Brevet FR2549566A1 — publié le 19850125

L'invention concerne des robinets à boisseau comportant un obturateur ou clé conique ou cylindrique, et plus particulièrement des robinets à boisseau qui utilisent des chemises pour former un joint entre l'obturateur et le corps du robinet et qui peuvent être soumis à des pressions de travail élevées. Des robinets à boisseau de ce type sont bien connus et l'invention est destinée à résoudre des problèmes posés couramment par l'étanchéité de ces robinets sur une large plage de pressions et sur une plage de températures élevées, tout en maintenant un faible couple de manoeuvre , même après de longues périodes de nonutilisation, et en évitant la nécessité, en général, d'une lubrification. Conformément à l'invention, il est prévu un robinet à boisseau comprenant un corps présentant une entre et une sortie reliées par une cavité, un obturateur ou cle conique ou cylindrique monte de façon à pouvoir tourner dans la cavité, traverse par un canal et conçu de façon à pouvoir être tourné sélectivement au moyen d'une broche, d'une position d'ouverture dans laquelle le canal fait communiquer l'entrée et la sortie å une position de fermeture dans laquelle cette communication est empêchée, l'obturateur, en position de fermeture, pouvant flotter à l'intérieur de la cavité par rapport à la broche suivant une ligne reliant l'entrée et la sortie, et une chemise auto-portante situee entre la cavité du corps et l'obturateur et présentant une entrée et une sortie alignées respectivement sur l'entrée et la sortie du corps, une garniture s'étendant sensiblement sur la totalité de ses surfaces intérieure et extérieure pour permettre la formation d'un joint au moins dans la zone de la sortie du.corps, d'abord entre le corps et la chemise, et ensuite entre la chemise et l'obturateur. Une rotation de l'obturateur sur 90 ou d'un quart de tour fait généralement passer le robinet de sa position d'ouverture et sa position de fermeture et des moyens peuvent être prévus pour limiter la rotation de l'obturateur à cette valeur dans la cavité. La possibilité de l'obturateur de se déplacer à l'intérieur de la cavité, indépendamment de la broche de la vanne, c'est-à-dire de flotter, le long d'une ligne s'étendant entre l'entrée et la sortie du robinet lorsque ce dernier est en position fermée signifie que l'étanchéité entre le corps et la chemise et entre la chemise et l'obturateur peut être assurée, car la pression du fluide dans un circuit auquel un robinet est relié s'exerce sur l'obturateur, à l'extrémité amont du robinet. I1 convient cependant de noter que, d'une manière générale, l'amplitude du mouvement de l'obturateur à l'intérieur de la cavité, lorsqu'il "flotte" est relativement faible. La chemise se présente généralement sous la forme d'un fourreau dont les dimensions lui permettent de s'ajuster en contact étroit avec la paroi de la cavité du robinet et avec la surface extérieure de l'obturateur. Ce dernier est cylindrique ou conique, habituellement tronconique, et la cavité du corps peut donc habituellement être cylindrique ou conique. De plus, dans de tels cas, la chemise peut être i) cylindrique à 1' extérieur et conique à l'intérieur, c'est-a-dire adaptée à une cavité cylindrique et à un obturateur conique ii) cylindrique à l'extérieur et à l'interieur, c'est-à-dire adapté à une cavité et un obturateur cylindriques ; et iii) conique à l'extérieur et à l'intérieur, c'est-à-dire adaptée a une cavité et un obturateur coniques. La chemise doit etre auto-portante et ceci peut aisément être obtenu en realisant cette chemise à partir d'un substrat résistant, habituellement métal, qui est revêtu de la matière de garniture. Ce revêtement peut être constitué de tout type de matière plastique ou d'élastomère et le choix pour tout robinet particulier dépend de la nature du fluide devant traverser le robinet et des conditions d'utilisation du robinet. Les deux surfaces de la chemise sont généralement, bien que non nécessairement, revêtues de la même matière de garniture. Le revêtement interne de la chemise doit avoir un coefficient de frottement suffisamment bas pour permettre une rotation aisée de l'obturateur à l'intérieur de la chemise. Une matière avantageuse de revêtement pour la chemise est une résine fluorocarbonée, en particulier du polytétrafluoréthylène (PTFE), qui peut être renforcé par l'inclusion de fibres, de particules métalliques ou d'autres substances connues de renfort ; un exemple d'une telle matière renforcée de garniture est le polytétrafluoréthylène chargé de nickel. En