Brevet FR2567232A1 — publié le 19860110

ROBINET A BOISSEAU A HAUTES PERFORMANCES. La présente invention concerne un robinet à boisseau utilisable notamment pour le contrôle et le sectionnement de fluides à haute pression et/ou à haute température. D'une manière générale, on sait que le sectionnement et le contrôle des fluides à des températures moyennes (de -500C à +2500C) et à des pressions inférieures à 50 bars, c'est-à- dire dans les conditions les plus courantes d'utilisationr font appel à de nombreux types de robinets et, en particu lier, aux robinets à papillon. Toutefois, dès que l'on veut couvrir des applications faisant intervenir des fluides à haute pression et/ou à haute température, le concept des robinets évolue vers les robinets à boisseau ou à clapet. I1 existe donc de très nombreuses variantes de ces deux types de robinets et, à l'heure actuelle, l'un des plus utilisés est le robinet à boisseau sphérique, c'est-à-dire un robinet comprenant habituellement - un corps tubulaire comprenant deux orifices radiaux coaxiaux, - un boisseau sphérique monte rotatif dans ledit corps (dans le volume compris entre les deux orifices), au moyen d'un arbre d'entratnement perpendiculaire à l'axe desdits or-ifices, ce boisseau étant diamétralement traversé de part en part, par un évidement axé perpendi culairement audit arbre d'entratnement, et - associée à chacun desdits orifices du corps, une garnitu re annulaire d'étanchéité conçue de manière à réaliser une étanchéité statique avec ledit corps et une étanchéi té dynamique avec ledit boisseau. Toutefois, ces robinets à boisseau sphériques présentent un certain nombre d'inconvénients, parmi lesquels on mentionnera : - des couples de manoeuvre élevés dus à la friction de la garniture sur le boisseau sphérique, au cours de sa rotation, - une usure prématurée des portées d'étanchéité résul tant du frottement boisseau/garniture lors des manu- vres, - des coincements provoqués par les dilatations diffé rentielles des différentes pièces constitutives du robinet, - des surpressions internes dues à la dilatation du fluide retenu prisonnier dans l'espace entre les deux garnitures d'étanchéité, à l'état fermé du robinet. Bien entendu, il a, déjà été proposé de nombreuses solutions pour supprimer au moins partiellement ces inconvénients. Toutefois, il s'avère que ces solutions demeurent incomplètes et/ou relativement complexes et, par conséquent, chères et peu fiables. L'invention a donc plus particulièrement pour but la réalisation d'un robinet à boisseau de conception simple mais cependant hautement performant et fiable, exempt des inconvénients précédemment mentionnés. A cet effet, elle propose d'utiliser, pour un robinet à boisseau, un principe cinématique spécifiquement conçu, à l'origine, pour les robinets à papillon et dont un perfectionnement se trouve décrit dans la demande de brevet français No 2 457 423 pour "Vanne papillon à dispositif d'obturation perfectionnée" déposée au nom de la Demanderes- se. Selon ce principe cinématique, le papillon se trouve décalé et excentré par rapport à son axe d'entratnement et vient porter par sa tranche, en fin de course dBobturationD sur une garniture d'étanchéité portée par lendit corps du robinet et axialement décalée par rapport audit axe. Il est clair que selon cette disposition, la garniture d'étanchéité ne se trouve sollicitée qu'en fin de course de fermeture du robi- net et, qu'en conséquence, les problèmes dus aux frottements et à l'usure papillon/garniture se trouvent en grande partie résolus. Ainsi, le robinet à boisseau selon l'inventionE qui fait intervenir, comme précédemment mentionné, un corps tubulaire à l'intérieur duquel est monté rotatif au moyen d'au moins un arbre d'entratnement, un boisseau traversé de part en part par un évidement, ou trou de passage du fluide, axé perpendiculairement. audit arbre et comprenant au moins deux surfaces d'étanchéité coopérant avec deux garnitures 8'étanchéité respectivement montées dans le corps de part et d'autre dudit boisseau, est plus particulièrement caractérisé en ce que lesdites surfaces d'étanchéité sont sensiblement tangentes à deux demi-sphères respectives accolées par leur plan équatorial et dont les centres sont respectivement situés de part et d'autre de l'axe de rotation dudit boisseau, de telle manière que - en position fermée du robinet, les centres des deux demi sphères et l'axe de rotation du boisseau soient dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'alésage dudit corps, et - en position ouverte du robinet, le centre des deux demi sphères et l'axe de rotation du boisseau soient dans un plan sensiblement parallèle à l'alésage dudit corps. Cette disposition permet de faire en sorte que lors de l'ouverture du robinet, le centre de chaque demi-sphère s'éloigne de la garniture correspondante. Ainsi, les surfaces sphériques en contact avec les garnitures suivent une trajectoire dégageante des joints lors de l'ouverture et engageante lors de la fermeture. Selon cette cinématique, le contact garniture/boisseau ne s'effectue que dans les derniers degrés de la fermeture du robinet, ce qui permet d'éliminer ainsi la majorité du frottement garniture/boisseau et, en conséquence, l'usure de ces éléments. Le couple de frottement du boisseau sur la garniture qui n'apparaît que lors des derniers degrés de fermeture quand les demi-sphères arrivent au contact des garnitures correspondantes, est éliminé pour la plus grande partie de la course de rotation du boisseau. Par ailleurs, les problèmes liés au passage des intersections du boisseau et de l'évidement de passage du fluide avec la garniture sont éliminés. On rappelle à ce sujet que dans les robinets à boisseau traditionnels, la pression exercée sur le boisseau par les garnitures en vue d'obtenir l'étanchéité du robinet est permanente pendant toute la course de rotation du boisseau, de sorte que le passage de l'orifice du trou de passage du fluide sur la garniture est une source de détérioration rapide de cette dernière. En outre, grâce aux dispositions précédemment décrites, le réglage de la fin de course de fermeture du boisseau permet d'ajuster les pressions de contact entre les garnitures et les portées respectives du boisseau. I1 devient donc possible d'optimiser les performances du robinet vis-à-vis du niveau d'étanchéité désiré et du couple nécessaire et, en conséquence, d'obtenir une optimalisation de l'actionneur nécessaire à la commande du robinet et donc du coût global de l'ensemble de l'installation. A l'instar des robinets à boisseaux classiques, le dispositif d'étanchéité utilisé dans le robinet à boisseau selon l'invention est double, l'un à l'amont, l'autre à l'aval Il est réalisé par la coopération de deux garnitures d'étanchéité et des deux surfaces d'étanchéité respectives du boisseau. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageuz: de l'invention, ces garnitures d'étanchéité consistent chacune en un joint présentant une forme similaire à celle d une rondelle "Belleville", dont la bordure intérieure présente une surface d'étanchéité destinée à coopérer avec la surface d'étanchéité correspondante du boisseau, en vue de réaliser une étanchéité dynamique et dont l'extrémité extérieure sert à réaliser une étanchéité statique avec le corps du robinet. Ainsi, en fin de fermeture du robinet, les surfaces d'étanchéité du boisseau viennent en contact avec les surfaces d'étanchéité des joints respectifs en les repoussant axialement. Le dimensionnement et donc la souplesse de ce joint sont prévus de telle manière qu'il soit, d'une part, capable de résister à la pression du fluide à étancher et, d'autre part, capable de créer dans la zone de contact avec le siège, une pression de contact initiale suffisante pour assurer le niveau d'étanchéité souhaité. En outre, grâce à cette disposition, on obtient une étanchéité autoclave lorsque la pression est exercée de l'exté rieur vers l'intérieur du robinet. Ainsi, lorsque le robinet est fermé, cette propriété offre un double avantage, à savoir : - la pression du fluide à étancher s'exerce uniquement sur le joint amont et le dispositif d'étanchéité de l'arbre de manoeuvre n'est pas soumis à la pression, de sorte qu'on diminue considérablement le risque de fuite vers l'extérieur du robinet ; - le liquide piégé dans l'espace compris entre les deux joints peut se dilater sans risque : le joint aval non soumis à la pression peut se soulever comme un clapet et laisser échapper l'excès de liquide vers l'aval, sans préjudice pour le corps tubulaire et le fonctionnement du robinet. Tel n'est pas le cas dans la plupart des robinets à boisseau couramment utilisés. En effet, si un échauffement du robinet se produit, par exemple dans le cas d'un incendie, le liquide piégé entre les deux joints (amont-aval) se dilate et engendre une surpression qui crée la détérioration