Brevet FR2588934A1 — publié le 19870424

-- i -- PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIBERATION DE PRESSION SENSIBLE A LA TEMPERATURE. La présente invention concerne un procédé de libéra- tion de pression sensible à la chaleur; elle concerne également un dispositif de sécurité, du type à rupture, permettant de libérer un fluide sous pression. Les dispositifs de sécurité de libération de fluide sous pression comportent pour la plupart un disque ou élément de rupture monté de telle sorte que lorsque la pression de fluide exercée sur ledit élément de rupture dépasse un niveau prédéterminé, il puisse se rompre de telle sorte que la pression de fluide soit libérée. Pour certaines des applications de tels appareils de sécurité à libération de pression de fluide, il peut se produire que le fluide sous pression subisse une aug- mentation rapide de température sans que se produise une augmentation rapide correspondante de pression. Par exem- ple, dans l'industrie chimique, lorsqu'une réaction se produit sous une température et une pression données, si l'on pert le contrôle de la réaction et qu'elle se pour- suit à un degré trop élevé, la température peut augmenter rapidement sans qu'il se produise une augmentation appré- ciable de pression. Dans de telles applications, il est généralement souhaitable que le relâchement de pression se produise lorsque la température du fluide sous pres- sion atteint un niveau prédéterminé. La présente invention vise à résoudre ce problème et concerne, d'une manière générale, un procédé et un dispo- sitif de libération de pression sensible à la chaleur. - 2- Selon la présente invention, le dispositif de sécu- rité à libération de pression de fluide comprend: - un corps creux, - un élément de rupture monté de manière étanche au- dit corps creux, - un ensemble support disposé à l'intérieur dudit corps creux, de manière adjacente à l'élément de rupture, cet ensemble support comprenant: une surface support servant à maintenir ledit élément de rupture de telle sorte qu'il puis- se se rompre à une première pression de rup- ture prédéterminée, un matériau solide ayant un point de fusion prédéterminé de telle sorte que, si la tempé- rature du fluide sous pression atteint un ni- veau tel que cette matière soit chauffée à son point de fusion, la surface support ne maintienne plus l'élément de rupture, ce qui entraine la rupture de cet élément à une se- conde pression de rupture prédéterminée infé- rieure à la première pression de rupture pré- déterminée précitée. Les dispositifs à libération de fluide sous pression du type à rupture utilisésjusqu'à ce jour sont conçus de manière à pouvoir fonctionner essentiellement en réponse à un niveau de pression du fluide qui est en contact avec le dispositif et bien que la température du fluide puisse affecter la pression de rupture dans une certaine mesure, un contr6le précis de la pression de rupture basé sur la température n'a encore jamais été possible. Le dispositif selon l'invention permet de résoudre ce problème et notamment d'obtenir un contrôle précis de la pression à laquelle le dispositif se rompt et ce, à des températures différentes. - 3 - La présente invention et les avantages qu'elle ap- porte seront cependant mieux compris grâce à la descrip- tion qui suit et des exemples de réalisation donnés ci- après à titre indicatif mais non limitatif et qui sont illustrés par les schémas annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un appareil conforme à la présente in- vention; - la figure 2 est une vue de dessus de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant les différents éléments constituant l'appareil selon l'invention dans l'ordre o ils sont assemblés; - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 2; - la figure S est une vue similaire à la figure 4 mais montrant l'appareil après fonctionnement partiel; - la figure 6 est une vue en élévation, partielle- ment en coupe, d'un second mode de réalisation d'un appa- reil selon l'invention; - la figure 7 est une vue similaire à la figure 6 mais montrant l'appareil après fonctionnement. Le dispositif à libération de pression conforme à l'invention désigné par la référence générale (10) et il- lustré aux figures 1 à 4 comporte un corps creux (12) présentant deux extrémités (14) et (16), l'une (14) dite extrémité d'entrée et l'autre (16) dite extrémité de sor- tie. Bien que le corps (12) puisse présenter différentes formes, au moins l'extrémité d'entrée (14) est de préfé- rence cylindrique et s'étend à l'intérieur du fluide sous pression et est chauffé par ce dernier. Un élément de rupture-(18), de