Brevet FR2693771A1 — publié le 19940121

Pompe comportant un piston partiellement creux, et ses applications notamment dans l'industrie pétrolière. La présente invention concerne le secteur technique des pompes et notamment des pompes haute ou très haute pression. On rencontre de telles pompes, entre autres activités, dans l'industrie pétrolière, parapétrolière et dans l'industrie du nettoyage industriel et en génie civil. Ces pompes se caractérisent par des puissances très élevées, couramment de l'ordre de 373 000 à 746 000 ou 895 200 Joules/s (soit de 500 à 1 000 ou 1 200 CV), et par le fait qu'elles doivent transférer des fluides très corrosifs (comme des fluides fortement acides) ou très abrasifs (comme par exemple des laitiers de ciment pour la cimentation de puits pétroliers) ou encore des fluides spéciaux comme des gels de fracturation pour l'industrie pétrolière, chargés en agent de soutènement (sable), et autres fluides particuliers. Par ailleurs, l'industrie pétrolière impose des contraintes strictes d'encombrement et de poids, qui sont évidemment contradictoires avec la résistance mécanique, la puissance, et la résistance à l'usure et à l'abrasion également exigées de telles pompes. 1 On connait à ce jour de nombreuses pompes qu'il est nécessaire d'améliorer. Une pompe de ce type se compose de manière schéma- tique d'un "étage de puissance" (ou "power end") et d'un "étage de transfert du fluide" (ou "fluid end"). L'étage de puissance contient tous les éléments néces- saires aux mouvements du piston, et le piston. L'étage du fluide est un étage très haute pression qui consiste schématiquement en un corps formant la chambre du piston, avec ses clapets d'admission et de refoulement, et en un élément de décharge du fluide. Dans les pompes classiques, la chambre comporte un (ou plusieurs) clapets d'admission et un (ou plu- sieurs) clapets de refoulement. Généralement, ces clapets sont disposés à l'extré- mité de la chambre opposée à l'extrémité libre du piston. La structure et le fonctionnement de telles pompes sont tout à fait connus de l'homme du métier. On connait également une configuration dite "en ligne" L'invention représente un perfectionnement déterminant d'un tel type d'étage fluide "en ligne". La Fig 1 représente l'art antérieur des étages fluides "en ligne". 1 La Fig 2 représente un mode de réalisation préféré de l'invention. La pompe "en ligne" selon l'art antérieur (Fig 1) comporte un corps haute pression ( 9), une chambre haute pression ( 2) et un piston plein ( 8) Le corps et le piston sont munis d'un point d'étanchéité ( 7) qui est nécessairement soumis aux hautes pressions de la chambre ( 2). Pour simplifier, l'étage de puissance de la pompe n'est pas représenté. L'étage fluide comporte un clapet d'admission ( 1) en forme d'anneau monté sur le ressort de rappel ( 5), à l'extrémité de la chambre la plus proche du piston, et un clapet de refoulement ( 3) également monté sur un ressort de rappel ( 4) Le clapet de refoulement est situé à l'autre extrémité de la chambre ( 2) et peut fermer hermétiquement cette extrémité. Lorsque le piston se déplace dans le sens (A) de l'admission, le fluide est aspiré par succion de ma- nière connue par les conduits d'admission ( 6) Ces conduits comportent un tore pour distribuer symétri- quement le fluide Le clapet ( 1) est repoussé et ne s'oppose pas à l'admission du fluide Lorsque le pis- ton arrive en butée la chambre ( 2) est donc remplie de 1 fluide, lequel est retenu par le clapet ( 3) pressé par le ressort ( 4) contre son siège ( 10). Lorsque le piston refoule dans le sens (D) le cla- pet ( 1) se ferme, le fluide est comprimé dans la cham- bre ( 2), le clapet ( 3) s'ouvre et le fluide est éjecté par le conduit de décharge ( 11). Ce type d'étage fluide en ligne comporte deux in- convénients. D'une part le joint ( 7) peut ne pas résister, ou mal, aux hautes pressions, ce qui est un problème grave. D'autre part la circulation du fluide à l'admission dans les conduits ( 6) est telle qu'il se produit une forte abrasion et un risque de rupture mécanique au niveau de la zone ( 12) notamment. Enfin le fluide est admis selon une direction (A) et est éjecté selon la direction opposée (D) ce qui nuit aux performances de la pompe Selon la présente invention, le piston lui-même est modifié et coopère avec un étage fluide en ligne (Fig 2). L'équipement selon l'invention comporte un corps d'étage fluide ( 21) haute pression, un corps ( 22) basse pression délimitant avec le piston ( 16) une chambre basse pression ( 24), un conduit d'admission du fluide ( 26) et de décharge ( 20). 