Brevet FR2292909A1 — publié le 19760625

La présente invention concerne une vanne-papillon à deux courses du papillon dite vanne didroeique", c'est-à-dire une vanne dont chaque manoeuvre d'ouverture ou de fermeture, comporte deux courses successives du papillon, à savoir : en partant de la position ouverte de la vanne, un mouvement de rotation du papillon pour assurer l'obturation de la conduite, et enfin un mouvement supplémentaire de translation, pour appliquer l'obturateur sur le siège, et réaliser ainsi l'étanchéité.Inversement, pour réaliser l'ouverture de la vanne, le papillon est d'abord écarté de son siège en un premier mouvement de translation, puis le papillon est tourné sur lui-même d'un quart de tour, en un deuxième mouvement de rotation, amenant son plan parallèlement à ltaxe de la conduite, c'est-à-dire en position ouverte de la vanne. I1 a déjà été réalisé des vannes d'un genre similaire, parmi lesquelles on citera, en exemple, la vanne-papillon décrite dans le brevet français nO 1 595 138 au nom de la Demanderesse. Dans ce brevet, le papillon est tenu par un pontet qui tourne sur le maneton d'un arbre-vilebrequin transversal à la conduite0 Pendant ledit mouvement de translation, le vilebrequin tourne d'un quart de tour, et le maneton déplace le papillon dont le pontet est immobilisé en rotation par un dispositif à bille ou doigt et tocs coopérant alternativement avec un arbre et une douille coaxiaux, puis, pendant ladite course de rotation, le vilebrequin tourne encore d'un quart de tour et le maneton tourne avec le papillon, dont le pontet lui est alors solidaire par ledit dispositif La présente invention concerne d'autres exécutions et perfectionnements d'une telle vanne. Elle concerne plus particulièrement des vannes capables de fonctionner normalement à de très basses températures, soit par exemple de + 1000C à - 1960C et capables de résister à un coup de feu tout en restant étanches, par conséquent des vannes satisfaisant aux exigences du sectionnement des conduites de gaz naturel liquéfié. L'invention parvient à ce résultat en utilisant un nouveau mode d'application du papillon sur le siège, et une conåugaison originale des deux mouvements (de translation et de rotation) du papillon. L'invention permet ainsi l'utilisation de joints d'étanchéité de forme simple et une étanchéité indépendante des variations de température ainsi que des variations des caractéristiques mécaniques des joints et des sièges, Suceinctement, dans la vanne-papillon à deux courses du papillon selon l'invention, les liaisons cinématiques de position et d'orientation entre l'actionneur de la vanne et le papillon sont assurées respectivement et conjointement par deux arbres coaxiaux, à savoir, pour la liaison de position, un arbre d'entralnement qui est attaqué directement par l'actionneur et qui porte deux excentriques reliés par un arbre excentrique sur lequel peut tourner le papillon, et pour la liaison d'orientation, un arbre creux qui attaque le papillon par 1' intermédiaire d'un joint de Oldham et qui est attaqué depuis l'actionneur par l'intermédiaire d'un dispositif à séquence, de manière à ce que, d'une part, lors de la fermeture de la vanne,qui s'obtient par pivotement d'un quart de tour de l'actionneur, en partant de la position ouverte de la vanne, dans un premier temps, pendant, approximativement le pre skier tiers de la rotation de l'arbre à excentrique, le papillon tourne en sens inverse de 900 pour venir en position de fermeture, et, dans un deuxième temps, pendant les deux tiers restant de la rotation de l'arbre à excentriques, le papillon vient se plaquer sur son siège au terme d'un déplacement dans lequel il demeure parallèle à lui-même, sur une trajectoire à tangente perpendiculaire au siège dans la zone de contact, l'ouverture de la vanne s'obtenan par un processus inverse. Cette disposition cinématique a été appelée dromogramme orthogonal par opposition au dromogramme tangentiel dans lequel la tangente à la trajectoire en fin de déplacement est parallèle au siège. On notera que la vanne-papillon selon l'invention, peut être avantageusement construits selon le mode dit en chapelle (le "bonnet access" des anglo-saxons), qui permet,d'une part, le soudage du corps de vanne sur la tuyauterie, et,d'autre part, la visite de la vanne pour la maintenance du papillon et du joint. