Brevet FR2638502A1 — publié le 19900504

i "Vanne à disques pour permettre ou non le passage du fluide " L'invention concerne une vanne à disques pour permettre ou non le passage du fluide. Cette vanne comporte des disques se déplaçant d'un mouvement relatif et munis d'ouvertures pouvant être amenées en ou hors d'une correspondance pour permettre ou non l'écoulement du fluide vers un orifice de décharge. Plus particulièrement, l'invention concerne des perfectionnements d'une telle vanne, perfectionnement qui concernent la mise en oeuvre d'un corps de vanne en une seule pièce comportant une cavité interne destinée à recevoir les disques et un noyau, par passage à travers l'ouverture d'entrée, pour se placer en position de fonctionnement dans la cavité interne du corps de vanne. Cette invention concerne une vanne munie d'un disque fixe et d'un disque rotatif montés, l'un contre l'autre dans un corps de vanne sur le chemin d'écoulement du fluide. Les disques sont munis chacun d'au moins un orifice ou ouverture déterminant le débit de fluide de la vanne par-la taille des trous des deux disques. Le mouvement angulaire d'un disque par rapport à l'autre dans le corps de vanne, est obtenu en faisant tourner une poignée située à l'extérieur du corps de vanne, mais accouplée de manière à produire la rotation du disque rotatif. Le disque rotatif peut être déplacé depuis une position complètement ouverte dans laquelle le trou ou les trous d'un disque sont alignés avec le trou ou les trous de l'autre disque pour produire le débit maximum jusqu'à une position complètement fermée dans laquelle le trou ou les trous des disques ne sont pas alignés, le fluide étant bloqué par les parties pleines des disques placés face à face. Il est bien connu de la technique de construire le corps de vanne d'une telle vanne sous la forme d'un ensemble en deux parties. Les deux parties sont alors munies de collerettes boulonnées ensemble. La ligne de séparation entre les parties de corps de vanne, quel que soit l'endroit o elle se trouve, doit toujours être raccordée de manière étanche au fluide. Lorsqu'on monte la vanne, le noyau est placé à l'intérieur de la cavité de la parie de corps amont et vient se loger contre un rebord annulaire en saillie formant l'extrémité de la partie d'entrée et empêchant le noyau de se déplacer de son logement dans la cavité. Les pièces nécessaires pour la réalisation des corps de vanne en deux parties compliquent les impératifs d'étanchéité et augmentent les coûts. Les vannes de ce type sont particulièrement utiles pour commander le débit de fluides provenant de puits de pétrole et de gaz ou analogues. Une telle vanne est parfois appelée une buse lorsqu'elle est utilisée pour commander le débit de fluides provenant de puits de production, ces fluides pouvant contenir des matières abrasives telles que des particules de sable. Le fluide pénétrant dans la vanne peut se trouver sous une pression extrêmement élevée de l'ordre de par exemple 20,68 À 106 Pa. Les ouvertures des disques présentent une surface de section transversale plus petite que celle d'une chambre d'entrée amont, ou d'une chambre de décharge aval formées dans le corps de vanne. Les ouvertures des disques provoquent une accélération du fluide lorsqu'il passe au travers de ces ouvertures. Par suite, le fluide sortant de l'ouverture du disque aval pénètre avec une plus grande vitesse dans une chambre de décharge présentant une section transversale supérieure à la section transversale des ouvertures du disque mais, du fait de la construction de la chambre de décharge, en particulier lorsque celle-ci est formée par un manchon amovible logé dans le corps de vanne, une chute de pression importante du fluide est obtenue en ce point. Son effet est de réduire la capacité de la vanne et, du fait de la présence du manchon amovible, des variations brusques de la configuration de l'ouverture du manchon produisent une turbulence du fluide, en particulier à l'orifice de sortie de la vanne qui n'est pas protégée par le manchon remplaçable. Dans les vannes de formes connues du type considéré ici, l'orifice de sortie est défini par une configuration transversale oblongue immédiatement en aval du disque aval. La configuration oblongue résulte de la nécessité de former des