Brevet FR2487474A1 — publié le 19820129

L'invention concerne une vanne qui, en fonction- nement normal, peut être déplacée entre des positions d'ouverture et de fermeture mais qui, lorsqu'elle est exposée à un niveau de-température élevé et choisi, se déplace automatiquement vers l'une, choisie, des positions d'ouverture et de fermeture. Dans de nombreux cas, il est souhaitable d'uti- liser une vanne qui, dans des conditions normales, peut être aisément ouverte et fermée pour assumer sa fonction normale de commande d'écoulement mais qui, lorsqu'elle est exposée à des températures excessivement élevées, par exemple en cas d'incendie, prend l'une, choisie, des positions d'ouverture et de fermeture. Par exemple, une telle vanne pourrait être utilisée dans des raffineries, des installations chimiques et autres usines, ainsi que sur des arbres de Noël et des conduites d'écoulement re- liées à des puits de production de pétrole et de gaz, de manière à se fermer automatiquement en cas d'incendie, par mesure de précaution, et à empêcher le fluide, s'écou- lant normalement par de telles vannes, de continuer à alimenter l'incendie. De telles vannes sensibles à la cha- leur prendraient donc, en cas de dérangement, la position de fermeture. Par ailleurs, il peut exister des cas o on souhaite que la vanne prenne, en cas de dérangement, la position d'ouverture en présence d'un incendie. Par exemple, il peut être souhaitable de diriger un fluide vers une torchère en cas d'incendie. Comme indiqué, dans l'un ou l'autre type de vanne, il est souhaitable de pou- voir utiliser la vanne de manière normale au cours d'opé- rations quotidiennes, c'est-à-dire de pouvoir ouvrir et fermer aisément et à volonté la vanne. On a proposé de nombreuses vannes contenant un élément fusible qui produit un certain type de réponse lorsqu'il est exposé à une température suffisante pour fondre ou entrer en fusion. Dans un type particulier d'une telle vanne, l'élément fusible maintient de façon conti- nue la vanne en position d'ouverture ou de fermeture jusqu'à ce qu'il soit exposé à une température élevée. A ce moment, la vanne passe dans son autre position. Ce type de vanne ne peut être commandé normalement entre des positions d'ouverture et de fermeture, mais il reste dans une certaine position jusqu'à ce qu'il soit exposé àHune température élevée. Un autre type d'une telle vanne utilise un élément fusible de telle manière que la vanne puisse être normalement déplacée entre des positions d'ouverture et de fermeture. Cependant, lorsque l'élément fusible fond, la vanne ne peut prendre que la position d'ouverture. Ce type de vanne est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'1Amérique No 3 618 627. De plus, l'élément fusible tel que décrit dans le brevet précité est placé à l'intérieur de la vanne et cette dernière doit être démontée pour permettre le remplacement de l'élément fu- sible. Un problème très important rencontré lors de la conception de vannes ayant les caractéristiques souhai- tées et indiquées ci-dessus est de prévoir un fonctionne- ment sans défaillance ne faisant pas se comporter une partie de la vanne comme un "projectile" lors dela fusion de l'élément fusible. La vanne décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 842 854 illustre ce problème. Le brevet précité représente un élément de commande de vanne qui se dégage de la vanne lors de la fusion d'un élément fusible. Lorsqu'une telle vanne est utilisée sous des pressions de travail relativement élevées, par exem- ple 35 000 kPa, la pression régnant dans la conduite et appliquée à la tige principale de la vanne provoque un mouvement brusque de cette dernière vers la position de fermeture au moment de la désolidarisation de l'élément de commande. Ce mouvement est si brusque et si puissant qu'il transforme, en fait, l'élément de commande en un projectile pouvant parcourir plusieurs mètres avant de s'arrêter. Il est évident que ceci est extrêmement dange- reux. Pour illustrer encore les forces mises en jeu lorsque des pressions de conduite élevées amènent une vanne à passage direct en position de fermeture sans qu'une résistance soit opposée à un tel mouvement, on a observé que ces forces peuvent en fait arracher le chapeau du corps principal de la vanne lorsque l'obturateur frappe contre le chapeau. L'invention a pour objet une vanne sensible à la chaleur, pouvant être manoeuvrée entre des positions d'ou- verture et de fermeture dans des conditions normales et qui, lorsqu'elle est exposée à des températures excessives, peut prendre automatiquement la position de fermeture ou, suivant la conception de l'obturateur, peut prendre la position d'ouverture. Lorsque la vanne selon l'invention est exposée à une température excessive, elle se déplace