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux des sins annexés dans lesquels s Les figures 1 et 2 sont deux coupes longitudinales qui, raccordées entre elles, représentent une vanne-papillon à deux courses du papillon avec son dispositif à séquence La figure 3 est une coupe transversale, au niveau du dispositif à séquence, de la vanne-papillon représentée figures 1 et 2;; Les figures 4, 5, 6 sont trois coupes partielles schématiques du dispositif à séquence représenté figure 7, permettant de mettre en évidence une séquence de fonctionnement Les figures 7, 8, 9 sont trois coupes transversales schématiques, au niveau du joint de Oldham, de la vanne représentée figures 1 et 2, en position fermée(figure 7),à la fin de la première phase d'ouverture (figure 8) et en position ouverte (figure 9); La figure 10 représente en coupe longitudinale un autre mode de réalisation du système d'étanehSté du papillon Les figures 11 et 12 sont deux coupes longitudinales d'une vanne-papillon réalisée selon le mode dit en chapelle, l'une de ces deux coupes étant parallèle à l'axe de la conduite, figure 11, tandis que l'autre est perpendiculaire audit axe, figure 12. Avec référence aux figures 1 et 2, qui, raccordées selon le planai - I, représentent, en coupe longitudinale, une vanne-pa- pillon selon l'invention, cette vanne comprend un corps 1, dans lequel est disposé le papillon 2, et sur lequel est soudé, dans l'axe de l'ouverture supérieure 3, un fat de rallonge 4 surmanté d'un boîtier de commande 5, dans lequel est logé un dispositif de séquence commandé par un volant de manoeuvre 6. Le volant de manoeuvre 6, entraîne, par l'intermédiaire d'un réducteur à embiellage,le carré 7 d'un arbre d'entraînement 8 coaxial au fat 4, monté pivotant, à l'une de ses extrémités, dans le boîtier 5, et,à son autre extrémité, sur des coussinets 9 disposés dans l'ouverture du corps 10 On notera à ce sujet que le volant de manoeuvre pourrait être remplacé par un servoréducteur, par exemple hydraulique. De meme, le susdit réducteur comprend, de préférence, un embiellage spécial, par exemple du type de celui décrit dans le brevet français 1 460 561 au nom de la Demanderesse, qui présente l'avantage d'offrir un couple important en position de fermeture et autre mécaniquement irréversible dans cette position. L'arbre 8 est prolongé à l'intérieur du corps 1 de la vanne par un arbre excentrique 10, sur lequel peut tourner le papillon 2. L'arbre excentrique 10, d'axe parallèle à celui de l'arbre d'entraînement 8, est monté, d'une part, en haut du papillon 2, sur l'extrémité inférieure 11 constituant excentrique de l'arbre 8 et, d'autre part, en baa du papillon 2, sur un excentrique 12, monté pivotant, coaxialement à 11 arbre 8, sur les coussinets 13 disposés dans l'ouverture inférieure du corps 1. A l'intérieur du boîtier de commande 5i l'arbre 8 entraîne un disque 15 supportant une couronne 16 dont la surface interne est en partie dentelée, et dont le rebord latéral, opposé au disque 15 est prolongé intérieurement par un épaulement circulaire 17 (figure 3) qui présente des découpes circulaires 18 servant de cames de séquence. La couronne 16 sert à 1'entratnement de pignons satellites 19 montés pivotant sur des axes 21 qui passent au travers d'évidements circulaires 22 ménagés dans le disque 15, et qui sont fixés sur une cloison de séparation 23 du boîtier 5. Les pignons satellites 19 engrènent normalement avec une couronne dentée 24 montée pivotante sur l'axe 8 et solidaire en rotation d'un manchon tubulaire ou arbre creux 25 coaxial à l'ar- bre 8 et logé dans le fat 4, qui sert à ltentratnement en rotation du papillon 2 autour de l'arbre excentrique 10. s LL cet effet, l'arbre creux 25 d'entraînement du papillon 2 se termine dans l'ouverture 3 du corps 1, par une bague 26 à deux doigts 27 engageant un Joint d'Oldham 28 qui, à son tour, engage deux doigts ou crabots 29 (figures 7, 8 et 9) du papillon. La bague 26 pivote sur un coussinet 31 logé dans le corps 1 et