Brevet FR2379741A1 — publié le 19780901

La présente invention concerne les vannes a tiroir a sièges parallèles et, plus particulièrement, les vannes à passage intégral du type pipeline susceptibles d'être mises en oeuvre sur des gisements pétroliers et plus particulièrement adaptées pour travailler avec des pressions de fluide élevées. L'utilisation de vannes à passage intégral est impérative dans les conduites principales du pipeline pour permettre le libre passage d'un piston racleur,dit "scraper",dans les conduites en vue de la maintenance en état de ces conduites. Dans les zones amont des pipelines, c'est-à-dire au voisinage de l'arbre de noël du puits de l'extraction, les très fortes pressions développées par les hydrocarbures à maîtriser ont conduit à utiliser des vannes à passage intégral du type à tiroir, dans lesquelles l'obturateur présente une lunette dont la section correspond exactement à la section du passage de la vanne, et donc de la conduite, cet obturateur étant amené à coulisser entre deux faces parallèles d'éléments de siège rapportés dans les corps de la vanne. Du fait des pressions élevées (supérieures à 500 bars) à maîtriser et des débits à contrôler, les dimensions de ces vannes sont relativement importantes (diamètre de passage supérieur à 170 mm). L'obturateur en particulier dont la longueur est supérieure au double de ce diamètre de passage, puisqu'il présente une partie formant la lunette et une partie pleine d'obturation, présente un volume mobile dans la vanne dont le maniement, à de hautes pressions d'utilisation, présente un certain nombre d'inconvénients. En effet, même dans le cas d'obturateur en deux parties sans dispositif de blocage, l'étanchéité et l'aptitude au coulissement requises font que les faces en contact de l'élément de siège et de l'opercule doivent être parfaitement planées. D'autre part, dans ce type de vanne, c'est la pression du fluide lui-même qui assure l'étanchéité entre l'opercule aval et la face d'étanchéité correspondante, c'est-à-dire qu'en position fermée, cette pression élevée du fluide règne dans tout le corps de vanne et notamment dans la chambre destinée à recevoir la partie d'obturation de l'obturateur lorsque celui-ci sera déplacé pour ouvrir le passage. Le fluide sous pression régnant en amont de la vanne et dans tout le corps de vanne est, dans le cas d'installation pétrolière, constitué d'hydrocarbures dont la compressibilité est très faible. I1 s'en suit que, dans le processus d'ouverture de la vanne, entre le moment initial de complète fermeture et le moment ot la lunette de l'obturateur vient affleurer la zone de passage définie par la bague de l'élément de siège, le déplacement de l'opercule devra se faire non seulement à l'encontre des forces de frottement développées par la pression de contact entre l'opercule et le siège correspondant, mais également à l'encontre du fluide sous pression dans la vanne, en comprimant encore ce fluide d'une valeur correspondant au volume de la longueur de tige de manoeuvre de l'opercule introduite dans le corps de vanne sous pression pour amener cet opercule dans ladite position d'affleurement, l'équilibrage volumétrique ne se produisant pratiquement pas du fait du volume total du fluide en amont. En conséquence, lors de l'opération d'ouverture, le couple nécessaire à l'actionnement du volant de manoeuvre est tout d'abord relativement faible, puis augmente treks rapidement, de sorte qu'il faut développer une puissance considErable pour parvenir à une ouverture partielle de la vanne Dès que cette ouverture partielle a eu lieu, il se produit alors une amorce de détente et un équilibrage transitoire des pressions de part et d'autre de l'opercule, de sorte que la suite du processus jusqu! ouverture con?plète peut se poursuivre avec une puissance très reduite. Pour diminuer notablement les forces de frottement entre l'opercule et le siège, on a recours à une lubrification entre leurs deux faces en contact, cette lubrification étant obtenue par exemple par une graisse adéquate ou liant, qui participe en outre à la bonne étanchéité entre ces deux éléments. Pour s'affranchir de la compression de fluide inhérente au déplacement