Brevet FR2518215A1 — publié le 19830617

ECRETEUR DE SURPRESSION AUTOMATIQUE pour la tranquilisation du régime des pressions dons un réseau de canalisations La présente invention a pour objet un écrêter de sur# pression destiné à tranquiliser les variations brutales e pree sion qui se produisent dans les conduites transportant un fluide (de l'eau par exemple) et dont la charge est soumise à des variations ondulatoires entrainant des perturbations dans l'ensem- ble du réseau, de type couP de bélier, et par conséquent produisant des effets de contraintes discontinues intermittentes et de forte intensité dans un temps très court. On a déjà proposé pour les réseaux de conduite sous pression des appareils de types connus sous dénomination de :sou- pape de sécurité, obturateur à disque ou à clapet et cloche de sureté ou soupape anti-bélier à contre-poids, capacité de gaz ou à ressort. Ces appareils ci-dessus dénommés ont pour caractérsti- que commune "un tarage de l'appareil" à un seuil de pression fixe ; généralement, la pression maximale de service, plus 5 :o de cette pression. Par conséquent, les surpressions écrêtées par ces appareils sont toujours supérieures à la pression. de tarage, mais jamais en-dessous de celle-ci. Or, l'expérience en hydraulique appliquée montre que les contraintes ou fatiguès mécaniques les plus dangereuses ne sont pas engendrées forcément par les pressions relati-vement importantes par rapport à la pression maximale de service mais le plus souvent par la rapidité des variations qui sont mal assimilées par les matériaux constituant le corps des conduites et des joints. L'expérience montre qu'une conduite peut éclater sous une faible pression soumise à des variations nombreuses et brutales et bien résister à une plus forte pression à variation progre#ssive et douce. Les appareils connus ne jouent donc qu'un râle de limiteur de pression ; l'appareil qui fait l'objet de l'invention assure la fonction d'écrêteur de surpression brusque sur tous les seuils de pression intermédiaires proposés lors du fonctionnement, sans limitation, des points Po à P. Cette fonction est automatique et autonome. L'appareil, selon l'invention, ne nécessite aucun tarage particulier et se réduit à une cloche montée sur une grille solidaire d'une tubulure d'arrivée du fluide entre lesquelles est inséré une membrane flexible au centre de laquelle se trouve placé un diaphragme à orifice calibré dont le diamètre est fixé selon l'importance des débits moyens transités dans le réseau et le niveau moyen des pressions en.régime normal de fonctionnement ; un clapet d'étanchéité complète l'ensemble, collé à la membrane souple ; il est traversé lui-même par l'orifice central du diaphragme. L'appareil qui constitue l'ensemble de l'écrêteur de surpression est donc simple puisqu'il ne fait appel à aucun élément de type connu, tel que capacité de gaz, ressort ou contre poids et que, par ailleurs, son fonctionnement n'est tributaire d'aucun tarage-ou réglage limitatif. Par ailleurs, l'élément moteur du clapet#monté sur l'éerêteurJest la pression même du fluide que celui-ci est chargé de réguler. Donc une économie de fabrication et d'énergie. L'objectif de l'invention est atteint lorsque, monté sur un réseau de conduites soumises à des variations brutales de pression dans une brève durée de temps, une série de manomètres enregistreurs placés en des points particulirement s e nsi- bles dudit réseau, montrent par la restitution du tracé du régime des pressions que celles-ci varient de façon progressive positivement sans à-coup ni tension en pic de type connu. On constate alors que le phénomène néfaste au bon fonctionnement et à la bon-- ne résistance des éléments constitutifs du réseau a disparu. L'appareil qui fait l'objet de l'invention sera monté en un ou plusieurs exemplaires selon