Brevet FR2339794A1 — publié le 19770826

La présente invention concerne d'une façon générale des appareils et des procédés destinés à la commande de l'écou- lement de divers fluides, dont les gaz et les liquides. Elle concerne aussi des dispositifs et des procédés de détection des fuites. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 827 285 décrit un tel appareil dans lequel un ensemble en forme de plongeur comprenant des joints d'étanchéité en matériau élastique, en forme de cuvettes opposées, est mobile par rapport à un manchon cylindrique de façon à ltobturer ou à permettre au fluide de s'écouler. Un tel appareil offre de nombreux avantages pour certaines applications. L'étanchéité est fiable et elle n1 est pas compromise par la présence de dépôts ou de matières solides étrangères. L'obturation est réalisée sans qu'un mécanisme doive repousser des surfaces d'étanchéité l'une contre l'autre.Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique NO 3 827 285 décrit également un appareil de ce type comprenant un organe détectant les fuites par la chute de pression qui se produit dans l'espace situé entre les cuvettes opposées lorsque le plongeur allongé vient hermétiquement au contact des joints. Cet espace est relié à un organe extérieur sensible à la pression et qui indique le maintien ou la perte de cette chute de pression. Des dispositifs d'étanchéité du type décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique NO 3 827 285 ont été incorporés à des vannes ou à des appareils fluidiques déviant un jet de fluide et comprenant plus de deux passages d'écoulement ainsi que plusieurs dispositifs d'étanchéité, tels que ceux décrits dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 860 033. Lorsque des appareils de commande de l'écoulement comprenant des éléments d'étanchéité comportant des joints de matière élastique en forme de cuvettes orientées en sens opposés sont utilisés dans des applications nécessitant des débits relativement élevés, les rebords de l'une ou des deux cuvettes peuvent être déformés au point de perdre leur forme normale pendant le mouvement de l'obturateur entre ses positions ouverte et fermée. Une telle déformation peut nuire au fonctionnement correct ou se traduire par une avarie ou une mutilation permanente des joints. Pour éviter de telles déformations exagérées, on peut utiliser des cerclages de la façon décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 545 765 déposée le 31 janvier 1975 et cédée à la Demanderesse.Dans ce cas, les bordures de chaque joint élastique sont maintenues par des cerclages annulaires qui limitent leur flexion radiale. Bien qu'un tel agencement fonctionne d'une façon satisfaisante, on a trouvé que de tels ensembles peuvent provoquer dans le fluide de la canalisation des dépôts de matières solides étrangères tels qu'ils nuisent au fonctionnement correct du dispositif. De plus, le cerclage augmente considérablement les frais de production. La présente invention concerne donc un nouvel appareil qui est destiné à commander l'écoulement d'un fluide ou à dévier son jet et qui comprend un nouveau dispositif d'étanchéité pouvant supporter des différences de pression et des débits relativement élevés sans que les joints élastiques qui le composent soient déformés exagérément ou avariés. L'appareil comprend un ou plusieurs dispositifs d'étanchéité constitués de joints en matériau élastique, espacés axialement, réalisés et montés de façon à produire l'effet d'essuyage du dispositif à double cuvette décrit par le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 827 285 précité, mais sans nécessiter la flexion des rebords des joints.Le dispositif d'étanchéité comprend deux joints annulaires en matériau élastique, espacés axialement, ayant en coupe radiale la forme d'un U et montés de façon à engendrer une pression dans l'espace situé entre eux pendant une opération d'obturation et à conserver cette pression pendant que l'appareil est fermé. La pression ainsi produite représente une surpression par rapport à celle qui règne sur le côté du dispositif d'étanchéité vers lequel l'élément mobile de l'appareil s'avance. La présente invention concerne également un nouveau procédé et un nouveau dispositif