Brevet FR2568972A1 — publié le 19860214

La présente invention a pour objet une vanne à sièges parallèles et libre dilatation. Les vannes de ce type présentent l'avantage de ne produire qu'une perte de charge infime. Elles sont principalement utilisées comme obturateurs, car ce sont de très mauvais organes de réglage. C'est à peu près le seul type d'obturateur utilisé dans les grandes dimensions. Ces vannes sont utilisées pour tous les fluides, liquides, gaz et vapeur. Dans une vanne de ce type, un obturateur, commandé par une tige, se déplace parallèlement à ses surfaces de contact. Cet obturateur se compose de deux opercules, chacun étant appliqué contre son siège respectif par un ressort. Dans le cas particulier o une vanne à sièges parallèles et libre dilatation est insérée dans un circuit de transfert de liquide, un phénomène, connu sous le nom de phénomène d'eau morte ou effet tige, apparait lors de la fermeture de la vanne remplie de liquide: partir du moment o les deux opercules ont complètement obturé les lumières de passage du liquide, alors qu'il reste encore à l'obturateur une certaine distance à parcourir avant que les opercules ne soient exactement en face de leurs sièges respectifs, un *25 certain volume de liquide se trouve emprisonné à l'intérieur du corps de vanne. La tige de commande de l'obturateur, continuant à descendre, provoque un effet de pompe à piston qui augmente la pression à l'inté- rieur du corps de la vanne. A partir du moment o la pression augmente dans le corps de vanne, la tige ne pourra continuer à descendre que de quelques milli- mètres avant que sa progression ne soit bloquée par la surpression; en effet, les liquides étant relativement incompressibles, seule la compression des bulles d'air ou de gaz éventuellement emprisonnées dans le corps de vanne rend possible ce déplacement de quelques millimè- tres de la tige de commande de l'obturateur. Cet effet de pompe à piston est d'autant plus remarquable que l'étanchéité de la vanne est meilleure; une excellente étanchéité est obtenue en rectifiant les surfaces d'étanchéité des opercules et des sièges jusqu'au poli miroir. Dans un tel cas, dès que l'étanchéité est atteinte, il n'est plus possible de déplacer l'obtu- rateur que sur quelques millimètres, après quoi il y a blocage de l'avancement de la tige de commande de l'obturateur. Le blocage de la tige a lieu d'une manière d'autant plus brutale que la vitesse de ferme- ture de la vanne est élevée, ce qui est particuliè- rement vrai dans le cas de vannes motorisées. Il est évident que le blocage de l'avancement de la tige de commande de l'obturateur qui intervient lorsque l'étanchéité des opercules avec leurs sièges respectifs est atteinte, bien avant que les opercules ne soient exactement en face de leurs sièges respec- tifs, ne peut pas être considéré comme une indication fiable de la fermeture de la vanne, puisque l'obtu- rateur n'est pas arrivé au bout de sa course. En effet, le blocage de l'avancement de la tige de commande de l'obturateur entre les positions extrêmes de fin de course correspondant à l'ouverture ou a la fermeture complètes peut également avoir une autre cause, comme par exemple la présence d'un corps étranger sur le trajet de l'obturateur ou toute autre cause mécanique accidentelle. La position de la tige de commande de l'obtu- rateur permet par contre de déterminer de manière plus fiable l'état d'ouverture ou de fermeture de la vanne. Dans le cas d'une vanne actionnée manuelle- ment, l'opérateur peut aisément s'assurer de la posi- tion de la tige de commande de l'obturateur par simple 3 2568972 vérification visuelle de repères ménagés sur celle-ci. Par ailleurs, les critères de sécurité étant moins rigoureux pour une vanne commandée manuellement, on se contente de constater le blocage de la tige de commande de l'obturateur pour admettre que la vanne est fermée, sans vérifier l'isolement du circuit. Le problème de la détermination de l'état d'une vanne se pose avec beaucoup d'acuité pour une vanne commandée à distance, à partir d'un poste de commande central par exemple, et notamment pour une vanne insérée dans une installation de centrale nucléaire, o il est impératif de s'assurer de la fermeture de la vanne pour