Brevet FR2628498A1 — publié le 19890915

L'invention concerne un robinet à boisseau sphéri- que, notamment pour des écoulements de mélanges abrasifs de substances solides, comportant un carter résistant à la pres- sion, un siège de soupape constitué par des bagues en-cérami- que frittée, une bille de soupape en céramique frittée et une tige de manoeuvre de la soupape à bille, tige qui est guidée dans une garniture d'étanchéité installée dans le carter, et dans lequel le carter comporte une enveloppe réalisée d'un seul tenant ainsi que des éléments de raccordement tubulaires, qui sont fixés moyennant le montage intercalé de garnitures d'étanchéité dans l'enveloppe du carter, et dans lequel sur les éléments de raccordement tubulaires se trouvent disposées des garnitures d'étanchéité souples, qui maintiennent le siè- ge de soupape appliqué sous précontrainte contre la bille de soupape. D'après la demande de brevet allemand antérieure P 35 45 547.0-12, on connaît un robinet à boisseau sphérique du type indiqué plus haut, dans lequel le siège de soupape est inséré dans une enveloppe du carter, qui résiste à la pression. L'enveloppe du carter possède la longueur extérieu- re du siège de soupape. Des éléments de raccordement tubu- laires, qui possèdent une bride de serrage possédant un dia- mètre intérieur correspondant à celui du perçage traversant des bagues du siège, sont raccordés au niveau des faces fron- tales de l'enveloppe du carter. Le siège de soupape est fixé par serrage moyennant le montage intercalé de garnitures d'étanchéité souples, entre les brides de serrage, et s'ap- plique d'une manière étanche contre le boisseau sphérique ou bille de soupape, en raison de l'élasticité des garnitu- res d'étanchéité souples. Les pièces d'usure en céramique sont disposées, de manière à n'être soumises à aucune force, dans le carter résistant à la pression et formé par une en- veloppe et des éléments de raccordement tubulaires. La pres- sion de service, qui agit radialement, ainsi que le moment fléchissant et des contraintes de traction agissant axiale- ment, qui sont produits par des conduites tubulaires conti- guës, sont absorbés par le carter. La constitution de princi- pe s'est confirmée en soi comme étant valable. Il se pose en général des problèmes lorsqu'on utilise l'élément de robinet- terie en tant qu'organe d'étranglement dans le cas de liqui- des ayant une action abrasive et formés par des mélanges de substances. Un accroissement de la vitesse d'écoulement au niveau de la fente d'étranglement ainsi qu'une formation de tourbillons intenses dans la direction d'écoulement en aval de l'ouverture d'étranglement conduisent à une usure accrue au niveau des éléments de raccordement tubulaires et dans la zone de raccordement des conduites tubulaires contiguës, qui fréquemment ne sont pas protégées par des systèmes particu- liers de protection contre l'usure. L'invention a pour but de développer un robinet à boisseau sphérique du type indiqué de manière qu'il puisse être utilisé en tant qu'élément de robinetterie à étrangle- ment monté dans des conduites véhiculant dessubstances gazeu- ses et liquides ayant une action abrasive et contenant des mélanges de substances, et qu'une usure inutile au niveau des éléments de raccordement tubulaires et dans la zone de raccor- dement des conduites tubulaires contiguës soit éliminée. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait que la longueur de l'enveloppe du carter est supérieure à la longueur extérieure du siège de soupape, que des manchons d'usure sont maintenus par serrage entre les élé- ments de raccordement tubulaires et le siège de soupape, ces. manchons d'usure se terminant de niveau avec les bagues du siège et s'appliquant par leur face frontale, tournée à l'op- posé du siège de soupape, contre les garnitures d'étanchéité souples associées aux éléments de raccordement tubulaires, et que les manchons d'usure prennent appui par leur pourtour extérieur dans le carter. De préférence la longueur de l'en- veloppe du carter est égale au moins au double de la longueur extérieure du siège de soupape. L'expression "manchon d'usure" désigne un manchon réalisé en un matériau résistant à l'usure, de