Brevet FR2592125A1 — publié le 19870626

La présente invention concerne une vanne étanche et, plus particulièrement, une vanne de sectionnement totalement étanche pouvant être utilisée sur les circuits de fluides radioactifs pressurisés des centrales nucléaires. On sait que de telles vannes doivent réaliser le sectionnement ou le réglage d-u débit de fluides so-us haute pression et à température élevée, mais que, néanmoins, elles doivent présenter une étanchéité parfaite, pour des raisons de sécurité évidentes. Le but de la présente invention est donc de proposer une telle vanne qui soit totalement étanche, meme dans les conditions de pression et de température qui sont celles des centrales nucléaires, qui puisse absorber les variations de température importantes et rapides que l'on rencontre dans ce type d'installations, qui puisse être facilement montée et démontée et qui offre une sécurité de manoeuvre complète. Selon l'invention, ces buts, et d'autre qui appa raieront par la suite, sont atteints grâce à -une vanne qui comprend, en combinaison, un corps de vanne traversé par un conduit qui est muni d'orifices d'arrivée et de sortie du fluide et qui présente un siège de clapet perpendiculaire à l'axe de symétrie de la vanne ; un clapet coaxial avec la vanne qui traverse ladit corps et qui se prolonge vers le haut par une tige ; une cloche étanche ento-urant ladite tige et appliquée sur le haut dudit corps avec interposition d'un joint métallique interne et soudure de lèvres minces externes ménagées en haut du corps de vanne et en bas de ladite cloche; une bague menée filetée intérieurement qui est vissée sur l'extrémité supérieure de ladite tige de clapet et qui est mobile en rotation à l'intérieur de ladite cloche ; des moyens empêchant la rotation de ladite tige par rapport à ladite cloche ; et des moyens magnétiques et/ou électromagnétiques pour entraîner en rotation ladite bague menée depuis ltexté- rieur de la vanne. On comprend que le montage en cascade de deux joints d'étanchéité entre le corps de vanne et la cloche spécifiée ci-dessus conduit à une étanchéité améliorée par rapport aux vannes de type connu. En outre, les lèvres minces soudées autorisent le démontage rapide de la vanne par découpage de la zone soudée et son remontage sans rechargement de métal. De préférence, lesdits moyens pour entraîner en rotation ladite bague menée comprennent des aimants logés parallèlement à l'axe de la vanne dans cette bague menée et des aimants logés à la même hauteur et parallèlement aux précéments su la surace intérieure d'une bague menante qui coiffe la partie supérieure de la cloche et qui peut être entraînée en rotation au moyen d'un volant. Toutefois, dans une autre forme de réalisation, la bague menante et ses aimants peuvent être remplacés par un stator de machine électrique qui est monté autour de la cloche en question et à la hauteur des aimants de la bague menée, qui est susceptible de créer un champ tournant et qui est alimenté par une électronique de puissance appropriée. Bien entendu, ces dispositifs de transmission des efforts de commande permettent de n'affecter en rien l'étanchéité de la vanne selon l'invention, puisqu'ils agissent au travers de la cloche spécifiée ci-avant sans aucun contact matériel entre eux. Avantageusement, la bague menée et ses aimants sont revêtus extérieurement par une chemise soudée étanche. En effet, les aimants utilisés en pareil cas, et qui sont généralement à base de cobalt et de terres rares, sont susceptibles d'être réduits en poudre par l'hydrogène qui est souvent présent dans les circuits primaires des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. De préférence, un fourreau est interposé entre la tige du clapet de vanne et la cloche spécifiée ci-avant, des butées à billes étant interposées entre la bague menée et, respectivement, ce fourreau et le haut de la cloche, et des rondelles élastiques étant interposées entre ces butées à billes et la bague menée. Avantageusement, la bague menante et son volant se prolongent vers le haut par un manchon qui coiffe un arbre solidaire du haut de la cloche spécifiée ci-avant et qui est mobile en rotation autour de cet arbre par l'intermédiaire de deux paliers à billes. Cette dernière disposition rend le réglage de la vanne beaucoup plus aisé qu'avec un dispositif de blocage du volant par vis de pression par exemple. En outre, ce manchon peut comprendre -un cliquet assurant l'irréversibilité de son sens de rotation et un index qui visualise sa position angulaire. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard du dessin annexé dont la figure unique représente une vue en coupe axiale de la vanne étanche selon 1' invention. On remarquera tout d'abord que l'essentiel de cette vanne est de révolution autour de son axe XX' qui, pour des raisons de commodité, sera supposé vertical dans ce qui va suivre. Comme on le voit sur la figure, la vanne selon la présente invention comprend à sa base un corps f traverse par un conduit 2 qui est parcouru par le fluide à sectionner ou dont il s'agit de régler le débit. Ce fluide circule entre des orifices d'entrée 3 et de sortie 4 qui sont raccordés à la tuyauterie de l'installation par soudage ou au moyen de brides ou de parties filetées, en fonction des nomes applicables au cas de l'espèce. Les sections d'entrée 5 et de sortie 6 du conduit 2, parallèles entre elles, peuvent former un angle pratiquement quelconque avec l'axe XX' de la vanne, mais, dans un mode de réalisation avantageux, cet angle est de 500 environ, ce qui correspond à une perte de charge la plus faible possible. Entre ses sections d'entrée 5 et de sortie 6, le conduit 2 présente à sa partie inférieure un siège annulaire 7 perpendiculaire à l'axe XX' destine à recevoir un clapet 8 de forme correspondante qui est monté coulissant dans le corps 1 et qui est mobile en translation selon 1 7 axe XX', ainsi que cela sera précisé plus loin, pour que sa base puisse venir s'appliquer de façon étanche sur le siège 7. La face d'appui du clapet 8 a été représentée sur la figure sous la forme d'un tronc de cône, mais, dans le cas où ce clapet est utilise en vue d'un sectionnement, cette forme est avantageusement sphérique. Une cloche épaisse 9 qui est apte à supporter la pression du fluide circulant dans le conduit 2 et dont l'épaisseur ne doit pas etre inférieure à 8 millimètres, est plaquée par sa base sur le haut du corps de vanne 1 par une pluralité de tirants filetés 10 vissés dans le corps de vanne 1 et coopérant avec des ecrous 11 qui prennent appui lors de leur serrage sur une bride intermédiaire 12 solidaire de la cloche 9. L'étanchéite totale entre le corps 1 et la cloche 9 est assuree par la combinaison selon l'invention de deux joints annulaires en cascade : l'un, 13, est disposé à l'intérieur de la cloche et, de préférence, il est réalisé en un matériau métallique connu sous le nom commercial de "HELICOFLEX", et l'autre, 14, consiste en une liaison par soudage entre deux lèvres minces pratiquées à la périphérie de la base de la cloche 9, d'une part, et, d'autre part, à celle du haut du corps de vanne 1. La forme de ces lèvres de soudage autorise le démontage par découpage de la zone soudée et le remontage sans rechargement de métal. Enfin, un piquage non représenté peut être pratiqué dans la zone comprise entre ces deux joints 13 et 14, la présence ou l'absence de fluide dans cette zone renseignant sur la tenue d-u joint intérieur 13. A l'intérieur de la cloche 9, le clapet 8 se prolonge vers le haut par une tige 15, un fourreau 16 étant interposé entre la cloche et la tige. Pour empecher toute rotation du clapet 8, des clavettes 17 sont logées dans des rainures en regard parallèles à l'axe XX' qui sont ménagées dans la tige 15 du clapet 8 et dans le fourreau 16. Ce dernier, pour sa part, est rendu solidaire de la cloche 9 par des doigts d'arrêt vertical 18 et transversal 19 enfonces dans des orifices en regard pratiqués dans ces deux éléments. La partie supérieure de la cloche 9, au-dessus du fourreau 16, est coiffée par un moyeu 20 dont la partie supérieure est reliée à un volant de manoeuvre 21 et qui comporte à sa partie inférieure un collet 22. Entre ce dernier et une bride inférieure 23 est enserrée, au moyen de tirants 24, une bague menante 25 sur la surface interne de laquelle sont logés, dans des saignées prévues à cet effet, des aimants 26 qui peuvent tourner avec un faible jeu autour de la cloche 9. Cette bague menante entraîne en rotation, grâce aux forces électromagnétiques, une bague menée 27 dont la partie infé- rieure entoure solidairement un écrou 28 à recirculation de rouleaux vissé sur la partie supérieure de la tige 15 du clapet 8 et qui comporte des aimants 29 logés dans des saignées prévues à cet effet sur sa surface extérieure, le nombre de ces aimants menés étant de préférence égal à celui des aimants menants 26 et, par exemple, égal à huit. On comprend, dès à présent, que la rotation du volant de manoeuvre 21 et, partant, des aimants 26 de la bague menante 25, fait tourner la bague menée 27 d-u fait des aimants 29 qui en sont solidaires, et que le