Brevet FR2669938A1 — publié le 19920605

DISPOSITIF D'OBTURATION COMPORTANT UN JOINT METALLIQUE DEFORMABLE, ET PROCEDE DE REALISATION La présente invention concerne le domaine technique général des dispositifs d'obturation munis d'un joint déformable et destinés à équiper des installations comportant des circuits dans lesquels circulent des fluides ou des liquides pressurisés ou non. L'invention vise plus spécifiquement un dispositif d'obturation comportant une partie fixe formant siège de réception pour un corps déplaçable, du type obturateur ou clapet par exemple, destiné à venir reposer contre le siège pour assurer, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité déformable, l'obturation hermétique de L'orifice délimité par le siège. La présente invention s'applique plus particulièrement mais non exclusivement aux installations utilisées dans les domaines de la biotechnologie, de la biologie en générale, de la pharmacie et dans le domaine agro-alimentaire, domaines dans lesquels il est nécessaire d'avoir recours à des circuits de circulation de fluides ou liquides sous pression, selon des trajets et des sens de circulation alternés sans risque d'écoulement à travers les dispositifs d'obturation. Dans de telles installations, iL est usuel d'avoir recours à des dispositifs d'obturation dont L'étanchéité est assurée par L'intermédiaire d'un joint plastique en matériau élastomère interposé entre le siège et L'obturateur mobile. Ce joint classique en matériau élastomère présente les avantages bien connus des matériaux élastomères, à savoir une bonne déformabilité assurant une étanchéité quasi-totale, ainsi qu'une bonne élasticité permettant au joint de retrouver sa mémoire de forme initiale Lors de l'ouverture de l'obturateur, et contrant ainsi au joint une durée de vie variable suivant les types d'utilisations.Les joints élastomères présentent, également, en fonction de Leur composition, une bonne compatibilité biologique ou alimentaire avec les fluides en circulation dans les circuits Les joints classiques éLastomères, du type silicone EPDM, VITON ou TEFLON souffrent cependant d'un inconvénient majeur lors de Leur emploi dans des installations destinées à l'élaboration de produits sophistiqués à usage alimentaire, pharmaceutique, biologique ou biotechnologique. Cet inconvénient est Lié à la difficulté de maintenir ces joints en condition stérile. En effet, pour des raisons d'étanchéité, les joints sont la plupart du temps encastrés dans des portées annulaires formant ainsi à l'interface entre le joint et la portée annulaire des zones particulièrement difficiles à nettoyer et donc source de développements bactériens ou microbiens importants et constants. Il est possible, dans une certaine mesure, de palier à de tels développements bactériens par le démontage individuel de chaque joint et le nettoyage ponctuel de la portée et du joint. Une telle solution s' avère cependant inadaptée à tout processus industriel, dans la mesure où il est alors nécessaire d'arrêter la chaîne de fabrication, puis de procéder au démontage des circuits et des vannes contenant les obturateurs, et enfin de procéder à la phase de nettoyage proprement dite.Une telle opération est donc longue, fastidieuse et non justifiée sur le plan économique. Dans un tel cas d'ailleurs, le nettoyage des joints peut s'avérer imparfait en cas de joints usagés présentant une série de microfissures difficilement nettoyables. Pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé de munir les vannes contenant les dispositifs d'obturation de chambres dites de stérilisation servant de barrières stériles entre les circuits de circulation et un circuit annexe de nettoyage. Une telle solution, si elle s'avère procurer une certaine automatisation du nettoyage des joints, nécessite, toujours, la présence de joints élastomères présentant des zones difficilement accessibles aux produits stérilisant employés et introduit un risque supplémentaire de passage du produit nettoyant dans le circuit proprement dit du fluide. A cela, s'ajoutent les risques de dégradation dans le temps des joints élastomères en contact avec des produits ou vapeurs stérilisants. Il s'avère, en