Brevet FR2712058A1 — publié le 19950512

Joint d'étanchéité annulaire composite L'invention concerne un dispositif d'étanchéité ayant une configuration annulaire autour d'un axe d'assemblage, comprenant une âme métallique et une garniture en matière tendre, l'âme métallique comportant une première pièce radialement extérieure et une seconde pièce radialement intérieure, mobiles l'une par rapport à l'autre dans la direction axiale de façon à définir par coopération mutuelle un logement de dimensions variables pour la garniture, la première pièce présentant une première surface libre cylindrique tournée radialement vers l'extérieur, prolongée par une première surface d'étanchéité de la garniture, et la seconde pièce présentant une seconde surface libre tournée radialement vers l'intérieur, inclinée par rapport à l'axe. On entend par "matière tendre" une matière qui peut se déformer ou se comprimer sous un effort sensiblement moins élevé que celui requis pour déformer le métal de l'âme. Un tel dispositif, utilisé notamment pour assurer l'étanchéité entre le corps ou fût et le chapeau d'une vanne, est décrit dans FR-A-2 678 997. Dans ce dispositif connu, l'étanchéité fait appel, outre ladite garniture en matière tendre, à une seconde garniture en matière tendre logée dans un lamage ménagé dans la seconde surface libre. En cas de démontage, il est nécessaire de remplacer la totalité de l'âme métallique et des deux garnitures. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient, et de permettre un remontage du dispositif en remplaçant seulement la garniture en matière tendre, l'âme étant conservée. Un autre but de l'invention est que le fluide à l'égard duquel l'étanchéité est réalisée soit arrêté immédiatement par la garniture, sans venir en contact avec l'âme métallique du dispositif. L'invention vise notamment un dispositif du genre défini en introduction, et prévoit que la garniture présente une section axiale sensiblement trapézoïdale dont les grande et petite bases et les côtés latéraux définissent respectivement ladite première surface d'étanchéité, des surfaces de coopération avec la seconde pièce et avec la première pièce et une seconde surface d'étanchéité prolongeant ladite seconde surface libre. D'autres caractéristiques, complémentaires ou alternatives, du dispositif selon l'invention sont énoncées ci-après - Il comprend une bague d'appui rigide propre à s'appuyer sur l'extrémité axiale de la première pièce opposée à sa face de coopération avec la garniture et à s'approcher, lors du mouvement relatif des deux pièces, de l'extrémité correspondante de la seconde pièce jusqu'à venir en butée de façon à définir une position finale dans laquelle la garniture exerce une action d'étanchéité. - Lesdites extrémités viennent en contact avec la bague d'appui par des faces sensiblement planes et radiales. - La face de coopération de la première pièce avec la garniture est sensiblement plane et radiale. - La seconde surface libre et la seconde surface d'étanchéité sont sensiblement tronconiques. - La garniture est en graphite expansé, ou en élastomère. - La garniture présente sur sa seconde surface d'étanchéité des ondulations définissant des saillies et des creux annulaires. - Il comprend une coupelle annulaire de retenue contre le fluage de la garniture, recouvrant sa surface de coopération avec la première pièce et les portions marginales, adjacentes à cette dernière surface, de sa surface de coopération avec la seconde pièce et de la première surface d'étanchéité. - Il comprend une coupelle annulaire de retenue contre le fluage de la garniture, recouvrant les portions marginales mutuellement adjacentes des première et seconde surfaces d'étanchéité. - Il comprend en outre une paroi cylindrique concave et un élément central présentant une surface annulaire inclinée définissant avec la paroi annulaire un canal en forme de coin annulaire dans lequel sont logées l'âme métallique et la garniture, cette dernière étant disposée au fond du canal et ses première et seconde surfaces d'étanchéité coopérant respectivement avec ladite paroi annulaire et avec la surface inclinée de l'élément central de façon à former un joint étanche entre la paroi annulaire et l'élément central. - Des forces axiales opposées sont exercées sur ladite seconde surface libre de la seconde pièce par la surface inclinée de l'élément central et sur la bague d'appui par une butée solidaire de la paroi annulaire. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - La figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un dispositif selon l'invention utilisé comme joint de vanne ; - La figure 2 est une vue agrandie et plus détaillée d'une partie de la figure 1 ; et - La figure 3 est une vue analogue à la figure 2, montrant seulement l'âme métallique et la garniture en matière tendre, avant montage dans la vanne. Le dispositif illustré définit un joint d'étanchéité annulaire 1 présentant en section transversale, comme vu dans le plan de coupe des figures 1 et 2 passant par son axe 2, la forme d'un trapèze rectangle, dont le côté oblique 3 fait avec la grande base 4 un angle aigu qui est ici d'environ 25 . Bien entendu, cet angle peut varier en fonction de l'application. Le côté 3 est situé entre l'axe 2 et la grande base 4, parallèle à ce dernier, de sorte que le côté 3 et la base 4 définissent respectivement une surface tronconique concave et une surface cylindrique convexe du joint, la première reposant sur une surface tronconique convexe 5 du chapeau 6 de la vanne et la seconde étant accolée à une surface cylindrique interne 7 d'une portion tubulaire 8 du fût. Les génératrices des surfaces 5 et 7 font entre elles le même angle que les côtés 3 et 4. Dans le présent mémoire, pour faciliter la lecture des dessins, des surfaces annulaires sont désignées par les mêmes numéros de référence que les lignes qui les représentent en section transversale axiale. Sauf indications particulières, les termes "axial", "radial", "intérieur", "extérieur", s'entendent par rapport à l'axe de la configuration annulaire du joint. Les indications d'orientation verticale sont données par référence à la disposition montrée sur les figures, l'axe 2 étant vertical avec le sommet de la face tronconique 5 tourné vers le haut. Une gorge annulaire 9 ménagée dans la surface cylindrique 7 loge partiellement plusieurs segments 10 disposés à la suite les uns des autres le long de la circonférence du fût 8. Chacun de ces segments 10 fait saillie à partir de la gorge 9 vers l'intérieur du fût et présente une surface plane radiale 11 contre laquelle s'appuie la surface plane radiale définie par le côté de la section trapézoïdale du joint perpendiculaire aux bases. Lors de l'assemblage de la vanne, on enfonce le chapeau 6, muni du joint 1, dans le fût 8 jusqu'à ce que la gorge 9 soit suffisamment dégagée pour permettre l'introduction des segments 10. On fait alors remonter le chapeau jusqu'à ce que la face supérieure du joint vienne en contact avec les segments 10. On place sur l'extrémité ouverte du fût et sur la région périphérique du chapeau un couvercle annulaire 13 présentant des trous traversants 14 en regard de trous filetés 15 prévus dans le chapeau. Des vis 16 se vissant dans les trous 15 et dont les têtes s'appuient sur la face extérieure du couvercle 13 permettent de serrer le joint entre la surface tronconique 5 du chapeau et la surface 11 des segments 10 avec une force élevée. Selon l'invention, l'âme métallique du joint 1 comprend une pièce radialement extérieure 17 de section axiale sensiblement rectangulaire et une pièce radialement intérieure 18 de section axiale trapézoïdale rectangle dont le côté incliné définit une surface libre 3 reposant sur la surface tronconique 5 du chapeau 6. La face cylindrique radialement intérieure 19 de la pièce 17 est ajustée, au voisinage de son extrémité inférieure, sur la face cylindrique radialement extérieure 20 de la pièce 18. Un léger jeu est présent entre la face cylindrique radialement extérieure 21 de la pièce 17 et la paroi 7 du fût 8. Une garniture de graphite expansé 22 est confinée dans un logement dont la section axiale a la forme d'un trapèze rectangle, la grande base et la petite base de ce trapèze étant définies par la paroi 7 et par la face radialement extérieure 23 de la pièce 18, son côté incliné par la face 5 du chapeau et son côté droit par l'extrémité inférieure 24 de la pièce 17. A l'état non monté illustré à la figure 3, la garniture 22 présente, sur sa face inclinée tournée à l'opposé de la pièce 17, des ondulations formant des saillies et des creux annulaires 25, 26. Le côté supérieur de la garniture 22, tourné vers la pièce 17, est recouvert par une coupelle métallique annulaire 27 qui est rabattue à angle droit sur les régions marginales, adjacentes à ce côté, des deux bases du trapèze. Une autre coupelle métallique annulaire 28 recouvre l'arête aiguë 29 de la garniture et les régions marginales, adjacentes à celle-ci, de la grande base et du côté oblique du trapèze. Lors du montage du joint, la face tronconique 3 de la pièce 18 et les saillies 25 de la garniture 22 viennent reposer sur le chapeau 6 de la vanne, les dimensions des pièces étant telles que la face supérieure horizontale 30 de la pièce 17 se trouve plus haut que la face supérieure horizontale 31 de la pièce 18, comme cela est représenté sur la figure 3. On pose sur la face 30 une bague d'appui annulaire 32 qui vient en surplomb de la face 31, et on place au-dessus de cette bague 32 les segments 10 qui pénètrent dans la gorge 9. Le serrage des vis 16 entraîne un coulissement relatif des pièces et 17 et 18, et une compression de la garniture 22 dont les saillies sont écrasées contre la face tronconique 5 du chapeau. Dans l'exemple illustré, la