Brevet FR2524960A1 — publié le 19831014

La présente invention concerne un dispositif autonome d'assistance d'une soupape de sécurité destinée à protéger une enceinte ou une conduite contre des surpressions internes intempestives. De telles soupapes sont très généralement constituées par un corps creux monté sur l'enceinte et communiquant avec l'intérieur de celle-ci A l'intérieur du corps creux un clapet mobile monté à l'extrémité d'une tige peut se déplacer entre une position/fermeture o il est en appui étanche sur son siège et une position d'ouverture o il est éloigné du siège Un ressort taré est en compression entre une pièce solidaire du corps de la soupape et une pièce solidaire de la tige du clapet, de façon à exercer sur le clapet une poussée le maintenant en position de fermeture tant que la pression dans l'enceinte ne dépasse pas la valeur de réglage. Lors du soulèvement du clapet sous l'effet d'une pression excéden- taire une partie du fluide sous pression est évacuée hors de l'enceinte, ce qui permet de ramener la pression à une valeur inférieure à la valeur de réglage, et le ressort taré ramène le clapet à sa position de fermeture sur son siège. Cependant de nombreux facteurs peuvent venir perturber le fonction- nement de telles soupapes ordinaires, comme par exemple au moment de l'ou- verture la formation d'ondes de pression dans le fluide contenu dans l'en- ceinte, ou bien dans le cas de fluides incompressibles la formation de dé- pressions locales juste en amont du clapet ce qui provoque sa fermeture avant que la pression soit réellement tombée dans la totalité de l'enceinte. Tous ces facteurs se traduisent par une instabilité de fonctionnement de la soupape et des battements du clapet qui peuvent à leur tour engendrer un grippage de la soupape ou des coups de bélier dans les conduites à protéger. Pour éliminer ces inconvénients,il apparait nécessaire d'apporter une assistance au fonctionnement du clapet Une assistance à l'ouverture re- vient à réduire momentanément le tarage du ressort pour obtenir une ouvertu- re franche et rapide lorsque la pression dans l'enceinte atteint la valeur critique, et éviter que le clapet tende à se refermer aussit 8 t sous l'effet d'une diminution locale de la pression; inversement l'assistance à la fer- meture revient à augmenter le tarage pour assurer une fermeture nette et éviter une réouverture intempestive alors que la pression globale dans l'en- ceinte est retombée au-dessous de sa valeur de tarage. On a déjà proposé pour cela divers dispositifs d'assistance utili- sant des moyens magnétiques ou pneumatiques, mais ils présentent toujours, séparément ou simultanément, divers types d'inconvénients Pour certains on obtient pas à la fois une assistance à l'ouverture et à la fermeture, ou bien ils ne constituent que de simples amortisseurs des mouvements du clapet. D'autres n'apportent qu'une aide au verrouillage en fin de course "ouvert" ou "fermé" du clapet Certains dispositifs ne sont pas entièrement autonomes et sont tributaires d'une distribution générale d'air comprimé ou d'un réseau électrique, si bien que leur sécurité de fonctionnement risque d'être compromise en cas de panne sur l'alimentation, le dispositif devant toujours assurer sa fonction de sauvegarde D'autres encore mettent en jeu des circuits complexes de distribution de fluide, ce qui accroit les risques de défaillance Enfin il est industriellement intéressant de pouvoir adap- ter de tels dispositifs d'assistance sur des soupapes conventionnelles déjà en place, ainsi que pouvoir procéder à des essais à vide sans avoir à démon- ter l'équipement; ce dernier point est particulièrement important dans des enceintes sous pression dans des enceintes nucléaires. La présente invention apporte une solution nouvelle à l'ensemble de ces problèmes, et concerne un dispositif d'assistance d'une soupape de sécurité de protection d'une enceinte contenant un fluide sous pression, la soupape comportant un corps creux monté sur l'enceinte et communiquant avec l'intérieur de