des dispositifs d'étanchéité et parfois même, la déformation de façon permanente de pièces importantes avec risque de fuites vers l'extérieur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le robinet à boisseau peut en outre comprendre, pour chacun des joints, une butée solidaire du corps disposée de manière à limiter la déformation dudit joint sous l'effet de la pression exercée par le fluide. I1 convient de noter que les caractéristiques du robinet à boisseau selon l'invention sont valables quel que soit le sens de montage du robinet, sa construction étant parfaitement symétrique, il est bidirectionnel. Par ailleurs, l'invention ne se limite pas à une forme particulière des deux surfaces dfiétanchéité du boisseau Ce dernier peut être constitué par deux demi-sphères accolées par leur plan équatorial. Dans ce cas, les susdites surfaces d'étanchéité sont comprises dans la surface sphérique des deux demi-sphères. Toutefois, ces deux surfaces d'étanchéité peuvent présenter chacune une forme telle que définie dans la demande de brevet français no 2 457 423 précédemment citée, de telle sorte que l'angle d'incidence de cette surface avec la tangente à la trajectoire des points de contact surface d'étanchéité/garniture soit adapté pour minimiser le frottement, donc le couple. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-aprèsD à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels Les figures 1 et 2 représentent respectivement, en coupe axiale et en coupe transversale, un robinet à boisseau selon l'invention Les figures 3a, 3b et 3c sont des représentations schématiques illustrant le principe de fonctionnement du robinet à boisseau selon l'invention Les figures 4a, 4b et 4c sont des coupes partielles permettant d'illuster le comportement de la garniture d'étanchéité du robinet à boisseau représenté figure 1, en position d'ouverture (figure 4a), lors du début de fermeture (figure 4b), et lors d'une fermeture avec pression (figure 4c). Tel que représenté sur la figure 1, le robinet à boisseau comprend tout d'abord un corps 1 présentant - un alésage cylindrique 2 d'axe X, X', - deux faces radiales parallèles tou flancs latéraux) 3, 4 au centre desquelles débouche ledit alésage 2, - un fût tubulaire 5 s'étendant radialement d'un côté selon un axe Y, Y' perpendiculaire à l'axe X, X' et débouchant dans ledit alésage 2, et - une cavité cylindrique 6 coaxiale au fût 5 et diamétrale ment opposée à celui-ci. A l'intérieur de l'alésage du corps 1 est monté rotatif un boisseau 8 au moyen d'un arbre d'entrainement 9 passant à l'intérieur du fût 5 et pénétrant à l'intérieur de la cavité 6. Cet arbre 9 se trouve guidé par au moins deux coussinets 12, 13 logés à l'intérieur du fat 5 et de la cavité 6 de sorte que cet ensemble constitue une poutre rigide capable de résister aux effets de la pression sur le boisseau 8 en position de fermeture. Le boisseau 8 est formé par deux demi-sphères 14, 15 accolées par leur plan équatorial et disposées de telle manière que leurs centres respectifs B et A soient respectivement situés de part et d'autre de l'axe de rotation Y, Y', qu'en position fermée du robinet les centres A et B de ces deux demi-sphères 14, 15 et l'axe de rotation Y, Y' soient dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe X, X' de l'alésage 2 dudit corps 1 et qu'en position ouverte du robinet, le centre A, B des deux demi-sphères 14, 15 et l'axe de rotation Y, Y' soient dans un plan sensiblement parallèle à l'axe X, X' de l'alésage 2. Le boisseau 8 se trouve traversé de part en part par un évidement cylindrique 16 dont l'axe, perpendiculaire à l'axe de rotation Y, Y', passe par les centres A et B et forme un angle aigu, par exemple de 10 à 450 par rapport au plan de jonction des deux demi-sphères 14, 15. Les deux faces radiales 3, 4 du corps 1 du robinet comprennent chacune, au niveau de leur jonction avec l'alésage 2, un étagement d'alésage 17, 18 dans lequel vient se monter une garniture d'étanchéité circulaire 19, 20 en forme de rondelle Belleville retenue du côté intérieur du robinet par une rondelle 21, 22. Dans cet exemple, les garnitures réalisées en métal massif présentent une section sensiblement en L dont la branche radiale 23 la plus longue vient s'appliquer contre la face extérieure de la rondelle 21, 22 correspondante et dont la branche axiale 24 comprend une extrémité chanfreinée 25 formant une surface d'étanchéité destinée à coopérer