conséquence, qu'on ne dispose pas, à l'heure actuelle, de dispositifs d'obturation munis de joints d'étanchéité à caractère déformable et élastique capable d'assurer à la fois une fonction d'étanchéité durable tout en évitant la création et la prolifération de foyers bactériens ou microbiens. Dans un autre domaine technique, celui de la métallurgie, on connaît déjà le procédé général dit de métallisation qui consiste à projeter sur une surface un métal fondu pour réaliser un revêtement de métal solide. Le métal, qui peut être pur ou constitué d'un alliage, est généralement entraîné par un jet de gaz ou d'air comprimé qui le pulvérise en fines gouttelettes à haute température sur la surface destinée à être revêtue. La surface de réception du métal fondu peut être préalablement préparée par divers procédés classiques de grenaillage ou de microbillage, par exemple, et une fois L'opération de projection à chaud réalisée, des opérations complémentaires de traitement surperficiel chimique ou mécanique peuvent être également effectuées. On dispose actuellement pour réaliser de telles opérations de métallisation de produits du type poudreux, de composition diverse incluant des proportions variables de composés métalliques à base de nickel, de chrome, d'aluminium, de silicium, de molybdène, de tungstène, etc ... Les spécifications auxquelles doivent répondre ces produits poudreux varient également suivant l'utilisation recherchée et le métallurgiste dispose, en conséquence, d'un choix important de compositions ou mélanges de poudres qu'il sélectionne par exemple en fonction de la composition de la surface d'accrochage, du procédé de projection à chaud, de L'usage de la pièce à recouvrir. Le procédé de métallisation et les composés poudreux utilisés sont actuellement employés essentiellement pour la rénovation ou le rechapement de pièces mécaniques usagées ou usinées incorrectement.Parmi les applications préférentielles, on peut citer notamment les applications aux rechargements ou à la remise à côte de pièces à usage aéronautique, ou encore à usage médical. Un autre domaine d'application préferentiel est celui des ouvrages métalliques, tels que les ponts ou mêmes les navires et autres ouvrages marins, pour lesquels la technique de métallisation consiste à constituer un revêtement de surface non corrodable. Les applications connues de la technique de métallisation visent toutes à constituer un revêtement de surface pour des pièces ou parties de pièces qui ne sont pas destinées à subir des contraintes mécaniques dynamiques assimilables aux contraintes mécaniques produites par L'impact répété de deux pièces métalliques en mouvement relatif L'une par rapport à L'autre. A fortiori, il n'a jamais été proposé d'avoir recours à la technique de métallisation pour conférer à deux pièces mécaniques en mouvement relatif, une fonction d'étanchéité résultant de propriétés d'élasticité et de souplesse du revêtement de surface. L'objet de L'invention vise, en conséquence, à proposer un dispositif d'obturation muni d'un joint d'étanchéité ne présentant pas les inconvénients des dispositifs d'obturation classiques munis de joints éLastomères et qui soit apte à assurer un fonctionnement durable et prolongé en condition stérile du dispositif, tout en assurant une bonne étanchéité. Une autre objet de L'invention vise à proposer un dispositif d'obturation muni d'un joint d'étanchéité qui soit facilement nettoyable et présente une bonne inertie chimique ou biologique le rendant compatible avec la plupart des produits fluides ou gazeux couramment utilisés dans le domaine biologique, chimique, agro-alimentaire ou pharmaceutique. Un autre objet de L'invention est de proposer un dispositif d'obturation muni d'un joint d'étanchéité présentant une bonne résistance à la corrosion en général et en particulier envers tout agent chimique ou biologique de nettoyage ou de dégraissage. Un objet supplémentaire de L'invention vise à proposer un procédé de réalisation d'un dispositif d'obturation muni d'un joint d'étanchéité qui soit particulièrement simple à mettre en oeuvre, tout en permettant un contrôle précis de la fabrication. Les buts assignés à L'invention sont