contient elle-meme le coussinet 9 dans lequel pivote l'arbre-d'en- traînement 8. Avec référence à la figure 3 qui est une coupe transversale du dispositif de séquence, la couronne 16 comprend trois portions dentelées 32 disposées à 1200, espacées par trois portions lisses 33. Les trois portions dentelées sont destinées à entraîner, à partir d'une certaine rotation prédéterminée du disque 15, les trois pignons également disposés à 200. Dans l'exemple représenté la rotation totale du disque 15, et par conséquent de l'arbre 8, est limitée à 900 par les dimensions des évidements circulaires 22 au travers desquels passent les axes 21. Les positions respectives et les dimensions des portions lisses 33 et des portions dentelées 32, ainsi que la position des évidements circulaires 22,sont prevues de manière à ce que : en partant d'une position dans laquelle l'axe 21 des pignons 19 vient respectivement en butée contre une extrémité des évidements circulaire 22, position correspondante à la position fermée du papillon 2, le disque 15 puisse effectuer une première rotation de 600 sans que les pignons 19 soient entraînés et, ensuite, une deuxième rotation de 300 dans laquelle les pignons 19, entraînés respectivement par les portions dentées 32provoquent une totation de l'arbre creux 25, et, en conséquence, du papillon 2. Pour permettre leur engrènement sur les portions dentelées 32, les pignons 19 comprennent au moins deux dents arasées 36,37 (figures 4, 5 et 6). De même, pour éviter toute rotation intempestive du papillon 2, lorsqu'il est en position fermée, ou même pendant la susdite première rotation de l'arbre d'entraînement 8, au cours de laquelle les pignons 12 n'engrènent pas avec les parties dentelées 32 de la couronne 16, les pignons 19 présentent deux niveaux d'épsisseurs séparés par un méplat circulaire 38, présentant un rayon de courbure égal au rayon de la surface interne de l'épaulement circulaire 17. dinsi,lorsque le papillon 2 est fermé et pendant la susdite première rotation du disque 15, le méplat circulaire 38 épouse le contour arrondi de l'épaulement circulaire 17 et empêche tout mouvement de rotation des pignons 19 autour des axes 21, et, en conséquence, du papillon 2 autour de l'arbre excentrique 10.Cette disposition assure également que les dents arasées 36, 37 des pignons 12 se présentent bien, en fin de la susdite première rotation, par rapport aux dents des portions dentelées 32 de la couronne 160 Par contre, pendant la susdite deuxième rotation du disque 15, la rotation des pignons 19 peut s'effectuer en raison des découpes circulaires 18-ménagées dans l'épaulement 17. Bien entendu, la position de ces découpes 18 est prévue de manière à ne rendre possible la rotation des pignons 19 que lorsque ces derniers engrènent avec les portions dentelées 32. Les figures 7, 8 et 9 sont trois coupes transversales de la vanne représentée figure 1, au niveau du joint de Oldham 28. Ces trois coupes correspondent respectivement aux trois états du dispositif de séquence, illustrés figures 4, 5 et 6, à savoir un état dans lequel la vanne est fermée, et le papillon 2 est appliqué sur son siège 40, un état intermédiaire correspondant à la fin de la première rotation d'ouverture de l'arbre 8, et enfin un état dans lequel la vanne est en position ouverte0 Pour réaliser l'ouverture de la vanne, à partir de la position fermée représentée figure 7, dans laquelle le papillon 2 est appliqué sur le siège 40, on provoque, par l'intermédiaire du volant de manoeuvre 6 la rotation de l'arbre d'entraînement 8. Pendant la première phase de l'ouverture, c'est-à-dire, pour une rotation dé l'arbre 8 inférieure à 600, les pignons 19,dont les dents n'engrènent pas et qui sont immobilisés par l'action du méplat 38 sur la face interne de l'épaulement 17, maintiennent fixement l'arbre creux 25. Au cours de cette rotation de l'arbre 8, le papillon,déplacé par l'aie excentrique 10, s'écarte du siège 40 tout en étant maintenu parallèle à lui-mêxe, du fait que le joint de Oldham 28, retenu par les doigts 27 de la bague 26 ne peut pas pivotera La figure 8 représente les positions respectives de l'axe excentrique 10, de l'arbre creux 25, du