Brevet FR2384181A1 — publié le 19781013

La présente invention concerne une soupape a obturateur en forme de champignon, en particulier pour des fluides sous haute pression et présentant des vitesses de circulation élevées, soupape dans laquelle l'étanchéité champignon-siège est assurée au moyen de deux sièges différents, l'un métallique et l'autre souple, ce dernier étant disposé en amont du précédent suivant le sens de déplacement du fluide dans ladite soupape. Comme cela est connu dans la technique, les fluides qui se déplacent à des vitesses élevées transportent toujours des matières qu'ils ont arrachées des surfaces au contact desquelles ils sont passés, comme par exemple des résidus de soudure, des croûtes de rouille ou analogues constituées par des produits d'oxydation, des particules de sable, des impuretés et analogues, lesquelles matières sont entraînées jusqu'au point où la conduite présente la soupape. I1 est également connu dans la technique que, pour les soupapes présentant des obturateurs à siège plan ou conique, on n'obtient une bonne fermeture que lorsque les surfaces d'étanchéité se correspondent parfaitement entre elles. Toutefois, il arrive, au début de l'ouverture et à la fin de la fermeture, c'est-à-dire quand la section de passage délimitée entre les surfaces d'étanchéité est très petite, le fluide peut traverser ledit passage avec une vitesse beaucoup plus élevée et ainsi provoquer, du fait des impuretés entraînées qui sont constituées par des matières dures, une érosion considérable desdites surfaces qui les rend ensuite impropres au fonctionnement. En outre, lors de la fermeture et peu avant que les surfaces d'étanchéité arrivent au contact l'une de l'autre, il est possible que les grains de matière dure, de saleté ou analogue restent piégés entre lesdites surfaces lors du rapprochement de celles-ci et que, du fait de la pression de fermeture exercée sur le champignon, ces grains pénètrent de façon importante dans les sièges en y formant des évidements ou canaux qui, même lorsque la soupape est fermée, laissent passer un filet de fluide, ce qui a pour effet de poursuivre l'action d'érosion déjà initiée et de compromettre ainsi l'étanchéité de la soupape. Ce phénomène peut présenter de graves inconvénients, notamment en période d'essai et de mise en route du dispositif, ainsi qu'au début de la période de fonctionnement en régime normal, lorsque les matières solides et les impuretés sont encore présentes en quantités importantes en raison de la présence de nombreuses particules de saleté et de résidus d'opérations antérieures dans les circuits et les machines desservis par le fluide I1 peut alors arriver qu'une période de fonctionnement initiale même brève, soit suffisante pour compromettre I'étanchéité de la soupape à siège plan ou conique, notamment à cause des particules de matières dures qui restent encastrées entre les surfaces d'étanchéité juste avant la fermeture de la soupape, lorsque les surfaces se trouvent à une distance très faible l'une de l'autre, de l'ordre de quelques dixièmes a- millimètre. Ces inconvénients provoquent de graves dommages au dispositif et, du fait des pertes de fluide toujours croissantes qui en résultent, il devient nécessaire de remplacer la soupape ou les parties qui constituent ses organes d'étanchéité. La soupape à double étanchéité, réalisée conformément à l'invention, permet de pallier tous ces inconvénients et d'obtenir une étanchéité parfaite entre les surfaces coopérant les unes avec les autres, même lorsque les fluides renferment des impuretés ou particules de matières dures, et elle permet également d'augmenter ainsi de façon notable la durée d'utilisation de ladite soupape. Conformément à l'invention, la soupape présente deux sièges dont l'un est constitué par une bague métallique dont les surfaces de contact sont planes ou coniques et qui est destiné à assurer une étanchéité dite "étanchéité métallique" en réalisant un contact parfait avec une surface métallique correspondante, plane ou conique, du champignon de fermeture, l'autre siège étant constitué par un organe cylindrique, coaxial à l'axe du mouvement de l'obturateur en forme de champignon et associé à un organe d'étanchéité souple formé par une garniture de caoutchouc, de matière plastique ou analogue, ce second siège étant disposé en amont du siège métallique suivant le sens du déplacement de fluide et étant actionné par ledit obturateur en forme de champignon de la soupape pour être ouvert ou fermé, jouant ainsi le rôle de "pré-soupape". Cet organe cylindrique coaxial à l'obturateur et prévu pour assurer ladite étanchéité souple peut être réalisé soit sous la forme du même anneau ou de la même partie du corps de la soupape qui porte l'organe d'étanchéité métallique, plan ou conique, et la garniture souple est alors appliquée dans une cavité annulaire d'un prolongement cylindrique antérieur du champignon de fermeture, soit qu'à l'inverse la surface cylindrique peut être formée dans le prolongement antérieur de l'obturateur à champignon et la garniture souple est, dans ce cas, disposée dans une cavité annulaire prévue à