Brevet FR2892791A1 — publié le 20070504

DISPOSITIFS DE PERTE DE CHARGE VARIABLE ET /OU DE FERMETURE ET D'ETANCHEITE A CARTOUCHE INTERNE ET TUBE MOBILE DESCRIPTION Domaine de l'invention La présente invention décrit un dispositif de perte de charge variable et/ou de fermeture et d'étanchéité à siège pouvant être utilisé sur des circuits véhiculant des fluides gazeux ou liquides. Son but est de créer une perte de charge singulière variable sur la conduite en fonction du déplacement d'un tube mobile (5), très faible en début de course et très importante en fin de course, voire une étanchéité autoclave. Et ceci en ne nécessitant qu'une puissance de manoeuvre très faible. Le dispositif s'applique à toutes les fonctions pouvant être remplies par tous les types de vannes ou de robinets existants. Le dispositif a pour but de remplacer les vannes ou robinets existants actuellement, en diminuant les puissances nécessaires à leur manoeuvre et en améliorant l'écoulement du fluide. Etat de la technique antérieure et problème posé Les vannes, ou les robinets existants remplissent soit une fonction de régulation de débit soit une fonction de fermeture et d'étanchéité. Aucun dispositif ne permet de remplir les deux fonctions. Quatre grands principes technologiques existent : Les vannes à siège constituées par l'avancée d'un opercule contre un siège, les vannes à sièges parallèles constituées par deux opercules glissant perpendiculairement à la veine fluide pour s'appuyer sur les sièges en fin de course, les robinets à tournant sphérique ou cylindrique où la fermeture est constituée par la rotation du noyau percé, et les vannes à papillon. Les vannes à siège présentent l'avantage de pouvoir étanchéifier des pressions très hautes et des températures élevées. Par contre dans ce type de vanne, le fluide doit passer au travers du siège. La tige qui tient l'opercule vient s'appuyer sur le siège, l'écoulement du fluide suit soit un parcours en forme de Z, soit un angle à 90 . Ceci induit une perturbation de l'écoulement et une perte de charge. Les vannes à sièges parallèles permettent une circulation du fluide moins perturbée. Mais leur conception ne permet pas de faire de la régulation. L'écoulement est très perturbé pendant la fermeture, leur mécanisme est compliqué et elle enferme une quantité de fluide entre les deux opercules qui en cas de dépressurisation peut au mieux empêcher la vanne de s'ouvrir. De plus le frottement des opercules sur les sièges pendant les manoeuvres raye les sièges et détériore la vanne. Les robinets à passage intégral sont généralement des robinets à tournant sphérique ou cylindrique. Ces robinets reconstituent la veine fluide de façon intégrale mais présentent deux inconvénients. Le premier de ces inconvénients est la difficulté de pouvoir étanchéifier parfaitement le robinet entre l'amont et l'aval car les surfaces d'étanchéité frottent les unes sur les autres lors des manoeuvres et s'en trouvent rayées, ce qui rend la réalisation de ces robinets en haute pression et haute température impossible. Le deuxième inconvénient est le couple élevé nécessaire à la manoeuvre du robinet du fait des frottements importants des surfaces d'étanchéité, rendant problématique la réalisation de ces vannes en gros diamètre et très difficile la fonction de régulation. De plus, elles possèdent généralement une zone de rétention. Les vannes à papillons peuvent être utilisées en organe de régulation mais ne sont pas très étanches. De plus, la perte de charge est générée par la simple réduction de la section de passage du fluide et non par des dispositifs de variation de la trajectoire du fluide. Les vitesses de sortie sont donc très importantes. Elles provoquent une perturbation de la veine fluide et sont sujettes à des oscillations. Le problème posé par les vannes et les robinets actuellement utilisés est qu'aucune des réalisations existantes ne combinent une fonction de régulation et une fonction de fermeture et d'étanchéité. De plus, les plages de régulations sont souvent limitées.35 Résumé de l'invention Le dispositif objet de l'invention consiste à réaliser une vanne de régulation engendrant une perte de charge très faible à pleine ouverture et très importante en fin de course, voire une étanchéité autoclave sur siège permettant une bonne étanchéité en haute pression et en haute température tout en gardant un couple de manoeuvre très faible. Pour ce faire, on place sur une conduite un support (2a), (2b), (2c), (2d), (2e) ou (2f) sur lequel on fixe une cartouche (3a), (3b), (3c), (3d), (3e) ou (3f) contenant la quasi-totalité des organes nécessaires au fonctionnement du dispositif. Le fluide passe à travers des ouvertures (6a) ou (6b) à travers une partie de la cartouche (3a), (3b), (3c), (3d), (3e) ou (3f). Un tube mobile (5) obture plus ou moins ces ouvertures (6a) ou (6b) suivant