Brevet FR2715706A1 — publié le 19950804

La présente invention concerne des vannes pour commander l'écoulement de fluides et plus particulièrement, une vanne qui comprend un boisseau rotatif ou un tiroir mobile coopérant avec au moins une paire de sièges pour commander et fermer de façon étanche l'écoulement du fluide. Des constructions connues de vannes comprennent une bille ou un tiroir monté en rotation ou de manière mobile dans un corps de vanne et doté d'un trou traversant à travers lequel le fluide s'écoule lorsque le trou est aligné avec les orifices d'entrée et de sortie. De telles vannes sont fermées lorsque le boisseau ou le tiroir est tourné ou déplacé de telle sorte qu'une face pleine du boisseau ou du tiroir obstrue totalement le trajet de l'écoulement de l'orifice d'entrée. Le boisseau ou le tiroir s'appuie contre des sièges, positionnés sur chacun des côtés amont et aval, qui s'appuient contre le corps de vanne. Typiquement, le boisseau ou le tiroir a un certain flottement afin que, dans une situation d'obturation, la pression du fluide en amont puisse fortement solliciter le boisseau ou le tiroir contre le siège aval lequel, à son tour, est sollicité contre le corps de vanne pour former un joint d'étanchéité. Dans la condition d'arrêt d'écoulement décrite ci-dessus, il existe ordinairement une pression de valeur importante à l'intérieur de la cavité de la vanne o est logé le boisseau ou le tiroir et les sièges, parce que le fluide sous pression pénètre entre le boisseau ou le tiroir et les sièges. Le siège aval est fortement sollicité contre le corps de vanne par le fluide dans le trajet d'écoulement qui est transmis par le boisseau ou le tiroir. Au cas o cette pression du fluide venait à soudainement diminuer en amont, le joint d'étanchéité amont formé entre le siège amont et le corps de vanne aurait tendance à piéger la pression dans la cavité de manière à ce que la force de pression résultante sur la face amont du siège amont provoque la sollicitation du siège amont contre le boisseau ou le tiroir. Cette condition de pression piégée exige un couple de travail nettement plus grand afin de tourner le boisseau ou de déplacer le tiroir, et peut avoir pour résultat de contraindre excessivement les composants si un changement de temperature survient alors que la vanne est dans cette condition. C'est un but de l'invention de concevoir une vanne qui résout le problème susmentionné et qui, en même temps, propose un joint d'étanchéité fiable pendant n'importe quel mode de fonctionnement, possède des pièces aisément démontables et est facile à mettre en service, et comprend des composants qui sont faciles à fabriquer. La présente invention comprend une vanne comprenant un corps de vanne ayant une cavité généralement cylindrique avec au moins un orifice d'entrée et un orifice de sortie dans lequel est logé en rotation un boisseau généralement cylindrique ou un tiroir ayant un trou traversant qui peut être sélectivement aligné avec les orifices d'entrée et de sortie afin de définir un trajet d'écoulement. La vanne comprend en outre au moins deux sièges formés comme des segments cylindriques et ayant un ou plusieurs moyens d'étanchéité disposés de manière à atteindre le but susmentionné de l'invention. La figure 1 est une vue partielle en coupe d'un ensemble vanne à boisseau et sièges dans la cavité d'un corps de vanne. La figure 2 est une vue en coupe d'un siège ayant un joint d'étanchéité continu. La figure 3 est une vue en coupe d'un siège ayant un joint continu et au moins un joint d'étanchéité satellite. La figure 4 est une vue partielle en coupe d'un ensemble vanne à tiroir et siège dans la cavité d'un corps de vanne. La figure 5 est une vue partielle en coupe transversale d'un joint d'étanchéité. La figure 6 est une vue partielle en coupe transversale d'une autre réalisation de joint d'étanchéité. La figure 7 est une vue partielle en coupe transversale d'une autre réalisation de joint d'étanchéité. La figure 1 représente une vue partielle en coupe transversale d'un corps de vanne 10 ayant un corps avec une cavité généralement cylindrique 12 logeant un boisseau rotatif 14 ayant un trou traversant 16. Le corps de vanne 10 a un orifice d'entrée 18 et un orifice de sortie 20. Le boisseau 14 est fixé à une tige 22 par des moyens conventionnels afin d'appliquer un couple pour faire tourner le boisseau 14 de telle sorte que le trou traversant 16 soit aligné avec les orifices d'entrée et de sortie 18, 20 pour permettre l'écoulement à travers le corps de vanne 10 formant un trajet d'écoulement. Sur le côté amont du boisseau 14, un siège amont 24 ayant une ouverture centrale 26 traversante est positionné entre le boisseau 14 et le corps de vanne 10. Sur le côté aval du boisseau 14, un siège aval 28 ayant une ouverture