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VANNE A CLE SPHERIQUE.
L9invention est relative aux vannes du type à clé sphérique pour fortes pressions et grosses conduites, et visé en particulier de telles van- nes dans lesquelles des moyens sont prévus pour fournir un film plastique adé- quat d'une matière de joint à l'un ou l'autre ou les deux sièges entre la clé sphérique et le corps de la vanne et dans lesquelles des moyens peuvent être prévus pour décaler la clé sphérique de son siège par la pression d'un lubri- fiant.
L'invention concerne plus spécialement les vannes à deux voies . du type dit sphérique où les surfaces de portée sont constituées par les sur- faces courbes d'une zone sphérique, dans lesquelles des moyens sont prévus pour fournir un film plastique adéquat de matière de joint et lubrifiante aux surfaces de portée de la zone sphérique entre le corps de vanne et la clé de vanne,et dans lesquelles des moyens sont prévus pour séparer la clé et ses portées par création d'une pression accrue de la matière de joint.
Dans les conduites il a été d'usage courant d'utilisér des vannes à clé conique, les clés comportant des ouvertures rectangulaires alignées de part et d'autre avec la conduite., des moyens étant prévus pour former des films de lubrifiant formant joint entre la clé et les surfaces du corps de la vanne à l'effet de prévenir l'échappement du fluide de la conduite.
Dans la plupart de ces vannes à clé, des moyens sont également prévus pour décaler ou soulever la clé de la vanne dans une direction paral- lèle à l'axe de rotation de la clé, grâce à quoi des clés calées peuvent être libérées en vue de leur rotation et l'effet de la pression d'amont tendant à presser la clé contre le côté d'aval de l'ouverture du corps peut être at- ténué afin de réduire le couple requis pour la rotation de la clé.
Chacune de ces vannes à clé forme, en raison de sa structure, un étranglement ou restriction dans la conduite,se traduisant par des pertes de
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pression. En outre, il est devenu courant, dans les longues conduites trans- portant des fluides susceptibles d9y former des dép8ts ou laisser des résidus et de ce fait réduire le diamètre utile de la conduite et accroitre le frot- tement entre le fluide transporté et la conduite, se traduisant par des per- tes de pression excessives, de racler périodiquement l'intérieur de ces con- duites afin de les nettoyer et de les rétablir au diamètre initial.
Les étran- glements ou restrictions dans la conduite;, constitués par les vannes à clé actuelles ont créé des difficultés du fait qu9un racleur passant dans la con- duite ne peut passer à travers l'étranglement ou restriction de l'ouverture rectangulaire de la vanne., de sorte que des opérations et dispositifs de net- toyage spéciaux deviennent nécessaires pour enlever les matières raclées à ces vannes.
Comme il est pratiquement universellement admis dans la technique que ces vannes à clé lubrifiées sont les seules vannes capables d'utilisation pour ces fortes pressions et de grosses conduites, ces difficultés ont été en substance admises comme inévitables. En outre, comme l'ouverture et la fer- meture rapides sont extrêmement désirables, et souvent nécessaires, des van- nes à clé qui ne nécessitent qu'une rotation de 90 entre les positions de pleine ouverture et de fermeture complète, répondent à cette exigence-mieux par exemple que des vannes à tiroir dont certaines exigent un temps considéra- ble pour s'ouvrir et se fermer précisément du fait du grand avantage mécani- que que procurent leurs tiges filetées.
Cependant, ces vannes à clé, en raison de leur structure, ont des conditions inhérentes de fonctionnement qui les rendent de moins en moins désirables à mesure que la pression dans la condui- te augmente. Par exemple, dans le cas d'une vanne à clé pouvant tourner dans un logement sur un axe normal à l'axe de la conduite dans laquelle elle est montée, lorsque la vanne est en position de fermeture, la pression d'amont tend à séparer la clé du côté amont du logement et à la repousser contre le côté aval du logement.
Lorsque la clé de vanne et son logement associé sont de forme co- nique ou cylindrique, la clé, du côté aval, n'est en contact avec le logement que pratiquement suivant une ligne droite au-dessus et en-dessous de la lumiè- re d'aval du logement, menant à la conduite, la clé étant ainsi placée excen- triquement dans le logement.
Ceci signifie qu'en l'absence d'un agencement additionnel spécial de scellement, ce contact linéaire est inefficace à assu- rer un joint mécanique satisfaisant entre la clé et le logement, pour préve- nir les fuites de fluide du côté amont de la valve, le fluide passant autour des côtés et par le sommet et le bas de la cléo
Comme le contact linéaire entre la clé et le logement divise pra- tiquement par moitié la lumière aval de Couverture, et comme la largeur des lumières doit être notable, il existe des espaces appréciables entre les bords latéraux de la lumière d'aval et la clé qui permettent au fluide d'amont de s'échapper par delà la clé et par suite à travers la vanne.
Dans les vannes à clé telles qu'utilisées en haute pression, ce problème est généralement résolu par le scellement ou lubrification dit plas- tique de la vanne, dans lequel la première et essentielle fonction de la ma- tière lubrifiante plastique introduite entre la clé et les surfaces de siège métalliques du logement, est de procurer un film de scellement ou joint plas- tique, adhérent, qui résistera au déplacement par la pression du fluide d'a- mont.
