Brevet FR2011024A1 — publié le 19700227

L'invention concerne une vanne d'arrêt avec un piston plongeur qui, pour assurer l'étanchéité par rapport au corps de vanne, en position de fermeture, porte au moins une bague d'étanché-ité, pouvant se comprimer axialement, qui est serrée entre deux 5 parties du piston, sous une pression élastique; dans la position de fermeture du piston, après qu'une partie de celui-ci est venue s'appliquer contre line butée solidaire du corps de vanne, la tige d'actionnement peut poursuivre son mouvement dans le sens de la fermeture, en augmentant ainsi la pression aciale élastique 10 s'exerçant*sur la bague d'étanchéité Les vannes de ce genre offrent, par rapport aux vannes à piston plongeur connues auparavant, l'avantage de n'exiger pratiquement aucun entretien du fait que, dans chaque position du piston, la bague d'étanchéité est soumise à une pression élastique et ^ reste serrée élastiquement, même après des modifications de volume éventuelles déterminées thermiquement ou chimiquement. En position de fermeture, la bague d*étanchéité est comprimée davantage élastiquement, de sorte que l'on obtient line étanchéité certaine, et en particulier, même quand la vanne se trouve à une QQ haute température et est soumise à des dilatations thermiques qui sont nécessairement irrégulières au début et à la fin du fonctionnement. Les vannes connues du type décrit ont toutefois l'inconvénient d'être d'une construction relativement coûteuse. Elles 25 comprennent deux parties de piston, disposées avec un jeu axial sur la tige d'actionnement, qui reçoivent la garniture d1étanchéité et dont l'une est destinée à coopérer avec la butée solidaire du corps de vanne tandis que l'autre est soumise à l'influence d'un ressort s'appuyant à la tige par l'intermédiaire d'un 30 écrou. L'invention a pour but d'améliorer la sécurité de fonctionnement et de simplifier la construction de' la vanne du type décrit en commençant qui représente, du point de vue purement fonctionnel, un perfectionnement important dans le domaine des vannes à 35 piston-tiroir. Elle se base sur l'idée de combiner les fonctions, séparées dans la vanne connue, des parties de piston se déplaçant sur la tige et du ressort s'appuyant sur celle-ci, en prévoyant que les deux parties de piston pourront se déformer élastiquement sous l'effort d'actionnement. 40 Une soupape ou vanne d*arrêt du type décrit et conforme à la 69 19683 2 2011024 présente invention se caractérise donc, en principe, par le fait que les deux parties du piston sont en liaison avec la tige, sans pouvoir se déplacer axialement l'une par rapport à l'autre, et • revêtent.la foime de pièces pouvant se déplacer élastiquement 5 sous l'effort de la tige qui, lors de la réception de la "bague d'étanchéité interposée entre celles-ci, sont serrées au moyen d'un organe de serrage sous une tension axiale initiale récipro-. que. On obtient de cette manière une vanne présentant un piston en 10 deux pièces, non coulissant, relié à la tige, qui, malgré cela • remplit les fonctions décrites ci-dessus des pistons bien connus comprenant plusieurs parties coulissantes. La bague d'étanchéité est donc soumise à une pression élastique axiale dans chacune de ses positions, car les deux parties du piston sont déformées é- 15 lastiquement lors du montage<> Des contractions éventuelles de la bague d'étanchéité peuvent donc être absorbées sans diminution importante de la pression axiale. Dans la position de fermeture, line compression axiale supplémentaire de la- bague d'étanchéité est possible, quand la tige poursuit son mouvement axial dans le 20 sens.de la fermeture» En outre, le bord de l'une des parties du piston prend appui sur la butée solidaire du corps de vanne.Quand la tige poursuit son mouvement en direction axiale, l'autre partie du piston se déforme élastiquement davantage, de sorte qu'il en résulte une pression élastique supplémentaire sur la bague 25 d'étanchéité; dans ce-mouvement qui se poursuit, l'autre partie du piston en contact avec