système 15, 28 de vis-écrou à recirculation de rouleaux permet de transformer cette rotation en une translation-selon l'axe XX' de la tige 15, et donc du clapet 8. Il faut noter à ce sujet qu'un tel système à recirculation de rouleaux présente un bon rendement et qu'il est réversible grâce aux faibles frottements des mécanismes correspondants. Des butées à billes 30 et 31 sont montées entre la bague menée 27 et le fourreau 16, d'une part, et, d'autre part, entre cette bague et le sommet de la cloche 9, des rondelles élastiques 32 et 33 séparant, respectivement, ces butées 30 et 31 de la bague menée 27. Ces rondelles 32 et 33 sont destinées à compenser la dilatation différentielle des pièces en présence, la vanne subissant des variations de température très importantes et très rapides. Une rondelle élastique supplémentaire 33a est interposée entre la butée à bille supérieure 31 et le haut de la cloche 9. A son extrémité supérieure, cette cloche 9 est solidaire d'un arbre 34 sur lequel peut tourner, avec interposition de deux roulements à billes 35 et 36, un manchon 37 qui prolonge vers le haut le volant de manoe-uvre 21 et qui comporte un couvercle 38 muni d'un cliquet anti-dévissage 39 empêchant la rotation de l'arbre 34 par rapport au manchon 37, ce cliquet pouvant comprendre avantageusement une sélection préférentielle du sens de rotation. Enfin, -un index 40 est monté sur le manchon 37 pour visualiser la position du clapet 8 par rapport à son siège 7. Une autre disposition importante de la présente invention est qu'une chemise soudée de protection 41 en matière inoxydable et amagnétique est montée en appui sur les aimants 29 de la bague menée 27 et soudée de manière totalement étanche, en 42 et 43, sur les bords externes inférieur et supérieur, respectivement, de la bague menée 27. En effet, les aimants utilisés pour ce genre d'applications-sont à base de cobalt et d'une terre rare comme le samarium, du fait des énergies spécifiques élevées qu'ils produisent, ce qui diminue l'encombrement. Malheureusement, ils sont susceptibles d'être détruits, c'est-à-dire réduits en poudre, du fait de la présence d'hydrogène qui est toujours possible dans les circuits primaires des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, d'où la présence de la chemise soudée de protection 41. La description précédente appelle encore les divers commentaires suivants. Tout d'abord, il est clair que la commande manuelle de la vanne selon l'invention, telle que décrite ci-avant, pourrait être transformée en une commande motorisée, soit par le montage d'un moteur lié au volant 21, soit en remplaçant les aimants menants 26 par un stator de machine électrique susceptible de créer un champ tournant et alimenté par une électronique de puissance appropriée. D'autre part, les deux butées à billes 30 et 31 de la bague menée interne 27 sont, de préférence, réalisées en un alliage à base de cobalt, comme celui connu sous le nom commercial de "STELLITE". C'est d'-un revêtement réalisé en ce même matériau résistant bien à l'usure que sont avantageusement pourvues les zones d'appui du clapet 8 et de son siège 7, mais ce dernier pourrait également être constitué par une pièce rapportée maintenue en place par vissage, cette solution facilitant la maintenance en évitant le démontage du corps de vanne complets notamment par découpage de la tuyauterie. Enfin, la position absolue du clapet 8 peut etre déterminée aisément si l'on utilise un aimant qui en est solidaire et qui agît sur un magnétomètre extérieur pour déceler le champ magnétique qu'il crée. On a réalisé des essais sur modèle qui ont conduit à établir qu'une ouverture de 28 millimètres correspond à la perte de charge minimale. Dans ce cas, le coefficient de perte de charge lorsque la vanne est ouverte dans le sens autoclave est égal à 1,54 et à 2,5 dans le sens inverse, le coefficient de débit CV variant linéairement de 48 à 10 depuis l'ouverture complète jusqu'à 20 d'ouverture. Lors de fonctionnement, l'effort de manoeuvre est appliqué manuellement par le volant 21 qui est réalisé en un matériau isolant. L'opérateur déverrouille le cliquet 39 et vérifie la position du clapet 8 grâce à l'index 40. L'effort de manoeuvre est to-ujours faible, et de l'ordre de 5 Nm, du fait que toutes les pièces mobiles sont montées par l'intermédiaire de roulements à billes. Une fois le clapet 8 en contact avec le siège 7, l'effort de manoeuvre augmente de manière progressive pour atteindre 12 Nm, ce qui correspond à l'écrasement de la rondelle élastique 33. il est préférableque l'effort