général, l'épaisseur du revêtement sur chaque face de la chemise est comprise entre 0,004 et 2 mm, par exemple de 0,5 mm. Des moyens sont avantageusement prévus pour empêcher la chemise de tourner à l'intérieur du corps. Ceci peut être assuré, par exemple, par la présence de trous dans la partie inférieure de la chemise, ces trous pouvant recevoir des ergots ou d'autres saillies fixés au corps. En variante, les trous peuvent être formés dans le corps et les ergots/saillies peuvent etre portés par la chemise. Pour permettre à l'obturateur de flotter, la broche du robinet doit être indépendante de l'obturateur. Cependant, pour permettre à la broche de faire tourner l'obturateur, ce dernier peut être equipé utilement de moyens, par exemple une ouverture sensiblement rectangulaire ménagée dans sa surface adjacente à la broche, c'est-à-dire, normalement, sa surface supérieure, qui peut recevoir une saillie de la broche et coopérer avec elle, par exemple un embout carré ou rectangulaire en saillie peut s'enclencher avec l'ouverture rectangulaire, de plus faible dimension, de l'obturateur, pour qu'une rotation puisse être effectuée et que, lorsque le robinet est fermé, l'obturateur puisse flotter.Dans l'exemple d'agencement décrit, la grande dimension de l'ouverture est cependant perpendiculaire à l'axe longitudinal du canal de l'obturateur et la broche permet donc à l'obturateur de se déplacer le long de la rainure uniquement lorsque le robinet est en position de fermeture. Dans une forme préférée de réalisation du robinet selon l'invention, l'obturateur ou clé renferme un organe rapporté logé à l'intérieur d'une cavité, sur la surface de l'obturateur, et sollicité, lorsque le robinet est fermé, de façon à être éloigné du centre de l'obturateur et déplacé vers la sortie du robinet, aidant ainsi à l'étanchéité du robinet. L'organe rapporté est généralement dimensionné et configuré de façon à pouvoir recouvrir totalement la sortie du robinet en position de fermeture. Aussi, généralement, la sortie du robinet est un orifice circulaire partant de la cavité du corps et l'organe rapporté est également circulaire, d'un diamètre supérieur à celui de la sortie, et il est positionné de manière que, lorsque l'obturateur est tourné en position de fermeture, cet organe rapporté couvre complètement la sortie. Les moyens de sollicitation qui tendent à placer l'organe rapporté en contact étroit avec la sortie peuvent être tout type convenable de moyens à ressort, y compris des rondelles Belleville. En général, la forme et la dimension de l'organe rapporté ne doivent pas modifier la surface globale exterieure de l'obturateur et, d'une façon génerale, l'organe rapporté ne doit pas depasser notablement de la surface de l'obturateur, car le contact entre l'organe rapporté et la cavité du corps empêche ce dépassement à la fois en position "ouverte" et "fermée". L'organe rapporté est généralement réalisé dans le même type de matière que la partie restante du robinet, communément du métal, bien qu'elle puisse en différer parfois. Cependant, il peut être nécessaire, dans certaines circonstances, d'utiliser une matière de garniture avec l'organe rapporté pour assurer l'étanchéité complète du robinet. Par exemple, une bague annulaire d'une telle matière, habituellement du polytétrafluoréthylène, peut être logée dans une gorge ménagée à la périphérie de l'organe rapporté et peut donc entrer en contact avec la paroi de la cavité du corps. Une. telle bague peut aussi être utilement en contact avec la paroi de la cavité de l'obturateur, également. La surface de l'organe rapporté adjacente à la chemise peut également être revêtue d'une matière de garniture, par exemple du polytétrafluoréthylène, si cela est nécessaire aux températures élevées. 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 coupe verticale axiale du robinet à boisseau selon l'invention, représenté en position de fermeture - la figure 2 est une vue en plan de l'extré- mité supérieure de l'obturateur du robinet montré sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en plan de l'extrémité inférieure de l'obturateur du robinet des figures 1 et 2, montrant les moyens par lesquels la rotation de l'obturateur est limitée à un quart de tour - la figure 4 est une coupe verticale partielle de la vanne selon l'invention modifiée par rapport à celle de la figure 1 cet et - la figure 5 est une coupe horizontale partielle d'une autre forme de réalisation du robinet selon l'invention. Le robinet représente sur la figure 1 comprend un corps 1 comportant des brides 2, sur