Brevet FR2636400A1 — publié le 19900316

Vanne haute pression utilisable notamment dans un outil de coupe à jet fluide La présente invention concerne une vanne haute pression utilisable, notamment, dans un outil de coupe à jet fluide. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de vanne étanche dont l'ouverture est commandée, de l'extérieur, par action d'un vérin. La vanne selon l'invention a été conçue plus particulie- rement pour être utilisée dans un appareil de coupe employant l'énergie cinétique d'un jet de fluide sous très haute pression comme outil de coupe ; c'est pourquoi la vanne sera décrite dans le cadre d'une telle utilisation. Mais il va de soi que l'utilisation de la vanne selon l'invention n'est pas limitée à cette application spécifique. On sait que les appareils de coupe employant t 'énergie cinétique d'un jet de fluide utilisent des pressions élevées atteignant, par exemple, des valeurs de 4 500 bars. Le fluide, une fois mis en pression par un surpresseur, est acheminé, grâce à des canalisations appropriées, vers une tête de coupe généralement mobile au-dessus d'un plan de travail. Le contrôle de l'interruption du jet haute pression est effectué sur cette tête de coupe. Pour cela, on utilise une vanne haute pression dont la présentation est classique. On y trouve en effet un organe obturateur tel qu'un pointeau s'appuyant sur un siège conique, un organe de commande de l'obturateur tel qu'un vérin par exemple, et enfin un organe de rappel tel qu'une tige par exemple, lequel transmet le mouvement de L'organe de commande vers l'organe obturateur. Toute la difficulté sur ce type de vanne vient de la nécessité d'isoler la chambre recevant le fluide sous haute pression et dans laquelle se trouve L'organe obturateur, par rapport à L'extérieur sachant que nécessairement la paroi de cette chambre est traversée par la tige de rappel de l'actionneur. Afin de combattre les fuites à cet endroit précis, on doit mettre en place des dispositifs d'étanchéité tels que des joints ou presse-étoupe Lesquels ne doivent pas entraver Le mouvement de la tige de rappel.Etant donné la très forte pression du fluide dont on veut interrompre L'écoulement, des efforts considérables sont appliqués sur les différentes parties de la chambre. Ceci a plusieurs inconvénients. Tout d'abord, la tige de rappel reçoit un effort de poussée très important tendant à la repousser vers L'extérieur (450 N par mm2 de surface résultante soumise à 4 500 bars). Il est ainsi courant d'avoir des efforts de L'ordre de 5 000 N. D'autre part, le dispositif d'étanchéité situé au passage de la tige de rappel est lui-même soumis à de tels efforts. Il doit donc être dimensionné de façon à y résister et cela entraine un effort de serrage autour de la tige de rappel considérable, lequel effort durcit énormément le déplacement de la tige de rappel.De plus, il se produit à cet endroit une usure détruisant à terme le joint d'étanchéité, lequel doit alors être changé. Enfin, pour des raisons de sécurité inhérentes à l'utilisation d'un tel moyen de coupe, il est nécessaire que la vanne soit de type "normalement fermée", c c'est-à-dire qu'en l'absence de signal sur l'organe de commande L'écoulement du fluide haute pression est annulé. Cette fonction est assurée par un élément élastique teL qu'un ressort ou empilage de rondelles élastiques (type Belleville) lequel pousse constamment le pointeau de L'obturateur sur son siège par L'intermédiaire de la tige de rappel. Etant donné la présence de l'effort dont on a parlé plus haut, lequel tend à repousser la tige de rappel vers l'extérieur de la chambre, le ressort doit être dimensionné de façon à contrer cet effort.Ces trois principaux inconvénients en entrainent un quatrième qui est le dimensionnement général de la vanne. En effet, étant donné Les différents efforts mis en jeu énumérés ci-dessus, l'organe de commande doit être calculé de façon à contrer ces efforts et ainsi pouvoir ouvrir la vanne, et ce le plus rapidement