de détection des fuites par la surpression produite dans le dispositif d'étanchéité lorsque l'appareil passe de sa position d'ouverture à sa position de fermeture. D'une façon générale, l'appareil que le dispositif de l'invention équipe comprend deux éléments mobiles l'un par rapport a l'autre. L'un d'eux est un corps creux comprenant des ouvertures espacées constituant des passages d'écoulement reliés à un espace situé à l'intérieur du corps. L'autre élément, disposé dans ce dernier, est mobile entre des positions d'ouverture et de fermeture afin de permettre l'écoulement du fluide entre les passages ou de l'empêcher. Un dispositif d'étanchéité est monté sur le premier élément et l'autre comprend un obturateur comportant une surface d'étanchéité cylindrique. L'obturateur et sa surface cylindrique peuvent être déplacés d'une position rétractée dans laquelle ils sont espacés du dispositif d'étanchéité à une position avancée d'obturation dans laquelle ils sont disposés concentriquement à ce dispositif.Le dispositif d'étanchéité est constitué de deux joints annulaires en matériau élastique, espacés axialement et ayant chacun la forme d'un U en coupe radiale. Un dispositif de montage des joints serre la paroi latérale de chacun d'eux et la surface annulaire de la paroi qui réunit la paroi latérale de chaque joint est destinée à porter contre la surface cylindrique de l'obturateur lorsqu'elle est disposée concentriquement au dispositif d'étanchéité. L'étanchéité est donc réalisée entre les joints et la surface cylindrique dans deux zones annulaires espacées axialement.Le rapport entre le diamètre au repos des joints et le diamètre de la surface cylindrique a une valeur telle que les joints subissent des efforts et sont déformés lorsque le dispositif et la surface cylindrique sont déplacés l'un par rapport à l'autre vers la position dans laquelle ils sont concentriques. L'élément qui comprend la surface d'étanchéité cylindrique comprend également à l'une de ses extrémités une surface effilée ou de forme sensiblement conique. Cette surface conique porte successivement contre les joints lorsque le dispositif et ladite surface cylindrique sont déplacés vers leur position dans laquelle ils sont concentriques, de sorte que des efforts sont appliqués successivement aux joints pendant ce mouvement.L'espace fermé situé entre les joints est relié de préférence à un organe extérieur sensible à la pression destiné à détecter les fuites. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un appareil de commande de l'écoulement d'un fluide conforme à l'invention la figure 2 est une coupe longitudinale semblable à celle de la figure 1 et représente les éléments de l'appareil en position d'obturation entre les passages d'écoulement du corps la figure 3 est une coupe de détail, à échelle agrandie, représentant les joints et leur dispositif de montage la figure 4 est une élévation et une demi-coupe de l'un des joints la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 3, mais montrant comment des efforts s'exercent sur les joints lorsque les éléments sont déplacés vers leur position de fermeture complète la figure 6 est une coupe de détail semblable à celle de la figure 5 et représente les éléments continuant à se déplacer vers leur position de fermeture complète la figure 7 est une coupe de détail semblable à celles des figures 5 et-6 et représente les éléments dans leur position concentrique de fermeture complète la figure 8 est une vue de détail, partiellement en coupe et à échelle agrandie, représentant le ressort portant contre chaque joint la figure 9 est une coupe suivant la ligne 9-9 de la figure 8 ; et la figure 10 est une coupe de détail d'un autre mode de réalisation de l'invention. Le mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 1 et 2 équipe un appareil comprenant un corps creux 10 constitué de deux éléments 10a et lOb. Ces éléments sont assujettis l'un à l'autre par un ensemble 11 qui est à la fois un accouplement et un dispositif d'étanchéité. La partie principale du corps 10 est cylindrique et l'une de ses extrémités comprend une bride 12 destinée à faciliter le montage d'une plaque de fermeture 13. Un organe de commande 14 pouvant être monté sur la plaque 13 