chaque côté, pour être raccordé à une conduite (ou tout autre élément). Des alésages cylindriques 3 et 4 ménagés dans le corps de la vanne définissent respectivement l'entrée et la sortie, et le sens d'écoulement est indiqué par la flèche A. Le corps présente également un alésage cylindrique 5 qui définit une cavite faisant communiquer l'entrée 3 et la sortie 4. Une chemise, se présentant sous la forme d'un fourreau 6 de forme globalement cylindrique, à l'extérieur et à l'intérieur, est montée dans la cavité. La dimension du fourreau 6 est telle qu'il est en contact étroit avec la cavité du corps sensiblement sur toute sa surface extérieure. Le fourreau présente, de chaque côté, des ouvertures dont la forme et la dimension correspondent à celles de l'entrée et de la sortie du robinet. Des moyens (non représentés) empêchent le fourreau de tourner à l'intérieur de la cavité. Le noyau central du fourreau 6 est métallique et ses deux faces sont revêtues d'une couche 7, 7' de matière de garniture et, en particulier, de polytétra fluoréthylène dont l'épaisseur est d'environ 0,5 mm (bien que cette épaisseur puisse varier d'un robinet à un autre comme décrit précédemment). Un obturateur ou une clé 8, présentant une surface extérieure cylindrique, est positionné à I'inté- rieur du fourreau et est en contact, par sa surface extérieure, avec le fourreau. L'obturateur 8 est monte de façon à pouvoir tourner dans la cavité du corps, à l'intérieur du fourreau 6. La surface extérieure de l'obturateur est dimensionnée de façon à pouvoir être logée en contact étroit avec la surface intérieure du fourreau, sensiblement sur la totalité des surfaces. En raison du faible coefficient de frottement du polytetrafluoréthylène formant le revêtement intérieur du fourreau 6, l'obturateur peut tourner librement à l'intérieur de la cavité du corps du robinet. L'obturateur 8 presente un canal 11 de section circulaire qui, lorsque le robinet est en position d'ouverture, est aligné avec l'entrée 3 et la sortie 4 du corps. La figure 1 représente le robinet en position de fermeture. Les robinets selon l'invention sont particu lièrement utiles pour établir une "pleine ouverture" et on peut voir sur la figure 1 que la forme particulière de réalisation de l'invention presente une telle "pleine ouverture L'obturateur présente une cavité annulaire 9 qui reçoit un organe rapporté annulaire 10 dont le diamètre correspond à celui de la cavité, mais lui permet de glisser à l'intérieur de la cavité.L'organe rapporté est sollicité de façon à s'éloigner du centre de l'obturateur au moyen d'une rondelle à ressort 12, mais son entrée en contact avec la surface intérieure du fourreau 6 l'empêche de dépasser de la surface de l'obturateur. Etant donné que le diamètre de l'organe rapporté 10 est supérieur au diamètre de la sortie 4 et de l'ouverture correspondante du fourreau 6, L'organe-rapporté 10 est appliqué fermement contre la sortie 4, sur la totalite de la circonférence de cette dernière. Un ensemble analogue, comprenant une cavité 13 de l'obturateur, un organe 14 rapporte dans l'obtura- teur et une rondelle à ressort 15, est disposé sur l'autre coté de l'obturateur,de sorte que le robinet est réversible, On peut faire tourner l'obturateur au moyen d'une broche 16. Cette dernière est montée de façon à pouvoir tourner dans un chapeau 17 du corps 1, le chapeau 17 etant monté fixement sur le corps au moyen d'un boulon 18. La broche 16 est donc maintenue fermement par le chapeau 17, mais l'obturateur 8 peut "flotter" a l'intérieur de la cavité 5 du corps du fait de la présence, voir en particulier sur la figure 2, d'une rainure allongée 19 dans la surface supérieure de l'obturateur 8, cette rainure recevant une saillie de section essentiellement rectangulaire de la broche 16.Un mouvement indépendant de la broche par rapport à l'obturateur 8 est donc autorisé uniquement suivant une ligne impose par la rainure 19 de l'obturateur, qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du canal 11 de l'obturateur et étant donné que l'obturateur "flotte" sous l'effet de la pression amont A du fluide, le mouvement de l'obturateur par rapport à la broche ne peut- se produire que lorsque le robinet est en position de fermeture. Les parties concernées de la broche peuvent être utilement revêtues de polytétrafluoréthylène ou d'une matière analogue pour faciliter la rotation. Le ressort 20, centré dans la tige supérieure, applique une certaine pression à l'obturateur 8 à l'inté- rieur du fourreau 1 et assure également une liaison électrique entre l'obturateur