Brevet FR2665236A1 — publié le 19920131

La présente invention concerne une soupape de décharge d'une pression excessive et plus précisément elle concerne une soupape de décharge de sécurité qui peut s'ouvrir complètement pour une pression légèrement supé- rieure à une pression de consigne et se fermer totalement à une pression légèrement inférieure à la pression de con- signe de la soupape de décharge de sécurité. Il existe, dans le commerce et les habitations, diverses applications pour les soupapes de décharge de sécurité The American Society of Mechanical Engineers (ASME) a préparé, afin d'assurer la sécurité, un code donnant les caractéristiques minimales correspondant à des catégories générales d'applications des soupapes de décharge de pression Etant donné les dommages importants qui peuvent être dus à un défaut de fonctionnement d'une soupape de décharge de sécurité montée sur une chaudière, le chapitre I du code ASME est le plus contraignant Il impose à une soupape de décharge de sécurité pour chaudière 1) de se fermer à une pression de fermeture qui n'est pas inférieure à 96 % de la pression de consigne de cette soupape, et 2) d'atteindre une position nominale d'ouver- ture maximale à une pression qui ne dépasse pas 103 % de la pression de consigne Au contraire, dans le cas d'une enceinte sous pression qui n'est pas chauffée, le chapitre VIII du code ASME impose à une soupape de décharge de pression une pression de fermeture qui n'est pas inférieure à 93 % de la pression nominale et une ouverture nomina- lement totale à une pression qui ne dépasse pas la pression de consigne de plus de 10 %. Dans un cas optimal, une soupape doit s'ouvrir lorsque la pression dans l'installation dépasse une valeur prédéterminée de consigne de pression, et elle doit atteindre rapidement une position d'ouverture totale ou de "soulèvement total" sans apparition d'une surpression excessive En outre, la soupape doit se fermer dès qu'elle a évacué le volume en excès qui suffit pour ramener la pression de l'installation au-dessous de la pression de consigne et elle doit assurer une fermeture rapide ou une "obturation" destinée à empêcher une perte excessive de fluide de l'installation. On a déjà essayé de réaliser une soupape de décharge de pression qui correspond aux critères contraignants du chapitre I du code ASME Le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique N O 4 130 130 de Stewart et al décrit une soupape de décharge de sécurité qui comporte une bague de buse et une surface d'appui courbée vers l'intérieur et formée sur une partie de protection de la tête de soupape afin qu'un orifice annulaire secondaire de circulation soit délimité. Cet orifice a été trop grand pour assurer une réduction du débit et en conséquence il n'a pas facilité l'action de la force de soulèvement agissant sur la soupape afin que l'ouverture totale et le débit maximal soient obtenus. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 708 164 de Scallan concerne le problème du "cliquetis" de la soupape. Ce brevet décrit une soupape de décharge de sécurité ayant une bague d'ajustement et un support d'obturateur ayant un flasque périphérique dépassant vers le bas La bague a comporté une partie annulaire dépassant axialement, tournée vers le support d'obturateur pour la formation d'un orifice de réglage de la fermeture ou de 1 '"obturation" de la soupape La surface périphérique externe de la bague formait un second orifice avec le flasque de manière que le soulèvement de l'obturateur en position d'ouverture totale soit facilité Bien que cette invention ait donné une stabilité à l'ouverture et à la fermeture de l'obturateur, la fermeture de l'obturateur ne correspondait pas aux conditions minimales imposées pour une chaudière par le chapitre I du code ASME. L'invention a pour objet l'ouverture complète et rapide d'une soupape de décharge de sécurité à une pression légèrement supérieure à la pression de consigne, et la fermeture rapide et complète de la soupape à une pression légèrement inférieure à la pression de consigne. L'invention incorpore une bague d'ajustement placée sur l'organe formant le siège de la soupape et qui coopère avec le support d'obturateur pour la création d'une paire d'orifices qui facilitent l'ouverture rapide et la ferme- ture rapide de la soupape de décharge de sécurité. Une caractéristique de l'invention est l'incorpora- tion d'un support de disque ayant une chambre radiale délimitée périphériquement par une surface chanfreinée et un flasque dirigé vers le bas et ayant une extrémité chanfreinée