avec la surface d'une demi-sphère 14, 15 correspondante du boisseau 8 pour réaliser l'étanchéité dynamique amont/aval du robiez net. Le raccordement du robinet à la tuyauterie s'obtient au moyen de brides tubulaires 27, 28 de demi profil en U dont une face radiale 29, 30 vient se serrer contre une face radiale 3, 4 correspondante du robinet. La fixation de cette bride 27, 28 sur le corps de la vanne s'obtient au moyen de boulons axiaux 31, tandis que l'étanchéité au niveau du raccordement est obtenue de façon classique au moyen de joints toriques 32. La partie de la face radiale 29, 30 des brides 27, 28 située au droit des garnitures d'étanchéité 19, 20 présente une avancée annulaire 33, 34 axialement en saillie destinée à venir comprimer, par l'intermédiaire d'un joint torique d'étanchéité 35, 36, la branche radiale 23 de la garniture 19, 20, de manière à réaliser ainsi avec celle-ci une étanchéité statique. Dans le cas où les garnitures d'étanchéité circulaires 19, 20 sont métalliques, les joints d'étanchéité 35, 36 peuvent avantageusement consister en des joints toriques métalliques flexibles. il convient de noter que du rait de la forme particulière du boisseau 8, et donc du principe cinématique utilisé, les garnitures d'étanchéité 19, 20 sont disposées de telle manière que, en position de fermeture du robinet, leur axe passe par le centre de la demi-sphère 14, 15 correspondante du boisseau 8. De ce fait, les garnitures 19, 20 se trouvent radialement décalées l'une par rapport à l'autre. Les figures 3a à 3c permettent d'illustrer le principe du robinet précédemment décrit. Ainsi, sur la figure 3a, le robinet se trouve en position ouverte, 11 évidement tubulaire 16 du boisseau 8 se trouve alors dans l'axe X, X' de la tuyauterie et autorise le libre passage du fluide. Dans cette position, les surfaces d'étanchéité des garnitures 19, 20 se trouvent écartées des demisphères correspondantes 14, 15 du boisseau 8. A partir de cette position, la fermeture du robinet s'obtient par une rotation quart de tour du boisseau 8 autour de son axe de rotation Y, Y' (perpendiculaire au plan de la figure). Au cours de cette rotation, les demi-sphères 14, 15 du boisseau 8 se rapprochent des garnitures 19, 20 correspondantes, selon une trajectoire engageante (figure 3b) puis viennent s'y appliquer en fin de course, comme représenté sur la figure 3c. Dans les derniers degrés de la fermeture, le boisseau 8 exerce sur les garnitures 19, 20 ùne pression à composante axiale assurant l'étanchéité dynamique amont/aval. Sous l'effet de cette pression, les garnitures d'étanchéité 19, 20 subissent une légère déformation élastique par flexion de leur branche radiale 23. Comme précédemment mentionné, cette étanchéité dynamique présente un caractère autoclave. En effet, comme on peut le voir sur la figure 4a, en posi- tion ouverte du robinet, la branche radiale 23 des garnitures 19, 20 se trouve naturellement plaquée contre les rondelles correspondantes 21, 22. Par contre, en position fermée du robinet, sous l'effet de la force appliquée par les surfaces sphériques du boisseau 8, les garnitures 19, 20 se trouvent légèrement déformées élastiquement, les branS ches radiales 23 tendant à se décoller des rondelles 21, 22 vers l'extérieur du robinet (figure 4b). Le fluide retenu exerce alors sur la garniture amont 19 ou 20 une pression orientée vers l'intérieur du robinet.Dans le cas où cette pression est suffisamment importante, elle provcque une déformation élastique de la garniture (19 ou 20) en sens inverse de la précédente qui tend à ramener la branche radiale 23 contre la rondelle 21, 22. Cette déformée se trouve donc reprise par la rondelle 21 22 (figure 4cDO I1 est clair que dans le cas où il se produit une surpresm sion interne due à la dilatation du fluide prisonnier dans l'espace entre les garnitures amont et aval 19, 20, cette surpression va provoquer principalement sur la garniture aval qui (qui ne subit pas en principe une pression élevée du fluide contenu dans la tuyauterie), une déformation de meme sens que celle provoquée par le boisseau 8, tendant a ecar- ter la surface d'étanchéité de la garniture de la demi sphère correspondante du boisseau 8. L'excès de liquide piégé pourra donc s'écouler vers l'aval de la tuyauterie en maintenant la susdite surpression à un niveau admissible pour lequel le robinet ne court aucun risque de détériora tion. I1 convient de noter que l'invention