Brevet FR2615580A1 — publié le 19881125

GARNITURE D'ETANCHEITE A ANNEAU DE REACTION INCORPORE, NOTAMMENT POUR OBTURATEUR. La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité destiné notamment à assurer l'étanchéité amont/aval d'un obturateur. Elle s'applique plus particulièrement aux obturateurs du type comprenant un organe d'obturation mobile à l'intérieur d'un corps tubulaire et comportant, à sa périphérie, une surface d'étanchéité venant porter, en fin de course d'obtu- ration, sur une garniture d'étanchéité circulaire et ce, au terme d'un déplacement tangent ou parallèle à l'axe princi- pal de symétrie de ladite garniture d'étanchéité. L'invention convient également aux obturateurs dans lesquels, selon un montage inverse, l'alésage du corps comprend une surface d'étanchéité sensiblement conique et l'organe d'obturation porte, à sa périphérie, une garniture assurant une étanchéité statique avec l'organe d'obturation et une étanchéité dynamique avec ladite surface d'étanchéi- té. Il s'avère donc que dans ces types d'obturateurs, la garni- ture d'étanchéité doit satisfaire à de multiples fonctions. Elle doit à la fois assurer l'étanchéité statique, l'étan- chéité dynamique ainsi que la continuité de l'étanchéité entre l'étanchéité statique et l'étanchéité dynamique. - 2 - Ces fonctions d'étanchéité sont particulièrement délicates à obtenir notamment dans le cas o, en raison des conditions de fonctionnement de l'obturateur, la garniture d'étanchéi- té doit à la fois être réalisée en un matériau mou capable de s'adapter à l'état de surface de la portée du siège afin d'assurer la meilleure étanchéité, en matériau dur et rigide capable de résister aux efforts mécaniques dus à la pression de contact garniture/siège et à la pression du fluide à étancher, et suffisamment flexible pour permettre des déplacements relatifs, organe d'obturation/corps sans nuire à l'étanchéité. En effet, dans le cas o, en position de fermeture de l'obturateur, la surface d'étanchéité de l'organe d'obtura- tion ne se trouve pas exactement centrée sur la portée d'étanchéité dynamique de la garniture, celle-ci ne se trou- ve pas uniformément comprimée, de sorte que l'on n'obtient pas une étanchéité homogène tout autour de l'obturateur. Dès lors, dans les parties o la garniture se trouve fortement comprimée par l'organe d'obturation, l'obturateur peut résister à des pressions importantes alors que, dans les parties diamétralement opposées à ces dernières, l'étan- chéité est douteuse et les risques de fuite à haute pression sont importants. Pour supprimer ces inconvénients, on a songé à équiper les obturateurs de mécanismes de centrage de l'organe d'obtura- tion par rapport à la garniture d'étanchéité, ces mécanismes intéressant, soit la cinématique de l'obturateur, soit l'obturateur lui-même. Toutefois, ces solutions sont complexes, peu fiables et entraînent une augmentation considérable du prix de revient des obturateurs. On a également proposé de réaliser la garniture d'étanchéité sous la forme d'un double joint torique métallique flexible comprenant: -3- - une première structure de joint torique métallique flexi- ble destinée à assurer l'étanchéité statique avec le corps de l'obturateur, - une seconde structure de joint torique métallique flexible destinée à assurer l'étanchéité dynamique, - une membrane radiale réalisée en un matériau élastique reliant les deux structures d'étanchéité en les envelop- pant au moins en partie de manière à assurer la continuité de l'étanchéité entre l'étanchéité statique et l'étan- chéité dynamique, et à permettre à la fois un autocentrage de la deuxième structure de joint sur la surface d'étan- chéité de l'organe d'obturation, et - un anneau de réaction flottant, monté serré contre la deuxième structure de joint à l'opposé de la zone de cette structure o vient porter la surface d'étanchéité de l'organe d'obturation. Une telle garniture d'étanchéité qui se trouve décrite dans le brevet français No 77 22976 du 26 Juillet 1977 au nom de la Demanderesse pour: "Double joint torique flexible", permet d'obtenir d'excellents résultats notamment dans le cas de vannes ou de robinets destinés à fonctionner dans des conditions (hautes ou