comprend, par exemple, un accouplement 15 et une tige filetée 16 reliés à la barre de commande de l'appareil. L'organe de commande peut comprendre par ailleurs un écrou (non représenté) vissé sur la tige 16 qu'un mécanisme commandé manuellement ou par un moteur, fait tourner.Des équipements de commande de type pneumatique ou hydraulique peuvent être utilisés à la place de ce mécanisme. Le diamètre d'une partie lOc située à l'autre extrémité du corps 10 se réduit jusqu a une ouverture ou passage d'écoulement 17. Une paroi latérale du corps comprend également un orifice d'écoulement 18 et un tuyau de faible longueur 19 qui peut être relié à une tuyauterie correspondante. Un obturateur mobile 21 disposé à l'intérieur du corps 10 est destiné à être déplacé entre la position rétrac tée d'ouverture de la figure I et la position avancée de fermeture de la figure 2. L'obturateur de section annulaire comprend une surface périphérique extérieure cylindrique 22. L'une de ses extrémités est assujettie, par exemple par soudage, à une paroi 23 qui, à son tour, est montée sur la barre de commande 24. Gette barre est alignée sur l'axe du corps 10 et l'axe de l'obturateur 21 . Elle passe par la plaque 13 qui est équipée d'un élément d'étanchéité approprié. L'extrémité libre de l'obturateur 21 s'effile en une surface 25 de forme sensiblement conique qui se raccorde à la surface cylindrique 22. Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation avantageux du dispositif d'étanchéité 11. Deux anneaux 26 en forme de bride sont assujettis, par exemple par soudage, aux éléments voisins l0a et lOb du corps. Deux autres anneaux 27 et un anneau intermédiaire 28 sont disposés entre les deux brides 26. Les anneaux 27 et 28 sont en un matériau approprié, par exemple un métal, et constituent avec les anneaux 26 un dispositif de montage de joints 29 qui sont en un matériau élastique tel qu'un caoutchouc synthétique ou un élastomère approprié. Chaque joint 29 a la forme d'un U en coupe radiale et comprend des parois latérales 30, sensiblement parallèles l'une à l'autre, réunies par une paroi 31 qui en fait partie intégrante.La forme de la paroi 31 est telle que lorsqu'elle est au repos sa surface interne comprend des surfaces de forme conique 31a inclinées en sens opposés et réunies par une surface arrondie intermédiaire 31b. Comme expliqué plus bas, la surface 31b constitue une région annulaire qui vient herméti .quement au contact de 11 obturateur 21. Les parois latérales 30 des joints 29 sont serres et fixées par le dispositif de montage, de la façon représentée sur la figure 3. Comme le montre la figure 4, des bourrelets intérieur et extérieur 33, 34, faisant partie intégrante des parois 30, portent hermétiquement contre les faces de serrage voisines. Dans le dispositif particulier représenté, les faces opposées des brides 26 sont évidées de façon à comporter une face de serrage 36 et un épaulement 37. Les côtés des anneaux 27 également évidés comprennent des faces de serrage 38. L'anneau intermédiaire 28 comprend des faces de serrage 39 et des bordures 41 en forme de rebord qui entourent étroitement les parties voisines des anneaux 27. Les parties des anneaux 27 qui sont situées à 1 'in- térieur des joints 29 ou, en d'autres termes, entre leurs parois latérales 30, sont de préférence arrondies comme indiqué en 42. Elles comprennent, de plus, des conduits 43 qui sont isolés normalement de l'atmosphère par des bouchons 46. Au lieu de compter uniquement sur les caractéristiques d'élasticité et de retour à leur forme initiale des joints 29, il est préférable de prévoir des ressorts supplémentaires disposés entre chaque anneau 27 et la paroi 31 correspondante. Dans ce but, la surface périphérique interne de chaque anneau 27 comprend une gorge 48 qui, d'une façon générale, entoure une gorge de forme complémentaire 49 réali sée dans la paroi 31 du joint 29. Un ressort hélicoïdal 51 occupe la gorge 48 et y est retenu par le fait qu'il est nor malement comprimé circonférentiellement. Lorsque le joint est au repos, il peut y avoir un faible jeu entre les spires du ressort et la surface de l'évidement 49. De préférence, le ressort 51 est en un feuillard métallique enroulé en hé lice, sensiblement