papillon 2 et du Joint de Oldham 28, à la fin de la première phase de rotation de l'arbre 8. On renarqueraque l'axe de l'arbre excentrique 10, a tour né de 600 et que le papillon s'est écarté du siège 40 en restant parallèle à lui-même, avec un léger déplacement latéral.Cette position correspond à celle illustrée figure 5, dans laquelle la première dent non arasée 41 des pignons 19 vient au contact de la première dent 42 des portions dentelées 32 de la couronne 16. Pendant la deuxième phase de l'ouverture de la vanne, c'est i-dire pendant la rotation de 300 de l'arbre 8 qui suit la pre mière phase, les pignons 19 engrènent sur les portions dentelées 32 de la couronne 16 et entrent en rotation. Cette rotation est permise en raison des découpes circulaires 18 ménagées sur l'pau- lement 17. L'arbre creux 8 entre alors en rotation et entraîne le papillon 2. D8 lors, le papillon 2 est soumis à la fois à un déplacement résultant de la rotation de l'arbre excentrique -10, et à un mou- vement de rotation sur ledit arbre excentrique dû à la rotation de l'arbre creux 25 et du Joint de Oldham 28. Le rapport des diamètres de la couronne dentée 16 et des pignons 19 est prévu de manière à ce qu'une rotation de 300 de la couronne dentée 16, entraîne une rotation de 900 de l'arbre creux 25. Ainsi, à la fin de la deuxième phase d'ouverture de la vanne, le papillon 2 se trouve dans un plan parallèle à l'axe de la conduite après avoir pivoté d'un quart de tour, en sens inverse du sens de rotation de l'arbre 8. Inversement, en partant de la position ouverte de la vanne, la fermeture s'obtient par une rotation de 900 de l'arbre d'entraînement 8, au cours de laquelle, dans un premier temps, le papillon 2 pivote d'un quart de tour, et vient, dans un deuxième temps, se plaquer sur son siège 40 au terme d'un déplacement dit dromogramme orthogonal, c'est-8-dire un déplacement dans lequel le papillon reste parallèle à luimeame, sur une trajectoire à tangente perpendiculaire au siège dans la zone de contact. On notera que la conjugaison des mouvements précédemment décrits permet avantageusement d'éliminer tout glissement relstif du papillon sur le siège pendant la course d'étanchdit4, ce que ne permettent pas les vannes connues de ce genre. En outre, pendant cette course, la trajectoire du papillon étant générée par un mouvement excentrique, une rotation de faible amplitude permet d'augmenter considérablement la pression de contact entre le papillon 2 et le siège 40. Cette même rotation supplémentaire en fin de course étant assurée par l'élasticité torsionnelle de l'axe d'entraînement des excentriques, la pression de contact entre le papillon et son siège est maintenue à une valeur correcte (comprise entre la pression d'étanchéité et la limite de fluage des matériaux en contact), eh dépit des dilatations-contractions différentielles de l'ensemble d'étanchéité. En outre, le dormogramme orthogonal permet à 1' obturateur du papillon de suivre un éventuel déplacement relatif du siège, par le fait de l'élasticité torsionnelle de l'axe. C'est un avantage intéressant dans le cas des vannes pour utilisation à des basses températures. Toutefois, le dispositif permettant d'obtenir ce dromogramme orthogonal a l'inconvénient d'trie révereible, ce qui oblige de maintenir le couple de fermeture. Cet inconvénient disparaît en utilisant les actionneurs à embiellage qui, du fait de l'arcbou- tement des bielles, sont absolument irréversibles. Le domogramme tangentiel inappliquable pour les vannes à des basses températures, compte-tenu des déplacements de siège dus aux dilatations relatives des divers éléments de la vanne, peut être intéressant dans certains cas. En effet, il y a essuyage du siège à la fermeture et arcboute- ment de la transmission au niveau du papillon obturateur. La position de 1'obturateur par rapport au siège est géométriquement et invariablement définie. Dans l'exemple représenté figure 1, le siège de la vanne est réalisé à l'aide d'une bride en deux pièces 44, 45 par exemple en acier inoxydable austhénitique, associées à deux Joints toriques métalliques flexibles à âme élastique. L'un de ces Joints toriques 47 assure l'étanchéité