Fuites dans les filetages des tubages : influence de la température et du passage dans le domaine plastique

Leakage Through Tubular Connections: Influence of Temperature and of Partial Overstressing Unto the Plastic State

ENSPM - Institut Français du Pétrole

Résumé

Après un rappel des conditions et des résultats du frettage purement mécanique des raccords filetés coniques, puis de l'influence d'une pression intérieure de fluide sur la réaction entre filetage mâle et manchon, l'étude montre que l'existence d'un gradient thermique élevé entre l'intérieur et l'extérieur du raccord bloqué entraîne une variation de la pression de contact dans le filetage (suivant approximativement une loi deltaPbar = 0,5 deltaT(°C) qui peut favoriser une fuite. On voit aussi qu'en régime thermique établi (pseudoéquilibre) les différences de température entre intérieur et extérieur du raccord sont trop faibles pour avoir quelque influence sur la pression de frettage. Les conséquences d'un accroissement des contraintes entraînant le passage de l'acier du raccord dans le domaine plastique ont été ensuite analysées, dans la perspective d'un critère suivant lequel le cylindre entre en déformation plastique, lorsque la contrainte de cisaillement maximum devient égale à la limite élastique du matériau du raccord. Examinant deux situations bien typées (dont on peut déduire toute situation intermédiaire), soit pression intérieure ou pression extérieure agissant seule, les auteurs montrent que la relaxation lente des contraintes qui avaient amené le matériau dans le domaine plastique, laissent subsister des contraintes résiduelles mobilisables dans un nouveau processus de sollicitation du raccord, pour en accroître d'autant la résistance dans le domaine élastique (à la limite duquel apparaît en principe la pression de fuite). Sous réserve d'un contrôle expérimental, cette démarche pourrait être appliquée en vue d'accroître la pression d'interférence dans les filetages, et d'augmenter les pressions de fuite, ce qui peut prendre une importance particulière dans le cas des tubes les plus épais de chaque dimension nominale, dont la résistance à l'éclatement des corps est toujours supérieure à la résistance à la fuite des raccords.

Abstract

A short review of the sealing mechanism of tapered threaded connections due to make-up interference -shrink fit- and of further influence of an inner fluid pressure on the bearing pressure between mating surfaces of pin and box threads, leads to a theoretical investigation of the ability of a high thermal gradient across the convection watt, to hinder the leak-resistance of a made-up convection. It was found that the bearing pressures decrease with increased gradients; but in a steady-state condition, temperature differences between the inner and the outer surfaces of a convection are too small to have any noticeable action on the bearing pressures. The effects of increasing the make-up torque to a point where a plastic state appears in the convection, were analyzed on the basis of a criterion stating that a material is subjected to a plastic strain whenever the maximum shear-stress becomes equal to the yield strength of this material. Concentrating on two typical situations, considering either an inner pressure or an outer pressure acting atone, the authors show that a slow release of the stresses which had brought the material in to a plastic state, leaves in the end residual stresses which will be beneficial to the convection performance in a further loading cycle, by widening the leak-free domain in the elastic state (whose boundary value equals the leak pressure). With the reserve of performing an experimental check, this procedure could be applied to increase the interference pressure in threads and to increase the leaking pressures, which might take on special importance in the case of the thickest tubes of each nominal size for which the bursting strength of the bodies is always greater than the leaking strength of the connections.