de la façon représentée sur les figures 8 et 9.Les gorges 48 et 49 peuvent avoir en coupe la forme d'une ellipse et des dimensions telles qu'elles permettent au ressort 51 d'être comprimé radialement et de prendre une forme elliptique. I1 en est de même pour la surface de la gorge 49. Lorsque les éléments représentés sur la figure 3 sont assemblés et que les boulons 52 exercent une force de serrage, les bourrelets 33, 34 sont aplatis complètement con tre les faces de serrage voisines. On réalise ainsi une étan chéité efficace entre les joints 29 et les parties voisines de l'ensemble. La surface interne 53 de chaque bride 26 a un dia mètre comparable au diamètre intérieur de la paroi 31 de chaque joint, à l'endroit où cette paroi se raccorde aux parois latérales 30. I1 en est de même pour la surface in terne 54 de l'anneau 28. La surface 53 de chaque bride 26 est, de préférence, arrondie comme indiqué en 55 pour per mettre une certaine flexion des joints 29 pendant le fonc tionnement du dispositif. Le diamètre interne de la surface intérieure de chaque anneau 27 est un peu plus grand que le diamètre des surfaces 53 et 54. En général, l'ensemble a pour but de supporter les parties intérieures des joints et d'éviter qu'ils ne fléchissent- excessivement lorsqutils su bissent des différences de pression. Dans le mode de réalisation de la figure 3, des conduits 56 des joints 29 établissent une communication entre l'espace qui est situé entre ces derniers et qui est entouré immédiatement par l'anneau 29 et l'espace intérieur libre des joints. L'ensemble représenté sur la figure 3 comprend éga lement un dispositif de détection des fuites. Un conduit 57 de l'anneau intermédiaire 28 est relié à l'extérieur par un tuyau 58. Comme expliqué plus bas, lorsque l'obturateur 21 est déplacé de sa position de retrait à sa position avancée, dans laquelle il est concentrique au dispositif d'étanchéité 11, il modifie successivement la forme des joints, de sorte qu'unie surpression importante, supérieure à la pression qui règne sur le côté du dispositif d'étanchéité vers lequel l'obturateur est avancé, s'établit dans les espaces intérieurs des joints et à l'intérieur de l'espace limité par ces derniers, la périphérie de l'obturateur 21 et l'anneau 28.Un organe extérieur destiné à détecter cette surpression et à détecter aussi une réduction éventuelle de cette dernière peut être un simple manomètre 59 relié au tuyau 58. Dans le cas où cette indication doit être transmise à distance, il est avantageux de prévoir un commutateur manométrique différentiel 61 comprenant des chambres fermées séparées par un élément mobile qui est commandé par la pression du fluide et qui agit à son tour sur les contacts d'un commutateur. Ce dernier peut comprendre trois contacts dont le contact central est commandé par l'élément mobile. Des éléments d'indication à distance, par exemple les lampes de signalisation verte et rouge 62, 63 représentées, sont connectés au contact central et aux contacts latéraux du commutateur par des circuits 64 et 65. L'une des chambres manométriques du commutateur 61 est reliée au tuyau 58 et l'autre est reliée par un tuyau 66 au corps ou à la tuyauterie desservie (par exemple à l'espace situé sur le côté droit du dispositif d'étanchéité ou à la tuyauterie reliée à cet espace). Le commutateur 61 peut être réglé de façon que, lorsque l'obturateur 21 est rétracté, les pressions qui s'exercent dans les chambres manométriques du commutateur soient égales. Cependant, lorsque l'obturateur 21 est déplacé vers sa position avancée ou de fermeture, là surpression indiquée plus haut est transmise par le tuyau 58, de sorte que la différence de pression qui s'exerce sur le commutateur 61 provoque l'allumage d'une des lampes de signalisation, par exemple la lampe 62.Aussi long temps que cette différence de pression appliquée au commutateur 61 demeure supérieure à une valeur prédéterminée,la lampe 62 reste allumée. Cependant, si cette différence de pression se réduit et tombe au-dessous d'une valeur prédéterminée qui indique une fuite, la lampe 62 s'éteint et la lampe 63 s'allume. A titre d'exemple, dans un appareil, le diamètre de la zone annulaire 31b de chaque joint 29 au repos ou, en d'autres