celle-ci, un siège conjugué avec un clapet mobile solidaire d'une tige, et un ressort de tarage en appui sur la tige par une de ses ex- trémités et sur le corps de soupape par son autre extrémité, pour maintenir le clapet en appui étanche sur le siège tant que la pression intérieure de l'enceinte reste inférieure à une pression limite de réglage. Selon l'invention la tige du clapet est prolongée dans un boîtier solidaire du corps de la soupape pour recevoir, dans le même sens que celle du ressort de tarage, la poussée additionnelle d'un ressort complémentaire en appui sur le prolongement de la tige par une de ses extrémités et sur le boitier par son autre extrémité, le boitier constituant en outre un vérin pneumatique à simple effet dont le piston, en cas d'alimentation du vérin, exerce sur la tige du clapet une poussée opposée et supérieure à celle du ressort complémeniaire; en outre le dispositif d'alimentation du vérin com- porte un réservoir autonome de gaz sous pression avec un détendeur, une électrovanne à trois voies branchée de telle sorte qu'en position 3 22524960 d'excitation elle alimente le vérin à partir du réservoir et qu'en position de repos elle isole le réservoir en mettant la chambre du vérin en relation devidange vers l'atmosphère ambiante, un manocontact monté sur la paroi de l'enceinte, pour l'alimentation de la bobine de l'électrovanne à partir d'une source électrique secourue par des batteries, le manocontact étant règlé pour fermer le circuit d'alimen- tation de la bobine lorsque la pression dans l'enceinte atteint la pression de tarage. Selon une forme particulière de réalisation de l'invention, le déten- deur du réservoir de gaz est un détendeur-régulateur assurant, par rapport à la pression ambiante, une pression différentielle constante pour l'ali- mentation du vérin par l'intermédiaire de la vanne à trois voies. Selon une forme préférentielle de réalisation, le ressort complémen- taire exerce sur la tige du clapet une poussée dans le même sens de l'ordre de 5 % de l'effort de tarage du ressort principal, tandis que la pression exercée par le vérin est, en sens inverse de celle du ressort principal, de l'ordre de 17 % de celle-ci. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés. La figure 1 est un schéma général simplifié de l'ensemble d'une instal- lation d'assistance de soupape réalisée selon l'invention. La figure 2 donne à plus grande échelle le détail du boitier-vérin. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui montre l'installation d'une soupape de sécurité usuelle sur la paroi 1 d'une enceinte contenant un fluide sous pression Le corps 2 de la soupape proprement dite est fixé sur la bride 3 d'un piquage fait sur la paroi de l'enceinte La soupape est représentée en position de fermeture, avec le clapet 5 en appui étanche sur le siège 6 sous l'action du ressort qui agit sur la pièce 8 solidaire de la tige 9 du clapet A son autre extrémité le ressort 7 prend réaction sur la pièce 10 àtravers laquelle la tige 9 passe librement La position de la piè- ce 10 est fixée par la vis creuse 12 engagée sur l'arcade 13 de la soupape, elle-même fixée sur le corps 2 avec interposition d'un joint 14 Un soufflet d'étanchéité 15 relie le clapet 5 avec le joint 14, en entourant la partie basse de la tige 9. Tant que la pression dans l'enceinte ne dépasse pas la valeur de tarage déterminée par l'effort du ressort 7 comprimé, le clapet 5 reste en appui sur le siège 6 Lorsqu'au contraire la pression sous le clapet engendre une poussée supérieure à celle du ressort antagoniste 7 le clapet se solève et 4 2524960 le fluide de l'enceinte se décharge d'abord dans la chambre 17 et de là vers la conduite d'échappement 18. Dans la présente réalisation selon l'invention l'arcade 13 de la soupa- pe est surmontée par un boitier vérin 19 représenté ici simplement en sil- houette en traits interrompus et dont on verra plus loin la structure in- terne à propos de la figure 2 L'extrémité supérieure de la tige 9 du cla- pet pénètre dans le boitier 19 en