Brevet FR2378999A1 — publié le 19780825

La présente invention concerne les vannes à tiroir, et plus particulièrement les vannes de ce type destinées à être utilisées dans des installations mettant en oeuvre des fluides à haute température. Dans certaines industries, notamment dans les industries chimiques et pétroliêres, l'utilisation de fluides, et plus particulièrement de gaz, à haute température est assez fréquente, et la haute température de ces fluides pose au concepteur des installations de génie chimique des problèmes ardus tant au niveau de la tenue des matériaux qu'au niveau de leur fiabilité, étant donné que ces fluides sont en outre généralement toxiques ou dangereux et que les normes imposées sont en conséquence très sévères. Ces problèmes sont encore accrus au niveau des organes d'obturation de ces installations, dans la mesure où ces organes, non seulement participent en permanence au transfert du fluide convoyé, c'est-à-dire sont soumis aux mêmes contraintes thermiques ou chimiques que les éléments de canalisation proprement dits, mais encore doivent être à même de remplir au moment opportun leur fonction propre d'obturation, c'est-à-dire essentiellement fermer un passage et maintenir cette fermeture avec les critères d'étanchéité requis, nonobstant les pressions et les températures mises en jeu. Du fait de leurs structures composites, ces organes d'obturation, et plus particulièrement les vannes, sont soumis à des contraintes thermiques différentiées, notamment entre les parties fixes et les parties mobiles, ce qui pose des problèmes au niveau de la coopération entre l'élément obturateur et la structure de siège associée.Ce problème se révèle encore plus délicat avec les vannes du type dit à tiroir, ou pipeline, du fait que, dans ce genre de vanne, l'élément obturateur ou opercule est amené à coulisser contre une surface de siège relativement importante et que cet opercule présente une structure oblongue dont les parties constitutives, à savoir la partie formant la lumière et la partie formant l'écran d'obturation, ne sont jamais soumises simultanément au même environnement thermique Or, l'utilisation des vannes à tiroir se révèle obligatoire dans certaines installations, notamment de vapocraquage, où les gaz convoyés non seulement sont portés à de hautes températures, supérieures par exemple à 5000C, mais charrient également des particules solides de catalyseur, telles que des billes d'alumine, dont le carac têre hautement abrasif contraint à utiliser des vannes à tiroir à passage intégral, c'est-à-dire présentant, en position ouverte, un passage traversant exempt d'aspérités ou de décrochements afin de limiter, non seulement les pertes de charge, mais également les zones d'encrassage qui peuvent présenter, outre des risques d'usure intempestives, des dangers de déflagration notamment dans les canalisations convoyant successivement des gaz aux affinités détonantes comme l'oxygène et l'hydrogène. En raison de la nature et de la haute température des fluides intéressés, l'étanchéité de ces vannes doit être obtenue à sec, ce qui implique un planage parfait des surfaces coopérantes de l'oper- cule et du siège, de sorte que les problèmes de déformation consécutifs aux contraintes thermiques sont, dans ce cas, particulièrement aigus. Ces conditions sévères d'exploitation obligeaient jusqu'à présent les industriels pétroliers à remplacer ou réparer fréquemment les vannes de leurs installations, ce qui entrainait, essentiellement du fait des arrêts de fonctionnement afférents, des couts d'exploitation considérables. La présente invention a précisément pour objet d'obvier à ces divers inconvénients en proposant une vanne à tiroir à passage intégral assurant une excellente étanchéité en utilisation avec des fluides à hautes températures. La présente invention a pour autre objet de proposer une telle vanne présentant une durée de vie considérablement accrue en utilisation avec des fluides susceptibles de transporter des particules à haut pouvoir abrasif. A ces fins, et selon une caractéristique de la présente invention, une telle vanne à tiroir est caractérisée en ce qu'au moins une des zones de l'élément de siège et de l'opercule coopérant pour obturer le passage dans la position fermée de la vanne est constituée d'une partie rapportée aux caractéristiques mécaniques distinctes de celles du corps de l'élément de siège ou de l'opercule correspondant. Selon une autre caractéristique de la présente invention cette partie rapportée présente au moins sur une partie superficielle une dureté supérieure au matériau constitutif de l'élément de siège ou de l'opercule, et est montée sur ce siège ou cet opercule de façon non encastrée. La présente invention sera mieux comprise au vu de la description suivante d'un mode de réalisation de la présente invention fait en référence avec les dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'une vanne à tiroir selon la présente invention; La figure 2 représente une vue en coupe agrandie de l'agencement d'un élément de siège et d'un opercule de la vanne de la figure 1 en position d'ouverture de