l'importance et la longueur des conduites sans limitation de nombre et de dimensions caractéristiques d'aucune sorte. Les points de montage de l'écrêteur de pression seront nécessairement les plus élevés en altitude sur le tracé des conduites car la cloche supérieure de l'appareil. constitue une capacité d'air ou d'autre gaz qui se nourrit du gaz dissout dans le fluide constituant des poches dans les points hauts des conduites. Par ailleurs, les sous-pressions ou tensionsnégati- ves sont automatiquement annulées par à la fois le ou les clapets d'entrée d'air qui sont toujours montés'sur un réseau sous pression'et l'éérêteur qui intervient pat son -action d'amortisseur. L'écrêteur des surpressions qui fait l'objet de l'invention fonctionne selon le principe de physique connu des capacités communiquant entre-elles et# se remplissant ou se vidont'par l'intermédiaire d'un orifice d'e diamètre fixe. L'équilibre ou le déséquilibre des pressions étant attei-nt de part et d'autre de ces capacités à plus ou moins longue échéance dans le'temps, cette durée de réaction à l'équilibrage ou inertie de fonctionnement étant directement fonction du niveau des pressions et de la grandeur de l'orifice du diaphragme monté sur la membrane séparant lesdites capacités, -l'une de ces capacités étant la cloche supérieure de l'écrêteur, l'autre étant la conduite même du réseau à réguler. On remarque que l'écrêteur fonctionne lorsque l'actipn de la pression dans la conduite met brutalement en déséquilibre la membrane munie du clapet qui clot la tubulure. Une certaine quantité de fluide est alors évacuée à l'extérieur de la conduite lorsque la membrane mise en déséquilibre soulève le clapet obturateur ; la surpression est aini instantannément cassée ou écrêtée. Pendant que l'éjection du fluide se produit, on remar que également que la cloche supérieure de l'écrêteur se met pro gressivement en équilibre par rapport à la pression référen cielle de la conduite par l'intermédiaire de l'orifice prévu à cet effet ; lorsque l'équilibre est à nouveau réalisé, la mem brane se plaque contre la grille; le clapet qui lui est solidaire obture la tubulure et l'ensemble est à nouveau prêt à fonction ner à partir.d'un nouveau.seull de référence des pressions. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, une des for mes possibles de l'appareil, ses éléments constitutifs et un exemple de tracé de courbes de fonctionnement recueillis lors d'essais sur modèle expérimental (figures marquées de 1 à 6). * La figure 1 est une vue schématique en coupe de lten- semble de l'appareil ; la membrane 2 est représentée en deux posituions : 2.1 : ouverte ; 2'2 : fermée, selon l'invention. * La figure 2 est une vue en plan de la grille évacua trice dont la forme extérieure aussi bien que celles des lumiè- res pratiquées ne sont en rien limitatives ; le dessin qui en est donné n'ayant de valeur qu'à titre d'exemple représentatif parmi plusieurs possibles'et équivalents selon l'invention. * La figure 3 est une vue en plan de la membrane souple et flexible dont la forme dessinée est donnée à titre d'exem ple sans que son tracé en soit limitatif selon l'invention. La forme circulaire généralement la plus avantageuse pourrait être remplacée par toute autre forme sans modifier le principe de l'innovation. * La figure 4 est une vue en coupe détaillée des élé- ments obturateurs constitutifs tels que : membrane, clapet, siège et orifice sur diaphragme. Leur forme et leur dimension n'ont de valeur qu'à titre d'exemple et ne sont aucunement limitatives selon l'invention. La forme qui en est donnée à titre d'exemple est généralement la plus avantageuse. f La figure 5 est une représentation couranteldu phénomène connu par l'expérience, de la courbe de chacune des pressions étudiées Cl - tracé des variations 'de pression dans le réseau lorsque l'écrêteur n'est pas branché - vanne V fermée C2 - tracé des variations de pression dans le réseau lorsque l'-écr8teur est branché C3 - tracé des variations de pression dans la cloche de l'écre teur C4 - Tracé de la pression moyenne de référence sur un laps de temps réduit à la durée de l'étude et correspond#ant à un débit demandé par les utilisateurs C5 - tracé de la pression maximale de service. Les pressions sont portées sur l'axe des y. Les temps sont portés sur l'axe des x. Les différents tracés de ces courbes ne sont représen.