point P le long de l'arc MP.
Un tel déplacement OO' est bénéfique car il permet de ne pas faire travailler toujours le même point des flancs d'engagement au cours du vissage et donc de limiter les risques de grippage.
On voit donc que l'on a intérêt à réaliser le premier contact en O sur la demi-largeur de l'arc MP opposée à P et si possible près de l'extrémité M opposée à P, c'est-à- dire du côté du sommet de filet 29 où est implantée la gorge 31. Le choix du rayon de courbure R 1 du flanc bombé convexe 125 définit le déplacement OO' pour les angles A et B donnés.
Les graphiques suivants 8 à 10 résultent d'études sur des joints filetés du type VAM TOP ® (selon catalogue VAM ® n° 940 édité en juillet 1994 par Vallourec Oil & Gas) modifiés selon figure 4 et de caractéristiques suivantes :
• tubes en acier peu allié traités pour un grade API L80 (limite d'élasticité supérieure ou égale à 552 MPa) ; • diamètre extérieur des tubes : 177,8 mm (7") ; épaisseur des tubes : 10,36 mm (29lb/ft) ; filetages de pas 6 mm et de conicite = 6,25 % (γ = 1 ,79°) ; hauteur de filet 1 ,8 mm ; largeur de filet 3,5 mm ; α = -3° ; B (angle de flanc d'engagement femelle) = 13 ; δ = 10°; • A (angle de flanc d'engagement mâle à mi-hauteur) variable entre 9 et 14 ; rayon R1 du flanc d'engagement mâle bombé convexe variable entre 5 et 20 mm; serrage (ou frettage axial FA) variable entre 0 et 0,14 mm (0,04 mm visé); profondeur de gorge : 1 mm ; largeur de gorge à son débouché = 1 ,4 mm ; • rayon R2 de fond de gorge = 0,4 mm ; centre du fond de gorge situé à 2,3 mm du flanc porteur.
Le graphique de la figure 8 montre le déplacement DC du point de contact O le long de l'arc MP du flanc flexible 125 de la figure 4 en fonction du serrage FA sur le flanc d'engagement pour diverses valeurs de l'angle A compris entre 9 et 14 .
On constate sur la figure 8 que plus l'angle A est grand, plus le déplacement DC du flanc 125 est rapide.
Lorsque l'angle A est inférieur à l'angle B, on vérifie que le point de contact initial O est situé sur la demi-largeur de l'arc MP du côté opposé au centre de rotation P.
On ne peut avoir l'angle A inférieur à 9° car le point O risquerait alors d'être en dehors de l'arc MP au-delà de M. Des valeurs de l'angle A supérieures à 12° ne sont pas non plus souhaitables car le point de contact final O' pourrait être au-delà de P pour certains couples d'éléments filetés mâle-femelle mal appariés.
Un fonctionnement en service avec un point de contact O' voisin de P apparaît en outre non optimal car il conduit à des concentrations de contrainte en pied de filet comme dans le cas d'un contact entre deux flancs rectilignes.
Une valeur de l'angle A de 10 ° paraît tout à fait adaptée dans le cas présent, le point de contact final O' conduisant à un pic de contrainte au pire situé à peine au- delà de la mi-largeur du flanc du côté de P.
La figure 9 montre sur les mêmes joints filetés l'évolution de l'angle de rotation RFE du flanc flexible 125 en fonction du serrage FA.
Là encore la rotation du flanc 125 est d'autant plus rapide que l'angle A est grand.
On a intérêt à choisir un angle A relativement faible (10°) de manière à limiter l'amplitude de la rotation avec le serrage.
De cette manière, la pression de contact variera peu en fonction du serrage réel obtenu.
Le graphique de la figure 10 montre pour le même type de joint fileté l'influence pour différents rayons de courbure R1 du flanc 125 l'influence du serrage FA sur le déplacement DC du point de contact, l'angle A étant maintenu constant et égal à 10°.
Pour un rayon de courbure R1 de 20 mm, le contact initial a lieu en M et le point de contact se déplace rapidement le long de l'arc MP au fur et à mesure du serrage.