basses températures) pour lesquelles l'emploi de garnitures classiques en élastomère se trouve prohibé. Il s'avère qu'en dépit de ces avantages, cette garniture présente néanmoins un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, elle fait intervenir un anneau de réaction amovible non solidarisé à l'ensemble formé par les deux structures de joint torique et par la membrane souple. Il est clair que cette particularité rend plus délicat le montage de la garniture dans l'obturateur et engendre un -4- risque de perte de l'anneau de réaction avant montage, par exemple lors d'opérations de manutention, de stockage, de livraison ou autres, dont font l'objet ces garnitures. Un autre inconvénient résultant de la structure de cette garniture consiste en ce qu'elle ne permet pas d'assurer un bon centrage initial de l'anneau de réaction sur la structu- re de joint torique avec laquelle il coopère pour réaliser l'étanchéité dynamique de l'obturateur. Par ailleurs, une fois la garniture montée dans l'obturateur, l'anneau de réaction jouit d'une certaine mobilité axiale qui rend ce centrage aléatoire. En outre, en raison de la forme dissymé- trique de la garniture, les contraintes exercées par ladite structure de joint lorsqu'elle se trouve soumise à l'action de l'obturateur tendront à déplacer axialement cet anneau de réaction en augmentant son décentrage. En conséquence,i l'anneau de réaction qui sera chargé dissy- métriquement ne pourra pas exercer une action otpimale sur la structure de joint et, notamment dans le cas o la course de fermeture de l'obturateur n'est pas parallèle à l'axe de la garniture, il peut se produire à la longue une ovalisa- tion de la structure de joint. On notera enfin qu'en raison de la dissymétrie des contrain- tes qu'il reçoit, l'anneau de réaction doit nécessairement consister en une pièce massive, à l'exclusion de tous autres matériaux, éventuellement composites, qui pourraient être envisagés en vue d'accroître la souplesse de la surface d'étanchéité de la structure de joint dynamique. L'invention a donc pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose une garniture d'étanchéité du type comportant: - deux éléments d'étanchéité de forme circulaire, sensible- ment concentriques, à savoir: un premier élément destiné à assurer une étanchéité statique et un deuxième élément comprenant, du côté opposé à la première structure, une surface d'étanchéité circulaire destinée à coopérer avec une portée d'étanchéité également circulaire pour assurer une étanchéité dynamique, - une liaison étanche, élastiquement déformable, reliant l'un à l'autre lesdits éléments, et - un anneau de réaction flottant, monté serré contre le deuxième élément d'étanchéité, à l'opposé de la susdite surface d'étanchéité. Selon l'invention, cette garniture est plus particulière- ment caractérisée en ce que le susdit deuxième élément d'étanchéité comprend une enveloppe formant un logement annulaire contenant un sommier annulaire élastiquement déformable agencé de manière à agir sur une zone circulaire de l'enveloppe constituant la susdite surface d'étanchéité et contre lequel est maintenu serré ledit anneau de réac- tion, et en ce que cette enveloppe est conformée de manière à assurer un centrage permanent dudit sommier et dudit anneau sur ladite surface d'étanchéité. Il s'avère donc que la garniture précédemment décrite forme un ensemble unitaire relativement compact et est, de ce fait, d'un usage plus aisé, notamment au montage. Grace au centrage assuré par les susdits moyens de centrage, l'action de l'anneau de centrage, qui est chargé symétrique- ment, est plus efficace. Du fait qu'il est maintenu par l'enveloppe, cet anneau de réaction peut être réalisé à partir de divers matériaux. Il peut en particulier être réalisé en feuillard spiralé ou bien en une superposition de bagues agencées les unes dans les autres. -- 6 -- 6- Avantageusement, la susdite enveloppe pourra consister en un prolongement de la susdite membrane convenablement confor- mée, ou être elle-même, au moins partiellement, enveloppée par la membrane. Le susdit sommier pourra, quant à lui, consister en un ressort de forme torique en matière flexible éventuellement recouverte par une