Brevet FR2609774A1 — publié le 19880722

L'invention concerne une soupape de sécurité pour fluides abrasifs A hau pression, comme les boues utilisées dans le forage des puiâ s'huile et de gaz, o la détente et l'étan- chéité se font s deux parties distinctes. une soupape sécurité est généralement réalisée par un piston applique.-r un siege par un ressort. Lorsque la force appliquée par 'a pression du fluide devient supérieure à celle du ressort le piston se soulève et le fluide est laminé entre le siège et le piston pour obtenir la chute de pression.Pour les hautes pressions, la vitesse du fluide est considérable (environ 400 m/s pour 700 bars) et, si celui-ci est chargé de solides, on peut avoir une abrasion importante du siège et du piston, et ne plus avoir d'étanchéité lorsque la pression est revenue à la normale. La présente invention a pour but de remédier à cette diffi- culté. La soupape est constituée de deux parties: une premiè- re partie constituée d'un cylindre et d'un piston en materiaux durs dans laquelle se fait le laminage du fluide correspondant à la chute de pression dans la soupape, et donc l'érosion, sans recherche d'étanchéité, et une deuxième partie, o le fluide circule à beaucoup plus faible vitesse, o l'étanchéité est obtenue au moyen de joints en élastomère. Cette soupape peut donc fonctionner à haute pression dans des fluides abrasifs et conserver son étanchéité lorsque la pression redevient normale. De façon plus précise, l'invention concerne une soupape constituée d'un corps perçé d'un passage longitudinal délimi- tant une chambre dans laquelle peut se déplacer un piston, la pression à contr6ler s'appliquant à l'une des deux extrémités du dit passage longitudinal et une pression de référence s'ap- pliquant à l'autre extrémité du passage longitudinal, le dit piston étant constitué d'une première partie coulissant sans étanchéité dans l'extrémité du passage longitudinal o s'ap- plique la pression à contrSler, d'une troisième partie coulis- sant avec étanchéité dans l'extrémité du passage longitudinal o s'applique la pression de référence, et d'une deuxième partie, située entre les dites première et troisième parties, coulissant de façon étanche dans le dit passage longitudinal et comprenant au moins un trou longitudinal perçant de part en part la dite deuxième partie et au moins un trou radial commu- niquant avec le dit trou longitudinal, en ce que le dit corps de soupape comprend au moins un trou pour la mise en commu- nication hydraulique de la pression à contr6ler avec la pres- sion extèieure lorsque le trou du piston est en regard du trou du corps de soupape. Dans ce qui suit, le mode de réalisation préféré de l'in- vention est exposé plus en détail à l'aide de dessins dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudinale de la sou- pape de sécurité selon l'invention avec le piston dans ses positions extremes. - la figure 2 représente une coupe transversale de la soupa- pe de la figure 1 par la ligne II-II. - la figure 3 représente une coupe longitudinale d'un accu- mulateur donnant la pression de référence à la soupape des fi- gures 1 et 2. -la figure 4 represente une autre disposition de la soupape selon l'invention pour d'autres utilisations. En se reportant aux figures 1 et 2 on note que la soupape comporte un corps 1 et un piston 34 avec en partant du bas: - un bouchon 2 comportant un orifice 3 pouvant être connec- té par un filetage 4 sur le réseau dont on veut que la pres- sion maximale ne dépasse pas une valeur prédéterminée. Ce bouchon est raccordé au corps 1 par un filetage 5 et une et- anchéité entre les deux pièces est réalisée par le joint an- annulaire 6 -un protecteur 7 en matériau résistant à l'abrasion, monté entre le bouchon 2 et le corps 1, comportant un alésage 8 dans lequel coulisse sans étanchéité la première partie 33 du pis- ton 34.Un Joint annulaire 9 est placé