Brevet FR2690726A1 — publié le 19931105

La présente invention concerne des robinets de commande de fluide, et plus particulièrement des robinets à vanne avec des sièges arrière pour établir une étanchéité à la pression entre la tige de vanne et le chapeau de vanne. Des constructions sélectives de robinets à vanne à sièges arrière font typiquement reculer la tige de vanne contre une surface d'étanchéité métallique -ou non métallique prévue dans le chapeau de vanne Cette action de siège arrière isole le presse-étoupe de garniture de la tige de la pression sur l'alésage de la vanne et par conséquent permet de changer la garniture de la tige tout en laissant la vanne sous pression Pour augmenter la sécurité certaines vannes sont construites pour verrouiller mécaniquement le siège arrière dans sa position d'engagement avant de lancer l'opération de changement de la garniture de tige Mais, ce verrouillage mécanique n'est typiquement réalisable que si la vanne est dans sa position complètement fermée ou complètement ouverte, selon la construction particulière de la vanne. Si ces constructions sont calées en arrière pour une position intermédiaire quelconque, le siège arrière ne peut pas être mécaniquement verrouillé en place et peut donc se "relâcher" si la tige est accidentellement secouée pendant l'opération de changement de garniture, de sorte qu'une fuite risque alors de se produire. L'invention propose un siège arrière de tige de vanne à sécurité intrinsèque lorsque la vanne du robinet est dans une position quelconque Lorsque le siège arrière est mis en service, la tige se déplace vers l'extérieur, en venant d'abord en prise avec une garniture radiale non métallique, puis en venant en prise dans la direction axiale avec l'épaulement métallique du siège arrière du chapeau de vanne Si la tige est déplacée au cours de l'opération primaire de remplacement de la garniture de tige, une étanchéité à la pression est assurée par la garniture non métallique du siège arrière, qui assure l'étanchéité avec un contact radial sur une longueur rectiligne plutôt qu'un contact sur une face axiale. La figure 1 est une vue fragmentaire d'une coupe centrale verticale d'un robinet à vanne réalisant la présente invention, qui représente la tige de vanne en entier et calée en arrière à gauche de l'axe et non calée à droite de l'axe; la figure 2 est une vue fragmentaire agrandie de la partie centrale de la figure 1; la figure 3 est une vue semblable à celle de la figure 2 représentant une autre forme de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue semblable à celles des figures 2 et 3, représentant une troisième forme de réalisation de la présente invention; la figure 5 est une vue fragmentaire semblable à celles des figures 2 à 4, mais à échelle réduite, représentant une quatrième forme de réalisation de la présente invention; la figure 6 est une vue fragmentaire agrandie de l'ensemble d'étanchéité supporté par ressort de la figure ; la figure 7 est une vue semblable à celle de la figure 5, représentant une cinquième forme de réalisation de la présente invention la figure 8 est une vue latérale en élévation de la tige de vanne de la figure 7, représentant l'orifice d'aération unidirectionnel pour l'ensemble d'étanchéité monté sur la tige; -la figure 9 est une vue fragmentaire latérale en élévation, dont certaines parties ont été arrachées, de la tige de vanne des figures 7 et 8 représentant un autre type de joint en élastomère susceptible d'être utilisé 1 î O dans la présente invention; la figure 10 est une vue semblable à celle de la figure 9, représentant un troisième type de joint en élastomère monté sur la tige de vanne; et la figure 11 est une vue fragmentaire d'une tige de vanne (en entier) et d'un chapeau de vanne (en coupe centrale), représentant une autre forme de réalisation de la présente invention. En faisant d'abord référence aux figures 1 et 2, l'invention est illustrée sous la forme d'un robinet 14 à vanne à tige non ascendante, comprenant un corps de vanne 16, un chapeau de vanne 18 fixé au corps 16 par plusieurs ensembles de goujons filetés et d'écrous 