enveloppe primaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le susdit sommier et le susdit anneau de réaction sont réalisés en une seule et même pièce annulaire obtenue à l'aide d'une bande de métal enroulée en spirale. Avantageusement, cette bande présente une pliure médiane lui conférant un profil sensiblement en forme de V, de manière à obtenir une pièce annulaire présentant, d'un côté, une face axiale convexe et, de l'autre côté, une face axiale concave. Dans ce cas, la zone de l'enveloppe contenant la surface d'étanchéité présente une forme intérieure concave de profil sensiblement identique à celui de la susdite bande, contre laquelle vient s'appliquer la face axiale convexe de la pièce annulaire. Cette disposition permet donc d'obtenir, lorsque la garnitu- re est soumise à un effort de compression radial, un auto- centrage des spires de l'enroulement formant la pièce annu- laire et de la surface d'étanchéité. La susdite bande pourrait également présenter un profil incurvé de manière à obtenir une pièce annulaire présentant, d'un côté, une face radiale concave sur laquelle viennent en appui deux nervurations internes prévues sur l'enveloppe de part et d'autre de la surface d'étanchéité, celle-ci présen- tant alors une forme bombée de convexité orientée vers l'extérieur. 7- Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une demi-coupe axiale d'un premier mode d'exécution d'une garniture selon l'invention; La figure 2 montre une autre variante d'exécution de cette garniture; La figure 3 est une coupe partielle d'un robinet à papillon dans lequel la garniture représentée sur la figure 1 est portée par le corps du robinet; La figure 4 est une demi-coupe axiale d'une garniture selon l'invention dans laquelle le susdit sommier et le susdit anneau de réaction sont constitués par une seule et même pièce; et La figure 5 est une demi-coupe axiale de l'élément d'étanchéité servant à assurer l'étanchéité dynamique d'un autre mode d'exécution d'une garniture selon l'invention, dans laquelle le susdit sommier et le susdit anneau de réaction sont constitués par une seule et même pièce. La garniture d'étanchéité représentée sur la figure 1 comprend deux structures de joint, sensiblement concentri- ques, à savoir: - une première structure de joint torique métallique flexi- ble 1 comprenant, de façon classique, un ressort hélicol- dal 2 de forme torique partiellement recouvert d'une enveloppe d'étanchéité 3 avec éventuellement, intercalée entre ledit ressort 2 et ladite enveloppe d'étanchéité 3, une enveloppe primaire, cette première structure de joint 1 étant destinée à assurer une étanchéité statique, et -8- - une deuxième structure de joint 4 comprenant, dans une enveloppe d'étanchéité 5 présentant une forme annulaire de section sensiblement rectangulaire, un ressort hélicoidal 6 de forme torique recouvert par une enveloppe primaire 7, et un anneau de réaction 8 de section rectangulaire monté serré contre l'enveloppe primaire 7. D'une façon plus précise, l'enveloppe d'étanchéité 5 présen- te deux faces radiales parallèles 9, 10 et deux faces axiales, dont l'une 11, située à l'opposé de la structure de joint, qui présente une section circulaire, comprend la surface d'étanchéité, et dont l'autre 12 est droite. Ainsi, l'ensemble torique formé par le ressort 6 et l'enve- loppe primaire 7 vient épouser la concavité de la face axiale 11 de l'enveloppe d'étanchéité 5 et est donc, de ce fait, axialement maintenu. De même, l'anneau de réaction 8 se trouve axialement retenu par les faces radiales 9, 10 et radialement retenu par la face axiale 12. Dans cet exemple, les enveloppes d'étanchéité 3 et 5 des structures de joint 1 et 4 sont constituées par une seule et même pièce, par exemple métallique, formant dans sa partie médiane une membrane radiale d'étanchéité 14 élastiquement déformable permettant, d'une part, de réaliser la continuité de l'étanchéité entre les deux structures de joint 1 et 4 et, d'autre part, de jouer le rôle d'élément élastique assu- rant la souplesse de l'autocentrage de la structure de joint 4. D'une façon plus précise, cette pièce présente une section de révolution de profil sensiblement en forme de C, dont les extrémités