Brevet FR2591706A1 — publié le 19870619

Soupape de sûreté à pilotage intégré La présente invention se rapporte à une sou- pape de sûreté à pilotage intégré. Une soupape de sûreté est disposée sur une enceinte contenant un fluide sous pression. Elle permet de limiter la pression régnant à l'intérieur de l'en- ceinte. En cas de surpression, la soupape s'ouvre, ce qui permet l'évacuation d'une quantité de fluide et, par conséquent, la limitation de la pression à l'inté- rieur de l'enceinte. Les soupapes de sûreté à pilotage comportent un clapet principal par lequel le fluide est évacué hors de l'enceinte et un clapet de pilotage. L'ouvertu- re du clapet principal est commandée par le dispositif de pilotage qui est réglé sur la valeur maximale de la pression que l'on ne veut pas dépasser à l'intérieur de l'enceinte. Grâce à cette disposition, les soupapes à pi- lotage fonctionnent en tout ou rien: le clapet princi- pal est soit ouvert, soit fermé, sans position intermé- diaire. Ainsi, les risques de battement sont limités et la durée de la soupape est accrue. Plus précisément, l'invention concerne une soupape de sûreté à pilotage pour une enceinte conte- nant un fluide sous pression. Cette soupape comprend un corps de soupape pourvu d'une entrée et d'une sortie pour le fluide, l'entrée étant en communication avec l'enceinte sous pression et la sortie étant à l'atmos- phère, un siège situé entre l'entrée et la sortie, ledit corps de soupape déterminant une chambre cylin- drique, un clapet principal apte à obturer ledit siège, relié à un piston monté coulissant dans ladite chambre cylindrique et déterminant une chambre de pression de fermeture et une chambre de pression d'ouverture du clapet principal, des moyens élastiques pour appliquer le clapet principal sur Le siège, un canal traversant axialement la soupape, un clapet de pilotage disposé dans un logement cylindrique du piston, des moyens élastiques pour appliquer le clapet de pilotage sur son siège et un orifice mettant en communication la chambre d'ouverture avec l'atmosphère. On connait (FR-A-82 21663) une soupape à pi- Lotage intégré de ce type. Elle est monobloc, ce qui diminue les risques de détérioration par la rupture d'une tuyauterie extérieure. Elle est autoclave, ce qui signifie que la pression régnant dans l'enceinte appli- que le clapet principal sur son siège. Toutefois, au cas o le clapet de pilotage serait bloqué, pour une cause quelconque, le clapet principal ne pourrait plus s'ouvrir, ce qui conduirait à une augmentation de pression pouvant provoquer la rupture de l'enceinte. De même, en cas d'augmentation brutale de la pression à L'intérieur de l'enceinte, un certain délai est nécessaire, en raison de la faible section de pas- sage du canal axial traversant la soupape, pour que la pression dans la chambre d'ouverture de clapet princi- pal atteigne une valeur suffisante pour provoquer l'ou- verture de ce cLapet principal. L'invention a par conséquent pour but de créer une soupape de sûreté à pilotage intégre de type autoclave, dans laquelle le clapet principal peut - s'ouvrir instantanément en cas d'augmentation brutale de la pression dans l'enceinte, même si le clapet de pilotage est bloqué. Ces buts sont atteints conformément à l'in- vention grâce au fait que le piston détermine avec la chambre cylindrique une chambre de pression de ferme- ture du clapet principal, cette chambre étant en commu- nication avec l'enceinte par un passage, le piston com- 3 2591706 portant une face dirigée vers la chambre de pression de fermeture du clapet principal, la surface de la face du piston dirigée vers la chambre de pression de fermeture du clapet principal étant supérieure à la surface du clapet principal dirigée vers l'enceinte, Le clapet principal étant situé du côté de la sortie par rapport au siège de soupape. La soupape ainsi définie est autoclave, parce que la surface de la face du piston dirigée vers la chambre de pression de