Brevet FR2400656A1 — publié le 19790316

La présente invention concerne une vanne à passage direct pour fluides à hautes pressions et hautes températures équipée d'une tige d'équilibrage et d'un dispositif d'étanchéité lubrifié à contact métal contre métal. Selon l'invention, une vanne équilibrée à haute pression à registre montant comporte des dispositifs d'étanchéité lubrifiés à contact métal contre métal entre le couver cie du corps et la tige de manoeuvre de la vanne, et entre la partie du corps formant une chambre et la tige d'équilibrage. Chaque dispositif d'étanchéité comporte plusieurs, par exemple trois garnitures annulaires métalliques élastiques bombées avec une bague de lubrifiant solide résistant aux hautes températures et aux produits chimiques, par exemple en tétra fluoréthylene ou en graphite entre les garnitures métalliques adjacentes de chaque paire. Chaque garniture métallique est moins dure que la tige et présente une-section rectangulaire, le bord interne étant arrondi du côté concave. Chaque dispositif d'étanchéité est placé dans un logement annulaire ménagé dans la partie adjacente du corps de la vanne qui entoure la tige.Chaque logement est fermé par un bouchon annulaire vissé suffisamment dans le logement pour aplatir les rondelles métalliques bombées de façon que les faces interne et externe de chaque bague soient respectivement en contact avec la tige et le logement en exerçant une pression suffisante pour déformer la matière plastique le long du bord interne du c8té concave et le long du bord externe du côté convexe, et pour déformer les bagues de lubrifiant solide élastiques au contact de la tige et du logement, ainsi que pour empêcher un mouvement du joint par rapport au logement pendant que la vanne est en service, malgré les variations de la température de la vanne et la pression du fluide passant dans cette derniera.Le dispositif d'étanchéité de la tige de la vanre peut être aussi utilisé pour assurer l'étanchéité de vis de blocage ainsi que dans d'autres cas dans lesquels une étanchéité doit être assurée entre des pièces mobiles l'une ar rapport à l'autre aussi bien vendant qu'après le mouvement relatif. 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 verticale d'une vanne selon l'invention la figure 2 est une coupe partielle dans le même plan que la figure 1, mais à plus grande échelle, montrant une variante du dispositif d'étanchéité de la tige de manoeuvre, dans lequel la pile des rondelles d'étanchéité métalliques tronconiques est dirigée à l'opposé du côté de la vanne qui est sous pression la figure 3 est une coupe verticale partielle du dispositif d'étanchéité de la tige de manoeuvre d'une variante de la vanne dans laquelle ledit dispositifd'étanchéité ne comporte que deux rondelles d'étanchéité métalliques tronconiques la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, excepté qu'elle représente le dispositif d'étanchéité de la tige d'équilibrage de la variante de la vanne les figures 5 et 6 sont des coupes partielles de la variante de la vanne, mais à plus grande échelle 7 et montrant les logements des dispositifs d'étanchéité de la tige de manoeuvre et de la tige d'équilibrage respectivement les figures 7 et 8 repoésentent ensemble une élévation de la tige de manoeuvre de la variante de la vanne (la tige d'équilibrage étant la même en ce qui concerne le dispositif d'étanchéité et n'étant pas représentée séparément) les figures 9 et 10 sont respectivement une coupe axiale et une vue en bout du bouchon de compression du dispositif d'étanchéité de la tige d'équilibrage les figures Il et 12 sont des coups axiales de la bague de compression et de la bague de support du dispositif d'étanchéité de la tige (à la fois du dispositif d'étanchéité de la tige de manoeuvre et de celui de la tige d'équilibrage) de la variante de la vanne les figures 15 et 14 sont respectivement une vue an plan et une vue de côté d'une bague élastique de lubrifiant solide, par exemple de"Molly-Teflon" qui est dimensionnée pour la variante de la vanne représentée sur les figures 3 à 12; les figures 15 et 