préférence une céramique frittée. Dans le cas de l'élément de robinetterie conforme à l'invention, toutes les pièces d'usure en céramique sont protégées, dans un carter rigide, vis-à-vis de contraintes.de flexion et de traction. Le robi- net à boisseau sphérique est en soi étanche à la pression. Dans le cas o la pression intérieure dépasse les capacités techniques de résistance du matériau céramique, les pièces d'usure s'appliquent contre le carter résistant à la pression et de ce fait la capacité de fonctionnement du robinet à bois- seau sphérique reste conservée. Dans le robinet à boisseau sphérique conforme à l'invention, non seulement la fente d'étanchéité entre la bil- le de soupape et la bague de soutien du siège résiste à l'usu- re, mais également la zone du canal d'écoulement, qui est sou- mise à une contrainte par abrasion particulièrementintense, est protégée vis-à-vis de l'usure. L'invention part du fait que des éléments de robinetterie à étranglement en amont et en aval de l'ouverture d'étranglement sont soumis à une con- trainte d'usure accrue. La zone, qui se raccorde à une partie de section transversale réduite est soumise à une contrainte particulièrement intense, en particulier sur une longueur cor- respondant approximativement au triple du diamètre de l'ouver- ture en coupe transversale. La formation de tourbillons con- duit ici, en liaison avec des particules de substances soli- des, à une forte usure par abrasion. Il entre dans le cadre de l'invention de réaliser les manchons d'usure avec la même épaisseur de paroi et de les agencer de manière qu'ils soient supportés par l'envelop- pe du carter. Mais en principe, en raison de la résistance élevée de la céramique frittée à l'usure, il n'est pas néces- saire de réaliser les manchons d'usure avec une épaisseur im- portante. Pour cette raison il est également plus avantageux, du point de vue de l'utilisation pratique, que les manchons d'usure s'appliquent par leur pourtour extérieur contre des manchons-entretoises qui prennent appui contre l'enveloppe du carter. Dans le cas de l'utilisation du robinet à boisseau sphérique dans des liquides, dans lesquels se déroulent des phénomènes de cristallisation, il existe le risque que les manchons entretoises commencent à se fixer par collage et ne puissent plus être démontés ou ne puissent être démontés que difficilement. En particulier dans un tel cas d'utilisation, il est recommandé conformément à l'invention de réaliser les éléments de raccordement tubulaires sous la forme de douilles de serrage et de les insérer frontalement dans l'enveloppe du carter, les douilles de serrage possédant une surface de serrage pour les bagues du siège et une chambre annulaire des- tinée à recevoir les manchons d'usure. 'Il va de soi que l'on peut mettre en place des outils de démontage sur les douilles de serrage. Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion il est prévu que les douilles de serrage possedent cha- cune un collet extérieur qui est inséré dans un évidement de manière à être de niveau avec la face frontale de l'enveloppe du carter et est maintenu par des vis à tête fraisée sur l'en- veloppe du carter, seul un collet d'étanchéité des douil- les de serrage faisant saillie au-delà des faces frontales de l'enveloppe du carter. Du point de vue pratique il est ap- proprié que le robinet à boisseau sphérique soit symétrique et que les manchons d'usure situés côté entrée et côté sortie possèdent la. même longueur. Cependant l'usure est en principe plus importante en aval d'une ouverture d'étranglement qu'en amont de cette ouverture. Pour cette raison il peut être ju- dicieux et il est prévu, conformément à une forme de réalisa- tion préférée de l'invention, de disposer la bille de soupape dans une position décentrée dans la direction longitudinale et de réaliser le manchon d'usure disposé sur le côté sor- tie dans la direction d'écoulement avec une longueur plus im- portante que le manchon d'usure situé du côté entrée. Une autre forme de réalisation avantageuse de l'in- vention est caractérisée en ce que sur le pourtour de la sou- pape à bille se trouve disposée une bague d'appui réalisée en un matériau résistant à l'usure, et