traversant aussi l'entretoise de liaison 20. Le vérin 19 est lié par une canalisation 22 à l'une des voies 23 d'une électrovanne à trois voies 24 Les autres voies 25 et 26 de l'électrovan- ne sont respectivement à l'atmosphère et reliée par la canalisation 28 à la sortie basse pression 29 d'un détendeur régulateur 30 L'entrée haute pression 31 du détendeur 30 est reliée à une bouteille 33 de gaz sous pres- sion, air ou gaz neutre Une soupape de sureté 34 et un manomètre de con- trÈle 35 complètent l'équipement. La bobine 37 de l'électrovanne 24 est alimentée à partir d'une source secourue par des batteries 38 des circuits de secours de l'installation, par un manomètre à contact 39 monté sur la paroi i de l'enceinte Le mano- contact 39 est règlé à la pression limite à maintenir dans l'enceinte, ou très légèrement en dessous Tant qué la pression dans l'enceinte reste in- férieure à cette pression critique,e contact 39 reste ouvert et la bobine 37 n'est pas alimentée; dans cette position de repos l'électrovanne isole l'alimentation 28 et met à l'échappement le vérin 19 en faisant communiquer les voies 23 et 25 vers l'atmosphère La fermeture du contact 39 alimente la bobine 37 et fait basculer l"électrovanne sur son autre position o la voie 25 est fermée tandis que les voies 23 et 26 communiquent pour amener le gaz sous pression de la bouteille 33 et du détendeur 30 jusqu'au vérin 19. On se référera maintenant à la figure 2 qui montre plus en détail le boitier 19, l'entretoise 20 et la partie supérieure de l'arcade 13 On y voit mieux la vis 12 de réglage du tarage qui, selon qu'elle est plus ou moins pro fondément engagée dans la partie supérieure de l'arcade 13, com- prime plus ou moins le ressort 7 par l'intermédiaire de la pièce 10, et modifie ainsi la pression qu'il faudra atteindre dans l'enceinte pour pou- voir soulever le clapet 5 La vis de tarage 12 est bloquée en position de règlage par le contre-écrou 11. L'entretoise tubulaire 20, qui est fixée à la fois à l'arcade 13 et au fond du boitier 19, comporte une lumière latérale 21 qui permet l'accès 2524960 aussi bien à la tête de la vis 12 de réglage de tarage qu'à son écrou de blocage 11. Le boitier 19, fermé par un couvercle 42, est alésé intérieurement pour former un cylindre 43 et comporte un retour annulaire interne 44 dans lequel pénètre la partie supérieure de la tige 9 La tige 9 est prolongée par une allonge 45 solidarisée en 46 sur la tige Le plateau 48, guidé dans le cylindre 43 par des bagues de graphite 49, est bloqué par l'écrou 50 sur l'allonge 45 Le plateau 48 reçoit la poussée du ressort complémentai- re 51 qui prend par ailleurs appui sur le couvercle 42. La partie basse du cylindre 43, au niveau du retour 44, comporte un piston annulaire 53 muni de bagues d'étanchéité interne et externe 54 et et de bagues de guidage 56 en graphite La chambre 57 du vérin ainsi formé communique par le conduit 58 avec la canalisation 22 de liaison avec la voie 23 de l'électrovanne. Au repos, comme indiqué sur les figures, la chambre 57 communique avec l'atmosphère ambiante par mise en communication des voies 23 et 25 de l'électrovanne Le piston 53 est libre dans son cylindre La tige 9 du cla- pet est en fin de course de fermeture et reçoit à la fois la poussée du ressort principal de tarage 7 par la pièce 8, et la poussée additionnelle du ressort complémentaire 51 par le plateau 48 Le ressort 51 est détermi- né de façon à donner un effort additionnel de l'ordre de 5 % de l'effort normal de tarage du ressort principal 7 En position de repos un léger jeu subsiste entre le retour 44 et le piston 48 alors en position basse maxima- le, ainsi qu'entre le plateau 48 et le piston 53 qui retombe lui aussi na- turellement en position basse. Si la pression dans l'enceinte à protéger atteint la valeur critique à ne pas dépasser, le manocontact alimente la bobine de l'électrovanne 24 qui à son tour alimente la chambre 57 en gaz sous pression Le piston 53 vient alors exercer sur le plateau 48 une poussée opposée à celle du ressort 51 La