vers une position sous l'effet de la pression régnant dans la conduite, sans que des pièces ou des mécanismes de cette vanne puissent se comporter comme des projectiles pouvant être dangereux pour le personnel et les équipements environnants. L'élément fusible de la vanne selon l'in- vention est disposé de manière à amortir le mouvement de l'obturateur et à l'empêcher de frapper avec une force excessive contre le corps ou le chapeau de la vanne. L'élé- ment fusible est situé à l'extérieur du mécanisme d'obtu- ration proprement dit, de manière à pouvoir être aisément remplacé et à permettre au mécanisme d'obturation d'agir normalement en cas de fusion de cet élément fusible. La vanne est conçue de manière que, après une fusion de l'él6- ment fusible et un mouvement de la vanne vers sa posi- tion de sécurité, un observateur puisse voir aisément que la vanne est placée dans une telle position. 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 élévation, avec demi-coupe axiale, d'une vanne à passage direct selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale partielle de la partie supérieure d'une autre forme de réalisation de la vanne à passage direct selon l'invention; - la figure 3 est une-coupe partielle, analogue à celle de la figure 2, mais montrant l'invention appliquée à une vanne du type à tige non levante; et - la figure 4 est une coupe axiale partielle montrant la partie supérieure d'une vanne qui utilise une autre forme de réalisation de l'élément fusible selon l'invention. La figure 1 représente une vanne à passage direct comportant un corps 10, un-chapeau 11, un obturateur 12 et des sièges 13 (un seul étant représenté) qui sont classiques. L'obturateur 12 est relié à une tige 14 sor- tant du chapeau et pouvant coulisser de manière étanche dans ce dernier, par exemple au moyen d'un joint et d'un écrou 16 de presse-étoupe. La vanne telle que décrite jusqu'à présent est classique et les divers éléments mentionnés peuvent pren- dre d'autres formes pourvu qu'un obturateur puisse être déplacé entre des première et seconde positions pour commander un écoulement à travers le corps de la vanne. De plus, la tige de la vanne est repoussée vers l'exté- rieur du corps et du chapeau par la pression régnant à l'intérieur du corps et agissant sur une surface équiva- lant à celle présentée par la tige à l'intérieur du joint 15. Un dispositif de commande est destiné à faire exécuter un mouvement alternatif à l'obturateur 12 et ce dispositif de commande peut être divisé fonctionnellement en trois parties. Comme représenté sur la figure 1, la première partie est illustrée sous la forme d'un capu- chon 17 fixé sur le chapeau il de la vanne au moyen de plusieurs boulons 18. La deuxième partie du dispositif de commande est représentée sous la forme d'un élément fusible cylindrique et creux 19 dont l'extrémité supe- rieure porte contre un épaulement 20, tourné vers l'inté- rieur, du capuchon 17. La troisième partie du dispositif de commande est représentée sous la forme d'un écrou 21 vissé sur la tige 14 et comportant un épaulement 22 tourné vers l'extérieur et portant un organe 23 d'appui qui, lui-même, porte contre l'extrémité inférieure de l'élément fusible 19. Un volant classique 24 peut être relié à l'écrou 21 afin de le faire tourner pour faire exécuter à la tige de la vanne et à l'obturateur un mouvement al- ternatif. Avec le montage décrit ci-dessus, il apparaît que les forces de poussée développées par la tige 14 de la vanne sont transmises par l'intermédiaire de l'élément fusible 19 au capuchon 17 et, par conséquent, au chapeau 11. Ces poussées comprennent principalement la force ré- sultant de la pression régnant à l'intérieur du corps de la vanne et agissant sur une surface égale à celle pré- sentée par la tige 14 à l'intérieur du joint 15. Lorsque l'élément fusible 19 est chauffé suffi- samment, par exemple par un incendie se produisant à proximité, il fond ou entre en fusion et la force résul- tant de la pression interne de la vanne agit sur la tige de cette dernière afin d'expulser la matière fondue par des trous 25 et 26 du capuchon 17. Lorsque la matière est ainsi expulsée, la tige et l'obturateur s'élèvent sur une distance suffisante pour qu'un épaulement conique 27 de la tige vienne porter contre un épaulement 28 présenté par le chapeau afin d'arrêter ce mouvement de sortie. Ces épaulements respectifs sont évidemment disposés de manière à entrer en contact après que l'obturateur 12 s'est déplacé jusqu'à la position de fermeture de la vanne montrée sur la figure 1. De plus, la longueur de l'élément fusible 19 doit être au moins égale à la distance sur la- quelle la tige de la vanne doit se déplacer pour faire passer l'obturateur de sa position d'ouverture à sa posi- tion