20 espacés sur la circonférence, une tige de vanne 22 placée dans un alésage 24 du chapeau 18, un ensemble de garniture de tige 26 placé entre la tige 22 et le chapeau 18, un écrou de serrage 28 vissé sur le dessus du chapeau 18 pour fixer de manière amovible l'ensemble de garniture 26 en position fonctionnelle comme indiqué, un dessus de chapeau 30 vissé -sur le chapeau 18, une paire d'ensembles 32 de paliers de tige montés entre la tige 22 et le dessus de chapeau 30, et une vanne 34 placée dans la chambre de vanne 36 constituée par le corps 16 et le chapeau 18 La tige de vanne 22 passe librement dans un alésage central longitudinal 38 de la vanne 34 et se trouve relié à cette vanne par des filets 40 qui viennent en prise avec l'alésage fileté d'un écrou de levage 42 de la vanne qui est logé dans un alésage transversal 44 traversant la partie supérieure de la vanne De la manière habituelle, une garniture annulaire, comme par exemple une bague métallique 46, assure une étanchéité à la pression entre le corps 16 et le chapeau 18. La tige de vanne 22 présente une partie de diamètre agrandi 50 et une partie 52 de siège arrière tronconique située entre la partie 50 et la partie 54 de diamètre inférieur de la tige L'alésage 24 du chapeau comporte un épaulement tronconique 56 de siège arrière et une partie 58 de diamètre élargi dans laquelle est placé un ensemble de garnitures non métalliques maintenues en place par une bague de fixation 62. Pour mettre en service le siège arrière, le dessus de chapeau 30 est partiellement dévissé par rapport au chapeau 18 et amené dans la position représentée à gauche de l'axe sur la figure 1, en libérant ainsi la tige 22 qui peut subir un mouvement axial vers l'extérieur, c'est-à- dire dans la direction de la flèche A, en réponse à une force axiale qui agit sur elle du fait de la pression existant dans la conduite sur laquelle est monté le robinet à vanne et/ou d'une traction appliquée de l'extérieur Au moment o la tige 22 se déplace vers l'extérieur, sa partie de diamètre agrandi 50 vient en prise avec l'ensemble de garnitures non métalliques 60, en créant ainsi une première étanchéité radiale à la pression entre la tige et le chapeau 18, et un mouvement supplémentaire vers l'extérieur de la tige 22 jusqu'à ce que sa partie de siège arrière 52 vienne en appui contre l'épaulement 56 de siège arrière du chapeau, établit une seconde étanchéité à la pression entre la tige et le chapeau Cette étanchéité séquentielle de la tige 22 sur le chapeau 18, d'abord au moyen de l'ensemble 60 de garnitures non métalliques, puis grâce à l'étanchéité métal-sur-métal obtenue par coopération de la partie de siège 52 et de l'épaulement 56 de siège arrière, garantit que la garniture 26 de tige peut être entretenue ou changée alors que la pression dans le corps de vanne 36 est maintenue en sécurité. - Etant donné que la tige 22 ne se déplace pas dans la direction axiale pendant sa rotation, pour faire passer la vanne 34 du robinet entre ses positions d'ouverture et de fermeture, l'invention facilite le calage en arrière en toute sécurité de la tige alors que la vanne du robinet se trouve dans n'importe quelle position, c'est-à-dire complètement ouverte, complètement fermée, ou dans une quelconque position intermédiaire Lorsque la première étanchéité tige-chapeau du siège arrière est établie au moyen de l'ensemble 60 de garnitures non métalliques, cette étanchéité de contact radial sur une longueur rectiligne est maintenue pendant la fin du mouvement de la tige vers l'extérieur, et lorsque le siège arrière 52 de tige arrive en appui contre l'épaulement 56 du chapeau pour former l'étanchéité métal-surmétal entre la tige et le chapeau, il en résulte un double calage en arrière de la tige. La forme de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 3 est essentiellement la même que celle des figures 1 et 2, sauf qu'un élément d'étanchéité annulaire non métallique 64 comprenant des bagues enroulées en hélice anti-extrusion 66 est installé en remplacement de l'ensemble d'étanchéité 60 pour assurer l'étanchéité radiale non métallique du siège arrière entre la tige 22 et le chapeau 18. La forme de réalisation de la présente invention représentée sur la figure 4 met en jeu le même élément d'étanchéité 64 et des bagues anti- extrusion 66 identiques à ceux de la figure 3, mais ces composants sont placés dans l'alésage du chapeau vers l'extérieur de l'épaulement 56 du siège arrière du chapeau, pour coopérer avec une partie de tige 22 a ayant un diamètre intermédiaire afin d'établir l'étanchéité radiale non métallique du siège arrière entre la tige et le chapeau. Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 5 et 6, l'étanchéité radiale non métallique de siège arrière entre la tige 22 et le chapeau 18 est assurée par un élément d'étanchéité annulaire non métallique 68 ayant une bague anti-extrusion 70 L'élément 1-0 d'étanchéité 68 est supporté par une fixation annulaire rigide 72 ayant une section transversale en forme L qui est sollicitée vers l'extérieur par un ressort hélicoïdal 74 entourant la tige 22 et maintenu en place par une bague de fixation 76 Quand la tige de vanne 22 se déplace vers l'extérieur, la garniture 68 sollicitée par le ressort se déplace dans la direction axiale vers l'intérieur à partir de sa position initiale de siège arrière représentée à gauche de la figure 5 jusqu'à sa position représentée à droite de la figure 5, afin de compenser le volume de fluide déplacé qui est retenu entre cette garniture et le presse-étoupe 26 de La tige. Comme représenté sur la figure 7, l'étanchéité initiale-de siège arrière peut être réalisée par une bague d'étanchéité non métallique 78 logée dans une gorge radiale 80 de la partie de diamètre élargi 160 de la tige de vanne 122 Un orifice d'aération unidirectionnel 82 qui coupe la gorge 80 a pour fonction de laisser le fluide retenu entre la bague d'étanchéité 78 et le presse-étoupe -26 de la tige de s'échapper au-delà de la bague 78 quand la tige 122 se déplace vers l'extérieur pour établir l'étanchéité métal-sur-métal entre l'épaulement du chapeau et le siège arrière 152 de la tige en empêchant ainsi le développement de toute tendance à un blocage hydraulique. Un joint torique en élastomère 84 (figure 9) ou une bague non métallique 86 (figure 10) ayant une section transversale de configuration différente est utilisable en remplacement de la bague 78 (figure 7) sur la tige de vanne 122 si on le désire. Tel qu'il est représenté sur la figure 11, un joint torique en élastomère 88 peut être placé à l'intérieur d'une gorge annulaire 90 ménagée dans l'alésage du chapeau 18 pour assurer le calage arrière radial non métallique de la tige 22 sur le chapeau, et un orifice d'aération unidirectionnel 92 coupant la gorge 90 évite qu'une 1-0 pression hydraulique s'établisse entre le joint torique et la garniture 26 de tige quand la tige 22 se déplace vers l'extérieur pour venir en prise avec un épaulement 56 de siège arrière du chapeau Un orifice d'aération unidirectionnel de ce type peut aussi être prévu dans les autres formes de réalisation de l'invention lorsque le risque d'un blocage hydraulique existe ou pourrait exister. Bien que d'autres types d'ensembles d'étanchéité soient utilisables pour constituer l'ensemble d'étanchéité 60, l'ensemble préféré est celui qui a été décrit dans le brevet US n' 4 567 385 délivré le 18 mars 1986, à Ungchusri et al, le descriptif de ce brevet étant cité ici en référence Comme on le comprendra, cet ensemble d'étanchéité comprend (a) au moins un élément de bague d'étanchéité ayant une section transversale sensiblement en forme de V, (b) au moins une bague formant siège arrière/de sollicitation en relation de support avec l'élément de bague d'étanchéité et ayant une section -transversale sensiblement en forme de Y, (c) une bague d'étanchéité à rebord ayant une partie centrale et au moins un rebord d'étanchéité partant de cette partie centrale, et (d) une bague d'adaptation ayant une section transversale sensiblement en forme de T qui se trouve en relation de support avec la bague d'étanchéité à rebord. Bien que le meilleur mode envisagé pour la mise en oeuvre de l'invention ait été présenté et décrit ici, il apparaîtra