ouvertures destinées à recevoir des tiges de retenue utilisées pour fixer solidement le disque dans le corps de vanne. La surface de la configuration oblongue est réduite de l'épaisseur du manchon, lorsqu'un tel manchon protecteur est nécessaire dans la chambre de sortie. La surface oblongue réduite du disque limite à son tour la taille maximum du disque pouvant être utilisé avec le manchon amovible, comparativement par exemple à la taille de la chambre de sortie oblongue obtenue lorsqu'on n'utilise pas de manchon. Un petit volume plus petit de transmission du fluide vers le manchon provoque une plus grande chute de pression dans le fluide passant à travers le manchon, en réduisant ainsi la capacité de la vanne. De plus, dans les vannes de formes connues utilisant des manchons amovibles dans la chambre de sortie, le manchon est collé au corps de vanne par une colle telle qu'une colle époxy sert également à empêcher le passage d'un fluide entre le manchon et le corps de vanne. Lorsqu'il est nécessaire de remplacer le manchon, le corps de vanne doit être chauffé à une température suffisante pour ramollir la colle époxy de façon qu'on puisse retirer le manchon. Typiquement, il est classique de chauffer le corps de vanne à une température supérieure à 121'C pour ramollir effectivement la colle époxy de manière à pouvoir remplacer le manchon. La présente invention a pour but de créer une construction perfectionnée d'un corps de vanne pour vanne à disques permettant de réduire le coût de la vanne et les exigences d'étanchéité au fluide. Un autre but de la présente invention est de créer une construction perfectionnée d'une vanne à disques non seulement pour réduire ou, lorsqu'on le désire, produire une chute de pression dans le fluide sortant de la vanne, mais encore pour réduire la turbulence du fluide, et pour adapter, à l'orifice de sortie, la configuration de sortie d'un élément de manchon à la configuration de l'orifice de sortie de la vanne de manière à éviter la turbulence du fluide dans les zones d'orifice de sortie non protégées du corps de vanne. Un autre but de la présente invention est de créer une construction perfectionnée d'un élément de manchon formant un chemin d'écoulement pour le fluide sortant du passage d'un disque placé dans un corps de vanne, construction dans laquelle une chambre est formée entre le disque et le corps de vanne pour recevoir un joint d'étanchéité destiné à empêcher le passage de fluide autour du disque ainsi qu'entre le manchon et les surfaces de support de celui-ci dans le corps de vanne. Selon la présente invention, celle-ci concerne une vanne à disques caractérisée en ce qu'elle comprend un corps en une seule pièce pourvue d'une cavité interne munie d'un orifice d'entrée de fluide et d'un orifice de sortie; un disque amont monté pour tourner dans la cavité de corps de vanne, ce disque amont comportant un passage de fluide destiné à conduire le fluide provenant de l'orifice d'entrée de fluide, un disque aval placé contre le disque amont dans la cavité du corps de vanne, ce disque aval comportant un passage de fluide destiné à conduire le fluide provenant du passage de fluide du disque amont, des moyens pour verrouiller le disque aval avec le corps de vanne, et des moyens pour faire tourner le disque amont, de manière à amener le passage du disque amont et le passage du disque aval en ou hors correspondance. De préférence, un élément d'insertion tubulaire amovible est verrouillé avec le disque aval tout en étant supporté par le corps de vanne pour conduire, vers l'orifice de sortie, le fluide provenant de l'ouverture du disque aval. L'élément d'insertion tubulaire présente une section transversale circulaire munie de supports de verrouillage faisant saillie sur la configuration circulaire de l'élément d'insertion de côté aval du disque. Des moyens tels que des tiges verrouillent le disque aval avec l'élément d'insertion tubulaire. Il est préférable, selon la présente invention, de prévoir que l'élément d'insertion tubulaire amovible comprenne une paroi d'extrémité percée d'un passage pour déterminer le débit de liquide de l'élément d'insertion tubulaire vers l'orifice de sortie de corps de vanne. De préférence également, le noyau est muni d'une surface de retenue pour un organe