Brevet FR2233548A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne les dispositifs de sécurité destinés à protéger les systèmes hydrauliques contre le danger d'une élévation de la pression au-dessus d'une limite admissible. L'invention trouve des applications dans les industries pétroliers, chimique et dans d'autres branches de l'industrie, de préférence dans le cas où le fluide utilisé. sous haute pression contient des particules abrasives. La présente invention peut etre appliquée d'une façon particulierement-avaetageuse aux soupapes de sécurité montées sur les canalisations de refoulement des installations de pompage mobiles des chantiers pétroliers, pour la réalisation d'opérations telles que : fracturation hydraulique des couches, perforation par sablage humide, cimettation des puits. On connaît une soupape de sécurité comportant un corps pourvu d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie reliés par un canal, dans une section duquel est ménagé un siège obturé par un organe de fermeture relié cinématiquement à un élément mobile à ressort, logé dans ledit corps et dont la surface active est soumise à la pression du fluide L'organe de fermeture d'une telle soupape n'est pas soumis à l'effort du ressort de référence de la soupape. C'est pourquoi, lorsque la soupape se déclenche l'organe de fermeture émerge librement sous l'action des forces hydrodynamiques, en s'ouvrant ainsi complètementla section de passage et en assurant l'écoule- ment libre du fluide.Cela est particulièrement important en cas de réalisation de travaux avec'des fluides contenant des particules abrasives, car, grâce à l'ouverture complète de la soupape, la vitesse d'écoulement du fluide à travers la soupape diminue brusquement; ce qui a pour résultat de réduire l'usure des pièces de la soupape se trouvant sur le trajet du fluide. La soupape connue en. question est caractérisée par la stabilité de son fonctionnement, due au fait que l'organe de fermeture n'est pas soumis à l'effort du ressort de référence. Grâce à cette particularité, l'organe de fermeture ne vibre pas au cours du Snu*ionnement de la soupape. Lorsque la soupape se déclenche, la pression de fluide agit sur l'élément mobile précité, qui est constitué par un piston creux se déplaçant dans le corps de soupape. Dans ledit piston est logé le ressort de référence. te piston ext cinématiquement relié à l'organe de fermeture; c'est pourquoi, au cours de son déplacement sous l'action de fluide, il sépare ledit organe du siège de la soupe, et l'ouverture complète de celle-ci iteffectue sous l'faction des forces hydrodynamiques du fluide. Cette conception connue de soupape est destinée aux systèmes dans lesquels le fluide se trouve sous une pression relativement basse et son débit est faible. Une telle conception de la soupape ne permet pratiquement pas de créer une soupape dont l'élément mobile a une surface active relativement petite et dont le passage nominale ou la section de passage du canal dans sa partie formant siège, estsuffisamment grand, car la rel2tiam entre la surface active de l'élément mobile et la section de pavage du siège de soupape est une relation quadratique. I1 s'ensuit la nécessité d'utiliser un ressort de référence exerçant une assez grande force, et d'augtaenter l'encombrement et le poids de la soupape. On connatt également des soupapes destinées aux systèmes utilisant des fluides sous haute pression contenant des particules abrasives, par exemple les soupapes-fabriquées par les firmes américaines "Kinzbach" et "Cameron". Ces soupapes sont de conception compliquée, nécessitent beaucoup de tain d'oeuvre, ont un encombreFatt et un poids assez élevés, et sont compliqués à utiliser. Il s'agissait par conséquent de créer une soupape desécurité dont l'élément mobile serait conçu de manière à ce que l'encombrement de la soupape ne dépende pas de la section de passage du siège de soupape-. Ce problème est résolu grâce à une soupape de sécurité destinée aux canalisations de refoulement de fluides sous pression contenant des particules abrasives, du type comportant un corps craux- pourvu d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sorte reliés entre eux par un canal, dans une section duquel-est ménagé un siège obturé par un organe de fermeture relié cinématiquement à un élément mobile à ressort logé dans ledit corps et dont la surfaceNactive est soumise à la pression du fluide, ladite soupape étant caractérisée, selon l'invention, en ce que l'élément mobile est constitué par un jeu quantitativement variable de plongeurs coulissant dans des guidages et dont les axes espacés l'un de loutre, sont parallèles à l'axe de 11 organe de fermeture et équidistants par rapport à celui-ci, la surface totale des faces en bout desdits plongeurs constituant ladite surface active dudit élément mobile. Une soupape avec un élément mobile ainsi réalisé permet d'y employer, aux pressions de fluide élevées, des ressorts relativement