entre le bouchon 2 et le protecteur 7 - un alésage Il recevant la partie médiane du piston 34. cet alésage est partiellement dans le protecteur 7, partiel- lement dans le corps 1. Dans cette partie alésée le corps 1 est muni d'une rainure 12 mise en communication avec l'ex- térieur par un orifice 13 et un filetage 14 sur lequel 5 vient se connecter la ligne de décharge. De part et d'autre de cette rainure sont situées deux rainures 15a et 15b dans lesquelles sont logés deux joints basse friction 16a et 16b constitués d'un anneau de téflon et d'un joint annulaire et, si neces- saire, d'une rondelle anti-extrusion. - un alésage 17 dans lequel coulisse la troisième partie 35 du piston avec une étanchéité réalisée par un joint 19 de même composition que les joints 16a etl6b et logé dans la rainure - un alésage 20 comportant un orifice 21 pouvant être rac- cordé par un filetage 22 à l'accumulateur représenté fig. 3 - un bouchon 23 pouvant être connecté au corps 1 de façon étanche par un filetage 28 et un joint annulaire 26. Le bou- chon 23 comporte une rainure 24, un ou plusieurs orifices 25 et un alésage 29 de même dimension que l'alésage 17 - un bouchon 30 pouvant être connecté de façon étanche par un filetage 31 et un joint annulaire 32 au bouchon 23 Le piston 34 est composé de 3 parties avec en partant du bas: une première partie 33 coulissant dans l'alésage 8 et ayant le jeu le plus faible possible avec cet alésage (quel- ques centiemes de millimetres) - une deuxième partie 36 ou partie médiane, coulissant dans l'alésage 11, perçée à sa partie inférieure d'un espace annu- laire 37 et de plusieurs orifices radiaux 38 communiquant avec cet espace annulaire, et à sa partie supérieure d'un autre espace annulaire 39. Entre les deux espaces annulaires 37 et 39 une série d'orifices longitudinaux 40 sont prévus pour mettre en communication les deux chambres crées par le piston 34 et l'alésage 11. Au-dessus des orifices radiaux 38 et sur la périphérie de la deuxièmé partie 36 est prévue une série de passages hydrauliques 41 de faible largeur ( quelques dizièmes de millimètres) en communication par un chambrage 42 avec la chambre 11 pour sa décompression par une mise en communication avec l'extérieur. - une troisième partie 35 coulissant dans l'alésage 17. Cette troisième partie 35 du piston a le même diamètre que la première partie 33 du piston. En se reportant à la figure 3 on note que l'accumulateur donnant la pression de référence comporte: - un corps 43 comprenant un alésage 44 dans lequel coulisse un piston 45. A la partie supérieure du corps un orifice 46 et un filetage 47 permettent de relier la chambre supérieure 48 constituée par l'alésage 44 et le piston 45 à un bloc de rem- plissage 49 équipé d'un filetage 50 pour raccordement sur une bouteille d'azote, d'une vanne d'isolement 51 et d'un manome- tre 52. - un bouchon 53 vissé sur la partie inférieure du corps 43, comprenant un joint annulaire 54 faisant étanchéité entre le bouchon 53 et le corps 43, un joint basse friction 55 faisant étanchéité entre le bouchon 53 et le piston 45, et un orifice 56 avec un filetage 57 pour relier la chambre inférieure 58, constituée par le piston 45 et en partie par le corps 43 en partie par le bouchon 53, à la soupape par l'intermédiaire d'un tuyau 59 raccordé à un bloc 60 comprenant un manomètre 61 indiquant la pression de référence et une vanne de purge et de remplissage 62. Les deux chambres supérieure 48 et inférieure 58 sont isolées par un joint basse friction 63 monté sur le piston 45. Le tarage de la soupape est donné par la pression de l'accumulateur qui constitue une pression de référence que l'on choisit et qui peut être variable en faisant varier la pression de gaz dans la chambre 48 de l'accumulateur. On pourrait aussi, mais de façon moins avantageuse, utiliser un ressort s'appuyant sur l'extrémité supérieure de la troisième partie 