- tés qu'à seul titre d'exemple et peuvent, dans d'autres condi; tions de fonctionnement, épouser d'autres formes et valeurs sachant que si le principe de l'invention est constant, il peut s'adapter à des contextes hydrauliques différents. * La figure 6 est une représentation d'un système de récupération monté sur l'écrêteur et permettant, comme le montre la figure, un r#ecyclage possible. Cet appareillage complémentaire est facultatif et ne devrait être utilisé que pour les fluides précieux ou dangereux. DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT Le fonctionnement s'effectue en trois phases principales marquées de paliers intermédiaires Phasè 1 Position de la membrane 2 fermée, clapet 5 appuyé contre le siège de la tubulure 7. On constate que la pression PC3 intérieure dans la cloche C de l'écrêteur est égale à la pression PC2 régnant 'dans le réseau de conduites R à protéger, l'ensemble est en équilibre. Un palier est franchit quand cet équilibre est rompu ; une perturbation hydraulique engendrant une surpression brutale dans le réseau R. On voit suivant les figures 1 et5 que le clapet 5 est soumis à cette surpression et tend à soulever la-membrane dont il est solidaire et par cela, ouvrir la tubure 7 à l'extérieur. La condition d'ouverture sera remplie lorsque l'inégalité suivante sera vérifiée-: PC3 x 52 S5 surface de la face amont du clapet 5 soumise à la pression PC2. La force d'ouverture est alors F i Pu2 . 55 - Pt3 . S2 o Phase 2 La membrane se soulève, le clapet 5 se décolle du siège 7, le fluide libéré est évacué soit à l'extérieur (pression atmosphérique), soit dans un récupérateur 9~suivant la figure# 6 qui représente-un circuit de recyclage' av'ec ballon "B" tampon entre écrêteur E et pompe de refoulement P. Durant le même temps, la pression PC2 tend à s'établir dans la capacité C de la cloche 1 en comprimant l'air concentré dans celle-ci jusqu'à ce que PC3 = PC2. On notera que S2 > 55 et que si 6 = s2/S5, on a fermeture de la membrane 2 et obturation du siège 7 par le clapet 5 lorsque PC3 = PC2/S (état limite en débet de fermeture). Par ailleurs, le temps d'ouverture de l'écrêter dépend de la dimension de l'orifice du diaphragme 6 puisque l'importance de cet orifice détermine le degré de facilité de passage du fluide dans le sens tubulure 7 à la cloche 1 ou inversement en cas de dépression. Phase 3 La membrane en position de plaquage, le clapet 5 appuie progressivement sur son siège 7 pendant que PC3 tend vers la valeur de PC2. La fermeture sera totale et maximale lorsque PC3 = PC2. On aura : PC2 . 55 La force de fermeture agissant au centre du clapet, dans le sens 1 à 7, est dans ce cas : Ff=PC2 (52 - S5). Par ailleurs, une fermeture complémentaire à l'action du clapet est assurée par la membrane. 2 qui s'appuie sur la couronne 7b dépassant légèrement de la grille 3 et constitue par cela un second obturateur qui tend à parfaire l'étanchéité de l'ensemble clos. Remarques Pour que le système fonction#ne, il faut impérativement que S2 > S5. Or, l'expérience montre que le rapport S2/S5 =# doit être au minimum de #;#, mais pratiquement J = 2 est une valeur satisfaisante. 