16 sont respectivement une coupe axiale et une coupe partielle à grande échelle dans le même plan, montrant une bague d'étanchéité métallique tronconique dimensionnee pour la variante de la vanne représentée sur les figures 3 à 14 ; et la figure 17 est une vue schématique montrant le mode de fonctionnement d'un dispositif d'étanchéité d'une tige de l'invention. On va examiner maintenant la figure 1 qui représente une vanne comportant un corps creux présentant une chambre 21 et un couvercle 22 fixé audit corps par des vis 23 et des écrous 24, l'étanchéit étant assurée par des dispositifs appropriés 25. Des conduites 26, 27 communiquant avec lacham- bre établissent un passage pour l'écoulement du fluide dans et hors de la chambre. Des sièges 29, 31 montés dans les extrémités internes des conduits 26, 27 coopèrent avec deux registres percés 33, 35 qui commandent le débit du fluide (par exemple de l'eau du pétrole ou du gaz) à travers la vanne. Une matière plastique d'étanchéité est stockée dans les réservoirs 37, 39 et la matière d'étanchéité est distribuée automatiquement par des canaux 41, 43 aux interfaces des registres et des sièges d'une part, et des ccls des sièges et du corps d'autre part pour assurer 11 étanchéité. La vanne est étalonnée à une pression de fonctionnement de 1750 bars et peut être testée jusqu a une pression de 2625 bars. Les registres sont animés d'un mouvement alternatif par une tige de manoeuvre 45 généralement cylinirique, entre la position fermée représentée sur la figure 1 et une position ouverte dans laquelle les ouvertures 47, 49 des registres et la bague de liaison 51 sont en regard des orifices 53, 55 des sièges de la vanne. L'extrémité supérieure de la tige de manoeuvre se prolonge hors de la chambre de la vanne par un orifice 57 ménagé dans le couvercle Un dispositif d'étanchéité 59 selon la présente invention assure l'étanchéité entre la tige et un logement cylindrique 61 du couvercle. Le dispositif d'étanchéité 59 est comprimé dans le logeflent 61 par un bouchon filete 63 qui est visé dans un col taraudé 65 au sommet du couvercle. Un orifice d'échappement 67 permet au fluide de passer entre le logement et le bouchon. L'extérieur du col 65 du couvercle est également fileté et il se visse dans un capuchon de portée 69. Un écrou de manoeuvre 71, vissé sur l'extrémité supérieure filetée de la tige de manoeuvre 45, présente une bride 74 intercalée entre des paliers axiaux de butée 75, 77 ; les paliers sont également en contact avec le sommet du bc,'hon 67 et l'extré- mité supérieure du capuchon 69. L'étanchéité de ce dernier par rapport à l'écrou 71 est assurée par une bague torique 73. Un volant 75 présente une ouverture 77 n' ayant pas une forme circulaire, qui s'ajuste sur-une partie complémentaire 79 de la tige de manoeuvre. Le volant est maintenu en place par un écrou 81 vissé sur llextrénlité supérieure de l'écrou de manoeuvre 71. Un orifice d'échappement 83 permet au fluide de passer entre l'écrou de manoeuvre et I'extrémité supérieure 85 de la tige de manoeuvre. Aux extrémités inférieures des registres est reliée une tige d'équilibrage 91 généralement cylindrique qui se prolonge hors de la chambre de la vanne par un orifice 93. Un dispositif d'étanchéité 94 selon l'invention assure ltétan- chéité entre la tige d'équilibrage et un logement cylindrique 95 du corps de la vanne. Le dispositif d'étanchéité 94 est comprimé dans le logement 95 par un bouchon fileté 97 qui est vissé dans un logement taraudé 99 qui est coaxial à l'orifice 93 et au logement 95. Un orifice d'échappement 101 permet au fluide de passer entre l'extrémité du bouchon 97 et ltextré- mite de la tige d'équilibrage. Lorsque le volant 75 est mis en rotation, l'écrou de manoeuvre 71 tourne et fait en sorte que la tige de manoeuvre 45 soulève ou abaisse les registres 33, 35 auxquels elle est reliée par un raccord 103 an T. Ceci fait également en sorte sle soulever ou cl'abaisser la bigue d'équilibrage 91 qui est reliée aux registres par une tête 105 à ajustement lâche. Il se produit ainsi un mouvement axial relatif entre chacune