Brevet FR2960036A1 — publié le 20111118

Dans la construction de robinet à papillon, dont les conditions de fonctionnement combinent des températures inférieures à -50°C ou supérieures à 270°C et des pressions de sectionnement entre amont et aval supérieures à 25 bars, il est communément utilisé des composants exclusivement métalliques pour assurer un fonctionnement correct et une parfaite étanchéité. Pour atteindre des performances d'étanchéité acceptables, des cinématiques et des constructions à triple excentration ont été mises au point. Voir les solutions décrites dans les brevets DE 2057305, FR 2674599, EP 0993571, FR 2698147, FR 2554539, DE 010250774, US 3945398, US 4480815 et EP 0145632. Ces solutions présentent un progrès certain par rapport aux robinets à papillon à double offset, présentant seulement une excentration et un décalage. Cette troisième excentration, correspondant à l'inclinaison du cône d'usinage du corps et/ou du papillon, permet une limitation du frottement entre siège et joint d'étanchéité. Ces constructions permettent d'atteindre une pression de service allant jusqu'à 100 bars et donnent satisfaction lorsque la pression à étancher est appliquée dans le sens autoclave du papillon. Ce côté est généralement appelé le sens préférentiel. Les valeurs de fuite constatées dans cette configuration sont communément comprises entre 1 et 0,1 Ncm3/mn par millimètre de diamètre du papillon. Dans ces constructions, lorsque la pression est appliquée dans le sens opposé, dit non-autoclave, la performance d'étanchéité est généralement moindre, la fuite valant communément le double de celle constatée en sens autoclave. Ces robinets ne sont donc pas parfaitement bidirectionnels. Cela est particulièrement vrai pour tous les joints métalliques qui assurent simultanément l'étanchéité statique entre eux-mêmes et l'appui du joint, qui peut être le papillon ou le corps, suivant qu'ils soient montés dans le papillon ou le corps et l'étanchéité dynamique entre eux-mêmes et le siège d'étanchéité. Ceci est vrai que les joints soient massifs comme dans les brevets FR 2674599, EP 0145632, DE 10250774, FR 2698147, DE 2057305 ou bien lamellaires comme dans les brevets FR 2773202 et US 3945398. La raison majeure de ce comportement différentiel est que le serrage énergique du joint pour obtenir l'étanchéité statique contrarie fortement la liberté du joint à assurer la pression de contact contre le siège pour assurer l'étanchéité dynamique. Dans le cas de l'emploi de joint d'étanchéité en tôle, comme dans les brevets GB 1536837, FR 2751716 et EP 0166641, l'étanchéité statique est correctement assurée et la souplesse du joint assure, également, correctement l'étanchéité dynamique en sens autoclave. Cependant, cette même souplesse contrarie fortement l'étanchéité au cas où la pression est appliquée en sens non-autoclave, car il se produit un déplacement du joint en sens non-autoclave. Il existe aussi des joints qui séparent la fonction d'étanchéité statique de la fonction d'étanchéité dynamique. Ceci est particulièrement bien exposé dans les brevets FR 2398940, FR 2615580 et FR 2497905. Cette technologie présente l'avantage d'assurer une parfaite étanchéité statique, mais présente un inconvénient majeur . - L'étanchéité garantit de 0,1 à 1 Ncm3/mn pour une longueur linéaire d'un millimètre de diamètre de joint, n'est valable que jusqu'à 25 bars de pression amont/aval. En effet, de par la souplesse de la construction par tore de tôle roulée, ce type de joint ne permet pas d'assurer une pression de contact supérieure à 25 bars en étanchéité dynamique. De plus, les efforts développés à des pressions supérieures à 25 bars induisent des efforts de contact et des coefficients de frottement entre la tôle roulée et le siège qui conduisent au déroulement de la tôle extérieure et donc à la destruction du joint. L'invention pallie les défauts exposés ci-dessus. Dans un mode de conception nouveau, on propose de réaliser un joint d'étanchéité de type métal contre métal, pour robinet à papillon, qui soit capable d'étancher des pressions de service jusqu'à 100 bars avec un niveau d'étanchéité meilleur que 0,1 Ncm3/mn par millimètre de diamètre de l'obturateur ou papillon. La particularité de ce type d'étanchéité étant qu'elle est équivalente, que la pression soit appliquée dans le sens amont/aval dit autoclave ou bien dans le sens aval/amont dit non- autoclave. L'invention a donc pour objet un robinet comprenant un corps annulaire, un papillon qui y est monté tournant à 90° et un joint métallique annulaire interposé entre eux en étant logé dans un logement de l'un d'entre eux, tandis que l'autre forme un siège, incliné par rapport à l'axe du joint, siège