Brevet FR2681930A1 — publié le 19930402

SOUPAPES DE RETENUE A ANGLE DE FONCTIONNEMENT MAXIMUM. La présente invention se rapporte à des soupapes anti-retour, et se rapporte en particulier à des soupapes anti-retour utilisées dans des pipelines, des pompes et des installations qui sont inclinées par rapport à la verticale. Les soupapes anti-retour de l'état de la technique du type à bille et à siège utilisées dans des pipelines inclinés tendent à subir l'effet de la gravité, ce qui les amènent à reposer sur le côté du pipeline en produisant un écoulement dissymétrique autour de la bille lorsque la soupape est ouverte. Lorsque l'écoulement est inversé de façon à effectuer la fermeture de soupape, la bille suit une trajectoire irrégulière et désordonnée en cherchant son chemin vers le siège de soupape. Pendant cette procédure de fermeture, de nombreuses collisions endommageant la bille, le corps de soupape et le siège de soupape se produisent, avec pour résultat une défaillance prématurée de l'ensemble de soupape. De plus, la trajectoire de déplacement désordonnée de la bille pendant l'opération de fermeture de soupape augmente le temps nécessaire pour fermer la soupape. C'est par conséquent un but principal de la présente invention que de procurer une soupape anti-retour qui peut fonctionner rapidement et de manière positive avec un minimum d'interférence dans un pipeline qui est incliné par rapport à la verticale. Un autre but de la présente invention est de prévoir une soupape antiretour pouvant fonctionner dans les conditions ci-dessus, comprenant des moyens de fermeture de soupape et des moyens de guidage de fermeture pouvant fonctionner de façon à créer un passage d'écoulement prédéterminé, par exemple annulaire, autour des moyens de fermeture lorsque la soupape anti-retour est dans la position ouverte, les moyens de fermeture étant alignés de façon centrale et symétrique par rapport au pipeline en maintenant ledit alignement lorsque les moyens de soupape se déplacent vers une position fermée lors de l'inversion de l'écoulement. C'est un autre but de l'invention que de procurer une soupape anti- retour ayant des moyens de fermeture et des moyens de guidage qui assurent une relation optimum vis-à-vis de la surface interne du pipeline ou du corps de soupape dans laquelle ils fonctionnent, empêchant ainsi le "coincement" des moyens de soupape dans la condition ouverte 1 Une autre caractéristique encore de l'invention consiste à prévoir des moyens de fermeture de soupape et des moyens de guidage de soupape reliés par des moyens de raccordement définissant de manière collective un élément composite. Une autre caractéristique de l'invention est la relation optimum de la masse de l'élément composite vis-à- vis de l'angle d'inclinaison du pipeline et vis-à-vis du coefficient de friction entre la surface interne du corps de soupape et la surface externe des moyens de guidage afin d'éviter le blocage des moyens de fermeture lorsqu'il n'y a pas d'écoulement de fluide à travers la soupape anti-retour ou lorsque la soupape revient d'une position ouverte vers une position fermée. Une soupape anti-retour englobant certaines caractéristiques de la présente invention peut comprendre un corps de soupape contigu à un pipeline, des moyens de siège de -soupape fixés à l'intérieur du corps, des moyens de fermeture pouvant fonctionner de façon à former un étanche au fluide avec les moyens de siège de soupape, et des moyens de guidage reliés aux moyens de fermeture pouvant fonctionner de façon à créer un passage d'écoulement de fluide optimum entre une surface interne dudit corps de soupape et une surface externe desdits moyens de guidage, lesdits moyens de fermeture étant maintenus en alignement correct par rapport aux dits moyens de siège afin de protéger lesdits moyens de fermeture et afin d'assurer l'intégrité dudit joint étanche au fluide lorsque la soupape anti-retour est fermée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite en liaison avec les dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 et 2 représentent des soupapes antiretour à bille typique de l'état de la technique dans les positions respectivement fermée et ouverte. La figure 3 