possible. Cet organe de commande, de par sa position sur un chariot mobile, doit nécessairement être télécommandé. Il est donc pratique d'utiliser un vérin à air comprimé, ce type d'énergie étant de Loin le plus facile à transporter et le moins coûteux. Ainsi, il est courant d'utiliser, pour une pression d'air de 6 bars, un vérin de diamètre de 100 à 120 mm. L'objet de la présente invention est d'éliminer les inconvénients cités ci-dessus et de proposer une vanne de taille réduite permettant de s'intégrer par exemple sur un chariot de coupe, de réduire les interventions de maintenance et d'avoir une très grande fiabilité. La vanne selon l'invention comporte un corps de vanne (13) dans lequel on a disposé une canalisation haute pression (15) d'arrivée de fluide, alimentant en aval une canalisation de sortie de fluide (16), ladite canalisation de sortie comportant un siège (12) sur lequel s'appuie une des extrémités d'une tige de rappel (8), l'ensemble dudit siège et de ladite tige formant la vanne proprement dite qui est caractérisée en ce que l'on dispose autour de ladite tige (8) un tube extensible (7) dont l'une des extrémités est rendue solidaire, de façon étanche, dudit corps de vanne et dont l'autre extrémité est rendue solidaire, de façon étanche, d'une part de l'autre extrémité (10) de ladite tige (8) et d'autre part d'une bride de liaison (6), elle-même solidaire d'un vérin à air comprimé (1) (2) (3) (4), ledit tube extensible (7) et ladite tige (8) comportant, au niveau de leur solidarisation, des moyens permettant la compression de Ladite tige (8) sur le siège (12). Diverses autres caractéristiques seront données au cours de l'explication qui va suivre, Laquelle sera mieux comprise au vu des schémas suivants : - figure 1 : coupe transversale d'une tete de coupe complète, incluant ta vanne, objet de L'invention ; - figure 2 : détail de la vanne. La description est faite suivant un mode de réalisation préféré, mais toutefois il est clair que diverses modifications peuvent être apportées sans sortir des caractéristiques essentielles de l'invention. Sur la figure 1, on distingue deux sous-ensembles : - a) buse de coupe - b) la vanne d'interruption du jet. Ces deux sous-ensembles sont reliés entre eux par une canalisation rigide (16) et sont fixés sur un support (20), lequel support est lui-meme fixé sur un quelconque chariot mobile. La buse de coupe est constituée par un ajutage (18) chargé de calibrer le jet de fluide et un support d'ajutage (19), lequel est vissé sur un corps de buse (17). Le corps de buse (17) est connecté à la canalisation (16) par l'intermédiaire d'un raccord (21) de type haute pression connu par ailleurs. La vanne comporte essentiellement - un corps de vanne (13) servant de support général, - un tube d'arrivée (15) du fluide sous pression qui est raccordé audit corps au moyen d'un raccord (23), - un tube de sortie (16) du fluide sous pression qui est raccordé audit corps au moyen d'un raccord (22), ledit tube d'arrivée et ledit tube de sortie étant bien évidemment reliés entre eux. L'extrémité du tube de sortie (16) est usinée de façon à recevoir une pièce (12) servant de siège sur lequel s'appuie une tige de rappel (8). Cette tige de rappel a un axe qui est confondu avec celui de la pièce (12) et se prolonge au-delà du corps de vanne grâce à un raccord (5) de même type que les raccords (22) et (23). On va maintenant se référer plus particulièrement à la figure 2 qui illustre le principe d'obturation faisant intervenir le siège (12) et la tige de rappel (8). Sur cette figure, on retrouve : - la canalisation d'arrivée (15) (ou plus exactement la canalisation de raccord entre ladite canalisation d'arrivée et la canalisation comportant l'obturateur (12) (8)), - le siège (12) - la tige de rappel (8) qui se trouve dans l'axe dudit siège et se prolonge au-delå du corps de la vanne, - et le corps de la vanne (13) ; de plus, on voit qu'autour de la tige de rappel (8) on a disposé un tube extensible (7). Ce tube extensible