2./ - Pour que. le système fonctionne, -il faut que la capaci- té C de 1 soit toujours remplie d'air, son alimentation se faisant naturellement par. récupération, en point haut, des gaz (exemple air dissout dans l'eau). Cela suppose une parfaite étanchéité de lacioche 1, ob- jectif qui est atteint lorsque,# en fonctionne#ment, une partie du fluide (eau par exemple) entre dans la cloche 1 par l'orifice ce 6 du diaphragme ; la jonc#tion membrane 2 brides - plaques 3 et cloche 1 est alors parfaitement étanche à l'air ~ pour les fortes pressions P > 15 bars ou pour les fluides chargés en gaz dangereux, l'intérieur de la cloche 1 sera doublé d'une enveloppe étanche et souple (ëaoutchouc ou matière similaire adéquate). - - Le diamètre extérieur du clapet - diaphrag#me 5 sera obligatoirement inférieur au diamètre extérieur de la tubulure 7. Le jeu- = ~i ~ ex5pourra être de plusieurs mm tl'expé- rience montre que 4 mm est un minimum acceptable) sans limitation d'aucune# sorte. 4./ - Le diamètre de l'orifice 6 du diaphragme pourra varier selon l'importance de la pression moyenne de service, de la longueur des conduites (période de raisonnace) ainsi que des- débits transités. Par ailleurs, la membrane doit être# déformable puisque, selon la figure 1, on distingue deux situations 2.1. - membrane ouverte 2.2. - membrane fermée. Le matériau utilisé sera nécessairement souple et flexible tout en conservant ses qualités d'étanchéité indispensables; - Toute forme du galbe ou du profil, tout matériau adéquat et toute structure particulière ne saurait modifier le caractère de l'invention. #Toutefois, l'expérience nous montre que pour les faibles pressions, P#15 bars, la membrane, dfune épaisseur minimale de 1 mm, pourra être soiten caouthcouc ou en plastic, soit en tout autre matériau équivalent. Pour les fortes pressions, P > 16 bars, il sera recommandé des membranes d'une épaisseur minimale de 2 mm et en ma tériau très résistant. Des membranes en acier ressort inox à ondes concentriques de- type connu pourraient être employées sur un grand diamètre et pour les pressions très élevées: 9 Q325 bars. La vessie 12 sera également du même matériau que la membrane. Nota Les remarques portées de 1 à.5 ci-avant ne limitent en rien les possibilités ni le caractère ou la définition intrinsèque de l'invention ; elles ne sont donc, en aucun'cas, limitatives en forme, structure ou dimensions. REVENDICATIONS 1./ Un écrêteur de surpression automatique "E", destiné à contrôler les variations trop rapides #dans un réseau de con duites en écrêtant les tensions positives dangereuses s'exer çant dans le réseau R, comportant une cloche 1 fixée sur une grille 3 solidaire d'une tubulure d'arrivée 7 - D'une membrane 2 déformable flexible ou souple insé- rée entre 1 et 3 et maintenue par des brides boulonnées en 4 sur la périphérie de 1 et 3 - La membrane 2 étant munie en son centre d'un, clapet 5 percé d'un orifice 6 formant diaphragme - La membrane 2 soumise aux variations de pression, en premier lieu par la face amont du clapet 5 et en second lieu par sa surface interne aval à l'intérieur de la cloche 1 ouvre ou ferme automatiquement l'appareil suivant nécessité. 2./ - Ecrèteur de surpression selon la revendication#1 carac térisé en ce que le clapet 5 solidaire de la membrane 2 et com portant un orifice calibré 6 assure ,l'obturation du siège de la tubulure 7 en s'appuyant sur celui-ci ; l'angle'# (figure 4) de ce clapet peut être différent suivant les valeurs de pression sur le réseau et aussi selon les matériaux employés. La valeur de l'angle o tre 900 et 200'sans limitation d'aucune sorte 'Le diamètre extérieur du clapet 5 est inférieur au dia-. mètre intérieur de la tubulure 7. La' forme du clapet sera généralement tronconique, mais tout autre profil ne modifie en rien le caractère de l'in'novation. Par ailleurs, lteffet du clapet 5 sera complété par le dépassement de la tubulure en 7b (figure 4) par rapport à la grille 3, ce qui permet à la membrane, en se plaquant, d'obturer une deuxième fois la tubulure 7. 