Brevet FR2540216A1 — publié le 19840803

L'objet de l'invention est une vanne à boisseau qui comporte des moyens d'égalisation de pression. Dans une vanne à boisseau fermée la différence des pressions exis- tant entre l'amont et l'aval du boisseau crée des forces qui s'exercent sur ledit boisseau de la vanne et qui ont tendance à l'écraser sur le siège d'étanchéité situé en aval de la vanne Il en résulte que l'ouverture de la vanne qui s'effectue par rotation du boisseau nécessite un couple important pour vaincre les fric- tions dues à ces forces d'écrasement Ce couple est d'autant plus élevé que la différence de pression qui s'exerce sur le boisseau est plus grande. On connait déjà des dispositifs permettant d'égaliser les pressions en amont et en aval du boisseau. Ces dispositifs présentent généralement l'inconvénient de nécessi- ter un déplacement préalable du boisseau de vanne pour obtenir l'égalisation des pressions amont et aval de-la vanne Ce déplace- ment préalable s'effectue donc sous l'action des forces de pression existant de chaque c 8 té du boisseau, et bien que limité n'élimine pas complètement l'inconvénient mentionné plus haut. A titre d'exemple, un tel dispositif est décrit dans le brevet amé- ricain N O 3,883,113 du 13 mai 1975 de ACF Industries Ce dispositif comporte un évasement des lèvres intérieures du passage de l'obtu- rateur qui au moment de la rotation pour passer en position ouverte lamine le flux du fluide retenu par la vanne créant ainsi un débit progressif de la veine fluide. Le brevet américain 4,293,163 de la Société Texas Iron Wiorks n'éli- mine pas non plus totalement les forces générées par la différence de pression existant en amont et en aval du boisseau en ce sens que la pression existant en amont du boisseau est dirigée à la périphé- rie du boisseau par des moyens appropriés, mais qu'elle n'est pas appliquée en aval du boisseau avant le déplacement de celui-ci. Les vannes de l'art antérieur sont généralement munies d'un ou plu- sieurs joints d'étanchéité sur le siège aval du boisseau Ce ou ces joints, par suite des forces générées par la différence des pres- sions amont et aval existant sur le boisseau sont soumis à des for- ces d'écrasement conduisant à leur détérioration rapide, spéciale- ment lors de la manoeuvre du boisseau. L'invention fournit un dispositif ne présentant pas les inconvé- nients ci-dessus, en particulier l'effort nécessaire au déplacement du boisseau pour ouvrir la vanne lorsqu'elle est soumise à une dif- férence de pression entre l'amont et l'aval dudit boisseau est pra- tiquement nul Il s'ensuit que l'usure des sièges d'étanchéité est pratiquement inexistante Un autre avantage est qu'il devient pos- sible de mesurer la pression amont de l'obturateur depuis la partie aval de la vanne sans que l'obturateur de ladite vanne soit en po- sition ouverte. De façon plus précise, l'invention a pour objet une vanne à bois- seau comprenant un corps de vanne, muni d'un obturateur percé de part en part d'un passage permettant la communication entre l'amont et l'aval du corps de vanne ainsi que des moyens de déplacement du- dit obturateur, traversant de façon étanche le dit corps de vanne, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'égalisation de pression amont et aval de ladite vanne, sans déplacement préalable dudit obturateur, lesdits moyens d'égalisation de pressions compor- tant au moins un percement à l'intérieur desdits moyens de dépla- cement dudit obturateur faisant communiquer en pression l'amont et l'aval de ladite vanne lorsque lesdits moyens de déplacement ont été tournés d'un angle déterminé à partir d'une position extrême et lesdits moyens de déplacement n'agissant sur ledit obturateur pour l'ouverture de ladite vanne qu'après qu'ils aient tournés dudit angle déterminé. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la vanne ne comporte qu'un seul joint d'étanchéité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accom- pagnent dans lesquels: la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un dessin sché- matique de principe de l'invention, la figure 2 représente une vue de face de l'obturateur en posi- tion fermée sans égalisation, la figure 3 représente une vue de face de l'obturateur en posi- tion fermée avec égalisation, la figure 4 représente une vue de face de l'obturateur en posi- tion ouverte, la figure 5 représente une coupe longitudinale d'un mode de ré- alisation de l'invention, et la figure 6 représente une perspective éclatée du dispositif vu du c 8 té des moyens de déplacement