ne se limite pas au type de garniture d'étanchéité 19, 20 précédemment décrite. En effet, il est facilement concevable de réaliser des garnitures de formes différentes et réalisées en des matériaux de natures très diverses, selon les applications, par exemple - en élastomère - en plastomère ; - en matériaux composites ; - en un ou plusieurs métaux. Dans ce dernier cas, le robinet présentera intrinsèquement une haute sécurité au feu, caractéristique très appréciée dans les applications sur produits inflammables. Revendications de brevet 1. Robinet à boisseau du type comprenant, de façon classique, un corps tubulaire (1) à l'intérieur duquel est monté rotatif, au moyen d'au moins un arbre d'entratnement (9), un boisseau (8) traversé de part en part par un trou de passage du fluide (16) axé perpendiculairement audit arbre (9) et comportant au moins deux surfaces d'étanchéité coopé- rant avec deux garnitures d'étanchéité circulaires (19;; 20) respectivement montées dans le corps (1), de part et autre dudit boisseau (8), caractérisé en ce que lesdites surfaces d'étanchéité sont sensiblement tangentes à deux demi-sphères respectives (14, 15) accolées par leur plan équatorial et dont les centres sont respectivement situés de part et d'autre de agave de rotation (Y, Y') dudit boisseau (8), de telle manière que - en position fermée du robinet, les centres (A, B) des deux demi-sphères (14, 15) et l'axe de rotation (Y, Lfa) du boisseau (8) soient dans un plan sensiblement perpen diculaire à l'axe (X, X') de l'alésage dudit corps ( et - en position ouverte du robinet, le centre des deux demi sphères et l'axe de rotation (Y, Y') du boisseau (8) soient dans un plan sensiblement parallèle à l'axe t: X') de l'alésage dudit corps (1). 2. Robinet à boisseau selon la revendication 1 caractérisé en ce que les susdites surfaces d'étanchéité du boisseau (8) présentent une forme telle que l'angle d'inca dence de ces surfaces avec la tangente à la trajectoire des points de contact entre lesdites surfaces d'étanchéité et lesdites garnitures, soit adapté pour minimiser le frottement entre ces éléments. 3. Robinet à boisseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boisseau (8) est constitué par deux demi-sphères (14, 15) accolées par leur plan équatorial, et en ce que, dans ce cas, les susdites surfaces d'étanchéité sont constituées par les surfaces sphériques des deux demisphères (14, 15). 4.. Robinet à boisseau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe du trou de passage du fluide (16) passe par les centres 5. Robinet à boisseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les susdites garnitures d'étanchéité (19, 20) présentent une forme similaire à celle d'une rondelle Belleville, dont la bordure intérieure présente une surface d'étanchéité (25) destinée à coopérer avec la surface d'étanchéité correspondante du boisseau (8), en vue de réaliser une étanchéité dynamique et dont l'extrémité extérieure sert à réaliser une étanchéité statique avec le corps (1) du robinet. 6. Robinet selon la revendication 5, caractérisé en ce que la garniture est réalisée en métal massif et présente une section sensiblement en L dont la branche radiale (23) est montée avec étanchéité sur le corps (1) du robinet et dont la branche axiale (24) comprend une extrémité chanfreinée (25) formant une surface d'étanchéité destinée à coopérer avec une surface d'étanchéité correspondante du boisseau (8). 7. Robinet selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le corps (1) du robinet comprend deux faces radiales parallèles (3, 4) au centre desquelles débouche l'alésage (2) du corps (1), en ce que ledit alésage (2) comprend, au niveau de sa jonction avec les deux faces radiales (3, 4), un étagement d'alésage (17, 18) dans lequel est montée la susdite garniture (19, 20) et une rondelle intérieure (21, 22) sur laquelle vient en appui la branche radiale (23) de ladite garniture (19, 20), et en ce que ladite branche radiale (23) est tenue serrée contre ladite rondelle (21, 22) par une bride (27p 28) vissée sur le corps (1) du robinet, avec interposition d'un joint annulaire d'étanchéité (36). 8 Robinet selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite bride (27, 28) est une bride de raccordement du robinet à une tuyauterie 9. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les susdites garnitures d'étanchéité (19, 20) sont radialement décalées l'une par rapport à l'autre.