Plus le rayon de courbure R1 est faible, plus le point de contact initial O se déplace vers P et plus la vitesse de déplacement diminue en fonction du serrage. Un rayon R trop inférieur à 5 mm apparaît néfaste si l'on veut conserver un point de contact initial O sur la demi-largeur de l'arc MP opposée à P.
On peut ainsi convenablement choisir un rayon de courbure R1 du flanc d'engagement bombé convexe 125 entre 3 et 30 mm.
On obtient le même effet d'augmentation de la résistance du joint fileté au dévissage ou au survissage dans le cas de filets selon figure 4 que dans le cas de joints filetés avec sommets de filet bombés convexes selon la figure 3 mais l'augmentation de cette résistance est beaucoup plus importante dans le cas de filets à frettage axial avec flanc d'engagement bombé convexe que dans le cas des filets de la figure 3, le mécanisme d'augmentation de cette résistance étant toutefois identique à celui présenté à la figure 7.
La résistance très améliorée au dévissage a été constatée par des essais de vissage-dévissage qui ont été effectués sur deux joints filetés similaires à ceux présentés pour les essais des figures 8 à 10 mais présentant des caractéristiques géométriques distinctives opposées à celles de la figure 4 : l'élément fileté mâle est conventionnel avec un filet mâle à faces rectilignes tandis que l'élément fileté femelle comporte un filet femelle présentant un flanc d'engagement bombé convexe et une gorge débouchant en sommet de filet femelle.
Pour un angle entre tangente au flanc d'engagement femelle bombé convexe et normale à l'axe de l'assemblage (pris à mi-hauteur de filet) égal à 1 1 °, un rayon R1 de flanc d'engagement femelle bombé convexe égal à 10 mm et un serrage égal à 0,02 mm, le couple de dévissage Tb s'est élevé pour un des joints filetés à 130 % et pour l'autre joint fileté à 123 % du couple de vissage Tf.
La figure 5 est une variante de la figure 4. Sur cette figure 5, le filet mâle 21 possède également un flanc d'engagement 125 bombé convexe d'angle A à mi- largeur de flanc mais il ne comporte pas de gorge.
Une gorge 32 est par contre disposée sur le filet femelle 22 et permet la flexion du flanc d'engagement femelle 26 rectiligne qui correspond au flanc d'engagement bombé convexe 125 en condition de contact frettant lors du vissage. Dans la configuration de la figure 5, l'angle A est supérieur à l'angle B. Une telle configuration permet, comme on le voit aux figures 5C et 5D, un premier contact en O sur la demi-largeur du flanc d'engagement flexible 26 du côté du sommet de filet femelle 28 où est implantée la gorge 32. Cette configuration permet également le déplacement OO' du point de contact vers le centre de rotation Q.
Le fonctionnement du joint fileté de la figure 5 est par ailleurs similaire à celui décrit à la figure 4.
La figure 6 montre l'application au joint fileté 300 de la figure 2 d'un filet à gorge et flanc d'engagement bombé convexe à un filetage cylindrique à filets trapézoïdaux dits coins ou à largeur variable, de tels filetages à filets coins étant notamment connus par le brevet US Re 30647.
Le filetage mâle 303' de la figure 6B comprend des filets du genre trapézoïdal en queue d'aronde et à largeur variable.
Les filets trapézoïdaux mâles 321 comprennent : un sommet de filet 329 rectiligne parallèle à l'axe du joint fileté ; - un fond de filet 327 également rectiligne et parallèle à l'axe du joint fileté ; un flanc d'engagement 325 rectiligne qui surplombe le fond de filet 327, l'angle β entre flanc d'engagement et normale à l'axe de l'assemblage étant compté de ce fait négativement ; un flanc porteur 323 bombé convexe de rayon R1 (en dehors des raccordements avec les sommets et les fonds de filet).
Le flanc 323 est tel que la tangente 339 à mi-hauteur de filet fait un angle A avec la normale à l'axe de l'assemblage.