moins puissants et, par conséquent, de réduire l'encombrement et le poids de la soupape et de supprimer en outre l'influence de la valeur de la section de passage de la soupape sur la valeur de la surface active de son élément mobile Avantageusement, les guidages des plongeurs sont réalisés dans une douille rigidement fixé dans le corps de soupape et pouvant être remplacée en cas de modification de la plage de pressions du fluide. Belon un mode de réalisation de l'invention, un élément faisant fonction de bouchon et destiné à mettre le plongeur hors d'action en cas de modification de la plage de pressions du fluide, est placé dans le guidage du plongeur. La soupape proposée permet de diminuer ou d'augmenter la surface active de ltélémenS mobile en variant le nombre de plongeurs. Ainsi, en plus de la méthode connue consistant à régler la soupape en fonction de la pression en remplaçant le ressort de référence, la soupape proposée permet d'éa rgir le domaine d'application d'une même soupape et de réduire le nombre d'encombrements=types des soupapes de sécurité. Ci-après est donnée une description détaillée d'un exemple non limitatif derealisation de l'invention, illustré par le dessin unique annexé, dans lequel - la figure 1 représente une vue d'ensemble de la soupape de sécurité conforme à invention en coupe longftudinale-; - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1. La soupape de sécurité comporte un corps creux 1 percé d'un orifice-d'entrée 3 et d'un orifice de sortie 2 reliés entre eux par un canal 4, dans une section duquel est prévu un siège 5 sur lequel est fixé un élément d'étancheté élastique 6. Le siège 5 est obturé par un organe de fermeture 7 comportant une tige 8. Dans le corps 1 de la soupape est fixée rigidement une douille 9 coaxiale. à la tige 8. La douille 9 est assemblée au corps 1 de manière qu'ilsoit possible de la remplacer aisément en cas de modification de la plage de pressions du fluide. La tige 8 passe par l'orifice central de la douille 9.A I'extérieur de la douille 9, sur l'extrémité de la tige 8, est ménagés bourrelet sur lequel prend appui une rondelle 10 immobilisée par un écrou T1 et un contre -écrou 12. La douille 9 est percée d'orifice traversants dont les axes sont parallèles à l'axe de l'organe de fermeture 7 et qui sont disposés suivant une circnnférence dont le centre se trouve sur l'axe de la douille 9. Dans chacun desdits orifices est logé un plongeur 13 avec possibilité de déplacement alternatif, les parois de l'orifice servant deguidage 14 pour le plongeur 13. Un jeu de tels plongeurs est prévu pour remplir la fonction d'un élément de soupape mobile soumLs à 11 action de la pression du fluide. Sur les faces en bout 15 supérieures (suivant le dessin) des plongeurs 13 est disposée une rondelle 16 servant d'élémentapui pour un ressort de référence 17. ta surface totale des faces en bout inférieures 18 des plongeurs constitue la surface active dudit élément mobile. te ressort 17 comporte également un élément d'appui supérieur 19 et est logé dans un corps 20 se présentant sous forme d'un gobelet. Au centre du fond de celui-ci est pratiqué un orifice fileté dans lequel est vissée une vis 21 destinée au réglage du ressort 17. te réglage du ressort 17 étant terminé, la vis 21 est immobilisée par un coUre-écrou 22. te corps 20 contenant le ressort 17 est fixé au corps 1 de la soupape. te nombre de guidage 14 ménagés dans la douille interchangeable 9 dépend de la surface active requise des faces inférieures 18 des plongeurs 13 quint sont logés. Pour adapter une mAme soupape aux différentes pressions du fluide il suffit de remplacer la douille 9 pour diminuer ou augmenter le nombre de plongeurs 13 participant au fonctionnement, et par conséquent2 la surface active totale de l'élément mobile. Ainsi, pour assurer le fonctionnement normal de la soupape sous une pression de fluide plus élevée tout en conservant le même ressort 17, il suffit de diminuer la surface active de l'élément mobile De plus, une telle conception de la soupape permet de mettre hors d'action un certain nombre de plongeurs 13 sans changer la douille 9.A cet effet, il suffit de fermer les orifices de guidage 14 appropriés au moyen de bouchons 23. ta soupape de sécurité proposée peut- êtr;e utilisée comme un dispositif de fermeture ordinaire. A cet effet, la soupape est pourvue d'un mécanisme pour le déplacement de l'organe de fermeture- 7. Ce mécanisme est constitué par une tige 24 vissée dans la face en bout de la tige 8 et passant à travers l'élément d'appui supérieur 19 du ressort 17, par la vis 21 et par un élément 25 articulé au corps 20 contenant le ressort 17. Pour faire revenir automatiquement l'organe de fermeture 7 à sa position initiale après le déclenchement de la soupape delle-ci comporte un ressort 27 disposé sur la tige 24 et butant par l'une de ses extrémités centre l'élément d'appui supérieur 19 du ressort 17, etpar son autre extrémité, cnntre la rnndlle 