Brevet FR2479399A1 — publié le 19811002

SOUPAPE DE RETENUE ASSISTE E PNEUMATIQUEMENT. La présente invention a trait aux soupapes d'arrêt utili- sées dans les stations de pompage et plus particulièrement à un nouveau type de soupape de retenue assistée pneumatiquement. De nombreux types de fluides sont transportés sur de longues distances au moyen de pipe-lines en vue de satisfaire au besoin de régions diverses. C'est le cas, par exemple, de l'acheminement du pétrole brut et du gaz naturel. Dans de tels systèmes de transport au moyen de pipe-lines, il est nécessaire d'avoir périodiquement des stations de pompage afin d'accélérer l'écoulement du flui- de. Dans de telles installations de pompage, il est courant de disposer une soupape (ou vanne) de retenue afin de séparer le flot de fluide entre une pompe d'aspiration et une pompe de refoulement aval. Les soupapes de retenue utilisées dans les installations de pompage ont pour fonction de permettre l'é- coulexment des fluides dans une direction des pipe-lines et d'éviter leur retour dans la direction opposée. Le mécanisme de la soupape de retenue fonctionne car la pression en aval qui résulte de la pompe de refoulement est toujours plus élevée que la pression d'aspiration amont. Avec l'utilisation de pompes centrifuges dans les stations de pompage, des problèmes se posent en ce qui concerne les coups de bélier de l'eau et du claquement de la soupape de re- tenue lors de la mise en route de la pompe. En effet, lorsque la pompe centrifuge est mise en route, un couple de démarrage très important est demandé à la source d'énergie, et plus par- ticulièrement si cette source d'énergie est constituée par un moteur électrique qui a un démarrage instantané. Ces couples de démarrage élevés peuvent provoquer un ampérage excessif pou- vant faire griller les bobinages du moteur, les contacts, le lanceur et autres composants électriques du moteur. Pour évi- ter de tels incidents, une soupape de refoulement, disposée en aval de la pompe centrifuge, est amenée dans une position pratiquement fermée avant la mise en route de la pompe.Cela permet de faire fonctionner la pompe dans des conditions de charge voisines de zéro. Une fois que le moteur a atteint ea vitesse de fonctionnemernt Xt que le courant de démarrage a chuté, la soupape de refoulcnent est ouverte lentement afin -2- que la pompe centrifuge puisse augmenter la vitesse du fluide qui est pompé. Lorsque la vitesse du fluide est augmentée grâ- ce à l'énergie additionnelle communiquée par la pompe, il s'en suit que la vitesse en un point situé en aval de la soupape de retenue est supérieure à la vitesse du fluide en amont de la soupape de retenue ouverte. Du fait de cette variation de pression, le volet de la soupape de retenue permettra d'arrê- eer tout retour du fluide dans la partie amont de la conduite. Par suite de l'arrêt du retour de fluide, la pression en aval augmentera et maintiendra la soupape d'arrêt dans une position fermée jusqu'à ce que la pompe soit mise hors action. Si la soupape de refoulement est ouverte trop rapidement, le gradient de pression à travers la soupape d'arrêt se produira instanta- nément et fera claquer le clapet de la soupape d'arrêt contre son siège. Cette fermeture brusque provoquera un effet de bé- lier du fluide pouvant entraîner une détérioration des équipe- ments divers qui peuvent être associés aux pipe-lines. Afin d'éviter ce phénomène de claquement, il a été propo- sé d'équiper la soupape d'arrêt avec un système à ressorts as- socié à l'axe de montage du clapet sur le corps de la soupape. Le ressort aide le clapet qui se ferme avant que le fluide n'atteigne une vitesse de retour élevée. Dans certains cas cependant, les forces exercées par le ressort ne sont pas ap- propriées pour déplacer le relais de fermeture en avant du re- tour de fluide. D'autres dispositifs ont été également proposés afin de résoudre ce problème des coups de bélier. Ainsi, le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3,106,220 de HOSE décrit une soupa- pe d'arrêt à amortisseur. Le brevet des Etats-Unis d' Amérique 3,177,894 de CAMP décrit également une soupape d'arrêt à ac- tion contrôlée. D'une manière générale, la soupape faisant l'objet de ce document est de nature hydraulique et a pour but principal de retarder la fermeture et non pas de permet- tre une fermeture rapide qui est une exigence dans un système liquide. Un tel dispositif est principalement utile dans le cas de gaz. La présente invcntion concerne une soupape de retenue assistée pneumatiquement qut permet de résoudre les problImnes précités. Un des avantages ('une fermeture pneuratique