Brevet FR2705755A1 — publié le 19941202

SOUPAPE DE SURETE AUTO-PILOTEE DESCRIPTION Domaine de llinvention L'invention concerne des soupapes de sûreté utilisées par exemple pour la vapeur, et en particulier des soupapes de sécurité pilotées. On appelle soupape de sûreté" un organe de sûreté de pression, qui T ouvre automatiquement à une valeur prédéterminée de pression supérieure à la pression atmosphérique, sous l'action de la seule pression du fluide canalisé, sans intervention d'aucune source d'énergie et qui évacue un débit de fluide suffisant pour empêcher la pression de dépasser la valeur de pression d'une quantité prédéterminée. Il se referme automatiquement en arrêtant l'écoulement du fluide lorsque les conditions de service sont rétablies. On appelle soupape de sûreté pilotée" une soupape de sûreté dans laquelle le fonctionnement est commandé par le fluide provenant d'un dispositif pilote ne faisant pas appel à une source d'énergie extérieure. Art antérieur et problèmes posés De manière générale, les soupapes pilotées présentent plusieurs avantages par rapport à des soupapes classiques à ressort - La stabilité de comportement, quelles que soient la nature et la phase du fluide amont, et quel que soit son écoulement. En effet, dans les soupapes à action directe (ou à ressort), certains états de fonctionnement peuvent être instables, dloù apparition d'un phénomène de battements. - L'étanchéité améliorée, du fait que la force d'appui du clapet sur le siège augmente avec la pression de la canalisation jusqu'à l'ouverture de celle-ci. - L'influence de certains phénomènes d'interfaces amont et aval générateurs d'instabilité de comportement peut être affaiblie. Cl est le cas des soupapes à action directe (soupapes à ressort) où peuvent être générées des pertes de charge amont ou aval qui modifient les forces de pression exercées par le fluide sur le clapet. Par contre, ceci peut être évité pour les soupapes pilotées, puisque la prise de pression du pilote peut être disposée où l'on veut et notamment dans les zones où la pression statique est stable quel que soit l'écoulement. Par contre, ces soupapes pilotées présentent des inconvénients qui peuvent être les suivants - Le dispositif de pilotage est souvent un système dont le principe de fonctionnement n'est pas très simple, ou nécessite la mise en jeu de nombreux composants, parfois sensibles et mobiles, et entre lesquels il peut être nécessaire de réaliser des étanchéités relatives. - Le clapet principal est autoclave, ou bien le dispositif de pilotage et son clapet sont en permanence solidaires mécaniquement. Le but de à l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un type de soupape piloté différent. Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est une soupape de sûreté auto-pilotée, pour commander la décharge de fluide contenu dans un volume où règne une pression déterminée, la soupape comprenant - un clapet venant prendre appui sur le siège d'un orifice de section déterminée du volume concerné, pour fermer celui-ci - des moyens de guidage du clapet pour permettre son ouverture et sa fermeture ; et - des moyens de commande en position fermée du clapet jusqu'à une pression déterminée du volume au-dessus de laquelle ces moyens commandent l'ouverture du clapet, ces moyens de commande comprenant un ressort exerçant une contre-pression. Selon l'invention, les moyens de commande comprennent - une canalisation, par exemple un trou dans le clapet, pour que la pression dans le volume concerné agisse sur les deux surfaces du clapet, - un piston de commande monté coulissant de manière étanche dans un cylindre sur lequel agit le ressort, et comprenant une surface inférieure sur laquelle agit la pression déterminée du fluide - des moyens d'entraînement du clapet par le piston de commande, la section de la surface supérieure du clapet étant supérieure à la section de l'orifice pour assurer le maintien en position fermée du clapet. Dans la réalisation principale de l'invention, la surface inférieure du piston de commande délimite une chambre avec la surface supérieure du clapet, chambre dans laquelle règne la pression à contrôler et réguler, et le ressort est en appui sur la surface supérieure du piston de commande, opposée à la surface inférieure de ce piston. De préférence, la section de la surface inférieure du piston est supérieure à la section de la surface supérieure du clapet. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, les moyens d'entraînement comprennent - une tige d'entraînement fixée au piston - une tige de clapet fixée au clapet, chaque tige possédant un crochet pour que, la pression augmentant au-delà de la pression déterminée, le piston monte et entraîne par crochetage le clapet et pour que, la pression diminuant en-dessous de la pression déterminée, le piston descende et repousse le clapet par la tige d'entraînement. Selon l'invention, on sait réaliser les moyens de guidage par un cylindre placé en regard de l'orifice du volume concerné, de manière à ménager une sortie de fluide tout autour de l'orifice vers une conduite d'évacuation. Pour assurer leur étanchéité, il est prévu d'équiper le piston et le clapet de joints d'étanchéité. Un ou plusieurs soufflets peut (vent) également être utilisé(s) au niveau du piston. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La soupape selon l'invention est relativement compacte, puisque, dans le même corps, elle regroupe le clapet et les moyens de commande de ce même clapet. Sur l'unique figure représentant en coupe la soupape selon l'invention en coupe, on distingue dans la partie inférieure un orifice l du volume 20 contenant un fluide sous une pression qu'il faut contrôler et réguler. Un clapet 2 est placé éventuellement perpendiculairement en regard de cet orifice 1 de manière à l'obstruer par une surface inférieure 7 prenant appui sur le siège 21 de l'orifice 1. Lorsque le clapet 2 est soulevé de l'orifice 1, ce dernier est en communication directe avec une conduite d'évacuation 22. Dans la réalisation décrite, la conduite d'évacuation 22 a été représentée radialement par rapport à l'orifice d'entrée. En outre, elle entoure cet orifice 1 de manière à ce que, une fois le clapet 2 soulevé, le fluide issu de l'orifice 1 puisse s'échapper tout autour de ce dernier. Le clapet 2 est donc l'élément fonctionnel qui obstrue ou laisse ouvert l'orifice 1. Par contre, selon l'invention, la sensibilité de mouvement de ce clapet 2 aux variations de pression du fluide s'exerçant sur la surface inférieure 7 et contenu dans le volume 20 est considérablement atténuée. En effet, une des caractéristiques techniques principales de l'invention est d'amener cette pression du fluide contenu dans le volume 20 de l'autre côté du clapet 2, c'est-à-dire sur sa surface supérieure 8 opposée à la première surface 7. Ceci est obtenu par une canalisation quelconque, par exemple un trou 6 traversant le clapet 2. De cette manière, ce clapet 2 étant monté coulissant dans des moyens de guidage 9 tels qu'un cylindre, le clapet 2 est contraint par des différences de pression à moins se déplacer longitudinalement dans le cylindre 9. Par contre, les moyens de commande doivent agir sur ce clapet 2 pour commander la translation de ce dernier et, par conséquent, l'ouverture et la fermeture de l'orifice 1. Ces moyens de commande sont constitués principalement par un piston de commande 3 monté coulissant dans un cylindre de commande 12. Ce piston de commande 3 possède une surface inférieure 10 sur laquelle s'exerce la pression instantanée du fluide issu du volume 20. Sur une surface supérieure 11 de ce piston de commande 3, opposée à la surface inférieure 10, s'appuie un ressort de compression 5 prenant appui sur le fond 16 du cylindre de commande 12. Dans la réalisation décrite, le trou 6 traversant le clapet 2 fait partie de ces moyens de commande, puisqu'il constitue le moyen d'amener la pression régnant dans le volume 20 en regard de la surface 10 du piston de commande 3. D'autres réalisations sont possibles en séparant les moyens de commande du corps de soupape constitué entre autres par le cylindre 9 guidant le clapet 2, ctest-à-dire que la chambre 4 comprise entre la surface supérieure 8 du clapet 2 et la surface inférieure 10 du piston de commande 3 serait partagée en deux. Ceci enlèverait évidemment l'avantage de compacité de la soupape selon l'invention, et poserait un problème de transmission de commande du piston de commande 3 vers le clapet 2. Les moyens d'entraînement du clapet 2 par le dispositif de commande, en l'occurrence le piston de commande 3, peuvent être réalisés sous la forme de deux tiges. La première est une tige de clapet 13 fixée au clapet 2 se terminant par un premier crochet 14. De façon similaire, une deuxième tige, dite tige d'entraînement 15, terminée par un deuxième crochet 16 est fixée au piston de commande 3. Comme on peut le voir sur la figure, les crochets 14 et 16 doivent être positionnés de manière à se faire face pour pouvoir rentrer en contact. En effet, si le piston de commande 3 monte, le deuxième crochet 16 entraîne le premier crochet 14 et soulève le clapet 2. Ceci constitue le mouvement d'ouverture du clapet 2. Par contre, si le piston 3 redescend, la tige d'entraînement 15 et le deuxième crochet 16 auront tendance à repousser le clapet 2 en poussant sur la surface supérieure 8 de ce dernier. On précise que, pour que le clapet 2 reste en position fermée, la section S1 de la surface inférieure 7 du clapet 2 sur laquelle