10. Pour l'ouverture forcée de la soupape à la main, on a prévu dans l'élément 25 un trou latéral 28 dans lequel est disposée une manette (non représentée). Pour assurer un- lavage plus soigné- de la soupape, surtour après l'utilisation de fluides se durcissant rapidetmt (par exemple laits de ciment), il est possible de percer un orifice (non représenté) pour la sortie du fluide de lavage coaxialement à l'orifice d'entrée 3. Dans la soupape proposée, la surface effective P de l'élément mobile s'exprime par la formule F = # (nd + d12 - d22), 4 dans laquelle: d1 est le diamètre du plongeur, d1, le diamètre de la tige de l'organe de fermeture, d2, le diamètre du siège, n, le nombre de plongeurs. Comme le montre cette formule, la conception de la soupape proposée permet d'obtenir un élément mobile dont lasurface effective peut être réduite à volonté. En même temps l'effort du ressort de référence 17 est réduit et le réglage de la soupape sous haute pression devient plus aisé. En cas de réalisation d'une soupape dont l'organe de fermeture 7 a une surface active nulle, par exemple une soupape du type à piston, a surface effective de la soupape sera égale à la surface active des pistons F1 = n # d 4 Il ressort des formules données cidessus que la surface active d'une soupape conforme à l'invention ne dépend pas de son passage nominal ; C'est pourquoi une telle soupape, contraitement aux soupapes connues, peut être utilisée quelle que soit le débit du fluide, tout en ayant un encombrement minimal. La soupape conforme à l'invention fonctionne de la manière suivante. te fluide sous pression arrive dans l'enceinte du corps 1 de la soupape. Sous la pression-normale de fluide, î'orgaue de- fermeture 7 est intimement serré contre le siège 6 par le ressort 27, tandis que les plongeurs 13 se trouvent en position inférieure extrême sous l'action do ressort de référence 17. Lorsque la pression du fluide s'élève au-dessus de la limite admissible pour laquelle est réglé le ressort 17, les plongeurs commencent à se déplacer vers le haut en surmontant la résistance du ressort de référence 17. Pendit leur déplacement vers le haut, les plongeurs 13 viennent buter par leurs faces en bout supérieures contre la rondelle 10.En continuant de se déplacer, les plongeurs entraient avec eux ltorgane de fermeture 7 et le séparent du siège 5. te courant de fluide s'engage dans la fente formée entre la face en bout de l'organe de fermeture 7 et le siège 5. Sous l'action hydrodynamique du courant de fluide, l'organe de fermeture 7 s'élève jusqu'à sa position supérieure extrême en comprimant le ressort 27 et en ouvrant complètement le passage pour le courant de fluide. Le fluide continue à s 1écouler à travers la soupape jusqu'à ce que sa pressinn revienne à sa valseur normale. Ensuite l'organe de fermeture 7 sollicité par le ressort 27 revient àsa position initiale. tes plongeurs 13 retournent eux aussi à leur position inférieure extrême sous l'action du ressort 17. Pour obtenir une réduction forcée de la pression de fluide on ouvre la soupape à la main. A cet effet:,. ôn engage la manette précitée (non représentée) dans le trou latéral 28 de l'élément 25. En levant l'extrémité de la manette on déplace la tige 24 reliée à l'organe de fermeture 7, en ouvrant ainsi (ou en fermant) la soupape. I1 en est de même lorsquTon ouvre ou ferme la soupape~utilisée comme dispositif de fermeture. Bien entenuur ltinvention l,'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nta été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 10 Soupape de sécurité destinée-aux canalisations de fluides sous pression, du type comportant un corps creux percé d'un orifice d'entrée et d'un-orifice de sortie reliés entre eux par un canal dans une section duquel est prévu un siège obturé par un organe de fermeture relié cinématiquement à un élément mobile à ressort disposé dans ledit corps avec possibilité du déplacement alternatif et dont la surface active est soumise à la pression du fluide, caractérisé en ce que ledit élément mobile est constitué par un juu, quantitativement variable, de plongeurs se déplaçant dans des guidages et dont les axes espacés l'un de l'autre, sont parallèles à l'axe de l'organe de fermeture et équidistants par rapport à cet axe, la surface totale des faces en bout desdits plongeurs déterminant ladite surface active de l'élément mobile. 20 Soupape de sécurité selon la ievendication 10, caractérisée en ce que les guidages des- pistons sont formés par des orifices réalisés dans une douille rigidement fixée dans le corps précité et pouvant entre remplacé en cas de modification de la plage de pressions du fluide. 30 Soupape de sécurité selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que pour permettre de mettre hors d'action un ou plusieurs plongeurs en cas de modification de la plage de pressions du fluide, on place un bouchon dans chacun des orifices de guidage des plongeurs que l'on désire mettre hors d'action.