de fermeture. Comme indiqué précédemment, des pressions éle-' vées régnant à l'intérieur du corps de la vanne (par exemple 35 000 kPa) peuvent agir, si elles ne sont pas maîtrisées, de manière à projeter violemment la tige de la vanne contre le chapeau. Selon une caractéristique de l'invention, un tel choc est empêché par le fait que le nombre et la dimension des trous 25 et 26 sont choisis de manière que la matière fusible fondue sorte par ces trous à un débit suffisamment bas pour que le mouvement de sortie de la tige de la vanne soit amorti et que le choc de l'épaulement 27 de la tige contre l'épaulement 28 du chapeau soit d'une amplitude acceptable. La figure 2 représente une forme de réalisation analogue à celle de la figure 1, sauf que le dispositif de commande est conçu pour une vanne du type à tige mon- tante et tournante, alors que la vanne de la figure 1 est du type à tige montante, mais non tournante. Les élé- ments de la figure 2 correspondant à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques auxquelles la lettre "A" est ajoutée. Dans le dispositif de commande de la figure 2, l'écrou 21A ne tourne pas et il est bloqué de manière à ne pas pouvoir tourner au moyen d'une goupille 29 s'engageant dans une rainure radiale 30 d'un épaulement 22A tourné vers l'extérieur. De m&me que précédemment, les forces de poussée exercées par la tige 14A de la vanne sont transmises par l'écrou 21A et par l'élément fu- sible 19A au capuchon 17A et, par conséquent, au chapeau liA. Ainsi, la vanne peut être manoeuvre entre des posi- tions d'ouverture et de fermeture par simple rotation du volant 24A. Cependant, lorsque l'élément fusible 19A fond, la pression régnant à lintérieur de la vanne force de nouveau la tige de la vanne vers le haut afin de fermer ladite vanne. Il est évident que l'élément fusible 19A est réalisé à une longueur suffisante pour que, lorsqu'il est fondu, la tige de la vanne puisse amener l'obturateur dans sa position de fermeture. La figure 3 représente une autre forme de réa- lisation du dispositif de commande dans laquelle la tige 14s de la vanne est vissée dans un écrou 21B dont l'étan- chéité avec le chapeau est assurée par un joint 15B. Les forces de poussée de la tige 14B de la vanne sont trans- mises par l'écrou 21B à l'élément fusible RAB et de ce dernier, dans le capuchon 17B, au chapeau 11B. Le mouve- ment alternatif de la tige 14B de la vanne est commandé par une rotation du volant 24B qui fait tourner l'écrou 21B. Tout mouvement longitudinal de l'écrou est empêché par un épaulement 22B de retenue situé entre des organes d'appui 23B et 35. Le principe de fonctionnement du dis- positif de commande de la figure 3 est le même que celui des autres dispositifs de commande, en ce sens que, lors- que l'élément fusible l9B fond, l'écrou et la tige de la vanne se déplacent vers l'extérieur sous l'effet de la pression régnant alors à l'intérieur du corps de la vanne. De même que précédemment, la vitesse du mouvement de sor- tie est déterminée par le nombre et la dimension des trous B du capuchon. De plus, la longueur présentée par la tige 14B au-dessous de la garniture 15B est supérieure à la distance sur laquelle la tige se déplace vers l'exté- rieur lors de la fusion de l'élément fusible. La figure 4 représente un dispositif de commande destiné à une vanne du type à tige montante et permettant un mouvement relativement rapide de la tige lors de la fusion de l'élément fusible. Dans cette forme de réalisa- tion, la première partie du dispositif de commande com- prend un manchon 50 monté de manière à pouvoir tourner dans le capuchon 51 à l'aide d'organes d'appui 52 et 53 qui maintiennent entre eux une bride 54 tournée vers l'ex- térieur. Le moyeu 55 du volant 24C est également incor- poré à la première partie et il porte contre l'élément fusible 21C. Ce dernier est évidemment compris dans la deuxième partie du dispositif de commande. La troisième partie de ce dispositif de commande est constituée par l'extrémité supérieure filetée 56 de la tige 14C de la vanne, cette extrémité supérieure étant reliée par une liaison filetée à l'élément fusible. Dans cette forme de réalisation, il apparaît qu'une rotation du volant se transmet au capuchon 57 et à l'élément fusible 21C de manière que ce dernier fasse exécuter un mouvement alternatif à la tige de la vanne. Les forces de poussée exercées lors du mouvement alternatif de la tige de la vanne sont transmises de cette dernière à l'élément fusible, puis au capuchon 57, au moyeu 55, au manchon 50, au capuchon 51 et au chapeau liC. Lorsqu'un incendie ou toute autre condition faisant apparaître une température élevée échauffe l'élé- ment fusible 21C, ce dernier perd sa résistance à la compression et au cisaillement, suffisamment