Brevet FR2468046A1 — publié le 19810430

L'invention se rapporte aux vannes et plus particulièrement aux vannes papillon à garniture d'étanchéité bidirectionnelle destinées à conserver le contact d'obturation étanche avec l'élément mobile à papillon de la vanne; l'invention a plus particulièrement encore pour objet une vanne à papillon dans laquelle la garniture d'étanchéité comprend un anneau d'appui et une pièce de retenue de ce dernier, cet anneau et cette pièce ayant des formes complémentaires leur permettant de conserver le contact bidirectionnel d'étanchéité aux températures normales et aux températures cryogéniques. Les vannes destinées à être utilisées dans les applications dans lesquelles les fluides, dont la circulation doit être commandée, sont à des températures comprises dans une plage normale ne conviennent pas en général à commander la circulation de fluides qui sont à des températures cryogéniques en raison du retrait général et en particulier du retrait axial des anneaux d'appui comprenant des garnitures d'étanchéité, avec pour conséquence des fuites par l'évidement du corps de la vanne dans lequel les anneaux d'appui sont retenus et supportés axialement de manière à assurer ltétanchéité. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 574 570 déposée le 5 mai 1973 et cédée à la Demanderesse décrit un anneau d'appui dont la partie de base située radialement à l'extérieur est comprimée axialement de manière à assurer l'étanchéité dans un évidement de retenue cunéiforme du corps de la vanne et dont la cote radiale est supérieure à la distance séparant la paroi arrière ou radialement extérieure de l'évidement et la surface d'obturation étanche de l'élément mobile de la vanne de manière que l'anneau d'appui soit sous compression radiale. Dans les applications dans lesquelles règnent des températures cryogéniques, le retrait global de l'anneau d'appui de la demande de brevet ci-dessus a pour conséquence, lorsqu'il est exposé à des températures cryogéniques, radial subit un retrait radial et une réduction du diamètre interne en augmentant la pression radiale exercée sur l'élément mobile de la vanne. Le retrait radial provoque aussi un retrait radial vers l'intérieur de la base de l'anneau d'appui à l'intérieur de la cavité cunéiforme et tend ainsi à compenser le retrait axial de manière à maintenir l'étanchéité axiale par compression de la base de cet anneau contre les surfaces opposées de la cavité.Cependant, ce résultat recherché n'est en général pas obtenu en raison du fait que les matières généralement utilisées pour réaliser l'anneau d'appui, par exemple le polytétrafluoréthylène ou le polyhexafluoropropylène)peuvent présenter des coefficients de contraction en fonction de la température qui varient d'un lot à un autre et il est impossible de conférer aux angles de la cavité cunéiforme et de l'anneau d'appui des valeurs capables de compenser les variations. L'invention se rapporte à des garnitures qui assurent une étanchéité efficace à toutes les températures. Selon une particularité essentielle de l'invention, l'anneau d'appui comporte une gorge circonférentielle en V dans sa partie de base, c'est-à-dire sa partie située radialement vers l'extérieur, cette gorge s'ouvrant sur la paroi arrière ou située radialement vers l'extérieur de la cavité de logement de l'anneau d'appui et étant destinée à loger un ressort métallique circulaire à spires jointives dont le diamètre normal moyen est légèrement inférieur à celui du diamètre moyen de la gorge en V de telle manière qu'après montage, le diamètre du ressort s'allonge afin de correspondre au diamètre moyen de la gorge en V. Le diamètre des spires du ressort est équivalent à la distance séparant les surfaces de la gorge en V au niveau de son diamètre moyen. Lorsque l'anneau d'appui et le ressort sont assemblés dans la cavité qui leur est réservée et en conséquence que la base de cet anneau est mise sous compression axiale, le ressort exerce une force de réaction qui maintient le contact axial d'étanchéité