est une vue en coupe d'une forme de réalisation de la soupape anti-retour de la présente invention. La figure 4 est une vue similaire à la figure 3 représentant une variante de réalisation de la soupape anti-retour de la présente invention. Les figures 5 et 6 représentent un état "coincé ou de blocage" indésirable d'un ensemble de soupape anti- retour que la présente invention surmonte. Les figures 7, 8 et 9 sont des schémas du corps seul des soupapes de la présente invention. Les figures 1 et 2 sont des représentations de l'état de la technique d'un ensemble de soupape anti-retour à bille conventionnel disposé dans un pipeline ou une conduite incliné par rapport à la verticale d'un angle a. Comme cela a été exposé précédemment et comme cela ressort de la figure 2, lorsque la soupape anti-retour à bille est dans la condition ouverte, l'écoulement de fluide n'est pas symétrique autour de la bille du fait que la gravité agit sur la masse de la bille en tendant à l'attirer vers le bas le long d'une trajectoire parallèle à la verticale. Ce fait est indésirable car, lorsque l'écoulement de fluide est inversé et que la bille cherche son siège, comme cela est représenté sur la figure 1, la bille tend à heurter et à rebondir le long de la surface interne du corps de soupape sous l'influence de l'écoulement de fluide dissymétrique lorsqu'elle s'approche de son siège de soupape afin d'effectuer une fermeture. Cette opération de fermeture d'une soupape anti- retour à bille dans une conduite ou un pipeline incliné a pour résultat un endommagement de la bille, un endommagement du- siège de soupape et une usure générale et une rupture de l'ensemble de soupape complet du fait du tourbillonnement désordonnée et des collisions multiples subies par la bille lorsqu'elle subit l'effet de la gravité et l'écoulement de fluide. Si l'on se réfère maintenant aux figures 3 et 4, un ensemble constitué par une soupape anti-retour et un pipeline incliné par rapport à la verticale d'un angle a est indiqué d'une manière générale par la référence 10 La soupape anti-retour comprend des moyens de fermeture 11, des moyens de guidage 12, des moyens de raccordement 13 reliant les moyens de fermeture et les moyens de guidage et un corps de soupape 16 contigu à un pipeline 15. Un siège de soupape 14 est fixé à l'intérieur d'un corps de soupape 16 d'une manière usuelle et courante et la fermeture de soupape se produit lorsque les moyens de fermeture Il sont reçus dans le siège 14 Dans la forme de réalisation préférée, les moyens de guidage 12 définissent 2681930 un élément tubulaire cylindrique de section circulaire (tout comme le corps de soupape 16) relié aux moyens de fermeture par un élément en forme de tige 13 D'autres formes de réalisation des moyens de guidage comprennent un élément en forme de torpille ayant des ailettes s'étendant radialement ou bien un élément tubulaire définissant en coupe un polygone régulier. Des moyens d'arrêt 17 en forme de bague (figure 3) sont fixés à la surface interne 18 du corps de soupape 16 et s'étendent radialement vers l'intérieur afin de limiter la course des moyens de fermeture, les moyens d'arrêt 17, les moyens de guidage 12 et les moyens de fermeture Il étant situés du même côté que les moyens de siège 14 De manière correspondante, la forme de réalisation de la figure 4 comprend des moyens d'arrêt 19 analogues destinés à limiter d'une manière similaire le déplacement des moyens de fermeture, les moyens d'arrêt 19 et les moyens de guidage 12 étant disposés sur un côté des moyens de siège 14 et les moyens de fermeture 11 étant situés sur le côté opposé des moyens de siège 14. Les moyens de fermeture 11, les moyens de raccordement 13 et les moyens de guidage 12 définissent collectivement un élément composite ayant une masse prédéterminée La masse de l'élément composite en fonction de l'angle a et en fonction de l'espacement axial entre les moyens de guidage et de fermeture et du coefficient de friction entre la surface interne 18 du corps de soupape 16 et la surface externe 21 des moyens de guidage est telle que l'élément composite coulisse librement le long de la surface interne du corps de soupape afin d'empêcher un blocage ou un coincement