l'intérieur du corps de la soupape, au-dessous des surfaces d'étanchéité métallique. De plus, conformément à l'invention, il est prévu que l'organe d'étanchéité cylindrique souple ou le cylindre correspondant puisse être déplacé axialement sur une distance relativement importante, à savoir d'au moins quelques millimètres, avant que les surfaces des organes d'étanchéité métallique viennent au contact l'une de l'autre, de façon à ce que, lors de la fermeture, le fluide soit totalement ou presque totalement arrêté lorsque lesdites surfaces des organes d'étanchéité métallique sont encore éloignées l'une de l'autre. Dans ce cas, même s'il arrive que le fluide ayant traversé l'organe d'étanchéité souple a tendance à présenter quelque peu un écoulement laminaire, il n'entraîne pas lesdites particules solides, soit parce qu'elles sont retenues par la garniture, soit du fait que le mouvement de cette garniture, lors de la fermeture de la soupape, assure la nettoyage des surfaces cylindriques. Lorsqu'on ouvre l'obturateur, il se peut que le fluide traverse les surfaces métalliques du joint d'étanchéité lorsqu'elles sont déjà assez éloignées l'une de l'autre pour former un passage de section suffisamment grande permettant d'éviter ainsi le phénomène d'érosion. De plus, conformément à l'invention, on prévoit également la possibilité d'arrêter, ou de repérer, le mouvement du champignon de façon à ce que, lors de la fermeture de la vanne, il soit possible de relever ou d'arrêter ledit champignon lorsque le joifld1étanchéîtésolese trouve déjà dans le siège cylindrique et assure l'étanchéité, en évitant ainsi le contact entre les surfaces metalliques des organes d'étanchéité ; cet arrêt ou ce repérage peut être effectué lu début de la période de fonctionnement en régime pendant a mise en route ou lors de l'essai du dispositif, de façon à ce que l'ensemble de ce dispositif soit mis en route dans des conditions de fonctionnement normal sans que les surfaces métalliques des organes d'étanchéité soient détériorées, tandis que, dans un second temps, lorsqu'on a pu s'assurer que le fluide était devenu suffisamment propre, on supprime ledit arrêt et cela permet d'obtenir alors une fermeture étanche entre lesdites surfaces métalliques. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig. 1 est une coupe-élévation axiale longitudinale de la partie centrale d'un mode de réalisation d'une soupape de l'invention présentant un siège plan. La fig. 2 est une coupe illustrant un détail de la partie centrale d'un autre mode de réalisation d'une soupape de l'invention présentant un siège conique. La fig. 3 est une coupe analogue à la fig. 2 illustrant un détail de la partie centrale de la soupape de l'invention présentant des surfaces d'étanchéité souples se trouvant dans des positions opposées, une garniture étant prévue dans le corps de ladite soupape. Comme illustré à la fig. 1, la soupape de l'invention comprend un corps 1, de réalisation connue en soi, et présentant un diaphragme interne 2 sur lequel sont disposés des sièges de soupape, un obturateur en forme de champignon 3 ou analogue commandé axialement par une tige 4 dont la partie supérieure est terminée par une queue filetée 4a ou analogue sur laquelle est montée une vis-mère 5 ou analogue et qui est actionnée par un volant, au moyen d'organes mécaniques, électriques ou analogues dlun type connu dans la technique et non représentés. Le sens du déplacement du fluide traversant la soupape est indiqué par la flèche A. Conformément à l'invention, une bague 6 est disposée d'une facon connue sur le diaphragme 2, et cette bague 6 présente une surface supérieure plane libre 6a sur laquelle peut venir s'adapter, lorsque la soupape est fermée, un autre organe annulaire 3a présentant une surface de forme identique, organe qui est prévu ou rapporté sur le champignon 3 formant 1 'obturateur. Un siège cylindrique 6b est formé sur la bague 6 (ou bien sur une autre bagueformée, rapportée sur ou faisant partie intégrante du diaphragme) coaxialement à l'axe de déplacement du champignon 3. Ce champignon 3 présente un prolongement cylindrique 3b formant une cavité annulaire fermée par un couvercle 7, cavité à l'intérieur de laquelle une garniture souple 8 est maintenue au contact de la surface ou siège cylindrique 6b de la bague 6. La position et réalisation de la garniture souple 8 et celles du siège cylindrique d'étanchéité 6b sont telles que, lorsqu'on ouvre la soupape la garniture 8 glisse sur le siège cylindrique 6b en maintenant l'étanchéité sur un trajet axial a, délimité par les tirets de la fig.l, trajet dont la longueur est suffisante pour permettre un allongement important des surfaces métalliques 6a et 3a depuis la position pour laquelle elles sont au contact l'une de l'autre jusqu'à une position d'ouverture formant une section de passage qui correspond à une faible vitesse de déplacement du fluide et de ce fait qui empêche la détérioration des surfaces d'étanchéité.Pour éviter le contact entre les surfaces métalliques, également dans les conditions d'étanchéité empêchant le passage du fluide au contact des surfaces d'étanchéité