Brevet FR2485679A1 — publié le 19811231

L'invention concerne les valves de commande de fluides, et plus particulièrement un siège annulaire de valve conçu pour être utilisé à la fois dans des milieux à température normale et dans des milieux à température relativement élevée. Des valves papillon et d'autres types de valves de commande de fluides, comportant des joints élastiques annulai- res, sont bien connus et communément utilisés pour commander l'écoulement de divers fluides à des températures ambiantes ou modérées et sous des pressions modérées, dans des industries très diverses. Ces valves de commande comprennent généralement un corps à peu près annulaire qui définit un canal d'écoulement de fluides entouré d'un siège, et un disque métallique de com- mande monté de manière mobile dans le canal d'écoulement afin de commander l'écoulement des fluides à travers la valve. Cette dernière est fermëe par application sous pression du disque contre le siège afin d'empêcher le fluide de s'écouler à travers la valve. Les valves utilisées à des températures et des pres- sions modérées comprennent communément des joints élastiques annulaires placés dans le siège, tandis que des joints métalli- ques sont utilisés sous des températures et des pressions plus élevées. Ces joints métalliques laissent fuir davantage de fluide que les joints élastiques s'ils sont utilisés à des tem- pératures plus basses. C'est la raison pour laquelle, lorsque la température normale de fonctionnement est relativement basse, on utilise communément des joints élastiques. Cependant,-dans l'industrie du pétrole, il existe parfois un risque d'incendie se déclarant soit à l'intérieur de la conduite elle-même, soit à l'extérieur de cette conduite, à proximité de la valve. Lorsqu'un incendie provoque une élévation de la température de la valve à des niveaux supérieurs, le joint élastique de la valve peut être détérioré ou détruit de manière à ne plus assurer effi- cacement l'étanchéité. Certaines valves de l'art antérieur utilisent un joint élastique lorsqu'elles fonctionnent à basse température, et un joint métallique de renfort qui se déplace pour établir un con- tact fonctionnel avec un disque de valve lorsque le joint élas- tique est endommagé. Un tel siège de valve à joint de renfort peut donner satisfaction lorsque le joint élastique est complè- tement détruit, mais peut présenter une fuite excessive de fluide lorsqu'une partie du joint élastique reste dans le conduit d'écoulement du fluide. Il est souhaitable de disposer d'une valve de commande de fluide comportant à la fois un joint élastique et un siège métallique qui maintiennent un contact étanche aux fluides avec le disque de commande d'écoulement lorsque la valve est soumise à des températures modérées, le siège métallique continuant à maintenir le contact étanche aux fluides dans le cas o le joint élastique est détruit partiellement ou totalement. L'invention concerne donc une valve papillon ou une valve rotative de tout autre type comportant un ensemble à siège assurant la sécurité en cas d'incendie et destiné à être utilisé dans un corps de valve sensiblement annulaire, délimitant un canal ou conduit d'écoulement de fluides. L'ensemble à siège comprend une bague métallique de siège qui présente une gorge annulaire sur le pourtour de sa face orientée radialement vers l'intérieur, les parois de cette gorge étant formées de deux lèvres flexibles, et un joint élastique et annulaire, non métal- lique, monté dans la gorge annulaire, entre les lèvres flexibles. Des moyens sont prévus pour fixer la bague métallique du siège au corps de la valve, à proximité du canal d'écoulement, ces moyens provoquant l'application sous une certaine pression des lèvres flexibles et d'une partie du joint élastique contre un élément de commande d'écoulement lorsque ce dernier ferme le canal d'écoulement de fluides, pendant un fonctionnement sous des températures modérées. Dans le cas o des températures supé- rieures à la normale détruisent partiellement ou totalement le joint élastique, les lèvres flexibles de la bague métallique du siège restent appliquées sous pression contre l'élément de com- mande d'écoulement et réalisent un joint efficace. Ainsi, les lèvres flexibles sont appliquées sous pression contre l'élément de commande d'écoulement, que le joint élastique soit présent ou non dans la gorge de la bague métallique du siège. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue de face d'une valve papillon présentant les caractéristiques de la présente invention; la figure 2 est une coupe partielle de la valve, suivant la ligne 2-2 de la figure 1, montrant ladite valve en position de fermeture complète; la figure 3 est une coupe partielle, à échelle agran- die, du disque, du corps, de la bague de retenue et de l'ensem- ble à siège, assurant la sécurité au feu, de la valve des figu- res 1 et 2, cette vue montrant les positions relatives des orga- nes immédiatement avant que le disque porte contre la bague mé- tallique du siège; la figure 4 est une coupe, analogue à celle de la figure 3, montrant les positions relatives des organes de la figure 3 alors que le disque porte partiellement contre la bague métallique du siège; la figure 5 est une coupe partielle, analogue à celle de la figure 3, montrant le disque en contact complet avec le joint élastique et la bague métallique du siège; et 20. la figure 6 est une coupe partielle, analogue à celle de la figure 3, montrant les positions relatives des organes alors que le joint flexible est détruit partiellement ou totale- ment et que le disque est en contact complet avec la bague métal- lique du siège. Comme représenté sur les figures 1 et 2, une valve papillon 11 selon l'invention, comportant un ensemble à siège bidirectionnel pour la commande de l'écoulement d'un fluide dans les deux sens, comprend un corps sensiblement annulaire 12 qui délimite un canal 13 d'écoulement de fluide, le corps représenté étant conçu pour être monté entré des brides normalisées et oppo- sées de conduits (non représentées). Un disque 17 de commande d'écoulement, monté de manière à pouvoir tourner dans une cham- bre 13 d'écoulement, présente une surface circonférentielle 18 d'étanchéité, cette surface étant durcie de manière à résis- ter aux rayures et à l'abrasion se produisant lorsque le disque est appliqué contre un siège de valve. Comme représenté notam- ment sur la figure 2, la surface 18 d'étanchéité du disque est destinée à coopérer avec un ensemble 19 à siège annulaire de valve bidirectionnel, comprenant une bague métallique 23 qui porte un joint élastique, annulaire et non métallique 24. L'ensemble 19 à siège (figures 1 et 3 à 6) est logé dans une chambre annulaire 25 formée par lamage dans une bague 30 de retenue qui est fixée de manière amovible au corps 12 au moyen de vis à tête 31 ou d'autres organes convenables facili- tant un montage et un démontage rapideset aisésde l'ensemble 19 à siège, sans nécessiter de démontage du disque 17 ou tout autre démontage de la valve. Les vis à tête 31 appliquent à la bague 30 de retenue une force axiale suffisante pour qu'une garniture annulaire intérieure 29 de siège réalise un joint étanche aux fluides entre la bague de siège 23 et le corps 12 de la valve, et pour qu'une bague extérieure et annulaire 35 de siège assure l'étanchéité aux fluides entre la bague 23 de siège et la bague 30 de retenue. Lors de la pose de l'ensemble 19 à siège, la valve doit être dans la position représentée de fermeture complète, car l'ensemble à siège peut se déplacer librement et il se centre donc de luimême diamétralement contre le disque 17 afin d'établir une interface étanche, complète et ininterrompue avec la surface 18 du disque. La bague annulaire et métallique 23 de siège (figures 3 à 6) comprend un corps annulaire 36 qui présente une gorge annulaire 37 ménagée dans sa face tournée radialement vers l'in- térieur, et deux lèvres flexibles et incurvées 41 et 42 formant les parois de la gorge 37. Le joint élastique 24, monté dans la gorge 37, se présente sous la forme d'un anneau ou d'une bague annulaire et il est réalisé en matière élastique, par exemple en tAtrafluoréthylène. L'assemblage du siège de la valve consiste à placer le joint élastique 24 dans la gorge 37, entre les deux lèvres flexibles 41 et 42 de la bague métallique et annulaire 23 de siège, puis à repousser les lèvres flexibles sur la bague élastique afin que cette dernière soit partiellement enveloppée de métal. Une fois que cette enveloppe est formée, seule une partie étroite d'étanchéité du joint élastique reste exposée entre les deux lèvres métalliques 41, 42 de la bague de siège. La bague métallique 23 de siège peut être réalisée en matière écrouissable, par exemple en acier inoxydable du type 302, de manière que chaque lèvre puisse produire une action de ressort après qu'elle a été repoussée en position, le repous- sage provoquant un écrouissage des lèvres. L'action de ressort est souhaitable, car la partie intérieure étroite 24a d'étan- chéité du joint élastique 24 et les extrémités ouvertes 41a, 42a de la bague 23 de siège ont un diamètre intérieur inférieur au diamètre de la surface 18 d'étanchéité du disque 17 de com- mande d'écoulementet ils réalisent donc chacun un ajustement étroit avec le disque 17. Lorsque le disque 17 de la valve est déplacé de la posi- tion d'ouverture (figure 3) vers une position de contact avec l'ensemble 19 à siège de valve (figure 4), les parties d'étan- chéité 41a, 42a des lèvres de la bague métallique 23 de siège et la partie 24a d'étanchéité du joint élastique 24 entrent en contact avec la surface d'étanchéité 18 du disque 17o Le dépla- cement du disque 17 vers la position de fermeture complète (figure 5) provoque un aplatissement de la partie 24a d'étan- chéité du joint élastique et la réalisation d'une bande de