est que 3- la force exercée sur le clapet peut être contrôlée et ce sans aucun risque d'avoir une surcharge sur quelque partie que ce soit de ladite soupape. Un autre avantage de l'utilisation d'une pression à gaz contrôlée est que la force d'obturation est maintenue pendant tout le processus de fermeture jusqu'à ce que la position fermée soit atteinte. Un tel résultat ne peut pas être obtenu au moyen de ressorts étant donné que les ressorts perdent leur force lorsqu'ils sont désarmés. La présente invention concerne donc une soupape de rete- nue assistée pneumatiquement et qui peut être utilisée dans des stations de pompage. D'une manière générale, cette soupape pneumatiquement assistée comporte un corps de soupape comportant une chambre interne permettant l'écoulement des fluides. Le corps de sou- pape renferme un clapet qui peut être déplacé à l'intérieur dudit corps. Ce clapet a pour fonction d'empêcher l'écoulement du fluide dans une direction et de permettre cet écoulement dans la direction opposée. Afin de pouvoir déplacer le clapet entre une position ouverte et une position fermée, il est monté sur un axe porté par le corps de la soupape. Le perfectionne- ment conforme à l'invention dans ce type de soupape de retenue réside essentiellement en ce qu'un ensemble de conanande pneu- matique est prévu afin d'accroître la fermeture du clapet en avant du retour de débit initié par une soupape de refoulement aval à partir de la pompe centrifuge. L'ensemble de commande pneumatique comporte un réservoir d'air permettant l'alilïentation en gaz comprimé. Une transmis- sion pneumatique est également prévue, cette transmission com- portant essentiellement un cylindre à air à l'intérieur duquel peut être déplacé un piston solidaire d'une tige qui est elle- même reliée à l'axe du clapet. L'action de la transmission pnt,-tmatiqcue pyevoque le c,ép]aceIent du clapet depuis une posi- tion ouverte jusqu'à une position fermée. L'ensemble de commande pneumatique comporte en outre des 35.:oyens permettant de relier pneuï,atiquen:ent le réservoir d'air et la trnr:s:ission pneum.atique. Cette liaison peut être par exemple réalisée par l'intermédiaire d'un conduit flexible. L'ensemble de commande prematique comporte également des oycns pe. etterh de crntc!er l'air délivré au cylindre à -4- air, ces moyens de contrôle pouvant être constitués d'un régu- lateur monté en série avec une vanne à porte. Afin d'obtenir un bon fonctionnement de la soupape de retenue conforme à l'invention, il est nécessaire de déclen- cher l'ensemble de commande pneumatique au moment opportun a- fin d'éviter que le clapet claque par suite du flot de fluide provenant de l'ouverture de la soupape d'échappement. En con- séquence, il est nécessaire d'envoyer un signal à la soupape de fermeture pour initier la fermeture pneumatique. L'ensem- ble de commande pneumatique comporte des moyens sensibles à un signal pour entraîner ou arrêter la transmission pneumatiques Dans une variante de l'invention, un système d'entraîne- ment par câble peut être associé avec l'ensemble cylindre à air/piston/ tige. La commande par câble est reliée au clapet de la soupape et commande l'ouverture et la fermeture dudit clapet. L'invention concerne également une station de pompage équipée d'une telle soupape de retenue assistée pneumatique- ment. Cette station de pompage comporte au moins une pompe centrifuge disposée dans la pipe-line dans laquelle circule le fluide. Une soupape d'arrêt d'admission est disposée en amont de la pompe centrifuge et est maintenue normalement dans une position ouverte de telle sorte que le fluide puisse s'écouler à travers la pompe même lorsque cette dernière n'est pas entraînée de telle sorte qu'elle tourne librement pendant cette période. Par ailleurs, une soupape d'arrêt d'échappement (ou de refoulement) est disposée en aval, cette soupape ayant pour fonction d'arrêter l'écoulement, ce qui permet de mettre la pompe centrifuge en route dans des conditions de charge nulles. L'invention concerne également un procédé pour la mise en route d'une installation de pompage utilisant une telle soupape d'arrêt assistée pneumatiquement. Ce procédé consiste, dans une première étape, à fermer tout d'abord une soupape d'échappement disposée en aval de la pompe centrifuge de tel- le sorte que cette pompe puisse être mise en route avec des conditions de charge nulle. Dans une seconde phase de ce pro- cédé, on applique pneumatiquementiume force de fermeture sur le clapet de la soupape de fernetureet la soupape d'échapperment a -5- est alors ouverte par l'intermédiaire d'un signal transmis depuis la pompe centrifuge afin d'éviter tout claquement du clapet ainsi que tout coup de bélier dans le-pipe-line. La dernière étape de ce procédé consiste à ouvrir complètement la soupape d'échappement de manière à permettre l'écoulement à travers la pompe centrifuge et le contournement de la sou- pape d'arrêt sans que se produisent des effets de retour nui- sibles sur la soupape d'arrêt elle-même. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront ce- pendant mieux compris grâce à la suite de la description et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme schématique d'une station de pompage utilisant une soupape d'arrêt conforme à la pré- sente invention, - la figure 2 est une vue de côté d'une soupape d'arrêt assistée pneumatiquement et réalisée conformément à l'invention, - la figure 3 est une vue de face schématique d'une telle soupape illustrée à la figure 2, - la figure 4 illustre une variante montrant un ensemble de transmission mécanique utilisé en combinaison avec l'ensem- ble pneumatique représenté en figure 2 afin d'obtenir une sou- pape d'arrêt automatique réalisée conformément à la présente invention. La figure 1 illustre schématiquement le diagramme d'une station de pompage,désignée par la référence générale 10, réa- lisée conformément à l'invention. Dans ce mode de réalisation, la station de pompage 10 est disposée sur un pipe-line 12 ser- vant au transport du fluide de telle sorte que le fluide s'é- coulera dans la direction 14 à l'intérieur de l'ensemble de la station de pompage 10 ainsi qu'à travers la soupape.d'arrêt 16. Lorsque la pompe centrifuge 18 est mise en route, une sou- pape d'admission 20 est amenée en position ouverte afin que- le fluide puisse s'écouler depuis le point 22 du pipe-line 12 au travers de la soupape d'admission 20 et à l'intérieur de la pompe centrifuge 18 disposée en aval de cette soupape. Par ail- leurs, une soupape d'échappement (ou de refoulement) 24 est dis- posée en aval de la pompe centrifuge 18. Lorsque la soupape d'échappement 24 est dans-. nr position ouverte, la pompe 18 accélère le débit de fluide à travers la soupape d'admission 2479)99 -6- à l'intérieur de la pompe et hors de la soupape d'échappe- ment 24. Par suite, le fluide est distribué en aval de la sta- tion de pompage 10 dans la direction 26. Durant le fonctionnement de l'ensemble de la station de pompage 10, la soupape d'arrêt 16 sera normalement dans une position ouverte afin de permettre l'écoulement du fluide au travers de cette valve et ce dans la direction 26. Durant cet- te opération, la pression différentielle à travers la soupape d'arrêt 16 est telle que la pression au point 22 est plus éle- véç que la pression au point 28. En conséquence, le fluide maintient le clapet de la valve d'arrêt dans une position ou- verte ce qui permet son écoulement. Durant la mise en route de la pompe 18, la soupape d'échappement 24 sera fermée de telle sorte que la pompe puisse être mise en route sous des conditions de charge nulle; Pendant cette phase de démarrage, la soupape d'admission 20 reste dans une position ouverte. Après mise en route de la pompe et lorsqu'elle a atteint sa vitesse de fonctionnement, la soupape d'échappement 24 est ouverte et le fluide peut alors s'écouler en aval dans la di- rection 26. Cependant, comme dit précédemment, cela peut provoquer un retour à travers la soupape de retenue 16 et par suite, entraîner un claquemènt du clapet ainsi qu'un coup de bélier en aval. Pour éviter ces inconvénients, on utilise une soupa- pe d'arrêt assistée pneumatiquement telle que celle qui est désignée par la référence générale 30 à la figure 2. (cette soupape d'arrêt 30 est utilisée à la place de la soupape ré- férencée 16 à la figure 1). La soupape d'arrêt assistée pneumatiquement 30 comporte un corps 32 présentant une chambre interne 34 de telle sorte que le fluide puisse s'écouler dans la direction 36 au travers du corps. Le corps 32 renferme un clapet 38 qui peut être dé- placé à l'intérieur dudit corps 32 et est monté de manière ri- gide sur un axe 40. L'axe 40 est fixé au corps 32 de telle sorte que l'on puisse avoir un mouvement libre du clapet 38 à l'intérieur du corps et ce entre une position ouverte et une position fermée. Il convient de noter que dans la position fermée, le fluide s'écou at dans la dii:ection 36 ne tra\.;e- ra pas le corps 32. -7- L'axe 40 dépasse à l'extérieur du corps 32 et est relié mécaniquement à un ensemble pneumatique permettant d'exercer une force sur le clapet 38 pour le déplacer d'une position ouverte à une position fermée. L'ensemble d'entraînement pneumatique comporte un vérin pneumatique 42 présentant un piston 44 