Lorsque les pressions de conduite deviennent plus élevées et lors- que les dimensions des conduites augmentent, avec accroissement résultant des étendues des lumières et de la pression différentielle totale exercée sur la clé, les espaces qui doivent être scellés par le lubrifiant deviennent de plus en plus grands, et lorsque les espaces autour des côtés de la clé devien- nent de grandeur telle que le fluide à haute pression peut agir sur une éten- due de section suffisante du film de lubrifiant, il éliminera le scellement ou joint de lubrifiant et la vanne à clé fuiera.
Pour des pressions de conduite plus élevées, on a proposé des lubrifiants plus visqueux et plus adhérents pour assurer le scellement des
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espaces de grandeur croissante entre la clé et le logement, mais cette prati- que est naturellement fortement limitée par la difficultés. d'introduire des matières plastiques très visqueuses par les réseaux de canaux et de trous d' alimentation de lubrifiant qui sont nécessairement limités, comme aussi de les introduire dans l'espace aux dimensions d'un film entre la clé et le lo- gement.
On a proposé d'accroitre les dimensions des clés dans les vannes d'installations de conduites à haute pression, mais les difficultés de scel- lement augmentent considérablement avec l'accroissement des dimensions'des clés, l'effort pour tourner la vanne est notablement accru, les pressions de lubrifiant nécessaires pour le décollement ou décalage deviennent très gran- des et l'inconvénient pratique de frais de fabrication terriblement accrus sont de nature à décourager les tentatives de développement dans cette voia,
On a également proposé des vannes comportant des ouvertures com- plètement circulaires pour réaliser des conditions optima d'écoulement de fluide et un minimum de pertes de pression.
Des vannes à clé possédant de telles ouvertures circulaires doivent être nécessairement de dimensions plus grandes que celles de même capacité ayant des ouvertures rectangulaires, et dans ces vannes plus grandes à ouverture circulaire, on rencontre les mêmes inconvénients pour le scellement et les efforts de rotation.
La présente invention, par conséquent, envisage de prévoir une vanne pour grosses conduites.à pressions élevées qui comportent des surfa- ces de portée ou de siège, métal sur métal, d'étendue notable, avec des moyens pour assurer un effort de rotation relativement faible entre des positions d' ouverture et de fermeture écartées entre-elles de 90 , et qui présentent une ouverture complètement circulaire égale en diamètre à l'ouverture de la con- duite pour empêcher les étranglements ou restrictions réduisant l'écoulement dans la conduite, et permettre à des racleurs standards d'être passés à tra- vers la vanne-comme si celle-ci était en substance un prolongement ou conti- nuation de la conduite.
La vanne du type sphérique dans laquelle l'élément mobile de la vanne est un corps pratiquement sphérique capable de tourner au- tour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la conduite sur des sièges sphériques coopérants:, est utilisée dans l'invention car elle procure l'ouverture entiè- rement circulaire désirable avec des surfaces de portée ou de siège continues, détendue uniforme, et une rotation de 90 entre les positions d'ouverture et de fermeture.
La vanne du type sphérique a en outre été choisie pour les buts de l'invention en raison du fait que les sièges sphériques étant partiellement co-extensifs avec la surface de la sphère, forment avec elle un contact de surface intime sur une étendue substantielle propre à procurer une étendue suffisante dans laquelle les pressions d'appui par unité de surface sont lar- gement et uniformément distribuées, et procurent une étendue entièrement cir- culaire de surface de scellement autour des lumières. Les hautes pressions fluides de la conduite sont par conséquent supportées sur toute la surface d'appui ou de portée ainsi obtenue.
Des vannes du type sphérique sont bien entendu connues depuis longtemps, et un grand nombre de dispositions différentes de vannes sphériques sont en usage, en particulier dans des systèmes de distribution d'eau dit ' "sprinkler" et autres, avec des conduites de dimensions relativement petites, dans lesquelles les pressions sont comparativement faibles. Un examen des vannes sphériques actuellement dans le commerce, pour cet usage, montre qu' elles sont limitées à des dimensions relativement faibles et des pressions peu élevées de fonctionnemento Certaines de ces vannes sphériques comportent des agencements spéciaux et compliqués, dispendieux, pour l'utilisation de pressions plus élevées.
De telles vannes seraient toutefois, naturellement, sans utilisé dans les grosses conduites pour gaz ou pétrole par exemple, où les pressions sont supérieures à 70 Kos/cm2, avec des pressions d'appui tota- les résultantes très élevées lorsque la vanne occupe la position de fermeture.
On a constaté que les vannes du type sphérique actuellement dis- ponibles dans le commerce, lorsqu'elles sont soumises à des pressions de con-
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duite élevées,en particulier lorsque les vannes sont de grandes dimensions, soit présentent des couples de fonctionnement extrêmement élevés lorsqu'elles comportent des insertions de fibre dans les sièges ou portées, soit ne ferment pas de façon satisfaisante lorsqu'elles sont pourvues de sièges métalliques.