fermeture du clapet principal est supérieure à la surface de ce clapet principal di- rigée vers l'enceinte. Ainsi, en cas de variation lente de la pression à l'intérieur de l'enceinte, la pression est communiquée à la chambre de fermeture, de sorte que ta soupape est autoclave. En revanche, en cas de variation brusque de la pression à l'intérieur de l'enceinte, la pression à l'intérieur de la chambre de pression de fermeture du clapet principal augmente avec un temps de retard, de sorte que le clapet principal peut s'ouvrir sans délai sous l'effet de la surpression qui s'exerce directement sur la surface du clapet principal. Le fonctionnement est encore amélioré par la présence d'un clapet à bille dans Le canal de communi- cation reliant l'enceinte à la chambre de pression de fermeture du clapet principal. Sous l'effet d'une aug- mentation brutale de la pression à l'intérieur de l'en- ceinte, la bille obture Le canal de communication, de telle sorte que la pression à l'intérieur de la chambre de fermeture ne peut plus augmenter. L'ouverture du clapet principal est ainsi facilitée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la des- cription qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées, sur lesquelles: - La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une soupape de sûreté conforme à L'inven- tion, - la figure 2 représente une variante de réa- lisation de la soupape représentée sur la figure 1. On a représenté sur la figure 1 un premier mode de réalisation de l'invention. La soupape comprend un corps de soupape 4 fixé sur la paroi 6 d'une encein- te, représentée en traits mixtes, et contenant un flui- de sous pression. Le corps 4 délimite dans la partie inférieure de la soupape une entrée 8 et une sortie 10 pour le fluide. L'entrée 8 est en communication avec l'intérieur de l'enceinte, tandis que la sortie est en communication avec l'atmosphère. Elle est par exemple reliée à une bâche de vidange. Un siège 12 pour le clapet principal est prévu entre l'entrée 8 et la sor- tie 10. Comme on le remarque, les lèvres de ce siège sont dirigées vers le haut en considérant la figure 1, l'enceinte se trouvant au bas de cette figure. D'autre part, le corps 4 délimite dans la partie supérieure de la soupape une chambre cylindrique 16. Un canal 18 relie l'enceinte à la chambre de pres- sion de fermeture A délimitée à l'intérieur de la cham- bre cylindrique 16 par un soufflet 74. D'autre part, une valve à bille est disposée dans le canal 18. Cette valve est constituée par une chambre percée à chacune de ses extrémités d'un orifice de passage supérieur 22 de faible section et d'un orifice de passage infé- rieur 24. L'entrée de chacun de ces orifices détermine un siège pour une bille 26 apte à obturer chacun des orifices 22 ou 24. Un robinet à trois voies 28 est relié au ca- nal 18. Ce robinet comporte une première voie 30 per- mettant la mise à l'atmosphère du canal 18, une seconde voie 32 permettant de relier le canal 18 à une source de pression d'un fluide extérieur et une troisième voie permettant d'isoler le canal 18 à la fois de la mise à l'atmosphère et de la source de fluide sous pression. Le fonctionnement de ce robinet à trois voies sera ex- pliqué ultérieurement. D'autre part, la soupape de sûreté de l'in- vention comprend un piston 40 prolongé dans sa partie inférieure par le clapet principal 38. Un ressort d'ap- pui 75 agit sur le piston 40. Le clapet principal 38 est monté coulissant dans un alésage circulaire prévu dans une paroi 39. Un joint d'étanchéité 44 assure une étanchéité entre le diamètre externe du clapet princi- pal 38 et la paroi 42. Comme-on le remarque, le clapet 38 est situé du côté de la sortie 10 par rapport aux lèvres du siège 12. D'autre part, le piston 40 est mon- té coulissant dans la chambre cylindrique 16. Des joints d'étanchéité 46 assurent une étanchéité entre cette chambre et le piston. Un clapet de pilotage 48 est logé à l'inté- rieur du piston 