Brevet FR2676795A1 — publié le 19921127

L'invention concerne des contre-sièges destinés à des ensembles de vannes à tiges, et plus particulièrement de tels contre-sièges qui établissent un joint d'étanchéité à contact métal sur métal entre la tige de vanne et le chapeau. Des contre-sièges sont ajoutés à des tiges de vannes en tant que mesure de sécurité pour constituer un mécanisme d'étanchéité de tige en secours pour la garniture de joint qui fonctionne en tant que joint d'étanchéité principal ou primaire entre la tige et le chapeau de la vanne En cas de défaillance de la garniture, par exemple par développement d'une fuite par suite d'une usure, d'une exposition à des fluides hostiles dans la vanne, une exposi- tion à des températures extrêmement élevées ou basses ou une combinaison quelconque de ces paramètres, le joint d'étan- chéité à contact métal sur métal, formé par le contre-siège, constitue la seule barrière qui reste pour empêcher les fluides de s'échapper de la vanne Les garnitures sont particulièrement vulnérables à une destruction par le feu et, en l'absence d'un contre-siège, le fluide qui s'échappe peut s'enflammer et contribuer ainsi à l'amplitude du feu. Des contre-sièges de vannes classiques utilisent des angles de contact adaptés ou non adaptés entre le contre- siège et le chapeau Le contre-siège classique est placé sur une partie de diamètre agrandi, relativement épaisse et non flexible, de la tige de vanne et il ne rattrape donc aucun défaut d'alignement entre la tige et le chapeau L'aptitude à l'étanchéité du contre-siège de conception classique est très bonne lorsque la haute pression à l'intérieur du corps de la vanne agit sur l'extrémité de la tige de vanne, ce qui a pour résultat l'application à la tige d'une charge axiale suffisante pour empêcher les fuites Cependant, cette conception peut éventuellement commencer à fuir lorsque la pression à l'intérieur du corps de vanne baisse et que, par conséquent, la charge imposée à la tige de vanne baisse aussi Pour éliminer cet inconvénient, la tige est soumise à une charge mécanique pour former un joint d'étanchéité aux basses pressions Des vannes actionnées, comprenant un dispositif de rappel à ressort, comportent souvent un ressort supérieur à la norme pour produire cette force nécessaire. L'inconvénient de cette approche est que la force demandée pour établir un joint étanche avec une conception de contre- siège classique est très grande, souvent supérieure à 890 da N Le ressort demandé pour produire une telle force et le piston actionneur de plus grande dimension nécessaire pour vaincre la force de ce ressort amènent l'actionneur à être de grande dimension et beaucoup plus coûteux. L'invention résout les problèmes ci-dessus en proposant un contre-siège métallique flexible sur la tige de vanne, le siège étant suffisamment flexible pour épouser la forme de la surface d'étanchéité du chapeau de la vanne Le contre-siège de l'invention comprend une bride ou un collet annulaire relativement mince faisant saillie radialement de la surface de la tige de vanne et ayant une surface tronconi- que d'étanchéité de longueur axiale relativement faible, le tout en comparaison avec les contre-sièges non flexibles classiques d'épaisseur axiale plusieurs fois plus grande Le contre-siège flexible de l'invention permet de former et maintenir un joint d'étanchéité à contact métal sur métal à basse pression entre la tige et le chapeau sans nécessiter la présence de mécanismes extérieurs pour augmenter la charge axiale imposée à la tige. L'aptitude à la flexion du contre-siège relative- ment mince de l'invention permet à la surface d'étanchéité de la tige de s'adapter à la surface d'étanchéité du chapeau, ce qui réduit sensiblement la sensibilité du contre-siège à un défaut d'alignement entre la tige et le chapeau Le contre- siège de l'invention présente une surface d'étanchéité tronconique relativement large en comparaison avec les contre-sièges à angle vif qui reposent sur une surface d'étanchéité à contact linéaire, éliminant ainsi le risque qu'un trou d'épingle, engendré par la corrosion de l'une des surfaces d'étanchéité ou des deux, puisse aboutir à une fuite au niveau du joint, comme cela n'est pas rare dans de telles formes de réalisation à angle vif La zone d'étanchéité est calculée de façon à ne pas soumettre à une contrainte excessive les surfaces entre la tige et le chapeau comme cela est souvent le cas avec les formes de réalisation à angles non adaptés. Aucune charge extérieure n'est nécessaire pour solliciter le joint d'étanchéité établi par la présente invention, mais sous une basse pression dans le corps de vanne, ce qui est une caractéristique très avantageuse qui facilite l'utilisation d'actionneurs de vannes normaux avec des ressorts de rappel à faible force Ceci est tout à fait à l'opposé d'autres conceptions de contre-sièges qui exigent de fortes charges et donc des actionneurs spéciaux avec des ressorts de rappel à grande force pour ramener mécaniquement la tige contre le chapeau afin de maintenir le joint d'étan- chéité à contact métal sur métal lorsque de basses pressions règnent à l'intérieur de la vanne. