Types et désignations des filetages de tuyaux

Publication avec l'autorisation de l’entreprise Colder Products Company

Préambule

Différents types de filetage ont évolué pour la fixation et les systèmes hydrauliques. Les joints filetés coniques/parallèles, du plastique au métal, trouvés dans les circuits hydrauliques sont d'un intérêt particulier. Une discussion et des recommandations sont fournies pour présenter les différents types de filetages et leur mode d’utilisation.

Évolution

Au XIXe siècle, de nombreux types de filetage différents étaient nécessaires pour les circuits hydrauliques et pneumatiques, ainsi que pour fixer des composants. Les fabricants ont donc commencé à élaborer leurs propres systèmes de fixation. Des problèmes de compatibilité en résultèrent. L’ingénieur en mécanique et inventeur anglais, Sir Joseph Whitworth, élabora un système de filetage uniforme en 1841 pour résoudre le problème de l’incompatibilité. La forme du filetage Whitworth est basée sur un angle (profil) de filet de 55 degrés avec des racines et crêtes arrondies.

En Amérique, William Sellers établit la norme des écrous, des boulons et des vis qui est devenue la norme nationale de filetage des tuyaux (National Pipe Tapered Thread (NPT)) en 1864. Son angle de filet de 60 degrés, couramment utilisé par les premiers horlogers américains, a permis la révolution industrielle américaine. Ces formes de filetage sont devenus plus tard la norme nationale américaine.

La forme du filetage Whitworth a été sélectionnée comme filetage de connexion pour les tuyaux rendu auto-scellant en coupant au moins l’un des filetage d’un cône. Celle-ci est devenue connue sous le nom de raccord BSP (British Standard Pipe thread (BSP Taper ou BSP Parallel thread)). Le filetage Whitworth est désormais utilisé comme filetage standard au niveau international pour raccorder des tuyaux en acier à faible teneur en carbone.

La connexion la plus connue et la plus largement utilisée où le filetage du tuyau procure à la fois le joint mécanique et l'étanchéité hydraulique est l’American National Pipe Tapered Thread ou NPT. Le NPT a un filetage mâle et femelle conique qui scelle avec un ruban de PTFE ou un joint d’étanchéité.

Les filetages de tuyau utilisés dans les circuits hydrauliques peuvent être divisés en deux types :

• a) les filetages de raccordement – sont les filetages de tuyaux où les joints sont rendus étanches à la pression par une étanchéité sur les filetages et sont des filetages extérieurs coniques et parallèles ou des filetages intérieurs coniques. L’effet d’étanchéité est amélioré en utilisant un joint d’étanchéité.
• b) les filetages de fixation – sont les filetages de tuyaux où les joints ne sont pas rendus étanches à la pression sur les filetages. Les deux filetages sont parallèles et l’étanchéité est assurée en comprimant un matériau souple sur le filetage extérieur ou un joint plat.

Tailles

Les tailles des filetages de tuyaux sont basées sur le diamètre intérieur (ID) ou la taille du débit. Par exemple, « 1/2–14 NPT » désigne un filetage de tuyau avec un diamètre intérieur nominal de 1/2 pouce et 14 filets au pouce, fabriqué selon la norme NPT. S’il comporte un « LH », le tuyau possède un filetage à gauche. Les formes de filetages mondiaux les plus courants sont les suivants :

Les formes de filetages en plastique moulés par injection sont fabriqués selon les normes ANSI B2.1 et SAE J476.

Le mot « conique » (tapered) mentionné dans plusieurs des noms ci-dessus indique la grande différence entre de nombreux filetages de tuyaux et ceux des boulons et des vis. De nombreux filetages doivent non seulement constituer un joint mécanique, mais également une étanchéité hydraulique étanche. Ceci est possible grâce à la forme conique du filetage mâle correspondant à la forme du filetage conique femelle et l’utilisation d’un scellant de tuyau pour combler tout vide entre les deux filetages qui pourrait causer une fuite en spirale. Les fonds des filetages ne sont pas sur un cylindre, mais sur un cône ; ils rétrécissent. Le cône est de 1/16 pouce par pouce, ce qui est le même que 3/4 pouce par pied.