la perte de charge désirée. Des dispositifs de perte de charge additionnels peuvent compléter les ouvertures (6a) ou (6b) et adapter le dispositif aux différents écoulements. Un siège d'étanchéité est éventuellement placé en fin de course. L'utilisation d'un tube mobile (5) comme opercule diminue les masses à déplacer et les forces de pression et donc l'énergie à mettre en oeuvre pour manoeuvrer le dispositif. Avantages Le dispositif permet de réaliser des vannes de régulation et de fermeture quelque soit la pression et la température et ceci avec une très faible perte de charge en position complètement ouverte. L'organe mobile de régulation (5) et de fermeture peut être léger, ce qui est particulièrement avantageux pour les gros diamètres. Il permet de choisir la force d'appui autoclave par le réglage de la position du contact entre le siège (4) et le tube mobile (5). Le faible poids des organes en mouvement ainsi que le réglage de la force autoclave engendrent un couple de manoeuvre très faible, donc de petites motorisations. Grâce à cela, la réalisation de vannes actionnées par générateur autonome est possible. En effet, la faible puissance nécessaire à la manoeuvre peut-être générée à partir du fluide ou à partir de l'environnement extérieur, stockée, puis utilisée par un actionneur qui peut être commandé à distance par un transmetteur. Ceci représente par exemple un gros avantage pour l'application sur des oléoducs pour lesquels l'application du dispositif selon l'invention permet de supprimer les câblages pour l'alimentation, long parfois de plusieurs centaines de kilomètres. Liste des figures Le dispositif objet de l'invention sera mieux compris à la lecture ci-après, suivie de plusieurs figures représentant respectivement : La figure 1 décrit l'application du dispositif préféré selon l'invention représenté en coupe, en position dite fermée , c'est-à-dire lorsque le dispositif bloque le passage du fluide. La figure 2 représente une variante du dispositif selon l'invention sans dispositif de perte de charge, en position dite ouverte , c'est-à-dire lorsque le dispositif laisse libre le passage du fluide et en engendrant sur celui-ci une perte de charge minimale. La figure 3 représente une variante du dispositif selon l'invention, utilisant un support (2c) de taille réduite, un dispositif d'entraînement hydraulique 15 (19) et (22) et des ouvertures (6b) de forme cylindrique. La figure 4 représente une variante du dispositif selon l'invention, utilisant un support (2d) fixé de manière permanente à la conduite (1) et un dispositif d'entraînement autonome (21) et (23) et radiocommandé (24). Les figures 5a et 5b représentent des vues agrandies de la figure 1 et 20 permettent de mieux comprendre le rôle des butées (26). La figure 6 représente une variante du dispositif selon l'invention, utilisant un support (2e) placé de telle manière à porter la cartouche (3e) de façon équilibrée et non en porte-à-faux. La figure 7 représente une vue de gauche coupée du support (2e) utilisé dans 25 la figure 6. La figure 8 représente une variante du dispositif selon l'invention, utilisant un support (2f) placé de telle manière à porter la cartouche (3f) de façon équilibrée et non en porte-à-faux. Le tube (5) est externe à la cartouche (3f). La figure 9 représente une vue de gauche coupée du support (2f) utilisé dans 30 la figure 8. La figure 10 représente, en éclaté, un exemple de dispositif de perte de charge composé d'un support ajouré (7) et de plaques (33), (34), (35), (36) et (37). La figure 11 représente, en éclaté, un autre exemple de dispositif de perte de 35 charge composé de billes (39). Exposé détaillé de l'utilisation du procédé selon l'invention La figure 1 décrit l'application préférée selon l'invention en position fermée, c'est-à-dire bloquant le passage du fluide. L'invention est constituée par un dispositif permettant de réaliser une perte de charge singulière variable et/ou la fermeture et l'étanchéité entre deux parties d'un circuit fluide. L'invention s'installe sur une conduite (1). Elle est constituée d'un corps (2a), fixé ici de façon démontable sur la conduite (1), portant, ici en porte-à-faux, une cartouche interne (3a). La fixation est faite par des vis (11). Cette cartouche (3a) est pour l'exemple fermée par un capot (25) qui permet les interventions de maintenance à l'intérieur de la cartouche (3a). Des ouvertures (6a) sont pratiquées à travers la cartouche (3a), à l'intérieur desquelles passe le fluide. Ces ouvertures sont pour l'exemple complétées de dispositifs de perte de charge composés d'un support (7) sur lequel sont fixées les plaques (33), (34), (35), (36) et (37). En passant à travers ce dispositif de perte de charge, le fluide perd de l'énergie. La figure 10 représente en détail ce dispositif de perte de charge. Le dispositif de perte de charge, sur la