35 du piston. Le fonctionnement de la soupape selon l'invention fonc- tionne de la manière suivante:tant que la pression du réseau à controler qui est raccordée à la soupape par l'orifice 3 reste inférieure à la pression de l'accumulateur raccordé à la soupape par le flexible 59 et l'orifice 21, le piston 34 reste en position basse et la pression dans la chambre 11 est egale à celle du réseau car le piston 34 l'isole de l'exté- térieur par les deux joints 16a et 16b et la pression peut s'égaliser par le jeu entre l'alésage 8 et le piston 33. Lorsque la pression du réseau devient supérieure à celle de l'accumulateur, le piston 34 se soulève. Comme les parties 33 et 35 du piston ont le même diamètre il n'y a pas de varia- tion de volume de la chambre 11 et seul le fluide passe de la partie haute à la partie basse à travers les trous 40 qui sont largement dimensionnés pour ne pas créer de chute de pression significative. Lorsque le joint inférieur 16a passe au-dessus des passages hydrauliques 41, qui sont ici de petites fentes de quelques dizièmes de millimètres pour ne pas extruder le joint, la chambre 11 est mise en communication avec l'exté- rieur. Comme la section totale de ces passages 41 est très supérieure à la section résultant du jeu entre le piston 33 et l'alésage 8, ( dans un rapport entre un sur dix et un sur cinquante) la chute de pression entre le réseau à controler et la chambre 11 est de cent à deux mille cinq cent fois supé- rieure à la chute de pression entre la chambre 11 et l'exté- rieure. La chambre 11 est donc mise à une pression tres proche de la pression extérieure. Le piston continue à se déplacer jusqu'à ce que les ori- fices radiaux 38 du piston arrivent en face de l'orifice 13 du corps de soupape. Le chambrage 42 et la faible pression dans la chambre 11 permettent aux orifices 38 du piston de passer devant le joint 16a sans le découper. La partie 33 du piston sort alors de l'alésage 8 et permet au fluide du réseau de s'échapper en plus grande quantité tout en conservant une très faible chute de pression entre la chambre 11 et l'extérieur, donc une très faible érosion; en outre Les joints 16a etl6b sont alors protégés du fluide en mouvement. Pour éviter une levée trop brutale du piston, la troi- sième partie 35 du piston dépasse l'orifice 25 avant la levée complète du piston et l'espace restant dans l'alésage 29 est alors utilisé comme un dash-pot. Lorsque la pression du réseau redevient inférieure à la pression de l'accumulateur, le piston redescend et la chambre 11 reste à faible pression jusqu'à ce que les passages hy- drauliques 41 se trouvent en-dessous du joint 16a. Pour éviter une abrasion trop importante entre le corps 1 et le piston 33 on a placé une chemise 7 qui peut être en ma- teriau très dur comme du carbure de tungstène. Cette chemise permet un meilleur centrage du piston 33 dans l'alesage 8 et donc un jeu de fonctionnement plus faible entre les deux piè- ces.La partie inférieure du piston est dessinnée en forme de pointe et peut aussi être revêtue d'un alliage très dur. L'accumulateur est constitué d'un vérin simple effet transformé en vérin double effet par l'adjonction à l'extré- mité du corps 43 d'un bouchon 53 pour créer la chambre hau- te pression 58 contenant l'huile, tandis que la chambre 48,à l'arrière du piston contient le gaz à plus basse pression. Sont ajoutés un manomètre et une soupape de remplissage côté gaz, et un manomètre, une soupape de remplissage et un flexi-' ble connecté à la soupape c6té huile. Le remplissage de l'installation se fait en mettant le piston 45 en position basse, en injectant du gaz dans la cham- bre 48, en dévissant le bouchon 30 de la soupape, puis en pom- pant avec une pompe à main par la vanne 62 de l'huile dans le système jusqu'à ce qu'elle ressorte par l'alésage 29. Après avoir remis le bouchon 30 en place il suffit de pomper la quantité