Brevet FR2336614A1 — publié le 19770722

les soupapes de streté utilisées dans les circuits parcourus par des fluides portés à des températures peu élevées comprennent généralement une pièce ou un anneau dtétanchéité réalisé en matière tendre,par exemple en caoutchouc ouen matière plastique, de manière à présenter une surface malléable permettant d'obtenir un joint étanche. Le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique NO 3 623 699 décrit une soupape de ce type.Cependant, les soupapes de sillreté montées dans un circuit où la température du fluide est relativement élevée ne peuvent utiliser de teiles matières tendres à leurs surfaces d'étanchéité, car ces matières ont généralement un coefficient de dilatation extrêmement élevé tendant à les faire fluer et à les déformer lorsqu'elles sont soumises au fluide à haute température circulant dans le circuit. Aussi, les surfaces d'étanchéité de la soupape ne portent pas convenablement l'une contre 11 autre. Par conséquent, la plupart des soupapes de streté utilisées à haute température présentent des surfaces réalisant un contact métal-métal. Cependant, ces soupapes soulèvent d'autres problèmes, car elles sont d'une production -très cotteùse en raison des tolérances extr8mement étroites qui exigent une rectification des surfaces de contact porque ces dernières présentent la hnéité nécessaire à un joint convenable. De plus, mtme dans le cas où ces surfaces subissent une rectification de grande précision, il subsiste un risque de fuite entre elles, notamment lorsqu'elles retiennent de petites particules.De plus, ces dernières risquent de détériorer ces surfaces lisses dans le cas où elles Se déplacent latéralement et légèrement l'une par rapport à l'autre lors de leur entrée en contact et de leur séparation. le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 2 641 278 décrit une soupape conçue pour résoudre ces problèmes et comprenant un obturateur qui est totalement moulé en "Nylon" et dont le bord périphérique est libre, de manière que cet obturateur puisse se dilater radialement sous l'effet de la température du fluide, le coefficient de dilatation du "Nylon" étant très élevé. l'obturateur étant totalement réalisé en "Nylont', sa dilatation importante lui interdit de nombreuses applications rencontrant des températures élevées. De plus, il est mentionné que cet obturateur ne donne satisfaction que dans les circuits où la température du fluide ne dépasse pas 150 C. L'invention concerne une soupape de sbreté ne présentant pas les inconvénients des soupapes classiques et fonctionnant sensiblement sans fuite, même après une longue durée d'utilisation dans des circuits parcourus par des fluides à température élevée. La soupape de sbreté selon l'invention comprend un bottier qui présente un siège, et un obturateur mobile sélectivement et comportant un organe de retenue d'un joint sur un épaulement en saillie duquel un joint annulaire en matière plastique est emmanché par retrait. Ce mode de montage soumet la m tière du joint à une contrainte de traction. Aussi, lorsque le joint est exposé à la chaleur, cette dernière tend principalement à neutraliser cette contrainte plutgt qu'à provoquer une dilatation indésirable du joint dans la dimension radiale, une telle dilatation pouvant provoquer un voilage et un défaut d'alignement du joint sur son siège avec, pour conséquence, une fuite à l'emplacement dudit siège. lie joint annulaire est avantageusement emmanché à chaud ou à retrait sur un organe approximativement cylindrique de retenue, réalisé en-métal et fixé de manière amovible au clapet de la soupape. Cet organe de retenue comporte une lèvre annulaire faisant saillie radialement sur le bord intérieur du joint annulaire de manière à le retenir en place. Cette lèvre est située à une distance de la base de l'obturateur approximativement égale à l'épaisseur du joint, de manière que ladite lèvre ne puisse voiler ce dernier. Il est également avantageux que le siège de la soupape présente une face extreme comportant une arête qui porte contre le joint annulaire lorsque 11 obturateur est appliqué contre ledit siège.Cette arrête est formée par l'in térsection de surfaces de profil transversal-rectilIgne et elle est destinée à porter sur la matière relativement tendre du joint annulaire pour assurer l'étanchéité. Cependant, cette arête est suffisamment plate pour ne pas provoquer un laminage du fluide lorsque la soupape est déclenchée. Il est apparu que des surfaces se croisant sous un angle d'environ 1500 forment une arete idéale~pour le siège de la soupape. rour que cet angle obtus puisse éviter efficacement tout laminage du fluide, l'arête est avantageusement espacée des bords du siège, de manière que des surfaces planes s'étendent sur une longueur convenable entre ces bords et ladite arete. Il existe un certain nombre de matières plastiques convenant à la réalisation