que des modifications et des variantes peuvent y être apportées sans sortir de ce que l'on considère comme le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Vanne de commande du débit d'un fluide comprenant un corps ( 16) avec une chambre de vanne ( 36), un chapeau ( 18) présentant un alésage ( 24) en communication avec la chambre ( 36), un élément de fermeture de vanne ( 34) situé dans la chambre ( 36), et une tige de vanne ( 22) reliée à l'élément de fermeture de vanne ( 34) et s'étendant dans l'alésage ( 24) du chapeau ( 18), ladite vanne comprenant en outre lu a) un premier moyen formant siège arrière pour la tige de vanne ( 22) sur le chapeau ( 18) afin de créer une étanchéité à la pression entre ladite tige ( 22) et le chapeau ( 18), et b) un second moyen formant siège arrière pour la tige de vanne ( 22) sur le chapeau ( 18), ledit second moyen formant siège arrière étant placé de manière à créer une étanchéité à la pression radiale initiale, entre la tige ( 22) et le chapeau ( 18), au moment o la tige ( 22)est déplacée dans la direction axiale pour former l'étanchéité à la pression qui est assurée par le premier moyen formant siège arrière. 2 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le premier moyen formant siège arrière comporte un élément de garniture métallique qui coopère avec le chapeau ( 18) pour former une étanchéité métal sur métal entre la tige ( 22) et le chapeau ( 18). 3 Vanne selon la revendication 2, dans laquelle l'élément de garniture métallique présente une bride annulaire ( 50, 160) placée sur la tige de vanne ( 22). 4 Vanne selon la revendication 3, dans laquelle la bride annulaire ( 50, 160) présente une surface tronconique ( 52, 152) qui coopère avec une surface tronconique ( 56) présentée par le chapeau ( 18) pour assurer ladite étanchéité métal sur métal. 5 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le second moyen formant siège arrière comporte un élément de garniture radiale ( 60) entourant la tige ( 22) entre l'élément de fermeture de vanne ( 34) et le premier moyen formant siège arrière. 6 Vanne selon la revendication 5, dans laquelle l'élément de garniture radiale ( 60) n'est pas métallique. 7 Vanne selon la revendication 5, dans laquelle l'élément de garniture radiale ( 60) est monté sur le chapeau ( 18). 8 Vanne selon la revendication 5, dans laquelle l'élément de garniture radiale ( 78, 84, 86) est placé dans une gorge annulaire ( 80) sur la tige ( 122). 9 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le second moyen formant siège arrière est sollicité par un ressort ( 74) en direction du premier moyen formant siège arrière pour éviter le blocage hydraulique de la tige ( 22) sur le chapeau ( 18). Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le second moyen formant siège comporte un ensemble de garnitures annulaires non métalliques. 11 Vanne selon la revendication 10, dans laquelle l'ensemble de garnitures non métalliques est monté sur le chapeau ( 18). 12 Vanne selon la revendication 10, dans laquelle l'ensemble de garnitures non métalliques comprend: a) au moins un élément de bague d'étanchéité ayant en coupe transversale une configuration générale en forme de V, b) au moins une bague de soutien/sollicitation en relation de support avec l'élément de bague d'étanchéité et ayant une configuration générale de sa section transversale en forme de Y, c) une bague d'étanchéité à rebord comprenant une base centrale et au moins un rebord d'étanchéité qui dépasse de cette base, et il d) une bague d'adaptation ayant une section transversale dont la configuration a la forme générale d'un T et qui est en relation de support avec la bague d'étanchéité à rebord. 13 Vanne selon la revendication 1, comprenant un moyen -d'aération en communication avec le second moyen formant siège arrière pour empêcher le blocage hydraulique entre la tige ( 22) et le chapeau ( 18). 14 Vanne selon la revendication 13, dans laquelle Io le moyen d'aération ( 82) comporte un passage dans la tige ( 22). Vanne selon la revendication 13, dans laquelle le moyen d'aération ( 92) comprend un passage dans le chapeau ( 18).