Brevet FR2573840A1 — publié le 19860530

Dispositif de sécurité automatique pour conduit de fluide La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité, à fonctionnement automatique et autonome, ayant pour effet de déclencher méca- niquement la fermeture totale ou partielle d'un organe de garde, tel que vanne ou robinet, lorsque la vitesse du fluide circulant dans un conduit, tel que canal ou conduite, atteint une valeur déterminée considérée comme dangereuse. La plupart des conduites forcées utilisées dans les installations hydroélectriques sont munies d'organes de garde, tels que robinets sphéri- ques ou vannes-papillon. En cas d'accident sur la conduite ou sur les orga- nes qu'elle dessert, on ferme ces organes de garde pour arrêter l'écoule- ment incontr8ôlé du fluide. D'une manière générale, lorsque le fluide véhiculé dans un con- duit échappe au contrôle de l'installation, par exemple par éclatement d'une conduite, il s'en suit une augmentation de la vitesse d'écoulement de ce fluide. On utilise alors cette augmentation de vitesse d'écoulement après l'avoir détectée, pour donner l'ordre de fermeture de l'organe de garde. Les dispositifs connus permettant d'assurer cette sécurité automa- tique sont nombreux. Ce sont en général des dispositifs de détection à mou- linet, rayon laser, champ magnétique, etc..., qui sont reliés à une chaîne de mesure et à un dispositif de puissance nécessitant un apport d'énergie extérieure. Ces dispositifs sont complexes et onéreux car ils font appel à des techniques élaborées: électronique, mécanique fine... Ils nécessitent l'utilisation d'une chatne de mesure qui exige une maintenance très suivie. Ils nécessitent encore et sur-tout l'utilisation d'une source d'énergie exté- rieure, par exemple l'électricité, ce qui affecte considérablement leur fia- bilité. Pour satisfaire au mieux à l'exigence de rusticité souhaitée pour ce genre de dispositif de sécurité, ainsi qu'à l'exigence d'indépendance de toute source d'énergie extérieure, on a déjà utilisé des dispositifs dits "déclencheurs à palette". Un dispositif de ce type comporte une palette mon- tée en pendule dans le courant de fluide et maintenue perpendiculaire au courant par un contrepoids d'équilibrage. La palette est donc soumise aux efforts hydrodynamiques dus à la vitesse du fluide (l'eau dans la majorité des cas). Lorsque le couple hydrodynamique sur la palette atteint une valeur prédéterminée, celle-ci entratne en rotation un axe dont elle est solidaire. Un dispositif de leviers solidaire de cet axe entratne alors mé- caniquement la fermeture de I'organe de garde de la conduite. On conçoit aisément que la puissance mécanique transmise par le basculement de cette palette est faible. La mise en oeuvre de cette puissan- ce pour déclencher la fermeture de l'organe de garde fait donc appel à des dispositifs à leviers sophistiqués, de mise au point et de maintenance déli- cats, de sorte que l'on se trouve en réalité ramené à un des inconvénients des dispositifs précédents. Par ailleurs, la pression exercée par le fluide sur la palette diminue lorsque celle-ci s'incline vers l'arrière lors de son basculement. Celle-ci tend donc à revenir à sa position de départ, ce qui va à l'encontre de ce qui est souhaité. Enfin, le déclencheur à palette présente les autres inconvénients suivants: - le dispositif de détection de vitesse du fluide et le dispositif de dé- clenchement de la fermeture de l'organe de garde sont positionnés au même endroit, qui peut être une zone très perturbée; il serait avantageux au contraire d'avoir un dispositif de détection placé en dehors de cette zone, - la palette se recouvre petit à petit d'impuretés, ce qui augmente son poids et sa surface et fausse donc le réglage initial, - le dispositif est sensible aux fluctuations de pression, ce qui entratne un risque de déclenchement intempestif, - il fait appel à des ressorts, ce qui entralne un risque de mauvais fonc- tionnement, - il est assez encombrant, - il ne peut fonctionner, une fois mis en place, que pour un seul sens du courant de fluide, - le dispositif de détection de vitesse comporte des pièces mécaniques de mouvement. Le dispositif de l'invention ne présente pas tous ces inconvé- nients. Il est caractérisé en ce que son dispositif de détection est consti- tué par un dispositif à tubes de Pitot comportant, de manière connue en soi, une prise de pression statique et une prise de pression totale placées sur le conduit, et en ce que lesdites prises de pression sont chacune reliées respectivement aux deux entrées d'une balance agissant comme un am- plificateur fluidique différentiel à seuil, dont la sortie de puissance est connectée au dispositif de déclenchement de la fermeture de l'organe de gar- de du conduit, et dont l'alimentation en puissance fluidique est constituée par la pression de fluide régnant dans ledit conduit. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivan- te d'un exemple de réalisation appliqué à une conduite hydraulique forcée, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif de sécurité de l'invention, avant déclenchement - la figure 2 est une représentation schématique du dispositif de sécurité de l'invention, après déclenchement. En se reportant tout d'abord à la figure 1, la référence 1 dési- gne une conduite hydraulique forcée dans laquelle l'eau se propage à la vi- tesse v, dans le sens indiqué par la flèche. La conduite 1 est munie, de manière très classique, d'un organe de garde-2 constitué par une vanne- papillon pouvant tourner autour d'un axe 3 traversant la conduite 1 perpen- diculairement à son axe longidutinal. L'axe 3 traverse la paroi de la conduite 1 par des étanchéités non représentées, et au moins l'extrémité de cet axe apparente sur le des- sin est équipée d'un contrepoids 4 qui ferme par son propre poids, lorsqu'il est libéré, la vanne 2, cette dernière étant en position d'ouver- ture maximale sur le dessin. Dans la position représentée sur la figure 1, le contrepoids 4 est en position haute, et il est maintenu dans cette position par une tige , solidaire de l'extrémité de l'axe 3 et bloquée en position comme représenté par une pièce d'appui basculante 6. La pièce 6 a une forme d'équerre à deux côtés 60, 61, et elle peut tourner autour d'un axe 62. Dans la posi- tion représentée, le côté 60 est vertical et vient s'appuyer sur une butée 7 fixée sur le chemin de l'installation. On comprend aisément que le fait de soulever le côté 61 permet de libérer la tige 5, et donc de fermer la vanne 2 sous l'effet de contrepoids 4. En amont de la vanne 2, à une distance choisie qui peut le cas échéant être élevée (une à plusieurs centaines de mètres si nécessaire), est placé un dispositif classique 8 de mesure de vitesse de fluide à "tube de Pitot", destiné à la détection d'une augmentation anormale v' de la vi- tesse v de l'eau dans la conduite 1. De manière classique, le dispositif 8 à tube de Pitot comporte: - une prise de pression statique 9 constituée par une ouverture placée sur la paroi de la conduite 1, - une prise de pression totale 10 constituée par un tube recourbé à angle droit, et formant obstacle dans- le courant de fluide parcourant la conduite de manière à pouvoir fonctionner dans les deux sens, la prise 10 est dou- ble et équipée d'une bille 11 obstruant sous l'effet du courant le fond aval de la prise, comme on le voit sur le dessin. Conformément à l'invention, Ies prises 9 de pression statique et de pression totale sont connectées, par des canalisations 12 et 13, res- pectivement aux deux entrées 14 et 15 d'un amplificateur hydraulique diffé- rentiel 16. Le signal différentiel appliqué à l'amplificateur 16 est alors proportionnel au carré de la vitesse v du fluide dans la conduite 1, comme on le déduit par application directe de la formule de Bernoulli. L'amplificateur hydraulique différentiel 16 comporte: - une enceinte 17 en matériau résistant à la pression, par exemple en acier inoxydable de 1 cm d'épaisseur, fixée au châssis de l'installation, - un piston médian 18 soutenu par une membrane 19 et définissant une cham- bre supérieure de pression 20 normalement fermée vers le haut par un clapet 21 et connectée par l'entrée 14 et la canalisation 12 à la prise de pres- sion statique 9 sur la- conduite hydraulique 1, et une chambre inférieure 22, fermée vers le bas par un piston d'équilibrage 24, de même superficie que le clapet 21 et porté par une membrane 23, et connectée par l'entrée 15 et la canalisation 13 à la prise 10 de pression totale