Brevet FR2763375A1 — publié le 19981120

La présente invention concerne plus particulièrement des vannes de type haute pression, haute température. Une vanne selon la présente invention est avantageusement, mais non exclusivement utilisée comme vanne de régulation de fluide, de gaz ou liquide, ou encore comme une vanne de purge ou d'arrêt. Elle peut être utilisée, par exemple, comme vanne de prélèvement pour dériver un fluide à partir d'une installation et dans le but d'une analyse. Elle trouve également son application dans le domaine de la régulation fine et précise de débits de gaz ou de liquide, par exemple. Elle peut aussi être avantageusement utilisée, sur des unités pilotes de traitement de produits pétroliers, travaillant dans des conditions strictes de température et de pression, notamment lorsque l'un de ces deux paramètres est supérieur à 400"C, ou supérieur à 400 bars. On peut ainsi l'installer sur des pilotes ou des unités d'hydrotraitement de produits lourds, de résidus sous vide, où la température est voisine de 420"C et la pression de l'ordre de 200 bar. Elle peut avantageusement être installée sur des unités d'hydrocraquage de fractions lourdes (distillats sous vide), pour lesquelles la température est par exemple voisine de 400"C et la pression de l'ordre de 150 bar. Un autre type d'utilisation consiste à l'installer sur des circuits d'alimentation d'unités de traitement en gaz haute pression par exemple pour l'injection d'hydrogène ou d'azote à une pression sensiblement voisine de 400 bar. L'art antérieur décrit différentes approches adoptées pour concevoir des vannes haute pression, haute température, capables de résister aux conditions contraignantes des haute pression / et haute température. Le brevet US 4,256,317 mentionne une approche qui consiste notamment à choisir le matériau de la vanne en fonction de la position du "bonnet" par rapport à la partie de la vanne qui voit le passage du fluide. Ce brevet décrit une vanne ayant un corps dont le matériau est capable de résister aux conditions de température et de pression élevées, et aussi aux problèmes résultant de la rotation de la tige à l'intérieur du corps de la vanne et notamment à l'abrasion qui peut exister. Dans une telle vanne, la rotation de la tige à l'intérieur du corps peut engendrer des défauts au niveau des parois et/ou des éléments assurant l'étanchéité qui à la longue sont néfastes à l'étanchéité de l'ensemble. La présente invention propose une nouvelle approche permettant d'obtenir une vanne résistant aux conditions sévères mentionnées ci-dessus, et notamment d'éviter les problèmes d'usure provenant de la rotation de la tige à l'intérieur de la vanne, pouvant conduire à la création de rayures au niveau des parois latérales de la vanne et notamment au niveau du siège sur lequel vient s'appuyer le pointeau lors la fermeture de la vanne. En effet, du fait des pressions élevées, lorsque l'on vient fermer la vanne par un mouvement de rotation de la tige et donc du pointeau, ce dernier peut venir forcer le siège et générer une usure du siège qui va, à l'usage, créer un espace préjudiciable à l'étanchéité souhaitée. Ainsi, l'objet de la présente invention consiste notamment à concevoir une vanne formée en une seule partie, comportant une tige principale en deux parties, dénommées respectivement tige et pointeau, le pointeau étant déplacé de manière sensiblement axiale dans le corps de la vanne. Une autre caractéristique correspond à la conception du corps de la vanne en une seule partie, par exemple par un moulage judicieusement choisi. La présente invention concerne une vanne susceptible d'être utilisée dans des conditions de pression et/ou de température élevées, comportant un corps de vanne, un ou plusieurs conduits permettant le passage d'au moins un fluide, le ou les conduits communiquant par exemple avec le creux du corps de la vanne, une tige ou tige principale pouvant être déplacée à l'intérieur du corps de la vanne et des moyens assurant l'étanchéité de la vanne. Elle est caractérisée en ce que le corps de la