Les angles β et A sont tels que les filets sont plus larges à leur sommet 329 qu'à leur base (filets en queue d'aronde).
Ces filets sont dits à pas constant et à largeur variable parce que la largeur de filet augmente (et que par conséquent l'espace entre dents de filets diminue) lorsque l'on s'éloigne de l'extrémité libre de l'élément fileté : on a ainsi £3.1 supérieur à £3.2 sur la figure 7B.
Le filetage femelle 304' correspondant est représenté à la figure 6A.
Les filets femelles 322 sont du type connu en queue d'aronde à largeur variable et adaptés aux filets mâles 321.
Les sommets de filet 328 et fonds de filet 330 sont rectilignes et parallèles à l'axe de l'assemblage.
Les flancs porteurs 324 et d'engagement 326 sont également rectilignes ; ils surplombent tous deux les fonds de filets 330 de sorte que leurs angles respectifs B et β par rapport à la normale à l'axe de l'assemblage sont comptés négativement.
La largeur des filets £2 à mi-hauteur diminue au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité libre de l'élément de sorte que l'on a 2.1 supérieur à £2.2 sur la figure 6A.
Les filets femelles 322 comportent en outre sur toute leur longueur une gorge hélicoïdale 332 dont le profil présente un axe sensiblement normal à l'axe de l'assemblage et qui débouche sur le sommet de filet 328.
Cette gorge a un profil en V à fond arrondi de rayon R2 égal à 0,4 mm.
Lorsque l'on visse les filetages 303', 304' l'un dans l'autre, on commence par associer des filets de faible largeur dans des creux de grande largeur mais au fur et à mesure du vissage, ce jeu diminue jusqu'à s'annuler à un moment donné représenté à la figure 6C : les flancs porteurs mâle et femelle 323, 324 sont en contact ponctuel en O et les flancs d'engagement mâle et femelle 325, 326 sont en contact réparti.
Comme dans le cas de la figure 5, le point O est situé sur le segment NQ du côté du sommet de filet 328 où est implantée la gorge 332. Ceci provient comme précédemment du fait que l'angle A est inférieur à l'angle B en valeur absolue.
Si l'on poursuit le vissage au-delà du simple contact entre flancs, des filets de plus en plus larges tendent à venir se placer dans des creux de plus en plus étroits : il y a alors frettage axial progressif en coin des flancs, d'où le qualificatif « coin » de ce type de filetage ; comme dans le cas des figures 4 ou 5, on ne peut poursuivre le vissage que si l'on permet aux flancs de se déformer élastiquement.
La fonction de la gorge 332 avantageusement aidée par la forme bombée convexe du flanc porteur 323 est de permettre une telle déformation élastique des flancs.
Les fonctions de la gorge 332 et du flanc bombé convexe 323 sont semblables à celles des gorges 31 , 32 et du flanc bombé convexe 125 des figures 4 et 5, le flanc flexible 324 étant rectiligne comme dans le cas de la figure 5.
On peut convenablement choisir le rayon de courbure R1 du flanc porteur mâle 323 pour accroître la résistance du joint fileté au dévissage ou au survissage par un mécanisme identique à celui présenté à la figure 7.
Il est à noter que les joints filetés des figures 4 à 6 peuvent également être adaptés à des filetages coniques à filets coins à largeur variable du type divulgué dans le document WO 94/29627. Une telle adaptation est aisée pour l'homme du métier compte tenu des indications précédentes.
D'autres joints filetés tubulaires peuvent être obtenus en restant dans la portée de la présente invention.
On peut ainsi réaliser en restant dans la portée de la présente invention un joint fileté tubulaire à frettage axial selon la figure 4 qui présente une interférence radiale entre les sommets d'un des filets, mâle ou femelle et le fond de filet conjugué en fin de vissage.
On peut aussi réaliser en restant dans la portée de la présente invention un joint fileté tubulaire à filetages coniques interférents dont les flancs porteurs mâles ou les flancs porteurs femelles sont bombés convexes et dont les filets mâles ou femelles présentent une gorge débouchant en sommet de filet pour accommoder les variations de contact entre flancs porteurs dues à des sollicitations variables de traction, de compression ou de flexion en service.