avec lequel la face latérale libre d'un élément d'étanchéité dynamique du joint est en contact en une position fermée du robinet, l'élément d'étanchéité dynamique étant relié par une tôle à un élément d'étanchéité statique serré dans le logement, caractérisé en ce que la tôle est souple et il y a un jeu entre le logement et la partie des faces principales de l'élément d'étanchéité dynamique la plus près du siège, lorsque cet élément est à distance du siège. L'invention supprime ainsi l'interaction de l'étanchéité dynamique avec l'étanchéité statique en intégrant un élément souple entre ces deux fonctions. Le jeu entre le logement et l'élément d'étanchéité dynamique fait que la partie de cet élément d'étanchéité dynamique, qui est la plus près du siège, peut basculer sous l'effet des forces de pression, ladite partie s'appliquant alors au logement suivant une ligne, lorsque l'élément d'étanchéité dynamique est appliqué au siège. Ladite partie s'étend, de préférence, de la moitié au quatre cinquièmes de la dimension radiale de l'élément d'étanchéité dynamique. De préférence, la tôle a une onde de souplesse tournant 25 sa concavité vers l'extérieur, ce qui répartit au mieux la déformation de la tôle. Suivant un mode de réalisation très préféré, le logement comprend un décrochement du côté de son ouverture et l'élément d'étanchéité dynamique ne s'étend qu'au droit 30 de ce décrochement. L'élément d'étanchéité dynamique a, du côté opposé à sa face latérale libre, un bourrelet en contact avec le décrochement. Cela facilite beaucoup le basculement de l'élément d'étanchéité dynamique et permet ainsi de mieux résister aux forces de pression. Le bord libre de la tôle peut être soudé à l'élément d'étanchéité dynamique, mais, de préférence, pour ne pas porter atteinte, par la soudure, aux propriétés des matériaux métalliques, le bord libre de la tôle est serti dans l'élément d'étanchéité dynamique. Suivant un mode de réalisation d'un très grand intérêt, la surface de contact de l'élément d'étanchéité dynamique avec le siège comprend une lèvre arrondie tournant sa convexité vers le siège et, de préférence, deux lèvres arrondies, de forme demi-torique, de rayon valant du dixième au huitième de la largeur de l'élément d'étanchéité dynamique. Entre les deux lèvres, placé à l'extérieur de la tranche, est usiné un évidement, dont la profondeur représente du vingtième au huitième de la largeur de la tranche de l'élément d'étanchéité dynamique. Les intérêts de cette construction sont : d'une part, d'obtenir un contact entre le joint et son siège qui a la forme d'une ligne ; ceci implique que la surface de contact se réduisant à une ligne, la pression de contact va augmenter de manière inversement proportionnelle à la réduction de surface et, par conséquence, la pression d'étanchéité sera augmentée de la même proportion ; et - d'autre part, si la position du papillon du robinet n'est pas rigoureusement en pleine fermeture, le contact se déplacera pour former une nouvelle ligne de contact ; ceci est un avantage immense par rapport à nombre de robinets dont les surfaces complémentaires entre le joint et le siège ne supportent aucune imperfection de positionnement ou de tolérance de fabrication pour assurer une étanchéité parfaite. L'invention est donc beaucoup plus tolérante aux écarts de fabrication et de montage. Dans un mode de réalisation, la tôle souple comprend deux branches et un anneau est interposé entre les deux branches avec jeu entre lui et chacune des branches, lorsque le joint n'est pas soumis à une force de pression dans la direction de son axe. Les dimensions de cet anneau sont telles qu'il existe un jeu entre toutes ses faces et les éléments dynamique et statique du joint. L'anneau limite la déformée de la tôle sous l'effet de la pression, puisque l'anneau est placé au droit des deux ondes de souplesse des branches. Le robinet peut être un robinet à papillon à double excentration à siège sphérique, un robinet à papillon à double excentration à siège conique, un robinet à papillon à triple excentration à siège conique ou un robinet à triple excentration à siège torique. Aux dessins annexés, données uniquement à titre d'exemple : la Figure 1 est une vue en perspective en coupe écorchée d'un joint métallique utilisé dans les robinets suivant l'invention ; la Figure 2 en est une vue partielle en coupe ; est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un robinet suivant l'invention ; est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un robinet suivant l'invention ; la Figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un robinet suivant l'invention ; 10 les Figures 6 et 7 illustrent comment fonctionne le joint