isoler de manière parfaite un circuit. Des moyens tels des capteurs de pression permettant de relever et de comparer les pressions de l'installation en amont et en aval de' la vanne ou des interrupteurs de fin de course actionnés par la tige de commande de l'obturateur dans ses positions extrêmes sont utilisés pour déterminer l'etat d'une telle vanne. Lorsque les critères de sécurité à respecter sont rigoureux, comme c'est le cas dans les instal- lations de centrales nucléaires, le cahier des charges prévoit également que l'obturateur doit atteindre la fin de sa course pour que la 'vanne soit considérée fermée. Le problème se pose alors de supprimer ou de retarder l'effet de pompe a piston qui se.manifeste des l'obturation des lumières de passage du liquide, par l'augmentation de la pression à l'intérieur du corps de la vanne, alors que l'obturateur n'a pas atteint la fin de sa course. Diverses solutions ont été proposées dans ce sens. Une première solution consiste à réduire la surface d'étanchéité annulaire de chaque opercule à une 4 2568972 couronne centrale, de mani&re a retarder la naissance de la surpression à l'intérieur du corps de la vanne, provoquée par la descente de la tige de commande de l'obturateur. L'obturation des lumières de passage du liquide ne se fait que lorsque chaque opercule est presque exactement en face de son siège. La réduction de la surface d'étanchéité annulaire entraîne une réduction de la surface d'appui de l'opercule sur son siège, ce qui a pour conséquence que l'opercule est soumis à des vibrations, les chocs résultants provo- quant le matage du siège. Une autre solution consiste a supprimer l'opercule situé en amont. L'étanchéité de la vanne est assurée alors uniquement par l'opercule situé en aval. Cette conception élimine le phénomène d'eau morte (volume d'eau emprisonné dans le corps de la vanne) et la tige de commande de l'obturateur peut descendre sans provoquer d'effet de pompe à piston. Toutefois le guidage de l'opercule unique pose des problèmes de réalisation pratique qui ne peuvent pas être résolus de manière économiquement rentable. Il a également été proposé de supprimer l'effet de pompe à piston en neutralisant l'opercule situé en amont, par exemple en le perforant. De cette manière, le guidage de l'obturateur est assuré de façon fiable. Toutefois, ces deux derniers types de vannes à opercule unique présentent l'inconvénient de ne pas être réversibles. Leur montage nécessite un soin particulier et leur utilisation est limitée aux instal- lations dans lesquelles l'écoulement du liquide se fait toujours dans le meme sens. En effet, dans les vannes a sièges parallèles, l'étanchéité est assurée par la pression exercée par le liquide sur l'opercule situé du coté aval de la vanne, qui est ainsi appliqué sur son 2568972 siège. Il n'est donc pas question de retourner la vanne ou de renverser le sens de l'écoulement du liquide, car la pression exercée par celui-ci risquerait d'écarter l'opercule de son siège. Suivant une autre solution proposée, la tige de commande de l'obturateur traverse de part en part le corps de la vanne. De cette façon, le volume de tige se trouvant à l'intérieur du corps de la vanne reste constant tout au long du déplacement de la tige. Cette solution présente toutefois l'inconvénient de néces- siter deux boîtes à bourrages, ce qui double les risques de fuites, qui ne sont pas à négliger lorsque les pressions de travail sont élevées. On a également proposé des systèmes qui comprennent des opercules formés d'un corps d'opercule et d'un anneau d'étanchéité, ces deux pièces étant raccordées par un système A soufflet. Ces systèmes sont toutefois limités à certaines pressions. Par ailleurs, ces systèmes sont d'une construction compliquée et font appel à des soufflets, ce qui présente des risques de fatigue due A la sollicitation, inadmissibles dans des installations o le niveau de la s6curité requise est très élevé. Le principe de fonctionnement consiste A supprimer la surpression dans le corps de vanne en faisant communiquer celui-ci avec la conduite située en amont, grâce A l'action exercée sur les soufflets par cette surpression. Ces systèmes sont utilisés de préférence dans des installations a haute température, o