d'étanchéité présentant une configuration annulaire et se trouvant supportée par le noyau pour éviter un contact de frottement avec un joint d'étanchéité placé entre le disque aval et le corps de vanne, tandis que la surface de retenue limite en même temps le déplacement du joint d'étanchéité dans le cas par exemple d'un débit ou d'une pression de fluide inverse. La surface de retenue maintient le joint d'étanchéité en place entre le disque et le corps de vanne. Ces caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une vanne mettant en oeuvre les caractéristiques de la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe représentant le montage des pièces illustrées à la figure i, pour former la vanne de la présente invention; - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un élément de manchon placé à l'endroit de la chambre de décharge de la vanne représentée aux figures 1 et 2; - la figure 4 est une vue plane de face de l'élément de manchon représenté à la figure 3; la figure 5 est une vue plane arrière du manchon représenté à la figue 3; - la figure 6 est une vue en coupe suivant la ligne VI-VI selon sur de la figure 4; - la figure 7 est une vue en coupe agrandie destinée à illustrer la relation entre un disque aval et le manchon représenté aux figures 3 à 6; et - la figure 8 est une vue agrandie analogue à celle de la figure 2, mais illustrant une forme préférée de réalisation de la bobine rotatoire destinée à la vanne de la présente invention. La figure 1 représente une vanne comprenant un corps de vanne 10 constitué par un élément en une seule pièce comportant une partie d'entrée 11 et une partie de sortie 12. A l'intérieur du corps de vanne est formée une cavité cylindrique de diamètre réduit 13, comme on peut le voir plus clairement aux figures 2 et 8, une étanchéité au fluide est obtenue entre les joints toriques 15 et 16 portés par un noyau tournant 17 et la cavité cylindrique 13. Une caractéristique importante de la présente invention, résultant de la construction en une seule pièce du corps de vanne, est que le noyau peut être retiré du corps de vanne en retirant tout d'abord la poignée de commande 24, puis en retirant ensuite le noyau par l'ouverture de la partie d'entrée 11. De cette manière, le corps de vanne peut être fabriqué plus économiquement. De plus, la construction de la vanne selon la présente invention permet de monter les éléments intérieurs par l'orifice d'entrée en supprimant ainsi la nécessité de bloquer ensemble des collerettes d'une manière étanche au fluide, comme cela est nécessaire lorsque le corps de vanne est constitué de manière classique, par deux parties de corps de vanne. La partie d'entrée 11 est formée par un moyeu agrandi 18 muni d'un pas de vis interne et destiné à recevoir la partie d'extrémité filetée correspondante d'un tuyau. De la même manière, la partie de sortie 12 est formée par un moyeu agrandi 19 muni d'une partie de pas de vis intérieur, et destiné à recevoir un tuyau pour décharger le fluide de la vanne. Comme on peut mieux le voir à la figure 2, l'orifice de la partie d'entrée 11 s'étend jusqu'à la cavité cylindrique 13. Le noyau cylindrique 17 est placé dans la cavité cylindrique 13 et les joints toriques 15 et 16 sont montés dans des rainures formées dans ce noyau au voisinage de ses extrémités pour former un joint d'étanchéité de fluide avec le corps de vanne et empêcher le passage de fluide entre le noyau et le corps de vanne. Le fluide fourni à la vanne par l'orifice d'entrée peut passer à travers un passage 21 du noyau 17. Dans cette forme de réalisation, le passage 21 est disposé dans la direction longitudinale suivant la longueur de la bobine. A l'extrémité de la bobine tournée vers l'orifice de sortie 12, la cavité 13 s'étend au-delà de l'extrémité de la bobine. Un disque flottant 22 est verrouillé en position d'entraînement avec le noyau par des tiges 23 pénétrant dans des ouvertures du disque 22 et dans des ouvertures de la face d'extrémité de ce noyau. On peut faire tourner le noyau par la poignée de commande 24 munie d'une partie d'extrémité filetée passant au travers d'une fente annulaire 25 du corps de vanne 10 et se vissant dans une ouverture filetée 26 formée dans le noyau 17 pour retenir ce noyau dans la cavité cylindrique 13 du corps