de la Figure 5 ; la Figure 8 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un robinet suivant l'invention ; 15 les Figures 9 à 13 illustrent le comportement du robinet en fonctionnement ; les Figures 14 à 16 illustrent un perfectionnement du robinet suivant l'invention. Suivant la Figure 1, la fonction d'étanchéité statique 20 est assurée par un joint torique, constitué d'un ressort métallique 8, enroulé en spirale, et relié à une tôle métallique 9. La tôle 9, enroulée sur 180° autour du ressort 8, est pourvue sur chacune des faces principales extérieures du 25 joint d'une onde souple 10, qui permet au joint statique de rester fixe, tandis que le joint dynamique 12 annulaire conserve sa liberté d'expansion radiale lorsqu'il est sollicité par les efforts de contact entre lui-même et le siège d'étanchéité. la Figure 3 la Figure 4 5 Afin que les efforts de la pression, ne viennent pas déformer la tôle 9, un anneau 11 est placé de manière concentrique au ressort 8 à l'intérieur du joint, au droit des deux ondes de souplesse 10. Les dimensions de cet anneau 11 sont telles qu'il existe un jeu entre toutes ses faces et le ressort 8, les ondes 10 et l'élément 12 d'étanchéité dynamique. De cette manière, lorsque la pression à étancher est appliquée sur une des faces du joint, la tôle 9 et son onde 10 sont supportées par cet anneau pour limiter la déformée de la tôle. La Figure 2 montre cette particularité de la construction. A la Figure 3, le tore est remplacé par un anneau 41 de section rectangulaire en matière métallique résiliente de type cuivre, inconel ou autre sur lequel viennent s'appuyer les tôles formées 9. La pression de contact apte à assurer l'étanchéité est donnée par les vis de serrage 43 et l'anneau d'appui 40. Les autres fonctions sont identiques. De manière simplifiée, il est possible de réaliser 20 l'étanchéité suivant le même principe, mais en utilisant une seule tôle formée suivant la Figure 4. Dans une variante, le tore en ressort à serrage axial est remplacé par un anneau de diamètre supérieur à son logement afin d'assurer un serrage radial à montage 25 cryogénique. Le tore est remplacé par l'anneau 50, qui par construction impose au joint un diamètre extérieur De, qui est supérieur au diamètre intérieur Di du corps comme montré à la Figure 5. En plongeant le joint dans un bain d'azote liquide à -196°C, le joint va se rétracter d'une valeur de l'ordre de 10 um/°C/mètre comme le montre la Figure 6. Lorsque le joint est à la température de l'azote liquide et que son diamètre De est devenu inférieur au diamètre Di, le joint est placé dans le corps, comme le montre la Figure 7, qui lui est à température ambiante. Lorsque le joint et le corps seront revenus à la même température, l'anneau 50 comprimera l'enveloppe 9 de la tôle formée entre lui-même et le corps qui assurera l'étanchéité statique. Le démontage de ce joint implique la destruction de l'enveloppe 9 et donc du joint lui-même. Dans un mode de construction allégé, on peut imaginer ce même principe en utilisant une seule tôle formée suivant la Figure 8, où l'anneau 60 assure la même fonction que l'anneau 50 de la version précédente. Montage et fermeture sans pression Comme montré à la Figure 9, le joint, tel que décrit dans les figures, est destiné à être monté dans un logement du corps 101 du robinet, tandis que le papillon 102 se trouve être le siège d'étanchéité du joint dynamique. On peut aussi monter le joint dans un logement du papillon et former le siège par le corps. Afin d'assurer l'étanchéité statique du joint, ce dernier est monté dans un épaulement du corps 105, alors que la bride de serrage 103, la contre-bride de serrage 104, les vis 105 et le jonc de blocage coopèrent pour assurer l'effort de serrage F qui produit la pression de contact axiale El et radiale E2. Cette étanchéité statique est assurée que la pression de fluide à étancher soit appliquée de l'amont vers l'aval ou inversement. Afin de désolidariser l'étanchéité statique de l'étanchéité dynamique, on décrit ci-dessous le mode de construction qui est détaillé à la Figure 10. L'épaulement 107 du corps 101 et la bride de serrage 103 sont pourvus chacun d'un décrochement 108 qui assurent les jeux J1 et J2 entre la partie dynamique du joint et son logement. De cette manière, le joint statique se trouve bloqué entre la bride de serrage 103 et le corps 10, tandis que la partie dynamique du joint se trouve libre de tout contact, excepté de la tôle roulée 9. Le joint d'étanchéité étant monté dans le corps, nous allons décrire maintenant l'interaction du papillon 102 et du joint pour traiter de l'étanchéité dynamique. En se reportant à la Figure 9, le diamètre extérieur du papillon 