termes, lorsque l'obturateur 21 était en position rétractée, était de 190 mm environ, le diamètre de la surface cylindrique de l'obturateur 21 de 203 mm et le diamètre de la surface conique 25 de l'extrémité libre de l'obturateur, de l'ordre de 178 mm. Le fonctionnement du dispositif décrit plus haut et le mode de détection des fuites sont les suivants. Comme le montre la figure 5, lorsque l'obturateur 21 est amené à sa position avancée, sa surface conique 25 vient d'abord au contact du joint 29 le plus proche puis, pendant qu'elle continue à se déplacer, elle le déforme, lui impose des efforts et provoque son expansion radiale. Le joint 29 de gauche est alors complètement gonflé dans le sens radial et sa surface 31b est pressée hermétiquement contre la surface cylindrique 22 de l'obturateur, comme le montre la figure 5. Sur cette figure, la surface conique 25 est suffisamment avancée pour venir au contact de la surface interne du second joint. En conséquence, l'espace annulaire 68 qui, à ce moment, est rempli complètement de liquide, est fermé.Cet espace est en communication avec les espaces internes 69 des joints 29 par les conduits 56. I1 convient d'indiquer, à ce point de vue, que lorsque l'appareil est en fonctionnement et qu'il est relié à une canalisation contenant un liquide, on évacue l'air en enlevant les bouchons 46 des conduits 43. De ce fait, il n'y a ni air, ni aucun autre gaz compressible ni dans l'espace 68 ni dans les espaces 69 auxquels il est relié. A mesure que l'obturateur 21 continue a s'éloigner de la position de la figures 5, il provoque le début du gonflement et de la charge du joint 29 de droite, le liquide emprisonné est comprimé et sa pression augmente à mesure que l'obturateur va rejoindre sa position d'avance maximale.La figure 6 représente le joint 29 de droite partiellement gonflé et la figure 7 représente l'obturateur 21 à sa position d'avance maximale. Bien que le volume du liquide emprisonné dans les espaces 68 et 69 reste sensiblement le même pendant que l'obturateur passe de la position de la figure 5 à celle de la figure 7, la déformation des joints élastiques provoque un accroissement de pression du liquide emprisonné par rapport à la pression régnant sur le côté droit du dispositif, au moment où l'obturateur se déplace vers la position de la figure 5. En pratique, lorsque les éléments ont les dimensions indiquées plus haut et les proportions représentées de façon générale sur les figures 3 et 5 à 7, cet accroissement de pression produit automatiquement s'élève à 1 bar environ par rapport à la pression régnant sur le côté du dispositif qui est relié au passage 17. Dans un indicateur du type représenté sur la figure 3, l'accroissement de pression provoque l'application d'une différence de pression au commutateur 61, de sorte que l'une des lampes de signalisation, par exemple la lampe 62, s'allume pour indiquer que lxétanchéité a été réalisée. Aussi longtemps que cette différence de pression reste à un niveau approprié, on peut être assuré qu'il ne se produit aucune fuite en regard de l'un ou l'autre ou des deux joints. Une particularité du dispositif d'étanchéité décrit plus haut est le fait que ses joints sont fixées sur le dispositif de montage, de sorte que l'ensemble peut supporter des débits relativement élevés sans que ses éléments soient déformés au point d'être avariés ou au point de nuire à un -bon fonctionnement. Cette particularité est due au mode d'ancrage des parois latérales 30 de chaque joint par le dispositif de montage. Les ressorts 51 sont avantageux par le fait qu'ils exercent une force mécanique sur les parois 31 des joints, de sorte que les surfaces d'étanchéité 31b de ces derniers s'appliquent hermétiquement contre l'obturateur 21. Lorsque les joints sont gonflés comme le montre la figure 7, les ressorts sont un peut aplatis dans le sens radial et apparaissent ainsi de forme elliptique. Dans ces conditions, ils exercent sur la paroi 31 de chaque joint une poussée radiale qui assure son retour à sa forme normale et il est possible ainsi d'éviter d'avoir a se fier uniquement à la mémoire élastique du matériau mis en oeuvre. Le dispositif d'étanchéité de la figure 10 est analogue au dispositif des figures 3 à 