du joint annulaire de la soupape selon l'invention. La matière est choisie généralement en fonction de la température du fluide auquel le joint annulaire est exposé. Il est cependant apparu qu'un hydrocarbure fluoré du type "selon P.F.A." donne des résultats particulièrement bons aux températures élevées. li'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue en perspective de la soupape de saleté selon l'invention ; la figure 2 est une élévation, avec coupe partielle, de la soupape de la figure 1 la figure 3 est une élévation avec coupe axiale partielle de la soupape de la figure 1, l'obturateur étant en position de fermeture ou d'appui contre le siège la figure 4 est une élévation, avec coupe axiale partielle, semblable à celle de la figure 3 et représente l'obtu- rateur en position d'ouverture la figure 5 est une coupe axiale partielle du siège et de la partie inférieure de l'obturateur de la soupape selon l'invention ; ; la figure 6 est une vue en perspective éclatée de l2obturateur de la soupape selon l'invention ; et la figure 7 est une vue en plan du joint annulaire en matière plastique de la soupape selon l'invention. lies figures 1 à 4 représentent la soupape de sûreté 10 selon l'invention. Cette soupape comprend un bottier classique 12 réalisé en matière convenable, par exempie en métal, et comportant un raccord fileté 14 d'entrée qui permet à la soupape 10 titre montée dans un circuit parcouru par un fluide à température élevée pour le protéger contre toute surpression. Le bottier présente également un orifice 16 par lequel le fluide s'échappe lorsque la soupape 10 est en position d'ouverture. La partie supérieure du bottier 12 loge un manchon fixe 18 dans lequel une tige 20 d'obturateur coulisse longitudinalement. L'extrémité supérieure de la tige 20 comporte une tête 22-qui présente un rebord 24 destiné à porter contre un bossage 26 d'un levier 28 d'essai qui pivote sur un axe 30 fixé au bottier 12. lie levier 28 peut etre élevé manuellement (figure 4)- de manière à élever également la tige 20 pour essayer classiquement la soupape 10. Cependant, la tige 20 s'élève et s'abaisse indépendamment du levier 28 lorsque la soupape 10 fonctionne normalement. Un obturateur 32, réalisé avantageusement en métal, par exemple en laiton, est fixé à l'extrémité inférieure de la tige 20 et tend à être déplacé vers le bas par un ressort 34 qui porte contre deux bagues 36 et 38oelles-memes portant contre le manchon fixe 18 et ltobturateur 32, respectivement. Cet obturateur 32 comporte un rebord 40. Un organe 42 de retenue d'un joint est fixé de manière amovible à la face inférieure de l'ob- turateur 32 par une vis 44. Cet organe 42 est avantageusement réalisé en métal, par exemple en laiton, et comporte un bord ou épaulement périphérique cylindrique 43 sur lequel un joint annulaire 46 est emmanché à retrait, comme décrit plus en détail ci-après. Un joint torique 47 est monté entre l'organe 42 de retenue et l'obturateur 32 pour interdire toute fuite entre ces deux pièces. La partie inférieure du bottier 12 comporte un ajutage 48 orienté vers le haut et faisant partie du raccord 14 d'entrée, et une bague 50 de purge est vissée sur cet ajutage 48 et coopère avec 1t obturateur 32 et un siège 58 pour déterminer les caractéristiques de purge de la soupape 10 suivant les conditions requises. Lorsque la bague 50 est convenablement réglée pour répondre à ces critères, il est nécessaire de la maintenir dans cette position. A cet effet, la bague 50 présente plusieurs crans 52 destinés à recevoir une vis 54 de blocage qui traverse le bottier 12 et qui empêche ainsi cette bague 50 de tourner. Un mince fil 56 de sécurité ou de plombage relie la vis 54 au bottier 12 et indique, lorsqu'il est intact, que la vis 54 n'a pas été tournée. La surface supérieure de l'ajutage 48 forme un siège annulaire 58 qui est en contact avec le joint annulaire 46 lorsque l'obturateur 32 est en position appui, comme représenté sur les figures 2 et 5, de manière à fermer hermétiquement le raccord 14 d'entrée. lie joint annulaire 46 est réalisé en matière plastique relativement tendre se déformant légèrement lorsqu'elle porte contre le siège 58, de manière à assurer avec ce dernier l'étanchéité et à éliminer ainsi les inconvénients mentionnés ci-dessus et concernant le contact métal-métal entre l'obtura- teur et le siège. Comme mentionné également précédemment, les obturateurs de l'art antérieur, destinés au circuit de fluides à température élevée, ne sont généralement pas réalisés en matière plastique à leur surface de contact, en raison du coefficient élevé de dilatation de ces matières (ce coefficient étant d'environ dix fois supérieur à celui du métal). Un tel coefficient de dilatation soulève des problèmes importants de gondolage ou autre déformation de la matière et affecte, par conséquent, les caractéristiques d'étanchéité.En particulier, dans le