En outre, même si les sièges métalliques procurent un scellement satisfaisant à l'origine, la corrosion ou le piquage de ces sièges par le fluide de la con- duite, ou bien l'usure, ou bien les éraflures ou rayures dues aux débris ou matières étrangères véhiculés dans la conduite donnent rapidement lieu à des fuites.
On a constaté que l'incapacité des vannes sphériques actuelles de supporter'des pressions de conduite élevées, est le résultat de leur cons- truction actuelle, dans laquelle les sièges d'amont et d'aval comportent or- dinairement des insertions annulaires partiellement sphériques, en fibre, amiante,ou autres matières notablement élastiques et déformables, qui sont étroitement appliquées contre la surface sphérique de la clé dans le montage de la vanne, de manière qu'elles puissent se déformer et s'adapter exactement à la surface sphérique sur une grande étendue et, de ce fait,procurer un con- tact de scellement satisfaisant pour les -buts envisagés dans les conditions de fonctionnement.
Cependant, le fait que ces insertions sont pressées for- tement et de manière déformable contre la surface sphérique pour obtenir le joint ou scellement, accroit proportionnellement l'effort de rotation néces- saire pour ouvrir et fermer la vanne, et ceci a été un facteur très important pour limiter les dimensions de ces vannes, car les pressions d'appui nécessai- res pour sceller de façon adéquate de telles vannes contre les fuites pour des pressions de conduite élevées-donneraient au couple de fonctionnement une valeur'telle que la vanne ne pourrait être manoeuvrée.
Egalement, ces sièges à insertions de fibre, s'usent après quel- que usage, ou bien ils peuvent cristalliser et se durcir et par suite ne restent pas élastiques, après un certain temps et par détérioration par le fluide transporté ou manipulé. Ils doivent être.très soigneusement choisis pour éviter l'érosion et les effets de corrosion par le fluide de la conduite, et la détérioration dans des 'conditions de fonctionnement aux températures élevées. Par suite, il n'a pas été possible d'adapter les vannes sphériques actuelles au but proposé, simplement en accroissant les dimensions ou en ef- fectuant d'autres modifications conventionnelles dans de telles vannes.
Il a été nécessaire de prévoir une vanne de structure et d'un mode de fonction- nement entièrement nouveaux pour résoudre de façon satisfaisante les problè- mes mentionnés plus haut.
Un avantage unique des vannes sphériques par rapport aux vannes à clé conique ou autres antérieurement utilisées, est la précision avec la- quelle les premières peuvent être exécutées sans dépense ou travail inutile.
Lorsqu'une vanne à clé conique ou cylindrique est usinée, ou que le siège est formé dans le corps de la vanne, l'outil de coupe n'a pas une profondeur de coupe uniforme dans une passe longitudinale, du fait de la solution de continuité lors du passage aux ouvertures des lumières.
- Les surfaces de portée ou de siège sphériques de la clé, et les sièges du-corps de la vanne perfectionnée de l'invention peuvent être usinés par une coupe continue non interrompue, ce qui accroît la précision des orga- nes et réduit notablement les frais de fabrication. Ceci facilite également l'interchangeabilité des corps, clés, et sièges dans la présente invention, et le remplacement des parties ou organes usés ou défectueux.
Dans des vannes à clé conventionnelles antérieures, on doit pré- voir des structures coûteuses comportant des épaisseurs de métal excessives, et des nervures externes ou d'autres moyens doivent être utilisés à l'effet de procurer une rigidité suffisante pour réduire les déformations du corps par les pressions des conduites, les tensions dans les conduites, les change- ments de température, et semblables, qui se traduisent par des charges con- centrées sur les surfaces des sièges plutôt que par des charges réparties et par conséquent par des couples de fonctionnement excessifs. Dans les vannes sphériques perfectionnées de l'invention, la construction est telle que les
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déformations du corps n'influencent pas de façon appréciable le couple de fonctionnement.
Ce but est atteint dans la réalisation préférée de l'in- vention, par l'emploi de sièges flottants et d'une clé flottante non soli- daire de la structure du corps de la vanne, ce qui procure des pressions d'appui de siège essentiellement distribuées de façon uniforme, et réduit matériellement le poids et le coût.
Il est bien connu que dans une clé de robinet conventionnelle, même du type lubrifié, le scellement de fermeture est réalisé au siège d'aval seulement, et en forant un trou dans le côté du corps, on peut observer les fuites au-delà du siège d'amont. La présente invention procure un double scel- lement contre les fuites du fluide de la conduite lorsque la vanne occupe sa position de fermeture, un scellement étanche étant formé aux sièges tant d' amont que d'aval. Comme les deux sièges sont toujours en contact continu de scellement avec la clé sphérique, et qu9un scellement par lubrifiant plasti- que est établi sous forme d'un anneau ininterrompu entourant complètement les lumières aux sièges tant d'amont que d'aval, dans les deux positions de pleine ouverture et de fermeture complète,
un scellement ou joint étanche aux gouttes est maintenu en tout temps. On obtient ainsi une double garantie de scellement dans l'éventualité où l'une ou l'autre des surfaces de siège serait endommagée par corrosion ou éraflure, rayure ou autre défaillance pour main- tenir une fermeture 'étanche.