1 Le corps ( 21) haute pression délimite avec le piston ( 16) une chambre haute pression ( 13). Le piston ( 16) est partiellement creux au niveau de son extension ( 17) située au regard du conduit de décharge 20 (extrémité libre du piston). Ladite extension ( 17) détermine dans le corps du piston une chambre haute pression ( 19) qui, vers l'arrière, s'ouvre par un orifice (ou plusieurs) dans la chambre basse pression ( 24) et, vers l'avant (c'est-à-dire vers le conduit de décharge) comporte un clapet d'admission ( 15). Enfin, le conduit d'admission ( 26) s'ouvre dans la chambre basse pression ( 24) et le conduit de décharge ( 20) est muni d'un clapet de refoulement ( 14). Un joint haute pression ( 23) réalise l'étanchéité entre la chambre haute pression ( 13) et la chambre basse pression ( 24) autour du piston. Un joint basse pression ( 25) réalise l'étanchéité de la chambre basse pression ( 24). Les ressorts de rappel des clapets ( 15) et ( 14) n'ont pas été représentés pour simplifier; leur disposition est par ailleurs classique et évidente à la lecture du mode de fonctionnement ci-dessous. Lorsque le piston se déplace dans la direction de l'admission (A) il se crée par un phénomène connu une dépression dans la chambre haute pression ( 13). 1 Le clapet ( 15) s'ouvre, le clapet ( 14) se ferme, et le fluide passe de la chambre basse pression ( 24) dans la chambre ( 19) par l'orifice ou lumière ( 18), et enfin dans la chambre ( 13). En fonctionnement, toutes les chambres sont natu- rellement remplies de fluide en permanence. Lorsque le piston refoule dans le sens (D), le clapet ( 15) se ferme, le fluide est comprimé dans la chambre ( 13) par le piston formé par l'extension ( 17) remplie de fluide et fermée par le clapet ( 15), le clapet ( 14) s'ouvre et le fluide est éjecté par le conduit de décharge ( 20). L'invention apporte plusieurs avantages, tous importants voire décisifs. On voit que le volume mort de la chambre peut être réduit à un volume extrêmement faible, pratiquement nul Ceci a naturellement un effet positif sur l'effi- cacité volumétrique de la pompe à haute pression. Dans le cas qui nous l'avons vu est fréquent avec les technologies actuelles o le joint haute pres- sion ( 23) ne tiendrait pas correctement l'étanchéité, cela n'aurait que peu de conséquences car les pertes de fluide seraient simplement récupérées dans la chambre ( 24) sans aucune pollution (ce facteur devient déterminant sur pratiquement tous les sites pétro- 1 liers) Quant au joint basse pression ( 25), les tech- nologies actuelles assurent facilement une absence de fuite et suppriment donc tout risque de pollution, et par ailleurs la maintenance d'un tel joint atmosphé- rique /basse pression est aisée. La circulation du fluide conduit ( 26)/ chambre ( 24)/ chambre ( 19)/ chambre ( 13)/ décharge ( 20) est pratiquement idéale du point de vue de l'hydrody- namique des fluides En particulier le fluide n'est pas amené à changer radicalement de direction d'écou- lement Ceci réduira naturellement la cavitation qui se produit notamment avec des fluides visqueux, et aux hautes débits, ainsi que les phénomènes d'abrasion. Les forces inertielles engendrées par le piston vont coopérer à l'ouverture et la fermeture du clapet d'admission exactement à l'instant le plus efficace. Cet avantage contribue à maintenir l'efficacité volu- métrique à une valeur élevée et prévient également la cavitation. Enfin la symétrie de l'élément haute pression par rapport à l'axe induit une réduction des phénomènes de concentrations de contraintes et autorise donc une réduction substantielle de matière et donc de poids, autre paramètre important dans les industries consi- dérées. 1 Naturellement il peut exister un ou plusieurs conduits ( 26), y compris avec une injection annulaire ou multi-points, ainsi que un ou plusieurs orifices ( 18) de forme appropriée. Le nombre de pistons est indifférent bien qu'à ce jour on utilise surtout des pompes à trois pistons. Les applications concernent essentiellement toutes les pompes haute pression dans toutes industries. REVENDICATIONS 1 1 Pompe du type comportant un étage de transfert de fluide ou "fluid-end" dit "en ligne", caractérisée en ce que l'extrémité libre ( 17) de chaque piston ( 16) est creuse et forme une chambre ( 19) qui communique d'une part avec un conduit d'admission de fluide ( 26) par un ou plusieurs orifices ( 18) ménagés dans la paroi ( 17) de la chambre ( 19), et d'autre part avec la chambre haute pression ( 13) de chaque piston considéré, grâce à un clapet d'admission ( 15) agencé de telle sorte qu'il s'ouvre lorsque le piston recule dans la chambre ( 13) et met ainsi en communication le conduit d'admission ( 26) et la chambre ( 19) avec la chambre ( 13), et se ferme lorsque le piston avance dans la chambre ( 13), obturant ainsi la chambre ( 19) et provoquant l'éjection du fluide par un conduit de décharge ( 20) commandé par un clapet de refoulement ( 14). 2 Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide pénètre dans la chambre ( 19), par le ou les orifices ( 18), par l'intermédiaire d'une chambre basse pression ( 24) dans laquelle s'ouvrent le conduit d'admission de fluide ( 26) et le ou les orifices ( 18). 1 3 Applications des pompes selon la revendication 1 ou 2 aux pompes haute pression de l'industrie pétrolière, parapétrolière, du nettoyage industriel et du génie civil.