de l'obturateur, celui-ci étant en position fermée sans égalisation. La figure 1 montre que le corps de vanne 1 est installé dans une conduite à travers laquelle le sens de l'écoulement des fluides se produit de la partie amont la vers la partie aval lb du corps de vanne 1. Le corps de vanne 1 contient un siège amont d'obturateur 2 muni d'un joint d'étanchéité 2 a Le joint 2 a assure l'étanchéité sur l'obturateur 3 qui dans le cas de la figure est un boisseau sphé- rique représenté en position fermée. L'obturateur 3 est inséré entre le siège amont d'obturateur 2 et le siège aval d'obturateur 4. Il est à remarquer dans la présente invention, qu'aucun joint d'étanchéité n'est prévu sur le siège aval 4 Le siège aval 4 en- caisse toutes les forces dues à la différence de pression existant sur le boisseau Le contact métal sur métal existant entre ce siège aval 4 et le boisseau sphérique 3 n'intervient que pour une faible part dans l'étanchéité de la vanne assurée par le joint 2 a qui n'est soumis qu'à des forces minimales. La rotation de l'obturateur est assurée à l'aide des moyens de dé- placement 5 représentés en traits forts Ces moyens de déplacement sont constitués par un axe cylindrique 51 muni d'un carré d'entrai- nement 52, d'un épaulement cylindrique 53 comportant un lamage 53 a contenant une pastille 6 réalisée en carbure de tungstène et munie d'une lumière 6 a faisant contact avec un méplat 31 usiné sur l'ob- turateur sphérique de façon à assurer une étanchéité de type métal sur métal. Les moyens de déplacement 5 comportent également un bossage 54 d'entraînement du boisseau sphérique venant se loger dans une rai- nure 32 usinée dans ledit boisseau de façon à en assurer le dépla- cerent. Les figures 2, 3 et 4 illustrent de manière plus précise la façon par laquelle se fait le déplacement du boisseau sphérique ainsi que l'égalisation préalable des pressions amont et aval, avant que le boisseau sphérique n'ait été déplacé. Sur les figures précitées, le bossage 54 d'entraînement du boisseau sphérique 3 ainsi que le contour de la pastille 6 avec sa lumière 6 a sont représentés en traits continus forts de façon à faciliter la compréhension du système d'égalisation antérieur à la rotation du boisseau sphérique 3. Sur les mêmes figures, le boisseau sphérique est représenté en traits continus fins On remarque que la particularité de la rai- nure 32 est d'être de forme bi-trapézoidale ce qui permet au bos- sage 54 une rotation de 30 degrés à partir d'une position extrême sans que le boisseau ait été déplacé. La figure 2 montre le boisseau en position fermée Le bossage 54 est dans une position extrême à droite Le flanc droit 54 a du bos- sage est en contact avec le flanc 32 a de la rainure bi-trapézoidale 32, le flanc gauche 54 b du bossage est en contact avec le flanc 32 b de la rainure bi-trapézoidale Dans cette position, la lumière 6 a de la pastille 6 est excentrée de 30 degrés par rapport à un ori- fice 33 pratiqué dans le boisseau sphérique et mettant en communi- cation le méplat 31 du boisseau avec le passage interne 34 dudit boisseau. La figure 3 montre le boisseau en position fermée mais le bossage 54 a subi une rotation de 30 degrés dans le sens inverse des ai- guilles d'une montre de façon à ce que son flanc gauche 54 b soit maintenant en contact avec le flanc 32 c de la rainure bi-trapézo- idale et que son flanc droit 54 a soit en contact avec le flanc 32 d de la rainure bi-trapézoidale Dans cette position, la lumière 6 a de la pastille 6 est en face de l'orifice 33 pratiqué dans le bois- seau sphérique mettant ainsi en communication le passage interne 34 de l'obturateur avec la lumière 6 a de la pastille 6 Cette position est la position d'égalisation. La figure 4 montre le boisseau sphérique en position ouverte par suite d'une rotation supplémentaire de 90 dans le sens des ai- guilles d'une montre du bossage 54 Au cours de cette nouvelle ro- tation de 90 degrés la lumière 6 a de la pastille 6 reste en face de l'orifice 33 pratiqué dans le boisseau. Il est à noter que l'opération inverse de fermeture de la vanne est réalisée par une première rotation de 30 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre du bossage 54 ce qui a aussi pour consé- quence d'excentrer la lumière 6 a de l'orifice 33 donc de fermer la communication entre le passage interne 34 avec la lumière 6 a, puis ensuite d'une rotation supplémentaire de 90 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre du bossage 54 qui ramène le boisseau en po- sition fermée On se retrouve dans le cas