de vanne 10. On remarquera que la fente 25 est située le long du corps de vanne entre les deux joints toriques. Lorsqu'on fait tourner le noyau en manoeuvrant la poignée, il tourne autour sur un axe correspondant à l'axe longitudinal du noyau. La rotation du noyau entraîne la rotation du disque 22 de façon que, dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, les ouvertures 27 et 28 du disque 22 puissent venir en ou hors correspondance avec des ouvertures correspondantes 29 et 30 d'un disque 31. Le disque 31 est maintenu en position fixe par rapport au corps de vanne par des tiges de fixation 32 qui, comme on peut mieux le voir sur la figure 1, viennent se loger dans des ouvertures percées dans le disque 31 et dans d'autres ouvertures 32A alignées avec celles-ci et formées dans un manchon amovible 33. Lorsqu'un tel manchon n'est pas mis en oeuvre, ces tiges viennent se loger dans des ouvertures réalisées dans un épaulement intérieur du corps de vanne. On monte le manchon dans le corps de vanne en faisant passer ce manchon par l'ouverture d'entrée et par la cavité cylindrique 13. Le manchon amovible 33 est de préférence utilisé et peut être réalisé sous la forme indiquée aux figures 3 à 6. Ce manchon est constitué par une partie de décharge annulaire 35 dont la partie amont est une partie tronconique 36. La partie 36, comme on peut mieux le voir à la figure 4, est munie de saillie 37 pénétrant dans la configuration conique de la partie de sortie à l'extrémité d'entrée de fluide de celle-ci. Ces saillies forment les endroits o les trous 32A sont percés pour maintenir les tiges de fixation 32. La surface transversale du manchon, sur toute sa longueur, est maximisée, pour constituer une capacité de plus grand volume possible. De cette manière, on peut obtenir une chute de pression largement plus faible du fait de l'évasement formé par cette partie tronconique du manchon. Cet évasement réduit les turbulences et l'orifice de sortie tubulaire de la partie de décharge annulaire 35 du manchon 33 est conçu pour s'adapter à l'orifice de la partie de sortie du corps de vanne de manière à éviter les turbulences indésirables de la partie non protégée ou non chemisée du corps de vanne. Comme on peut le voir aux figures 3, 5 et 6, des oreilles de fixation 40 sont formées à l'extérieur du manchon 33 sur les côtés diamétralement opposés de ce manchon. Les oreilles de fixation sont des saillies formées sur la surface externe du manchon pour se verrouiller dans des cavités, mieux représentées à la figure 2, formées dans la surface d'appui du- manchon sur le corps de vanne, du côté de l'orifice de sortie du disque 31. Le manchon de la présente invention est conçu pour éviter et supprimer la nécessité d'utiliser une colle époxy ou autre pour maintenir le manchon sur le corps de vanne. Le manchon 33 est retenu contre la surface du logement du corps de vanne par la pression de fluide amené à l'extrémité d'entrée du corps de vanne. On peut voir à la figure 2 que la pression de fluide appliquée au noyau, que la vanne soit ouverte ou fermée, subit une chute de pression due au passage de fluide plus petit à travers le noyau. La pression différentielle ou pression du fluide bloqué par les disques applique une force suffisante pour maintenir les disques l'un contre l'autre, tout en pressant en même temps le manchon contre le corps de vanne avec une force suffisante pour maintenir une relation d'appui. Comme on peut mieux le voir à la figure 7, pour empêcher le passage d'un débit de fluide indésirable entre le manchon et le corps de vanne, on utilise un joint torique 42 logé dans un intervalle formé entre la face périphérique extérieure du disque 31 et la paroi de corps de vanne. La disposition du joint torique -est telle que celui-ci est logé à l'endroit de la ligne de séparation du manchon 33 et du bord du logement correspondant du corps de vanne. Dans une forme de réalisation préférée de la présente invention, comme indiqué sur la figure 8, le joint torique 42 est retenu au voisinage immédiat de son point d'étanchéité voulu par un prolongement cylindrique 43 du noyau 17. Ce prolongement 43 présente une paroi relativement mince comportant, à son extrémité terminale, un rebord 44 constitué par un agrandissement du diamètre extérieur de