Egalement, dans certains services tels que les raffineries d'hui- les ou de pétrole,.il est de pratique courante, comme précaution de sécurité, de prévoir dans une conduite deux vannes proches l'une de l'autre et une sou- pape d'écoulement entre celles-ci, laquelle, lorsque les deux vannes de con- duite sont fermées et la soupape d'écoulement ouverte, procure une indication visible des fuites par delà de la vanne d'amont de la conduite.
Dans la vanne perfectionnée de l'invention, en raison du scellement aux deux sièges, un trou d9écoulement peut être foré dans le côté de la vanne entre les sièges d'amont et d'aval, et utilisé pour donner une indication de fuite visible avec une seule vanne dans la conduite, ce qui élimine également toute possibilité qu'une vanne d'aval soit laissée ouverte par inadvertance, ce qui est le cas dans les installations à deux vannes antérieures.
Le principal objet de l'invention est de procurer une nouvelle disposition de vanne convenant pour grosses conduites et autres services à pression élevée, qui comporte une ouverture entièrement circulaire et une é- tendue de portée adéquate, avec des moyens pour tant réduire l'effort néces- saire pour faire tourner l'élément de vanne que réaliser une fermeture étanche pour le fluide de la conduite.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une nouvelle disposi- tion ou construction de vanne sphérique pour fortes pressions et grosses con- duites, dans laquelle suivant le sens de l'écoulement, la sphère présente un contact.qui est en substance un contact métal sur métal avec le siège d'aval sur l'étendue d'un anneau sphérique suffisamment large pour supporter de fa- çon adéquate la poussée de .la sphère résultant des fortes pressions de condui- te, et dans laquelle des rainures à lubrifiant spéciales sont prévues sur les surfaces de siège tant d'amont que d'aval à l'effet de procurer un film de scellement plastique empêchant les.fuites de fluide de la conduite par de- là la vanne.
Un autre objet de l'invention est.de prévoir une nouvelle vanne lubrifiée du type sphérique comportant des moyens pour décaler ou décoller la clé sphérique de ses sièges lorsque la vanne occupe soit la position d' ouverture soit la position de fermeture, ou une position intermédiaire.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une nouvelle vanne du type sphérique, dans laquelle les surfaces de siège sphériques sont pour- vues de larges rainures à lubrifiant qui s'étendent autour de l'ouverture des lumières, et procurent des moyens pour décaler ou décoller hydraulique- ment la clé de l'un ou l'autre ou des deux sièges à l'aide de pressions uni- taires réalisables de lubrifiant.
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Un autre objet de l'invention est de procurer une vanne du type sphérique dans laquelle des rainures à lubrifiant sont prévues autour de la lumière des siègeset des moyens sont prévus pour couper l'alimentation de lubrifiant à ces rainures lorsque l'on fait tourner la vanne entre les posi- tions de pleine ouverture et de fermeture complète, et dans laquelle la clé peut être libérée si elle est collée ou calée, quelle que soit la position qu9elle occupe,
Un autre objet de l'invention est de procurer une vanne lubrifiée dans laquelle les déformations du corps, intentionnelles ou autres, ne sont pas transmises aux sièges et à la clé avec un accroissement résultant du cou- ple ou des fuites.
Un autre objet important de l'invention est de,procurer une nou- velle vanne à deux directions, lubrifiéeà sièges en forme de zone sphérique (dite vanne sphérique) dont le corps est de structure spéciale ayant des dé- formations axiales contrôléesou prédéterminées pour les pressions de décolle- ment ou décalage du lubrifiant ou des pressions différentielles de conduite.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une vanne lubrifiée à sièges flottants, comportant de nouveaux agencements pour introduire un lu- brifiant de scellement plastique entre les surfaces d'appui ou de portée de la clé et des sièges flottants.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir un nouvel ensemble de vanne lubrifiée à deux directions comportant des anneaux de siè- ges flottants interchangeables assurant le scellement contre les fuites par delà les surfaces d'appui ou de portée et autour des anneaux.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir un nouvel agencement de siège flottant pour vannes lubrifiées, élastiquement soutenu et scellé.