des tiges 45, 91, et les dispositifs d'étanchéité respectifs 59, 94.Les dispositifs d'étanchéité doivent rester serrés pendant ce mouvement relatif.Par conséquent, les dispositifs d'étanchéité 59, 94 entrent dans la classe des dispositifs d'étan chéité glissants qui se distinguent du dispositif statique 25 entre le couvercle et la chambre du corps de la vanne où il ne se produit pas de mouvement relatif. Les dispositifs d'étanchéité 59, 94 sont identiques de sorte qu'il suffit d'en décrire un seul en détail. Le dispositif d'étanchéité 94 comporte une pile de trois garnitures annulaires métalliques tronconiques 111 entre lesquelles sont intercalées des bagues élastiques 113 d'un lubrifiant solide présentant un plus faible module d'élasticité que les garnitures annulaires métalliques, ces dernières étant de préférence en acier. Au fond du logement et à proximité du bouchon de compression 97 se trouvent des bagues de base et d'adaptation 115, 117 qui sont en contact superficiel avec le fond du logement et l'extrémité du bouchon respectivement, et dont les faces opposées sont de forme conique suivant les angles voulus pour les garnitures annulaires métalliques dans leur position montée définitive.Comme on 1'exoliquera plus en détail ci-après, à 1 'état détendu, les garnitures annulaires métalliques ont la forma d'un cône plus pointu, c'est- à-dire qu'elles présentent de plus petits angles de cône qu'à l'état monté représenté sur la figure I. Eventuellement, il est possible de supprimer l'une des bagues d'adaptation ou les deux, le fond du logement et/ou l'extrémité du bouchon présentant une surface conique ayant l'angle et la superficie voulus. Les garnitures annulaires métalliques doivent être en un métal moins dur que celui des tiges de la vanne pour ne pas user ces dernières par frottement. Pour la m8me raison, les garnitures métalliques ne doivent pas être aplaties pendant le montage dans une mesure plus grande que celle néces -saire pour réduire leursdiamètres internes et déployer leurs diamètres externes de manière à les mettre légèrement en contact de compression avec le logement et la tige, le bord c,om- primé de la face interne de chaque garniture métallique étant arrondi, de préférence à un rayon égal à environ la moitié de l'épaisseur de la garniture, par exemple un rayon de 0,5 mm pour une garniture d'une épaisseur de I mm. Quelques exemples de matières convenant pour réaliser les bagues intercalées 113 comprennent le "Teflon" (polymère de tatraluoréthylène), le Molly-Teflontt (comme "Teflon" mais contenant environ 15 96 de Par, (sulfure de molybdène) et le "Orafoil" (graphite comprimé). Ces matières frottent contre la tige en remplissant les endroits très légèrement évidés et en formant une pellicule globale et en lubrifiant les zones de contact entre la tige et les garnitures métalliques. Il convient de noter naintenant que seul le joint entre la tige et les garnitures annulaires constitue un joint glissant, le joint entre les garnitures et le logement étant du type statique. Etant donné que les bagues intercalées sont soumises à la chaleur et à une activité chique du fluide que commande la vanne ainsi qu' à la température et au milieu ambiants dans lequel la vanne doit fonctionner, la matière intercalée doit résister à une action chimique éventuelle et à des températures comprises dans une plage prévisible, par exemple -149 O et -230C ou même une température plus basse. Des ma tières pouvant être utilisées à une température descendant jusqu'à -600C seraient souhaitables. La matière intercalée doit être suffisamment élastique pour résister, sans se rompre, aux contraintes nécessaires pour aplatir les garnitures métalliques. De préférence, les bagues intercalées ont initialement une configuration rectangulaire pour faciliter la fabrication, au lieu de leur section finale à l'état assemblé, de sorte qu'elles doivent être suffisamzent déformées (de préférence élastiquezent mais au moins plastiquement) sans désagrégation pour permettre un tel changement de forme. Bien que les garnitures annulaires métalliques comprimées