statique du corps 1 et de la bride, et l'autre Joint 46 l'étanchéité du papillon0 On notera que, pour ce type d'étanchéité, le papillon 2 comprend nécessairement un rebord chanfreiné 48, qui s'applique, en position fermée de la vanne, contre le Joint torique 46. L'étanchéité du papillon peut être également réalisée, comme représentée figure 10, à l'aide d'un siège comprenant une bride 49 avec un fouloir 50, entre lesquels est logé un joint d'étanchéité à talon 51 en polytétrafluoréthylbne chargé, l'étanchéité statique entre le corps 1 et le fouloir 50 étant obtenue à l'aide d'un joint torique 52 du type de ceux précédemment mentionnes On remarquera que, dans ce mode de réalisation,le papillon 2 porte à plat sur le siège. Avec référence aux figures 11 et 12 qui montrent comment la vanne didromique selon l'invention peut être réalisée selon le mode dit en chapelle, la longueur de l'ouverture supérieure 3 du corps 1 est légèrement supérieure au diamètre du papillon 2. Cette ouverture est refermée par un chapeau 54 fixé sur le corps 1 par des vis 55 et sur lequel est soudé le fût de rallonge 4 à l'inté- rieur duquel passe l'arbre d'entraînement 8 et l'arbre creux 25. Le corps 1 de la vanne peut alors être glissé entre les deux tranches de la conduite, puis soudé sur elles ou bien fixé de façon classique au moyen de brides solidaires de la conduite. Par la suite, pour l'examen et l'entretien ultérieurs de la vanne, il suffit, sans avoir à démonter ou dessouder le corps 1 de la conduite, de dévisser les vis 55, et d'ôter l'ensemble constitué par le chapeau, le papillon 2 et ses annexes qui se trouvent ainsi libB- rés. Le démontage donne accès au siège et, d'une façon plus géné- ralle, l'intérieur du corps t de la vanne et, en consdquence,il devient possible de démonter et de changer le joint 56. On notera que l'étanchéité entre le chapeau 54 et le corps 1 peut être réalisée à l'aide d'un joint torique métallique élastique à âme flexible, l'écrasement de ce joint pouvant autre limité par une entretoise en acier inoxydable austhénitique. Bien entendu, dans les deux modes de réalisation précédemment décrits, le papillon, le mécanisme de support et d'entraînement du papillon, ainsi que le åoint,sont absolument identiques. REVEDICÂTIONS 1.- Vanne-papillon à deux courses du papillon dite didromique, à savoir une course de translation, puis une course de rotation pour l'ouverture, caractériséeen ce que les liaisons cinématiques de position et d'orientation entre l'actionneur de la vanne et le papillon sont assurées respectivement et conJointement par deux arbres, à savoir, pour la liaison de position, un arbre d'entraînement qui est attaqué par l'actionneur et qui porte deux excentriques sur lesquels peut tourner le papillon, et, pour la liaison d'orientation, un arbre creux qui attaque le papillon par un joint de Oldham, et qui est attaqué depuis l'actionneur, par un dispositif à séquence, qui l'immobilise pendant une partie de la course de l'actionneur correspondant en partie à ladite course de translation, et qui le fait pivoter d'un quart de tour pendant le restant de la course de l'actionneur, les opérations d'ouverture ou de fermeture s'obtenant par une action sur l'actionneur provoquant une totation totale d'un quart de tour du susdit arbre d'entraînement. 2.- Vanne-papillon selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif à séquence est conçu de manière à ce que, lors de la fermeture de la vanne, en partant de la position ouverte de celle-ci dans un premier temps, pendant, approximativement le premier tiers de la rotation de l'arbre d'entraînement, le papillon tourne en sens inverse d'un quart de tour, pour venir en position de fermeture, et, dans un deuxième temps, pendant les deux tiers restant de la course dudit arbre d'entraînement, le papillon vient se plaquer sur son siège au terme d'un déplacement, dit dromogramme orthogonal,dans lequel il demeure parallèle à lui-meme, sur une trajectoire à tangente perpendiculaire au siège dans la zone de contact, l'ouverture de la vanne s'obtenant par un processus inverse. 3.