préférence en forme de disque, est monté de manière étanche dans l'extrémité d'entrée (14) du corps (12). Dans ce mode de réalisation, - 4 - l'élément de rupture comporte une partie (20) en forme de dôme concave-convexe reliée à une partie annulaire (22) par l'intermédiaire d'une zone de transition (24). Le diamètre de l'élément de rupture (18) correspond au dia- mètre de sortie du corps (12) à l'extrémité de sortie (14). L'élément de rupture (18) est fixé à cette extrémi- té (14) de manière étanche, par exemple par soudure (25) ou tout autre moyen, de telle sorte que le fluide sous pression ne puisse pas entrer à l'intérieur du corps (12) tant que l'élément de rupture (18) est intact. Selon l'invention, le dispositif comporte un ensem- ble support constitué essentiellement d'un élément sup- port (26) et d'un anneau support (34) disposé à l'inté- rieur du corps (12). L'élément support (26) présente une partie cylindrique (28) et une portion annulaire plate (30) formant une surface inférieure de support (31) qui est positionnée de manière adjacente à la partie de la portion annulaire (22) de l'élément de rupture qui n'est pas supporté par le corps (12). L'angle interne arrondi (32) formé par l'intersection de la surface (31) de la partie annulaire (30) et la partie cylindrique (28) est disposé de manière adjacente et supporte la zone de liai- son de transition (24) de l'élément de rupture (18) et ce, afin d'éviter que la partie annulaire (22) et la zone de transition (24) dudit élément de rupture (18) se dé- forment par suite d'une pression de fluide exercée sur l'autre côté de l'élément de rupture (18). Ainsi que cela ressort des figures 3 et 4, un anneau support (34) est disposé à l'intérieur de l'espace annu- laire entre le corps (12) et la partie cylindrique (28) de l'élément support (26). L'anneau support (34) est réa- lisé dans un matériau qui présente un point de fusion prédéterminé, cet anneau permettant de maintenir l'élé-. - 5 - ment support (26) contre l'élément de rupture (18). Le corps (12) comporte un ensemble de maintien cylindrique (36) qui présente un épaulement annulaire (37) maintenant l'anneau support (34) et l'élément support (26) dans une position telle qu'il supporte l'élément de rupture (18) comme cela est représenté à la figure 4. L'élément d'arrêt (36) peut être formé d'une partie intégrante du corps (12) o, comme cela est représenté, peut être cons- titué d'un élément amovible vissé dans le corps (12). Dans le mode de réalisation illustré aux figures 1 à , l'élément d'arrêt (36) présente un diamètre interne légèrement plus grand. que le diamètre externe de la par- tie cylindrique (28) de l'élément support (26), de telle sorte qu'un espace annulaire (38) soit formé et communi- que avec l'intérieur du corps (12). En emprisonnant l'an- neau support (34) entre l'élément support (26), le corps (12) et le système de blocage (36), on évite que la ma- tière de l'anneau support soit déformée prématurément et cesse de maintenir l'élément support et le disque de rup- ture lorsque la température approche du point de fusion du matériau. Dans des applications o la température nor- male du fluide en contact avec l'appareil (10) est bien en dessous du point de fusion de la matière formant l'an- neau support et que la température du fluide augmente ra- pidement, un tel emprisonnement substantiel de l'anneau - support n'est pas nécessaire. Lors de son utilisation, l'appareil (10) est monté à l'intérieur d'une zone de libération de pression de telle sorte que lors de la rupture de l'élément de ruptu- re (18), la pression puisse être libérée au travers du corps (12) depuis l'extrémité d'entrée (14) à l'extrémité de sortie (16) de ce corps. Comme montré aux figures 4 et 5, l'extrémité de sortie (16) du corps (12) peut être - 6- monté au moyen d'une soudure étanche (39), à un élément cy- lindrique complémentaire (40) permettant par exemple d'amener le fluide qui s'écoule au travers du corps (12) jusqu'à un lieu déterminé o s'effectue la libération de pression. Dans ce mode de réalisation, la totalité de l'appareil (10) est disposé à l'intérieur d'une enceinte ou tout autre système contenant un fluide sous pression et est chauffé ou refroidi sous l'action des changements de température du fluide. Lorsque la température du fluide sous pression au- quel l'appareil (10) est exposé est en dessous du point de fusion de l'anneau support (34), l'élément support (26) est maintenu en place et l'élément de rupture (18) fonctionne de manière conventionnelle, c'est-àdire que la partie convexe-concave (20) se rompt lorsqu'une pres- sion de fluide prédéterminée est exercée