Dû au cône, le filetage de tuyau ne peut se visser dans un raccord que sur une certaine distance avant de se coincer. La norme spécifie que cette distance est la longueur de l’engagement par un serrage à la main, la distance sur laquelle le filetage de tuyau peut être vissé à la main. Elle spécifie également une autre distance : le filetage effectif, c’est la longueur du filetage qui assure l’étanchéité sur un filetage de tuyau usiné classique. Au lieu de connaître ces distances, il est plus pratique pour les ouvriers de connaître le nombre de tours à effectuer à la main et le nombre de tours à effectuer avec une clé. Une règle simple pour installer des filetages de tuyaux coniques, tant en métal qu’en plastique, est de bien serrer à la main plus un ou deux tours avec une clé. Il est possible de déterminer les valeurs des couples d'installation en fonction de l’application, mais dû aux variations impliquées dans les joints de tuyaux tels que la différence des matériaux des filetages mâles et femelles, les types de scellants utilisés et les variations intérieures de l’épaisseur de paroi du produit, une spécification de couple standard ne peut pas être appliquée de manière générale.

Ce tableau montre les distances et le nombre de tours demandés dans la norme. Une tolérance de plus ou moins un tour est admise et, dans la pratique et par routine, les filetages sont souvent coupés plus courts que la norme ne le spécifie. Toutes les dimensions sont en pouces.

American Standard Taper Pipe External Thread

Joints filetés coniques/parallèles

Malgré les normes créées pour veiller à l’uniformité des raccords, les filetages de tuyaux coniques sont inexacts, peuvent s’endommager et être sujets à des fuites au cours de l’utilisation et de réparations. La zone où la crête et la racine du filetage se rencontrent peut former une voie de fuite en spirale qu’aucun serrage ne pourra éliminer.

Un joint étanche à la pression est obtenu par la compression dans les filetages résultant du serrage. La compression et l'étanchéité sont produites lors des premiers tours du filetage interne. Lors du serrage à l'aide d’une clé, le matériau tant des filetages mâles que femelles se déforment l’un dans l’autre. Ceci garantit le contact complet des filetages ce qui minimise les fuites en spirale. Des variations entre les formes des filetages en plastique moulés par injection et les filetages métalliques usinés peuvent survenir dû à des processus de fabrication différents.

Les filetages de tuyaux ont été conçus à l’origine comme des formes de filetages usinés. Avec l’utilisation de thermoplastiques et du moulage par infection du plastique dans la fabrication de formes de filetages de tuyaux en plastique, le retrait du moule et l’enfoncement du plastique rendent plus difficile la garantie de joints exempts de fuites. C’est pourquoi l’utilisation d’un scellant à base de PTFE est recommandée sur tous les filetages de tuyaux en plastique. La forme de scellant la plus courante est le ruban en PTFE enroulé 2 à 3 tours autour du filetage mâle avant l’assemblage. Les scellants liquides à base de PTFE sont aussi utilisés avec succès pour garantir l’étanchéité. Il est toujours important de procéder avec soin lors de l'application de scellants pour éviter d’introduire la matière scellante sur la voie d’écoulement du système.

Les sections suivantes illustrent comment différents filetages sont utilisés et les problèmes pouvant survenir en tentant de créer une connexion sans fuite.

Lorsqu’un filetage mâle conique BSPT est serré dans un filetage femelle droit (BSPP), l'étanchéité ne peut être réalisée qu’à la base de l’embout femelle avec 1 ou 2 filetages. Voir figure 1. L’étanchéité est compromise par le manque de contrôle de la forme du filetage dans les spécifications BSP. La variation des crêtes et racines peut cause une inadéquation du filetage et créer une fuite en spirale. Un scellant pour filetage est requis pour sceller cette combinaison.

L’utilisation à la fois d’un filetage mâle conique et d’un filetage BSPT femelle procurerait une meilleure étanchéité car vous faites correspondre le cône du filetage mâle et femelle. Voir figure 2.. Ceci donne la possibilité à un plus grand nombre de filetages d’être scellés et d’éviter une fuite en spirale. Il manque encore le contrôle des crêtes et des racines, mais avec un scellant pour filetage, il devrait être plus facile de réaliser un joint étanche à la pression.