possédant une ouvertu- re de passage pour la tige de manoeuvre, et que la bague d'ap- pui est retenue, dans la direction longitudinale, entre des surfaces de butée. De préférence la bague de support est éga- lement réalisée en un matériau céramique. La mise en place d'une bague de support en céramique fritté est appropriée lors- que l'enveloppe du carter est réalisée en un matériau relati- vement mou. La présence du contact lisse et résistant à l'usu- re entre les surfaces de la bille de soupape et de la bague de support permet d'empêcher un collage de la bille de soupa- pe et garantit, sur de longs intervalles de temps, un action- nement aisé de la bille de soupape. En outre dans le cas d'un étranglement important, il peut apparaître des vibrations con- ditionnées par l'écoulement et soumettant à une contrainte la surface de contact sur le pourtour de la bille de soupape. Les surfaces de butée, entre lesquelles la bague de support est fixée, peuvent être formées par des manchons-entretoises qui sont fixés par serrage entre les éléments de raccordement tubulaires. Mais dans la forme de réalisation préférée, il est prévu qu'un élément de raccordement tubulaire possède une surface de butée pour la bague.d'appui et que cette dernière soit retenue, moyenannt le montage intercalé d'une garniture d'étanchéité ainsi que, au choix, moyennant le montage inter- calé de rondelles annulaires, entre un collet de butée de l'enveloppe du carter et la surface de l'élément de raccorde- ment tubulaire. Le collet de butée fixe de l'enveloppe du car- ter facilite le montage et le positionnement de la bague de support. Il est en outre évident que l'élément de raccorde- ment tubulaire peut être également réalisé simultanément sous la forme d'une douille de serrage pour la bague de soutien du siège et pour le manchon d'usure. L'élément de raccorde- ment tubulaire possède alors une première surface de butée pour la bague de support, une seconde surface de serrage pour le siège de soupape ainsi qu'une chambre annulaire destinée à loger un manchon d'usure. La protection vis-à-vis de l'usure, que l'on ob- tient grâce à l'utilisation de manchons d'usuie placés en amont et en aval de la bille de soupape, permet de réaliser l'enveloppe du carter au choix avec des matériaux métalliques ou des matériaux non métalliques. Dans l'hypothèse o l'on utilise des matériaux métalliques, une forme de réalisatioh avantageuse de l'invention est caractérisée en ce que l'enve- loppe du carter est réalisée sous la forme d'une pièce for- gée creuse cylindrique à paroi épaisse et que la garniture d'étanchéité prévue pour la tige de manoeuvre est disposée dans un évidement de l'enveloppe du carter. Lorsqu'il importe d'avoir un poids particulièrement faible, il est recommandé conformément à l'invention de réaliser l'enveloppe du carter sous la forme d'un cylindre creux à paroi mince, réalisé en une matière plastique renforcée par des fibres, la garniture d'étanchéité étant disposée dans un évidement de l'enveloppe du carter. Le robinet à boisseau sphérique conforme à l'inven- tion se caractérise par une très grande sécurité de fonction- nement. Ce robinet & boisseau sphérique est en soi étanche à la pression. Lorsqu'en raison d'une surcharge de pression ou bien sous l'effet d'un choc thermique, il apparaît des rup- tures dans la céramique, les composants céramiques endommagés s'appliquent contre le carter résistant à la pression et la capacité de fonctionnement du robinet à.boisseau sphérique reste tout d'abord conservée. Par rapport au robinet à bois- seau sphérique connu du type indiqué, les avantages obtenus doivent être vus dans une protection améliorée vis-à-vis de l'usure. Les dispositions conformes à l'invention sont impor- tantes notamment lorsque le robinet à boisseau sphérique est utilisé en tant qu'organe de robinetterie à étranglement dans des espaces véhiculant des substances gazeuses ou liquides contenant des mélanges abrasifs de substances solides. Les tourbillons d'écoulement sont supprimés dans la zone, proté- gée contre l'usure, du robinet à boisseau sphérique. Ceci ré- duit fortement la contrainte par abrasion appliquée à la con- duite tubulaire contiguë. En