la butée solidaire du corps de vanne se détend d'abord, puis se déforme élastiquement en sens opposé» Lorsqu'on ouvre la vanne, les deux parties du piston reviennent élastiquement dans leur position de départ, tandis que la bague 50 d'étanchéité reste sous la compression résultant du serrage des deux parties du piston,, Les déplacements élastiques nécessaires à la déformation des deux parties du piston sont fonction de la caractéristique de déformation de la bague d'étanchéité interposée entre celles-ci. 35 Dans le cas de bague d'étanchéité prévues pour de hautes températures et qui sont la plupart en asbeste (avec un liant organique), le déplacement supplémentaire de'la tige, avec le point de serrage des parties du piston, dans le sens de la fermeture, par rapport au bord de l'une d'elles en contact avec le Eorps de van 4-0 ne quand celle-ci est fermée s'élève dans le cas d'un effort 69 19683 3 2011024 d'actionnement normal, à 2-12/é, de préférence à 5-^0%, de la hauteur originelle de la bague; En admettant le même matériau pour la bague d'étanchéité, en cas de serrage axial, le déplacement des parties élastiques du piston sous la tension initiale, par 5 rapport au point de serrage de celles-ci, Ta de 5 à 25%, de préférence 15 à 20)o, de la hauteur originelle de la bague. On obtient une construction particulièrement simple et donc d'un fonctionnement sûr et d'un prix de revient réduit quand l'une des parties du piston venant en contact avec la butée solidai-10 cLu corps de vanne est formée par emboutissage ou par estampage,, Si cette partie de piston obtenue par emboutissage ou par estampage est de forme annulaire, l'organe de serrage des deux parties élastiques du piston doit s'ajuster dans l'alésage inférieur de cette pièce annulaire et établir un contact étanche avec celle-ci 15 On peut avantageusement éviter ce point à rendre étanche quand la partie de piston en tôle venant au contact de la butée présente une surface fermée. Pour éviter des assemblages démontables coûteux, l'une des parties du piston venant au contact de la butée peut être assem-20 blée en permanence à l'organe de serrage des. deux pièces élastiques. Des constructions les plus avantageuses-s1 obtiennent quand l'assemblage permanent est assuré par soudage, par brasage ou grâ ce à une conformation appropriée» Les forces élastiques comprimant la. bague d'étahchéité quand 25 la vanne est fermée doivent être absorbée par l'autre partie du piston ne venant pas au contact de la butée solidaire du corps de vanne. Cette partie a donc avantageusement la. forme d'une rondelle élastique. On obtient la construction la plus simple quand on donne à 50 l'organe de serrage des deux parties élastiques du piston la forme /(le utiaii?mieavec la tige d' actionnement; quand en outre l'organe de serrage peut tourner par rapport à la.tige, l'ensemble de celle-ci peut être en une pièce, sans qu'il soit nécessaire de prévoir le point de séparation entre une tige non rotative et une 35 pièce filetée rotative, nécessaire dans la construction connue auparavant. Il est particulièrement avantageux que l'organe de serrage prenne la forme d'un organe d'assemblage à vis parce que, de cette façon, le serrage des ieux'parties ■ du-..£i-s±on peut s'effectuer très simplement au.cours du montage» 40 Pour diminuer l'effort a'actionnement nécessaire, dans le cas 69 19683 4 201 1024 de grands diamètres intérieurs et/ou de grande pression, l'organe de serrage peut avec l'extrémité de la tige d'aetiormement, prendre la forme d'une soupape d*équilibre de la pression. Cette soupape d'équilibre a, de préférence, la forme d'un piston-tiroir, 5 tandis qu'on prévoit une bague d'étanchéité dans l'organe de serrage et que l'extrémité de la tige a la forme d'un piston. Quand la construction est choisie de manière que le mouvement de fermeture et le passage du fluide par le siège de la vanne s'effectuent dans le même sens, oh obtient une construction très simple 10 d-u fait que l'ordre correct des mouvements d'ouverture et de fermeture de