atteints grâce à un dispositif d'obturation, caractérisé en ce que le siège ou le corps mobile comporte en tant qu'élément formant joint un revêtement de surface déformable apte à assurer L'étanchéité, ledit revêtement possédant une épaisseur comprise entre 2/10 de millimètres et 1 millimètre et étant constitué d'au moins 40 % d'un alliage Nickel-Chrome. Les objectifs assignés à L'invention sont également atteints grâce à un procédé caractérisé en ce qu'il consiste à - effectuer une préparation de surface de la pièce destinée à supporter le joint, - faire subir un traitement thermique à ladite pièce, - projeter à chaud une poudre métallique ou composite constituée de particules de diamètre moyen, inférieur à 0,1 millimètre et à base de 40 à 100 % d'un alliage Nickel-Chrome, à raison de 60 grammes par minute pour constituer un revêtement de surface formant joint, d'une épaisseur moyenne constante comprise entre 2/10 de millimètre et 1 millimètre, - laisser refroidir la pièce traitée, puis procéder à L'usinage de surface du revêtement. L'invention concerne également l'utilisation nouvelle de poudres métalliques à base de Nickel-Chrome, en vue de réaliser, par projection à chaud, un joint d'étanchéité métallique. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de realisation de L'objet de L'invention. La fig 1 montre selon une coupe transversale un exemple de réalisation d'un dispositif d'obturation conforme à L'invention. La fig 2 montre selon une coupe transversale une variante d'un dispositif d'obturation conforme à L'invention. Les fig. 1 et 2 représentent de manière schématique les éléments principaux constituant un dispositif d'obturation destiné à assurer de manière alternée la fermeture étanche ou L'ouverture d'un orifice destiné au passage d'un fluide ou d'un Liquide. Le dispositif d'obturation comprend une pièce ou partie fixe 1, par exemple métallique, dans L'épaisseur de laquelle est ménagé un orifice de passage 2 dont les parois supérieures délimitent un siège 3 en forme par exemple d'anneau hémisphérique. Le dispositif d'obturation est complété par un corps 4, du type obturateur ou clapet anti-retour, monté mobile sur un corps supérieur, non représenté sur les figures, du dispositif d'obturation.Le corps 4 présente, dans sa partie inférieure 5, une forme dont les dimensions et conformations sont conjuguées au moins en partie à celles du siège 3, de manière que ce dernier puisse constituer un siège de réception pour L'obturateur 4. Dans les exemples schématiques des fig 1 et 2, la partie inférieure 5 présente donc, à titre purement indicatif, une zone partiellement hémisphérique se terminant par une protubérance cylindrique 6 destinée à s'engager dans l'orifice 2.Le corps 4 est monté mobile sur la tête supérieure du dispositif d'obturation non représenté sur les figures, de manière à pouvoir se déplacer selon les flèches f1 et f2, pour venir occuper une position d'obturation contre le siège 3, tel que montré à la fig 1 et une position d'ouverture hors contact avec le siège 3, tel que représenté sur la fig 2. Il est bien entendu que Les formes et dispositions du corps 4 et du siège 3 ne sont données qu'à titre purement indicatif et que d'autres conformations respectives du siège 3 et du corps 4 sont possibles. Selon une forme préférentielle de L'invention, telle que représentée à la fig 1, le corps 4 est recouvert dans sa partie inférieure 5 d'un joint d'étanchéité déformable consistant en un revêtement de surface 7 qui par ses propriétés de souplesse et d'élasticité assure par déformation L'étanchéité du dispositif d'obturation. Le revêtement de surface 7 possède une épaisseur de préférence constante, comprise entre 2/10 de millimètre et 1 millimètre et, avantageusement, sensiblement égale à 0,5 millimètre. Le revêtement 7 est solidaire du corps 4 et est constitué d'une couche d'un alliage Nickel-Chrome appliqué par projection à chaud sur le corps 4, en vue d'obtenir une explosion molléculaire des particules de l'alliage conduisant à une fusion desdites particules sur le corps 4.Il a été constaté qu'on obtenait de bonnes propriétés d'étanchéité, ainsi qu'une résistance à L'usure convenable, dès Lors que