comme cela est représenté sur les figures 5 et 6. Le sens de ces expressions apparaîtra clairement en considérant ce qui suit en se référant aux figures 7 et 8 Les soupapes du type à clapet comportent un élément de fermeture il de masse ml, une tige de raccordement 13 de masse m 2 et un guide 12 de masse m 3 Ces composants ont des diamètres d 1, d 2 et d 3 et des longueurs 11, 12 et 13 respectivement. L'analyse mathématique suivante est utilisée pour déterminer la relation entre l'angle critique acr et la conception géométrique (c'est-à-dire ml, m 2, m 3, 11, 12,- 13, et d 1, d 2, d 3) de la soupape Afin de réaliser cela, on trace un schéma du corps seul sur une soupape "collée" représentant les forces de contact F 1 et F 2 résultant entre la soupape et la conduite (ou le corps de pompe ou la cage de soupape) du simple fait que la soupape est "collée" et ne peut se déplacer La figure 9 représente la soupape de la figure 8 dans un schéma du corps seul Le schéma du corps seul représente également des forces de friction F'1 et F'2 qui partent des points de contact et sont parallèles à l'axe longitudinal du corps composite de soupape (mn + m 2 + m 3) Les forces dues aux masses mn et m 2 et m 3 et agissant vers le bas dans la direction de la gravité, g, sont également représentées sous la forme des poids m 1 g, m 2 g et m 3 g partant des centres de gravité de chacune des masses m 1, m 2 et m 3. Les forces de friction F'1 et F'2 peuvent être calculées comme étant proportionnelles aux forces de contact. F'flj Fl, F' F 12 qj F 2, La constante de proportionnalité étant égale à un coefficient de friction, l etj& 2, on peut ainsi écrire F'1 = Al F 1 F'2 = 92 F 2. En outre, du fait des matériaux, des fluides et de la nature des surfaces de contact, l et 1 U 2 sont identiques Par conséquent F'1 = g F 1 F'2 = A F 2. Toutes les forces (F'1, F 1, F'2, F 2, m 1 g, m 2 g, m 3 g) sont des vecteurs et peuvent ainsi être décomposés en deux composantes: une perpendiculaire à l'axe longitudinal de soupape et une parallèle à l'axe de soupape Comme illustration, la force (poids) due à la masse ml, c'est-à- dire m 1 g, peut être décomposée en une composante parallèle (m 1 g cos acr) et une composante perpendiculaire (m 1 g sin acr). Enfin, du fait que la soupape est juste "collée" au début de l'angle critique acr, la soupape ne peut se déplacer et un équilibre des forces (selon la deuxième loi de Newton) le long des directions perpendiculaire et parallèle et un équilibre de couple autour d'un point quelconque sur le corps de soupape doivent être égaux à zéro. L'application de ces principes donne les trois équations suivantes: ( 1) m 1 g sin acr + m 2 g sin acr F 1 + F 2 + m 3 g sin acr = O ( 2) m 1 g cosacr + m 2 g cosacr 4 F 1 g F 2 + m 3 g cos cr = O ( 3) -m 1 g sin acr + 12 m 2 g sin acr 2 + g F 1 -3 2 l 2 l + m 3 g sin acrL + F 213 = O L'équation ( 1) est obtenue en faisant la somme de toutes les forces perpendiculaires. L'équation ( 2) est obtenue en faisant la somme de toutes les forces parallèles. L'équation ( 3) est obtenue en faisant la somme de tous les couples au point o le guide 12 et l'élément de raccordement 13 sont reliés. 8 2681930 La résolution des équations pour les trois variables (F 1, F 2 et acr) donne ce qui suit: F lml + m 2 + m 31 lcos acr si F 1 = t 2 g t + sin cr J lm F 2 = i + m 2 + m 3 l lcos acr sin lcr F 2 = t2 jg t sin cr J = (m(ll + 212) + m 212 -m 313 d 3 ccr = tan (n N 2 + 11311 j+j (ml + m 2 + m 3)13 13 En simplifiant les équations pour acr, on arrive à l'expression suivante: acr = tan-1 lô kl o on a choisi de définir K = 1 K 1 K 2 + 1 o on a défini m(ll + 212) + m 212 m 313 K 1 =(ml + m 2 + m 3) 13 et K 2 d 3 En récrivant l'expression pour acr sous la forme de l'équation ( 1), on choisit ml, m 2, m 3, 11, 12, 13 et dl, d 2, d 3 d'une manière telle (par une conception mécanique correcte) que cela rend K égal à 1, ce qui garantit que acr = tan-1 l qui est l'angle théorique maximum possible. Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux illustrations décrites et représentées ici, qui sont données à titre d'illustration simplement des meilleurs modes de réalisation de l'invention, et qui sont susceptibles de modification de forme, de taille, d'agencement des parties et des détails de fonctionnement. L'invention est prévue en fait pour englober toutes les modifications qui sont dans son esprit et sa portée. REVENDICATIONS. 