D'autres objets encore de l'invention ressortiront de la descrip- tion qui va suivre en relation avec les dessins annexés sur lesquels Fig. 1 est une vue en élévation, partiellement arrachée et partiel- lement en coupe, illustrant une vanne lubrifiée à zône d'appui ou de portée sphérique, ou vanne du type sphérique, conforme à une réalisation préférée de l'invention;
Fig. 2 est une vue fragmentaire, en coupe, à échelle agrandie, illustrant des détails du système de lubrification de la disposition de 1' invention représentée dans la figure 1;
Fig. 3 est une coupe illustrant une disposition de réservoir à lubrifiant propre à être utilisé dans la réalisation de l'invention montrée fige 1;
Fig. 4 est une vue en élévation en bout, partie en coupe, de la vanne de la figure 1;
Fige 5 est une vue en élévation par l'arrière d'un anneau de siè- ge préféré destiné à être utilisé dans la vanne de la figure 1, qui montre les rainures de distribution de lubrifiant et de scellement d'un siège de vanne;
Fig. 6 est une coupe analogue à la figure 2 montrant un système modifié de passages pour le lubrifiant, en particulier destiné à une vanne de plus grande dimension;
Figs. 7,8 et 9 sont des vues fragmentaires, à échelle agrandie, en coupe, d'autres réalisations de l'invention, dans lesquelles les anneaux des sièges de la vanne sont élastiquement appuyés,
Ainsi qu'il est représenté dans la figure 1, le corps de vanne métallique, 11, comporte une paroi cylindrique 12 pourvue d'une surface cy- lindrique interne 13 et un alésage annulaire de guidage 14 pour un épaule- ment cylindrique 15 d'une bride 16 qui est fixée au corps 11 par des pri- sonniers 17. Des épaisseurs convenables 18 sont utilisées pour obtenir les
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jeux de montage convenables et un anneau de.joint de section circulaire,19, désigné anneau de joint 0,
est comprimé dans une rainure ou gorge annulaire 21 d'un prolongement de guidage ou centrage cylindrique 15 afin de procurer un joint étanche avec l'alésage 14. La bride 16 est établie solidaire de la section terminale du corps ou pièce 22 qui comporte une bride externe 23 pour la fixation de la vanne à une conduite, et un passage d'écoulement cy- lindre 24.
La paroi terminale 25 du corps 11 comporte un passage cylindrique 26 de la même dimension que le passage 24 et coaxial avec lui, traversant la section de corps solidaire ou d'une pièce 27 et la bride de fixation à la conduite 28.
Un évidement cylindrique 29 est prévu à la jonction des parois 12 et 25, et il est coaxial avec et de même dimension que l'évidement cylin- drique 31 formé dans le prolongement'15 de la bride 16. Des anneaux de siège métalliques, 32 et 339 s9adaptant avec un jeu de glissement dans les évide- ments 29 et 31, et des ratons ou gorges annulaires 34 et 35 pratiquées dans leur périphérie, contiennent des anneaux de joint en 0, 36 et 37, ou d'autres organes appropriés procurant un joint à glissement étanche au fluide avec les surfaces des évidements 29 et 31, et qui permettent en service un léger dé- placement axial des anneaux de siège par rapport au corps de la vanne.
Pour des intervalles ordinaires de température de fonctionnement, les anneaux en 0,36 et 37, sont de préférence établis en caoutchouc synthétique résistant à l'huile, qui convient dans la plupart des cas d'application. Lorsque des températures plus élevées sont à prévoir, des anneaux en "Teflon", "Silastic" et autres plastiques semblables peuvent être utilisés.
Les anneaux de siège 32 et 33 sont pourvus chacun d'une cavité ou évidement peu profond mais large, 38, sur leur surface postérieure, dans lesquels sont :montés des tampons absorbants 39 en caoutchouc ou semblable.
Les plages ménagées par les évidements ou cavités 38 comportent de préféren- ce des surfaces courbes 42 et 43 propres à venir porter contre la surface interne plane 44 de la paroi 25 comme il est représenté dans-la figure 2. La déformation des surfaces légèrement courbées, 42 et 43, sous la charge de compression de la pleine différence de pression de la conduite, est très pe- tite en raison de la grande étendue disponible offerte à la poussée. Bien que ces surfaces puissent être établies planes, la combinaison des surfaces courbées 42 et 43 avec la cavité ou évidement 38 et la garniture 39 d'absor- ption, fonctionne pour exclure toutes les particules étrangères du fluide de la conduite qui sont plus grandes que le jeu, et qui pourraient venir à se loger entre les surfaces supportant la charge de poussée.
D'autres particules qui pourraient venir pénétrer dans la cavité ou évidement d'absorption peu- vent rester suspendues jusqu'au moment où une contradiction axiale ultérieure du corps de la vanne se produit, moment auquel si elles ne sont pas expulsées, elles sont absorbées ou enrobées dans la garniture 390
L'alésage 45 des anneaux 32 et 33 est cylindrique et co-axial avec, ainsi que de même dimension que l'ouverture 26. Les anneaux 32 et 33 sont pourvus de surfaces de siège annulaires, de profil sphérique, 46, pour la surface coopérante annulaire, de profil sphérique, 47, de la clé sphéri- que 48 qui est pourvue d'une lumière ou passage cylindrique 49 au moins aus- si large que les passages 24 et 26.
En pratique, les pressions unitaires d' appui employées ou les rapports diamétraux de la clé sphérique à l'orifice de la lumière pourront varier suivant les pressions des conduites et les di- mensions des vannes. Dans la réalisation de l'invention qui est illustrée et pour l'usage général, un rapport de 1,7 à 1 des diamètres de la sphère et de la lumière est utilisé. Cependant des rapports de 3 à 1 ou plus, ou bien de 1,5 à 1 ou moins, peuvent être désirables suivant les dimensions des vannes, les pressions des conduites, et le couple de fonctionnement désiré.
On a également constaté qu'une charge d'appui unitaire d'environ 102 Kos/cm2 pro- cure un couple de fonctionnement très satisfaisant dans des vannes de 10 et 20 cmo, établies pour travailler à des pressions de conduites de 140 Kos/cm2 environ.