la vanne principale et de la soupape d'équilibre s'établit de lui-même« On expliquera maintenant l'invention de manière plus détaillée en se reportant à des exemples d'exécution illustrés dans les dessins annexés, dont : Figo 1 illustre une soupape selon l'invention, tî-ès simple et' insensible, Figo 2 est un diagramme d'élasticité relatif au piston de cet te soupape, et 20 Fig. 3 montre le piston d'une vanne selon l'invention avec une soupape d'équilibre» Dans le cas de la vanne à piston plongeur dé l'invention illustrée à la figure 1, une bague d'étanchéité en une pièce 2 disposée dans le piston 1 assure 1*étanchéité par rapport à un corps 25 de vanne 3 fermé par une partie supérieure 4 dans laquelle coulis se axialement une tige simple 5» assemblée au piston, que l'on fait tourner dans un écrou taraudé 7 au. moyen d'un volant 6» Le piston 1, relié à la tige 5 la vanne par l'intermédiaire d'une bague 8 en deux pièces et d'un écrou raccord 9j comprend en 30 principe deux parties, 10 et 11, et porte une bague d'étanchéité 2» La partie du piston 10, coopérant avec line butée 12 solidaire du corps de vanne, est en tôle et présente une surface fermée, de sorte qu'aucune garniture d'étanchéité n'est nécessaire au point de jonction avec la tige de la vanne. La bague d'étanchéité est 35 glissée sur la partie cylindrique de cette pièce du piston. La partie 10 du piston, qui est en tôle, est assemblée grâce à une bague filetée 13 qui assure, en coopération avec 1'écrou raccord 9, une liaison non coulissante mais rotative avec la tige 5* Pour garantir une compression parfaite, on a prévu, sur la bague 2 de 40 la vanne, une bague intermédiaire 14 sur laquelle agit la seconde 69 19683 5 2011024 partie 11 du piston qui s'appuie, de son côté, par sa périphérie intérieure, contre.1'écrou raccord 9„ Le fonctionnement du piston selon l'invention, illustré à la figure 1, est visible à la figure 2 qui représente schématique-^ ment une moitié de celui-ci. Les lignes en trait plein montrent les deux parties du piston 10 et 11 ainsi que la bague d'étanché-ité 2 interposée entre celles-ci avant le serrage des deux pièces Si on admet que les pièces coniques en tôle forment un cône fermé, les pointes des cônes se situent aux points A et B.. Aussitôt que dans l'assemblage à vis mentionné ci-dessus, les deux parties du piston sont serrées à proximité de l'axe, elles se rencontrent au point C (les parties du piston sont représentées en traits interrompus)» D'après le diagramme situé à côté de la figure, la force agit sur la bague d'étanchéité, pour autant que l'on ad~ «^5 mette que celle-ci ne se déforme pas.sous l'action de cette force. Les deux points A et B situés sur l.'axe se sont rapprochés de la distance S^. Si, au cours du mouvement de fermeture de la vanne, la partie inférieure du piston s'applique par son bord extérieur à la butée solidaire du corps de vanne et si le point 2o cle serrage est déplacé par la tige d'actionnement dans le sens de la fermeture, de C vers D (Distance S^), la pression sur la bague de la vanne augmente et passe à la valeur Dans le cas de ba-' gues d'étanchéité à forte teneur en asbeste, peut être égal à 2-12%, de préférence 5-10% de la hauteur de la bague-0 L'hypoténu-2^ se du triangle BDE représente donc l'alliire de l'effort de pression agissant sur la bague d'étanchéité en fonction du degré de déformation des deux parties du piston. La force P^ qui figure en outre sur l.e dessin indique l'effort d'actionnement nécessaire pour atteindre la pression Pg, pour autant que l'on fasse abstrac 50 tion de la force nécessaire pour vaincre la pression du fluide et le frottement lors du mouvement de fermeture. Dans le cas où l8on veut tenir'compte de la déformation de la bague d!