de la figure 2. La figure 5 représente une coupe longitudinale du mode de réalisa- tion préférentiel de l'invention Sur cette figure on a représenté les moyens de déplacement en position d'égalisation, c'est-à-dire après une rotation de 30 degrés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport à la position de fermeture totale. Sur cette figure, le corps de vanne 1 est installé dans une con- duite dans laquelle le sens de l'écoulement des fluides s'effectue de la partie amont la vers la partie lb du corps de vanne 1. Le corps de vanne 1 contient un siège amont d'obturateur 2 muni d'un joint d'étanchéité 2 a ainsi qu'un joint torique 2 b Le joint 2 a réalise l'étanchéité sur l'obturateur 3 qui dans le cas de la figure est un boisseau sphérique Le joint torique 2 b réalise l'étanchéité du siège amont 2 sur le corps de vanne 1 L'obturateur 3 est inséré entre le siège amont 2 et le siège aval 4 fileté à sa partie supérieure externe 4 a de façon à pouvoir être déplacé longi- tudinalement dans le corps de vanne permettant ainsi un ajustage fin de l'obturateur 3 contre le joint d'étanchéité 2 a du siège amont 2. Aucun joint d'étanchéité n'est prévu sur le siège aval 4 Le siège aval 4 encaisse toutes les forces dûes à la différence de pression existant sur le boisseau Le contact métal sur métal existant entre ce siège aval 4 et le boisseau 3 n'intervient que pour une faible part dans l'étanchéité de la vanne assurée par le joint 2 a qui n'est soumis qu'à des forces minimales La rotation de l'obtu- rateur est assurée à l'aide des moyens de déplacement 5 Ces moyens de déplacement 5 sont constitués par un axe cylindrique 51 muni de joints toriques 51 a, d'un carré d'entraînement 52, d'un épaulement cylindrique 53 comportant deux lamages 53 a contenant des pastilles réalisées en carbure de tungstène 6 munies de lumières 6 a et fai- sant contact étanche métal sur métal avec un méplat 31 usiné sur l'obturateur sphérique 3 Les moyens de déplacement 5 comportent un bossage 54 d'entraînement du boisseau venant se loger dans une rai- nure 32 dudit boisseau de façon à en assurer le déplacement en ro- tation Le carré d'entraînement 52 peut être couplé à des moyens de rotation (non représentés) mécaniques -tels qu'un volant ou hy- drauliques. On remarque que dans la position d'égalisation représentée, les lumières 6 a des pastilles en carbure de tungstène 6 sont position- nées en face des orifices 33 aménagés dans le boisseau 3, ce qui permet de mettre en communication le passage interne 34 du boisseau avec des percements 51 b aménagés dans les moyens de déplacement 5. Ces moyens de déplacement sont eux-mêmes en communication constante avec un canal d'égalisation lc aménagé dans le corps de vanne 1, par l'intermédiaire d'une gorge torique 51 c pratiquée sur la partie cylindrique 51 desdits moyens de communication Le canal lc est connecté à la partie amont de l'obturateur à boisseau par un canal radial ld pratiqué dans le corps de vanne 1 Les bouchons le et lf ne sont installés qu'après perçage des canaux Ic et ld qui sont réalisés de la façon représentée pour des raisons de facilité d'usinage. Le passage interne 34 de l'obturateur lorsqu'il est en position fermée est en communication avec un évidement torique lg pratiqué dans le corps de vanne 1 et communiquant lui-même par l'intermé- diaire d'un canal lh pratiqué dans le siège aval 4 avec la partie aval lb de la vanne. Dans cette position d'égalisation, la communication de la partie aval lb de la vanne avec la partie amont la de ladite vanne est donc assurée par l'intermédiaire du canal lh, de l'évidement tori- que lg, du passage interne 34 de l'obturateur à boisseau 3, des percements 51 b aménagés dans les moyens de déplacement 5, de la gorge 51 c et des canaux lc et ld L'égalisation des pressions amont et aval est donc ainsi totalement réalisée. Il est à remarquer que les moyens de déplacement 5 du boisseau sphérique 3 sont pourvus d'un bouchon intérieur 52 a muni de 2 joints toriques 52 b et fileté à sa partie externe 52 c de façon à permettre l'obturation par un pointeau 52 d des percements 51 b des- dits moyens de déplacement lorsque la vanne est fermée, de façon à isoler de la pression amont les contacts étanches métal sur métal des pastilles au carbure de tungstène 6 sur le méplat 31 de l'obtu- rateur Ceci présente un intérêt évident de préservation de ces contacts en cas de longues périodes de fermeture de la vanne, par- ticulièrement lorsque les fluides véhiculés dans la conduite sont de nature corrosive. La figure 6 montre de