vanne est formée en une seule partie et en ce que la tige principale comporte au moins deux parties dénommées respectivement la tige et le pointeau, la tige et le pointeau étant reliés entre eux par des moyens coopérant avec les moyens d'étanchéité pour assurer la transmission du mouvement de déplacement axial. Le corps de la vanne est de préférence réalisé par moulage, permettant ainsi une augmentation de la tenue en pression. Avantageusement, on ne transmet pas au pointeau un mouvement de rotation et lorsque l'on fait tourner la tige à l'aide d'un moyen quelconque approprié, son mouvement de rotation conduit à un déplacement du pointeau sensiblement axial. Selon un mode de réalisation, le corps de la vanne comporte au niveau de la partie du corps de vanne comprenant le ou les conduits de passage de fluide, un logement ayant une forme adaptée à la forme de l'extrémité du pointeau pour que, lors de l'ouverture de la vanne, on obtienne une variation progressive de la pression ou du débit. L'extrémité du pointeau peut prendre par exemple la forme d'une aiguille de manière à assurer un contrôle plus fin de la variation de pression ou du débit. Les conduits permettant le passage de fluide sont, de préférence, disposés sensiblement sur un même axe. Selon un mode de réalisation, la vanne est munie de moyens permettant d'assurer le refroidissement du boîtier de presse-étoupe, par exemple une ou plusieurs séries d'ailettes qui sont disposées sur au moins une partie de la longueur du corps de la vanne et de préférence sur la partie qui ne comprend pas les passages permettant la circulation des fluides. La vanne peut comporter deux plats permettant le resserrage de ce presse-étoupe, en fonctionnement ou encore des parties permettant le positionnement aisé d'outils. La présente invention offre notamment les avantages suivants: + le déplacement non rotatif du pointeau permet de minimiser la création de défauts au niveau des parois internes du corps de la vanne, diminuant l'étanchéité de la vanne, + la forme adaptée de l'extrémité du pointeau venant s'appuyer sur le siège avec le logement du corps permet de contrôler les variations de pression ou de débit lors de l'ouverture complète ou partielle de la vanne, le moulage du corps de la vanne augmente la résistance en tenue en pression. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, en se référant aux dessins annexés où: la figure 1 montre une coupe d'une vanne selon l'invention comportant une tige en deux parties, e la figure 2 est un détail d'une autre variante de réalisation pour laquelle le pointeau a une forme d'aiguille, et la figure 3 montre une variante de réalisation d'une vanne selon l'invention pouvant être utilisée comme vanne d'angle. La figure 1 montre une première réalisation d'une vanne comportant un corps 1 comportant une partie inférieure 1A et une partie supérieure 1B, le corps de la vanne est moulé en une seule pièce dans un matériau choisi pour tenir les conditions d'utilisation haute pression, haute température et comporte un creux 2 s'étendant sensiblement sur toute la longueur du corps et selon son axe longitudinal. Le matériau utilisé pour le moulage est traité pour améliorer sa tenue aux pressions et/ou aux températures élevées. La partie 1A du corps de la vanne comporte par exemple un ou plusieurs passages de circulation des fluides, respectivement par exemple un conduit d'introduction 3 et un conduit de sortie 4, les conduits 3 et 4 communiquant avec le creux 2 du corps de la vanne et débouchant dans un logement 15. Selon un mode de réalisation préférentielle, les raccordements entrée et sortie du fluide 3 et 4 sont situés sensiblement dans le même axe de façon à faciliter le montage des vannes sur les installations. Le creux 2 du corps de la vanne est par exemple équipé, au niveau de la partie 1B, d'un presse étoupe 5, d'une lunette 6 ou fouloir, d'une garniture 7 et d'une bague d'appui 8. Ces éléments 5, 6, 7 et 8 permettant notamment d'assurer l'étanchéité de la vanne, ainsi que le déplacement du pointeau 12 à l'intérieur du corps