la vanne; et La figure 3 représente en élévation la face de travail de l'élément de siège de la figure 2. La vanne à tiroir à passage intégral représentée sur la figure 1 comporte, de façon traditionnelle, une enveloppe ou corps de vanne, généralement référencée 1 venant de fonderie et formant une tubulure d'entrée 2 et une tubulure de sortie 3 définissant respectivement les extrémités 4 et 5 d'un passage cylindrique traversant. Les tubulures d'entrée et de sortie 2 et 3 présentent respectivement des flasques 6 et 7 permettant leur raccordement à des tubulures ou tuyauterie d'une installation de transfert de fluide. On notera que les appellations "entrée" et "sortie" sont données à titre descriptif, la vanne représentée sur la figure 1 étant susceptible de travailler indifféremment dans les deux sens.A l'intérieur de l'enveloppe 1 sont montés des éléments de siège, généralement référencés 8 de forme oblongue présentant une face de travail plane 9 et formant une partie tubulaire 10 encastrée dans l'extrémité intérieure de la tubulure 2 ou 3 du corps de vanne correspondante, le diamètre intérieur de cette partie tubulaire 10 correspondant exactement au diamètre des passages cylindriques 4 et 5 selon le principe bien connu des vannes à passage intégral.Un tiroir d'obturation est monté de façon à coulisser entre les faces planes parallèles 9 des éléments de siège 8 ce tiroir étant constitué ici de deux opercules 11 actionnables conjointement par l'intermédiaire d'une tige de commande 12 et coopérant avec les opercules au moyen d'une tête de commande 18 formée à une de ses extrémités, la partie de la tige 12 opposée à la tête 18 étant filetée pour coopérer avec un dispositif de manoeuvre non représenté logé dans le chapeau 14 de la vanne. L'actionnement de cette tige de commande 12 est commandé par un volant de manoeuvre 13 disposé à l'extrémité du chapeau, 14, monté de façon étanche sur l'enveloppe 1 au moyen de goujons 15 et d'écrous 16. La partie inférieure du chapeau 14 est équipée d'un siège de guidage 17 de la tige de commande.Les deux opercules Il, indépendants l'un de l'autre, sont maintenus pla quéscontre les surfaces de travail 9 des éléments de siège 8 par une pluralité de ressortsde compression 20 et-sont maintenus écartés l'un de l'autre par une bague d'entretoisement 19, disposée au niveau des lumières cylindriques 21 des opercules pour former avec celles-ci la partie de raccordement entre les passages cylindriques des éléments de siège de façon à constituer ainsi un passage intégral à travers toute la vanne. L'élément de siège 8 est monté de façon étanche dans l'enveloppe l au moyen de joints haute température 22 et d'un circuit annulaire de graissage 23. Par contre,du fait des hautes températures aux quelles sont soumis les opercules Il il n'est pas possible de prévoir entre ces opercules et les surfaces de travail 9 des sièges 8 une installation d'étanchéification et de lubrification par graisse ou liant, de sorte que l'étanchéité n'est assurée à ce niveau que par le contact métal contre métal entre la partie face de travail 9 de l'élément de siège et la face correspondante de l'opercule.Or, si l'élément de siège 8 présente une masse relativement importante formant volant d'inertie thermique, les opercules 11 ont une structure relativement légère, et comme il a déjà été mentionné, les gradients thermiques importants y apparaissent entre la partie présentant les lumières 21 et-l'autre partie pleine formant obturateur. De sorte que les contraintes thermiques induites peuvent amener à un gauchissement des surfaces d'étanchéité de cet opercule et donc nuire considérablement non seulement à la durée de vie mais également à l'étanchéité, de la vanne. Conformément à la présente invention, pour éviter ce gauchissement et permettre une meilleure adaptation à la surface de travail 9 de l'élément de siège, dans le mode de réalisation représenté sur les figures l et 2, la zone de l'obturateur déstinée à venir occulter le passage en position fermée de la vanne est constituée par un élément rapporté 24 monté dans un évidement 25 de la partie de l'oper- cule opposée à la lumière 21. Sur la figure 1 l'élément rapporté de l'opercule de droite a été enlevé.Cet élément rapporté 24 se présente de façon avantageuse sous la forme d'un disque cylindrique réalisé en un matériau d'une dureté supérieure à celle du matériau du corps de l'opercule Il. Cet élément rapporté 24, non seulement est dissocié ther miquement du corps de 1 'opercule, mais présente également une faible inertie thermique lui permettant de s'équilibrer thermiquement en fonction de sa position dans la vanne sans induire de contraintes notables et sans être affecté par les contraintes induites dans le corps de l'opercule. Pour améliorer tant l'indépendance thermique que l'indépendance mécanique de cet élément rapporté, celui-ci est monté de façon non encastrée dans le logement 25 de l'opercule, et il est maintenu en contact avec la surface 9 de l'élément de siège par un ressort de compression 26.La surface périphérique 31 du disque cylindrique 24 présente un profil courbe 31 pour permettre un débattement angulaire du disque dans le logement 25. Comme on le voit mieux sur la figure 2, l'élément rapporté 24 présente un diamètre extérieur sensiblement supérieur au diamètre du passage de la vanne afin d'occuper complètement ce passage lorsque la vanne est en position fermée. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention pour l'utilisation avec des fluides chariant des particules abrasives, l'élément rapporté 24 peut être réalisé entièrement en stéllite, ou comme on l'a représenté sur la figure 2 présenter, au moins sur la périphérie de sa face en contact avec la surface d'étanchéité 9 de l'élément de siège 8, c'est-à-dire aux endroits les plus exposés lors de la fermeture de la vanne, une inclusion de sté 1- lite 27 de forme annulaire dont le diamètre intérieur est également légèrement supérieur au diamètre du passage de la vanne.Sur cette figure 2, on a également représenté un manchon rapporté28 en matériau dur emmanché dans l'extrémité de l'alésage de la partie cylindrique 10 de l'élément de siège débouchant sur la face de travail 9 et jouant, sur cet élément de siège, le même rôle de protectioncontre l'usure par les éléments abrasifs que les inclusions de stellite 27 et permettant en outre, au niveau de la surface de travail 9 de l'élément de siège 8 d'améliorer encore l'étanchéité de la vanne en coopération avec l'el6- ment rapporté 24. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de l'élément de siège 8, ou toujours en vue d'augmenter la qualité du contact de glissement entre la surface de travail 9 de cet élément de siège 8 et l'opercule 11 muni de l'élément rapporté 24, un chemin de glisse 29 s'étendant sensiblement le long de l'axe médian de la face de travail 9 et une couronne 30 entourant le manchon rapporté28 sont stéllités en surface, ce qui, sans grever notablement le coût de fabrication de l'élément de siège augmente considérablement sa durée de vie dans les conditions sévères de fonctionnement à hautes températures et avec particules abrasives. La présente invention n'est pas limite aux exemples de réalisation qui viennent d'etre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Vanne à tiroir à passage intégral, notamment pour l'utilisation avec des fluides à hautes températures, comprenant une enveloppe présentant une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, un passage cylindrique reliant ces ouvertures, au moins un opercule comportant une lumière correspondant à la section du passage et susceptible, par coulissement, d'obturer le passage en coopérant avec un élément de siège monté dans l'enveloppe, caractérisée en ce qu'au moins une des zones de l'élément de siège et de l'opercule coopérant pour obturer le passage en position fermée de la vanne est constituée d'une partie rapportée. 2 - Vanne à tiroir selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie rapportée est montée de façon non encastrée dans l'élément de siège ou l'opercule correspondant. 3 - Vanne à tiroir selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément rapporté présente au moins superficiellement une dureté supérieure à celle de l'élément de siège ou de l'opercule correspondant. 4 - Vanne à tiroir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie rapportée présente un contour régulier et est disposée dans un logement ménagé dans la zone correspondante de l'élément de siège ou de l'opercule. 5 - Vanne à tiroir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie rapportée a sensiblement la forme d'un disque cylindrique et est montée élastiquement dans un logement circulaire ménagé dans la face de l'opercule tournée vers l'élément de siège, le diamètre extérieur du disque cylindrique étant supérieur au diamètre du passage de la vanne. 6 - Vanne à tiroir selon la revendication 5, caractérisée en ce que le disque cylindrique présente sur sa face tournée vers l'élément de siège un anneau stéllité concentrique au disque cylindrique. 7 - Vanne à tiroir selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que le disque cylindrique présente, en section transversale, un bord périphérique arrondi dont le diamètre maximum extérieur correspond sensiblement au diamètre intérieur du logement circulaire de l'opercule et en ce que le disque cylindrique est sollicité contre la face de travail de l'élément de siège par au moins un ressort de compression disposé dans le logement circu laire de l'opercule. 8 - Vanne à tiroir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la face de travail de l'élément de siège présente en sa partie centrale un chemin de glisse stéllité parallèle à la direction de déplacement de l'opercule par rapport à cet élément de siège. 9 - Vanne à tiroir selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'élément de siège présente en outre sur sa face de travail une zone circulaire stéllitée autour de l'orifice définissant le passage satellite. 10 - Vanne à tiroir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la zone de l'élément de siège formant le raccordement entre le passage et la face de travail est constituee par un manchon rapporté en matériau dur.