de la base de cet anneau contre les surfaces de l'évidement ou de la cavité correspondante. Ainsi, lorsque l'anneau d'appui est exposé à des températures cryogéniques qui ont pour conséquence son retrait axial et radial et donc qu'il se déplace radialement vers l'intérieur dans sa cavité, le ressort suit le mouvement ou se déplace avec les surfaces de la gorge en V qui subissent le retrait radial et axial et donc il conserve l'espacement des surfaces de cette gorge en maintenant ainsi la base de l'anneau en contact axial d'étanchéité avec les surfaces opposées-de la cavité de manière à empêcher les fuites par cette cavité entre l'entrée et la sortie. Les vannes selon l'invention assurent l'étanchéité sous des pressions pouvant être comprises entre 0 et 20 bars à des températures pouvant être comprises entre - 180 et +50oC. Par ailleurs, conformément à l'invention, la surface de l'anneau d'appui qui est en face de l'élément mobile de la vanne comprend une gorge circonférentielle située centralement ainsi qu'une gorge plus profonde située centralement et ayant un rayon plus petit. En conséquence, les deux lèvres placées à distance l'une de l'autre et formant joint d'étanchéité de part et d'autre des gorges portent contre la surface de l'élément mobile de la vanne. La grande gorge et la petite confèrent à la partie formant siège de l'anneau d'appui qui porte contre l'élément mobile de la vanne une élasticité qui améliore l'étanchéité et diminue le couple nécessaire. La garniture d'étanchéité de la vanne papillon selon l'invention ainsi réalisée a une forme simple qui peut se fabriquer à bon marché et qui est capable d'assurer l'étanchéité aux températures normales et aux températures cryogéniques. L'invention sera décrite plus en détail en re gard- des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une coupe axiale d'une vanne papillon montée dans une canalisation et en représente l'élément discorde mobile en position de fermeture de la vanne; - la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne 2-2 de la figure 1 et représente la garniture à l'état dans lequel elle n'est pas sous pression; - la figure 3 est une coupe identique à celle de la figure 2 et représente les déformations compensatrices des différents éléments de la vanne sous l'effet d'une pression dynamique exercée par la gauche à des températures normales; et - la figure 4 est une coupe transversale identique à celle de la figure 2 et illustre les déformations compensatrices des pièces de la vanne sous l'effet d'une pression dynamique exercée par la droite à des températures cryogéniques. Les mêmes éléments portent des références identiques sur toutes les figures. La figure 1 représente une vanne papillon comprenant un corps 1:1 à canal central 12 de circulation du fluide et à élément mobile d'obturation formé d'un disque 13 consistant en un segment de sphère et représenté en position d'obturation. Le côté de grand diamètre du disque 13 est fixé à un arbre 14 de commande de la vanne qui est rotatif à l'intérieur du corps 11. L'axe de rotation de l'arbre 14 passe par le centre de la sphère dont le disque 13 est un segment. La vanne papillon est destinée à être fixée dans une canalisation de circulation d'un fluide, par exemple au moyen de boulons 15 qui traversent le corps et des brides 16 des canalisations 17 et 18 montées de part et d'autre de ce corps 11, la fixation pouvant être aussi assurée par tout autre organe équivalent. La face gauche 19 du corps de vanne 11 représenté sur la figure 1 ainsi que sur les figures 2 à 4 qui sont à échelle agrandie est entaillée radialement vers l'extérieur du côté du canal de circulation de manière à constituer une gorge annulaire orientée parallèlement à l'axe et portant la référence générale 21; cette gorge comporte une surface 22 dont la face est tournée dans la direction de l'axe et qui est perpendiculaire à l'axe 23 du canal de circulation 12, cette surface se prolongeant sur une distance importante et formant la transition avec un élément de surface 24 orienté