Brevet FR2844572A1 — publié le 20040319

La présente invention concerne un dispositif ou système de sécurité pour récipient ou canalisation de gaz sous pression permettant de pallier toute surpression éventuelle de fluide susceptible de se produire au sein d'un récipient renfermant le fluide, notamment une bouteille de gaz comprimé ou liquéfié, ou d'une canalisation véhiculant le fluide. Les bouteilles de gaz comprimé ou liquéfié sont parfois soumises à des conditions externes accidentelles qui peuvent provoquer leur "explosion" donc de rendre la zone ou 10 elles sont stockées ou utilisées potentiellement dangereuse. Ainsi, les bouteilles de gaz liquéfié ou comprimé peuvent, par exemple, se trouver sur un site o se déclare un incendie ou dans un lieu o subitement il y a une for-te augmentation de chaleur ou encore être soumise à un dépassement accidentel de leur pression interne, lors de leur remplissage, au delà du seuil dit de sécurité. Pour pallier ces risques, les bouteilles sont généralement équipées d'un robinet de gaz avec système de sécurité. Les systèmes de sécurité actuels ne peuvent pallier que l'un des deux risques précédents mais pas les deux à la fois. Ainsi, pour pallier une brusque augmentation de pression interne, il existe des 2 0 organes de sécurité utilisés sur les ensembles bouteilles équipés de robinets généralement prévus pour des gaz liquéfiés, lesquels se présentent sous la forme de disques de rupture. En effet, le volume de gaz liquéfié étant beaucoup plus faible que le volume évaporé, il se peut que, dans certaines conditions de température ambiante ou accidentelle, notamment lors du remplissage, il se produise une forte élévation de la 25 pression dans les bouteilles du fait d'une évaporation rapide du liquide, allant parfois jusqu'à dépasser la pression d'éclatement de la bouteille. Pour éviter ce type d'incident, il est couramment utilisé un disque en général métallique, dont la résistance est choisie avec précision pour que sa rupture ait lieu à une pression de sécurité beaucoup plus basse que la pression d'éclatement de la bouteille sur laquelle il est monté, le gaz 30 s'écoulant alors par un orifice calibré du robinet de manière à engendrer une chute de pression interne dans la bouteille sans danger pour l'entourage immédiat. Les systèmes connus sont efficaces. Pour éviter une explosion des bouteilles de gaz comprimé, lors d'un incendie ou du fait de la proximité d'une source de chaleur, on utilise habituellement un dispositif de 35 sécurité avec fusible thermique et disque de rupture qui permet, lors d'une élévation subite de la température avoisinant les 100 à 1300C par exemple, de libérer le gaz sous pression contenu dans la bouteille. Le métal à basse température de fusion constituant le fusible fond sous l'effet de la chaleur et le disque de rupture se rompt alors sous la pression interne dans les bouteilles, ce qui libère le gaz. Ces systèmes à fusible et disque de rupture, bien qu'efficaces pour ce type d'incident, ne fonctionnent pas en cas de simple élévation de la pression à température ambiante. Le problème qui se pose alors est d'améliorer la sécurité des robinets de gaz équipant les bouteilles de gaz sous pression, c'est-à-dire de proposer un dispositif ou système de sécurité amélioré permettant de satisfaire à l'un ou à l'autre des risques susmentionnés, o aux deux en même temps. En d'autres termes, la présente invention vise à proposer un dispositif ou système de sécurité permettant: - d'une part, de libérer la pression de gaz à l'intérieur d'une bouteille ou de tout 10 autre récipient ou canalisation, lorsque celle-ci atteint une valeur limite déterminée pour satisfaire les conditions de non éclatement de la bouteille, - et, d'autre part, de permettre la libération de la pression de gaz, en cas d'incendie, avant que l'enveloppe de la bouteille ou du récipient renfermant le gaz ne soit trop dégradée ou affaiblie pour éviter son éclatement, avant la valeur limite déterminée 15 ci-dessus. L'invention concerne alors un dispositif de sécurité pour pallier à une surpression de fluide au sein d'un récipient renfermant ledit fluide ou d'une canalisation véhiculant ledit fluide, comprenant un corps dans