la partie 43. La face d'extrémité du rebord 44 est suffisamment large pour maintenir le joint torique 42 et empêcher tout déplacement indésirable de ce joint torique l'écartant de son point d'étanchéité voulu. Le prolongement du noyau sert en outre à faciliter le montage de la vanne en maintenant les disques 22 et 31 alignés l'un contre l'autre, le disque amont 22 étant verrouillé au noyau par les tiges 23. Dans le fonctionnement normal de la vanne, la pression d'entrée est supérieure à la pression de sortie, ce qui permet ainsi au fluide de s'écouler de l'entrée vers la sortie. Le débit est déterminé par les positions relatives des ouvertures 27, 28 et 29, des deux disques. Le joint torique 42 est maintenu en place par frottement et par la pression différentielle poussant ce joint torique vers le côté basse pression de la vanne. Dans le passé, des variations brusques des conditions aval appliquées au fluide, comme par exemple une fermeture de la vanne ou une chute brusque du débit, provoquent un coup de bélier hydraulique produisant, à la sortie de la vanne, une impulsion de pression momentanée plus élevée que la pression de fluide à l'entrée. Cette impulsion de pression peut, dans certains cas, être suffisamment grande pour déloger le joint d'étanchéité formé par le joint torique 42. Lorsque l'étanchéité du joint torique a été rompue, la vanne permet alors le passage d'un débit de fluide qui, bien que petit, circule entre les parois latérales du disque et de la cavité du corps de vanne. Le matériau utilisé pour former le corps de vanne ne peut normalement supporter le cisaillement abrasif provoqué par le débit de dérivation du fluide, de sorte qu'une détérioration irréparable doit se produire. Dans d'autres cas, un retour de débit peut se produire pour une raison quelconque. Par suite, il s'établit à travers la vanne un débit de fluide en sens inverse, c'est-à-dire de la sortie vers l'entrée, le résultat étant le même que celui produit par un coup de bélier hydraulique. Le prolongement du noyau permet d'éviter, comme décrit ci-dessus, que le joint torique 42 soit délogé de son logement. La retenue formée par la paroi d'extrémité 44 peut être obtenue en dimensionnant la paroi mince 43 pour empêcher un frottement ou friction pendant le réglage de la vanne lors de sa mise en oeuvre, et pour former une limite à la trajectoire du joint torique 42. Si un débit inverse ou une pression inverse se produisent, le joint torique d'étanchéité 42 ne se déplace que dans la mesure permise par la retenue formée par le rebord 44 partant du noyau. L'amplitude du mouvement est telle que le joint torique 42 se trouve retenu en place entre le disque et le corps de vanne, de sorte que lorsque les conditions de débit à pression normale sont rétablies dans la vanne, le joint torique reprend immédiatement sa position d'étanchéité convenable. L'utilisation d'un prolongement de noyau offre l'avantage supplémentaire que le joint torique 42 qui doit être coincé solidement en place, peut être maintenu uniformément autour de la périphérie du disque sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des instruments spéciaux. Dans le passé, lorsque le joint torique 42 était placé au point d'étanchéité, il était classique de coincer ce joint torique en utilisant une lame pointue telle qu'un tournevis. Une mise en place correcte du joint torique ne pouvait pas être obtenue. Au contraire, grâce à l'utilisation du prolongement de la bobine, on obtient une mise en place automatique du joint torique sur toute sa longueur. On comprendra cependant que la fonction de retenue du prolongement cylindrique du noyau peut être obtenue en réalisant par exemple un prolongement sur le corps de vanne, ce prolongement étant disposé de manière à pénétrer dans l'ouverture formée dans le carter pour recevoir les disques. L'élément d'insertion tubulaire 33 pourra également comporter une paroi transversale, non représentée, à son extrémité aval, cette paroi étant pourvue d'une ouverture d'écoulement de fluide. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant aux formes préférées de réalisation des différentes figures, il est évident que d'autres formes de réalisation analogues peuvent être utilisées ou que des modifications ou additions peuvent être apportées aux formes de réalisation décrites ci-dessus pour effectuer les mêmes fonctions de la présente invention sans s'écarter de celle-ci. Par suite, la présente invention ne doit pas être limitée à une forme quelconque unique de réalisation, mais doit au contraire être considérée au sens large suivant les revendications ci-jointes. En particulier suivant une variante de réalisation, le noyau de la vanne pourra être supprimé et dans ce cas la poignée 24 sera directement reliée au disque amont 22 au travers de la fente 25. REVENDICATIONS 1-) Vanne à disques caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (10) en une seule pièce pourvu d'une cavité interne munie d'un orifice d'entrée de fluide et d'un orifice de sortie de fluide; un disque amont (22) monté pour tourner dans la cavité du corps de vanne, ce disque amont comportant un passage de fluide (27, 28) destiné à conduite le fluide provenant de l'orifice d'entrée de fluide, un disque aval (29) placé contre le disque amont dans la cavité du corps de vanne, ce disque aval comportant un passage de fluide destiné à conduite le fluide provenant du passage de fluide du disque amont, des moyens pour verrouiller le disque aval avec le corps de vanne et des moyens (24) pour faire tourner le disque amont, de manière à amener le passage du disque amont et le passage du disque aval en ou hors correspondance. 2') Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un noyau (17) pourvu d'un passage de fluide et monté à rotation dans la cavité du corps en un point éloigné vers l'amont par rapport à l'orifice de sortie du fluide, l'orifice d'entrée étant dimensionnée pour permettre également le passage de ce noyau, ce noyau étant relié à des moyens pour commander sa rotation et étant en outre verrouillé par son extrémité aval sur le disque amont. 3') Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un élément d'insertion tubulaire (33) verrouillé avec le disque aval tout en étant supporté par le corps de vanne pour conduire le fluide provenant du passage du disque aval vers l'orifice de sortie, cet élément d'insertion tubulaire présentant une section transversale circulaire munie de moyens de verrouillage pénétrant dans le disque aval; et des moyens permettant d'empêcher la rotation de l'élément d'insertion tubulaire par rapport à une surface de support correspondante formée par le corps de vanne. 4') Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément d'insertion tubulaire comprend une partie cylindrique (35) de décharge de fluide et, en amont de celle-ci, une partie tronconique (36) destinée à recevoir le fluide provenant du disque aval, cette partie tronconique comportant des oreilles (40) faisant saillie sur la paroi de l'élément d'insertion et formant des points d'ancrage pour les moyens destinés à empêcher sa rotation. 5") Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément d'insertion tubulaire comprend une paroi d'extrémité à son extrémité de décharge de fluide, cette paroi d'extrémité étant percée d'une ouverture destinée à conduire le fluide vers l'orifice de sortie. 6*) Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (42) pour empêcher le passage d'un débit de fluide entre l'élément d'insertion tubulaire et le corps de vanne. 7) Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (42) pour empêcher le passage du débit de fluide comprennent un joint torique. 8') Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (43, 44) pour empêcher que le joint torique (42) soit déplacé de sa position d'étanchéité entre le corps de vanne et l'élément d'insertion tubulaire. 9') Vanne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens pour empêcher le déplacement au point torique comprennent une partie de paroi (44) faisant saillie sur le noyau. ') Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens destinés à faire tourner le noyau comprennent une poignée (24) reliée de manière amovible au noyau, cette poignée servant en outre à retenir le noyau dans la cavité lorsque la poignée est fixée au noyau. 11') Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le corps de vanne comporte une fente allongée (25) et s'étendant essentiellement transversalement à l'axe longitudinal du corps, la poignée étant reliée au noyau en passant à travers cette fente allongée.