et le corps par l'intermé diaire de la broche zone de cette manière, le ressort 20 se comporte comme un dispositif antistatique. I1 est évident que le robinet travaille par une rotation sur un quart de tour de la broche 16 et donc de l'obturateur 8, et il est utile de limiter la rotation possible de l'obturateur à un quart de tour. Ceci est obtenu, dans le robinet particulier montré sur la figure 1, par réalisation d'une partie usine circulaire 8' sur l'extrémité inférieure de l'obturateur 8 (voir également la figure 3), destinée à s'enclencher avec un ergot 21 fixé dans le corps 1. L'obturateur 8 présente un autre canal 22 reliant les cavités 9 et 13 de maniere que, dans la position "fermée*, la pression du fluide régnant dans 1 'entrée 3 soit transmise par cet autre canal et le canal 11 de l'obturateur à la surface intérieure de l'organe rapporté 10 pour favoriser l'étanchéité du robinet. Dans la forme de réalisation de robinet montré sur la figure 1, des garnitures annulaires facultatives 23, 24 sont logées dans des gorges annulaires situées dans la surface extérieure des organes rapportés 10 et 14. Ces garnitures sont présentes dans la forme particulière de réalisation montrée sur la figure 1 afin d'aider à l'étanchéité du robinet en position de fermeture en formant un joint entre les garnitures et la paroi intérieure de la cavité du corps. Un presse-etoupe 26 de sécurité, comportant une bague 27 d'étanchéité, est avantageusement utilisé dans les robinets de l'invention, comme montré sur la figure 1. La bague 27 peut être en polyétrafluoréthylène ou en graphite. Lors de l'utilisation du robinet, le principe de fonctionnement est que l'obturateur 8, dans sa position d'ouverture, est logé symétriquement dans le fourreau 6 et que le fluide passe dans le canal 11 de l'obturateur sans exercer aucune force importante sur l'obturateur proprement dit ; cependant, en position de fermeture, c'est-a-dire lorsque l'obturateur ferme en particulier l'entrée 3, la pression amont A déplace l'obturateur et le pousse pour assurer l'étanchéité entre l'obturateur proprement dit et le fourreau 6, l'étanchéité etant assurée par contact avec le revêtement intérieur 7 du fourreau et étant favorisée par l'organe rapporté 10 situé dans l'obturateur 8.La poussée de la pression vient faire porter l'ensemble constitué par l'obturateur 8, le fourreau 6 et le revêtement extérieur 7' du fourreau contre le corps 1 pour établir l'étanchéité entre le fourreau 6 et le corps 1. Le robinet selon l'invention est particulièrement utile aux pressions moyennes, élevées et très élevées, mais il peut également être utilisé à une pression inférieure. Le robinet fonctionne également bien sous un vide primaire et moyen ; dans ce dernier cas, l'aspiration du vide produit le même effet que celui décrit ci-dessus pour la pression. Par conséquent, dans les deux cas, l'étanchéité est assurée sur tout le pourtour de l'ouverture de sortie et il n'est pas nécessaire que le robinet comporte un presse-étoupe. Le presse-étoupe 26 de sécurité de la forme de réalisation décrite ci-dessus est destiné seulement à doubler la sécurité. En général, les robinets selon l'invention peuvent être utilisés pour tous les gaz et tous les liquides, et même des suspensions, suivant la structure métallurgique et la composition des éléments des robinets. Ils conviennent à de hautes températures selon les pro piétés de la chemise. Le ressort 20, ou tout autre organe métallique élastique, constitue, entre autres, un dispositif antistatique qui élimine donc, en ce qui concerne la lutte contre l'incendie, les "amorçages" électriques indésirables entre l'obturateur et le corps du robinet, ces amorçages pouvant autrement apparaître dans le cas ou la garniture serait détruite par le feu ou d'une autre manière. Même si la garniture est détruite, le robinet continue de fonctionner, bien que d'une façon moins efficace. Les formes de réalisation modifiées de robinet montrées sur les figures 4 et 5 concernent principalement une utilisation à haute température. Les modifications portent sur la nature des garnitures qui peuvent être utiles à de telles températures élevées et qui permettent aux robinets d'être utilisés en toute sécurité à ces températures. La figure 4 montre une garniture de forme différente, associée à une bague d'étanchéité spéciale 25 pour haute température, entre le corps 1 et le chapeau 17. La figure 5 montre la manière dont des substances lubrifiantes peuvent être injectées entre la cavité de l'obturateur et des organes rapportés dans l'obturateur, à la