- Vanne-papillon selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pression de contact entre le papillon et le siège est augmentée par une rotation supplémentaire, en fin de course de l'arbre d'entraînement, cette rotation supplémentaire est assurée par l'élasticité torsionnelle dudit axe d'entrains- ment, de sorte que cette pression de contact est maintenue à une valeur correcte (comprise entre la pression d'étanchéité et la limite de fluage des matériaux en contact) en dépit des dilatations différentielles de l'ensemble d'étanchéité. 40- Vanne-papillon selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de séquence comprend, solidaire de 1 arbre d'entraînement, un disque supportant une couronne dont la surface interne comprend au moins une portion lisse et une portion dentelée qui sert à l'entraînement d'au moins un pignon satellite, pivotant autour d'un axe solidaire du corps de la vanne, qui engrène avec une couronne dentée montée pivotante sur le susdit arbre d'entraînement, et solidaire en rotation de l'arbre creux, les dimensions et la position de ladite portion dentelée étant prévues de manière à ce que ledit pignon, et,. en conséquence, ledit arbre creux, ne soient entraînés que pendant la susdite course de rotation du papillono 5.- Vanne-papillon selon la revendication 4, caractérisée en ce que le susdit pignon est bloqué pendant la course de translation du papillon, et est débloqué pour la course de rotation du papillon, lorsque le pignon engrène avec la susdite portion dentelée,ledit pignon comprenant, pour permettre cet engrènement, au moins deux dents arasées. 6.- Vanne-papillon selon la revendication 5, caractérisée en ce que la susdite couronne en partie dentelée, comprend un épaulement circulaire comportant une découpe circulaire, et en ce que le susdit pignon comprend, sur l'une de ses faces latérales, un méplat circulaire de rayon de courbure égal au rayon de la surface interne dudit épaulement circulaire sur lequel il s'appuie et peut coulisser tout en étant bloqué en rotation, la position de ladite découpe circulaire étant prévue de manière à ce que le pignon puisse tourner lorsqu'il engrène sur la susdite partie dentelée. 7.- Vanne-papillon selon 11 une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pignons, les portions lisses, les portions dentelées, et les découpes circulaires, sont au nombre de trois et sont disposées respectivement à environ 1200, en ce que les -axes des susdits pignons passent au travers d'évidements cir culaires. ménagés sur le susdit disque, et qui limitent la rotation de ce dernier à environ 900, et en ce que le rapport des diamètres de la couronne dentée et des pignons peut être prévu de manière à ce qu'une rotation de 300 de la couronne dentée entraîne une rotation de 900 de 1-' arbre creux. 8.- Vanne-papillon selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le siège de la vanne est réalisé à l'aide d'une bride en deux pièces, par exemple en acier inoxydable austhénitique et de deux joints toriques métalliques flexibles, l'un de ces Joints assurant l'étanchéité statique du corps de la vanne et de la bride, et l'autre, l'étanchéité du papillon, ce dernier eomportant nécessairement un rebord chanfreiné qui s'applique, en position fermée de la vanne, contre ledit autre joint. 9.- Vanne-papillon selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le siège comprend une bride avec un fouloir, entre lesquels est logé un Joint d'étanchéité à talon, par exemple en polytétrafluoréthylène chargé, servant à l'étanchéité du papillon, l'étanctéité statique entre le corps et le fouloir étant obtenue à l'aide d'un Joint torique métallique élastique. 10.- Vanne-papillon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que son corps comprend une ouverture de longueur légèrement supérieure au diamètre du papillon, cette ouverture étant refermée par un chapeau, fixé de façon étanche et démontsble sur le corps, et sur lequel est soudé le fat de rallonge dans lequel passe l'arbre d'entraînement et l'arbre creux, de sorte qu'il soit possible d'oter l'ensemble constitué par le chapeau, le papillon et ses annexes, de manière à avoir accès à l'intérieur du corps de la vanne et à pouvoir ainsi démonter et changer le joint d'étanchéité0