obliquement vers la droite dans la représentation du dessin et couvrant le reste de la distance au canal 12. Une bague 25 de retenue d'un anneau d'appui destinée à être fixée dans la gorge annulaire 21 sur le côté gauche 19 et à fleur de ce côté du corps 11 de la vanne, par exemple au moyen de vis 26, comporte une gorge annulaire formant un pan coupé ou orientée obliquement vers la droite et portant la référence générale 27, cette gorge étant placée sur le côté qui est en face de la gorge annulaire 21 du corps 11 de la vanne de manière à délimiter une cavité ou un évidement portant la référence générale 28 et s'ouvrant radialement et obliquement sur le canal de circulation 12 dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface d'obturation étanche 29 du disque 13 constituant l'obturateur de la vanne. La cavité 28 est délimitée par une surface arrière 31, c'est-à-dire située radialement à l'extérieur, et des surfaces opposées 32 et 22 qui convergent radialement vers l'intérieur de la surface arrière 31 à un emplacement situé approximativement à mi-longueur de la cavité 28 de manière à former un coin orienté radialement vers l'intérieur. La surface 32 est entaillée vers l'arrière sur le côté situé radialement à l'intérieur du coin, de la manière indiquée en 33, de façon à former un élargissement de l'extrémité du coin, les surfaces 33 et 24 divergeant vers l'orifice de la cavité 28. Un anneau d'appui élastique formant le siège de la vanne et portant la référence générale 34 est disposé dans la cavité 28 et comprend une base, c'est-à-dire une partie située radialement vers l'extérieur, qui a une forme cunéiforme et qui est maintenue sous compression axiale entre les surfaces opposées 32 et 22 délimitant la partie en coin de la cavité 28. La dimension radiale hors tout de l'anneau d'appui 34 est telle que ses surfaces 35 et 36 formant le siège etplacée àdistance l'une de l'autre soient en contact sous compression radiale avec la surface d'étanchéité 29 du disque 13. L'anneau d'appui 34 est de préférence en polyhexafluoropropylène qui est une résine connue sous la marque de fabrique "Kel F,". La base cunéiforme de l'anneau d'appui 34 est dimensionnée dans la direction de l'axe de manière que la force axiale de compression exercée sur la partie cunéiforme de la cavité 28 soit suffisante pour assurer une étanchéité efficace dans la direction de l'axe tout en autorisant un mouvement radial de retrait.L'anneau d'appui 34 comporte aussi une partie intermédiaire ou noyau central sensiblement rectiligne et délimité par des gorges 37 et 38 orientées à l'opposé l'une de l'autre dans la direction générale de l'axe et placées à distance l'une de l'autre radialement, ainsi qu'une partie intérieure d'appui formant siège, évasée radialement et comportant des surfaces d'appui 35 et 36 qui sont directement enfance de la surface d'étanchéité 29 du disque 13 avec laquelle elles sont en contact. Conformément à l'invention, les surfaces d'appui 35 et 36 placées à distance l'une de l'autre et portant contre la surface d'étanchéité 29 du disque 13 sont séparées par une gorge circonférentielle 41 disposée centralement et ayant un grand rayon ainsi que par une gorge circonférentielle plus profonde 42 dont le rayon est plus petit, qui est orientée radialement vers l'extérieur et qui est placée centralement par rapport à la gorge 41 de grand rayon. Comme le montre la figure 2, l'anneau ainsi conformé comprend deux lèvres espacées d'appui 35 et 36 qui sont en contact avec la surface d'étanchéité 29 du disque obturateur 13, ces lèvres conférant en combinaison avec la grande gorge 41 et la petite gorge 42 une certaine élasticité à la partie de l'anneau 34 qui forme le siège de la vanne. La base de l'anneau d'appui 34 comporte aussi une encoche annulaire 43 dans le coin droite situé radialement à l'extérieur dans la représentation des figures. Un joint torique 44 de matière élastique et ayant un coefficient de contraction semblable à celui du "Kel Ftt est retenu sous compression dans l'espace