102 est supérieur au diamètre intérieur du joint dynamique 12. Ceci détermine une interférence du papillon S sur le joint dynamique 12. L'effort de fermeture du papillon 102 étant supérieur à la résistance mécanique du joint d'étanchéité 12, celui-ci va se déformer pour laisser le papillon se placer dans sa circonférence intérieure. La Figure 11 montre la position fermée du papillon 12 après que celui-ci se soit placé dans le joint dynamique 12. Le matériau du joint dynamique 12 ayant été spécialement choisi pour ses caractéristiques d'allongement et de résistance à la traction, il s'ensuit une pression de contact, qui, par réaction sur le joint 12, se décompose en une force A qui provoque le repoussement axial du joint 12 jusqu'à son contact avec la bride de serrage 103 et annule le jeu J1 et l'augmentation du jeu J2, tandis que la force radiale R coopère à la pression de contact entre le papillon 102 et le joint dynamique 12 qui assure l'étanchéité dynamique du robinet. La tôle roulée 9 permet le déplacement du joint 12 tout en continuant d'assurer l'étanchéité entre le joint statique 12 et le demi-tore statique. Comportement sous pression amont Le papillon 102 étant fermé, la pression amont est établie et va agir sur les composants internes à la veine fluide du robinet. La Figure 15 montre le comportement du joint lorsque cette pression P s'établit. A la montée en pression, cette pression se répartit sur l'ensemble du papillon et de la face du joint exposés à cette pression. Le joint d'étanchéité 12, 9, 11 est soumis à la poussée de la pression P et donc repoussé vers la bride de serrage 103. Cette poussée provoque le déplacement et la déformation de la tôle 9 de la valeur des jeux compris entre la tôle 9 et l'anneau de la limitation d'écrasement 11. Jusqu'à ce que toutes les pièces soient en contact contre la bride de serrage 103. Le joint dynamique 12 qui est déjà en contact avec la bride 103 au point X se trouve donc en porte-à-faux sous l'effet de la pression P. Ceci provoque un mouvement de rotation de la section de ce joint autour du point X qui se trouve être le centre de la rotation de la section. Cette caractéristique, particulièrement novatrice, provoque sur la génératrice amont de la surface d'étanchéité une surcompression p qui est d'autant plus forte que la pression est importante. Nous obtenons donc de cette façon une étanchéité autoclave directement proportionnelle à la pression. Comportement sous pression aval Le papillon 102 étant fermé, la pression aval est établie et va agir sur les composants internes à la veine fluide du robinet. La Figure 13 montre le comportement du joint lorsque cette pression P s'établit. A la montée en pression, cette pression se répartit sur l'ensemble du papillon et de la face du joint exposés à cette pression. Le joint d'étanchéité 12, 9, 11 est soumis à la poussée de la pression P et donc repoussé vers le corps 101. Cette poussée provoque le déplacement et la déformation de la tôle 9 de la valeur des jeux compris entre la tôle 9 et l'anneau de limitation d'écrasement 11, jusqu'à ce que toutes les pièces soient en contact contre le corps 101. Le joint dynamique 12 se trouve alors déplacé jusqu'à ce qu'il s'appuie sur le corps 101 au point Y. A partir de cette position, il se trouve en porte-à-faux sous l'effet de la pression P. Ceci provoque un mouvement de rotation de la section de ce joint autour du point Y, qui se trouve être le centre de la rotation de la section. Cette caractéristique, particulièrement encore plus novatrice, provoque sur la génératrice aval de la surface d'étanchéité une surcompression p qui est d'autant plus forte que la pression est importante. Nous obtenons donc de cette façon une étanchéité autoclave directement proportionnelle à la pression. L'architecture de ce joint permet donc d'obtenir un robinet à papillon parfaitement autoclave dans les deux sens d'application de la pression, ce qui est particulièrement novateur vis-à-vis de tous les systèmes existants à ce jour. Dans un perfectionnement, montré à la Figure 14, il est prévu des lèvres 32 de forme demi-torique de rayon R valant d'un dixième à un huitième de la largeur H de la tranche du joint. Entre les deux lèvres 32 placées à l'extérieur de la tranche est usiné un évidement 33, dont la profondeur k vaut entre un vingtième et un huitième de H. Du côté de l'élément de l'étanchéité dynamique tourné vers l'élément d'étanchéité statique sont formés sur les faces principales de l'élément d'étanchéité dynamique deux bourrelets 34. Afin de pouvoir utiliser ce type de joint dans tous les domaines de température depuis la cryogénie jusqu'aux échappements de machine thermique, ces joints peuvent associer