cas où la surface extérieure d'un joint annulaire classique est réalisée en matière plastique et soumise à la chaleur, la dilatation de la partie extérieure en matière plastique sur sa partie de montage entrain un gondolage ou d'autres déformations importantes de ladite partie en matière plastique. De plus, dans le cas où la surface intérieure d'un joint annulaire est réalisée en matière plastique, la dilatation de cette dernières lorsqu'elle est soumise à la chaleur,entratne une augmentation importante du diamètre intérieur, de sorte que le joint se sépare -de la partie sur laquelle il est monté et devient libre.Cepen dant, la soupape selon ltinvention ne présente pas ces inconvé- nients, car le joint annulaire 46 de matière plastique est emmanché à retrait sur l'épaulement cylindrique 43, de sorte que ce joint 46 est soumis à des contraintes internes de tension. A titre d'exemple, dans le cas où l'épaulement 43 a un diamètre extérieur de 15,7 mm, on utilise un joint annulaire 46 en matière plastique d'un diamètre intérieur de 15,2 mm à la température ambiante. Ce joint 46 est ensuite porté à une température suffisamment élevée (par exemple à 2600C) pour qu'il se dilate jusqu'à ce que son diamètre interne soit supérieur à 15,7 mm.A ce moment, il est emmanché sur organe 42 de retenue, puis il se refroidit. il tend alors à se contracter, maisl'or- gane 42 l'en empêche et, lorsque le joint 46 est revenu à la température ambiante, il se trouve fixé par retrait sur l'organe 42 de retenue et est soumis aux contraintes internes de tension mentionnées ci-dessus. 1Organe 42 de retenue, qui supporte le joint annulaire 46, est ensuite fixé à l'obturateur 92 par la vis 44. Lorsque la soupape 10 de sûreté est ensuite placée dans un circuit de gaz à température élevée, cette dernière, en s'appliquant au joint annulaire 46, tend principalement à éliminer ses contraintes internes plutôt qu'à le dilater ou le déformer de manière peu souhaitable, comme mentionné précédemment.Par conséquent, aux températures élevées et inférieures à sa température de pose, le joint annulaire 46 en matière plastique garde sa forme et assure une excellente étanchéité avec le siège 58. Enfin, il convient de noter que le montage d'un joint annulaire en matière plastique surXun obturateur a soulevé dans l'art antérieur un problème dû à l'élasticité naturelle de la matière plastique, cette élasticité rendant difficile le maintien en place du joint sans compression indésirable de la matière. Le joint de la soupape selon l'invention permet d'éliminer cette difficulté, car il est emmanché à retrait sur l'épaulement 43, et l'organe 42 de retenue peut ensuite être fixé solidement à l'obturateur 32 à l'aide d'une vis 44 ou autre. L'organe 42 de retenue comporte une lèvre annulaire 42' qui fait saillie radialement sur le bord intérieur du joint annulaire 46 (figure 5) de manière à lXempecher de se dégager en glissant de l'épaulement 43, notamment lorsque ce joint 46 est chauffé.La dimension de l'épaulement 43, comprise entre l'obturateur 32 et la lèvre 42', est au moins égale à l'épaissetir du joint annulaire 46, de manière que la lèvre 42' ne comprime ni ne déforme le joint 46 même dans le cas où l'organe 42 de retenue est fixé par la vis 44 de manière à affleurer l'obturateur 32. il existe un grand nombre de matières plastiques convenant au joint annulaire 46, par exemple les matières du type "Lexan" et "Nylon" lorsque la température du gaz auquel le joint est exposé est relativement basse et lorsque la matière peut subir certaines déformations à ces températures après que le joint annulaire 46 a été monté sur l'organe 42 de retenue comme décrit précédemrnent. Cependant, il est apparu que dans les circuits de gaz à température élevée, des résultats très satisfaisants sont obtenus en utilisant pour le joint annulaire 46 un hydrocarbure fluoré du type "Teflon P.F.A.", en raison de sa stabilité aux températures élevées.Par exemple, dans un circuit parcouru par une vapeur d'eau saturée à 14 bars, la température de la vapeur est d'environ 205 C. Un joint 46 réalisé en selon P.:E.A." fonctionne convenablement, meme à cette température importante. lorsqu'un joint annulaire 46 en '1Teflon P.F.A.'1 doit etre monté sur l'organe 42 de retenue, il est généralement préchauffé à une température d'environ 260 C. Afin d'améliorer.les caractéristiques d'étanchéité de la soupape 10 de sûreté selon l'invention, le siège 58 présente une surface de profil spécial convenant particulièrement bien au joint annulaire 46 en matière plastique. Comme représenté sur la figure 5, le siège 58, qui est approximativement annulaire, est constitué de deux surfaces 58' et 58" de profil transversal rectiligne se croisant sous unwlçoctus avantaseusement égal à 150 , de manière à délimiter une arête eO entre les bords du siège annulaire 58 et destinée à porter contre le joint annulaire 46 lorsque