sur la partie concave de ce disque. Si la température du fluide sous pression est suffi- sante pour chauffer l'anneau support (34) à une tempéra- ture égale ou supérieure à son point de fusion, la matiè- re formant ledit anneau (34) fond et s'écoule à travers le passage annulaire (38). Ceci permet à l'élément sup- port (26) et en particulier à sa surface support (31) de se déplacer et de s'éloigner de l'élément de rupture (18) de telle sorte que la partie annulaire (22) et la zone de transition (24) du disque de rupture (18) ne sont plus maintenues par la surface support (31). En conséquence, l'élément de rupture (18) se déforme et l'élément support (26) est déplacé vers le haut. Là déformation de l'élé- ment de rupture (18) provoque une augmentation de la par- tie concave-convexe (20) jusqu'à ce que la zone de tran- sition (24) atteigne l'intérieur du corps (12). Cela a pour conséquence de permettre que la rupture de l'élément - 7 - (18) se produise à une pression plus basse. Par suite, lorsque la température du fluide sous pression atteint le point de fusion de l'anneau support (34), la pression à laquelle l'élément (18) se rompt est abaissée. Il est possible de contrôler et déterminer précisément la pres- sion de fluide à laquelle l'élément (18) se rompt, à la fois avant et après que l'anneau support (34) fonde, en jouant sur les dimensions des divers éléments de l'appa- reil (10) qui, à leur tour, déterminent les dimensions de la partie concave-convexe (20) de l'élément de rupture (18). Pour les applications o la température du fluide sous pression est normalement bien en dessous du point de fusion de l'élément support, et lorsqu'une augmentation de température de fluide se produit rapidement, l'élément support (26) peut être omis de l'appareil (10). Dans un tel cas, un anneau support (34) plus grand peut être uti- lisé de telle sorte que cet anneau soit directement en contact et supporte la partie annulaire (22) et la zone de liaison de transition (24) de l'élément de rupture (18). Pour les applications o un contrôle précis du fonc- tionnement de l'appareil (10) est exigé, l'utilisation de l'élément support (26) est préférable étant donné que cela permet d'obtenir une déformation plus précise de l'élément de rupture (18) compte-tenu du fait que là par- tie cylindrique (28) permet d'emprisonner l'anneau sup- port (34) dans l'espace annulaire défini par les parois intérieures du corps (12), la face inférieure de l'élé- ment de retenue (36) et la partie annulaire (30) de l'é- lément support (26).Ainsi, le matériau dans lequel l'anneau support (34) est réalisé, ne peut pas s'échapper de l'espace jusqu'à ce qu'il soit fondu à un point tel o il - 8 - est suffisamment fluide pour s'écouler à travers l'espace annulaire (38) et qui est relativement étroit. Par suite, lorsque la température du fluide sous pression dépasse le point de fusion du matériau dans lequel l'anneau support (34) est réalisé et que ledit anneau se ramolit, l'élé- ment de rupture (18) ne se déformera pas tant que la ma- tière ne sera pas assez fluide pour pénétrer à l'inté- rieur de l'espace (38). Pour obtenir un contrôle encore plus précis, si cela est souhaitable, une ou plusieurs ouvertures de dimensions déterminées peuvent être prévues dans la partie cylindrique (28) de l'élément (26) de ma- nière à faire communiquer l'espace contenant l'anneau support (34) avec l'intérieur de l'élément (26). Dans le second mode de réalisation illustré par les figures 6 et 7, l'ensemble support de l'appareil (50) ne comporte pas d'anneau support séparé. Dans ce mode de réalisation, l'appareil (50) comporte un corps creux (52) présentant une partie cylindrique filetée (54) et une tê- te plate (56), à pans coupés, hexagonale, permettant de réaliser le serrage de la partie (54) à l'intérieur d'un ensemble complémentaire. L'intérieur creux de la partie cylindrique (54) communique avec une ou plusieurs ouver- tures (58) prévues dans la tête hexagonale (56). La partie cylindrique filetée (54) comporte un alé- sage interne (60) à l'intérieur duquel est disposé un élément support (62) dont la face inférieure (63) est à base d'un matériau ayant un point de fusion déterminé, l'élément support (62) s'appuyant contre l'épaulement annulaire (65) formé à l'extrémité de l'alésage (60). Un disque de rupture plat (64) est soudé à l'extrémité de la partie cylindrique filetée (54) du corps (50), de telle sorte qu'une partie de ce disque (64) soit supportée par l'élément support (62). - 9 - Lors de l'utilisation d'un tel appareil, le corps (50) est vissé à l'intérieur d'une partie complémentaire d'une enceinte sous