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L'extrémité supérieure de la clé est pourvue d'une rainure en arc en 50, de manière à recevoir librement une queue de profil en arc conju- gué, 51, formée au bas d'une tige de vanne 52, montée de façon à tourner dans le corps de la vanne, par exemple grâce à un engagement à vis comme en 53.
Une chambre annulaire 54 entoure la tige de vanne, pour y admettre une matiè- re de joint plastique sous pression par un passage radial 55, à l'effet d' enserrer ou garnir la tige d'une manière bien connue-0 Tout autre dispositif de tige de manoeuvre convenablement garnie pourrait être utilisée ainsi qu' il apparaitra aux gens de métier.
Comme illustré sur la figure 1, la queue 51 est plus étroite que la rainure 50, et comporte un jeu suffisant dans la rainure pour tolérer un mouvement limité suffisant.de la clé 48.
En se référant à la figure 4, on remarquera que la queue 51 s' étend sur une longueur considérable dans,la rainure 50. Cette longue queue et le jeu prévu pour elle dans la rainure permettent toute rotation contrôlée limitée, désirée, et le déplacement de la clé par rapport à l'axe central du boitier de vanne, soit normalement à, soit dans la direction de la ligne d' écoulement, en permettant ainsi la mise en place correcte de la clé et l'ali- gnement des rainures ou gorges à lubrifiant et de scellement des sièges avec les rainures ou gorges à lubrifiant de la clé qui vont maintenant tre décri- tes.
On peut également utiliser une petite cheville de centrage entre la clé et la tige afin d'empêcher tout déplacement radial excessif de la clé sphérique par rapport à son axe, mais qui procure tout le jeu nécessaire pour conserver les caractéristiques flottantes de la clé entre les sièges. Tout autre liaison appropriée permettant les mouvements.requis de la clé par rap- port à la tige de manoeuvre peut être utilisée.
La queue 51 est, comme représenté, placée de telle manière que le mouvement axial requis de la clé, est permis par le jeu entre la surface intérieure arquée de la queue, et la surface arquée complémentaire de la rai- nure pratiquée dans la clé. Si la position de la queue est modifiée de 90 par rapport à la direction d'écoulement à travers la clé, le mouvement axial est alors procuré par le jeu latéral.
Comme il est représenté.dans la figure 5, chaque surface de siè- ge 46 de la vanne, est établie avec des gorges ou rainures à lubrifiant, peu profondes, 57, de profondeur pratiquement uniforme, interrompues par des pla- ges diamétralement espacées, 58 et 59.
La surface de la clé 48 est pourvue de,courtes rainures ou gorges
61 et 62, suffisamment longues pour ponter ou enjamber les plages 58 et 59 'dans les positions de pleine ouverture et de fermeture complète de la clé, lesquelles positions sont écartées de 90 et déterminées par des butées coo- pérantes appropriées (non représentées) portées par la tige et le corps de la vanne. Lorsque les plages sont ainsi pontées par les courtes gorges ou rainures, les rainures 57 deviennent effectivement continues autour de la clé sphérique,'sur des côtés opposés de celle-ci.
'Les rainures 57 sont appropriées à recevoir une matière de scel- lement plastique, qui lubrifie également la clé pour les mouvements de rota- tion,et procure une force hydraulique pour décaler ou décoller la clé et les sièges dans le sens axial. La valeur de la force de décalage ou décollage hydraulique requise est fournie par l'étendue des rainures à lubrifiant mul- tipliée par la pression unitaire du fluide exercée sur le lubrifiant plas- tique. Par suite, on pourra modifier à volonté soit l'étendue des rainures, soit la pression unitaire du lubrifiant.
Gomme il est illustré figure 2, les anneaux de siège 32 et 33 sont pourvus chacun d'un passage radial 63 communiquant avec la rainure 57, et fermé à son extrémité externe par un bouchon fileté 64. Un passage trans- versal 65 formé dans l'anneau recoupe le passage 63, et est élargi à son extrémité externe pour procurer un alésage 66. Un alésage fileté encore plus grand, 67, est formé dans la paroi 25 du corps, coaxialement avec le passage
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65, et il est élargi à son extrémité interne afin de procurer un épaulement' 68.
Un manchon creux 69 est fileté extérieurement pour s'adapter dans l'alé- sage 67 et il comporte'une tête élargie 71 dans l'épaulement 68, de sorte que dans la position de la figure 2, la surface plane unie de la tête 72 du man- chon remplit pratiquement 1-'évidement, et forme en substance une continuation de la surface interne de la paroi 250 intérieurement, le manchon 69 comporte un alésage lisse 73 coaxial avec, et de même dimension que l'alésage 66, et une section filetée externe 74. Un conduit cylindrique 75 s'étend entre le manchon 69 et les anneaux de siège 32'et 33, avec ses extrémités opposées s'adaptant étroitement mais à glissement dans les alésages 66 et 73.