centrale 30 traversante est positionné entre le boisseau 14 et le corps de vanne 10. Chaque siège 24, 28 est sensiblement en forme de segment cylindrique et possède des premier et deuxième moyens d'étanchéité, tels que les éléments internes 32 et externes 34. Les éléments d'étanchéité sont des joints continus flexibles qui entourent le trajet d'écoulement et forment des joints continus entre les sièges 24, 28 et le corps de vanne 10. Les éléments d'étanchéité 32, 34 peuvent être placés dans des rainures 36 sur les sièges 24, 28. Chaque siège présente une encoche 38 ou des moyens similaire sur les extrémités supérieure et inférieure afin d'orienter les joints pendant l'assemblage. Les éléments d'étanchéité 32, 34 sont sensiblement positionnés concentriquement autour du trajet d'écoulement de sorte que chaque premier moyen ou élément d'étanchéité interne 32 ait un premier diamètre et chaque deuxième moyen ou élément d'étanchéité externe 34 ait un deuxième diamètre supérieur au premier diamètre. Le point de contact d'étanchéité 40 entre chaque siège 32, 34 et le boisseau 14 forme un joint métal-métal continu qui a un diamètre supérieur au premier diamètre et inférieur au deuxième diamètre pour une raison qui est maintenant décrite ci- dessous. Le boisseau 14 est disposé de manière à flotter légèrement dans la cavité de la vanne afin que, pendant des conditions d'écoulement arrêté, la pression du fluide amont dans la cavité provoque le maintien du boisseau 1 contre le siège aval 28 qui, à son tour, est maintenu contre le corps de vanne 10 aval. En dimensionnant le diamètre des joints internes 32 à une valeur inférieure à celle du diamètre du siège de boisseau, un joint aval et un joint amont sont maintenus plus efficacement. Un tel dimensionnement évite que la pression du trajet d'écoulement n'agisse entre les sièges 24, 28 et le corps de vanne 10. En dimensionnant le diamètre du joint externe 34 à une valeur supérieure à celle du diamètre du boisseau-siège, on évite qu'une force élevée, résultant de la pression de cavité qui existe dans la cavité 12 de la vanne à l'extérieur du trajet d'écoulement, n'agisse entre les sièges de vanne 24, 28 et le corps de vanne 10. Les éléments d'étanchéité 32, 34 dans le siège amont 24 maintiennent le siège amont 24 contre le boisseau 14. Normalement, le boisseau 14 et le siège aval 28 sont maintenus contre le corps de vanne 10 en aval. Lorsque le boisseau de vanne 14 est dans une position fermée et que la pression du fluide est soudainement réduite en amont, le joint amont formé entre le siège amont 24 et le corps de vanne 10 aura tendance à piéger la pression dans la cavité 12 de telle sorte que le force de pression résultante sur le côté du siège amont 24 provoque le maintien du siège amont 24 contre le boisseau 14. Afin d'éviter cette condition de pression piégée qui exige un couple de commande nettement plus élevé pour faire tourner le boisseau 14, et qui peut résulter en une contrainte excessive sur les composants si un changement de température survient alors que la vanne est dans cette condition, il est critique que l'élément d'étanchéité externe 34 ait une diamètre plus grand que le joint boisseau-siège comme décrit ci-avant, afin de diminuer la force résultante de la pression piégée dans la cavité sur le siège 24. Une autre réalisation des sièges 10, comme le montre la figure 2, n'exige qu'un moyen ou élément d'étanchéité 102 pour des applications comprenant des trajets d'écoulement de diamètre relativement petit o le contact entre un siège amont et un boisseau résulte en des forces de frottement de grandeur relativement faible telles que le couple de commande exigé ne soit pas excessif. Dans cette réalisation, il est essentiel que le diamètre du joint 102 soit plus grand que le diamètre du joint boisseausiège afin d'éviter la présence de forces élevées, issues de la pression de cavité, entre le siège et le corps de vanne 10. Dans une autre réalisation des sièges 200 comme montré sur la figure 3, un élément d'étanchéité 202 ayant un diamètre plus petit que le diamètre du joint de siège de boisseau agit comme décrit ci-dessus en référence à la figure 1. Un ou plusieurs moyens d'étanchéité ou joints satellites 203, ayant la forme de joints flexibles, fermés et continus en dehors de la circonférence du joint interne 202, agissent de manière à éviter que la pression de cavité n'agisse sur la zone complète de la surface du joint, afin de réduire la force résultante. Le nombre et la grandeur de tels joints 203 peuvent être sélectionnés afin d'éviter que la force résultante ne devienne supérieure à la pression résiduelle dans la cavité et ne cause la sollicitation et le maintien du siège contre le boisseau. La réalisation de la figure 4 montre la présente invention utilisant l'agencement de