particulier lorsque le système tubulaire ne possède aucun système de protection particulier contre l'usure, il est recommandé d'utiliser le robinet à bois- seau sphérique conforme à l'invention en tant qu'élément de robinetterie à étranglement. Par ailleurs l'élément de robi- netterie conforme à l'invention peut être monté de façon sim- ple et se caractérise par une bonne capacité de démontage et de montage des composants céramiques. La bonne capacité de démontage est importante dans la pratique car elle permet de changer par exemple rapidement des éléments céramiques cassés sous l'effet d'une surcharge de pression ou d'un choc thermi- que. Mais il existe également des exigences du point de vue du démontage lorsque le robinet à boisseau sphérique conforme à l'invention doit être utilisé dans des liquides qui ont ten- dance à cristalliser. Dans le cas d'arrêts de l'installation ou d'interruptions de fonctionnement d'assez longue durée, il est nécessaire d'effectuer un démontage et un nettoyage des robinets à boisseau sphérique. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente une coupe longitudinale du dispositif conforme à l'invention. La figure 2 représente également une coupe lon- gitudinale d'une autre forme de réalisation du robinet à bois- seau sphérique conforme à l'invention. La figure 3 représente une vue de détail de l'élé- ment de raccordement tubulaire conforme à la figure 2. La figure 4 représente une forme de réalisation préférée du robinet à boisseau sphérique conforme à l'inven- tion, comportant une bague de support résistante à l'usure pour la bille de soupape. La figure 5 représente le dispositif de la figu- re 4, mais avec une répartition asymétrique des longueurs. Le robinet à boisseau sphérique représenté sur les figures convient pour être utilisé notamment en tant qu'élé- ment de robinetterie à étranglement pour des écoulements de substances contenant des mélanges de substances solides abra- sives. La constitution de base inclut un carter i résistant à la pression, un siège de soupape 2 constitué par des bagues 3 en céramique frittée, une bille de soupape 4 en céramique frittée, comportant une tige de manoeuvre 5 qui s'étend à tra- vers une garniture d'étanchéité 6 du carter 1 (figure 1). Le carter 1 est constitué par une enveloppe formée d'un seul te- nant ainsi que par des éléments de raccordemoent tubulaires 8, qui sont fixés à l'enveloppe 7 du carter moyennant le montage in- tercalé de garnituresd'étanchéité 9. L'enveloppe 7 du carter possède une longueur L, qui est supérieure à la longueur ex- térieure a du siège de soupape 2. De préférence la longueur L de l'enveloppe du carter est égale au moins au double de la longueur extérieure a du siège de soupape. Des manchons d'usure 10a,10b sont maintenus par serrage entre les éléments de raccordement tubulaires 8 et le siège de soupape 2. Ces manchons se terminent de niveau avec les bagues 3 du siège et s'appliquent par leur face frontale 11, tournée à l'opposé du siège de soupape, contre des garnitures d'étanchéité sou- ples 12. Des manchons-entretoises 14, qui prennent appui sur l'enveloppe 7 du carter, sont disposés sur le pourtour exté- rieur 13 des manchons d'usure. Les garnitures d'étanchéité souples 12 sont placées sous une précontrainte élastique. D'une part elles agissent en tant qu'organes d'étanchéité sta- tiques et d'autre part elles confèrent aux bagues 3 du siège une faible mobilité et maintiennent les bagues 3 du siège sous lO'précontrainte contre la bille de soupape 4. Dans le cas de la forme de réalisation, représen- tée sur la figure 2, du robinet à boisseau sphérique conforme à l'invention, Ies éléments de raccordement tubulaires sont réalisés sous la forme de douilles de serrage 15 et sont in- sérés frontalement dans l'enveloppe 7 du carter. Lorsque l'on considère de façon comparative la figure 3, il s'avère que les douilles de serrage 15 possèdent une surface de serrage 16 pour les bagues 3 du siège et une chambre annulaire 17 des- tinée à recevoir un manchon d'usure 10. La douille de serrage 15 possède en outre un collet extérieur 18 possédant une slur- face d'étanchéité 20 située sur un collet d'étanchéité 19 et prévue pour s'appliquer d'une