figure 1, est pour l'exemple fixé par des vis (13) sur la cartouche (3a). Les différentes plaques (33), (34), (35), (36) et (37) peuvent être montées et démontées sans démontage complet de la vanne. Ces plaques peuvent être adaptées à un écoulement particulier (nature du fluide, débit, pression, etc.). Le tube mobile (5), lorsqu'il coulisse, obture plus ou moins les ouvertures (6a) et donc les dispositifs de pertes de charge (7), faisant ainsi varier la perte de charge singulière que crée le dispositif sur l'écoulement. La forme des ouvertures (6a) peut aussi être adaptées en fonction des différentes applications. Lorsque le tube mobile (5) arrive en fin de course, il est en contact avec un siège (4), fixé pour l'exemple sur le support (2a) par des vis (12). Ce contact crée une étanchéité entre l'amont et l'aval du dispositif. Des butées (26) limitent la déformation du contact entre le siège (4) et le tube (5). Les figures 5a et 5b représentent en détail le rôle des butées (26). L'étanchéité ainsi créée est autoclave, c'est-àdire que la pression amont applique une force sur le tube (5) allant dans le sens de la fermeture. Cette force peut être choisie par le rapport des surfaces du tube (5) et de son axe (18) soumises aux forces de pression amont et aval. Le tube (5) est poussé par un axe (18) guidé par un guidage (15) et étanchéifié par un joint (14). Le dispositif d'entraînement de l'axe (18) est pour l'exemple un système bielle (9a) et (9b) û manivelle (8), poussé par un actionneur (10). Ce dispositif d'entraînement présente l'avantage d'être indépendant des variations de positionnement entre la cartouche (3a) et le support (2a) dues par exemple aux dilations thermiques, aux forces de pression ou au poids de la cartouche (3a). Lorsque l'actionneur (10) est désaccouplé du système bielle manivelle, l'ensemble de la cartouche (3a) et de toutes les pièces qu'elle porte, se 10 démontent en un seul bloc après retrait des vis (11). La figure 2 représente une variante de l'application préférée selon l'invention en position ouverte, c'est-à-dire engendrant une perte de charge minimale sur l'écoulement. 15 Les ouvertures (6a) sont dans l'application préférée selon l'invention et pour l'exemple de forme rectangulaire, nues, et le déplacement du tube mobile (5) fait varier la perte de charge engendrée sur le fluide lorsqu'il passe par les ouvertures (6a). Le dispositif d'entraînement du tube (5) et de son axe (18) est une 20 crémaillère (17) entraînée par un pignon (16) accouplé à un actionneur (29). Une bride d'ouverture latérale (30) complète le support (2b) et permet l'accès à l'intérieur de la conduite (1) et du dispositif selon l'invention sans démontage total de ce dernier. La cartouche (3b) ne comporte pas de capot de fermeture. 25 La figure 3 représente une variante de l'application selon l'invention en position ouverte. Le support (2c) est ici de taille très réduite et la cartouche (3c) est interne à la conduite (1). 30 Le dispositif d'entraînement du tube (5) et de son axe (18) est un vérin (19) commandé par un actionneur (22). Le fluide de commande est véhiculé dans des flexibles (20), rendant indépendant la position de la cartouche (3c) par rapport à la conduite (1). Les ouvertures (6b) sont, pour l'exemple, de forme cylindrique. 35 La figure 4 représente une variante de l'application selon l'invention en position ouverte. Le support (2d) est fixé de manière permanente à la conduite (1). Ce support (2d) est de taille réduite et est interne à la conduite (1). Il supporte la cartouche (3d) qui porte un dispositif de génération autonome d'énergie composé d'une turbine (21) et d'un dispositif de stockage et d'actionnement (23). Le dispositif peut-être radiocommandé par le radiotransmetteur (24). Les supports percés (7) des dispositifs de perte de charge ont une taille inférieure aux ouvertures (6a). Ceci permet, en position ouverte, de n'engendrer que des pertes de charge minimes sur l'écoulement. Lorsque le tube (5) coulisse et commence à recouvrir les supports percés (7), la perte de charge augmente plus rapidement. Cette disposition permet donc de ne créer qu'une perte de charge minime en pleine ouverture puis plus importante à partir d'une certaine course du tube (5). Les figures 5a et 5b représentent des vues agrandies des organes de perte de 15 charge et de fermeture du dispositif selon la figure 1. Les plaques (33), (34), (35), (36) et (37) ne sont ici pas représentées. Ces figures permettent de mieux comprendre le fonctionnement des butées (26), qui limitent la déformation du contact cylindrique entre le siège (4) et le tube (5). 