étanchéité sous l'influence des forces élastiques, on obtient un diagramme d'élas ticité tel que celui représenté en traits interrompus à la figu-re 2. Les forces- de pression se manifestant lors du serrage des deux parties du pistcn compriment plastiquement la bague d'étanchéité et il en-résulte des constantes d'élasticité moindres et, par conséquent, une tension initiale P'^ plus petite. De même, la force P^ agissant sur la bague dans la position de fermeture, 40 lorsqu'on atteint le point D, est plus petite que. dâns le cas "où 69 19683 6 2011024 l'on admet une bague d'étanchéité non déformable» La force d'actionnement nécessaire pour atteindre le point D.s'est aussi modifiée et est devenu On verra, d'après ce diagramme, que la bague d'étanchéité est en permanencé sous l'influence de l'effort 5 de pression P*^ et qu'une contraction égale à S*^ est possible avant que la bague soit entièrement soustraite à la pression., L'élasticité propre de la bague d'étanchéité, qui est faible màis qui existe, améliore le comportement» Dans le cas de bagues d'étanchéité à haute teneur en asbeste, S'^ peut aller de 5 à 25, de 10 préférence 15 à 20% de la hauteur de la.bague» Quand la partie in férieure du piston arrive au contact de la butée solidaire du c corps de.vanne et, quand le mouvement de la tige d'actionnement se poursuit dans le sens de la fermeture, la pression agissant sur la bague d'étanchéité augmente, de sorte que-1'étanchéité de la 15 vanne est assurée et. que des dilatations thermiques n 20 Le piston d'une vanne selon l'invention, illustré à la figure 2, comprend une soupape d'équilibre pour faciliter 1'actionnement, en cas de grand diamètre intérieur ou de haute pression» Ce piston présente un piston d'équilibre 20 qui est relié à la tige 23 par l'intermédiaire d'un écrou raccoed -21 et d'une bague 22 en 25 deux pièces» Les deux parties 24- et 25 du piston, déformables é-lastiquement, sont fixées dans un corps annulaire 25, au moyen d'un écrou-raccord 27, et portent une bague d'étanchéité 28 serrée sur la périphérie extérieure. Sous le bord intérieur de la partie inférieure 24 du piston, on a prévu une bague d'étanchéité 30 métallique 29, car cette partie ne présente pas line surface fermée» Unebague d'étanchéité 30, prévue dans le corps annulaire 26, se trouve en permanence sous la pression d'une rondelle élastique 21 qui s'appuie à 1'écrou-raccord 27 du corps annulaire. Cette bague d'étanchéité guide le piston d'équilibre 20» Ce dernier est, 35 en outre, guidé par une surépaisseur terminale directement dans le corps annulaire, de sorte qu'il est assuré contre un désaxement quand il se déplace» En admettant que le passage du fluide (sous une pression P) par le siège de la vanne ainsi que le mouvement de fermeture s'effectuent dans le même sens, la fonction de cette 40 soupape d'équilibre est assurée obligatoirement dans chaque posi- 69 19683 7 2011024 tion du piston» Ce piston est représenté dans la moitié gauche de la figure 3 en position de fermeture; l'effort de fermeture agit axialement sur la "bague d'étanchéité par l'intermédiaire de la -tige 23, des deux écrous-raccord 21 et 27 et de la partie supé-5 rieure 25 du piston» Lorsqu'on ouvre la vanne, le piston principal est d'abord maintenu par la pression £ et l'effort de frottement, mais par contre, la soupape d'équilibre 20 se soulève jusqu'à ce que sa surépaisseur heurte le corps annulaire. Dans cette position (voir la moitié droite du dessin) il s'établit, par l'a-10 lésage 32 de la soupape d'équilibre 20, une communication entre la partie à haute pression de la vanne et sa partie à basse pression, de sorte qu'un équilibre de pression peut s'établir. Quand la tige poursuit son mouvement dans le sens de l'ouverture, le piston principal est écarté du siège de la vanne sous un effort 15 transmis grâce à une conformation appropriée. Lors de la fermeture, l'opération se déroule dans l'ordre inverse. Les alésages 32 de la soupape d'équilibre 20 se ferment d'abord, par suite de son déplacement par rapport au corps annulaire 26, puis l'ensemble du piston est poussé dans son siège annulaire, tandis que la pression 20 intérieure P apporte encore une aide supplémentaire? 69 19683 8. 