pression ou tout autre système, de telle sorte que le fluide sous pression contenu à l'in- térieur de l'enceinte ou système agisse sur le disque (64) qui évite qu'il ne se dégage dans l'atmosphère en s'écoulant au travers du corps (52) et des ouvertures (58) que comporte ce corps. L'élément de rupture (64) a une pression prédétermi- née de rupture déterminée par la dimension de l'élément support (62) maintenu à l'intérieur de l'alésage (60) prévu dans le corps (52). Lorsque l'élément de rupture (64) n'est pas supporté par la surface support (63) de l'élément support (62), il se rompt à une pression prédé- terminée inférieure compte-tenu qu'une plus grande partie de sa surface n'est pas supportée. Par suite, lorsque la température du fluide sous pression atteint un niveau su- périeur au point de fusion de la matière formant l'élé- ment support (62), cette matière fond et le support de l'élément de rupture (64) est supprimé de telle sorte que cet élément de rupture (64) se rompt ainsi que cela est illustré à la figure 7, ce qui permet d'assurer la libé- ration du fluide sous pression au travers de l'appareil (50). Les exemples qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, illustreront plus clairement le fonc- tionnement d'un tel appareil (10). - Exemple 1: On réalise un appareil conforme à l'invention pour une application exigeant que la libération pour une pres- sion de fluide se produise dans une fourchette comprise entre 292 et 320 bars pour une température allant jus- - 10 - qu'à 400 C et qu'elle se produise pour une pression de fluide comprise dans une fourchette allant de 211 à 238 bars pour une température supérieure à 400 C. Dans une telle application, l'appareil (10) conforme à l'invention comporte un corps (12) présentant un diamè- tre interne de 5,48 cm et une longueur de 7,62 cm. Un disque de rupture (18) à base d'un alliage nickel-chrome est soudé à l'extrémité (14) du corps (12), ce disque présentant une partie concave-convexe (20) ayant un dia- mètre de 3,81 cm et permettant d'obtenir une rupture entre 292 et 320 bars. L'élément support (26) présente un diamètre interne de 3,81 cm et l'anneau support (34) est réalisé dans un alliage eutectique zinc-alun présenant un point de fusion de 382 C. Par suite, en fonctionnement, lorsque la température du fluide sous pression atteint 3820C, l'anneau support zinc-alun commence à fondre. Pendant la période nécessai- re pour que la température atteigne 4000C, l'anneau sup- port (34) fond suffisamment pour s'écouler à travers le passage (38) si bien que le disque atteint un diamètre de ,48 cm. La partie concaveconvexe (20) ainsi reformée se rompt à une pression de fluide comprise entre 211 et 238 bars. Exemple 2: On réalise un appareil conforme à l'invention pour une application exigeant que le relâchement de pression se produise à une pression de fluide d'environ 340 bars pour une température allant jusqu'à 92 C. Pour une tempé- rature supérieure à 92 C, le relâchement de pression doit se produire à une pression de fluide d'environ 150 bars. - 11 - L'appareil (50) conforme à l'invention qui permet de remplir ces exigences comporte un corps (52) dont l'alésage interne (60) a un diamètre de 0,66 cm. Un dis- que de rupture (64) à base d'alliage Inconel 600 est sou- dé à l'extrémité de la partie cylindrique filetée (54) du corps (52) et un élément support (52) ayant un diamètre interne de 0,289 cm, à base d'un alliage eutectique sai- sible est disposé à l'intérieur de l'alésage (60). L'élé- ment support (62) présente un point de fusion de 92 C. Avant fusion de l'élément support (62), le disque de rup- ture (64) se rompt à une pression d'environ 340 bars. Si l'anneau support (62) fond, et en conséquence, cesse de supporter le disque de rupture (64) , ce dernier se rompt à une pression de rupture d'environ 150 bars. Avec un tel appareil (50), lorsque la température du fluide sous pression atteint 920C, l'anneau support (62) fond et ces- se de supporter le disque (64). Par suite, le disque (64) se rompra à une température de fluide d'environ 150 bars. - 12 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de sécurité à libération de pression comprenant: - un corps creux (12,52); - un élément de rupture (18,64) monté de manière étanche audit corps creux; - un ensemble support (28-36,62) disposé à l'inté- rieur dudit corps creux, de manière adjacente à l'élément de rupture et comprenant une surface support (31,63) ser- vant à maintenir ledit élément de rupture de telle sorte qu'il puisse se rompre à une première pression de rupture prédéterminée, caractérisé en ce que ledit élément support comporte un