le métal projeté et Le revêtement de surface 7 ainsi obtenu était constitué d'au moins 40 % d'un alliage Nickel-Chrome, le revêtement de surface 7 pouvant même être éventuellement constitué, en totalité, d'un alliage Nickel-Chrome. De manière générale, la couche ou sous-couche d'accrochage sera constituée d'un acier inoxydable de composition type similaire à celle donnée dans la norme AFNOR Z2 CND 17/12 ou AISI 316L.Les principaux composants d'une telle sous-couche, outre les composants de base classiques pour un acier de type austénitique sont - Carbone 0,03 % - Silicium 1 % - Chrome 16 à 18 % - Nickel 10,5 à 13 % - Molybdène 2 à 2,5 % En moyenne, il s'agira donc d'une sous-couche comportant 17 % de Chrome et 12 % de Nickel et stabilisée au Molybdène. Pour favoriser la solidarisation et L'accrochage du revêtement de surface 7 sur le corps 4, il s'avère nécessaire que ce dernier comporte, en tant que surface de réception, au moins une couche externe en acier inoxydable, à base également de Nickel-Chrome. Dans Le cas d'un obturateur réalisé entièrement en acier inoxydable, le revêtement de surface 7 peut être obtenu par projection à chaud des particules de l'alliage Nickel-Chrome. Dans le cas où le corps 4 est constitué d'un matériau non inoxydable, il s' avère alors nécessaire, avant la projection à chaud des particules de l'alliage Nickel-Chrome, de procéder sur le corps 4 à l'établissement d'une sous-couche d'accrochage contenant un alliage Nickel-Chrome. Suivant la composition de la couche ou sous-couche d'accrochage, ainsi que de la souplesse et de la dureté du joint d'étanchéité désirées, les proportions respectives de Nickel et de Chrome varient selon un rapport Ni compris entre 1 et 5 et de Cr préférence compris entre 1 et 2. Idéalement, le revêtement de surface 7 comportera autant de Nickel que de Chrome, mais en pratique on sera, la plupart du temps, obligé de réduire La part de Chrome responsable de L'étanchéité pour obtenir un revêtement comportant environ 2/3 de Nickel et 1/3 de Chrome. A titre d'exemple purement indicatif et dans le cas d'un revêtement de surface 7 constitué uniquement d'un alliage Nickel-Chrome, il sera possible d'utiliser des poudres classiques par projection à chaud du type METCO 43c comportant un mélange de 80 % de Nickel et 20 % de Chrome. Il peut s'avérer également nécessaire, en vue d'assurer une bonne élasticité et une bonne cohésion finale des particules métalliques fondues constituant le revêtement 7, d'incorporer dans les poudres projetées une certaine proportion de particules de fer à concurrence d'au plus 8 %. Avantageusement, on incorporera dans le produit projeté 5 à 6 % de fer. Il s'est, en effet, avéré qu'au-delà d'une proportion de 8 %, les particules de fer avaient tendance à influencer négativement la tenue du revêtement 7 et que, dans tous les cas, l'incorporation de fer pouvait être à L'origine de corrosion ultérieure. Dans un tel cas, le recours à la projection d'une poudre METCO 44 contenant 8 % de fer, 16 % de Chrome et 76 % de Nickel a donné satisfaction. A la place du fer, tout matériel liant équivalent peut être utilisé, tel de L'oxyde d'alumine ou del'aluminium et, plus généralement, tout métal liant possédant unetempérature de fusion inférieure à celle du Nickel et du Chrome. Il peut s'avérer nécessaire pour remédier à des problèmes d'accrochage sur des sous-couches de base, d'incorporer dans la poudre de base une certaine proportion de matériaux composites à base de polyester. Dans un tel cas, on incorporera avantageusement du fer avec le polyester selon les proportions mentionnées précédemment ou tout métal équivalent. Il s'avère, en effet, dans tous les cas, que l'obtention d'un revêtement de surface présentant de bonnes propriétés d'étanchéité, ainsi que de bonnes propriétés d'accrochage sur le corps 4, nécessite de projeter une poudre dont la composition ne diffère pas sensiblement de la proportion de Nickel et de Chrome contenue dans la sous-couche d'accrochage. Par ailleurs, il convient également de veiller à une certaine homogénéité de la composition de la poudre, en vue d'assurer, lors de la projection à chaud, un transfert également homogène de