et une tige 46, la tige 46 étant directement reliée à l'axe 40. Le cylindre 42 (ou vérin) est alimenté en air comprimé par l'intermédiaire d'un conduit flexible 48 relié lui-même à un réservoir d'air 50. A la sortie de ce réservoir 50, l'air est contrôlé par l'intermé- diaire d'un régulateur 52 et d'une vanne à porte 54. L'air est envoyé à l'intérieur du conduit flexible 48 puis dans le cylindre 42 mais peut être arrêté au moyen d'une soupape de retour à solénoïde 56. La soupape à solénoïde est reliée électriquement à la pompe centrifuge 18 représentée à la figure 1 lorsque la soupape d'arrêt assistée pneumatiquement est utilisée dans une station de pompage. Après mise en rou- te de la pompe centrifuge 18, un signal électrique est envoyé à la soupape de retour 56 afin de la mettre dans une position telle que l'air puisse s'écouler à travers elle et par suite dans le conduit flexible 48 pour être finalement amenée dans le cylindre 42 afin de déplacer le piston 44 et la tige 46 pour amener le clapet 38 depuis une position ouverte à une position fermée. Le réservoir 50 contient de l'air comprimé de manière à alimenter le cylindre 42 pour commander l'entraînement pneuma-_ tique et provoquer la fermeture du clapet 38. L'air est régulé et délivré au travers de la vanne 54 et il peut être arrêté par la soupape de retour à solénoïde 56. Lors de la réception du signal électrique provenant de la pom- pe centrifuge 18 (représentée à la figure 1),-la soupape 56 sera amenée dans une position ouverte afin que l'air puisse, par l'intermédiaire du conduit flexible 48, être amené à l'in- térieur du cylindre 42 pour commander le piston 44 et la tige 46 destines à déplacer le clapet 38. Ainsi, la force communi- quee par le piston et la tige 44 et 46 sur l'axe 42 afin d'ob- tenir la fermeture du clapet 38 à l'intérieur du corps 32, est uniforme durant toute l'pr"ration de fermeture. Un tel résul- tat est impossible à obtenir en utilisEarnt un ressort dont la -8puissance diminue durant le relâchement dudit ressort. Grâce à cette fermeture rapide du clapet, l'eau, ou tout autre flui- de, ne peut pas s'écouler dans une direction opposée à la di- rection 36 et plaquer le clapet contre son siège 58 prévu dans le corps 32. Cela permet d'éviter les détériorations qui pour- raient se produire sur la structure interne du corps 32 de la soupape et ainsi que d'éliminer les risques de coups de bélier en aval de la soupape d'arrêt 30. La mise hors service de la soupape de retour à solénolde 56 provoquera la remontée de l'air contenu dans le cylindre 44 à travers le conduit 48 et la soupape de pression à relief 60. Comme cela provoque normalement un effet de vide dans le cylindre 42, un orifice 62 est prévu àfin de ramener le cylin- dre 42 à la pression atmosphérique. Dans des conditions normales d'écoulement du fluide, le clapet sera poussé dans une position ouverte par ledit fluide dans la direction 36. S'il y a un débit substantiel de fluide lorsque l'ensemble pneumatique est actionné, le piston 44 et la tige 46 comprimeront l'air dans le cylindre 42 afin de ren- dre possible le déplacement du clapet dans la position ouverte. Cet air sera également évacué à travers la soupape de pression à relief 60. Cette flexibilité est rendue possible grâce à l'utilisation d'air comprimé dans le système (c'est-à-dire d'un fluide compressible) plutôt que d'un fluide hydraulique. Tout écoulement substantiel à travers le corps de soupape 32 forcera le clapet 38 vers une position ouverte sans que l'on mette un excès de résistance du système pneumatique. Par ail- leurs, lorsque le vérin 42 est mis hors service, c'est-à.--dire qu'il n'est pas alimenté en air à partir du réservoir 50, le clapet 38 ne présente pratiquement pas de résistance et est maintenu dans une position optimale pour être déplacé par le courant de fluide dens une position ouverte. La figure 3 illustre une soupape conforme à l'invention, vue en bout, dans le sens de l'écoulement 36. Cette figure permet de constater que le cylindre 42 (vérin) est relié à l'axe 40 par l'intermédiaire de sa tige 46 et du levier de renvoi 40A. Cette figure 3 permet de voir plus en détail le montage externe du système pneuratique avec l'axe 40 qui, à son tour, est Ponté pivotant à, linter eur du colns de -9- soupape 32 et qui supporte le clapet 38 de telle sorte que celui-ci puisse être déplacé depuis une position ouverte jus- qu'à une position fermée à l'intérieur du corps 32. La figure 4 illustre un système de commande par câble utilisé en combinaison avec l'ensemble pneumatique décrit précédemment et illustré par la figure 2. Cet ensemble de commande par câble, désigné