de la vanne de façon sensiblement axiale. De préférence, les moyens d'étanchéité et notamment la garniture 7 sont déportés de la zone susceptible d'atteindre des températures élevées, et éloignés des parties de la vanne qui voient les conduits d'entrée et de sortie 3, 4. La partie 1B du corps de la vanne comporte par exemple au moins un orifice ou trou de fuite 9 situé par exemple au niveau du presse-étoupe 6. Il sert notamment comme indicateur de fuite, dans le cas où un produit, tel qu'un gaz, un fluide ou un liquide prélevés et circulant dans les conduits 3 et 4, remplirait le creux 2 de la vanne et s'écoulerait le long du pointeau. Le nombre et la position de ces trous de fuite dépendent notamment du modèle de vanne, notamment de la longueur de sa partie 1B de la vanne. La vanne comporte une tige principale 10 comportant par exemple au moins deux parties 11, 12, dénommées respectivement ci-après tige et pointeau, chacune comportant deux extrémités 1 la, 1 lob et 12a, 12b. La tige 1 1 et le pointeau 12 sont par exemple reliés au niveau des extrémités 1 lob et 12a, par exemple, à l'aide de moyens 13 assurant notamment leur maintien et la transmission du mouvement de déplacement d'un élément (tige, pointeau) à un autre, tout en évitant de transmettre le mouvement de rotation de la tige au pointeau, ce dernier ayant un déplacement sensiblement axial à l'intérieur du creux du corps de vanne. L'extrémité 1 la de la tige 11 est reliée par exemple à une poignée 14 ou à tout autre moyen de la tige de façon manuelle ou automatique. L'extrémité 1 2b du pointeau non reliée à la tige 11 présente par exemple une forme choisie, pour coopérer avec la forme du logement 15 situé dans la partie 1A. Lorsque la vanne se trouve dans une position fermée, le pointeau permet de bloquer les conduits de passage 3 et 4, assurant ainsi l'étanchéité de la vanne en position fermée. Pour un pointeau ayant une forme sensiblement tronconique, comme schématisé sur la figure 1, formée par une première partie 21 prolongée par une seconde partie 22 et une partie 23, le logement 15 peut comporter un épaulement 24 ou siège sur lequel vient s'appuyer la partie 21 du pointeau, lorsque la vanne est dans une position fermée. Dans ce cas, I'adaptation de la forme conique du pointeau et le contact de la partie 21 sur l'épaulement 24 permet une étanchéité parfaite de l'ensemble. La partie 22 présente des dimensions géométriques, par exemple une longueur et une largeur ou circonférence choisies pour que le pointeau obstrue les conduits 3 et 4. Avantageusement, la forme de l'extrémité du pointeau est choisie pour que lorsque l'on ouvre la vanne, c'est-à-dire lors d'un déplacement de la tige entraînant le pointeau, on obtienne une variation progressive de pression ou de débit à la place d'une variation brusque. L'extrémité 12b du pointeau peut présenter différentes géométries telles que par exemple, mais non exclusivement, une géométrie tronconique ou encore une forme en aiguille telle que décrite dans la figure 2, cette dernière permettant d'améliorer et d'affiner le contrôle de variation de pression. Le déplacement de la tige 11 à l'intérieur du corps de la vanne s'effectue manuellement à l'aide d'une poignée, mais peut aussi sans sortir du cadre de l'invention être réalisé automatiquement, par exemple en reliant l'extrémité ll A de cette tige à un dispositif approprié et connu de l'homme du métier. Ce déplacement peut être un déplacement en rotation ou encore en translation. Du fait des moyens de liaison et de la présence des moyens d'étanchéité, seul le mouvement de déplacement axial est transmis au pointeau. En désolidarisant les mouvements de la tige et du pointeau, pour que le déplacement du pointeau se déplace de manière sensiblement axial, on évite ou on minimise les risques de rayures ou d'aspérités en particulier au niveau du presse étoupe, de la lunette et/ou du siège. Les défauts ainsi créés peuvent en effet diminuer à la longue l'étanchéité de l'ensemble de la vanne. De plus, on diminue l'usure du siège et les risques des grippages