de l'opercule au debut du processus dlouverture de la vanne, il a été proposé une structure de vanne dans laquelle la partie d'obturation pleine de l'opercule est prolongée continument du c- té opposé à la lunette, non pas pour se loger lors de l'ouverture dans une chambre du corps de vanne soumise à la pression du fluide, mais pour coulisser dans un logement séparé de l'intérieur de la vanne par un dispositif d'étanchéité. Outre que cet agencement obère considérablement le court de fabrication de la vanne, le dispositif d'étanchéité en question ne peut que constituer une source de fuite supplémentaire, et donc, du fait des hautes pressions développées et des qualités inflammables du fluide contrôlé, présenter des risques d'accident accrus. La présente invention a précisément pour objet d'obvier à ces inconvénients des vannes de l'art antérieur, en proposant une vanne à tiroir, qui, tout en présentant les qualités de robustesse et d'étanchéité requises, permette des manoeuvres d'ouverture aisées, même pour des pressions de fluide très élevées. La présente invention a pour autre objet de proposer un agencement de'vanne permettant de réduire la course de compression de l'obturateur en équilibrant transitoirement les pressions de part et d'autre de l'obturateur lors de son déplacement dans le processus d'ouverture de la vanne. La présente invention a pour autre objet de procurer cet équilibre transitoire par une amorce de détente sans provoquer de perte substantielle du liant d'étanchéité et de lubrification. A ces fins, et selon une caractéristique de la présente invention, il est proposé un procédé pour permettre l'ouverture de vannes à tiroir sous pression de liquide consistant à créer une communication entre les étages haute pression et basse pression de part et d'autre de l'obturateur de la vanne immédiatement après le début du processus de déplacement du tiroir vers la position d'ouverture. Pour ce faire, et selon une caractéristique de la présente invention, dans une telle vanne à tiroir, un conduit traversant est ménagé dans le corps de 1' opercule pour faire communiquer les faces de l'opercule soumises à des pressions différentielles de telle sorte qu'en position de fermeture, l'orifice de ce conduit débouchant du côté du siège est obturé par la surface d'étanchéité de ce siège, un faible déplacement de l'opercule vers la position d'ouverture amenant cet orifice en communication avec la zone de passage définie par le siège correspondant. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le conduit traversant comporte en outre un moyen d'obturation sélectif pour s'opposer à la perte du liant de lubrification et d'étanchéité par ce conduit. La présente invention sera mieux comprise au vu de la description suivante d'un mode de réalisation de vanne selon la présente invention donné à titre descriptif mais nullement limitatif faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'une vanne à tiroir à passage intégral selon la présente invention;- La figure 2 représente une vue de face d'un opercule de la vanne de la figure 1; et Les figures 3 et 4 représentent de façon schématique, en coupe partielle, la coopération entre un opercule et l'élément de siège correspondant à deux étapes différentes du processus d'ouverture de la vanne. La vanne à tiroir à passage intégral représentée sur la figure 1 comporte de façon classique un corps de vanne venu-de fonderie, généralement référencé 1, présentant deux éléments de tubulures 2 et 3 formant des passages cylindriques 4 et 5 en parfait alignement l'un avec l'autre, et adaptés pour correspondre au diamètre intérieur des tuyauteries d'une installation de transfert de fluide connectées aux éléments de tubulures 2 et 3 au moyen de flasques ou brides de fixation 6 et 7.Le corps de vanne 1, de forme générale sensiblemént cylindrique, définit- un volume intérieur compartimenté en deux chambres, une chambre intérieure 8 et une chambre supérieure 9 obturée par un chapeau de vanne, généralement référencé 10, monté de façon étanche sur le corps de vanne 1 au moyen de tirants ll et d'écrous 12. Dans le corps de vanne 1 sont montés des éléments de siège, généralement référencés 13, présentant