con- tact relativement large entre cette partie d'étanchéité et la surface 18 d'étanchéité du disque. Le disque exerce une pression orientée radialement vers l'exétrieur sur le joint 24D ce qui comprime la partie 24b, située radialement vers l'extérieur9 de ce joint contre le fond 37a (figure 5) de la gorge annulaire de la bague 23 de siège, le joint 24 étant ainsi appliqué étroite- ment contre le fond de la gorge. Lorsqu'un fluide sous pression se trouvant dans la par- tie de droite du canal 13 d'écoulement (comme montré sur les figures 2 à 6) provoque une légère flexion de la lèvre supérieure 42 (figure 5) vers la gauche (vers l'aval) et radialement vers l'extérieur du disque 17, le fluide s'introduit à force entre la lèvre 42 et la surface 18 d'étanchéité du disque. Le fluide sous pression repousse alors vers l'aval le joint élastique 24 contre la lèvre 41, ce qui a pour effet de forcer la lèvre aval en contact étanche, sous une pression accrue, avec le disque 17 et de former ainsi un joint secondaire métal sur métal empêchant tout fluage à froid du joint élastique principal 24. Lorsque la valve est exposée à des températures anormalement élevées, comme c'est le cas d'un incendie à l'intérieur ou autour de la valve 11, le joint élastique 24 se détériore et la lèvre métallique 41 située en aval devient le joint principal, comme montré sur la figure 6. Le fluide sous pression présent dans l'extrémité de gauche du canal 13 d'écoulement de fluide provoque une légère flexion vers la droite (vers l'aval) de la lèvre 41 (figure 5), radialement vers l'extérieur du disque 17, ce qui a pour effet de forcer le fluide entre la lèvre 41 et la surface 18 d'étan- chéité du disque. Le fluide sous pression pousse alors le joint élastique 24 vers le côté aval, contre la lèvre 42, ce qui force cette lèvre 42 du côté aval en contact étanche, sous une pres- sion croissante, avec le disque 17 pour former un joint secon- daire métal sur métal. Lorsque la valve est exposée à des tempé- ratures anormalement élevées, comme c'est le cas d'un incendie dans ou autour de la valve 11, le joint élastique 24 se dété- riore et la lèvre métallique 42 située en aval devient le joint principal, comme montré sur la figure 6. Le disque 17 est monté dans le canal 13 d'écoulement de fluide (figures 1 et 2) au moyen d'un arbre 46 qui passe verti- calement dans un alésage 47 du disque. L'arbre 46 est fixé au disque 17 par deux goupilles coniques 48 montées dans deux trous transversaux 52 ménagés dans le disque et présentant chacune un côté plat 48a qui est appliqué fermement sous pression contre une partie plane 53a, 54a de l'une, correspondante, de deux rainures transversales 53, 54 formées dans l'arbre 46. L'espace compris entre le tronçon supérieur de l'arbre 46 et le corps 12 de la valve est fermé de manière étanche par plusieurs garnitu- res annulaires 58 (figure 2) comprimées contre une bague de tête 59 reposant sur un épaulement 60. Les garnitures annulaires 58 sont comprimées entre la bague 59 et une bague presse-étoupe 64 de manière à être appliquées étroitement contre l'arbre 46 et contre le corps 12 de la valve. Plusieurs vis 65 à tête, passant dans des trous 66 (figure 1) d'une plaque 70 de fermeture et vissées dans plusieurs trous 71 du corps 12 de la valve, fixent la plaque 70 de fermeture à la partie supérieure du corps 12 de la valve. Le serrage des vis 65 a pour effet de comprimer la plaque 70 de fermeture contre la bague presse-étoupe 64 qui, elle-même, comprime les garnitures annulaires 58. L'étanchéité de l'espace compris entre le tronçon inférieur de l'arbre 46 et le corps de la valve est assurée de la même manière par plu- sieurs garnitures annulaires 58a comprimées contre une bague 59a de tête par une bague presse-étoupe 64a, des vis 65a à tête et une plaque 70a de fermeture. Les tronçons supérieur et inférieur de l'arbre 46 (figure 1) sont montés dans le corps 12 de la valve au moyen de paliers supérieur et inférieur 74, 75, respectivement, du type coussinet, pouvant être réalisés en matière ne provoquant pas de grippage, ayant un faible coefficient de frottement et pouvant résister à une exposition à des températures élevées. Deux entretoises annulaires 76 et 76a, montées entre le disque 17 et les coussinets correspondants 74 et 75, centrent le disque 17 dans le canal 13 d'écoulement de fluide en portant contre les coussinets 74 et 75. Le tronçon supérieur de l'arbre 46 présente un trou transversal 80 permettant de relier l'arbre 46 à un dispositif de commande (non représenté) de la valve, ce dispositif de com- mande pouvant être fixé à l'extrémité supérieuredu corps de la valve par des vis à tête (non représentées) ou des boulons qui se logent dans plusieurs trous taraudés 81 (figure 1) du corps de la valve. Une partie supérieure 12a et une partie inférieure 12b du corps de la valve présentent chacune deux trous 82 desti- nés au montage de plusieurs boulons (non