pouvant résulter de la combinaison d'un mouvement de rotation tel que décrit dans les vannes de l'art antérieur et d'une pression importante. Le corps de la vanne est de préférence moulé ou fabriqué dans un matériau susceptible de résister à des fluides corrosifs tels que N2, H2S, H2 et/ou des hydrocarbures gazeux ou liquides. La garniture est par exemple réalisée en PEEK, ou en Téflon graphite. Selon un mode de réalisation, le corps 1 de la vanne a une forme évasée (figure 1) sur au moins une partie de la longueur de sa partie supérieure 1B, la partie la plus large étant située de préférence vers l'extrémité de la vanne qui ne comporte pas les conduits 3 et 4. Une telle forme permet d'augmenter la tenue mécanique de l'ensemble. La partie évasée de la vanne comporte par exemple deux ou plusieurs plats (non représentés sur la figure) de façon à faciliter la prise de certains outils. La vanne peut ainsi être équipée de plusieurs zones ayant des géométries adaptées pour la prise d'outils. Une vanne peut être pourvue au niveau de sa partie inférieure 1A de moyens permettant d'assurer sa fixation, par exemple à une unité de traitement ou tout autre dispositif où la vanne doit être installée comme vanne de prélèvement et/ou de régulation.. Le corps de la vanne, par exemple sur la partie 1B, comporte une ou plusieurs séries d'ailettes référencées Ai, chaque série comportant, par exemple, au moins une ailette. La ou les séries d'ailettes sont réparties sur au moins une partie de la longueur de la partie supérieure 1B située en dessous de la partie évasée, par exemple, qui ne comporte pas les conduits 3, 4. Ces ailettes permettent notamment une circulation d'air qui assure au moins en partie le refroidissement de la vanne. Le nombre des ailettes Ai, leur épaisseur et l'écartement entre les ailettes sont par exemple déterminés en tenant compte d'au moins un des paramètres suivants: - le matériau utilisé pour le corps de la vanne, - les conditions de température et/ou de pression prévues pour l'utilisation de cette vanne, par exemple les conditions maximales. La figure 2 présente en coupe un autre mode de réalisation d'une vanne selon l'invention dont l'extrémité du pointeau assurant la fermeture et l'ouverture des voies de passage des fluides, a une forme sensiblement assimilable à celle d'une aiguille sur au moins une partie de sa longueur. Cette extrémité 12B comporte par exemple une première partie 30 ayant une forme sensiblement conique et qui est prolongée par une seconde partie 31 ayant une longueur 1 qui va en s'évasant faiblement sur sensiblement la totalité de sa longueur 1. La partie 1A du corps de la vanne comporte un logement 15 ayant une forme qui correspond sensiblement à la forme d'aiguille de l'extrémité 1 2B et qui comporte une première partie 40 et une seconde partie 41. La pente du plat de la partie 40 correspond sensiblement à celle de la pente de la partie 30 pour assurer une étanchéité parfaite lorsque la vanne est dans une position fermée de préférence sans utilisation de joints d'étanchéité supplémentaire, le contact métal-métal s'avèrant en régle générale suffisant. La seconde partie 41 a une longueur sensiblement égale et légèrement supérieure à celle de la seconde partie 31 de l'aiguille pour que les parties 30 et 40 se touchent. La dimension en largeur de cette partie 41 est légèrement supérieure aux dimensions correspondantes de la seconde partie de l'aiguille 31 pour que l'espace entre ces deux éléments soit inexistant en position fermée tout en laissant possible le déplacement du pointeau à l'intérieur de la vanne. Dans la position fermée, l'aiguille obture les conduits d'entrée et de sortie 3 et 4. Lors de l'ouverture de la vanne c'est-à-dire lorsque l'on déplace la tige, un espace 45 se crée entre la partie inférieure de l'aiguille et le logement. Dès que l'aiguille "découvre" le passage 3, par exemple le fluide circule et pénètre dans l'espace 45. Au fur et à mesure de son déplacement l'espace augmente et il y a augmentation de la circulation de fluide, jusqu'à ce que le pointeau