Des anneaux de joint en 0, 76 et 77,, comprimés dans des gorges ou rainures annulaires 78 et 79 scellent la péri- phérie de l'organe formant conduit, de façon épanche, avec les alésages 66 et 73 respectivement, En pratique on a constaté satisfaisant de donner à 1' organe 75 un jeu radial de glissement d'environ 0,125 mm avec les alésages, bien que des scellements satisfaisants aient été obtenus avec un jeu radial de 0,25 mm, qui peut être nécessaire, dans la construction de très grandes vannes. Le conduit 75 avec les anneaux en 0 en place dans les rainures, est simplement assemblé par insertion à travers l'alésage 73 dans l'alésage 66.
Comme les rainures 78 et 79 sont équidistantes des extrémités de l'organe;, il est indifférent laquelle des extrémités est introduite la première. Le conduit 75 fonctionne également pour localiser convenablement les anneaux de siège 32 et 33 dans le sens circonférentiel et pour en empêcher la rotation dans leurs logements par rapport au corps., ce qui se traduirait par le dé- placement des rainures ou gorges 61 et 62.
Cet agencement permet également l'enlèvement et la réintroduction, si on le désirait de l'organe 'formant' conduit, pour 19inspection ou le remplacement des anneaux en 0, sans démonta- ge de toute la vanneo Un passage central 81 est formé dans l'organe 75 coaxia- lement au passage 65 de l'anneau. Un bouchon de fermeture 86 à tête hexagona- le 87 est vissé dans l'alésage 74, et formé-de telle manière que lorsqu'il est amené contre sa garniture de scellement 97a, son extrémité interne rédui- te 88 ne vient pas en engagement avec l'extrémité de l'organe 75, mais procu- re à son extrémité un jeu suffisant pour permettre, en service, le mouvement axial nécessaire de l'anneau de siège 32 ou 33, sans fonctionnement défectu- eux des anneaux en 0,76 et 77.
Entre le bouchon et l'organe 75 une chambre annulaire 89 est ainsi formée, qui communique avec le passage 81 par des ou- vertures radiales 91 et un passage axial 92 de l'extrémité du bouchon. Un passage 93 formé dans un bossage 94 de la paroi 25, comporte une extrémité externe filetée dans laquelle est monté un dispositif de lubrification 95, (figso 2 et 3), comportant un réservoir 96 et un organe de remplissage 97 à soupape de retenue 98. L'extrémité du dispositif 95 se trouve dans l'aligne- ment axial et en communication avec le réservoir 96 et il est pourvu d'un trou convenablement taraudé 99 qui reçoit à vissage une vis à tête étroite- ment ajustées 101.
En service, la vis 101 est suffisamment sortie du trou 99 pendant le remplissage du réservoir et elle est propre à être périodique- ment vissée dans le trou pour placer le réservoir et le lubrifiant sous pres- sion et fournir du lubrifiant sous pression aux passages entre la clé 48 et ses sièges 46 à l'effet de séparer la clé des anneaux de .siège 32 et 33 et procurer la lubrification propre à permettre de faire tourner la clé de la vanne dans ses sièges.
Si on le désirait, la vis 101 pourrait être.établie creuse, et 1?organe 97 pourrait être vissé dans l'extrémité creuse de la vis plutôt que dans l'organe 95, ou bien l'organe 95 peut être remplacé par une tête "Alémite" pour le graissage sous pression, ou tout autre dispositif de lubrification externe, standardp Par suite, les rainures ou gorges 57 peuvent être remplies de lubrifiant sous pression à partir du réservoir 96 par le passage 93, la chambre 89, les ouvertures 91 et les passages 92, 81, 65 et 63.
Dans des vannes de très grandes dimensions, les jeux d'usinage entre la périphérie externe des anneaux de siège 32 et 33 et les organes'de mise en place dans le corps peuvent devenir tels que le jeu nécessaire au- tour d9un organe formant conduit tel que 75 dans la figure 2, peut influen- cer défavorablement le fonctionnement des anneaux en 0. En pareil cas, la
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disposition de la fig. 6 est la réalisation préférée.
Dans cette disposition;, les parties ou organes sont les mêmes que dans la figo 2, sauf que le conduit à lubrifiant comprend 2 courts blocs cy- lindriques 102 et 103 montés coulissants dans les alésages 66 et 73 respecti- vement. Un anneau en 0, 104, est engagé dans la gorge périphérique annulaire 105, pour former joint étanche avec l'alésage 73, et un anneau en 0, 106, est prévu dans la gorge périphérique annulaire 107 pour former un joint étan- che avec l'alésage 66. Les blocs 102 et 103 sont interconnectés par un tube à paroi mince, flexible, élastique,108, qui est brasé, soudé ou autrement as- sujetti en place. Le tube 108 supportera des pressions internes élevées de lubrifiant, et fonctionnera comme un conduit à lubrifiant, comme le passage 81 .de la figure 2.
Lorsque les anneaux de siège sont déplacés par rapport au corps en raison des pressions différentielles de la conduite; ou des pressions de décalage ou décollement, le tube 108 fléchit simplement, et en raison de sa nature élastique reprend son alignement normal lorsque les pressions sont relâchées. Un mince tube en acier inoxydable 108, d'environ 3 mm d'alésage est satisfaisant pour les grosses vannes donnant jusque 1050 Kos/cm2 de pres- sion de lubrifiant pendant le décollement.