place des garnitures 23 et 24 du robinet représenté sur la figure 1. Les robinets peuvent également être utilisés dans des applications cryogéniques. Lorsqu'il est utilisé pour des opérations cryogéniques biphasées, en particulier, l'obturateur peut être percé d'une ou plusieurs cavités reliant le canal de cet obturateur aux surfaces extérieures correspondantes de l'obturateur afin d'établir une décharge de pression pour "l'espace mortdu canal et permettre une décompression amont du canal. La décharge de pression peut également être obtenue d'une façon similaire en reliant le canal de l'obturateur aux parties supérieure et inférieure du corps du robinet. Des formes particulières de réalisation du robinet de l'invention peuvent comprendre un corps dont la partie inférieure comporte des moyens permettant un remplacement aise de l'obturateur dans les cas où ce dernier est conique. L'effet est de contrôler l'insertion de l'obturateur-. D'autres formes particulières de réalisation peuvent également être équipées d'un piston réglable commandé, par exemple, par une vis et un volant pour régler l'écoulement du fluide dans le canal de l'obturateur, même lorsque le robinet est en position d'ouverture. Dans un tel agencement, des moyens sont prévus pour permettre à la section d'écoulement du canal de l'obtura- teur d'être réglée sélectivement par insertion du piston dans le canal alors que le robinet est en position d'ouverture. L'étanchéité du piston, à sa sortie du corps du robinet, peut être assurée par des moyens classiques. Lorsqu'il est équipé de ce dispositif, le robinet devisent un robinet ou une vanne de commande et d'arrêt d'écoulement a quart de tour, actionné par un piston plongeur. Une autre forme particulière de réalisation du robinet de l'invention peut comporter des moyens d'étanchéité supplémentaires placés soit sur le bord intérieur d'au moins l'une des ouvertures de la chemise, soit sur l'obturateur du robinet, ce qui est apparu particulierement utile lorsque le robinet doit être utilisé à des pressions relativement basses. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au robinet décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Robinet à boisseau, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) présentant une entrée (3) et une sortie (4) reliées par une cavité (5) du corps, un obturateur conique ou cylindrique (8) monté de façon à pouvoir tourner dans la cavité, traversé par un canal (11) et conçu pour être tourné sélectivement au moyen d'une broche (16) d'une position d'ouverture dans laquelle le canal fait communiquer l'entrée avec la sortie et une position de fermeture dans laquelle cette communication est empêchée, l'obturateur étant capable, en position de fermeture, de flotter dans la cavité par rapport à la broche suivant une ligne reliant l'entrée à la sortie, uné chemise auto-portante (6) étant placée entre la cavité du corps et l'obturateur et présentant une entrée et une sortie alignées respectivement sur l'entrée et la sortie du corps, une matière de garniture (7, 7') s'étendant sensiblement sur la -totalité des surfaces intérieure et extérieure de cette chemise afin de permettre la formation d'un joint dans la zone au moins de la sortie du corps, d'abord entre le corps et la chemise, et ensuite entre la chemise et l'obturateur. 2. Robinet selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise est réalisée à partir d'un substrat métallique revêtu de la matière de garniture. 3. Robinet selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière de garniture de la chemise est une résine fluorocarbonée. 4. Robinet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'obturateur comporte des moyens (19) pouvant recevoir une saillie de la broche et coopérer avec cette saillie pour permettre une rotation et, lorsque le robinet est en position de fermeture, pour permettre à l'obturateur de flotter. 5. Robinet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'obturateur comporte un organe rapporté (10) logé dans une cavité (9) de la surface de cet obturateur et sollicité, lorsque le robinet est fermé, de façon à s'écarter du centre de l'obturateur et se diriger vers la sortie du robinet, renforçant ainsi l'étanchéité du robinet. 6. Robinet selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe rapporté recouvre complètement la sortie du robinet en position de fermeture. 7. Robinet selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la surface de l'organe rapporté sur l'obturateur, adjacente à la chemise, est également revêtue d'une matière de garniture.