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe centrale d'une vanne à passage direct comportant un contre-siège flexible sur cette tige conformément à l'invention, l'obturateur de la vanne étant dans sa position fermée, mais la tige n'étant pas en appui sur le contre-siège; la figure 2 est une vue en coupe centrale partielle, à échelle agrandie, du contre-siège et d'une zone adjacente de la vanne tels que vus sur la figure 1; la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, mais montrant la position du contre-siège lorsque l'obtura- teur de la vanne est dans sa position ouverte; et la figure 4 est une vue analogue à la figure 2, montrant le contre-siège flexible dans sa position en fonctionnement contre la surface d'étanchéité du chapeau. Comme on le voit sur la figure 1, une vanne 10 à passage direct et à tige extérieure, pourvue d'un contre- siège flexible selon la présente invention, comprend un corps 12 de vanne présentant un passage d'écoulement 14 qui croise une chambre 16 du corps dans laquelle un obturateur 18 de vanne est placé de façon à pouvoir exécuter un mouvement alternatif entre sa position fermée, telle que montrée sur la figure 1, et sa position ouverte dans laquelle une lumière 20 de 1 obturateur est alignée avec le passage d'écoulement 14. La vanne 10 comprend en outre un chapeau 22 fixé au corps 12, par exemple par plusieurs vis à tête 24 (dont deux sont représentées) espacées circonférentiellement, et une tige extérieure 26 qui est reliée à l'obturateur, par exemple par un écrou élévateur 28 et qui passe dans un alésage 30 du chapeau 22 de façon à être enclenchée avec un actionneur (non représenté) de la vanne. Deux ensembles annulaires 32 d'étanchéité forment un joint d'étanchéité à la pression entre le corps 12 de la vanne et l'obturateur 18 lorsque ce dernier est en position totalement fermée et totalement ouverte, et un autre joint annulaire 34 d'étanchéité fonctionne de la même manière entre le corps 12 et le chapeau 22 Une garniture annulaire 36 de tige, fixée en place au moyen d'un écrou 38 à garniture vissé sur le chapeau 22, établit un joint d'étanchéité à la pression dynamique entre la tige 26 et le chapeau. Un manchon 40 de retenue ayant une bride radiale 42 entoure la tige 26 au-dessus de l'écrou 38 à garniture, et un anneau eutectique 44 est maintenu en place autour du manchon 40 et contre la bride 42 par une surface radiale 46 d'un adaptateur 48 de chapeau qui est vissé sur le chapeau 22 Un épaulement annulaire intérieur 50 dans la lumière du manchon 40 coopère avec un épaulement annulaire extérieur 52 sur la tige pour former une butée s'opposant à la poursuite du mouvement de montée de la tige (suivant la flèche A) à partir de sa position illustrée dans laquelle l'obturateur est fermé, tant que l'anneau eutectique 44 est intact. Comme on peut mieux le voir sur les figures 2 à 4, la tige 26 de vanne comprend un contre-siège à lèvre flexible annulaire 54 sous la forme d'un collet annulaire faisant saillie radialement vers l'extérieur de la surface d'un tronçon 56 de diamètre réduit de la tige situé entre l'obturateur 18 et la garniture 36 de tige Le contre-siège à lèvre flexible 54 présente une surface tronconique supé- rieure 58 qui coopère avec une surface tronconique complémen- taire 60 d'étanchéité de contre-siège située dans la lumière du chapeau 22 pour former un joint d'étanchéité à contact métal sur métal entre la tige et le chapeau lorsque l'anneau eutectique 44 fond ou se désintègre autrement sous l'effet du feu ou d'une autre température élevée, et que la tige 26 s'élève davantage jusqu'à ce que ces surfaces tronconiques soient en contact (figure 4) Le contre-siège à lèvre flexible 54 présente une dimension axiale très mince en comparaison avec des éléments de contre-sièges classiques, et cette faible dimension facilite la flexion du contre-siège 54 pour qu'il s'adapte à tout défaut d'alignement par rapport à la surface 60 d'étanchéité du chapeau, assurant ainsi l'établissement d'un joint étanche uniforme entre le contre- siège et le chapeau Etant donné que le contre-siège 54 fléchit lorsqu'il est en contact avec la surface 60 d'étan- chéité du chapeau, le processus principal d'appui implique une