il y a risque de dilatation du volume de liquide emprisonné dans le corps de vanne lors de la fermeture. La présente invention apporte une solution simple, peu comteuse et fiable au problème créé par la naissance de la surpression dans le corps de la vanne, en retardant l'établissement de l'6tanch6ité parfaite. En effet, celle-ci n'est atteinte qu'au moment o il ne 6 2568972 reste plus à l'obturateur que quelques millimètres à parcourir avant d'atteindre sa position extrême corres- pondant à la fermeture de la vanne. La présente invention a pour objet une vanne sièges- parallèles comprenant un obturateur circulaire constitué par deux opercules a surface d'étanchéité annulaires sur lesquels sont rapportées deux garnitures (10, 11) qui constituent les surfaces d'étanchéité annulaires. Sur la surface d'étanchéité d'au moins une des deux garnitures sont usinées deux rainures circu- laires concentriques à cette surface d'étanchéité et reliées entre elles par au moins un canal. Suivant une forme d'exécution préférée, les surfaces d'étanchéité annulaires de chacune des deux garnitures portent deux rainures circulaires usinées concentriquement à ces surfaces. Le canal qui relie les deux rainures circu- laires est avantageusement une rainure usinée radia- lement sur la surface d'étanchéité annulaire. Suivant une forme d'exécution préférée, les deux rainures circulaires sont reliées par plusieurs canaux usinés radialement. L'invention sera décrite plus en détail ci- après, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une coupe partielle d'une vanne à sièges parallèles suivant l'invention, suivant un plan passant par l'axe de la tige de commande de l'obturateur; la Fig. 2 est une vue de face d'un opercule équipant la vanne de la Fig. 1; la Fig. 3 est une coupe suivant la ligne III- III de la Fig. 2; la Fig. 4 est une vue, a grande échelle, du détail désigné par IV à la Fig. 2; 7 2568972 la Fig. 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la Fig. 4; (on remarquera que cette Fig. 5 est également une vue, à grande échelle, du détail désigné par V à la Fig. 3); la Fig. 6 est une vue, a grande échelle, du détail désigne par VI à la Fig. 3; les Fig. 7, 9 et l1 montrent un opercule et le siège correspondant de la vanne dans différentes positions de fermeture successives, lors de la manoeu- vre de fermeture, et les Fig. 8, 10 et 12 sont des coupes suivant les lignes VIII-VIII, X-X et XII-XII des Fig. 7, 9 et 11. La vanne représentée à la Fig. 1 est consti- tuée' d'un corps 1 en acier et d'un obturateur 2 com- mande par une tige 3. Cette tige 3 est entraînée soit par un volant 4, soit par un servomoteur. L4obturateur 2 est constitué par deux opercules 5 et 6 qui sont appliqués sur leurs sièges respectifs 7 et 3 par un ressort en acier inoxydable 9. Sur 1les opercules 5 et 6 sont rapportées et soudées des garnitures 10 et 1l en un alliage dur, qui constituent les surfaces d'étan- chéneté des opercules et qui viennent en contact avec les sièges parallèeles 7 et 8 également en un alliage dur (voir Fig. 1, 2 et 3). Les garnitures 10, 1I forment des surfaces d 'étanchéite annulaires, sur lesquelles sont usinées concentriquement deux rainures circulaires 12 et 13. Des canaux 14 relient ces deux rainures circulaires 12 et 13. Ces canaux 14 sont des rainures usinées radia- lement sur les surfaces d'étanchéité des garnitures 10 et 11. Les Fig. 4 et 5 montrent en détail l'agencement d'un canal 14. Les rainures circulaires 12 et 13 telles qu'illustrées ont une section en V (voir Fig. 6), mais 8 2568972 il est évident qu'un profil et une profondeur quelcon- ques peuvent être choisis, en fonction notamment des facilités d'usinage. Il en est de même pour le canal 14, dont la profondeur peut être inférieure (voir Fig. 5), égale ou supérieure à celle des rainures 12 et 13. Les Fig. 7 à 12 montrent le fonctionnement de la vanne suivant l'invention, et, en particulier, les positions relatives d'un opercule 5 et de son siège 7, lorsque: a) l'opercule 5 obture partiellement la lumière de passage du liquide (Fig. 7 et 8); b) l'opercule 5 obture complètement la lumière de passage du siège 7, mais n'est pas encore arrivé à ia fin de sa course (Fig. 9 et 10); c) l'opercule 5 a atteint sa position extrame