coupelle 28 présente initialement un profil en L ( figure 3) qui est déformé lors du serrage en un profil en V (figure 2). Le mouvement relatif des pièces 17 et 18 et la compression de la garniture s'arrêtent lorsque la face 31 de la pièce 18 arrive en butée sur la bague 32. Les coupelles 27 et 28 évitent le fluage du graphite le long des parois de l'assemblage. Le graphite expansé constituant la garniture 22 peut être remplacé par une autre matière tendre, notamment un élastomère. Bien entendu, le volume du logement correspondant à l'état monté, pour une quantité donnée de matière, doit être ajusté en fonction des propriétés de celle-ci. En cas de démontage du joint, la garniture 22, munie de ses coupelles 27 et 28, peut être aisément remplacée, les pièces 17, 18 et 32 étant réutilisées. Le joint décrit assure l'étanchéité de la vanne en arrêtant le fluide circulant dans celle-ci au niveau de l'arête inférieure de la garniture 22. Ce fluide ne vient donc pas en contact avec les pièces métalliques 17 et 18. Revendications 1. Dispositif d'étanchéité ayant une configuration annulaire autour d'un axe d'assemblage (2), comprenant une âme métallique (17, 18) et une garniture (22) en matière tendre, l'âme métallique comportant une première pièce radialement extérieure (17) et une seconde pièce radialement intérieure (18), mobiles l'une par rapport à l'autre dans la direction axiale de façon à définir par coopération mutuelle un logement de dimensions variables pour la garniture, la première pièce présentant une première surface libre cylindrique (4) tournée radialement vers l'extérieur, prolongée par une première surface d'étanchéité de la garniture, et la seconde pièce présentant une seconde surface libre (3) tournée radialement vers l'intérieur, inclinée par rapport à l'axe, caractérisé en ce que la garniture présente une section axiale sensiblement trapézoïdale dont les grande et petite bases et les côtés latéraux définissent respectivement ladite première surface d'étanchéité, des surfaces de coopération avec la seconde pièce et avec la première pièce et une seconde surface d'étanchéité prolongeant ladite seconde surface libre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une bague d'appui rigide (32) propre à s'appuyer sur l'extrémité axiale (30) de la première pièce opposée à sa face (24) de coopération avec la garniture et à s'approcher, lors du mouvement relatif des deux pièces, de l'extrémité correspondante (31) de la seconde pièce jusqu'à venir en butée de façon à définir une position finale dans laquelle la garniture exerce une action d'étanchéité. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites extrémités (30, 31) viennent en contact avec la bague d'appui (32) par des faces sensiblement planes et radiales. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face de coopération (24) de la première pièce avec la garniture est sensiblement plane et radiale. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde surface libre (3) et la seconde surface d'étanchéité sont sensiblement tronconiques. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la garniture est en graphite expansé. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la garniture est en élastomère. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la garniture présente sur sa seconde surface d'étanchéité des ondulations définissant des saillies et des creux annulaires (25, 26). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une coupelle annulaire (27) de retenue contre le fluage de la garniture, recouvrant sa surface de coopération avec la première pièce et les portions marginales, adjacentes à cette dernière surface, de sa surface de coopération avec la seconde pièce et de la première surface d'étanchéité. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une coupelle annulaire (28) de retenue contre le fluage de la garniture, recouvrant les portions marginales mutuellement adjacentes des première et seconde surfaces d'étanchéité. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une paroi cylindrique concave (7) et un élément central (6) présentant une surface annulaire inclinée (5) définissant avec la paroi annulaire un canal en forme de coin annulaire dans lequel sont logées l'âme métallique et la garniture, cette dernière étant disposée au fond du canal et ses première et seconde surfaces d'étanchéité coopérant respectivement avec ladite paroi annulaire et avec la surface inclinée de l'élément central de façon à former un joint étanche entre la paroi annulaire et l'élément central. 12. Dispositif selon la revendication 11, rattachée à la revendication 2, caractérisé en ce que des forces axiales opposées sont exercées sur ladite seconde surface libre (3) de la seconde pièce par la surface inclinée (5) de l'élément central et sur la bague d'appui (32) par une butée (9, 10) solidaire de la paroi annulaire.