Un certain nombre de variations du filetage NPT ont été introduites pour surmonter le problème de la fuite en spirale et sont connues sous le nom de filetages Dryseal (voir norme SAE J476). Le plus connu est le NPTF (F pour fuel). Avec cette conception de filetage, des contrôles sont présents sur les crêtes et les racines des filetages mâle et femelle pour s’assurer que la crête s’écrase ou déplace le matériau à la racine du filetage à joindre. L’ajustement par serrage entre la crête d’un filetage et la racine de l'autre, ainsi que la correspondance des flancs du filetage, constituent une étanchéité contre les fuites en spirale.

Une variante du filetage Dryseal est le NPSF (National Pipe Straight Fuel). Il est utilisé pour les filetages intérieurs et un filetage extérieur NPTF peut y être vissé pour garantir une connexion mécanique satisfaisante et une étanchéité hydraulique. La combinaison d'un filetage parallèle et conique n’est pas considérée comme idéale, mais elle est largement utilisée. Les raccords de couplage à déconnexion rapide en plastique de haute qualité utilisent généralement des filetages NPT.

Le cône British Standard Pipe taper, ou BSP, mentionné par la norme British Standard 21, est un autre filetage conique. Le filetage BSP est couramment utilisé pour la plomberie basse tension, mais il est recommandé pour les systèmes hydrauliques haute et moyenne pression. Cette forme utilise le filetage Whitworth avec un angle de 55° et un cône 1/16. Il n’est pas interchangeable avec le filetage américain NPT, bien qu’ils aient tous deux 14 filets par pouce dans les tailles 1/2 pouce et 3/4 pouce.

Des problèmes surviennent lors de l’enfilage d’une forme de filetage mâle NPT dans une forme de filetage femelle droit BSP. Le pas diffère dans les tailles 1/16 pouce, 1/8 pouce, 1/4 pouce et 3/8 pouce, ce qui cause un désalignement des filetages. Les angles de flanc des filetages sont aussi différents entre le NPT et le BSP. Le filetage NPT est de 60°, alors que le BSP est de 55°.

Les tailles 1/2 pouce et 3/4 pouce du NPT et BSP sont toutes de 14 filets par pouce et le NPT s'insérera assez bien dans le BSP.

Bien que ces filetages aient le même pas et s’insèrent bien, des problèmes subsistent dus à la forme du filetage. La différence des angles du filetage et des tolérances de la crête et de la racine permettra des fuites en spirale comme illustré sur la figure 7. Ces filetages peuvent être utilisés efficacement ensemble si un scellant de filetage approprié est incorporé.

De nombreux problèmes surviennent lorsque des raccords de couplage à déconnexion rapide en plastique, avec leurs formes de filetages de tuyaux correspondants, moulés par injection, sont raccordés à des systèmes hydrauliques à tuyaux métalliques. Des fuites et des défaillances des formes de filetages en plastique peuvent survenir en cas de manque de précautions. Lors de la recherche d’une défaillance du joint de tuyau métal sur plastique, il faut considérer deux facteurs, à savoir une attache chimique et un serrage excessif.

L’attaque chimique peut se produire en cas d’utilisation de scellants de filetage inadaptés. L'étanchéité du filetage est une tentative de bloquer la voie de la fuite en spirale qui se produit lorsque les crêtes et les racines des formes de filetages ne correspondent pas. Il est recommandé d’éviter les scellants de filetage anaérobies pour assurer l'étanchéité de formes de filetage en plastique. Ces scellants contiennent des produits chimiques qui peuvent attaquer les plastiques. Le meilleur choix pour les filetages en plastique est d’utiliser un scellant de filetage de tuyau à base de PTFE.

Un serrage excessif de tout filetage de tuyau en plastique aura des conséquences néfastes sur le fonctionnement du joint. La différence principale entre les plastiques et les métaux est le comportement des polymères. Les parties en plastique moulées par injection continuent de se déformer si elles sont maintenues sous une charge constante, par ex. le fluage. Le fluage est l’extension ou déformation continue d’une partie en plastique sous une charge constante. Généralement, la matière plastique présente dans un filetage de tuyau en plastique moulé par injection fluera en raison du serrage excessif dans le port conique femelle. La déformation des fonctionnalités internes de la pièce peut entraîner une défaillance de la pièce.

Formes de filetage de tuyau standards produites par l’entreprise Colder Products Company