représentés) pour la fixation du corps de la valve entre deux brides normalisées de tuyaux (non représentées). L'invention permet donc la réalisation d'un joint métal sur métal et d'une surface élastique d'étanchéité limitant à une valeur extrêmement faible le débit de fuite de fluide lorsque la valve travaille à des températures modérées. Dans le cas o le feu détruit la matière élastique d'étanchéité, le joint métal sur métal produit une action d'étanchéité secondaire maintenant les fuites de fluide à faible débit. L'invention est particuliè- rement utile dans des applications o des fluides inflammables ou autrement dangereux sont mis en circulation. La valve selon l'invention présente notamment les avantages suivants: 1. un ensemble à siège qui est relativement simple à fabriquer par repoussage de la bague métallique de siège afin que le joint élastique soit bloqué dans la gorge de la bague de siège; 2. un ensemble à siège qui résiste à l'expulsion du joint élastique sous l'effet d'un écoulement de fluide à grande vitesse; 3. un ensemble à siège dans lequel le joint élastique ne peut fluer à froid lorsqu'il est soumis à des pressions différentielles élevées; 4. un joint élastique annulaire unique capable d'assu- rer efficacement l'étanchéité, indépendamment du sens d'écoulement du fluide; 5. un dispositif d'étanchéité de la valve qui est effi- cace sur une large plage de températures; et 6. un dispositif d'étanchéité de la valve qui comporte un joint secondaire fiable assurant une étanchéité efficace malgré la destruction par le feu d'un joint élastique principal. Bien que l'invention ait été décrite sous la forme de réalisation d'une valve papillon, il est évident qu'elle peut être utilisée dans d'autres types de valves et que son applica- tion n'est pas limitée aux formes de réalisation précédentes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la valve décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble (19) à siège assurant la sécurité en cas d'incendie, destiné à une valve rotative comprenant un corps (12) de valve sensiblement annulaire qui délimite un canal (13) d'écoulement de fluide, un élément rigide (17)- de commande d'é- coulement du fluide, monté de manière mobile dans le canal d'é- coulement afin de commander l'écoulement de fluides dans la valve, l'ensemble à siège étant caractérisé en ce qu'il comporte un siège annulaire métallique (23) dont la face tournée radiale- ment vers l'intérieur présente une gorge annulaire (37), deux lèvres flexibles (41,42) formant les parois de cette gorge, un joint élastique annulaire (24) étant monté dans ladite gorge annulaire, entre les lèvres flexibles, de manière que, lorsque l'ensemble à siège est convenablement positionné et fixé dans le corps (12) de la valve, à proximité dudit canal, les lèvres flexi- bles et une partie (24a) du joint élastique (24) portent sous pression contre l'élément (17) de commande d'écoulement lorsque ce dernier ferme ledit canal. 2. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lèvres flexibles portent sous pression contre l'élément de commande d'écoulement afin d'assurer l'étan- chéité dans ledit canali indépendamment de la présence du joint élastique dans ladite gorge. 3. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des organes (31) destinés à monter le siège métallique à proximité du canal pour faciliter un mouvement radial du siège permettant de centrer ce dernier sur le pourtour de l'élément de commande d'écoulement. 4. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lèvres du siège métallique entourent partiellement le joint de manière à le retenir dans la gorge annulaire-lorsque l'élément de commande d'écoulement s'éloigne dudit joint. 5. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint élastique est réalisé en matière non métallique. 6. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lèvres flexibles du siège métallique sont comprimées radialement vers l'extérieur par l'élément de commande d'écoulement lorsque ce dernier est dans sa position de fermeture, la présence d'un fluide sous pression dans le canal comprimant plus fermement l'une des lèvres, située vers l'aval, contre l'élément de commande d'écoulement afin d'amé- liorer l'étanchéité du siège métallique. 7. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commande d'écoulement pré- sente une surface durcie (18) qui résiste aux rayures et qui est destinée à coopérer avec le siège métallique pour assurer l'étanchéité dans le canal d'écoulement. 8. Ensemble à siège de valve selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint élastique est comprimé fermement contre une partie de lagorge annulaire du siège métallique lorsque la valve est fermée, de manière à empêcher le fluide de passer entre le joint élastique et ladite partie de la gorge annulaire et d'empêcher ainsi le joint élastique d'être éloigné à force de la gorge lorsque la valve est ouverte.