s'exerce la pression P régnant dans le volume 20, c'est-à-dire la section de l'orifice 1, doit être inférieure à la section S2 de la surface supérieure 8 du clapet 2. Ainsi, la force appuyant sur la surface supérieure 8 est supérieure à la force s'exerçant sur la surface inférieure 7 et le clapet 2 est donc maintenu dans sa position fermée contre le siège 21 de l'orifice 1. D'autre part, la section S3 de la surface inférieure 10 du piston de commande 3 doit être supérieure à la section S2 de la surface supérieure 8 du clapet 2. Ainsi, lorsque la pression dans le volume 20 et la chambre 4 augmente, la force agissant sur la surface inférieure 10 du piston de commande 3 devient supérieure à la force de pression agissant sur le clapet 2. Ainsi, pour une valeur déterminée P de la pression régnant dans le volume 20, compte tenu de la force antagoniste exercée par le ressort 5 sur le piston de commande 3, ce dernier aura tendance à se déplacer vers le haut, comprimant le ressort 5. Le clapet 2 sera alors soulevé, et le fluide enfermé dans le volume 20 pourra s'échapper par l'orifice 1 et la conduite d'évacuation 22. La pression redescendra alors. Si cette dernière passe en-dessous de la valeur déterminée P, le piston de commande 3 redescend et repousse le clapet 2 dans sa position fermée contre le siège 21 de l'orifice 1. Pour compléter la description de cette réalisation, on signale que le clapet 2 et le piston de commande 3 peuvent posséder des joints d'étanchéité respectifs 18 et 19. Le piston de commande 3 peut également être équipé d'un ou plusieurs soufflets d'étanchéité. Fonctionnement de la soupape Au départ, lorsque la soupape est fermée, la pression régnant dans le volume 20 est appliquée à la surface inférieure 7 du clapet 2, seulement sur la petite section S1 de l'orifice 1. Compte tenu du fait que la chambre 4 entre le clapet 2 et le piston de commande 3 subit la même pression, celle-ci est également appliquée à la surface supérieure 8 du clapet 2 sur une section plus grande S2. Il en résulte que le clapet 2 est appliqué fermement contre le siège 21 de l'orifice 1 par une force P20(S2 - S1), P20 étant la pression instantanée dans le volume 20. La pression P20 est également appliquée à la surface inférieure 10 du piston de commande 3 qui subit une force proportionnelle à la grande section S3 de cette surface inférieure 10. La force antagoniste créée par le ressort 5 est alors supérieure pour résister à une remontée du piston de commande 3. Lorsque la pression P20 dans le volume 20 augmente et dépasse la valeur P déterminée telle que P20.S3 > FR (force appliquée par le ressort 5 sur le piston de commande 3) le piston de commande 3 recule et comprime le ressort 5. Ensuite, la tige d'entraînement 15 et son crochet 16 entraînent la tige de clapet 13 et son crochet 14, ainsi que le clapet 2 dans un mouvement de montée. Le clapet 2 décolle du siège de l'orifice 1 et le fluide contenu dans le volume 20 s'échappe dans la canalisation d'évacuation 22. Compte tenu du fait que la pression P20 est appliquée sur les surfaces 7 et 8 du clapet 2 sur une même section S2, aucune force ne s'oppose à cette montée du clapet dans la chambre 4. L'ensemble du piston de commande 3 et du clapet 2 est ainsi monté jusqu a ce qu'il rencontre une butée mécanique, par exemple un épaulement annulaire 23 du cylindre 9, une butée 24 sur la tige d'entraînement 15 ou la surface inférieure 10 du piston 3. Dans ce cas, la force FR du ressort 5 soit suffisante pour contrer la force P20.S3 exercée sur le piston de commande 3, éventuellement augmentée d'effets dynamiques exercés sur le clapet 2. Dans cette position, le clapet 2 ne subissant aucune force ascendante, aucun phénomène de battements connu dans les soupapes à ressort à effet direct n'apparaît. En effet, les positions d'ouverture et de fermeture du clapet 2 sont stables ; les positions intermédiaires ne sont pas des positions d'équilibre. Lorsque la pression P20 dans le volume 20 redescend en-dessous de la valeur P, le ressort 5 applique une force FR supérieure à P20.S3 et le piston de commande 3 redescend. Ensuite, il repousse par la tige de commande 15 le clapet 2. En effet, ce dernier ne subit aucune différence de force ou de pression autre que celle exercée par les effets dynamiques, compte tenu du fait que la pression P20 s'exerce sur ses deux faces 7 et 8 sur la même section S2. Lorsqu'il touche le siège de l'orifice 1, il reste plaqué contre celui-ci du fait que la section S1 de l'orifice 1 par laquelle la pression P20 s'exerce sur la surface inférieure 7 est plus petite que la section S2 par laquelle l a pression P20 s'exerce sur la surface supérieure 8. Le clapet 2 est ainsi bloqué en position de fermeture tant que la pression P20 dans le volume 20 