1 Soupape anti-retour destinée à être utilisée dans une conduite de fluide ( 15), la conduite ( 15) étant inclinée par rapport à la verticale, caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps de soupape ( 16), des moyens de siège de soupape ( 14) à l'intérieur du corps ( 16), des moyens de fermeture ( 11) pouvant fonctionner de façon à former un joint étanche au fluide avec les moyens de siège de soupape ( 14), et des moyens de guidage ( 14) espacés de et reliés aux moyens de fermeture ( 11) par un élément en forme de tige ( 13), lesdits moyens de guidage ( 12) pouvant fonctionner de façon à créer un passage d'écoulement de fluide optimum entre une surface interne ( 18) dudit corps de soupape ( 16) et une surface externe ( 21) desdits moyens de guidage ( 12), lesdits moyens de fermeture ( 11) étant maintenus en alignement correct par rapport aux dits moyens de siège ( 14) afin d'assurer l'intégrité dudit joint étanche au fluide lorsque la soupape anti-retour est fermée, les moyens de fermeture ( 11), l'élément en forme de tige ( 13) et les moyens de guidage ( 12) définissant de manière collective un élément composite d'une masse prédéterminée, la masse dudit élément composite étant choisie en fonction de l'angle (a) d'inclinaison de la conduite ( 15) par rapport à la verticale et en fonction du coefficient de friction entre la surface externe ( 21) des moyens de guidage ( 12) et la surface interne ( 18) du corps de soupape ( 16) de telle sorte que acr = tan-1 -k de sorte que l'élément composite coulisse librement le long de il ladite surface interne ( 18) afin d'empêcher l'élément de se coincer dans le corps de soupape ( 16) lorsqu'il n'y a pas d'écoulement de fluide dans la soupape ou lorsque l'écoulement est inversé. 2 Soupape anti-retour selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de soupape ( 16) et les moyens de guidage ( 12) sont tous deux tubulaires et ont une configuration circulaire en coupe. 3 Soupape anti-retour selon la revendication 2, caractérisée en ce que la surface interne ( 18) du corps de soupape ( 16) et la surface externe ( 21) des moyens de guidage ( 12) coopèrent afin de définir un passage d'écoulement de fluide annulaire dans la soupape lorsqu'elle est dans la condition ouverte. 4 Soupape anti-retour selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de guidage ( 12) sont espacés axialement desdits moyens de fermeture ( 14) par des moyens de raccordement ( 13). Soupape anti-retour selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de raccordement ( 13) sont constitués par un élément en forme de tige. 6 Soupape anti-retour selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'arrêt ( 17, 19) qui coopèrent avec les moyens de siège de soupape ( 14) afin de limiter le déplacement des moyens de fermeture ( 11) dans le corps de soupape ( 16). 7 Soupape anti-retour selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt ( 17, 19) définissent une saillie s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne ( 18) du corps de soupape ( 16). 8 Soupape anti-retour selon la revendication 7, caractérisée en ce que la saillie définit une bague. 9 Soupape anti-retour selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de guidage ( 12) et les moyens de fermeture ( 11) sont tous deux situés du même côté que les moyens de siège ( 14). Soupape anti-retour selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens d'arrêt ( 17), les moyens de guidage ( 12) et les moyens de fermeture ( 11) sont situés du même côté que les moyens de siège ( 14). 11 Soupape anti-retour selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de fermeture ( 11) et les moyens de guidage ( 12) sont disposés sur des côtés opposés des moyens de siège ( 14). 12 Soupape anti-retour selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de guidage ( 12) et les moyens d'arrêt ( 19) sont disposés sur un côté des moyens de siège ( 14) et les moyens de fermeture ( 11) sont situés sur le côté opposé des moyens de siège ( 14).