est un tube métallique présentant une certaine élasticité ; L'une des extrémités (24) du tube extensible est maintenue en appui contre un alésage ménagé dans le corps de la vanne ; l'autre extrémité du tube extensible est rendue solidaire de l'extrémité de la tige de rappel par l'intermédiaire d'un fi le tage qui constitue l'extrémité de la face interne dudit tube et d'une vis (11) qui constitue l'extrémité de la tibe (8) ; de plus, cette même extrémité du tube extensible est rendue solidaire par L'intermédiaire d'une pièce (9), d'une bride de liaison (6) solidaire d'un vérin. Un bouchon (10) vissé sur ladite bride de liaison (6) vient en appui sur l'extrémité du tube extensible (7) en réalisant ainsi une étanchéité totale. Un vérin à air comprimé (cf. figure 1) est monté autour du tube (7) ; ce vérin est constitué par un cylindre (1) emmanché sur le raccord (5) et par un piston (2), coulissant librement sur le même raccord de verin (5). Des joints toriques cLassiques assurent l'étanchéité de l'air comprimé vers l'extérieur. L'air est introduit à l'intérieur du vérin au niveau du raccord (4). Il s'agit d'un vérin simple effet. L'action du piston (2) est transmise à la bride de liaison (6) par une entretoise (3) qui joue le rôle de poussoir. Des plots en caoutchouc (14) sont disposés à L'intérieur d vérin pour amortir Le mouvement du piston (2). La description des divers éléments étant faite, nous allons maintenant expliquer le fonctionnement. Le principe de l'invention repose sur une constatation élémentaire propre à l'utilisation qui en est faite. En effet, le fluide mis sous haute pression est calibré, en sortie de buse, par un ajutage (18) dont le diamétre est généralement compris entre 0,08 et 0,15 mm. Si le fluide est de l'eau et que sa pression a été portée aux environs de 4 500 bars, Le débit de passage au travers de L'ajutage est alors de L'ordre de 0,5 I/min, ce qui est très faible. Par contre, la vitesse du fluide, à la sortie de l'ajutages elle, est très lever, de l'ordre de 1 000 m/s : c'est d'ailleurs grâce à cette vitesse élevée que l'on a une énergie cinétique très importante, d'où L'action de coupe du jet. Afin de ne pas perturber Les caractéristiques du jet au niveau de l'ajutage, il est nécessaire d'avoir, en amont, des sections de passage pour le fluide beaucoup plus conséquentes, ce qui a pour effet de diminuer la vitesse de circulation. C'est alors que l'on s'aperçoit qu'il suffit de lever très peu l'obturateur pour avoir une section de passage très importante par rapport à celle de l'ajutage. Par exemple, si l'on considère un diamètre d'obturateur de 1,5 mm, il suffit de le lever de 0,35 mm pour avoir une section de passage environ 200 fois plus grande que celle de l'ajutage. Pour créer cette ouverture d'obturateur relativement faible, on peut alors jouer sur l'élasticité du tube extensible (7). Considérons que la vanne est initialement réglée de façon que la tige (8) soit juste au contact du siège (12) et que le vérin (1-2-3-4) n'est pas actionné, le fluide sous pression n'étant pas encore envoyé. Mettons maintenant cette vanne sous pression, laquelle pression de fluide est alors répartie dans un volume compris entre la paroi interne du tube extensible (7), celle du corps de vanne (13) et la paroi externe de la tige de rappel (8). Ces éléments sont donc soumis à des efforts importants dus à la pression élevée. Plus particulièrement, le tube extensible (7) s'allonge (on néglige son gonflement radial car très faible) ainsi que la tige (8) sous effet de la compression exercée radialement. L'allongement de cette dernière est plus important que celui du tube (7), cette situation découlant du dimensionnement relatif des pièces entre elles imposé par L'invention, ce qui a pour effet de laisser la vanne en position fermée. Si l'on actionne le vérin (1-2-3-4), le piston de ce dernier, par l'intermédiaire de l'entretoise (3), tire sur l'extré- mité du tube (7) et l'allonge. L'extrémité (11) de la tige (8) suit le