découvre la voie de passage 4, par exemple la voie de sortie du fluide. Le fluide va ainsi circuler de la partie 3 en passant par l'espace 45 avant d'être évacué par le passage 4. La dimension du logement et celle de l'aiguille sont choisies pour minimiser les variations de pression et/ou de débit lors de l'ouverture de la vanne. Selon un mode de réalisation, la vanne est équipée de moyens de blocage des éléments pouvant tourner, ou bouger par rapport à leur position initiale, sous l'effet de vibrations importantes ou encore du fait des conditions de température et de pression élevées. Un exemple de ces éléments est schématisé sur la figure 3 et référence 50. Il est ainsi possible d'éviter au presse étoupe, par exemple de tourner et de se dévisser du corps de vanne. Pour éviter un tel problème, on dispose des moyens de maintien entre le presse étoupe et le corps de la vanne. Dans le cas de vannes ayant une partie 1B présentant une longueur importante et un nombre élevé d'ailettes, par exemple 19 ailettes, il est avantageux de disposer, par exemple deux trous de fuite, du type de celui référence 9 sur la figure 1 permettant un contrôle d'étanchéité à deux niveaux, un premier trou disposé par exemple au-dessus de la série d'ailettes, et un deuxième trou situé par exemple en dessous des ailettes. Ce type de vanne est aussi équipée de moyens permettant de guider le pointeau lors de son déplacement à l'intérieur du creux 2 de la vanne, tel qu'une bague de centrage, une lentille permettant d'assurer une étanchéité en partie basse. La figure 3 montre une vanne utilisée par exemple comme vanne d'angle du fait de la position spécifique des conduits 3, 4 au niveau de la partie 1A du corps de la vanne. Dans ce cas, le conduit d'entrée de fluide a un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du passage permettant d'extraire ce fluide. Cette vanne peut être équipée des moyens spécifiques précédemment mentionnés, tels que des ailettes, des moyens de guidage du pointeau, des moyens de fixation. Sans sortir du cadre de l'invention, le pointeau peut être constitué d'une ou de plusieurs parties, I'ensemble de ces parties étant déplacées transversalement, c'est-à-dire selon l'axe longitudinal de la vanne. REVENDICATIONS 1 - Vanne pouvant être utilisée dans des conditions de pression et de température élevées, comportant un corps de vanne (1), au moins un conduit (3, 4) permettant le passage d'au moins un fluide, lesdits conduits étant en communication avec le creux (2) du corps de la vanne, une tige (11) pouvant être déplacée à l'intérieur du corps de la vanne et des moyens (5, 6, 7, 8) assurant l'étanchéité de la vanne, caractérisée en ce que le corps de ladite vanne est monobloc, formée en une seule partie et en ce que la tige principale (10) comporte au moins deux parties dénommées respectivement la tige (11) et le pointeau (12), la tige et le pointeau étant reliés entre eux par des moyens (13) assurant la transmission du mouvement pour obtenir un déplacement sensiblement axial dudit pointeau à l'intérieur dudit corps. 2 - Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps de la vanne est moulée. 3 - Vanne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le corps de la vanne comporte dans la partie comprenant les conduits (3, 4), un logement ayant une forme adaptée à la forme de l'extrémité du pointeau, pour que lors de l'ouverture de la vanne, on obtienne une variation progressive de la pression. 4 - Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extrémité du pointeau a une forme d'aiguille. 5 - Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les conduits (3, 4) sont disposés sensiblement sur un même axe. 6 - Vanne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la vanne est munie d'ailettes (Ai) disposées sur au moins une partie du corps de la vanne. 7 - Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité comportent un presse étoupe (5) et en ce que la ou les ailettes (Ai) sont situées entre le presse étoupe et la partie du corps de la vanne comportant les moyens de passage (3, 4).