manière plus évocative comment le bossage 54 d'entraînement du boisseau vient se loger dans la rainure 32 du boisseau 3 Cette rainure a la particularité d'être de forme bi- trapézoidale de façon à permettre un mouvement de rotation de 30 degrés de la part des moyens de déplacement 5 à partir d'une posi- tion extrême de contact sans que le boisseau ait été déplacé La butée 53 b sert à arrêter les moyens de déplacement dans leurs posi- tions extrêmes de fonctionnement. Il résulte de tout ce qui précède, qu'au cours de cette rotation de degrés des moyens de déplacement, les lumières 6 a des pastilles en carbure de tungstène 6 viennent se positionner en face des orn- fices 33 aménagés dans le boisseau sphérique 3 et situés dans le plan du méplat 31 La rotation de 30 degrés permettant l'égalisa- tion des pressions en amont la et en aval lb de la vanne, est sui- vie d'une rotation de 90 degrés permettant d'ouvrir la vanne au débit total passant dans la conduite, avec un couple faible et li- mité qui ne sert à vaincre que des forces de friction minimes de l'obturateur sur des sièges en 9 qui-pression. On remarque que l'invention présente l'avantage de permettre la mesure de la pression existant en amont de la vanne, à l'aide de moyens appropriés localisés dans la partie aval de la vanne, sans que la vanne soit ouverte au flux total des fluides la traversant lorsqu'elle est en position ouverte, donc sous un faible débit. Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution de l'invention donnés à titre d'exemples indicatifs mais nullement limitatifs A titre d'exemple, on peut considérer que l'obturateur à boisseau sphérique pourrait être rem- placé par un obturateur à boisseau cylindrique ou conique. REVENDICATIONS 1) Vanne à boisseau comprenant un corps de vanne ( 1), muni d'un ob- turateur ( 3) percé de part en part pour former un passage ( 34) permettant la communication entre l'amont (la) et l'aval (lb) du corps de vanne, ainsi que des moyens de déplacement ( 5) dudit obturateur traversant de façon étanche ledit corps de vanne, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'égalisation de pression amont et aval de ladite vanne, sans déplacement préala- ble dudit obturateur, lesdits moyens d'égalisation de pressions comportant au moins un percement ( 51 b) à l'intérieur desdits moyens de déplacement dudit obturateur faisant communiquer en pression l'amont et l'aval de ladite vanne lorsque lesdits moyens de déplacement ont été tournés d'un angle déterminé à partir d'une position extrême et lesdits moyens de déplacement n'agissant sur ledit obturateur pour l'ouverture de ladite vanne qu'après qu'ils aient tournés dudit angle déterminé. 2) Vanne à boisseau selon la revendication ( 1), caractérisée en ce que lesdits moyens d'égalisation comportent en outre au moins un canal ( 1 c), (ld) à l'intérieur dudit corps de vanne permettant la communication en pression entre ledit passage ( 34) et ledit percement ( 51 b) des moyens de déplacement, au moins un canal ( 33) percé dans ledit obturateur permettant la communication en pression entre ledit percement ( 51 b) des moyens de déplacement et ledit passage ( 34) et une communication de pression entre le- dit passage ( 34) et l'espace annulaire (lg) compris entre ledit corps de vanne ( 1) et ledit obturateur ( 3). 3) Vanne à boisseau selon la revendication 2 caractérisée en ce que ledit percement ( 51 b) des moyens de déplacement se termine par une section élargie ( 53 a) dans laquelle est logée une pastille ( 6) ayant une lumière ( 6 a), l'une des faces de ladite pastille se déplaçant de façon étanche sur une surface plane ( 31) dudit obturateur. 4) Vanne à boisseau selon l'une des revendications précédentes ca- ractérisée en ce que l'extrémité desdits moyens de déplacement ( 5) située en regard dudit obturateur ( 3) comporte un bossage d'entrainement ( 54) venant se loger dans une rainure ( 32) dudit obturateur, ledit bossage pouvant être déplacé dudit angle dé- terminé dans ladite rainure sans entraîner ledit obturateur. ) Vanne à boisseau selon l'une des revendications précédentes ca- ractérisée en ce que ledit obturateur ( 3) est maintenu dans le- dit corps de vanne ( 1) à l'aide d'un siège aval ( 4) et d'un siège amont ( 2), ledit siège amont comportant un joint d'étan- chéité ( 2 a) pour assurer l'étanchéité entre ledit obturateur et ledit siège amont, ledit siège aval étant monté de façon dépla- çable dans ledit corps de vanne pour ajuster la force de contact entre ledit obturateur ( 3) et ledit joint d'étanchéité ( 2 a).