3./ - Ecrêteur de surpression selon les revendications de 1 à' 2 qui fonctionne suivant le principe de la différence des pressions aval - amont de la membrane par l'intermédiaire de surfaces incidentes amont - aval différentes, la membrane subissant trois sortes de pression a) Pa - pression atmosphérique à l'extérieur sur la périphérie de la grille 3 b) PC3 - pression intérieure dans la capacité de la cloche 1 en tretenue par l'air qui y est comprimé c) PC2 - pression régnant dans le réseau à contrôler le rapport de proportion des surfaces 52/55 > # 1,2 étant satisfait (figure 4). 4./ - Ecrêteur de surpression selon les revendications de 1 à 3 qui comporte un orifice calibré 6 au centre du clapet - diaphragme 5 dont l'objet est de mettre en relation la capacité de la cloche 1 avec le réseau R. Cet orifice varie selon la grosseur de l'appareil. Le diaphragme peut'être démontable et interchangeable, sans modifier le clapet. Un système à vis percée axialement est recommandé mais. il n'est aucunement limitatif. Ecrêteur - de surpression selon lune des revendications de 1 .h 4 qui comporte# une grille 3 solidaire de la tubulure 7 par l'intermédiaire des ~gousSets fi, l'ensemble constituant une chandelle piquée sur'le réseau ; la grille, de forme générale ment circulaire, est pourvue, dans sa partie située entre la tubulure 7 "et sa périphérie en limite diau moins fus mm de dia mètre de fixation de la cloche par les boulons 4, d1orifices 8 génér,alement de forme oblonc et de type rayonnant ' (figure 2), ayant pour objet le passage# du fluide lors de son éjection par la tubulure 7 (clapet'5 ouvert).Différentes formes d'orifices ou lumières8 peuvent être adoptées, aussi bien que toutes dimen sions ou situations, celles-ci n'étant d'aucune façon limitati- ves. L'écrêteur de pression selon l'une des revendications de 1 à 5 comporte une cuvette récupératrice 9 prolongée d'une conduite évacuatrice la adaptée lors du recyclage du fluide éjecté ; 011e aura généralement une forme circulaire et se fixera de façon facultative contre I'a grille par l'intermédiaire des boulons ou #tiges filetées et écrous 4. L'ensemble est étanche. 7./ - L'écrêteur de pression selon une des revendications des à - 6 comporte une enveloppe ou vessie 12 généralement de la même forme que la cloche 1 et de. dimensions légèrement inférieures à celles-ci qui sera montée pour les pressions moyennes de servi- be supérieures à p: > 15 bars ou pour les gaz dangereux. Cette vessie 12 sera soudée à la membrane souple 2'afin d'assurer le maximun d'étanchéité. Son emploi i'est facultatif. L'originalité du système de. l'écrêteur de surpression selon l'une des revendications de l' & 7 se caractérise no tammeot par un fonctionnement autonome, sans apport d'énergie extérieure sinon celle du fluide à contrôler; également par la simplicité de sa réalisation qui exclut tout ressort de tarage, tout contre-poids ou bouteille de gaz compensatrice' comme il an existe sur les anti-béliers de types existants connus.L'ef fet-moteur automatique dotant assuré par la capacité "C" de la cloche 1 remplie d'air ou d#e tout autre# gaz (parce que bran chiée en point haut du réseau "R") et soumise aux fluctuations des pressions ; cet air y remplace avantageusement tout autre élément de type connu. 9./- L'écrêteur de pression selon l'une des revendicati -ons de 1 à 8 se distingue des appareils de types connus. dé- nommé communément anti-bélier, soupape de décharge ou de sécu ritér.par le fait que sa regulation au régime des pressions s'exerce sur toute l'échelle des pressions comprises entre Po P, maximale (figure 5) - (courbe C5) alors que les anti-bé- lieras classiques existants n'écrêtent que les surpressions supérieures à l#a pression maximale de service.