lequel est aménagé un passage interne comportant une première portion de passage de premier diamètre (d) et une seconde 20 portion de passage de second diamètre (D), avec D > d, ladite première portion de passage débouchant dans ladite seconde portion de passage en formant une portée cylindrique, ladite seconde portion de passage comportant - un disque de rupture formé d'un matériau susceptible de se rompre lorsque la pression de fluide qui s'y exerce devient supérieure ou égale à une valeur seuil donnée, - une pièce fusible formée d'un matériau fusible susceptible de fondre lorsque la température auquel il est soumis devient supérieure ou égale à une température seuil donnée, et - un répartiteur d'effort avec une face avant et une face arrière, situé entre le disque de rupture et la pièce fusible. 3 0 Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le disque de rupture, la pièce fusible et le répartiteur d'effort sont maintenus en position dans la seconde portion de passage au moyen d'une pièce de maintien. - la pièce de maintien comporte un évidement axial interne dans lequel viennent 35 se loger la pièce fusible et le répartiteur d'effort, de préférence la pièce de maintien comporte un filetage sur sa périphérie externe venant coopérer avec un taraudage pratiqué dans la seconde portion de passage de manière à solidariser la pièce de maintien et ladite seconde portion de passage. - la pièce de maintien comporte une extrémité venant appuyer sur une partie de 40 la surface du disque de rupture de manière à le maintenir au contact de la portée cylindrique, de préférence de manière étanche. - le répartiteur d'effort, la pièce de maintien et le corps comportent des orifices ou passages permettant de relier fluidiquement la première portion de passage avec l'atmosphère ambiante en cas de rupture de la membrane. - la pièce de maintien comprend un orifice d'évacuation de métal fondu conçu pour permettre une évacuation du matériau fondu constituant la pièce fusible en cas de fusion de cette dernière. - en cas de fusion de la pièce fusible, le répartiteur d'effort se déplace dans l'évidement dans une direction tendant à l'éloigner du disque de rupture. - un espace annulaire périphérique est aménagé entre une partie de la surface 10 périphérique externe du répartiteur d'effort et la surface de la paroi interne de l'évidement de la pièce de maintien. - le corps, la pièce de maintien, le répartiteur d'effort et/ou la pièce fusible ont une forme cylindrique et/ou sont agencées coaxialement les uns par rapport aux autres. - le corps est formé d'une seule pièce, par exemple en un matériau de type alliage 15 de cuivre ou acier inoxydable. L'invention porte aussi sur un robinet apte à contrôler le débit et/ou la pression d'un fluide, un récipient de fluide sous pression, en particulier une bouteille de gaz, et une canalisation véhiculant un fluide sous pression, en particulier une conduite de gaz, qui sont équipés d'un dispositif de sécurité selon l'invention. 2 0 Sur la Figure 1, on a schématisé un système ou dispositif de sécurité selon l'invention (vu en coupe longitudinale) dont le corps 1 inclut les différents éléments de l'invention. Plus précisément, le corps 1 comporte un raccordement d'entrée fileté 10 et un passage interne lb de gaz sous pression permettant respectivement sa fixation et sa 2 5 connexion sur tout système de distribution de gaz à protéger. Le passage interne lb comprend une première portion de diamètre d et une seconde portion de diamètre D supérieur à d. A titre d'exemple, le diamètre D est de 7 mm à 12 mm et le diamètre d de 1 à 5 mm (avec D > d). Le corps 1 comprend une portée cylindrique lc située sur le passage interne lb 3 0 au niveau de la portion de diamètre D plus élevé, en regard de laquelle est positionné un disque de rupture 5, obturant la première portion lb de passage qui débouche dans la seconde portion (dl) de passage; le disque de rupture 5 vient donc recouvrir et obturer la totalité de l'orifice communiquant entre les deux portions lb, dl de passage et donc aussi au moins une partie de la portée cylindrique lc qui constitue le fond de la portion 3 5 la et o débouche la portion lb. Une pièce (ou bouchon) de