est inférieure à la valeur déterminée P. Bien entendu, les section Slr S2, S3 et la force FR du ressort sont calculées en fonction de la pression P d'ouverture et de fermeture de la soupape. AVANTAGES DE L'INVENTION Pendant la phase de montée en pression, aucune force ne vient soulever le clapet 2 jusqu a ce que la tige d'entraînement 15 du piston de commande ne vienne au contact de la tige 13 du clapet 2. Ceci permet de garantir l'étanchéité pour une pression très proche de la pression d'ouverture du clapet 2. Le clapet 2 ne subit aucun phénomène de battements. Les moyens de commande étant intégrés à la vanne elle-même créent ainsi un élément très compact. La mise en pression de la chambre 4 peut être effectué par n'importe quel endroit, le trou 6 dans le clapet 2 pouvant être supprimé. On pourrait en effet envisager une arrivée latérale dans la chambre 4, à travers le cylindre 12. La désolidarisation du piston de commande 3 par rapport au clapet 2 limite les interactions mécaniques et hydrauliques au minimum. Le fait que le piston de commande 3 n'est pas soumis aux forces dynamiques du fluide du volume 20, limite tous risques d'instabilité. Le fonctionnement de la soupape selon l'invention est indépendant de la phase du fluide contenu dans le volume 20. Applications La soupape selon l'invention peut être utilisée pour protéger tout appareil à pression ou à vapeur, quels que soient la nature et l'état physique (vapeur ou liquide) du fluide concerné. L'utilisation pour la protection des circuits primaires ou secondaires des réacteurs nucléaires est particulièrement intéressante dans ce cas. REVENDICATIONS l.Soupape de sûreté auto-pilotée, du type pour commander la décharge d'un fluide contenu dans un volume (20) où règne une pression déterminée (P), comprenant - un clapet (2) venant prendre appui sur le siège (21), d'un orifice (1) de section déterminée (S1) du volume (20) pour fermer celui-ci - des moyens de guidage (9) du clapet (2) pour permettre son ouverture et sa fermeture ; - des moyens de commande en position fermée du clapet (2) jusqu'à la pression déterminée (P) du fluide contenu dans le volume (20) et au-dessus de laquelle ces moyens de commande provoquent l'ouverture du clapet (2), ces moyens de commande comprenant en outre un ressort (5) exerçant une contre-pression, soupape caractérisée en ce que les moyens de commande comprennent - une canalisation (6) pour que la pression (P) dans le volume (20) agisse sur les deux surfaces (S1, S2) du clapet (2) ; - un piston de commande (3) monté coulissant de manière étanche dans un cylindre (12) sur lequel agit le ressort, et possédant une surface inférieure (10) sur laquelle agit la pression (P) du fluide - des moyens d'entraînement du clapet (2) par le piston de commande (3), la section (S2) de la surface supérieure (8) du clapet (2) est supérieure à la section (S1) de la section de l'orifice (1) pour assurer le maintien en position fermée du clapet (2). 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface inférieure (10) délimitant une chambre (4) avec la surface supérieure (8) du clapet (2) dans laquelle règne ladite pression, le ressort(5) est en appui sur une surface supérieure (11) opposée à la surface inférieure (10) du piston de commande (3). 3. Soupape selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la canalisation est un trou (6) qui traverse le clapet (2). 4. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section (S3) du piston de commande (3) est supérieure à la section (S2) du clapet (2). 5. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'entraînement comprennent - une tige d'entraînement (15) fixée au piston de commande (3) ; et - une tige de clapet (13) fixée au clapet (2), ces deux tiges possédant chacune un crochet (14, 13) pour que, lorsque la pression (P20) dans le volume (20) augmente au-delà de la pression déterminée (P), le piston de commande (3) monte et entraîne par crochetage le clapet (2) et pour que, lorsque la pression à l'intérieur du volume (20) diminue en-dessous de la pression déterminée (P), le piston de commande (3) descende et repousse par la tige d'entraînement (15) le clapet (2). 6. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de guidage sont constitués d'un cylindre (9) placé en regard de l'orifice (1) du volume (20), de manière à ménager une sortie de fluide tout autour de l'orifice (1) vers une conduite d'évacuation (22) 7. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston de commande (3) est équipé d'un joint d'étanchéité (19). 8. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet (2) est équipé d'un joint d'étanchéité (18). 9. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston de commande (3) est équipé d'au moins un soufflet d'étanchéité.