une partie centrale sous forme de bague cylindrique servant au montage des éléments de siège dans le corps de vanne définissant un passage 14 correspondant exactement aux passages 4 et 5 et en alignement avec ceux-ci. Les éléments de siège 13 présentent des faces planes 15, par exemple stéllitees, s'étendant le long de tout l'élément du siège et servant de surfaces de guidage et de coulissement pour un élément ob curateur du type à tiroir, constitué, dans le mode de réalisatidfi représenté sur la figure 1, de deux opercules 16 maintenus appliqués contre les faces 15 des éléments de siège correspondants par une plu ralité de ressorts de compression 17 et maintenus écartés par une bague d'entretoisement.Les opercules 16 présentent chacun un alésage traversant ou lunette 17, dont le diamètre intérieur correspond exactement à celui des passages 4, 5 et 14 pour constituer avec la bague 40, lorsque la vanne est en position d'ouverture, un passage traversant la vanne exempt de tout décrochement ou aspérité selon le principe du passage intégral. Les opercules 16 coopèrent avec une tête 18 d'une tige de manoeuvre 19 montée de façon à pouvoir coulisser et tourner dans le chapeau 10,sont actionnés, de façon connue en soi, par un vo lant de manoeuvre 20 monté à l'extrémité supérieure du chapeau 10. La partie inférieure du chapeau 10 présente un siège de butée 21 pour la tige de manoeuvre et un conduit de purge 22 obturé par un dispos il tif de clapet 23. La partie inférieure 24 du corps de vanne 1, définissant la chambre intérieure 8, forme une surface d'appui intérieure 25 servant de butée aux opercules 16 de façon à faire correspondre exactement les lunettes 17 de ces opercules avec les passages 14 définis par les éléments de siège 13, à la fin du processus d'ouverture de la vanne. La partie supérieure de chaque élément de siège 13 est creusée pour former une chambre cylindrique 26 servant de réservoir pour une substance pâteuse de lubrification et d'étanchéité, telle qu'une graisse ou un liant, chaque réservoir 26 communiquant par un conduit d'alimentation 27 avec une gorge annulaire 28 pratiquée sur le pourtour extérieur de la bague de siège 14 de façon à constituer une étanchéité entre l'élément de siège et le corps de vanne 1. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 3, la gorge 28 communique par l'intermédiaire de canaux 29 débouchant sur la face d'étan chéité 15 de l'élément de siège avec une gorge circulaire 30 pratiquée dans la face de contact de l'opercule 13 de sorte que le liant, ayant rempli la gorge 28, vienne à son tour remplir, suivant les flè- ches 41, la gorge circulaire 30. Ainsi, lors du déplacement de l'opercule en contact avec la face 15 de l'élément de siège une pellicule du liant se répand entre les deux faces en regard de façon à améliorer le coulissement de l'opercule par rapport à l'élément de siège, tout en garantissant une étanchéité supplémentaire entre ces deux éléments.Pour maintenir le liant en pression dans les diverses canalisations, et afin d'en compenser également les légères pertes dues au coulissement de l'opercule, l'extrémité supérieure des réservoirs 26 est fermée par un piston libre 31 dont la face supérieure est soumise à la pression régnant à l'intérieur de la chambre 9, c'est- -dire, en fonctionnement, la pression régnant dans les canalisations en amont de la vanne. Conformément à la présente invention, un conduit traversant est pratiqué dans la partie d'obturation de l'opercule de façon à établir un passage entre les deux faces de l'opercule; le rôle de ce conduit va être maintenant explicité. On a représenté de façon schématique sur la figure 3, la vanne en position fermée, avec la par tie d'obturation de l'opercule 13en position en face du passage 14 de l'élément de siège correspondant 13.Pour la suite de la description il sera supposé que le fluide sous pression arrive à la vanne du côté de la tubulure 3, c'est-à-dire que c'est l'opercule de gauche qui, sous l'effet de la pression développée par le fluide dans la vanne, assure l'étanchéité à la fermeture de cette vanne.La vanne étant symétrique et pouvant donc fonctionner indifféremment dans un sens ou dans l'autre, cette