Brevet FR2598180A1 — publié le 19871106

"Soupape à clapet à bille, notamment pour les DpompDes submersibles utiliséespour le pompage du pétrole brut". L'invention concerne une soupape à clapet perfectionnée, et plus particulièrement, une soupape à clapet utilisée dans les pompes submersibles volumétriques employées dans l'industrie pétrolière pour pomper le brut présentant un degré élevé de particules solides en suspension. Les pompes volumétriques typiques employées dans le pompage des puits de pétrole pour pomper le brut, utilisent des soupapes à clapet comprennant un siège de soupape sur lequel repose une bille qui vient obturer le siège. Dans une pompe de puits typique, on trouve au moins une soupape à clapet dans le piston de pompe, et une seconde soupape à clapet est située à l'entrée du fluide dans le cylindre de la pompe, dans lequel est déplacé le piston, de manière à permettre l'écoulement du 20 fluide de la pompe dans une seule direction. Une configuration des soupapes, du type discuté ci-dessus, est décrite dans le brevet US.4.018.547. Lors du pompage de brut lourd caractérisé par une forte contenance de solides suspendus, il se produit 25 un problème d'usure de la bille de soupape et du siège de soupape, qui limite la vie effective de la soupape à clapet. Cette usure est due à l'effet de l'érosion causée par les particules en suspension dans le fluide pompé. En particulier, lorsque la bille de soupape se rapproche du 30 siège de soupape, la vitesse du fluide pompé augmente, ce qui augmente la probabilité de détérioration de la bille et du siège de soupape par les particules en suspension. Lorsque la bille et le siège de soupape sont détériorés, il apparait des fuites du fluide pompé à travers la 35 soupape, ce qui se traduit par une perte de l'efficacité volumétrique de la pompe, et des pertes dans le temps de 2 2 2598180 production lorsque la réparation de la soupape devient nécessaire. Les détériorations de la bille de soupape, bien que non souhaitables, ne sont pas aussi critiques que les détériorations du siège de soupape. Lorsque la 5 bille de soupape est détériorée, les fuites tendent à être réduites dans la mesure o la probabilité que la bille de soupape, qui peut tourner librement sur ellemême, repose sur le siège de soupape exactement sur l'endroit de la détérioration est faible. Néanmoins, si 10 le siège de soupape lui-même est endommagé, les fuites à travers la soupape deviennent alors ininterrompues. En fabriquant la bille de soupape dans un matériau caractérisé par une resilience élevée, c'est-à-dire par un module d'élasticité compris entre 6,9 x 105 kPa et 1 15 x 108 kPa, la bille de soupape tendra & rester sur le siège de soupape par déformation élastique. En conséquence, même lorsque le siège de soupape est endommagé, des fuites ininterrompues ne pourront plus survenir comme c'était le cas précédemment. Ainsi, un objet essentiel de l'invention est de fournir une soupape à clapet à bille utilisée dans les pompes submersibles volumétriques employées dans l'industrie pétrolière pour le pompage du brut, qui soit moins exposée à la détérioration causée par l'impact et 25 l'érosion des solides en suspension dans le fluide pompé. Un objet particulier de l'invention est de fournir une soupape à clapet à bille, dans laquelle le siège de soupape comprend un corps cylindrique percé, pourvu d'une pièce rapportée sur l'orifice dudit corps formant le siège de soupape. 30 Un autre objet de l'invention est de fournir une soupape à clapet à bille comme décrite ci-dessus dans laquelle la pièce rapportée est formée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la bille de soupape. Un autre objet de l'invention est de fournir une soupape à clapet à bille comme décrite ci-dessus, dans laquelle la bille de soupape est formée dans un matériau ayant une résilience élevée, un module 5 d'élasticité compris entre 6,9 x 105 kPa et 1 x 108 kPa, et une dureté de surface supérieure à la dureté du corps cylindrique. Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints & l'aide d'une 10 soupape & clapet à bille pour les pompes submersibles volumétriques employée dans l'industrie pétrolière pour le pompage du brut présentant un dégré élevé de particules en suspension, comprenant une bille de soupape et un ensemble du siège de soupape, l'ensemble du siège 15 de soupape comprenant un corps cylindrique percé présentant un orifice de passage du fluide pompé, ledit corps cylindrique percé comportant une encoche sur sa face en regard de la bille de soupape, au niveau dudit orifice, dans laquelle est montée une pièce rapportée 20 constituant le siège de soupape effectif de la bille, ladite pièce rapportée étant réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté du matériau constituant le corps cylindrique percé, et ladite bille de soupape étant réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté du matériau constituant le 25 corps cylindrique percé, de façon à dissiper les forces générées par l'impact de la bille sur la pièce rapportée, caractérisée en ce que ladite bille de soupape est réalisée dans un matériau ayant une résilience élevée, un module d'élasticité compris entre 6,9 x 105 kPa et 1 x 108 kPa. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention donné à titre illustratif et les dessins annexes dans lesquels: - la Fig.l 1 représente une vue en perspective montrant la soupape à clapet à bille selon l'invention, - la Fig.2 représente une vue en coupe des éléments formant le siège de la soupape à clapet à bille selon l'invention. - les Fig.l et 2 représentent une soupape à clapet à bille 10 particulièrement utilisable dans les pompes submersibles volumétriques employée dans l'industrie pétrolière pour le pompage du brut, 10 caractérisé par un degré élevé de particules solides en suspension. La soupape à clapet 10 comprend une bille de soupape 12 et un ensemble 14 du siège de soupape. Comme il apparaît particulièrement sur la Fig.2, l'ensemble 14 15 du siège de soupape est constitué d'un corps cylindrique percé 16 présentant sur sa surface externe une gorge 18 dans laquelle est monté un joint torique d'étanchéité 20. La surface plane 22 du corps cylindrique percé 16 faisant face à la bille 12 de la soupape à l'endroit o il 20 définit un orifice 26, est pourvue d'une encoche circulaire 28 dans laquelle est montée une pièce rapportée 30, constituant le siège de soupape effectif de la bille de soupape 12. La pièce rapportée 30 peut être montée dans le corps cylindrique 16 par tout moyen 25 approprié, tel que le montage à la presse, le collage, le soudage métallique, ou autre. Comme on peut le remarquer sur les figures 1 et 2, l'orifice 26 du corps cylindrique 16 et la pièce rapportée 30 présentent un diamètre qui est inférieur & celui de la bille 12, de manière à 30 permettre à la bille de reposer, en l'obturant, sur la pièce rapportée 30, gui forme le siège de soupape. Selon l'invention, il est essentiel que la pièce rapportée 30 soit réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure & la dureté du matériau constituant 35 la bille de soupape 12. De plus, il est également essentiel que la bille de soupape 12, à son tour, soit 2 5 9 2S98180 réalisée dans un matériau présentant une surface de dureté supérieure à celle du matériau constituant le corps cylindrique percé 16. De manière préférentielle, la pièce rapportée 30 est réalisée dans un matériau ayant 5 une dureté supérieure à 1300 sur l'échelle de Vickers. Les matériaux appropriés dans lesquels la pièce rapportée 30 peut être réalisée comprennent les matériaux en céramique ou les matériaux frittés dans certains carbures, comme,par exemple, le carbure de tungstène. De 10 manière préférentielle, la bille de soupape 12 est réalisée dans un matériau présentant une résilience élevée, c'est-à-dire, un module d'élasticité compris entre 6,9 x 105 kPa et 1 x 108 kPa, et une surface de dureté comprise entre 600 et 1200 sur l'échelle de -15 Vickers. Les matériaux appropriés pour la réalisation de la bille 12 comprennent des matériaux à base de carbone tel que le graphite comprimé vendu sous la marque POCO et fabriqué par Poco Graphite Inc. of Decatur Texas et des matériaux polymères vendus sous la marque TORLON et fabriqués par Amoco. Enfin, de manière préférentielle, le corps cylindrique percé 16 est réalisé dans un matériau présentant une dureté de moins de 500 sur l'échelle de Vickers. Les matériaux appropriés pour la réalisation du corps cylindrique percé 16 comprennent les matériaux métalliques, et de manière préférentielle l'acier -25 inoxidable ou d'autres aciers alliés. Comme conséquence de la différence relative en dureté des différents éléments constituant la soupape à clapet à bille, comme indiqué ci-dessus, le corps cylindrique qui est réalisé dans le matériau le moins dur dissipe une partie substentielle de la force générée par l'impact de la bille sur la pièce rapportée dure. Du fait de cette dissipation d'énergie, la force de réaction s'exerçant sur la bille de soupape elle-même est réduite, ce qui augmente la durée de vie d'utilisation de la -35 bille. De plus, en réalisant la bille de soupape dans un matériau qui est relativement moins dur que celui utilisé pour réaliser la pièce rapportée, toute détérioration dûe aux effets de l'impact