dans la conduite 1, - une chambre supérieure 25 reliée à la pression atmosphérique par une ou- verture 26, - une tige verticale 27 traversant de part en part l'amplificateur 16 et sur laquelle on trouve successivement du haut vers le bas, un poussoir 28 placé sous le côté 61 de la pièce d'appui basculante 6, le clapet 21 fixé sur la tige 27, représenté en position d'obturation étanche de l'ouverture correspondante 210 dans la chambre 20, un autre clapet 29, de même superficie que le clapet 21, de forme ada- ptée comme représenté pour pouvoir fermer de manière étanche l'ouver- ture 210 (position de la figure 2), monté de manière coulissante sur la tige 27 et fixée comme représenté sur le piston 18 par l'intermédiaire d'un ressort-amortisseur de fin de course 30, le piston d'équilibrage 24 fixé sur la tige 27, une masse d'équilibrage 31 pouvant être garnie de poids, et dont la mas- se peut donc être réglée avec grande précision. Par ailleurs, le dispositif de l'invention comporte les éléments secondaires suivants: - deux diaphragmes d'amortissement 32 et 33 placés respectivement dans les conduites 12 et 13. - deux robinets d'isolement 34 et 35 placés respectivement, comme représen- té, sur les conduites 12 et 13 - une conduite de "by-pass" 36 reliant la conduite 12 à la conduite 13 et équipée d'un robinet 37 normalement fermé - un indicateur visuel de circulation d'eau 38, tel qu'un moulinet classi- que, placé sur la conduite 13 en amont de la conduite de by-pass 36 - une conduite 39 de mise à l'air libre de la conduite 13, normalement fer- mée par une électrovanne 40. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant: En se reportant toujours à la figure 1, la pression hydraulique dans la chambre supérieure 20 de l'amplificateur 16 est égale à la pression statique de fluide dans la conduite 1, puisque cette chambre est reliée à la prise 9 par la canalisation 12. De même, la pression hydraulique dans la chambre inférieure 22 est égale à la pression totale dans la conduite 1, puisque cette chambre est reliée à la prise 10 par la canalisation 13. La pression résultante s'exerçant de bas en haut sur le piston 18 est donc éga- le à la différence entre la pression totale et la pression statique, c'est à dire, par application de la formule de Bernoulli, à un terme proportion- nel au carré de la vitesse v du fluide dans la conduite 1. La force de pesanteur appliquée vers le bas au piston 18 par la la masse d'équilibrage 31 est réglée pour compenser ce terme en v2, compte tenu de l'ensemble des forces de frottement du dispositif, tant que v reste inférieure à une valeur maximale admissible VM, et les surfaces du clapet 21 et du piston d'équilibrage 24 étant égales, le dispositif est normale- ment à l'équilibre dans la position représentée sur la figure 1. Pour contrôler le bon fonctionnement des prises de pression 8 et 9, c'est à dire vérifier qu'elles ne sont pas obstruées, on ouvre quelques instants le robinet 37 et l'on vérifie, à l'aide du moulinet 38, qu'il cir- cule alors bien un courant de fluide de la prise 10 vers la prise 9, à travers les canalisations 13, 36 et 12. Ce contrôle effectué, on referme le robinet 37. Tant que la vitesse du fluide reste inférieure à la valeur criti- que VM, le dispositif reste dans la position de la figure 1. Si cette vites- se, par suite d'un incident sur la conduite par exemple, vient à dépasser cette valeur critique VM, pour atteindre une valeur v + v' par exemple, la différence de pression sur le piston 18 devient, à un seuil dépendant du ré- glage initial de la masse 31, suffisante pour amorcer le déplacement vers le haut du piston 18, et par suite du clapet 21. Le clapet 21 vient donc à s'ouvrir, mettant la chambre supérieure 22 à la pression atmosphérique. La pression dans la chambre 22 agit alors seule, en déduction de la pression atmosphérique dans la chambre 20, sur le piston 18, de sorte que ce dernier part instantanément vers le haut entrai- nant avec lui la tige 27, comme on le voit sur la figure 2, à laquelle on se reportera maintenant. L'extrémité 18 de la tige de transmission 27 vient alors heurter puissamment le bras 61 du levier 6 de maintien du contrepoids 4. Ce levier bascule dans sa position de la figure 2, et libère alors la tige 