d'huile requise en mesurant la levée du piston 45, de déconnecter la pompe et d'ajuster la pression de référence à l'aide du manomètre 61 en ajustant la pression de gaz dans la chambre 48. Pour réduire les frictions et améliorer l'étanchéité, il sera bon de laisser un peu d'huile sur la face supérieure du piston 45. Bien entendu l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. Des variantes peuvent y être apportées sans sortir du cadre de la présente invention. On peut ainsi mettre les joints autour du piston 34 au lieu de les avoir dans le corps 1 ou supprimer le protecteur 7. La présente invention peut également être utilisée à titre de vanne qui ne se siffle pas à son ouverture et neces- site un faible effort pour être actionnée. Dans ce cas, comme indiqué sur la figure 4, la vanne est constituée des mêmes éléments, à l'exception de l'accumulateur et de la partie su- périeure. Les orifices 21 et 3 sont mis en communication pre- manente pour equilibrer la pression sur les deux extrèmitées du piston 34. La partie 35 du piston est reliée à une tige de commande 64. Cette tige de commande 64 passe à travers un presse-étoupe 65 dans le raccord 66 et permet de déplacer le piston 34 à l'aide du volant 67 pour ouvrir ou fermer la van- ne.Le volant 67 peut être remplacé par un vérin ou tout autre dispositif de commande. Cette vanne peut être aussi utilisée pour le dusage de fluides abrasifs sous forte pression, en ajustant la posi- tion du piston 33 par rapport à l'alésage 8 en fonction de la chute de pression désirée.On peut dans cette utilisation aug- menter la distance entre la partie inférieure 33 et la partie médiane 36 du piston 34 pour limiter l'érosion due au dusage à la zone inférieure. REVENDICATIONS 1. Soupape de securite notamment pour fluides à haute pres- sion et abrasifs constituée d'un corps (1) percé d'un passage longitudinal délimitant une chambre (11) dans laquelle peut se déplacer un piston (34), la pression à contrôler s'appliquant à l'une des deux extrémités du dit passage longitudinal et une pression de référence s'appliquant à l'autre extrémité du pas- sage longitudinal, le dit piston (34) étant constitué d'une première partie (33) coulissant sans étanchéité dans l'extre- mité (8) du passage longitudinal o s'applique la pression à contr8ler, d'une troisième partie (35) coulissant avec etan- chéité dans l'extrémité (17) du passage longitudinal o s'ap- plique la pression de référence, et d'une deuxième partie(36), située entre les dites première et troisième parties, coulis- sant de façon étanche dans le dit passage longitudinal et com- prenant au moins un trou longitudinal (40) perçant de part en part la dite deuxième partie et au moins un trou radial (38) communiquant avec le dit trou longitudinal, et en ce que le dit corps de soupape (1) comprend au moins un trou (13) pour la mise en communication hydraulique de la pression à contr6ler avec la pression extérieure lorsque le trou (38) du piston est en regard du trou (13) du corps de soupape. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dite deuxième partie (36) du piston comporte en outre des passages hydrauliques (41) de faible section pour la décom- pression de la chambre (11) avant sa mise en communication avec l'extérieur. 3. Soupape selon la revendication 2 caractérisée en ce que les passages (41) ont une section de passage très supérieure à celle entre la première partie (33) du piston et le passage longitudinal (3). 4. Soupape selon l'une des revendications 1 à 3 caractéri- sée en ce que la pression de référence est obtenue à l'aide d'un accumulateur hydraulique. 5. Soupape selon l'une des revendications 1 à 3 caractéri- sée en ce que la pression de référence est remplacée par une liaison (64) permettant de placer le piston (34) dans n'impor- te quelle position et donc d'utiliser cette soupape comme une vanne ou comme une duse aiustable.