délimité par les surfaces de l'encoche et la surface 33 de la cavité -28. Le joint torique 44 est destiné à donner une sécurité supplémentaire contre les fuites par la cavité 28. Conformément à l'invention, la base de l'anneau d'appui 34 comporte une gorge circonférentielle 45 en V qui s'ouvre vers la surface arrière 31 de la cavité 28. Un ressort circulaire 46 d'acier inoxydable ou de matériau équivalent, enroulé à spires jointives et formant un bracelet, est monté dans la gorge 45 en V. Le diamètre normal moyen adopté du ressort 46 non tendu est d'environ 10 X inférieur au diamètre moyen de la gorge en V, de manière que, lorsqu'il est monté dans cette dernière, son diamètre moyen subisse élastiquement un allongement le portant au diamètre moyen de cette gorge. De plus, le diamètre des spires du ressort est équivalent à la distance séparant les surfaces de la gorge en V au niveau du diamètre moyen de cette dernière. La force radiale exercée par le ressort tendu 46 a un effet négligeable sur le contact radial d'étanchéité de l'anneau d'appui 34 contre l'obturateur 13. Le ressort 46 a pour fonction essentielle d'exercer une force de réaction à la compression axiale de la base de l'anneau d'appui 34 entre les surfaces de la cavité afin de conserver le contact axial d'étanchéité. Il est donc destiné à conserver l'écartement normal des surfaces de la gorge en V et à en empêcher le déplacement dans la direction de l'axe l'une vers l'autre sous l'effet des forces axiales de compression qui les feraient se dégager des surfaces opposées de la partie des parois 22 et 33 situées à la base de la cavité 28 et qui seraient la cause d'une perte d'étanchéité. La figure 3 représente le disque obturateur 13 de la vanne en position de fermeture interdisant la circulation du fluide provenant de la gauche à des températures non cryogéniques. La divergence des surfaces de la cavité 28 a pour effet de permettre au fluide d'entrer dans la gorge axiale 37 de la partie rectiligne intermédiaire de l'anneau d'appui 34, ce fluide décalent la partie située radialement à l'intérieur ou partie évasée formant siège de l'anneau d'appui vers la droite contre la surface 24 de la cavité, ce décalage étant possible grâce au jeu séparant ces surfaces et assurant le maintien du contact radial d'étanchéité en améliorant de plus cette étanchéité radiale sous l'effet de la pression s'exerçant sur le siège de la manière représentée par des flèches 47 sur la figure 3.L'augmentation de la pression radiale d'étanchéité exercée dans la gorge 37 par la pression régnant dans la canalisation a pour effet d'aplatir légèrement la gorge 41 et d'augmenter la surface d'étanchéité. La figure 4 illustre le disque obturateur 13 en position de fermeture interdisant la circulation provenant de la droite à des températures cryogéniques, c'est-à-dire d'environ -180 C. A ces températures, les cotes hors-tout de l'anneau d'appui 34 de polyhexafluoropropylène diminuent, ctest-à-dire que le diamètre interne de l'anneau 34 diminue avec pour conséquence une augmentation de la pression radiale d'étanchéité qui est encore accrue par celle du fluide qui entre dans la gorge axiale 38 de la partie centrale de l'anneau 34. L'augmentation de la pression radiale d'étanchéité se produit sans affecter l'étanchéité avec l'obturateur 13 grâce à la souplesse produite par les gorges 41 et 42 situées entre les surfaces d'appui 35 et 36 qui s'aplatissent de la manière représentée sur la figure 4 en absorbant l'augmentation de la pression radiale. Le retrait global de l'anneau d'appui 34 aux températures cryogéniques a de plus pour conséquence un déplacement radial vers l'intérieur de la base cunéiforme de cet anneau dans la partie cunéiforme de la cavité avec compensation du retrait axial de cet anneau. L'étanchéité axiale est conservée et garantie,car le ressort hélicoïdal 44 suit les déplacements de l'anneau, indépendamment du fait que la gorge 43 en V subit aussi un retrait qui a pour effet d'en écarter les surfaces, et donc le diamètre du ressort 44 