forment des joints à contact métal contre métal avec la tige et le logement, il est bien entendu que lors d'un déplacement de la tige, les faces internes des garnitures ne subissent pas instantanément et peut-être jamais plus de fluage plastique pour épouser la surface nouvellement adjacente de la tige et que, pendant la période interm:diai-,e, la matière intercalée peut fluer dans tout intervalle provisoire pour éviter une fuite. Par conséquent, il est préférable que la matière intercalée ait la possibilité de subir un fluage élastique, comme le caoutchouc, pour remplir ces intervalles. Un élastomère tel que le "Teflon" est par conséquent la matière préférée. Si la lubrification s'avérait moins importante, il serait possible d'utiliser une matière telle que "Hi Car". Bien que l'on préfère une matière élastique pour constituer la matière intercalée, il est possible d'utiliser un métal plastique mou comme le plomb. Il est possible d'avoir recours à une matière composite, par exemple "Molly-Deflon" et Graphoillt. On constate sur la figure 1 que les cônes des garnitures métalliques sont dirigés du côté où il s'agit d'assurer l'étanchéité à la pression. Ceci peut etre préféré pour le joint d'une tige, bien que, lorsqu'il s'agit d'assurer l'étant chéité entre les surfaces parallèles, les faces interne et externe du joint soient soumises à un même contact et soient par conséquent réversibles. Les faces interne et externe des garnitures annulaires peuvent être considérées comme formant des joints à lèvre d'étanchement, destines à assurer l'étan- chéité à l'encontre de la pression dirigée contre la face convexe et la face concave respectivement des garnitures. En dirigeant les cônes vers le côté sous pression, les bords internes des cônes constituent efficacement des joints à lèvres d'étanchement et c'est du côté des bords internes que le joint glissant doit être réalisé. Les bagues intercalées 113 doivent établir un ajustage avec serrage autour de la tige, par exemple un serrage dia métral de plusieurs microns. Il suffit que le logement et la tige présentent un fini normal par usinage en comparaison de ceux normalement utilisés pour des garnitures élastomères. Bien qu'il soit préférable d'utiliser une pile de trois garnitures métalliques entre lesquelles deux bagues élastiques d'une matière lubrifiante sont intercalées (trois niveaux) pour assurer un soutien, deux garnitures métalliques (comme représenté pour la variante décrite plus bas) fonctionnent tout aussi bien. Si l'on utilise un "stratifié ouvert", c'est-à-dire une garniture métallique et une bague en élastomère lubrifiant disposée du côté de la garniture métallique soumis à la pression du fluide, il est possible de réaliser un joint,mais ltelassomere a tendance à fluer dans l'interstice compris entre la tige et l'orifice du couvercle ou la chambre du corps, ce qui nécessite un serrage périodique du bouchon de compression.L'utilisation de plusieurs bagues de garniture qui enrobent entièrement les bagues intercalées empêche une telle extrusion, étant donné que l'intervalle entre les garnitures annulaires métalliqlles et la tige d'une part, et le logement d'autre part, est nul. Afin d'éviter une fuite malgré les cycles de pression haute et basse, les bouchons de compression sont serrés pour charger préalablement les joints en leur imposant une contrainte supérieure à celle que peut provoquer la plus forte pression prévue du fluide. Etant donné qu'en cas de brusque changement de température, par exemple lorsque le soleil se lève dans l'arctique ou dans le désert, le métal se dilata plus rapidement que l'élastomère, la précharge doit etre supérieure à celle nécessaire pour qu'elle soit égale à la contrainte imposée par le fluide sous pression, par exemple deux fois plus grande que cette contrainte, afin d'éviter un mouvement relatif des garnitures annulanres, des bagues intercalées, du logement et de la tige.Une si forte précharge peut être appelée super-précharge.