et/ou & l'érosion tendra à se produire sur la bille de soupape plutôt que sur la pièce rapportée qui constitue le siège de soupape effectif. Comme noté ci-dessus, les détériorations subies par la bille de soupape ne sont pas aussi critiques que les détériorations subies par le siège de soupape, puisque la bille de soupape tourne librement sur elle-même, ce qui 10 diminue la probabilité que cette bille vienne reposer sur le siège de soupape & l'endroit exact o elle est détériorée. Selon une caractéristique particulière de la présente invention, la bille de soupape est caractérisée par une résilience élevée, un module d'élasticité compris 15 entre 6,9 x 105 kPa et 1 x 108 kPa, et une surface de dureté supérieure à celle du corps cylindrique percé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation cidessus décrit pour lequel on pourra prévoir d'autres variantes de réalisation sans -20 pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Soupape & clapet & bille pour les pompes submersibles volumétriques employée dans l'industrie 5 pétrolière pour le pompage du brut présentant un degré élevé de particules en suspension, comprenant une bille de soupape et un ensemble du siège de soupape, l'ensemble du siège de soupape (14) comprenant un corps cylindrique percé (16) présentant un orifice (26) de passage du 10 fluide pompé, ledit corps cylindrique percé (16) comportant une encoche (28) sur sa face en regard de la bille de soupape (12), au niveau dudit orifice (26), dans laquelle est montée une pièce rapportée (30) constituant le siège de soupape effectif de la bille (12), ladite 15 pièce rapportée (30) étant réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté du matériau constituant le corps cylindrique percé (16), et ladite bille de soupape (12) étant réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté du matériau 20 constituant le corps cylindrique percé (16), de façon à dissiper les forces générées par l'impact de la bille (12) sur la pièce rapportée (30), caractérisée en ce que ladite bille de soupape (12) est réalisée dans un matériau ayant une résilience élevée, et un module d'élasticité compris entre 6,9 x 105 kPa et 1 x o108 kPa. 25 2) Soupape à clapet à bille selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la surface du matériau constituant la bille de soupape (12), de telle façon que 30 tout effet d'impact ou d'érosion tend à se produire sur ladite bille (12) plutôt que sur la pièce rapportée (30). 3) Soupape à clapet à bille selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit corps cylindrique percé (16) comprend une gorge (18) sur sa 35 urface externe cylindrique. surface externe cylindrique. cylindrique percé (16) comprend une gorge (18) sur sa surface externe cylindrique. 4) Soupape & clapet à bille selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un joint torique (20) est monté sur ladite gorge (18). ) Soupape à clapet à bille selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau ayant une dureté supérieure à 1300 sur l'échelle de Vickers. 6) Soupape à clapet à bille selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite bille (12) est réalisée dans un matériau ayant une surface d'une dureté comprise entre 600 et 1200 sur l'échelle de Vickers. -15 7) Soupape à clapet à bille selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau en carbure fritté. 8) Soupape à clapet à bille selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite pièce -20 rapportée (30) est réalisée en carbure de tungstène. 9) Soupape à clapet à bille selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit corps cylindrique percé (16) est réalisé dans un matériau ayant une dureté de moins de 500 sur l'échelle de Vickers. -25 10) Soupape à clapet à bille selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite bille de soupape (12) est réalisée dans un matériau ayant une surface d'une dureté comprise entre 600 et 1200 sur l'échelle de Vickers. -30 11) Soupape à clapet à bille selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit corps cylindrique percé (16) est réalisé dans un matériau ayant une dureté de moins de 500 sur l'échelle de Vickers. 12) Soupape à clapet à bille selon la -35 revendication 11, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau en carbure fritté. 13) Soupape & clapet à bille selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée en carbure de tungstène. 14) Soupape à clapet à bille selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau en céramique. 15) Soupape & clapet à bille selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée (30) est réalisée dans un matériau en céramique.