flexion plutôt qu'un déplacement du métal comme c'est le cas avec des contresièges classiques de tiges de vannes La flexibilité du contre-siège 54 a également pour résultat de produire un effet multiplicateur sur la contrainte de contact d'étanchéité lorsque la pression s'exerçant sur le contre- siège monte. Dans le cas o un élément de sécurité pour le contre-siège 54 est souhaité, ou peut-être demandé par les spécifications d'un client, la présente invention facilite la muise en place d'un épaulement annulaire 70 d'étanchéité d'urgence sur un collet radial relativement épais et inflexible 72 placé entre le contre-siège 54 et l'obturateur 18 de la vanne L'épaulement 70 d'étanchéité n'est pas en contact avec la surface 60 d'étanchéité du chapeau en fonctionnement normal, mais si une force axiale suffisante est appliquée à la tige 26 de la vanne, le contre- siège 54 fléchit assez pour permettre à l'épaulement 70 de venir en contact avec la surface 60 d'étanchéité du chapeau et d'établir avec elle un joint d'étanchéité de secours à contact métal sur métal. Bien que la description précédente de la forme préférée de réalisation porte sur une vanne à passage direct à tige extérieure, il est bien entendu que la présente invention peut être utilisée dans des vannes à tige non extérieure, auquel cas le contre-siège est placé sur l'obtu- rateur ou autre élément de fermeture, lui-même, et dans des vannes à étranglement dans lesquelles le contre-siège est placé de façon à établir l'étanchéité sur une surface de buse d' étranglement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système de contre-siège décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de contre-siège à contact métal sur métal pour vannes de commande d'écoulement de fluides, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de vanne ( 12) ayant un passage d'écoulement ( 14) et une chambre ( 16) de corps en communication avec le passage; un élément ( 18) d'obturation de la vanne dans ladite chambre, monté de façon à se déplacer entre des positions ouverte et fermée; un chapeau ( 22) de vanne fixé au corps de vanne et présentant une lumière ( 30) qui communique avec la chambre et qui présente une surface annulaire ( 60) d'étanchéité; une tige de vanne ( 26) reliée à l'élément d'obturation de la vanne et pénétrant dans la lumière du chapeau; et un élément flexible ( 54) de contre- siège destiné à former un joint d'étanchéité à contact métal sur métal avec la lumière du chapeau, l'élément de contre- siège comprenant un collet annulaire qui fait saillie radialement vers l'extérieur de la tige de vanne ou de l'élément d'obturation de la vanne en un emplacement, sur cette tige ou cet élément, tel que ce collet porte de façon étanche contre la surface d'étanchéité de la lumière du chapeau lorsque l'élément d'obturation de la vanne est dans une position fermée arrêtant tout écoulement dans le passage d'écoulement, l'élément de contre-siège ayant une flexibilité suffisante pour former par flexion un joint étanche annulaire continu à contact métal sur métal, hermétique à la pression, avec la surface d'étanchéité de la lumière du chapeau. 2 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'étan- chéité de la lumière du chapeau présente une configuration tronconique. 3 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de contre- siège présente une surface annulaire tronconique ( 58) d'étanchéité complémentaire de la surface d'étanchéité de la lumière du chapeau. 4 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige de vanne subit un mouvement axial par rapport au chapeau de vanne lorsque l'élément d'obturation de la vanne est déplacé entre ses positions ouverte et fermée. Système de contre- siège de vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément flexible du contre-siège est placé sur la tige de vanne entre le chapeau de la vanne et l'élément d'obturation de la vanne. 6 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à déplacer la tige de vanne axialement pour établir un contact hermétique à la pression entre l'élément de contre-siège flexible et la surface d'étanchéité de la lumière du chapeau. 7 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'étanchéité de secours pour renforcer ledit élément de contre-siège flexible. 8 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité de secours comprend un épaulement annulaire ( 70) d'étanchéité sur un collet radial rigide, non flexible ( 72) situé entre l'élément de contre-siège flexible et l'élément d'obturation de la vanne. 9 Système de contre-siège de vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à déplacer l'élément d'obturation de la vanne entre des positions ouverte et fermée.