tournée vers l'intérieur afin qu'il assure une fermeture rapide du disque contre un siège. Une soupape de décharge de sécurité selon l'inven- tion comporte un corps de soupape ayant une entrée de fluide, une sortie de fluide et un siège d'obturateur qui entoure l'entrée Le corps de la soupape loge un organe en forme de disque, mobile en translation par rapport au siège dont il se rapproche et s'éloigne, et un support de disque ayant une cavité pour le logement du disque, une première chambre adjacente radialement à la cavité et un flasque formant une jupe dépassant vers le bas et ayant une extré- mité chanfreinée tournée vers l'intérieur afin qu'une seconde chambre et une surface annulaire soient formées dans le support de disque Un organe annulaire est disposé afin qu'il soit mobile sur le siège et à proximité du support de disque L'organe annulaire a une partie annu- laire dépassant axialement, tournée vers le support de disque et destinée à former un orifice radial et une surface périphérique externe formant un orifice périphé- rique avec l'extrémité chanfreinée du flasque Un ensemble réglable à ressort rappelle le disque en coopération étanche avec le siège et le support de disque en coopéra- tion avec l'organe annulaire Dans un aspect important de l'invention, la surface chanfreinée de la première chambre et l'extrémité chanfreinée du flasque permettent une réduction de la pression dans la soupape de décharge de sécurité plus rapidement que la réduction de pression à l'entrée de fluide, si bien qu'une fermeture rapide ou "obturation" plus courte est assurée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe d'une soupape de décharge de sécurité selon l'invention; la figure 2 est une coupe partielle agrandie d'une partie de la soupape de décharge de sécurité de la figure 1, représentant en détail un support de disque, un disque et un siège d'obturateur dans une première position de travail; la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 2 représentant des parties de la soupape dans une seconde position de fonctionnement; et la figure 4 est analogue à la figure 3 et représente des parties de la soupape dans une troisième position de fonctionnement. Le mode de réalisation préféré de l'invention est représenté à titre illustratif sur les figures 1 à 4 On se réfère en particulier à la figure 1; une soupape de décharge de sécurité 10 comporte un corps creux 12 ayant un passage 14 d'entrée et un passage 16 de sortie permettant la circulation d'un fluide compressible ou non. Comme indiqué plus en détail sur les figures 3 et 4, un organe 18 formant un siège d'obturateur est monté à l'entrée 14 de la soupape 10 Cet organe 18 formant siège comporte un siège annulaire 20 formant l'extrémité supé- rieure et une série de filets 22 formés à l'extérieur de la partie supérieure de l'organe 18 et au-dessous du siège 20 pour la coopération avec un organe annulaire taraudé 24. Un support 26 de disque ayant une cavité 27 dans laquelle est fixé un disque 28 est placé directement au- dessus du siège 20 Le disque 28 a une construction et une disposition permettant la coopération étanche avec le siège annulaire 20 et il a de préférence un diamètre au moins égal à celui du siège annulaire 20 Le support 26 de disque comporte, près de la cavité 27, une chambre radiale 30 dont le périmètre est délimité par une surface tronconique 32. La surface 32 fait de préférence un angle de 450 avec l'axe de l'entrée 14 En outre, le support 26 de disque a un flasque 34 formant une jupe dépassant vers le bas et qui délimite une chambre externe 36 ayant une surface annulaire 38 dans le support 26 de disque Un chanfrein 40 tourné vers l'intérieur est formé à l'extrémité libre du flasque 34 et a de préférence une inclinaison de 450, et il est très proche de la surface périphérique 42 de la bague 24. Le support 26 de disque est accouplé à un ensemble 44 à ressort par une tige 46 de manoeuvre d'obturateur. L'ensemble 44 à ressort exerce une force descendante sur le support 26 de disque et rappelle l'organe 28 en coopération étanche avec le siège 20 afin qu'une position de fermeture de la soupape 10 soit déterminée comme représenté sur la figure 2 Un mécanisme 48 d'ajustement est placé à la partie supérieure de la soupape 10 afin qu'il calibre la force exercée par l'ensemble 44 à ressort et détermine ainsi la pression de consigne de la soupape de décharge de sécurité 10. L'organe annulaire 24 peut être ajusté par rotation sur les filets 22, afin qu'il se rapproche du support 26 de disque ou s'en éloigne Un organe 50 de