souples lors de la période d'utilisation la plus dangereuse pour lesdites surfaces en raison de la présence de résidus et dépôts solides sur les surfaces formant le siège métallique, il est prévu, conformément à l'invention, de pouvoir éviter le contact entre les surfaces du siege métallique en introduisant un organe d'arrêt, de repérage ou analogue, le long de la tige 4 à queue filetée 4a qui commande l'ouverture de l'obturateur en forme de champignon 3 ou dans une quelconque autre partie appropriée, comme par exemple, sur le volant et sur les organes de commande mécaniques ou analogues, de façon à ce que le mouvement de fermeture soit arrêté ou bien repéré lorsque les surfaces métalliques 6a-3a se trouvent encore à une distance importante l'une de l'autre tandis que le siège d'étanchéité souple formé par les surfaces 8 et 6b est déjà en service. De tels organes peuvent, par exemple au moyen d'une frette taraudée 9, être verrouillés dans une position déterminée en utilisant une goupille 10 ou autre organe analogue connu dans la technique. Cette frette peut ainsi être mise en place à une distance désirée du point de contact des surfaces métal7iques pendant tout l'int3rvalle de temps nécessaire et pet -nsuite être retirE e lorsque la soupape fonctionne en régime normal, ceci formant ainsi une protection des surfaces métalliques d'étanchéité pendant la période de fonctionnement la plus critique. A la fig. 2, des organes analogues sont désignés par des références analogues. La variante de la soupape de l'invention illustrée à ladite fig. 2 est caractérisée par le fait que l'étanchéité métallique est assurée par des surfaces coniques et non plus planes comme précédemment, surfaces désignées 16a pour la bague 6 et 13a pour le champignon 3. A la fig. 2, les surfaces coniques 16a et 13a sont représentées dans les positions qu'elles occupent avant l'ouverture (ou après la fermeture) positions telles que l'étanchéité est assurée par la garniture souple 8 reposant au contact du siège cylindrique 6b de la bague 6. La fig. 3 illustre une autre variante de réalisation de la soupape de l'invention dans laquelle la surface métallique cylindrique 13b formée ou rapportée sur l'obturateur à champignon 3 est une surface continue et assure la fonction de surface d'étanchéité, et, tandis que la garniture souple 18 est maintenue sur le diaphragme 2 du corps 1 de la soupape, celui-ci présente de même une surface plane (ou conique) 26a prévue pour assurer une étanchéité métallique avec la surface 23a correspondante du champignon 3. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre, en particulier en ce qui concerne le tyne des surfaces métalliques et souples utilisées,le type deliaison, les organes d'étanchéité desdites surfaces et analogues. R.E V E N D I C A T I O N S I - Soupape à obturateur en forme de champignon, en particulier pour des fluides sous haute pression, caractérisée en ce qu'elle présente une double étanchéité assurée par une première série d'organes d'étanchéité métallique et une seconde série d'organes d'étanchéité souples, ces derniers étant disposés en amont des précédents suivant le sens de déplacement du fluide dans la soupape, les organes d'étanchéité souples étant constitués par une surface cylindrique fixe coaxiale à l'axe de déplacement de l'obturateur de la soupape et coopérant avec une garniture souple associée à un cylindre mobile solidaire de l'obturateur, ou respectivement vice versa, de façon à ce que l'ouverture ou res?ectivement la fermeture des organes d'étanchéité à surfaces métalliques soit effectuée après ou respectivement avant celle des organes d'étanchéité présentant une garniture souple. 2 - Soupape suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la surface cylindrique peut être formée ou rapportée sur la bague que porte la surface plane ou conique des organes d'étanchéité métalliques avec les surfaces métalliques correspondantes de l'obturateur. 3 - Soupape suivant l'une des revendication 1 et 2, caractérisée en ce que la garniture souple peut être introduite dans un évidement ou analogue ménage dans le corps fixe tandis que la surface cylindrique d'étanchéité est mobile et est formée ou rapportée sur la partie antérieure du champignon de fermeture. 4 - Soupape suivant l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que la course axiale de la garniture souple ou du cylindre correspondant est telle qu'elle maintient l'étanchéité sur un trajet correspondant à une section de passage du fluide entre les surfaces métalliques pour laquelle la vitesse de passage dudit fluide ne risque pas d'endommager les surfaces métalliques d'étanchéité. 5 - Soupape suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'un organe de blocage ou de repérage est prévu pour arrêter ou repérer la fermeture de l'obturateur réalisée à l'aide de la seule garniture souple, en évitant les contacts entre les surfaces métalliques d'étanchéité pendant un intervalle de temps nécessaire pour assurer la mise en route du dispositif et/ou pour d'autres motifs inhérents au fait que le circuit de fluide renferme des particules de matières dures.