manière étanche non repré- sentée contre la conduite tubulaire contiguë. Le collet tubu- laire 18 de la douille de serrage est inséré, de manière à être de niveau, dans un évidement de la face frontale de l'en- veloppe du carter et est maintenu par des vis à tête fraisée 21 sur l'enveloppe 7 du carter. L'agencement est tel que seul le collet d'étanchéité 19 fait saillie au-dessus de la face frontale 22 de l'enveloppe 7 du carter. Les vis à tête frai- sée 21 servent uniquement au montage et ne doivent transmet- tre aucune force particulière. Entre la surface de serrage 16 et les bagues 3 du siège d'une part ainsi qu'entre le col- let extérieur 18 et le manchon d'usure 10 d'autre part se trou- vent disposées des garnitures d'étanchéité qui sont réalisées, dans l'exemple de réalisation, sous la forme de cordons annu- laires d'étanchéité 23a,23b. Ils agissent en tant qu'éléments d'étanchéité statiques et simultanément en tant qu'éléments exerçant une action élastique sur les bagues 3 du siège. La figure 4 montre une forme de réalisation préfé- rée d'un robinet à boisseau sphérique conforme à l'invention, qui est caractérisé par une bague de support 24 montée sur le pourtour de la bille de soupape et réalisé en un-matériau résistant à l'usure, notamment en une céramique frittée. La bague de support 24 s'applique contre l'enveloppe 7 du carter et possède une ouverture de passage 25 pour la tige de manoeu- vre 5. Cette bague est maintenue, dans la direction axiale, entre des surfaces de butée 26,27. Dans l'exemple de réalisa- tion représenté, un collet de butée 26 est prévu dans l'enve- loppe du carter de manière à constituer une surface de butée. En outre un élément de raccordement tubulaire 28, qui est réa- lisé par aiileurs sous la forme d'une douille de serrage pour la bague du siège et le manchon d'usure, comporte une surface de butée 27 pour la bague de support 24. Une garniture d'étan- chéité 29, à savoir un cordon circulaire d'étanchéité dans le cas de l'exemple de réalisation, est installée sur la sur- face de butée 27 de l'élément de raccordement tubulaire 28. Par ailleurs il est prévu des rondelles annulaires 30, qui s'étendent jusque dans la zone des bagues 3 du siège et agis- sent en tant qu'organes supplémentaires de blocage pour les bagues du siège. Sur les figures 1 à 4, les manchons d'usure dispo- sés côté entrée et côté sortie par rapport à la direction d'écoulement sont réalisés avec des longueurs identiques. Dans une autre forme de réalisation de l'invention il est pré- vu de disposer la bille de soupape 4 dans une position décen- trée dans la direction longitudinale et de réaliser le man- chon d'usure 10a, qui est disposé côté sortie dans la direc- tion d'écoulement, de manière qu'il possède une longueur 1a su- a périeure à la longueur 1b du manchon d'usure 10b situé du cô- té entrée (figure 5). La longueur du manchon d'usure 10a si- tué du côté sortie est choisie de manière à éliminer les tour- billons d'écoulement. De préférence la lorgueur 1a du manchon a d'usure 10a situé du côté sortie estégaleau triple du diamè- tre du perçage formant passage. Dans les exemples de réalisation représentés, l'en- veloppe 7 du carter est réalisée sous la forme d'une pièce forgée creuse cylindrique à paroi épaisse. La garniture d'étan- chéité 6 de la tige de manoeuvre 5 est disposée dans un évi- dement 31 de l'enveloppe 7 du carter. En outre l'enveloppe du carter possède une surface plane de montage 32 servant au raccordement d'organes de manoeuvre et de moyens de réglage. REVENDICATIONS 1. Robinet à boisseau sphérique, notamment pour des écoulements de mnélanges abrasifs de substances solides, compor- tant un carter (1) résistant à la pression, un siège de sou- pape (2) constitué par des bagues en céramique frittée, une bille de soupape (4) en céramique frittée et une tige (5) de manoeuvre de la soupape à bille, tige qui est guidée dans une garniture d'étanchéité (6) installée dans le carter et dans lequel le carter (1) comporte une enveloppe réalisée d'un seul tenant ainsi que des.