blocage traverse le corps 12 et pénètre dans des fentes 52 de coopération formées à l'extrémité inférieure de la bague 24 de manière que celle-ci ne puisse pas être déplacée intempestivement. La bague 24 a une partie d'extrémité supérieure 54 qui dépasse axialement vers la surface chanfreinée 32 du support 26 de disque Cette partie 54 d'extrémité peut être ajustée en position qui est très proche de la surface 32 lorsque la soupape 10 est en position de fermeture comme représenté sur la figure 2 Cette position forme un orifice. radial 56 avec la surface 32 La bague 24 a aussi une partie 58 de plus grand diamètre formant la surface péri- phérique externe 42 qui a de préférence un bord supérieur arrondi 60 destiné à former un orifice périphérique 62 avec le flasque 34 sur le support 26 De préférence, le bord arrondi 60 coopère avec l'extrémité chanfreinée 40 du flasque 34 de manière que la section de l'orifice périphé- rique 62 varie lorsque le support 26 se déplace vers le haut pendant l'ouverture de la soupape 10. Le fonctionnement de la soupape de décharge de sécurité 10 nécessite le réglage de l'ensemble 44 à ressort afin qu'il exerce une force ou charge convenable de rappel sur le support 26 de disque et sur le disque 28, à une valeur égale à la pression de consigne de la soupape La force de compression qui doit être appliquée au disque 28 pour l'ouverture initiale ou "l'écartement" de la soupape a une valeur prédéterminée légèrement inférieure à la pres- sion de consigne de la soupape Lorsque la pression d'en- trée est égale à la pression de consigne, une partie du fluide circule le long de la surface 20 du siège et dans la chambre radiale 30 Du fait du faible débit dans l'orifice radial 56, la pression augmente dans la chambre 30 et facilite le soulèvement du disque 28 plus loin du siège 20. Comme la pression d'entrée agit alors sur une plus grande surface (surface du disque 28 et de la chambre 30), une plus grande force est disponible et peut dépasser la force du ressort 44 L'ajustement de l'organe annulaire 24 permet une modification de l'ouverture de l'orifice radial 56 et règle ainsi la pression cumulée dans la chambre radiale 30 afin que la force du ressort soit dépassée et que le disque 28 se déplace. Lorsque la soupape de sécurité 10 s'ouvre plus (voir figure 3), un courant instantané de fluide pénètre dans la chambre externe 36 Etant donné la réduction de débit dans l'orifice périphérique 62 formé entre l'extrémité chanfrei- née 40 du flasque 34 et la surface périphérique externe 42 de l'organe annulaire 24, une force supplémentaire agit contre la surface 38 formée dans la chambre externe 36 de manière que le disque 28 se soulève pratiquement en posi- tion d'ouverture totale représentée sur la figure 4. Dans la position d'ouverture totale, le courant de fluide est limité par la section du siège de la soupape plutôt que par les orifices radiaux ou périphériques 56, 62. Lorsque la pression à l'entrée chute, le support 26 de disque et le disque 28 commencent à se déplacer vers le siège 20 sous l'action de la force de l'ensemble à ressort 44 Le disque 28 vient en appui contre le siège 20 lorsque la pression d'entrée atteint une pression de fermeture qui est légèrement inférieure à la pression de consigne Cette différence entre la pression de consigne et la pression de fermeture de la soupape, divisée par la pression de con- signe, est exprimée par le coefficient d'obturation". L'"obturation" est due au fait que la force du ressort ne peut pas dépasser la somme des forces agissant sous le disque 28, dans la chambre radiale 30 et la chambre externe 36 jusqu'à ce que la pression d'entrée tombe au-dessous de la pression de consigne. Comme représenté sur la figure 3, la surface chan- freinée 32 et l'extrémité chanfreinée 40 du flasque 34 permettent une réduction plus rapide de la pression lorsque la pression d'entrée diminue, si bien que la soupape a une plus courte obturation qui réduit la pression dans la chambre radiale 30 et la chambre externe 36 L'extrémité chanfreinée 40 du flasque 34 forme un orifice périphérique 62 plus grand avec le bord 60 de manière que le fluide puisse s'écouler sans restriction et réduise donc la force de soulèvement dans la chambre externe 36 De même, la surface chanfreinée 32 forme un grand orifice radial 56 ayant une partie supérieure d'extrémité 54 destinée à réduire la force de soulèvement dans la chambre radiale 30 et à permettre au fluide de s'écouler avec moins de res- trictions que dans la technique antérieure L'"obturation" peut être réduite par ajustement de l'organe annulaire 24 afin qu'il s'écarte du support 26 de disque avec création d'un orifice plus grand. La soupape de décharge de sécurité 10 selon l'inven- tion peut être ajustée afin qu'elle assure un soulèvement nominal complet avec une plus faible pression cumulée et une plus courte "obturation" afin qu'elle remplisse les conditions du chapitre I du code ASME pour chaudière. L'invention concerne une réalisation qui transforme une soupape classique certifiée d'après le chapitre VIII du code ASME afin qu'elle remplisse les conditions plus sévères du chapitre I. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses10 éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Soupape de décharge de sécurité, caractérisée en ce qu'elle comprend: a) un corps ( 10) de soupape ayant une entrée ( 14) de fluide, une sortie ( 16) de fluide et un siège ( 20) de soupape qui entoure l'entrée, b) un disque ( 28) mobile en translation par rapport au siège dont il peut s'écarter et se rapprocher, c) un organe de support ( 26) du disque ayant un flasque ( 34) formant une jupe qui dépasse vers le bas et ayant une extrémité chanfreinée tournée vers l'intérieur et qui forme une chambre et une surface annulaire avec l'or- gane de support du disque, d) un ressort réglable ( 44) rappelant le disque ( 28) en coopération étanche avec le siège ( 20) jusqu'à ce que la pression du fluide à l'entrée dépasse une valeur prédéter- minée, et e) un organe annulaire ( 24) placé afin qu'il soit mobile sur le siège ( 20), l'organe annulaire ayant une surface périphérique externe formant un orifice périphé- rique ( 62) avec l'extrémité chanfreinée du flasque. 2 Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le support ( 26) de disque comporte en outre une cavité ( 27) destinée à loger le disque ( 28) et une chambre radiale ( 30) adjacente à la cavité. 3 Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'organe annulaire ( 24) comporte en outre une partie annulaire dépassant axialement, tournée vers le support ( 26) du disque et formant un orifice radial. 4 Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce que la chambre radiale ( 30) a une surface chanfreinée ( 32) en face de la cavité ( 27) de logement du disque. Soupape selon la revendication, caractérisée en ce que la partie en saillie axiale de l'organe annulaire ( 24) forme l'orifice radial avec la surface chanfreinée de la chambre radiale ( 30). 6 Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe annulaire ( 24) a un bord arrondi à la surface périphérique externe de manière que l'orifice périphérique soit formé avec l'extrémité chanfreinée du flasque ( 34). 7 Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface périphérique externe de l'organe annu- laire ( 24) est disposée dans le flasque ( 34), la surface périphérique et la surface interne du flasque formant l'orifice périphérique. 8 Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité chanfreinée forme un angle de 450 avec le flasque - 9 Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que la surface chanfreinée de la chambre radiale ( 30) fait un angle de 450 avec l'axe de l'entrée de fluide ( 14). Procédé de fermeture rapide d'une soupape de décharge de sécurité ayant un disque ( 28) rappelé par un ressort placé à l'intérieur et mobile en fonction d'une pression prédéterminée d'entrée d'un fluide, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) la limitation du débit de fluide lorsque le disque ( 28) est placé sur une entrée de la soupape, de manière que la pression du fluide soit appliquée à la région exposée du disque ( 28) et maintienne le disque à distance d'un siège ( 20) de soupape, b) la réduction de la pression dans une chambre externe d'un support ( 26) de disque, par possibilité d'écoulement du fluide par un orifice périphérique formé entre une surface périphérique externe de l'organe annu- laire ( 24) et une extrémité chanfreinée d'un flasque ( 34) qui dépasse du support ( 26), du disque, et c) la réduction de la pression d'une chambre radiale ( 30) du support ( 26) de disque par un orifice radial formé entre une surface chanfreinée de la seconde chambre du il support de disque et une partie axiale de l'organe annu- laire, si bien que les orifices périphérique et radial sont suffisamment grands pour permettre l'écoulement du fluide en-dehors des chambres externe et radiale, et que la5 pression diminue rapidement lorsque la pression à l'entrée diminue, et permet au disque ( 28) repoussé par le ressort de se fermer rapidement contre le siège ( 20) de la soupape.