pour que la force exercée vers l'extérieur sur la tige de la vanne provoque un cisaillage de l'élément fusible à proximité d'une ligne 58. En conséquence, la tige de la vanne peut s'élever rapidement en entraînant avec elle une masse de matière détachée par le cisaillage et restant prise sur les filets de la tige. Le fait que cette masse de matière reste prise sur les filets de la tige empêche la- dite masse ainsi cisaillée de se transformer en projectile. Il convient de noter, sur la figure 4, que l'élément:fusible présente une surface extérieure conique 59 complémentaire d'une surface conique correspondante située à l'intérieur du capuchon 57. Lorsque la tige de la vanne applique une force ascendante à l'élément fu- sible, la disposition conique produit une action de coin- cement comprimant plus étroitement l'élément fusible sur les filets de la tige de la vanne. En conséquence, si la matière ou l'élément fusible tendà fluer à froid, il est possible de tolérer une telle propriété tout en main- tenant l'élément fusible convenablement vissé sur la tige de la vanne. En général, les éléments fusibles de la vanne selon l'invention peuvent être réalisés dans des matières présentant des propriétés physiques convenables leur per- mettant de supporter les contraintes et les déformations inhérentes au fonctionnement normal de la vanne. De plus, ces matières doivent avoir un point de ramollissement ou de fusion permettant à la vanne de se fermer lorsque la température régnant à proximité du mécanisme de commande atteint un niveau choisi lors de la conception de la vanne. En général, ce niveau de température est de l'ordre de 150 à 205'C pour un usage de la vanne dans des conditions ambiantes, mais il peut être supérieur ou inférieur. Un exemple d'une matière préférée est une résine acétal commercialisée sous le nom de "Delrin". D'autres matières pouvant être utilisées comprennent le "Nylon 6/6" commercialisé sous le nom de "Zytel", un polycarbonate commercialisé sous le nom de "Lexan", du "Noryl" qui est un oxyde de polyélyphène modifié, et du "Texin" qui est un polyuréthanne. De plus, il existe une famille d'allia- ges métalliques à bas point de fusion, pouvant être uti- lisés et comprenant de la soudure en baguettes "30/70", des métaux du type "Woods", etc. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la vanne décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Vanne dans laquelle un élément d'obturation (12) est animé d'un mouvement alternatif à l'intérieur d'un ensemble à corps (10), entre des positions intérieure et extérieure, par un dispositif de commande relié à cet élément d'obturation, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint coulissant (15) qui assure l'étanchéité entre le dispositif de commande et l'ensemble à corps, le dis- positif de commande comprenant des première, deuxième et troisième parties, les première et troisième parties étant reliées respectivement à l'ensemble à corps et à l'élément (12) d'obturation et la deuxième partie compor- tant un élément (19) qui fond à la chaleur et qui est relié aux première et troisième parties et qui transmet normalement entre elles des forces d'ouverture et de fer- meture de la vanne, mais qui, lorsqu'il est fondu, permet à la troisième partie de se déplacer vers l'extérieur par rapport à la'première partie sous l'effet de la pression régnant à l'intérieur du corps, ce déplacement étant suffisant pour que l'élément d'obturation puisse se dépla- cer vers sa position extérieure, les liaisons entre les première et troisième parties, l'ensemble à corps et l'élément d'obturation étant telles que ces parties res- tent ainsi reliées après la fusion de la deuxième partie. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie comprend un capuchon (17) qui comporte un épaulement (20) en bout, la troisième partie comprenant un écrou rotatif (21) qui comporte un épaulement (22) en bout et l'élément fusible étant disposé entre les épaulements afin de les maintenir normalement écartés et, lorsque cet élément fusible fond, permettant à l'un des épaulements de se déplacer vers l'autre épau- lement. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le capuchon entoure l'élément fusible et présente un trou (25 ou 26) qui réduit le débit d'écoulement de l'élément fusible fondu à travers le capuchon afin de limiter la vitesse du déplacement d'un épaulement vers l'autre. 4. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie comprend un épaulement (20A) en bout, la troisième partie comportant un épaulement (22A) en bout et un écrou non rotatif (21A) dans lequel une tige (14A) de vanne est montée de manière à pouvoir tour- ner et est reliée à l'élément d'obturation, l'élément fusible (19A) étant disposé entre les épaulements afin de les maintenir écartés et, lorsqu'il fond, permettant à l'un des épaulements de se déplacer vers l'autre épau- lement. 