20 En effet, le contact entre le tube (5) et le siège (4) se fait sur une surface faible et l'un ou l'autre du tube (5) ou du siège (4) est réalisé dans un matériau relativement mou. Sur la figure 5b, pour l'exemple, c'est le tube (5) qui est réalisé dans un matériau relativement mou et qui se déforme. Il y a une déformation importante sur la surface de contact qui risque de 25 s'endommager. Cette déformation est néanmoins souhaitable pour assurer une bonne étanchéité. Les butées (26), réalisées dans un matériau relativement dur, ne se déforment quasiment pas et fixent donc la valeur maximale de la déformation du tube (5), en limitant le déplacement du tube (5) par rapport 30 au siège (4). La figure 6 représente une variante de l'application selon l'invention en position ouverte. Le support (2e) porte la cartouche (3e) de façon équilibrée et non plus en 35 porte-à-faux comme dans les figures précédentes. L'actionneur (10) pousse une pièce dentée (27) qui entraîne en translation le tube (5) par l'intermédiaire d'une crémaillère (28). La figure 7 représente en vue de gauche coupée le support (2e) représenté dans la figure 6. Des secteurs sont découpés de manière à laisser passer le fluide. La figure 8 représente une variante de l'application selon l'invention en position ouverte. Le support (2f) porte la cartouche (3f) de façon équilibrée et non plus en porte-à-faux comme dans les figures précédentes. Le tube (5) est externe à la cartouche (3f). Le support (2f) est plein et le 10 fluide passe à l'intérieur de la cartouche (3f), à travers les ouvertures (31), (32) puis (6b). La figure 9 représente en vue de gauche coupée le support (2f) représenté dans la figure 8. Ce support (2f) est plein de manière à forcer le passage du 15 fluide par les ouvertures (31), (32) puis (6b). La figure 10 représente en détail un exemple de dispositif de perte de charge composé d'un support percé (7) ainsi que de grilles rainurées ou percés (33), (34), (35), (36) et (37), pour l'exemple au nombre de 5. Le trajet du fluide 20 est représenté par la ligne épaisse fléchée. La perte de charge est créée par le passage à travers les rainures et les trous du support (7) et des grilles (33), (34), (35), (36) et (37). La variation du coefficient de perte de charge de l'application selon l'invention est obtenue par l'obturation par le tube (5) d'un nombre variable de trous sur le support 25 percé (7). Le dispositif de perte de charge est aussi adaptable à un écoulement donné (nature du fluide, débit, pression, etc.) par la modulation, hors fonctionnement, du nombre et du positionnement des trous et rainures sur le support (7) et les grilles (33), (34), (35), (36) et (37), par la variation du 30 nombre et de l'ordre des grilles, et enfin par la variation de la forme générale et de la nature des grilles et du support (7). Le nombre de dispositifs de perte de charge peut également être modulé puisqu'un ou plusieurs dispositifs de perte de charge peut être tout simplement enlevé ou bien remplacé par une plaque pleine. 35 Ceci permet, par exemple, de linéariser la perte de charge en fonction du déplacement du tube (5). La position régulation correspond au positionnement du tube (5) en face du support (7). Pour permettre la variation de la perte de charge en position ouverte (hors régulation), le support (7) et les grilles (33), (34), (35), (36) et (37) peuvent être remplacés par des éléments de tailles différentes ayant la même fonction. Ceci permet d'adapter la perte de charge minimale lorsque le dispositif est en position ouverte. Sur la figure 10, pour l'exemple, le support (7) et les grilles (33), (34), (35), (36) et (37) sont de taille inférieure à l'ouverture (6a) de la cartouche (3a). Cette disposition permet une régulation entre zéro et cent pourcent du débit. Le montage et le démontage de ces dispositifs de perte de charge se font hors fonctionnement et indépendamment les uns des autres, mais sans démontage complet de la cartouche (3a). En effet, lorsque le tube (5) est en position ouverte, le support (7) peut être facilement démonté par le démontage des vis (13). La figure 11 représente en détail un autre exemple de dispositif de perte de charge composé d'un support percé (7) sur lequel est fixée une boîte (38) remplit de billes (39) et fermée par une plaque ajourée (40). Le fluide, en passant à travers les billes (39) comme représenté par la ligne épaisse fléchée, perd de l'énergie. Le diamètre des billes (39) ainsi que les dimensions de la boite (38) peuvent être modulés de manière à faire varier la perte de charge engendrée sur le fluide, à adapter le dispositif à un écoulement donné (nature du fluide, débit, pression, etc.) et éventuellement à linéariser la perte de charge en fonction du déplacement du tube (5). 