de fin de course (Fig. Il et 12). Lorsque l'opercule 5 occupe la position illustrée aux Fig. 7 et 8, l'obturation de la lumière du siège 7 n'est que partielle. Le liquide s'écoule à travers la fente qui subsiste entre le bord de l'oper- cule 5 et le bord intérieur du siège 7, qui ne sont que partiellement en contact. Lorsque l'opercule 5 occupe la position illustrée aux Fig. 9 et 10, l'obturation de la lumière du siège 7 est complète, car le bord de l'opercule 5 est entré en contact avec le siège 7 sur toute sa périphérie, sans toutefois que l'opercule n'ait atteint sa position extrême de fin de course. En effet, l'oper- cule 5 doit encore parcourir une certaine distance avant d'être exactement en face du siège 7 (voir Fig. 11 et 12). Il est évident que dans ces conditions, si la surface d'étanchéite annulaire de l'opercule n'était pas rainurée (vannes à sièges parallèles. de construction traditionnelle) l'étanchéité serait 9 2568972 atteinte dès que le bord de l'opercule 5 serait entré en contact avec le siège 7 sur toute sa p6riphérie (voir Fig. 9 et 10), ce qui amènerait une augmentation de la pression dans le corps de la vanne, et donc les problèmes exposés plus haut et que l'invention a pour but de résoudre. Grâce à la présence des deux rainures 12 et 13 reliées par les canaux 14, la communication entre l'intérieur du corps de vanne et les conduites est prolongée. En effet, la rainure 12 étant en communi- cation avec l'intérieur du corps de vanne et la rainure 13 étant en communication avec la conduite, le liquide peut circuler à travers la surface de contact entre l'opercule 5 et le siège 7 grâce aux canaux 14. La fuite ainsi créée retarde l'établissement d'une sur- pression dans le corps de vanne, lorsque celle-ci est en train de se fermer. Quand enfin cette surpression apparaît, il ne reste plus alors à l'opercule 5 que quelques milli- mètres a parcourir avant d'atteindre sa position extrême de fin de course, c'est-à-dire exactement en face du siège 7; or la présence à l'intérieur du corps de vanne de bulles d'air ou de gaz, donc compressibles, emprisonnées lors de la fermeture de la vanne permet à l'obturateur 2 et donc aux opercules 5 et 6 de parcou- rir ces quelques millimètres qui les séparent de la position extrême de fermeture. Les Fig. 11 et 12 illustrent l'opercule 5 dans sa position extrême correspondant à la fermeture de la vanne. L'étanchéité est atteinte car tant la rainure extérieure 12 que la rainure intérieure 13 sont en face de la surface d'étanchéité du siège 7 et ne sont donc plus en communication ni avec l'intérieur du corps de vanne ni avec la conduite. Il est à remarquer que, si la vanne suivant 2568972 l'invention est généralement équipée d'opercules 5 et 6 munis tous deux de rainures 12 et 13 concentriques reli6es par des canaux 14, l'invention peut également s'appliquer à une vanne dans laquelle seul un opercule (5 ou 6) est muni de rainures 12 et 13 reliées par -des canaux 14, l'autre opercule ayant une surface d'étan- chéit6 annulaire plane. R E V E N D I C AT IONS 1.- Vanne a sièges parallèles et libre dila- tation, comprenant un obturateur circulaire (2) consti- tué par deux opercules (5, 6) à surfaces d'étanchéité annulaires, sur lesquels sont rapportées deux garni- tures (10, 11) qui constituent les surfaces d'étan- chéité annulaires, caractérisée en ce que sur la surface d'étanch6ité annulaire d'au moins une des deux garnitures (10, 11) sont usinées au moins deux rainures circulaires (12, 13) concentriquement à cette surface d'étanchéite et reliées entre elles par au moins un canal (14). 2.- Vanne suivant la revendication 1, caracté- risée en ce que sur la surface d'étanchéité annulaire de chacune des deux garnitures (10, 11) sont usinées deux rainures circulaires (12, 13) concentriquement a cette surface d'tanchéité. 3= Vanne suivant l'une quelconque des reven- dications precedentes, caractérisee en ce que le canal (14) qui relie les deux rainures circulaires (12, 13) est une rainure usinée radialement sur la surface detanchéite annulaire de la garniture (10, 11). 4.- Vanne suivant l'une quelconque des reven- dications precédentes, caractrisee en ce que les deux rainures circulaires (12, 13) sont reliees par plu- sieurs canaux (14).