hypothèse est prise à titre purement descriptif. Dans la position représentée sur la figure 3, correspondant à la fermeture complète de la vanne, c'est-à-dire avec la te te 18 en butée contre le siège 21 du chapeau, la couronne circulaire de lubrification 30, dont le diamètre est supérieur à celui du passage 14 de la vanne, se trouve en communication avec les canaux 29 precédemment cités. Le conduit 32 est ménagé dans une zone de l'opercule située sensiblement entre la couronne annulaire 30 et la zone correspondant au passage 14 de l'élément de siège 13. Dans une vanne traditionnelle, le déplacement de l'opercule 13 nécessaire ! ltetablassement d'une comr:mication entre l-a partie haute pression, c' est-à-dire en l'occurrence la chambre 9 et la partie basse pression, en l'occurrence le passage 14 de l'élé- ment de siège 13, correspondait à la distante L figurée sur la figure 3. Ainsi qu'il a été dit, l'ouverture de la vanne s'effectuait alors avec une compression du fluide dans la chambre 8 due à la variation de volume correspondant au déplacement de la tige 19 de cette longueur L c'est- -dire à plusieurs tours du volant de manoeuvre 20.Au contraire, dans la présente invention, le fait de pratiquer un conduit de bipasse 32 entre le côté haute pression et le côté basse pression permet de réduire cette distance de compression à quelques fractions de tour du volant de manoeuvre 20 Pour diminuer encore la course de compression et selon une autre caractéristique de la présente invention, un évidement 33, par exemple sous la forme d'une encoche, est pratiqué dans le bord de l'élément de siège 13 raccordant le passage lb à la face d'étanchéité 15. La distance de compression due au déplacement de l'opercule 13 à l'encontre du fluide sous haute pression régnant dans la chambre 8 est ainsi réduite à la valeur c'est-à-dire qusil se produit une augmentation de pression relativement faible et donc une gene de manoeuvre du volant 20 pratiquement négligeable. Sur la figure 4, on a représenté l'opercule 13 dans une position correspondant à une fraction de tour du volant de manoeuvre 20, c'est-à-dire ayant coulissé vers le bas dans le sens de la flèche 34, d'une distance t . Dans cette position, les canaux de lubrification 29 ne débouchent plus en face de la gorge annulaire 30, mais l'orifice par lequel le conduit 32 débouche sur la face de coulissement de l'opercule 16 vient affleurer l'evidement 33, de sorte qu'il s'établit transitoirement une diminution de la pression différentielle régnant de part et d'autre de l'opercule ainsi qu'un débit de fuite du fluide permettant une continuation du mouvement de l'opercule vers la position d'ouverture sans difficulté. Pour éviter que le liant sous pression dans le réservoir26 ne soit amené, par la tubulure 27, la gorge 28 et les canaux 29 à se répandre par l'intermédiaire du conduit 32, un dispositif de clapet anti-retour 34 est disposé à l'extrémité du conduit 32 opposée à la face d'étanchéité 15 de l'élément de siège. Ainsi, dans la position représentée par la figure 3, la bille 35 du clapet 34 s'oppose à une fuite du liant hors de l'opercule, alors que, dans la position représentée sur la figure 4, la bille 35, déplacée vers la gauche, ne s'oppose pas au passage du fluide depuis la partie haute pression vers le passage 14 ou partie aval de la vanne. La distance g entre le conduit de bipasse 32 et l'évide- ment 33 peut être réduite à une valeur très faible sans nuire à la parfaite étanchéité de la vanne, même sous de hautes pressions. En tenant compte des jeux de positionnement de l'opercule dans la position fermée, pour un diamètre de passage de l'ordre de 170 mm, la distance Q peut être, par exemple, de 2 mm. I1 va sans dire que la portion du conduit 32 n'est pas nécessairement limitée à celle correspondant au point le plus haut du passage 14, mais qu'elle peut également être répartie au voisinage de l'arc de cercle supérieur de ce passage 14. De même, il est possible de prévoir au moins deux conduits de bipasse 32, par exemple répartis symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal de l'opercule, pour tenir compte d'une inclinaison éventuelle de l'opercule par rapport à cet axe médian. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits; elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. in particulier la forme du conduit 32 et le dispositif de clapet 34 peuvent être adaptés pour correspondre à des cas d'espèce. De même, au lieu de prévoir un évidement 33 sur le bord du siège 13, il est possible de réaliser à l'extrémité du conduit 32 un contre-alésage ou un fraisage remplissant le même effet. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour permettre l'ouverture de vannes à tiroir utilisées avec des liquides sous forte pression, comportant les étapes d'actionner les moyens de commande de la vanne pour déplacer le tiroir depuis sa position de fermeture vers sa position d'ouverture à l'encontre des efforts induits par le liquide sous pression, caractérisé en ce qu'il consiste à créer une amorce de communication entre les parties haute pression et basse pression de la vanne immédiatement après le début du processus de déplacement du tiroir vers sa position d'ouverture. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la communication est établie par un conduit de faible section traversant la partie d'obturation du tiroir. 3 - Procédé selon larevendication 2, caractérisé en ce qu'une extrémité du conduit est obturée dans l'état complètement fermé du tiroir, un faible déplacement du tiroir amenant cette extrémité en communication avec la partie basse pression de la vanne. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à prévoir une obturation sélective du conduit de communication. 5 - Vanne à tiroir comportant une enveloppe présentant une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, des moyens de raccordement de ces ouvertures à des éléments de canalisation, un passage interne reliant ces deux ouvertures, un moyen de tiroir constitué d'au moins un opercule présentant une lunette dont la section correspond au passage interne et susceptible de se déplacer, sous l'action de moyens de commande, entre une position d'ouverture od la lunette se trouve dans le passage et une position de fermeture où le passage est obturé par le corps de la partie d'obturation de l'opercule, cet opercule coopérant avec au moins une surface de siège d'un élément de siège monté dans l'enveloppe formant une portion du passage interne et définissant un chemin de coulissement pour le tiroir, caractérisée en ce qu'un conduit traversant est ménagé dans le corps de la partie d'obturation de l'opercule entre la face de l'opercule en contact avec la surface de siège et la face opposée de l'opercule, de telle sorte que, en position fermée, l'orifice de ce conduit débouchant sur la face de l'opercule correspondant à la surface de siège est obturé par cette surface de siège, un faible déplacement de l'opercule vers sa position d'ouverture amenant cet orifice en communication avec le passage du siège correspondant. 6 - Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un évidement est ménagé dans la zone de siège formant le raccordement entre la surface de siège et le passage de ce siège, cet évidement étant disposé de façon à se trouver sur la trajectoire dudit orifice du conduit traversant lors du déplacement de l'opercule vers sa position d'ouverture. 7 - Vanne selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens d'étanchéité et de lubrification, des moyens étant prévus dans le conduit traversant pour s'opposer à une fuite du liant par le conduit. 8 - Vanne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité de lubriication comprenentun réservoir de liant ménagé dans au moins un siège et coflimuniquant, par l'inter médiaire de conduits pratiqués dans le corps du siège, avec une gorge circulaire pratiquée dans la face de la partie d obturation de l'opercule coopérant avec la surface de siège, le diamètre de ette gorge annulaire étant supérieur au diamètre du passage de L'élément de siège. 9 - Vanne selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit orifice du conduit traversant coamuniaue avec cette gorge annu laire, un moyen de clapet anti-retour étant prévu à l'extrémité du conduit traversant opposée à l'orifice débouchant sur la face en contact avec la surface de siège de l'opercule.