5, et par suite le contrepoids 4 qui referme la vanne-papillon 2, obstruant la con- duite 1. En même temps, le clapet 29 est venu refermer l'ouverture 210, é- vitant une inondation du local contenant l'amplificateur 16. Le ressort 30 amortit l'impact du piston 18, évitant que celui-ci ne se déforme sous le choc, la pression dans la chambre 22 pouvant correspondre à celle engendrée par plusieurs centaines de mètres de chute dans de nombreux cas. Pour réenclencher le dispositif, on ouvre quelques instants l'é- lectrovanne 40, ce qui met la chambre 22 à la pression atmosphérique. La masse 31 ramène alors le piston 18 vers le bas, ce qui réenclenche le dispo- sitif. On referme alors la vanne 40. Après avoir à nouveau ouvert, l'inci- dent étant réparé ou terminé, la vanne-papillon 2, et par suite ramené la tige 5 en sa position de blocage de la figure 1, l'ensemble du dispositif est de nouveau prêt à fonctionner. A titre d'exemple, la demanderesse a expirémenté avec succès le dispositif qui vient d'être décrit dans les conditions suivantes: - vitesse d'écoulement v normalement comprise entre - 2 m/l et + 2 m/s - vitesse maximale admissible VM égale à 2,5 m/s - diamètre du piston amplificateur 18: 150 mm - diamètre du clapet de déclenchement 21 et du piston d'équilibrage 24: 50mm - réglage de la masse d'équilibrage 31: 3,6 kg. Lors du déclenchement du dispositif, la poussée exercée sur la tige de commande 27 a été de 2 tonnes. Le dispositif de l'invention n'est évidemment pas limité à l'exem- ple simple qui vient d'être décrit. Pour éviter encore mieux tout risque de gommage, on pourrait remplir les chambres 20 et 22 d'un fluide huileux, par exemple de glycérine. On pourrait aussi, pour entrainer un meilleur amortis- sement que celui déjà dO aux diaphragmes 32 et 33, remplir d'air ces cham- bres 20 et 22, ou bien interposer des cloches à air entre les prises 8 et 9 et les entrées 15 et 14 respectivement. On pourrait. aussi, pour augmenter la fiabilité du dispositif, multiplier le nombre de prises de pression dans la conduite, en mettant ces prises en parallèle. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de sécurité, à fonctionnement automatique et auto- nome, ayant pour effet de déclencher mécaniquement la fermeture totale ou partielle d'un organe de garde (2), lorsque la vitesse d'un fluide circu- lant dans un conduit (1) atteint une valeur déterminée (VM) considérée comme dangereuse, ce dispositif de sécurité comportant un dispositif de dé- tection de la vitesse du fluide et un dispositif de déclenchement de la fer- meture de l'organe de garde du conduit, caractérisé en ce que le dispositif de détection est constitué par un dispo- sitif (8) à tube de Pitot comportant, de manière connue en soi, une prise de pression statique (9) et une prise de pression totale (10) placées sur le conduit (1), et en ce que les prises de pression (9, 10) sont reliées respectivement aux deux entrées (14, 15) d'un amplificateur fluidique diffé- rentiel à seuil (16), dont la sortie de puissance (28) est connectée au dis- positif (6, 5, 4) de déclenchement de la fermeture de l'organe de garde (2) du conduit, et dont l'alimentation (10, 13, 15) en puissance fluidique est constituée par la pression de fluide régnant dans le conduit. 2.- Dispositif de sécurité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur fluidique (16) est rempli d'un liqui- de huileux, tel que la glycérine. 3.- Dispositif de sécurité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur fluidique est au moins partiellement rempli d'air. 4.- Dispositif de sécurité selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que la prise de pression totale (10) est une prise pouvant fonctionner dans les deux sens du courant de fluide. 5.- Dispositif de sécurité selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif (37, 38) de vérification du bon fonctionnement des prises (9, 10) de pression statique et de pres- sion totale par création d'un courant de fluide de l'une vers l'autre. 6.- Dispositif de sécurité selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de réenclenchement auto- matique de l'amplificateur (16) par une vanne (40) de mise & l'air libre de son entrée (15) normalement reliée à la prise de pression totale (10).