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première partie entoure l'élément fusible et est traversée par un trou (25A) qui réduit le débit d'écou- lement de la matière fusible fondue à travers cette pre- mière partie afin de limiter la vitesse du mouvement d'un épaulement vers l'autre. 6. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la troisième partie comprend une tige (14C) de vanne et en ce que la deuxième partie est reliée, sans pouvoir tourner, à la première partie, l'élément fusible (21C) étant vissé sur la tige de la vanne afin de trans- mettre un mouvement alternatif à cette tige lorsqu'il est mis en rotation et cet élément fusible séparant les première et troisième parties lorsqu'il fond. 7. Vanne dans laquelle un élément d'obturation est animé d'un mouvement alternatif à l'intérieur d'un corps (10) entre des positions d'ouverture et de ferme- ture de la vanne, par un dispositif de commande relié à cet élément d'obturation, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint coulissant (15) qui assure l'étanchéité entre le dispositif de commande et le corps, le dispositif de commande comprenant un élément (19) fondant à la chaleur et disposé à l'extérieur du joint de manière à transmettre une force développée par le dispositif de commande pour faire exécuter un mouvement alternatif à l'élément d'obtu- ration, cet élément fusible, lorsqu'il est fondu, per- mettant à la pression régnant à l'intérieur du corps de déplacer l'élément (12) d'obturation vers l'une de ses positions tout en maintenant l'efficacité du joint pour empêcher le fluide de sortir du corps de la vanne et en assurant également le maintien de l'équilibre du disposi- tif de commande en position sur le corps. 8. Vanne dans laquelle une tige (14) coulisse de manière étanche dans un chapeau (11) et est reliée à un élément (12) d'obturation afin de le déplacer à l'in- térieur d'un corps (10), entre des positions d'ouverture et de fermeture, la pression régnant à l'intérieur du corps pouvant agir contre une surface utile de la tige ou de l'élément d'obturation afin de provoquer le déplace- ment de ce dernier vers l'extérieur du chapeau pour amener l'élément d'obturation dans l'une de ses deux positions, la vanne étant caractérisée en ce qu'elle comporte un écrou (21) qui est vissé sur la tige de manière que la ro- tation de cet écrou ou de la tige dans un premier sens applique à ladite tige une force provoquant l'ouverture de la vanne et qu'une rotation de l'écrou ou de la tige en sens opposé au précédent applique une force provoquant la fermeture de la vanne, un dispositif étant destiné a faire tourner ainsi l'écrou ou la tige et à relier l'écrou au chapeau de la vanne, ce dispositif comprenant un élé- ment (19) qui fond à la chaleur et qui est disposé de manière à transmettre la force appliquée à la tige ou au chapeau pendant le fonctionnement normal de la vanne, cet élément ayant une longueur suffisante pour que, lors- qu'il fond, la tige de la vanne puisse se déplacer vers l'extérieur du corps sous l'effet de la pression régnant à l'intérieur de la vanne afin de placer l'élément d'obtu- ration dans l'une des positions d'ouverture ou de ferme- ture de la vanne. 9. Vanne selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'écrou peut tourner par rapport à la tige et au chapeau, l'élément fusible étant disposé autour de l'écrou et étant relié à ce dernier de manière à transmettre les forces longitudinales, le dispositif de liaison compre- nant également un capuchon cylindrique (17) relié au cha- peau et réalisant une liaison transmettant les forces longitudinales à l'autre extrémité de l'élément fusible de manière que des forces d'ouverture et de fermeture de la vanne soient transmises par l'élément fusible. 10. Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le capuchon entoure étroitement l'élément fu- sible et est traversé de trous (25, 26) qui réduisent le débit d'écoulement de la matière de l'élément fusible lors- que ce dernier fond afin de limiter la vitesse à laquelle l'élément d'obturation se déplace lors de la fusion dudit élément fusible. 11. Vanne selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'écrou (21A) est relié au chapeau (liA) de manière à ne pas pouvoir tourner et en ce qu'un dispositif est destiné à faire tourner la tige (14A), l'écrou com- portant un premier épaulement (22A) orienté longitudina- lement, le dispositif de liaison comprenant un capuchon (17A) relié au chapeau et comportant un second épaulement (20A) orienté longitudinalement, l'élément fusible (19A) étant disposé entre-les épaulements pour transmettre les forces s'exerçant entre eux.