De telles variations de contact sont en effet susceptibles sur des filets pleins (=sans gorge) à flancs porteurs rectilignes d'induire le développement de fissures de fatigue ("pitting") sur ces flancs porteurs.
Les différents modes de réalisation de la présente invention décrits ou non décrits peuvent par ailleurs s'appliquer aussi bien à des assemblages filetés intégraux qu'à des assemblages filetés manchonnés.
On peut par exemple réaliser un joint fileté tel que sur les figures 11 dont les filets femelles (fig. 11A) trapézoïdaux possèdent des faces toutes rectilignes tandis que les filets mâles (fig. 11 B) correspondants sont de forme générale également trapézoïdale mais avec un flanc porteur 123 bombé convexe comme sur la figure 6B.
La hauteur h1 des filets mâles est un peu inférieure à celle h2 des filets femelles et la largeur des filets mâles ou femelles est légèrement inférieure à celle des espaces entre filets correspondants comme sur les figures 3A, 3B de sorte qu'après vissage (fig. 11C) les sommets de filet femelles 28 interfèrent radialement avec les fonds de filet mâles 27 tandis qu'il existe un jeu radial entre sommets de filet mâles 29 et fonds de filet femelles 30. En outre les flancs porteurs mâles 123 et femelles 24 sont en appui tandis qu'il existe un jeu axial entre flancs d'engagement mâles 25 et femelles 26.
Les filets femelles 22 sont pleins alors que les filets mâles 21 présentent une gorge 31 semblable à celle de la figure 4, qui permet d'accommoder les variations de pression de contact en service.
La courbure du flanc porteur mâle 123 permet, outre les effets sur la résistance au survissage et au dévissage, très avantageusement, de maîtriser la largeur du contact et la localisation du contact entre flancs porteurs 123, 24 comme indiqué précédemment lorsque la face bombée convexe est un flanc d'engagement (voir figures 4 et 5). Des effets similaires pourraient être obtenus en réalisant un flanc porteur femelle bombé convexe, le flanc porteur mâle étant rectiligne.
Des effets similaires pourraient également être obtenus sur des joints filetés à filetages coniques et filets dits "rugged threads" tels que décrits dans les documents EP 454 147 ou JP 08.281 061 dont les flancs porteurs mâles et femelles sont en appui tandis que les flancs d'engagement mâles et femelles sont en contact en fin de vissage, les filets d'au moins un filetage comportant un flanc porteur ou un flanc d'engagement ou les flancs porteurs et d'engagement bombés convexes.

Claims

REVENDICATIONS 1°) Joint fileté tubulaire (100, 300) comprenant un élément fileté mâle (1) en extrémité d'un premier tube (101 , 301) et un élément fileté femelle (2) en extrémité d'un second tube (202, 302), l'élément fileté mâle comportant extérieurement un filetage mâle (103, 303) à filets trapézoïdaux sur sensiblement toute la longueur du filetage mâle, l'élément fileté femelle comportant intérieurement un filetage femelle (104, 304) à filets trapézoïdaux sur sensiblement toute la longueur du filetage femelle conjugué du filetage mâle, les filetages mâles et femelles étant vissés l'un dans l'autre sous un couple de vissage donné (Tt) de sorte qu'au moins une face de filet mâle (21 , 321) est en contact sous pression de contact avec la face correspondante du filet femelle (22, 322), caractérisé en ce qu'au moins une face (125, 128, 325) de filet sous pression de contact possède avant vissage une forme bombée convexe continue sur la largeur de la face considérée et est en contact ponctuel avec la face correspondante (26, 27, 326) de l'élément conjugué, ladite face bombée convexe présentant sur sa largeur hormis au niveau des raccordements avec les faces adjacentes un ou des rayons de courbure (R1 , R3) compris entre 2 et 60 mm.
2°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la face bombée convexe est réalisée sur toute la longueur du filetage concerné.