diminue avec le raccourcissement du diamètre moyen de la gorge en V, la conséquence étant que ce ressort maintient le même écartement entre les surfaces opposées de la gorge en V en interdisant la disparition du contact axial d'étanchéité de la base de l'anneau et de la partie cunéiforme de la cavité 28, ce dégagement pouvant avoir dans le cas contraire pour conséquence des fuites autour de la base de l'anneau d'appui 34. REVENDICATIONS 1. Vanne de commande de la circulation d'un fluide, comprenant un corps fixe comportant un canal de passage du fluide dans lequel est monté un élément obturateur mobile destiné à fermer le canal, le corps comportant une cavité s'ouvrant radialement sur le canal et sensiblement perpendiculaire à la surface d'étanchéité de l'élément obturateur mobile, ladite cavité étant délimitée par une surface située radialement à l'extérieur et par des surfaces latérales opposées qui convergent radialement vers l'intérieur à partir de la surface située radialement à l'extérieur, ladite vanne comprenant par ailleurs un anneau d'appui formant un siège et étant caractérisée en ce que ledit anneau d'appui comprend une base cunéiforme située radialement à l'extérieur ainsi que des surfaces d'étanchéité faisant face à la direction de l'axe et comprimées entre les durfaces latérales convergentes opposées (22, 32) de la cavité, ledit anneau d'appui comprenant par ailleurs une partie située radialement à l'intérieur et formant siège (35, 36) pénétrant à l'intérieur dudit canal (12) et destiné à entrer en contact d'étanchéité sous compression radiale avec la surface d'étanchéité (29) de l'élément obturateur mobile, la base cunéiforme comprise entre les surfaces d'étanchéité comportant une gorge en V (45) s'ouvrant vers la surface (31) de la cavité qui est située radialement à l'extérieur et un ressort hélicoidal circulaire (46) étant monté dans la gorge en V de manière à conserver l'espacement axial des surfaces de cette gorge à toutes les températures en exerçant un effort radial négligeable sur l'anneau d'appui, le ressort hélicoldal détendu ayant un diamètre moyen normal qui est légèrement inférieur au diamètre moyen de la gorge en V au-dessus des températures cryogéniques, le diamètre des spires du ressort étant égal à la distance séparant les surfaces délimitant la gorge en V au niveau du diamètre moyen de cette dernière au-dessus des températures cryogéniques, de manière que le diamètre moyen du ressort coïncide avec le diamètre moyen de la gorge en V et afin que > en cas de retrait de l'anneau d'appui exposé à des températures cryogéniques avec réduction du diamètre moyen de la gorge en V, le diamètre moyen du ressort diminue en fonction de la réduction du diamètre moyen de la gorge en V et donc ce ressort maintient le contact axial d'étanchéité de la base de l'anneau d'appui entre les surfaces latérales opposées de la cavité. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau d'appui formant siège comprend une partie intermédiaire située entre sa base et sa partie formant siège et cette partie intermédiaire comporte des gorges (37, 38) qui font face aux surfaces latérales opposées (22, 33) de la cavité. 3. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie formant siège de l'anneau d'appui et faisant face à la surface d'étanchéité de l'élément obturateur mobile comporte une gorge circonférentielle centrale (41), de manière à former deux surfaces d'appui placées à distance l'une de l'autre. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la partie formant siège de l'anneau d'appui qui est en face de la surface d'étanchéité de l'élément obturateur comprend une seconde gorge circonférentielle centrale (42) de diamètre plus petit que la précédente et s'ouvrant sur la surface d'étanchéité de ltelément obturateur. 5. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la base de l'anneau d'appui comporte dans un coin une gorge annulaire (44) qui s'ouvre sur le fond et sur une surface latérale de la cavité et dans laquelle est monté un joint torique (44).