- Un flocage est effectué par exemple en appliquant un couple de 813,5 à 1220 Joules aux bouchons de compression, comme on Ifexpliquera.plus en détail cioaprès. La plage de tolerances pour les diamètres de la tige et des garnitures ainsi que du logement peut etre de plus ou moins 0,127 mm. Les garnitures annulaires ne sont pas des rondelles Belleville qui seraient trop dures et qui attaqueraient les tiges. De plus, elles sont par exemple en acier inoxydable recuit (austénitique) (des types 316, etc.). Elles doi-vent pouvoiL être comprimées sans former d'empreinte sur la tige (qui peut n'avoir cu'wle dureté Rockwell de 30). Les bagues d'adaptation 115, 117, si on les utilise, peuvent etre en une matière assez dure telle que l'acier du type 4140, mais doivent présenter un ajustage serré par rapport au logement pour qu'il ne s'établisse pas de contact avec la tige lors de la rotation du bouchon de compression. La matière constituant la tige peut être par exemple du "K-Monel" mais un acier comparable conviendrait également. Le corps (la chambre et le couvercle) peut être en tout acier utilisé d'une façon classique pour des vannes à haute pression. On va examiner maintenant la figure 2 qui. est une vue schématique d'un joint d'une tige de manoeuvre à triple garniture conique dirigée en sens inverse, la moitié gauche du dessin représentant le joint à l'étant non chargé et la moitié droite montrant le joint tel qu'il est après avoir été charge. Les pièces analogues à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes numéros de référence auxquels on a ajouté le signe prime. La bague d'adaptation 117' comporte des évidements 118 pour an faciliter l'enlèvement. On va examiner maintenant les figures 3 et -4 qui representent des formes de réalisation d'un joint de la tige d'une variante de la vanne, dans lesquelles deux garnitures annulaires mét-alliques et une-bague intercalée sont utilisées pour chaque joint. Les mômes pièces sont désignées par les mêmes numéros de référence que sur la figure 1, mais en y ajoutant le signe seconde. Les figures 5 à 16 donnent des exemples des logements, des tiges > des bouchons de compression des joints, des bagues d'adaptation, des bagues intercalées et des garnitures annulaires métalliques présentant des finis, des tolérances et des dimensions appropriés pour les dispositifs d'étanchéité des tiges de la vanne des figures 3 et 4. La figure 17 est une vue schématique d'un dispositif d'étanchéité d'une tige qui n'utilise que deux garnitures annulaires métalliques 111'1' et qu'une bague intercalée 113''', sns'bguPs d'adaptation, les faces 201, vo3 du loge- ment et du bouchon de compression étant façonnées à des angles correspondant à celui souhaité pour les garnitures annulaires lorsqu'elles sont assemblées et chargées. Les coins arrondis 205 des bords internes des bagues métalliques du côté concave apparaissent clairement sur cette figure du côté gauche montrant l'état non chargé du dispositif d'étan chéité.Le changement de forma de la bague intercalée et des garnitures annulais métalliques afin d'épouser les faces coniques du logement et du bouchon ressort de la comparaison du côté gauche de la figure avec la côté droit qui montre l'état chargé du dispositif d'étanchéité. Il convient éga liement de noter que les bagues métalliques ne touchent pas la tige ou les côtés du logement avant la charge et que le bord externe de la bague intercalée est initialement d'un diamètre plus petit que le diamètre interne du logement, mais la bague int-ercalée est étroitement en contact avec la tige, meme avant la charge, par exemple avec un serrage dia métral de plusieurs microns. La figure 17 montre également la compression (fluage du métal plastique) qui se produit aux bords à la fois interne et externe des garnitures annulaires métalliques, c'est-à-dire non seulement en 205, mais également en 207. I1 va de soi que la vanne décrite peut subir diverses modifications sans sortir du carre de l'invention. On pourrait par exemple utiliser un dispositif d'étanchéité formé d'un empilage de plus de trois points métalliques alternés avec des bagues. Un dispositif hydraulique auxiliaire pourrait être prévu pour comprimer les garnitures