pression d'alimentation de la chambre 57 est déterminée pourque la poussée du vérin 53 soit d'environ 17 % de la poussée nominale de tarage don- née par le ressort principal 7 On voit que dès le basculement de l'eéectro- vanne la poussée à la fermeture qui était, par action du ressort complémen- taire 51 supérieure d'eniron 5 % à la poussée nominale, de tarage, passe brutalement à une valeur inférieure d'environ 17 % 5 % = 12 7 à la pous- sée nominale de tarage La soupape peut donc s'ouvrir franchement sous la pression s'exerçant sous le clapet La pression juste sous le clapet pour- ra même descendre localement jusqu'à 88 % de la valeur de tarage sans pro- 6 2524960 voquer la retombée prématurée du clapet et le battement de celui-ci. Inversement, quand la pression générale dans l'enceinte sera retombée audessous de la valeur critique, l'ouverture du manocontact 39 conduira à la mise à l'atmosphère de la chambre 57 du vérin et à la sup- pression de la poussée du piston 53 La poussée sur le clapet repassera donc alors instantanément à 105 X de la valeur de tarage ce qui conduira à une fermeture franche sans battement du clapet, même si la pression était encore légèrement excédentaire juste sous le dapet, en raison par exemple de phénomène d'ondes de pression ou d'un changement d'état du fluide dé- chargé passant de l'état de vapeur à l'état liquide, ou l'inverse. On pourra tout d'abord noter qu'on obtient ainsi une assistance à la fois à l'ouverture et à la fermeture de la soupape, respectivement de l'ordre de 12 et 5 X de la valeur nominale de tarage, et ceci en conser- vant une entière autonomie Cette autonomie est assurée à la fois par le réservoir propre 33 pour l'alimentation en gaz sous pression, et par l'ali- mentation électrique de l'électrovanne à partir d'une source secourue par des batteries d'un circuit de contrôle, indépendantes du réseau ou de grou- pes électrogènes La consommatio'n en gaz sous pression se limite à un volu- me de la chambre 57 à chaque cycle ouverture-fermeture de la soupape ce qui assure une autonomie de longue durée avec une bouteille 33 usuelle. On notera encore que le fonctionnement du dispositif d'assistan- ce resterait inchangé même s'il était utilisé dans une enceinte confinée o les conditions d'ambiance, press'on et température, venaient à être modi- fiées Ea effet la pression ambiante s'exerce par les évents 60 et 61 sur l'autre face du piston 53 et au dessus du plateau 48 Mais par le jeu du détendeur régulateur 30 la pression différentielle par rapport à l'ambiance reste constante à la sortie basse pression 29, si bien que l'effort fourni en assistance à l'ouverture par le piston 53 restera constante quelle que soit la pression ambiante Par ailleurs l'évent 61 pourra être calibré pour constituer un amortisseur en cas d'ouverture trop brusque de la soupape. Le dispositif ainsi réalisé selon l'invention ne peut pas non plus constituer un risque supplémentaire en cas de défaillance de ses pro- pres organes En effet si par exemple l'électrovanne 24 ne s'ouvrait pas à l'appel de la bobine, il n'y aurait plus assistance à l'ouverture, mais la seule perturbation apportée au fonctionnement de la soupape proprement dite ne serait qu'une majoration de 5 %/ de sa valeur de tarage à l'ouverture, ce qui est toujours acceptable compte tenu des coefficients de sécurité pris par ailleurs Il en serait de même en cas de rupture d'une des tuyauteries 7 2524960 d'alimentation, ou du détendeur, ou en cas de déclenchement intempestif de la soupape 34. Inversement, si après ouverture l'électrovanne ne remettait pas en état de vidange à l'atmosphère la chambre 57 mais y maintenait la pression, tout ce passerait comme si le tarage de la soupape de sécurité était diminué de 12 %, ce qui est dans le sens de la sécurité pour l'ins- tallation; en effet la pression dans la chambre 57 resterait constante car la surpression engendrée par la course de fermeture sous l'action des ressorts 7 et 51 serait annulée par l'effet du détendeur-régulateur 30. On notera enfin