viennent former les susdites enveloppes d'étan- chéité 3, 5 et dont l'âme, qui forme la membrane 14, présen- te une pliure circulaire 15 lui conférant une déformabilité élastique radiale. -9- Comme précédemment mentionné, l'anneau de réaction peut être réalisé à partir de divers matériaux. Dans cet exemple, il consiste en un feuillard spiralé. A titre d'exemple, la garniture précédemment décrite peut avantageusement assurer l'étanchéité amont/aval d'un robi- net à papillon. Elle peut, à cet effet, être disposée (comme représenté figure 2) dans une cavité annulaire radiale 16 formée entre le flanc latéral 16' du corps 17 du robinet à papillon et une bride 18 fixée sur ledit flanc 16 au moyen de vis de serrage 19. Cette cavité 16 débouche dans la chambre inté- rieure 20 du robinet, à l'intérieur de laquelle peut se déplacer l'obturateur 21. Celui-ci peut par exemple consis- ter en un papillon pouvant pivoter à l'intérieur du corps 17 et se déplacer en translation axiale en fin de course de fermeture. La cavité annulaire 16 présente une section droite de forme sensiblement rectangulaire dont la largeur est sensiblement égale à la largeur de l'enveloppe d'étanchéité 5 de la structure de joint 4.-La face latérale supérieure 22 et le fond 23 de cette cavité sont formés par un alésage étagé de la bride 18, tandis que la face latérale inférieure est formée par le flanc latéral 16' du corps. Dans le fond de la cavité 16 est prévue une gorge annulaire , formée par un étagement d'alésage de la bride 18 et par le flanc latéral 16' du corps 17 du robinet. Dans cette gorge annulaire 25 est montée serrée la structure de joint torique 1 de manière à obtenir la susdite étanchéi- té statique. Il est à noter que le montage de cette structu- re de joint 1 s'effectue au moment du montage de la bride 18, la pression d'étanchéité étant obtenue par exemple par serrage de la bride 18 sur le corps 17 du robinet. - 10 - Sur la face latérale inférieure de la cavité annulaire (flanc 16') est réalisé un évidement circulaire 26, de section sensiblement rectangulaire, dans lequel vient se disposer la pliure 15 de la membrane d'étanchéité 14. La structure de joint 4 servant à obtenir l'étanchéité dyna- mique présente un grand diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du corps 17 au niveau du logement 16 et du diamètre moyen de la tranche conoide 27 du papillon 21, de sorte que cette structure de joint 4 fait légèrement saillie à l'intérieur de la chambre interne 20, et qu'en position de fermeture, la face axiale 11 de l'enveloppe 5 et le sommier formé par le ressort torique 6 se trouvent comprimés entre l'anneau de réaction 8 et la tranche conoide 27 du papillon 21. Il est clair que cette structure permet un autocentrage de la structure de joint 4 autour de la tranche 27 du papillon 21 au cours de la fermeture, tout en garantissant une pres- sion d'étanchéité homogène au niveau des surfaces en contact de ces deux éléments. La garniture d'étanchéité représentée sur la figure 3 présente une structure similaire à celle précédemment décri- te, en ce sens qu'elle comporte également: - une première structure de joint torique métallique flexi- ble 1 comprenant un ressort hélicoidal 2 de forme torique partiellement recouvert d'une enveloppe d'étanchéité 3, cette première structure de joint étant également destinée à assurer une étanchéité statique, et - une seconde structure de joint 4 destinée à assurer l'étanchéité dynamique et comprenant une enveloppe d'étanchéité 5 présentant une forme annulaire de section sensiblement rectangulaire, - 11 - les enveloppes d'étanchéité 3, 5 de ces deux structures de joint 1, 4 étant constituées par une seule et même pièce présentant une section de révolution sensiblement en forme de C dont les extrémités viennent former les enveloppes d'étanchéité 3, 5 et dont l'âme, qui forme la membrane 14, présente une pliure circulaire 15 lui conférant une déforma- bilité élastique radiale. Toutefois, dans ce cas, le sommier constitué par le ressort torique 6, et l'anneau de réaction 8 sont contenus dans une enveloppe primaire 29 dont la surface externe est conformée de manière à épouser la forme intérieure de l'enveloppe d'étanchéité 5, l'ensemble formé par cette enveloppe primai- re 29, le ressort 6 et l'anneau de réaction 8 venant se loger et étroitement dans cette enveloppe d'étanchéité 5. En outre, dans le volume annulaire compris entre les deux structures de joint 1, 4, on a également prévu un anneau de soutien 30 utilisable en option dans le cas o la garniture travaille à très haute pression. Le principe de cette garniture qui est sensiblement le même que celui de la garniture représentée figure 1 ne sera donc pas décrit à nouveau. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation précédemment décrits. Ainsi, par exemple, la structure de joint 4 destinée à assurer l'étanchéité dynamique pourrait comprendre, à l'in- térieur de l'enveloppe d'étanchéité 5, une pièce annulaire jouant à la fois le rôle de sommier et d'anneau de réac- tion. Ce double rôle est obtenu en réalisant la pièce annulaire 30 à l'aide d'une bande de métal enroulée en spirale. Cette bande pourra alors présenter une pliure médiane lui confé- rant un profil sensiblement en forme de V évasé, de manière - 12- à ce que la pièce annulaire 30 présente, d'un côté, une face axiale convexe 31 et, de l'autre côté, une face axiale concave 32. Dans ce cas, la face axiale extérieure 33 de l'enveloppe 5 destinée à coopérer avec la tranche 34 de l'obturateur 35, est conformée de manière à présenter un profil similaire à celui de la bande, et comprend donc une forme intérieure concave contre laquelle vient s'appliquer la face axiale convexe 31 de la pièce annulaire 30. Dans cet exemple, la face axiale intérieure 36 de l'envelop- pe 5 présente également un profil similaire à celui de la bande et comprend donc une forme intérieure convexe venant s'appliquer contre la face axiale concave 32 de la pièce annulaire 30. De ce fait, on obtient un maintien et un centrage permanent de la pièce annulaire 30 vis-à-vis de la portée de contact entre la face axiale 32 et la tranche 34 du papillon 35. La garniture représentée sur cette figure 4 comprend en outre un anneau spiralé 37 de même nature que la pièce annulaire 30 dont la face axiale convexe 38 est montée serrée contre la forme concave de la face radiale intérieure 36 de l'enveloppe 5. De ce fait, la face radiale 36 se trouve pincée entre la pièce annulaire 30 et l'anneau spira- lé 37 et ne peut donc plus se déplier. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, le profil de la face axiale extérieure 40 de l'enveloppe 5 présente, dans sa partie médiane, une forme 41 bombée vers l'extérieur desti- née à venir coopérer avec la tranche 42 de l'obturateur 43, cette forme bombée 41 étant bordée de deux replis latéraux formant vers l'intérieur de l'enveloppe deux nervurations 44, 45. - 13 - La pièce annulaire 46 logée dans l'enveloppe 5 est alors réalisée à partir d'une bande à profil incurvé et présente donc: - une face axiale concave contre laquelle viennent en appui les deux nervurations 44, 45; et - une face convexe sur laquelle vient s'appliquer la face axiale intérieure 47 de l'enveloppe 5. Dans ce cas, le centrage de la pièce annulaire 46 est assuré par les faces radiales de l'enveloppe 5. Il convient de noter que l'invention ne se limite pas à un type particulier de structure de joint 1 servant à assurer l'étanchéité statique, cette structure pouvant notamment consister en un talon ou même en une bordure circulaire plane radiale. On précisera en outre que les garnitures selon l'invention peuvent être entièrement métalliques. Cependant, elles pourraient également être réalisées en partie ou même en totalité à l'aide d'autres matériaux éventuellement compo- sites. - 14 - Revendications 1. Garniture d'étanchéité apte à assurer l'étanchéité amont/aval d'un obturateur du type comprenant un organe d'obturation mobile à l'intérieur d'un corps tubulaire, cette garniture comportant: - deux éléments d'étanchéité de forme circulaire, sensible- ment concentriques, à savoir: un premier élément destiné à assurer une étanchéité statique et un deuxième élément comprenant, du côté opposé à la première structure, une surface d'étanchéité circulaire destinée à coopérer avec une portée d'étanchéité également circulaire pour assurer une étanchéité dynamique, - une liaison étanche, élastiquement