40. Ce clapet a pour fonction d'ouvrir ou de fermer un canal mettant en communication la face supérieure 58 et la face inférieure 62 du piston 40. Il se compose d'un siège 50 constitué par une bague file- tée extérieurement et traversée par un canal de passage axial. Le clapet de pilotage se compose également d'un pointeau 52 apte à obturer le canal axial du siège 50. Le pointeau 52 est plaqué sur le siège par un ressort 54. Le tarage du ressort 54 peut être réglé en vissant ou en dévissant plus ou moins le siège 50 de manière à comprimer plus ou moins le ressort hélicoïdal 54. A cet effet, une fente 56 représentée de profil sur la figure 1 permet de visser ou de dévisser le siège 50. Le piston 40 détermine deux chambres avec la chambre cylindrique 16. A la partie supérieure de la chambre 16 est formée une chambre A de pression de fer- meture du clapet principal 38. Cette chambre est appe- lée chambre de pression parce qu'elle est en communica- tion avec L'enceinte par l'intermédiaire du canal 18 et que la pression qui y règne agit sur la face supérieure 58 du piston 40 dans le sens de la fermeture du clapet principal. La surface Sa de la face 58 est supérieure à la surface Sc de la face C du clapet principal, de sorte que La soupape est autoclave. Le soufflet d'étan- chéité 74 relie de manière étanche la partie supérieure du corps de soupape 4 à la face supérieure du piston 40. Ce soufflet a pour fonction de réduire la surface de la face supérieure du piston 40 soumise à la pres- sion régnant à l'intérieur de l'enceinte par l'intermé- diaire du canal 18. La pression régnant à l'intérieur de la cham- bre de pression d'ouverture B agit sur la face infé- rieure 62 de surface Sb du piston pour le solliciter dans le sens de L'ouverture du clapet principal. La chambre d'ouverture B communique avec La chambre de fermeture A par le canal 60 lorsque le pointeau du cla- pet de pilotage est ouvert. Ce pointeau s'ouvre lorsque la pression dans la chambre A dépasse une valeur de tarage prédéterminée du ressort 54. La chambre B d'ouverture du clapet principal est en communication avec l'atmosphère par l'intermé- diaire d'un canal 64 qui débouche dans la tubulure de sortie 10. La section de passage de ce canal 64 est calibrée par l'intermédiaire d'une vis pointeau 66. Des moyens sont prévus pour obturer L'entrée du canal 64. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, ces moyens sont constitués par une rondelle 68 mon- tée coulissante sur une partie de diamètre réduit 70 du clapet principal délimitant un épaulement 72. Pour que la soupape puisse fonctionner correctement, deux condi- tions sont nécessaires. Tout d'abord, pour que la sou- pape soit autocLave, il faut que la surface Sa de la face supérieure 58 du piston 40 soit supérieure à La surface S du clapet principal dirigée vers l'enceinte c et soumise par conséquent à la pression régnant à L'in- térieur de cette enceinte. D'autre part, pour que le déplacement du piston 40 en cas de surpression soit possible, il faut que la somme des surfaces soumises à une pression tendant à l'ouverture de- ce clapet soit supérieure à la surface Sa tendant à sa fermeture. En d'autres termes, il faut que la surface Sb de la face inférieure 62 du piston 40 augmentée de la surface S c soit supérieure à Sa a Enfin, le couvercle 11 du corps 4 est muni de moyens qui permettent le réglage et Le déclenchement à volonté du clapet de pilotage en cours de fonctionne- ment. Ces moyens se composent de deux tiges concentri- ques montées coulissantes et tournantes à la partie su- périeure du corps-4, dans l'axe du pointeau 52 et plus précisément dans l'axe du clapet de pilotage. La tige extérieure 78 est munie, à son extrémité inférieure, d'ergots 79 qui s'engagent dans la fente 56 lorsque cette tige est poussée vers le bas. Elle est munie à son extrémité supérieure d'un bouton molleté 80 qui permet de L'entraîner en rotation de manière à visser ou à dévisser le siège 