30 35 101] REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de créer une perte de charge singulière variable sur une conduite (1) véhiculant un fluide, ou d'assurer l'étanchéité entre l'amont et l'aval de cette conduite, ou les deux, comprenant notamment : une ou plusieurs parties fixes (2a), (2b), (2c), (2d), (2e), (2f) ou (30), désignées dans leur ensemble support; - une ou plusieurs parties amovibles (3a), (3b), (3c), (3d), (3e), (3f) ou (25), désignées dans leur ensemble cartouche; - un tube mobile (5) interne ou externe à la cartouche, porté par la cartouche ; caractérisé en ce que la cartouche, fixée et portée par le support, lui même relié à la conduite (1), est interne à la conduite, et en ce que la cartouche guide le fluide notamment au travers de trous (6a) ou (6b) réalisés dans la cartouche, pouvant être obturés par le tube mobile (5), et caractérisé en ce que la cartouche peut être démontée et retirée en une seule partie. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est mu par un dispositif d'entraînement indépendant des variations de positionnement entre la cartouche et le support induits notamment par les dilatations thermiques ou les efforts de pression. 3. Dispositif, selon la revendication 1, ou 2, caractérisé en ce que le 25 dispositif d' entraînement du tube mobile (5) est fixé sur la cartouche. 4. Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les supports à la cartouche sont amovibles par rapport à la conduite (1). 5. Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou les supports à la cartouche sont fixés de façon permanente à la conduite (1). 6. Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que tous ou une partie des trous de passage (6a) ou (6b) du fluide dans la cartouche sont complétés de dispositifs de perte de charge ; lesquels complètent de manière totale ou partielle les trous de passage (6a) ou (6b). 10 15 20 30 35. Dispositif, selon les revendications 1 et 6, et selon l'une des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le ou les dispositifs de perte de charge complétant les trous de passage (6a) ou (6b) du fluide dans la cartouche peuvent être montés et démontés sans démontage de la cartouche par rapport au support. 8. Dispositif, selon les revendications 1 et 6, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5 ou 7, caractérisé en ce que la perte de charge qu'engendre le dispositif sur le fluide est variable par la variation de la forme, du nombre, des dimensions ou de la nature des dispositifs de perte de charge complétant les trous de passage (6a) ou (6b) du fluide dans la cartouche. 9. Dispositif, selon les revendications 1 et 6, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 7 ou 8, caractérisé en ce que la perte de charge qu'engendre le dispositif sur le fluide est créée principalement par le passage du fluide à travers un empilement de plaques ajourées, chaque plaque constituant une partie du parcours que doit effectuer le fluide, et caractérisé en ce que la perte de charge est modifiée par la modification du parcours du fluide obtenue en faisant varier l'ordre, le nombre ou la forme des ouvertures des différentes plaques qui constituent l'empilement. 1O.Dispositif, selon les revendications 1 et 6, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 7 ou 8, caractérisé en ce que la perte de charge qu'engendre le dispositif sur le fluide est créée principalement par le passage du fluide à travers une boîte contenant des éléments qui peuvent être de tailles ou de formes géométriques diverses, par exemple des billes, chaque élément constituant un obstacle que doit contourner le fluide, et caractérisé en ce que la perte de charge est modifiée par la modification du parcours du fluide obtenue en faisant varier la taille, le nombre ou la forme des éléments. 11.Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce le dispositif comporte un siège d'étanchéité (4). 12 1 2892791 12.Dispositif, selon les revendications 1 et 11, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce le tube mobile (5) sert d'organe de régulation et d'organe d'étanchéité entre l'amont et l'aval du dispositif lorsqu'il est en contact avec le siège d'étanchéité (4). 13.Dispositif, selon les revendications 1, 11 et 12, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que des butées (26) limitent la déformation du contact entre le tube mobile (5) et le siège d'étanchéité (4). 14.Dispositif, selon les revendications 1, 11 et 12, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 13, caractérisé en ce que la force de fermeture du dispositif est variable, par la variation de la position du contact entre le siège d'étanchéité (4) et le tube mobile (5). 15.Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que l'axe de la cartouche est colinéaire à l'axe de la conduite (1). 20 16.Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caractérisé en ce que la cartouche est fixée sur le support en porte-à-faux. 17.Dispositif, selon la revendication 1, et selon l'une des revendications 2, 25 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou 16 caractérisé en ce que la cartouche est fixée sur le support de manière équilibrée. 30 5 10 15 35