que le dispositif décrit permet de procéder à des essais de fonctionnement à vide, lorsque l'enceinte à protéger n'est plus sous pression, et sans avoir à démonter ni la soupape proprement dite ni son dispositif d'assistance Il suffit pour cela, pour un essai d'ou- verture, de règler le détendeur 30 pour qu'il délivre à sa sortie 29 une pression qui engendre sous le piston 53 une poussée supérieure à 105 % de la valeur normale de tarage, et d'alimenter la bobine 37 de l'électrovanne, pour vérifier au moyen du capteur de position 62 l'ouverture du clapet, ouverture qui se produit alors dans les mêmes conditions que si la pression critique régnait sous le clapet Inversement, en maintenant l'alimentation de la chambre 57, mais en règlant le détendeur 30 pour qu'il délivre une pression qui engendre sous le piston 53 une poussée inférieure à 105 % de la valeur nominale de tarage, on doit observer la fermeture de la soupape dans les conditions qui seraient celles du retour à une pression inférieu- re à la valeur critique dans l'enceinte. Bien entendu, l'invention n'est pas strictement limitée au mode de réalisation qui a été décrit à titre d'exemple, mais elle couvre égale- ment les réalisations qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes de réalisation, ou par l'utilisation de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Dispositif autonome d'assistance d'une soupape de sécu- rité de protection d'une enceinte contenant un fluide sous pression, la soupape comportant un corps creux monté sur l'enceinte, et communiquant avec l'intérieur de celle-ci, un siège conjugué avec un clapet mobile soli- daire d'une tige, et un ressort de tarage en appui sur la tige par une de ses extrémités et sur le corps de soupape par son autre extrémité, pour maintenir le clapet en appui étanche sur le siège tant que la pression à l'intérieur de l'enceinte reste inférieure à une pression limite de règla- ge, caractérisé par le fait que la tige du clapet est prolongée dans un boîtier solidaire du corps de la soupape pour recevoir, dans le même sens que cel- le du ressort de tarage, la poussée additiounelle d'un ressort complémen- taire en appui sur le prolongement de la tige par une de ses extrémités et sur le boitier par son autre extrémité, le boîtier constituant en outre un vérin pneumatique à simple effet dont le piston, en cas d'alimentation du vérin, exerce sur la tige du clapet une poussée opposée et supérieure à celui du ressort complémentaire. et par le fait que le dispositif d'alimentation du vérin comporte: un réservoir autonome de gaz sous pression avec un détendeur, une électrovanne à trois voies branchée de telle sorte qu'en position d'excitation elle alimente le vérin à partir du réservoir et qu'en position de repos elle isole le réservoir en mettant la chambre du vérin en relation devidange vers l'atmosphère ambiante, un manocontact monté sur la paroi de l'enceinte, pour l'alimentation de la bobine de l'électrovanne à partir d'une source électrique secourue par des batteries, le manocontact étant règlé pour fermer le circuit d'alimen- tation de la bobine lorsque la pression dans l'enceinte atteint la pression de tarage. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que le détendeur de réservoir de gaz est un déten- deur-régulateur assurant, par rapport aux conditions d'ambiance, une pres- sion différentielle constante pour l'alimentation du vérin par l'intermé- diaire de la vanne à trois voies. 3. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que le ressort complémentaire exerce sur la tige du clapet une poussée dans le même sens de l'ordre de 5 % de l'effort de tara- ge du ressort principal, tandis que la poussée exercée par le vérin est en 9 2524960 sens inverse de celle du ressort principal, del'ordre de 17 % de celle-ci. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé par le fait que le boitier est séparé du corps de la soupape par une entretoise comportant une lumière pour l'accès à une vis de réglage du tarage du ressort principal de la soupape.