-éléments de raccordement tubu- laires (8), qui sont fixés moyennant le montage intercalé de garnitures d'étanchéité (9)dans l'enveloppe du carter, et dans lequel sur les éléments de raccordement tubulaires se trou- vent disposées des garnitures d'étanchéité souples (12), qui maintiennent le siège de soupape appliqué sous précontrainte contre la bille de soupape, caractérisé en ce que la longueur (L) de l'enveloppe (7) du carter est supérieure à la longueur extérieure (a) du siège de soupape (2), que des manchons d'usu- re (10) sont maintenus par serrage entre les éléments de rac- cordement tubulaires (8) et le siège de soupape (2), ces man- chons d'usure (10) se terminant de niveau avec les bagues (3) du siège et s'appliquant par leur face frontale (11), tournée à l'opposé du siège de soupape, contre les garnitures d'étan- chéité souples (12) associées aux éléments de raccordement tubulaires (8), et que les manchons d'usure (10) prennent ap- pui sur leur pourtour extérieur (13) dans le carter (1). 2. Robinet à boisseau sphérique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la longueur (L) de l'envelop- pe (7) du carter est égale au moins au double de la longueur extérieure (a) du siège de soupape (2). 3. Robinet à boisseau sphérique selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que les manchons d'usure (10) s'appliquent, par leur pourtour extérieur (13), contre des manchons-entretoises (14), qui prennent appui contre l'enve- loppe (7) du carter. 4. Robinet à boisseau sphérique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments de raccordement tubulaires sont réalisés sous la forme de douil- les de serrage (15) et sont insérés par leurs faces frontales dans l'enveloppe (7) du carter, les douilles dé serrage (15) possédant une surface de serrage (16) pour les bagues (3) du siège et une chambre annulaire (17) servant à recevoir un man- chon d'usure (10). 5. Robinet à boisseau sphérique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que les douilles de serrage (15) possèdent chacune un collet extérieur (18) qui est inséré dans un évidement de manière à être de niveau avec la face fronta- le de l'enveloppe du carter et est maintenu par des vis & tê- te fraisée (21) sur l'enveloppe (7) du carter, seul un collet d'étanchéité (18) des douilles de serrage (15) faisant saillie au-delà des faces frontales (22) de l'enveloppe (7) du carter. 6. Robinet à boisseau sphérique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bil- le de soupape (4) est disposée en étant décentrée dans la di- rection longitudinale etquele manchon d'usure (10a), qui est disposé sur le côté sortie dans la direction de l'écoulement, ?O possède une longueur (la) supérieure à-celle du manchon d'usu- re (10b) situé du côté entrée. 7. Robinet à boisseau sphérique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que sur le pourtour de la bille de soupape(4) se trouve disposée une ba- gue d'appui (24) réalisée en un matériau résistant à l'usure, et possédant une ouverture de passage (25) pour la tige de manoeuvre (5), et que la bague d'appui (24) est retenue, dans la direction longitudinale, entre des surfaces de butée (26, 27). 8. Robinet à boisseau sphérique selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce qu'un élément de raccordement tu- bulaire (28) possède une surface de butée (27) pour la bague d'appui (24) et que cette dernière est retenue, moyennant le montage intercalé d'une garniture d'étanchéité (29) ainsi que, au choix', moyennant le montage intercalé de rondelles annu- laires (30), entre un collet de butée (26) de l'enveloppe (7) du carter et la surface de butée (27) de l'élément de raccor- dement tubulaire (28). 9. Robinet à boisseau sphérique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'en- veloppe (7) du carter est réalisée sous la forme d'une pièce forgée creuse cylindrique à paroi épaisse et que la garniture d'étanchéité (6) prévue pour la tige de manoeuvre (5) est disposée dans un évidement (31) de l'enveloppe (7) du carter. 10. Robinet à boisseau sphérique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'en- veloppe (7) du carter est réalisée sous la forme d'un cylin- dre creux à paroi épaisse réalisé en une matière plastique renforcée par des fibres et que la garniture d'étanchéité (6) est disposée dans un évidement (31) de l'enveloppe (7) du car- ter.