l'ensemble des particules. Dans tous les exemples rapportés précédemment, a granulométrie initiale des particules destinées à être projetées sera inférieure à 0,1 millimètre. La fig 2 montre une variante de réalisation de L'invention qui ne diffère de l'exemple de réalisation montré à la fig 1 que par la présence d'un revêtement de surface 7a formant joint d'étanchéité sur le siège 3. Il doit également être compris que les revêtements de surface 7, 7a peuvent ne recouvrir que partiellement le siège 3 ou te corps 4, de manière à constituer des joints d'étanchéité dans des zones préférentielles. Dans de tels cas, les revêtements 7 et 7a peuvent alors avoir la forme d'anneaux circulaires ou représenter toute autre forme appropriée à un besoin d'étanchéité spécifique. L'obtention d'un revêtement de surface à base de métal fondu formant joint d'étanchéité sur le corps 4 ou le siège 3 d'un dispositif d'obturation, tel que décrit précédemment, peut être réalisée par L'une quelconque des techniques classiques de projection à chaud couramment utilisées en métallurgie. La technique utilisée présente, cependant, certaines particularités liées à La nécessité d'obtenir un revêtement de surface présentant des propriétés de déformation élastique et de résistance à L'usure alliées à une bonne tenue dans Le temps, alors même que le revêtement est destiné à subir des chocs et des contraintes dynamiques régulières. Le procédé de réalisation d'un dispositif d'obturation conforme à L'invention consiste à effectuer une préparation de surface de la pièce destinée à supporter le joint, à savoir dans le cas présent, le corps 4 ou le siège 3. Une telle préparation de surface consiste avantageusement à effectuer une préparation par microbillage incluant une projection de microbilles sous une pression voisine de 7 bars. Le choc des microbilles contribue à donner une certaine rugosité à la surface destinée à recevoir le métal fondu et influence positivement la tenue ultérieure du revêtement de surface. Il est bien évident qu'à la place de la technique de microbillage, toute opération de traitement équivalente conduisant à augmenter sensiblement la surface d'accrochage peut être employée. La pièce destinée à supporter le joint subit ensuite un traitement thermique variable suivant l'utilisation ultérieure de la pièce et consistant, par exemple, à soumettre Ladite pièce à une température voisine de 100 C pendant environ 30 minutes. Le traitement thermique est suivi de la phase proprement dite de projection à chaud d'une poudre métallique ou composite constituée de particules de diamètre moyen inférieur à 0,1 millimètre, ladite poudre comprenant au moins 40 % d'un alliage Nickel-Chrome suivant les spécifications précédemment définies. Avantageusement, la projection à chaud se fait par l'intermédiaire des techniques de projection plasma, à raison de 60 grammes par minute, la poudre métallique étant projetée sur la pièce à traiter suivant une durée variable liée à L'épaisseur de la couche et par exemple, pendant environ 1 minute à une température comprise entre 24 000 et 25 000 C, en vue de constituer un revêtement de surface d'une épaisseur moyenne constante comprise entre 2/10 de millimètre et 1 miLLimètre. Avantageusement, pendant la phase de projection plasma, La température externe de la pièce à traiter est maintenue au voisinage de 70 C par un dispositif annexe de refroidissement.La projection des poudres métalliques est obtenue de manière classique par poussage à L'aide d'un gaz annexe, du type argon ou hélium, mélangé avec un gaz de protection. Lorsque la projection des poudres sur la pièce à traiter est effectuée, la pièce revêtue est soumise à une étape naturelle ou accélérée de refroidissement, puis à un procédé classique d'usinage de surface destiné à améliorer l'étanchéité du contact siége-clapet. Le dispositif d'obturation obtenu comporte donc, en tant que joint d'étanchéité, un revêtement à base d'un métal fondu qui, de manière surprenante, assume toutes les fonctions habituellement dévolues aux joints d'étanchéité élastomères, à savoir souplesse et élasticité, alors même que le revêtement formant joint est en contact permanent ou alterné avec