joints de siège de la figure 1, avec un tiroir 300 d'une vanne à tiroir. Une cavité cylindrique 302 et des sièges 304 ayant des contours extérieurs cylindriques sont utilisés. Le fonctionnement est essentiellement le même que celui de la réalisation décrite en référence à la figure 1. La figure 5 représente une forme des éléments d'étanchéité internes et externes 32, 34 ayant une forme transversale avec une partie convexe 400 apte à venir en contact avec le corps de vanne 10 et des éléments antiextrusion 402. Les figures 6 et 7 représentent l'élément d'étanchéité 32, 34 respectivement avec un élément anti-extrusion 404 et sans élément antiextrusion. D'autres sections transversales adéquates peuvent être utilisées. Dans les réalisations de siège utilisant des éléments d'étanchéité internes et externes 32, 34, il est avantageux de percer un petit trou à proximité et en communication avec la rainure de joint externe 36 afin de soulager la montée en pression entre les joints internes 23 et externes 34 provoquée par la graisse ou équivalent utilisés pendant l'installation. Bien qu'une réalisation préférée ait été décrite et représentée, on comprend que des changements et des modifications puissent être faits sans s'écarter de ce qui est considéré comme étant le but et l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Vanne pour commander l'écoulement comprenant un corps de vanne (10) ayant une cavité (12) sensiblement cylindrique et au moins deux orifices (18, 20); un boisseau (14) sensiblement cylindrique logé de manière rotative dans ladite cavité (12) et comprenant un trou traversant (16) qui peut être sélectivement aligné avec lesdits orifices (18, 20) de la vanne pour définir un trajet d'écoulement; au moins deux sièges (24, 28) ayant chacun une ouverture traversante (26, 30) qui correspond et ayant ladite ouverture alignée avec un desdits orifices, chacun desdits sièges étant positionné entre ledit boisseau (14) et ledit corps (10) de vanne formant un joint continu siège-boisseau entourant ledit trajet d'écoulement; chaque siège (24, 28) ayant un premier moyen d'étanchéité (32) formant un joint continu fermé entre ledit siège et ledit corps de vanne (10) entourant ledit trajet d'écoulement et ayant un premier diamètre qui est inférieur au diamètre dudit joint siège-boisseau respectif. chaque siège (24, 28) ayant un deuxième moyen d'étanchéité (34) formant un joint continu fermé entre ledit siège et ledit corps de vanne (10) entourant ledit trajet d'écoulement et ayant un deuxième diamètre qui est supérieur au diamètre dudit joint siège-boisseau respectif. 2. Vanne pour commander 1 'écoulement comprenant un corps de vanne (10) ayant une cavité (12) sensiblement cylindrique et au moins deux orifices (15, 20); un boisseau (14) sensiblement cylindrique logé de manière rotative dans ladite cavité (12) et comprenant un trou traversant (16) qui peut être sélectivement aligné avec lesdits orifices (18, 20) de la vanne pour définir un trajet d'écoulement; au moins deux sièges (24, 28) ayant chacun une ouverture traversante (26, 30) qui correspond et ayant ladite ouverture alignée avec un desdits orifices, chacun desdits sièges étant positionné entre ledit boisseau (14) et ledit corps (10) de vanne formant un joint continu siège-boisseau entourant ledit trajet d'écoulement; chaque siège (24, 28) ayant des moyens d'étanchéité (102) formant un joint continu fermé entre ledit siège et ledit corps de vanne (10) entourant ledit trajet d'écoulement et ayant un diamètre qui est supérieur au diamètre dudit joint siège-boisseau respectif. 3. Vanne pour commander l'écoulement comprenant un corps de vanne (10) ayant une cavité (12) sensiblement cylindrique et au moins deux orifices (18, 20); un boisseau (14) sensiblement cylindrique logé de manière rotative dans ladite cavité (12) et comprenant un trou traversant (16) qui peut être sélectivement aligné avec lesdits orifices (18, 20) de la vanne pour définir un trajet d'écoulement; au moins deux sièges (24, 28) ayant chacun une ouverture traversante (26, 30) qui correspond et ayant ladite ouverture alignée avec un desdits orifices, chacun desdits sièges (24, 28) étant positionné entre ledit boisseau (14) et ledit corps de vanne (10) formant un joint continu siège-boisseau entourant ledit trajet d'écoulement; chaque siège (24, 28) ayant un premier moyen d'étanchéité formant un joint continu fermé entre ledit siège et ledit corps de vanne (10) entourant ledit trajet d'écoulement et ayant un premier diamètre qui est inférieur au diamètre dudit joint siège-boisseau respectif. chaque siège (24, 28) ayant au moins un moyen d'étanchéité satellite (203) formant un joint continu fermé entre ledit siège et ledit corps de vanne et étant positionné en dehors du périmètre dudit premier moyen d'étanchéité.