maintien 2 filetée à sa périphérie externe 2b permet de réaliser un serrage du disque 5 de rupture ainsi que l'étanchéité sur le fond du corps 1 au niveau de la portée cylindrique lc. Cette pièce de maintien 2 vient se fixer solidairement au corps 1 par vissage, via le filetage 2b, dans la seconde portion de 4 0 passage la de diamètre D dont l'entrée If est taraudée. Un évidement 7 interne de diamètre Dl (avec Dl d) est aménagée dans la pièce de maintien 2, dans lequel est positionné une pièce ou disque fusible 3 à basse température de fusion (typiquement la fusion s'opère si la température excède 1000C environ) et une pièce intercalaire appelée répartiteur d'effort 4. Le diamètre extérieur du répartiteur d'effort 4 est choisi de manière à laisser entre celui-ci et la paroi interne de l'évidement interne 7 de la pièce de maintien 2, un espace annulaire 8 dont la surface est dimensionnée pour l'évacuation de la pression de la bouteille. L'espace annulaire 8 est assez faible pour ne pas créer une partie faible dans cette zone lorsque la pression est appliquée sur le disque 5. Le système est mis en pression par l'arrivée du gaz dans le conduit lb dans le sens de la flèche P. La pression s'applique sur la surface du disque de rupture 5 du côté de la portion de passage lb de diamètre d de sorte que la zone du disque 5 de diamètre dl située en regard de la surface de diamètre d est soumise à l'effort de résistance à la rupture. De là, lorsque la pression de rupture du disque 5 est atteinte dans des conditions de température normale, alors celui-ci 5 se rompt dans sa partie centrale dl et la pression de gaz s'évacue rapidement et successivement par des orifices 4a, 2a puis ld aménagés dans les parois du répartiteur 4, de la pièce de maintien 2 et du corps 1, respectivement, puisque la rupture du disque 5 permet de faire communiquer le passage 20 lb avec l'atmosphère, via lesdits orifices 4a, 2a et id. Par contre, lorsque la température ambiante atteint une valeur élevée par exemple une température comprise entre 1200 et 130 C, alors le disque fusible 3 fond, la matière fondue est alors évacuée par un orifice le aménagé dans la pièce de maintien 2, ce qui libère alors un espace dans l'évidement interne 7 de la pièce de maintien 2. Le répartiteur d'effort 4 recule alors, dans cet espace 7, jusqu'à venir en butée contre la pièce de maintien 2 sous l'effet de la pression du gaz qui s'applique alors dans la portion de diamètre Dl, donc aussi sur la face avant du répartiteur d'effort 4 située en regard du disque 5, ce qui engendre un déplacement dudit répartiteur 4 en éloignement par rapport au disque de rupture 5. La pression interne de la bouteille est alors telle que le disque 5 de rupture se rompt laissant la pression de la bouteille s'évacuer par les orifices 8, 2a et Id. Selon l'invention, en position de repos, le disque repère 5 est donc en appui contre la face avant du répartiteur d'effort 4, ce qui permet d'adapter la configuration requise pour une situation donnée, c'est à dire soit une élévation de la pression, soit une 35 élévation de la température. La position du répartiteur d'effort 4 à l'intérieur de la pièce de maintien 5 est fonction de la présence du disque fusible 3 ou de son absence, suite à une élévation de température et une fusion de celui-ci. Lorsque le répartiteur d'effort 4 est dans la configuration de repos avec le disque 40 fusible 3 présent, la rupture en cas de surpression sans échauffement se réalise sur une surface dl, alors que, lorsque le répartiteur d'effort 4 est dans une position reculée suite à la fusion du fusible 3, la rupture du disque 5 se réalise sur l'effort créé par la pression de gaz s'exerçant alors sur une surface plus importante Dl. L'évacuation de la pression s'effectue dans tous les cas, par des orifices ménagés dans les différents composants, comme expliqué ci-avant, ainsi que par l'espace annulaire 8 entre le bouchon 2 et le répartiteur d'effort 4. Le dispositif de sécurité de l'invention peut être intégré au robinet de la bouteille pour des raisons de réalisation mais celui-ci peut aussi être placé à tout autre endroit permettant son adaptation sur la bouteille. Le système de sécurité de l'invention