ltobturateur 32 est appliqué contre le siège 58.En raison de l'angle important inscrit entre les surfaces 58' et 58" et de la position de l'arête 60 entre les bords du siège annulaire 58. cette arête 60 fait suffisamment saillie pour s'enfoncer légèrement dans le joint annulaire 46 et réaliser avec ce dernier une bonne étanchéité. Cependant, l'arête 60 n'est pas suffisamment effilée pour pénétrer dans le joint annulaire 46 et le déchirer ou le couper, et elle n'est pas suffisamment courte pour provoquer des problèmes sensibles de laminage lorsqu'un gaz à température élevée et haute pression circule sur cette arrête à l'ouverture de l'obturateur 32 (figure 4).En ce qui concerne ce dernier point, dans le cas où le siège présente une arête effilée, résultant, par exemple, de l'intersection des deux surfaces à un angle de 900 ou moins, la quantité de métal comprise entre ces surfaces est diminuée et le passage d'un gaz à haute pression et à température élevée peut provoquer une attaque ou érosion suffisante de ce métal pour nuire aux caractéristiques d'étanchéité entre l'arête et le joint annulaire 46. Enfin, il convient de noter que l'ar8te 60 forme, après un certain temps d'utilisation, un creux annulaire peu profond 62 dans le joint 46, comme représenté sur la figure 7, de sorte que la coopération de l'arête 60 et de ce creux annulaire 62 assure un centrage automatique important de l'obturateur 32. La soupape 10 de sûreté décrite ci-dessus convient notamment aux circuits de gaz à température élevée.Il est cependant évident qu'elle s'applique également aux circuits de liquide à température élevée Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent dtre apportées à la soupape décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. R1DVEN'DICATI0NS 1 Soupape de sûreté destinée notamment à des circuits à fluide à température élevée, caractérisée en ce qu'elle comporte un bottier qui comprend un siège annulaire, et un obturateur pouvant prendre sélectivement une position d'appui sur le siège et comprenant un organe de retenue sur un épaulement duquel un joint annulaire en matière plastique est emmanché par retrait et positionné de manière à présenter la seule zone de contact entre ce siège et l'obturateur lorsque ce dernier est dans ladite position d'appui. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de retenue est fixé de manière amovible à I'obturateur, l'épaulement de cet organe présentant une surface extérieure à peu près cylindrique. 3. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que ltépaulement de ltorgane de retenue comporte une lèvre annulaire qui fait saillie radialement vers ltextérieur, au- dessus du bord intérieur du joint annulaire, de manière à rete nir ce dernier sur ledit épaulement. 4. Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce que la dimension de l'épaulement, mesurée entre le bord libre de ce dernier et ladite lèvre, est au moins égale à l'épais- seur du joint annulaire, de manière à éviter toute déformation de ce dernier par la lèvre. a 5. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que le joint annulaire ntest fixé sur l'obturateur que par emmanchement à retrait ou à chaud surl > épaulement dudit organe amovible de retenue. 6. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le siège annulaire est présenté par une face extrême qui comporte une arête destinée à porter contre le joint annulaire. 7. Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce que l ì arete est située entre les bords du siège annulaire. 8. Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'arête de la face extrême du siège est délimitée par deux surfaces présentant, en coupe, un profil rectiligne, ces surfaces se croisant sous un angle sensiblement supérieur à 900. 9. Soupape selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux surfaces se croisent sous un angle d'environ 1500. 10. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint annulaire est réalisé en hydrocarbure fluoré du type polytétrafluoréthylène 'yP.F.A.". 11. Soupape de sûreté destinée notamment à des circuits à fluide à température élevée, caractérisée en ce qu'elle comporte un bottier qui comprend un siège métallique annulaire présentant une surface annulaire d'appui à laquelle fait saillie une arête délimitée par l'intersection de deux surfaces à profil se transversal rectiligne, ces surfaces/croisant sous un angle d'envi- ron 1500, un obturateur, qui peut prendre sélectivement une position d'appui sur le siège annulaire, comportant un organe amovible de retenue qui lui-meme comprend un épaulement sur une surface extérieure cylindrique duquel un joint annulaire est emmanché par retrait ou à chaud, ce joint annulaire étant réalisé en hydrocarbure fluoré du type polytétrafluoréthylène "P.F.A.", ce joint étant disposé de manière à porter sur ladite surface d'appui lorsque l'obturateur est appliqué contre le siège.