circulaires métalliques sans faire tourner d'avantage les bouchons. REVENDICA2IONS 1. Vanne a passage direct'comprenant un corps creux présentant un trajet d'écoulement, un registre équilibré pou savant Entre animé fI'un mouvement alternatif dans le corps pour régler le débit du fluide dans ce dernier et comportant des tiges de manoeuvre et d'équilibrage se prolongeant de ltin- térieur du corps hors de ce dernier en passant par des orifices, vanne caractérisée en ce quelle présenteunlogement annulaire ménagé dans le corps autour de chaque tige, un dispositif d'étanchéité placé dans le logement, et un bouchon coopérant avec chaque dispositif d'étanchéité pour le compri liter, chaque dispositif d'étanchéité se composant d'au moins une garniture annulaire métallique bombée et d'une bague intercalée, avoisinant cette dernière, qui est en une matière plus souple. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague intercalée est en matière lubrifiante. 3, Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la bague intercalée est en élastomère. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bague intercalée est en "Teflon". 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la matière intercalée contient jusqu'à 15 pour cent de sulfure de molybdène. 6. Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde bague intercalée qui est en 'Graphoil". 7. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bague intercalée présente un ajustage avec serrage diamétral, sans charge, par rapport à la tige, qui est de plusieurs microns, par exemple de 50 microns ou davantage. 8. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bague intercalée est initialement d'une section différente par rapport à celle quelle présente lorsque le dispositif d'étanchéit est comprimé. 9. Vante selon la revendication 8, caractérisée en ce que la bague intercalée a initialement une section rectangulaire. 10. Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la bague intercalée, lorsqutelle est chargee, a une section correspondant à un losange en forme de parallélogramme dont les angles internes sont différents de 90 degrés. 11. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la garniture annulaire l.étallique a une section rectangulaire et un bord interne arrondi du côté concave. 12. Vanne melon la revendication 1, caractérisée en ce que la garniture annulaire métallique est comprimée de fac,on à être partiellement aplatie et ses bords interne et externe sont comprimés à ltendroit où ils sont en contact avec la tige et le logement. 13. Vanne selon la revendication 12,, caractérisée en ce que la tige et le logement-présentent des surfaces latérales cylindriques. 14. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les garnitures annulaires métalliques sont tronconiques et en ce que les faces adjacentes du bouchon et du fond du logement présentent des surfaces coniques ayant des angles de cône plus grands. 15. Vanne selon la revendication 14, caractérisée en ce que ltune au moins des surfaces est solidaire de l'une des faces du bouchon et du fond. 16. Vanne selon la revendication 14, caractérisée en ce que ltune au noins des surfaces est constituée par une bague d t adaptation. 17. Vanne selon la revendication 14, caractérisée-en ce que les deux surfaces sont constituées paradas bagues d'adap- tation. 18. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle cmporte une deuxième garniture annulaire métallique avec celle précitée. 19. tanne selon la revendication 18, caractérisée en ce que les deux garnitures sont bombées dans le même sans. 20. Vanne elon la revendication 19, caractérisée en ce qu'une troisième garniture est bombée dans la me sens et en ce qu une seconde bagua intermédiaire est intercalé a entre les deuxième et troisième garnitures. 21. Vanne selon la revendication 20, caractérisée en ce que les garnitures sont bombées en direction du côté de la vanne qui est soumis à la pression. 22. Vanne selon la revendication 21, caractérisÉe an se que le dispositif d'étanchéité est soumis à une précharge d'une valeur extremement grande.