déplacement du tube (7). Il arrive un moment où l'allongement du tube (7) est tel qu'il compense L'allongement initial de la tige (8). Il y a alors décollement de l'extrémité de la tige (8) de dessus le siège (12) et le fluide peut circuler : la vanne est ouverte. Il existe à ce moment-Là un phénomène nouveau complémentaire : l'extrémité de la tige (8) n'étant plus au contact du siège (12), elle est soumise à La pression du fluide et reçoit de ce fait une poussée qui tend à la comprimer axialement et vient ainsi renforcer l'action du vérin.La présence de cet effort empêche alors la vanne de se refermer lorsqu'on supprime l'action du vérin, ce qui n'est pas le résultat recherché. Pour combattre ce phénomène, il faut faire en sorte d'avoir le plus grand allongement possible du tube (7) avant que la tige (8) ne se décolle de son siège. Il convient de remédier à cette difficulté et pour cela - d'une part, on choisira convenablement le matériau constituant la tige (8) ; ce matériau aura un module d'élasticité le plus grand possible pour minimiser ledit raccourcissement, - d'autre part, on va soumettre ladite tige (8) à une précontrainte de compression ; pour cela, on a prévu selon l'invention que la solidarisation de l'extrémité du tube (7) et de l'extrémité de la tige (8) s'effectue au moyen d'un filetage et d'une vis (11) ; une action sur ladite vis permettra de soumettre la tige (8) à une précontrainte nécessaire. Finalement, il existe un équilibre entre les efforts exercés par la pression du fluide, la tension du tube extensible (7) et la compression de la tige (8). C'est la rupture de cette équilibre, en tirant sur la bride de liaison (6), qui crée l'ouverture de la vanne. L'effort nécessaire dépend de la précontrainte réglée précédemment et est relativement faible (2 000 à 3 000 N). Il est produit par le piston (2) et transmis par l'entretoise (3). Un vérin à air comprimé, de diamètre 80 mm, peut très bien convenir pour cela. Si le matériau utilisé pour le tube extensible est de l'acier, les allongements sont relativement faibles pour les efforts mis en jeu, mais suffisants pour provoquer une ouverture de l'obturateur de quelques dixièmes de millimètre. Les dimensions de ce tube sont déterminées en fonction de la nature du matériau, de la différence de section existant entre son diamètre intérieur et le diamètre extérieur de la tige de rappel et de la pression du fluide de coupe. On obtient ainsi une vanne, adaptable en particulier à une tête de coupe dont les avantages sont les suivants - très faible encombrement et très faible poids - très peu de pièces - fonctionnement très simple, avec une seule pièce en mouvement (le vérin). REVENDICATIONS 1. Vanne pour canalisation de fluide sous très -haute pression comportant un corps de vanne (13) dans lequel on a disposé une canalisation haute pression (15) d'arrivée de fluide, alimentant en aval une canalisation de sortie de fluide (16), Ladite canalisation de sortie comportant un siège (12) sur -lequel s'appuie une des extrémités d'une tige de rappel (8), l'ensemble dudit siège et de ladite tige formant la vanne proprement dite, caractérisée en ce que l'on dispose autour de ladite tige (8) un tube extensible (7) dont l'une des extrémités est rendue solidaire, de façon étanche, dudit corps de vanne et dont l'autre extrémité est rendue solidaire, de façon étanche, d'une part de l'autre extrémité (10) de ladite tige (8) et d'autre part d'une bride de Liaison (6), elle-meme solidaire d'un vérin à air comprimé (1) (2) (3) (4), ledit tube extensible (7) et ladite tige (8) comportant, au niveau de Leur solidarisation, des moyens permettant La compression de ladite tige (8) sur le siège (12). 2. Vanne selon la revendication g, carrtérisêe en ce que Le tube extensible (7) joue le rôle d'élément de rappel maintenant la vanne en position normalement fermée. 3. Dispositif de coupe utilisant un fluide sous très haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne selon l'une des revendications 1 et 2.