déformable, reliant l'un à l'autre lesdits éléments, et - un anneau de réaction flottant, monté serré contre le deuxième élément d'étanchéité, à l'opposé de la susdite surface d'étanchéité, caractérisée en ce que le susdit deuxième élément d'étan- chéité (4) comprend une enveloppe (5) formant un logement annulaire contenant un sommier annulaire élastiquement déformable (7) agencé de manière à agir sur la susdite sur- face d'étanchéité (11) et contre lequel est maintenu serré ledit anneau de réaction (8), et en ce que cette enveloppe comprend deux parois radiales opposées (9, 10) qui assurent un centrage permanent dudit sommier (7) et dudit anneau (8). 2. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit sommier consiste en un ressort hélicoidal (6) de forme torique. 3. Garniture selon la revendication 2, caractérisée en ce que le susdit ressort hélicoidal (6) est au moins en partie recouvert d'une enveloppe primaire (7). - 15 - 4. Garniture selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le susdit sommier (6) et le susdit anneau de réaction (8) sont tous deux logés dans une enve- loppe primaire (29), elle-même contenue dans la susdite enveloppe (5). 5. Garniture selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le susdit anneau de réaction est réalisé à l'aide d'un feuillard spiralé. 6. Garniture selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce qu'entre les deux susdits éléments d'étanchéité (1, 4) est monté flottant un anneau de soutien (30). 7. Garniture selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que le susdit premier élément d'étanchéi- té (1) présente une structure similaire à celle d'un joint torique métallique flexible et comprend, en conséquence, un ressort hélicoidal (2) de forme torique recouvert d'une enveloppe d'étanchéité (3), avec interposition éventuelle d'une enveloppe primaire. 8. Garniture selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que l'enveloppe d'étanchéité (5) du second élément d'étanchéité (4) et la susdite liaison étan- che (14) sont constituées par une seule et même pièce. 9. Garniture selon la revendication 7, caractérisée en ce que les enveloppes (3, 5) des susdits premier et deuxième éléments d'étanchéité (1, 4) et la susdite liaison-étanche (14.) sont constituées par une seule et même pièce. - 16 - 10. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que le susdit sommier et le susdit anneau de réaction sont réalisés en une seule et même pièce annu- laire (30) obtenue à l'aide d'une bande de métal enroulée en spirale. 11. Garniture selon la revendication 10, caractérisée en ce que la susdite bande présente une pliure médiane lui conférant un profil sensiblement en forme de V de manière à ce que la.susdite pièce annulaire (30) présen- te, d'un côté, une face axiale convexe (31) et, de l'autre côté, une face axiale concave (32), et en ce que la zone de l'enveloppe (5) contenant la surface d'étanchéité présente une forme intérieure concave de profil sensiblement identi- que à celui de la bande, contre laquelle vient s'appliquer la face axiale convexe (31) de la pièce annulaire. 12. Garniture selon la revendication 11, caractérisée en ce que la susdite enveloppe comprend une face axiale intérieure (36) conformée de manière à venir épouser la forme de la face axiale concave (32) de la pièce annulaire (30). 13. Garniture selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un anneau spiralé (37) de même nature que la pièce annulaire (30) dont la face axiale convexe (38) est montée serrée contre la forme concave de la face radiale intérieure (36) de l'enve- loppe (5). 14. Garniture selon la revendication 10, caractérisée en ce que la susdite bande présente un profil incurvé de manière à obtenir une pièce annulaire (46) pré- sentant, d'un côté, une face radiale concave sur laquelle viennent en appui deux nervurations latérales internes (44, ) formées sur l'enveloppe (5), de part et d'autre de la surface d'étanchéité (41), et en ce que cette surface - 17 - d'étanchéit6 (41) présente une forme bombée de convexité orientée vers l'extérieur. 15. Garniture selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce qu'elle est entièrement réalisée en métal.