3°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite face bombée convexe possède une courbure uniforme sur la largeur de ladite face bombée convexe hormis au niveau des raccordements avec les faces adjacentes et sur toute la longueur du filetage où elle est réalisée.
4°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une face bombée convexe (125, 128, 325) d'un filetage (21 , 321 ) correspond avec une face rectiligne (26, 27, 326) sur le filetage conjugué (22, 322).
5°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'une seule face bombée convexe disposée sur un seul des deux filetages.
6°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les filetages mâles et femelles sont coniques à filets interférant radialement l'un sur l'autre et en ce que ladite face bombée convexe est un sommet de filet (128).
7°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite face bombée convexe est un flanc de filet (125, 323) et en ce que l'un ou l'autre des filets, mâle (21) ou femelle (22, 322), comprend un moyen (31 , 32, 332) pour rendre flexible le flanc bombé convexe (125) ou le flanc correspondant (26, 324) à celui-ci sur le filetage conjugué.
8°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen pour rendre flexible le flanc bombé convexe ou le flanc correspondant à celui-ci est une gorge (31 , 32, 332) disposée sur le sommet de filet (29, 28, 328) adjacent au flanc flexible.
9°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que la profondeur de la gorge est inférieure ou égale à la hauteur du filet où elle est réalisée.
10°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la gorge possède une largeur à son débouché inférieure ou égale aux 2/3 de la largeur du filet où elle est réalisée prise à mi-hauteur de filet.
11 °) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le fond de la gorge est arrondi suivant un rayon (R2) supérieur ou égal à 0,2 mm.
12°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 , caractérisé en ce que l'angle (A) dit « de flanc bombé convexe » entre la tangente (39, 339) au flanc bombé convexe à mi-hauteur dudit flanc bombé convexe et la normale à l'axe de l'assemblage est différent de l'angle (B) dit « angle de flanc correspondant » entre la tangente (26, 326) au flanc correspondant au flanc bombé convexe prise également à mi-hauteur du dit flanc correspondant et la normale à l'axe de l'assemblage.
13°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 12, caractérisé en ce que les valeurs de l'angle de flanc bombé convexe (A) et de l'angle de flanc correspondant (B) sont telles que le premier contact (O) lors du vissage entre le flanc bombé convexe et le flanc correspondant a lieu sur le flanc flexible du côté du sommet de filet (29, 28, 328) où est implantée la gorge.
14°) Joint fileté tubulaire selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le signe de la valeur algébrique du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe (A) et l'angle de flanc correspondant (B) est tel que le point de contact entre le flanc bombé convexe et le flanc correspondant se déplace au cours du vissage vers le centre de rotation du flanc flexible.
15°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la valeur du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe (A) et l'angle de flanc correspondant (B) est telle que le point de contact final (O') entre flanc bombé convexe et flanc correspondant se situe en dehors du quart de largeur du flanc flexible situé en extrémité de celui-ci du côté pied de filet.
16°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que la valeur absolue du décalage entre l'angle de flanc bombé convexe (A) et l'angle de flanc correspondant (B) est comprise entre 1 et 5 .
17°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que le flanc bombé convexe est un flanc porteur (323).
18°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que le flanc bombé convexe est un flanc d'engagement (125).
19°) Joint fileté selon l'une quelconque des revendications 7 à 18, caractérisé en ce que le joint fileté est du type compris parmi ceux à filets interférents radialement, à filets dits "rugged threads", à filets frettant axialement, à filets coins à largeur variable.
20°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 19, caractérisé en ce que chaque élément mâle et femelle comprend au moins une portée d'étanchéité, chaque portée d'étanchéité mâle (5, 305) interférant radialement avec une portée d'étanchéité femelle correspondante (6, 306) sur le joint fileté tubulaire à l'état vissé en position. 21°) Joint fileté tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que chaque élément mâle et femelle comprend au moins une surface annulaire transversale de butée, au moins une surface de butée mâle (7, 307) étant en appui contre une surface de butée femelle correspondante (8, 308) sur le joint fileté tubulaire à l'état vissé en position.
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