50 du clapet de pilotage. Cela permet de régler le tarage de ce clapet en comprimant plus ou moins le ressort hélicoïdal 54. La tige intérieure 82 est montée coulissante dans La tige extérieure. A une extrémité, elle est mu- nie d'un bouton molleté 84 qui permet de la déplacer en translation de manière à venir engager son extrémité inférieure 86 dans le canal du siège 50 de manière à appuyer sur le pointeau 52 et provoquer à volonté une ouverture du clapet de pilotage. Le fonctionnement de la soupape de s)reté qui vient d'être décrite est le suivant: Lorsqu'une surpression apparaît dans l'en- ceinte, elle est transmise par le canal 18 à la chambre de fermeture A. Le pointeau 52 est taré à une valeur déterminée de manière à s'ouvrir lorsqu'une pression de référence est atteinte. Cette pression étant dépassée, le clapet de pilotage s'ouvre et le fluide sous pres- sion pénètre à travers le canal 60 dans la chambre d'ouverture B jusqu'à ce que la pression dans cette chambre soit égale à la pression dans l'enceinte. A ce moment, le canal 64 mettant la chambre d'ouverture B en communication avec l'atmosphère est fermé par la ron- delle 68. Comme on l'a expliqué précédemment, la surfa- ce Sb de la face du piston dirigée vers la chambre d'ouverture augmentée de la surface Sc du clapet prin- c cipal dirigé vers l'enceinte est supérieure à la surfa- ce Sa de la face du piston dirigée vers La chambre de fermeture. L'effort résultant exercé sur le piston et le clapet principal dépasse donc rapidement la force exercée par le ressort héLico dal d'appui 75 et le cla- pet principal s'ouvre. Le fluide en surpression est alors évacué par la sortie 10. Au cours de son mouvement d'ouverture, le clapet principal entraîne vers le haut la rondelle 68 par l'intermédiaire de l'épaulement 72, ce qui dégage l'ouverture d'entrée du canal de mise à l'atmosphère 64. Toutefois, la section de passage de ce canal étant calibrée, comme on l'a expliqué précédemment, la pres- sion à l'intérieur de la chambre d'ouverture B ne dimi- nue pas rapidement, de sorte que la soupape reste ou- verte. Lorsque la pression à l'intérieur de l'en- ceinte est revenue à une valeur normale, le clapet de pilotage se referme. La pression à l'intérieur de la 9 2591706 chambre d'ouverture B diminue par suite de l'évacuation du fluide au travers du canal de purge 64, ce qui con- duit à La fermeture du clapet principal sous l'action de la pression dans la chambre A augmentée de l'effet du ressort d'appui 75. Un peu avant la fin de la course de fermeture de la soupape 30, la rondelle 68 referme l'orifice d'entrée du canal de purge 64. On enferme ainsi un matelas de fluide dans la chambre B. Ce mate- las amortit la fermeture du clapet principal 38. En cas d'augmentation brutale de la pression à l'intérieur de l'enceinte, comme par exemple en cas de coups de bélier, le fonctionnement de la soupape de sûreté est différent. Sous l'effet de l'augmentation brutale de pression, la bille 26 du clapet 20 est projetée vers le haut et obture l'orifice 22. Par sui- te, la pression à l'intérieur de la chambre de fermetu- re A ne peut plus augmenter et reste à la valeur qu'elle avait avant l'augmentation de pression dans l'enceinte. Au contraire, la face du clapet principal (surface Sc) est directement sensible à cette augmenta- tion de pression. L'effort exercé sur le clapet princi- pal dépasse ainsi l'effort exercé par le ressort héli- coidal d'appui 75 et par La pression exercée sur la face supérieure 58 du piston 40 qui peut ainsi se sou- lever sans que le clapet de pilotage ait été mis en i action. On obtient ainsi une ouverture de cette soupape avec un temps de réponse aussi faible que possible. Cette caractéristique assure une protection de l'en- ceinte contre les effets d'une augmentation brutale de pression. Au cours du mouvement d'ouverture du clapet principal 38, le fluide présent dans la chambre de fer- meture A est comprimé, ce qui provoque l'ouverture