ne dépasse pas 15 Nm, mais le couple maximum transmissible étant de 20 Nm à froid et de 17 Nm à chaud, l'opérateur ne risque pas de détériorer le siège 7 du clapet 8 par un effort trop important. D'ailleurs, si l'opérateur dépassait le couple maximum transmissible, le volant décrocherait et tournerait de 200 dans le sens de rotation qui lui était imprimé avant le décrochage. Pour sa part, l'étanchéité de la vanne selon l'invention est excellente pour toute différence de pression amont/aval et aval/amont égale à 165 bars à 2600 C. Le clapet 8, guidé sur toute sa course, est appliqué sur le siège 7 avec un effort de 2.000 daN. - REVENDICATIONS 1. Vanne étanche caractérisée par le fait qu'elle comprend, en combinaison, un corps (1) traversé par un conduit (2) qui est muni d'orifices (3, 43 d'arrivée et de sortie du fluide et qui présente un siège de clapet (7) perpendiculaire à l'axe de symétrie de la vanne ; un clapet (8) coaxial avec la vanne qui traverse ledit corps (1) et qui se prolonge vers le haut par une tige (15) ; une cloche étanche (9) entourant ladite tige (15) et appliquée sur le haut dudit corps (1) avec interposition d'un joint métallique interne (13) et soudure de lèvres minces externes (14) ménagées en haut du corps de vanne (1) et en bas de ladite cloche (9) ; une bague menée (27) filetée intérieurement qui est vissée sur l'extrémité supérieure de ladite tige (15) du clapet (8) et qui est mobile en rotation à l'intérieur de ladite cloche (9) ; des moyens (17, 18, 19) empechant la rotation de ladite tige (15) par rapport à la cloche (9) ; et des moyens magnétiques et/ou électromagnétiques (26, 29) pour entraîner en rotation ladite bague menée (27) depuis l'extérieur de la vanne. 2. Vanne étanche selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens pour entraîner en rotation ladite bague menée (27) comprennent des aimants (26) logés parallèlement à l'axe de la vanne dans cette bague menée (27) et des aimants (29) logés à la même hauteur et parallèlement aux précédents sur la surface intérieure d'une bague menante (25) qui coiffe la partie supérieure de ladite cloche (9) et qui peut être entraînée en rotation au moyen d'un volant (21). 3. Vanne étanche selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens pour entraîner en rotation ladite bague menée (27) comprennent des aimants (26) logés parallèlement à l'axe de la vanne dans cette bague menée (27) et un stator de machine électrique qui est monté autour de ladite cloche (9) et à la hauteur desdits aimants (26),qui est susceptible de créer un champ tournant et qui est alimenté par une électronique de puissance appropriée. 4. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ladite bague menée (27) et ses aimants (29) sont revêtus extérieurement par une chemise soudée étanche (41). 3. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à i, caractérisée par le fait qu'un fourreau (16) est interposé entre ladite tige (15) et ladite cloche (9). 6. Vanne étanche selon la revendication 5, caractérisée par le fait que des butées à billes (30, 31) sont interposées entre ladite bague menée (27) et, respectivement, ledit fourreau (16) et le haut de ladite cloche (9). 7. Vanne étanche selon la revendication 6, caractérisée par le fait que des rondelles élastiques sont interposées entre ladite bague menée (27) et lesdites butées (30 et 31, respectivement). 8. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée par le fait que ladite bague menante (25) et son volant (21) se prolongent vers le haut par un manchon (37) qui coiffe -un arbre (34) solidaire du haut de ladite cloche (9) et qui est mobile en rotation autour de cet arbre (34) par l'intermédiaire de deux paliers à billes (35, 36). 9. Vanne étanche selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit manchon (37) est muni d'un cliquet (39) assurant l'irréversibilité de son sens de rotation. 10. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée par le fait que ledit manchon (37) est muni d'un index (40) qui visualise sa position angulaire 11. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que ladite cloche (9) est appliquée sur ledit corps (1) au moyen de tirants (10) vissés dans ce corps (1) sur lesquels sont boulonnés des écrous (11) qui serrent une bride intermédiaire (12) solidaire de la cloche (9). 12. Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait que ladite bague menante (25) est serrée au moyen de tirants (24) entre un collet (22) menagé au bas d'un moyeu (20) qui prolonge vers le bas ledit volant (21) et une bride inférieure (23).