par la référence générale 62, com- porte au moins deux poulies 64 et 66 et commande un ensemble tige-piston 68 qui est lui-même relié à un système pneumati- que du type représenté à la figure 2 par l'intermédiaire de l'orifice 70 de l'ensemble représenté à la figure 4. Un câble d'entraînement 72.est fixé à chacune des extrémités de l'en- semble piston-tige 68 afin de commander la rotation des pou- lies 64 qui à leur tour, provoquent la rotation d'un axe 40 similaire à celui décrit précédemment et illustré à la figure 2. Grâce à un tel système, il est possible de déplacer le cla- pet 38 d'une position ouverte à une position fermée en action- nant une soupape à solénoïde 56 similaire à celle décrite dans l'exemple illustré par la figure 2, cette soupape permettant d'alimenter en air le cylindre 74 et par suite de provoquer le déplacement de l'ensemble piston-tige 68. Les exemples qui précèdent montrent bien les avantages apportés par l'invention. Bien entendu, la-présente demande n'est pas limitée à ces exemples de réalisation mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi, par exemple, il pourrait être envisagé d'utiliser-une soupape pneumatique au lieu d'une soupape à solénoîde action- née par.un signal électrique. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Soupape de retenue (30) assistée pneumatiquement, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend: - un corps (32) comportant un évidement interne permet- tant le passage du fluide, - un volet (38) mobile, disposé à l'intérieur dudit corps (32), permettant de l'obturer lorsqu'il est amené dans une position fermée et empêchant ainsi le fluide de s'écouler et laissant passer ledit fluide au travers du corps (32) lorsqu'il est dans une position ouverte, - un axe (40) fixé audit volet (38) et monté pivotant sur le corps (32) et destiné à permettre de commander le déplacement du clapet (38) pour l'amener d'une position ouverte à une posi- tion fermée et, - un ensemble d'entraînement à commande pneumatique relié audit axe support (40) du clapet, permettant de déplacer ledit clapet (38) depuis une position ouverte à une position fermée. 2/ Soupape d'arrêt (30) assistée pneumatiquement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet (38) est monté fixe sur l'axe (40) et en ce que l'ensemble d'entraîne- ment à commande pneumatique est relié audit axe (40) extérieu- rement au corps (32). 3/ Soupape de retenue assistée pneumatiquement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ledit ensem- ble d'entraînement à commande pneumatique comprend: - des moyens (50) permettant d'alimenter ledit ensemble en air sous pression, - une transmission pneumatique comportant un vérin (42) dont le piston (44) commande une tige (46) laquelle est reliée de manière rigide à l'axe (40) du clapet, - des moyens (48) pour relier des moyens d'alimentation en air (50) audit vérin (42), - des moyens (52) pour contrôler l'air délivré au vérin (42) et, - une valve (56) sensible à un signal électrique pour ac- tionner ou non ladite transmission pneumatique. 4/ Soupape de retenue assistée pneumatiquement selon la revendication 3, caractris4e en ce qu'elle comporte un reser- voir (50) permettant de stocker l'air sous pression. - 11 - / Soupape de retenue assistée pneumatiquement selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que-lesdits moyens (52) permettant de contrôler l'air délivré comportent un ré- gulateur d'air (52) monté en série avec une vanne à porte (54). 6/ Soupape de retenue assistée pneumatiquement selon l'u- ne des revendications 3 à 5, caractérisée.en ce que la soupape (56) est constituée d'une soupape de retour à solénoïde. 7/Soupape de retenue assistée pneumatiquement selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une soupape de pression à relief (60) permettant l'é- chappement de l'air de l'intérieur du cylindre (42) lors de l'arrêt de la transmission pneumatique. 8/ Station de pompage (10) comprenant une soupape de re- tenue assistée pneumatiquement (30) selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un pipe-line (12) pour le transport du fluide, - au moins une pompe centrifuge (18) reliée audit pipe- line (12), - une soupape d'admission (20) associée au pipe-line (12) et disposée en amont de la pompe centrifuge (18) et, - une soupape d'échappement (24), associée au pipe-line (12) et disposée en aval de ladite pompe centrifuge (18), ladite soupape de retenue assistée pneumatiquement (30) étant associée au pipe-line (12) en parallèle avec la partie du pipe-line comprenant la soupape d'admission (20), la pompe centrifuge (18) et la soupape d'échappement (24).