2011024 H E If E U I I C A T I 0 K S 1. Vanne d'arrêt avec un piston plongeur qui, en vue d'assurer 1'étanchéité par rapport au corps de vanne en position de fermeture, porte au moins une bague d'étanchéité, pouvant se 5 comprimer axialement, qui est serrée axialement entre deux parties du piston sous une pression élastique, tandis qu'en position de fermeture du piston, après que l'une des parties de celui-ci est arrivée au contact d'une butée solidaire du corps de vanne, la tige d'actionnement peut poursuivre son mouvement 10 dans le sens de la fermeture en augmentant ainsi la pression élastique axiale sur la bague d'étanchéité, caractérisée en ce que les deux parties du piston sont assemblées à la tige sans pouvoir se déplacer axialement l'une par rapport à l'autre et en ce qu'elles sont constituées de deux pièces pouvant se dé-15 former élastiquement sous l'effort de la tige, et qui, lors de la réception de la bague d'étanchéité interposée entre celles-ci sont serrées au moyen d'un organe de serrage sous une tension axiale initiale réciproque. 2. "Vanne d'arrêt suivant la revendication 1, caractérisée 20 en ce que le déplacement ultérieur de la tige, avec le point de serrage des parties du piston, dans le sens de la fermeture, par rapport au bord de l'une des parties du piston en contact avec le corps de vanne en position de fermeture, sous un effort normal d'actionnement, atteint 2 à 12 °]o de préférence 5 à 10 de 25 la hauteur originelle de la bague d'étanchéité. 5. Vanne d'arrêt suivant les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le déplacement assurant la tension initiale des parties élastiques du piston lors du serrage axial par rapport au point de serrage de ces parties, atteint 5 à 25 fo de 30 préférence 15 à 20 $ de la hauteur originelle de la bague d'étanchéité . 4. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une des parties du piston venant en contact avec la butée solidaire du corps de vanne est 35 obtenue par emboutissage ou par estampage. 5. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une des parties du piston venant en contact avec la butée présente une surface fermée. 6. Vanne d'arrêt suivant 1'une des revendications précé-40 dentes, caractérisée en ce que l'une des parties du piston ve 69 19683 9 2011024 nant en contact avec la "butée est assemblée en permanence à l'organe prévu pour le serrage des deux pièces élastiques. 7. "Vanne d'arrêt suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'assemblage permanent est assuré par soudage ou par 5 brasage. 8. Vanne d'arrêt suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'assemblage permanent est assuré grâce à une conformation appropriée. 9. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précé-10 dentes, caractérisée en ce que l'autre partie du piston ne venant pas au contact de la butée solidaire du corps de vanne a, en principe, la forme d'une rondelle élastique. 1Q. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de serrage des deux 15 parties élastiques du piston a la forme d'un organe d'assemblage à la tige d'actionnement. 11. Vanne d'arrêt suivant la revendication 10, caractérisée en ce que l'organe de serrage peut tourner par rapport à la tige d'actionnement. 20 12. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précé dentes, caractérisée en ce que l'organe de serrage est conçu ' comme un raccord fileté. 13. Vanne d'arrêt suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, avec l'extrémité de la.tige 25 d'actionnement, l'organe de serrage forme, d'une manière connue en soi, une soupape d'équilibre de la pression qui, dans le cas de grands diamètres intérieurs et/ou de hautes pressions, facilite la manoeuvre. 14-. Vanne d'arrêt suivant la revendication 13, caractérisés 30 en ce que la soupape d'équilibre est un piston-tiroir, mais en ce qu'une bague d'étanchéité est prévue dais l'organe de serrage et en ce que l'extrémité de la tige a la forme d'un piston. 15. Vanne d'arrêt suivant les revendications 13 et 14, caractérisée en ce que le mouvement de fermeture et le passage 35 du fluide par le siège de la vanne s'effectuent dans le même sens.