du clapet de pilotage 48 lorsque la pression de référence est dépassée. Le fluide s'écoule alors dans la chambre d'ouverture B. L'ouverture du canal de purge et la ferme- ture du clapet principal s'effectuent ensuite de façon identique à ce qui a été décrit précédemment dans le cas d'une augmentation normale, c'est-àdire lente, de la pression à l'intérieur de l'enceinte. Par ailleurs, le robinet à trois voies 28 permet de tester le fonctionnement de la soupape et en particulier la pression de tarage du clapet de pilotage 48. Pour cela, on relie le canal 18 à une source de pression de fluide de valeur connue. Sous l'effet de cette pression, la bille 26 est plaquée contre l'entrée de l'orifice inférieur 24 obturant ainsi le canal 18. La pression du fluide extérieur 33 est alors appliquée dans la chambre de fermeture A. Cela permet de vérifier à partir de quelles valeurs de pression le clapet de pilotage fonctionne. La mise à l'air libre de la cham- bre de fermeture A par l'intermédiaire du pointeau 30, constitue un moyen d'ouverture manuel de la soupape. En effet, sous l'effet de la dépressurisation de la cham- bre A, la bille 26 vient obturer l'orifice supérieur 22 de la valve 20, et le clapet principal 38 s'ouvre alors sous la seule action de la pression sur sa face C. La refermeture de la soupape est alors assu- rée par injection d'un fluide extérieur 33 par le poin- teau 32. Si le tarage du ressort héLicoldal 54 n'est pas satisfaisant, on peut le modifier au moyen de la tige extérieure en vissant ou en dévissant, selon le cas, le siège 50 du clapet de pilotage 48. On recommen- ce alors l'opération de mesure précédente pour vérifier que le tarage est correct. On a représenté sur la figure 2 un second mode de réalisation de l'invention. Il est identique dans son principe et dans son fonctionnement au premier mode de réalisation. La différence entre ces deux modes 1 1 de réalisation réside dans les moyens qui permettent d'obturer l'orifice du canal de purge 64. Dans le mode de réalisation de la figure 2, des moyens sont consti- tués par un pointeau obturateur 168 monté coulissant dans un alésage 170 usiné dans le piston 40. L'entrée de l'orifice du canal 64 forme un siège pour ce poin- teau qui est maintenu élastiquement en appui sur ce siège par un ressort hélicoidal de compression 172. A son extrémité supérieure, le pointeau possède une col- lerette 174 qui est entraînée vers le haut lors du mou- vement d'ouverture du clapet principal 70, c.e qui a pour effet de décoller le pointeau 168 de son siège. Ce pointeau s'ouvre ainsi avec un temps de retard par rap- port au clapet principal 70. Au contraire, lors du mou- vement de fermeture, il se ferme avec un temps d'avance sur ce clapet, ce qui a pour effet, de manière identi- que à ce que l'on a expliqué pour le mode de réalisa- tion précédent, d'enfermer dans la chambre d'ouverture B un matelas de fluide qui amortit la fermeture du cla- pet principal 70. 259 1706 REVENDICATIONS 1. Soupape de sûreté à pilotage intégré pour une enceinte contenant un fluide sous pression, La sou- pape comprenant un corps de soupape (4) pourvu d'une entrée (8) et d'une sortie (10) pour le fluide, L'en- trée (8) étant en communication avec l'enceinte sous pression et La sortie (10) étant à l'atmosphère, un siège (12) situé entre l'entrée et la sortie, Ledit corps (4) déterminant une chambre cylindrique (16), un piston (40) monté coulissant dans Ladite chambre cylin- drique (16), un clapet principal (38) fixé sous le pis- ton (40) apte à obturer ledit siège (12), des moyens élastiques (75) pour appliquer Le clapet principal (38) sur le siège (12), un canal (60) traversant axialement la soupape (36), un clapet de pilotage (48) logé dans ledit piston (40), des moyens élastiques (54) pour ap- pliquer le clapet de pilotage (48) sur son siège (50), caractérisée en ce que le piston détermine avec la chambre cylindrique (16) une chambre de pression A de fermeture du clapet principal, une chambre de pression B d'ouverture du clapet principal, ladite chambre A étant en communication avec l'enceinte par un canal (18), le piston (40) comportant une face (62) de surfa- ce Sb, dirigée vers la chambre de pression B et une face (58) de surface Sa, dirigée vers la chambre de pression A, la surface S étant supérieure à la surface a S de la face C du clapet principal (38), et inférieure c à la somme des surfaces S de la face 62 du piston et Sc de la face C du clapet principal. 