un autre métal. De manière également surprenante, le revêtement obtenu s'avère posséder une haute tenue dans le temps à L'étanchéité malgré les chocs mécaniques répétés auxquels il est soumis. Le revêtement obtenu possède également une accessibilité totale facilitant le nettoyage et sa conception qui ne nécessite pas, comme les joints classiques élastomères, la présence de portée annulaire de blocage, conduit à l'obtention d'un joint d'étanchéité exempt de tout foyer potentiel d'infection microbien. L'invention n'est pas Limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'obturation hermétique comportant, d'une part, une partie fixe (1) formant siège (3) et un corps (4), du type obturateur par exemple, monté mobile entre au moins une position d'obturation contre le siège (3) et au moins une position d'ouverture hors contact avec -le siège (3) et, d'autre part, un élément formant joint (7, 7a) entre le siège (3) et le corps mobile (4), caractérisé en ce que le siège (3) ou le corps mobile (4) comporte, en tant qu'élément formant joint, un revêtment de surface (7, 7a) déformable apte à assurer L'étanchéité, ledit revêtement possédant une épaisseur comprise entre 2/10 de millimètre et 1 millimètre et étant constitué d'au moins 40 % d'un alliage Nickel-Chrome. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement de surface (7, 7a) comprend, en outre, un agent Liant consistant en des particules de fer ou d'aluminium, à raison d'au plus 8 % et, de préférence, à raison de 5 à 6 %. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que Le revêtement de surface (7, 7a) inclut un matériau composite à base de polyester venant en complément de la part de l'alliage Nickel-Chrome ou de la part du Nickel-Chrome et de L'agent liant. 4 - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les proportions respectives de Nickel et de Chrome varient selon le rapport Ni compris entre 1 et 5 et de Cr préférence entre 1 et 2. 5 - Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement de surface (7, 7a) est constitué de poudres fondues, d'une granulométrie inférieure à 0,1 millimètre. 6 - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le revêtement de surface (7, 7a) est solidaire d'une surface d'accrochage du siège (3) ou du corps mobile (4) à base d'un alliage Nichel-Chrome, comportant, de préférence, de 16 à 18 % de Chrome et de 10,5 à 13 % de Nickel. 7 - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le revêtement de surface (7, 7a) est solidaire du corps mobile (4). 8 - Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le revêtement de surface (7, 7a) est constitué d'une succession de plusieurs couches de poudres fondues. 9 - Utilisation de poudres métalliques à base de Nickel-Chrome en vue de réaliser, par projection à chaud, un joint d'étanchéité métallique pour un dispositif d'obturation. 10 - Procédé de réalisation d'un joint métallique en vue d'obtenir un dispositif d'obturation conforme à L'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à - effectuer une préparation de surface de la pièce destinée à supporter le joint, - faire subir un traitement thermique à ladite pièce, - projeter à chaud une poudre métallique ou composite constituée de particules de diamètre moyen inférieur à 0,1 millimètre et à base d'au moins 40 % d'un alliage Nickel-Chrome, à raison de 60 grammes par minute pour constituer un revêtement de surface formant joint d'une épaisseur moyenne constante comprise entre 2/10 de millimètre et 1 millimètre, - laisser refroidir la pièce traitée, puis procéder à L'usinage de surface du revêtement. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la préparation de surface consiste à effectuer sur la surface à traiter une projection de microbilles sous une pression voisine de 7 bars. 12 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste à soumettre la pièce à traiter à une température voisine de 100 C pendant environ 30 minutes. 13 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la poudre est projetée sur la pièce à traiter pendant environ 1 minute à une température comprise entre 24 000 et 25 000 C, pendant que la température de pièce à traiter est maintenue au voisinage de 70 C.