tout type de matériaux métalliques. En cryogénie, il sera privilégié des matériaux conservant des caractéristiques mécaniques acceptables jusqu'à -196°C, à savoir un acier inoxydable fortement allié de type chrome/nickel/cobalt pour le ressort 8. Ses caractéristiques propres alliées à un fort écrouissage dû au formage du ressort lui confèrent de bonnes caractéristiques d'élasticité à toutes températures. La tôle roulée 9 doit être suffisamment malléable pour se prêter à l'état de surface d'appui statique et assurer une bonne étanchéité. Il sera choisi donc un acier inoxydable austénitique de type 316 ou 316L. Pour les mêmes raisons, il sera choisi ce même matériau pour le joint dynamique 12. Le matériau de l'anneau de limitation de déformée 11 n'a pas réellement besoin de nuance et de caractéristique particulière. Pour les applications de moyennes températures comprises entre -50°C et +270°C, le matériau du ressort restera le même tandis que, pour la tôle 9 et le joint dynamique 12, il sera choisi des métaux possédant une bonne malléabilité et un bon coefficient de frottement vis-à-vis de l'acier inoxydable austénitique constituant le siège. Par exemple, il sera choisi du cuivre écroui, du laiton ou du bronze élastique comme du bronze au béryllium. Pour les applications de hautes températures comprises entre +270°C et +600°C, le matériau du ressort restera le même tandis que, pour la tôle 9 et le joint dynamique 12, il sera choisi des métaux réfractaires conservant des caractéristiques mécaniques acceptables à ces fortes températures, tout en présentant un coefficient de frottement acceptable vis-à-vis de l'acier inoxydable austénitique constituant le siège. Il sera choisi, par exemple, un acier inoxydable austénitique avec un taux maîtrisé de silicone de type 1.4845 ou 310 ou 309s. REVENDICATIONS1 Robinet comprenant un corps (101) annulaire, un papillon (102) qui y est monté tournant à 90°, et un joint métallique annulaire interposé entre eux en étant logé dans un logement de l'un d'entre eux, tandis que l'autre forme un siège (102), incliné par rapport à l'axe du joint, siège (102) avec lequel la face latérale d'un élément (12) d'étanchéité dynamique du joint est en contact en une position fermée du robinet, l'élément d'étanchéité dynamique étant relié par une tôle (9) à un élément (8) d'étanchéité statique serré dans le logement, caractérisé en ce que . la tôle (9) est souple, et il y a un jeu entre le logement et la partie des faces principales de l'élément (12) d'étanchéité dynamique la plus près du siège (102) lorsque cet élément (12) est à distance du siège. 2. Robinet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie est appliquée au logement suivant une ligne, lorsque l'élément (12) d'étanchéité dynamique est appliqué au siège (102). 3. Robinet suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite partie s'étend de la moitié au quatre cinquièmes de la dimension radiale de l'élément (12) d'étanchéité dynamique.25 4. Robinet suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tôle a une onde (10) de souplesse tournant sa concavité vers l'extérieur. 5. Robinet suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le logement comprend un décrochement (108) du côté de son ouverture et l'élément (12) d'étanchéité dynamique ne s'étend qu'au droit de ce 10 décrochement. 6. Robinet suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité dynamique a, du côté opposé à sa surface latérale libre, un bourrelet (34) 15 en contact avec le décrochement (108). 7. Robinet suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un bord de la tôle (9) est serti dans l'élément (12) d'étanchéité dynamique. 20 8. Robinet suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact de l'élément (12) d'étanchéité dynamique avec le siège (102) comprend une lèvre (32) arrondie tournant 25 sa convexité vers le siège. 9. Robinet suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la lèvre (32) arrondie est de forme demi-torique de rayon R représentant du dixième au huitième de la 30 largeur de la tranche de l'élément (12) d'étanchéité dynamique. 10. Robinet suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il y a deux lèvres (32) arrondies et un évidement(33) est usiné entre elles dans l'élément (12) d'étanchéité dynamique, la profondeur de l'évidement (33) représentant du vingtième au huitième de la largeur de la tranche du joint. 11. Robinet suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tôle (9) souple comprend deux branches et un anneau (11) est interposé entre les deux branches avec jeu entre lui et chacune des branches lorsque le joint n'est pas soumis à une force de pression dans la direction de son axe.