peut être également installé sur tout circuit 10 sous haute pression devant être protégé contre les surpressions. A titre d'exemple, sur la Figure 2, le système de sécurité de l'invention est schématisé monté sur une bouteille de gaz équipée d'un robinet de sortie du gaz. Revendications 1. Dispositif de sécurité pour pallier à une surpression de fluide au sein d'un récipient renfermant ledit fluide ou d'une canalisation véhiculant ledit fluide, comprenant un corps (1) dans lequel est aménagé un passage interne (la, lb, ld) comportant une première portion (lb) de passage de premier diamètre (d) et une seconde portion (la) de passage de second diamètre (D), avec D > d, ladite première portion (lb) de passage 10 débouchant dans ladite seconde portion de passage (la) en formant une portée cylindrique (ic), ladite seconde portion de passage (la) comportant: - un disque de rupture (5) formé d'un matériau susceptible de se rompre lorsque la pression de fluide qui s'y exerce devient supérieure ou égale à une valeur seuil donnée, - une pièce fusible (3) formé d'un matériau fusible susceptible de fondre lorsque la température auquel il est soumis devient supérieure ou égale à une température seuil donnée et - un répartiteur d'effort (4) avec une face avant et une face arrière, situé entre le disque de rupture (5) et la pièce fusible (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque de rupture (5), la pièce fusible (3) et le répartiteur d'effort (4) sont maintenus en position dans la seconde portion (la) de passage au moyen d'une pièce de maintien (2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de maintien (2) comporte un évidement axial interne (7) dans lequel viennent se loger la pièce fusible (3) et le répartiteur d'effort (4), de préférence la pièce de maintien (2) comporte un filetage sur sa périphérie externe (2b) venant coopérer avec un taraudage (1f) pratiqué dans la seconde portion (la) de passage de manière à solidariser la pièce de 30 maintien (Z) et ladite seconde portion (la) de passage. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la pièce de maintien (2) comporte une extrémité venant appuyer sur une partie de la surface du disque de rupture (5) de manière à le maintenir au contact de la portée 35 cylindrique (1c), de préférence de manière étanche. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le répartiteur d'effort (4), la pièce de maintien (2) et le corps (1) comportent des orifices ou passages (8,4a, 2a, la), respectivement, permettant de relier fluidiquement la -7 première portion (lb) de passage avec l'atmosphère ambiante en cas de rupture de la membrane (5). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la pièce 5 de maintien (2) comprend un orifice d'évacuation (le) de métal fondu conçu pour permettre une évacuation du matériau fondu constituant la pièce fusible (3) en cas de fusion de cette dernière. 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'en cas de 10 fusion de la pièce fusible, le répartiteur d'effort-(4) se déplace dans l'évidement (7) dans une direction tendant à l'éloigner du disque de rupture (5). 8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'un espace annulaire périphérique (8) est aménagé entre une partie de la surface périphérique 15 externe du répartiteur d'effort (4) et la surface de la paroi interne de l'évidement (7) de la pièce de maintien (2). 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le corps -L) la pièce de maintien (2), le répartiteur d'effort (4) et/ou la pièce fusible (3) ont une 20 forme cylindrique et/ou sont agencés coaxialement les uns par rapport aux autres. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps (1) est formé d'une seule pièce, par exemple en un matériau de type alliage de cuivre ou acier inoxydable. 11. Robinet apte à contrôler le débit et/ou la pression d'un fluide équipé d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9. 12. Récipient de fluide sous pression, en particulier une bouteille de gaz, équipée 30 d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9. 13. Canalisation véhiculant un fluide sous pression, en particulier une conduite de gaz, équipée d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9.