matériau solide (34,52) ayant un point de fusion prédé- terminé de telle sorte que, si la température du fluide sous pression atteint un niveau tel que cette matière soit chauffée à son point de fusion, la surface support (31,63) ne maintienne plus l'élément de rupture (18,64), ce qui entraîne la rupture de cet élément à une seconde pression de rupture prédéterminée inférieure à la premiè- re pression de rupture prédéterminée précitée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau solide ayant un point de fusion prédéterminé se présente sous la forme d'un anneau support (34) disposé entre un élément support (26) pré- sentant une surface support (31) et un épaulement annu- laire (37) disposé à l'intérieur du corps creux (12). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit épaulement annulaire (37) prévu à l'inté- rieur du corps creux comporte un ensemble de maintien cy- lindrique (36) vissé dans le corps creux (12). - 13- 4/ Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément support (26) comporte une partie cylindrique (28) et une portion annulaire (30) à une de ses extrémités, la surface support (31) étant mon- tée sur ladite portion annulaire. / Appareil selon la revendication 4 prise en combi- naison avec la revendication 3, caractérisé en ce que la- dite portion cylindrique (28) est espacée radialement (38) par rapport à l'élément d'arrêt cylindrique de telle sorte que le matériau puisse s'écouler dans cet espace lorsqu'il est fondu. 6/ Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de rupture (18) comporte une partie en forme de dome concave-convexe (20) reliée à une partie plate annulaire (22) par une zone de transi- tion annulaire (24), ladite partie annulaire plate étant maintenue par la surfacé support. 7/ Appareil selon la revendication 6 prise en combi- naison avec les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la portion cylindrique (28) et une partie annulaire (30) de l'élément support (26) sont reliées entre elles par un angle arrondi (32) qui recouvre la zone de transi- tion (24) de l'élément de rupture. 8/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble support comporte un anneau support (63) formé dans un matériau ayant un point de fusion prédéter- miné, ledit anneau support s'appuyant contre un épaule- ment annulaire (65) disposé à l'intérieur du corps creux (52) et présentant une surface support (63). - 14 - 9/ Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément de rupture est un disque de rupture plat (64) monté de manière étanche au corps (52) et s'appuyant contre la surface support (63). / Procédé permettant d'assurer la libération d'un fluide sous pression à un niveau de pression prédéterminé lorsque la température dudit fluide est inférieure à une température prédéterminée et à un niveau de pression in- férieur lorsque la température dudit fluide est supérieu- re à ladite première température prédéterminée, ce procé- dé consistant à disposer de manière étanche un élément de rupture dans un conduit de libération de fluide, de telle sorte que ledit élément de rupture retienne le fluide sous pression jusqu'à la rupture, la rupture dudit élément se produisant à une pression de rupture prédéter- minée lorsqu'il est supporté par un ensemble support d'une dimension donnée et à une pression de rupture infé- rieure lorsqu' il n'est pas supporté par ledit ensemble support, ledit élément de rupture étant maintenu au moyen d'un ensemble support de dimensions prédéterminées, caractérisé en ce que l'ensemble support est tel qu'il comporte un matériau présentant un point de fusion prédé- terminé de telle sorte que lorsque si la température de fluide sous pression est inférieure au point de fusion, la rupture de l'élément de rupture et la libération de pression de fluide se produisent à un niveau de pression prédéterminé mais que lorsque la température du fluide sous pression atteint un niveau tel que la matière soit chauffée à son point de fusion, ledit matériau fonde, l'élément support cessant de maintenir l'élément de rup- ture, ce qui entraîne la rupture de'cet élément à une seconde pression de rupture prédéterminée inférieure à la première pression de rupture précitée. - 15 - 11/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble support comporte un élément support monté sur un anneau support à base d'un matériau ayant un point de fusion prédéterminé. 12/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble support comporte un anneau support réalisé dans un matériau ayant un point de fusion prédé- terminé, ledit anneau support étant disposé de manière adjacente à l'élément de rupture.