9. Cependant, au lieu des conduits 56 qui établissent une communication entre l'espace 68 et les espaces internes 69 des joints, des conduits 71 mettent en communication ces derniers et les espaces du corps situés des deux côtés de l'ensemble. Dans ce dispositif, lorsque l'obturateur 21 est déplacé vers sa position de fermeture de façon à exercer des efforts sur les joints et à les faire gonfler, la pression à l'intérieur de l'espace 72 qui correspond à l'espace 68 de la figure 5 se réduit à une valeur inférieure à celle de la pression régnant du côté du dispositif vers lequel l'obturateur 21 s'avance. La chute de pression peut être par exemple de l'ordre de 0,5 bar. Lorsque l'obturateur a été amené à sa position de fermeture, la pression régnant dans l'espace interne 69 du joint de gauche est la même que la pression régnant sur le côté gauche du dispositif et, de même, la pression dans l1es- pace interne 69 du joint de droite est la même que la pression dans le corps sur le côté droit de l'ensemble. Lorsque la chute de pression est utilisée pour la détection des fuîtes, l'élément indicateur peut être le même que celui de la figure 3. D'une façon générale, le dispositif des figures 3 à 9 est plus avantageux du fait de la plus grande différence de pression produite par le mouvement de.l'obturateur vers la position de la figure 7. Cependant, lorsqu'on ne désire pas détecter les fuites, on voit qu'on peut utiliser le dispositif de la figure 10 et, dans ce cas, le conduit 57 peut être fermé par un bouchon 73. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'obturation et d'étanchéité équipant un appareil commandant l'écoulement d'un liquide et comprenant un corps creux comportant des passages d'écoulement espacés entre lesquels le dispositif d'étanchéité annulaire est disposé, caractérisé en ce qu'il comprend deux joints annulaires espacés axialement, ayant chacun la forme d'un U en coupe radiale et comprenant des parois latérales sensiblement parallèles et réunies par une paroi de jonction disposée entre eux et en faisant partie intégrante, un dispositif de montage étant hermétiquement en contact avec les surfaces latérales desdites parois latérales, un plongeur disposé dans le corps étant aligné sur l'axe du dispositif d'étanchéité et comprenant un obturateur dont la surface cylindrique extérieure est alignée sur ledit axe et a un diamètre supérieur au diamètre intérieur de la paroi de jonction de chaque joint au repos, une extrémité de l'obturateur étant effilée, la paroi de jonction de chaque joint observée en coupe-radiale comprenant des surfaces de forme conique inclinées en sens opposés et réunies par une surface intermédiaire arrondie, les surfaces arrondies des joints se gonflant successivement dans le sens radial de façon à porter hermétiquement contre la surface cylindrique de l'obturateur lorsque le plongeur est déplacé vers une position de fonctionnement dans laquelle ledit obturateur est placé à l'intérieur du dispositif d'étanchéité, le dispositif de montage, les joints et l'obturateur délimitant l'espace annulaire fermé contenant du liquide lorsque l'obturateur est à l'intérieur du dispositif d'étanchéité, les gonflements successifs imposés aux joints lorsque l'obturateur est déplacé vers une position dans laquelle il est situé à l'intérieur de ces derniers provoquant dans ledit espace fermé une surpression différant sensiblement de la pression régnant sur le côté du dispositif qui est éloigné du côté sur lequel l'obturateur est déplacé. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque joint comprend un conduit mettant son espace interne en communication avec ledit espace annulaire fermé. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un conduit de chaque joint met son espace interne en communication avec les espaces situés à l'intérieur du corps sur les côtés du dispositif d'étanchéité. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de montage comprend un anneau disposé entre les parois latérales de chaque joint et un ressort, disposé à l'intérieur de chacun de ces derniers, ayant pour but de pousser sa paroi de jonction vers la surface cylindrique de l'obturateur lorsque ce dernier est disposé à l'intérieur du dispositif d'étanchéité.