2. Soupape selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la chambre de pression d'ouverture B du clapet principal communique avec l'atmosphère par un canal de purge calibré (64), des moyens (68, 168) étant prévus pour obturer ledit orifice lorsque le clapet principal (38) est en position fermée, lesdits moyens s'ouvrant après la soupape principale et se fermant avant lui. 3. Soupape selon la revendication 2, caracté- risée en ce que le clapet comporte une partie (70) de plus petit diamètre déterminant un épaulement (72) et une rondelle (68) montée coulissante sur cette partie de plus petit diamètre (70), Ladite rondelle (68) obtu- rant le canal calibré (64) lorsque la soupape est en position fermée et dégageant cet orifice lorsque ledit épaulement vient en contact avec la rondelle (68) lors d'un mouvement d'ouverture de la soupape. 4. Soupape selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les moyens pour obturer le canal (64) mettant la chambre de pression d'ouverture B du clapet principal en communication avec l'atmosphère sont cons- titués par un pointeau obturateur (168) monté coulis- sant dans un alésage (170) du piston, l'entrée du canal (64) formant un siège pour ledit pointeau obturateur (168), ce dernier étant maintenu élastiquement en appui contre ce siège, ledit pointeau comportant en outre une collerette (174) entraTnée par la soupape dans son mou- vement d'ouverture, de manière à soulever Le pointeau obturateur de son siège lorsque la soupape s'ouvre. 5. Soupape selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une valve (20) est disposée dans le canal reliant la chambre de pres- sion de fermeture du cLapet principal à l'enceinte. 6. Soupape selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce que le diamètre extérieur de la chambre de fermeture A du clapet.prin- cipal est déterminé par un soufflet-(74) raccordé au corps de soupape (4) à une extrémité et au piston (40) à son autre extrémité, ce souflet (74) formant avec la paroi intérieure du corps de cylindre un espace annu- Laire dans lequel est logé un ressort d'appui (75) qui applique le clapet principal sur le siège (12). 7. Soupape selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (78, 82) permettant de régler le tarage ou le déclenchement du clapet de pilotage (48) pendant le fonctionnement de la soupape de sûreté. 8. Soupape selon la revendication 7, caracté- risée en ce que lesdits moyens pour régler le tarage du clapet principal sont constitués par deux tiges concen- triques disposées dans l'axe du clapet de pilotage et montées coulissantes et tournantes sur le corps de sou- pape, l'une de ces tiges (78) comportant des ergots (79) aptes à s'engager dans une rainure (56) du siège (50) de clapet de pilotage, l'autre tige (82) présen- tant un diamètre inférieur au diamètre intérieur du conduit central du siège (50) du clapet de pilotage. 9. Soupape selon l'une quelconque des reven- dications 7 et 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour tester la pression de tarage du clapet principal, ces moyens étant constitués par un robinet à trois voies (28), l'une de ces voies (30) permettant de mettre la chambre de pression de fermeture du clapet principal à l'atmosphère, la seconde voie (32), de re- lier cette chambre à une source de pression (33) d'un fluide extérieur, la troisième voie (34) permettant d'isoler le canal reliant la chambre de fermeture du clapet principal à l'enceinte.