Dans la réalisation illustrée fig. 7, des ressorts annulaires 109, qui, peuvent être des ressorts en lames ondulés ou gaufrés, comme représenté, des ressorts du type Belleville, ou tous autres moyens élastiques appropriés, comme une.section formant ressort qui est solidaire de l'anneau, sont prévus dans un évidement 38, derrière chaque anneau de siège 32 et 33, pour exercer des pressions axiales élastiques sur les anneaux.
Ces ressorts doivent être utilisés lorsque le lubrifiant des rainures 57 est du type activable, compres- sible ou expansible comme du lubrifiant dit "Hypermatic" fabriqué par la de- manderesse, qui est constitué d'un véhicule plastique comportant, y distribu- ées uniformément, une multiplicité de petites cellules d'un gaz compressible comme de l'air et dans la présente vanne, ce lubrifiant est maintenu à l'état activé sous compression dans le réservoir à lubrifiant et les passages à lu- brifiant, de sorte qu'il se déplace automatiquement pour remplacer les pertes en lubrifiant vers la conduite pendant le fonctionnement normal.
L'utilisa- tion de cette disposition est également désirable lors de l'emploi de lubri- fiants standards non compressibles, en ce qu'elle élargit la gamme des jeux utilisables dans le montage initial. Elle est utile également pour maintenir un contact d'appui continu entre la clé et les deux sièges dans le cas où de très faibles pressions de.conduite sont présentes dans de grandes vannes qui, par elles-mêmes,ne seraient pas suffisantes pour amener vivement les sièges et la clé en contact. Lorsqu'une substance de scellement et lubrifiante acti- vable est utilisée, le lubrifiant tend à prendre un état d'expansion et sépa- @ re les anneaux de siège de la clé lorsqu'aucune pression de conduite.n'existe pour maintenir les anneaux de siège en contact avec la clé.
Lorsque la vanne est fermée, cette force d'expansion d'un tel lubrifiant s'opposera à l'action du fluide,de la conduite appliquant le siège d'amont contre la clé, et, en l'absence du ressort 109, il peut en résulter des pertes indésirables de lu- brifiant vers.la conduite. Cette tendance est vaincue par l'action du ressort 109 ou de moyens élastiques équivalents ayant une résistance de compression effective égale à la charge de pression du lubrifiant activé. Dans les cas où une pression de décalage ou de décollement est requise et appliquée, la pression antagoniste du ressort est négligeable comparée à la pression tota- le de décollement du lubrifiant, et négligeable également pour l'accroisse- ment du couple de fonctionnement comparativement à la pression de conduite.
Les ressorts 109 sont largement prévus pour maintenir une pression ou une énergie emmagasinée dans le lubrifiant qui est appropriée. A titre d'exemple, une pression de lubrifiant de 14 à 21 Kos/cm2 est amplement suffisante pour fournir la charge hydrostatique requise à l'écoulement du lubrifiant à travers les passages de la vanne.
D'une façon générale, l'accroissement du couple dû. à l'emploi de tels ressorts est d'environ 3 % avec une pression entretenue de lubrifiant de 14 à 21 Kos/cm2 dans une vanne de 20 cm, série 600, soumise à une pression de conduite de 105 Kos/cm2o
La figure 8 montre une autre modification de l'agencement d'anneaux
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de siège et de tampon absorbant, dans laquelle une série de ressorts incurvés 110., espacés sur le pourtour de la rainure annulaire ou évidement 38, et qui chevauchent une gorge annulaire 111 contenant un tampon absorbant en caout- chouc 112 pour les particules étrangères qui peuvent être retenues dans l'é- videment 38 en fonctionnement de la vanne.
Le nombre et la force des ressorts 110 peuvent être choisis suivant la rédaction élastique désirée sur le siège, et ils peuvent être espacés sur des côtés opposés du système de lubrifica- tion des figures 2 ou 6 de manière à ne pas produire d'interférence avec ce système
Dans les vannes comportant des brides boulonnées 23 et.28, telle celle représentée fig. 1, il peut ne pas exister d'emplacement suffisant pour les dispositifs d'injection de lubrifiant illustrés dans les figs. 2 et 6.
En pareil cas,le lubrifiant peut être injecté dans les cotés de la vanne, par exemple grâce à l'agencement de la figure 9,-qui tolère les mouvements- tant axiaux que normaux à l'axe des anneaux de siège. Dans cette disposition, le système de lubrification à tube flexible et blocs 102,103 et 108 de la figure 6 est disposé dans des perforations 113 pratiquées dans la paroi laté- rale 11 de la vanne et dans des trous alignés 114 des anneaux de siège 32 et 33, qui communiquent par des passages à lubrifiant 63 avec les rainures 57 des sièges. Dans l'extrémité externe filetée de la perforation 113 est vissée une tête "Alémite" 115 à travers laquelle du lubrifiant est injecté.
Dans cette forme de l'invention on a représenté un ressort Belleville 116 disposé dans l'évidement 38 par dessus le tampon absorbant 1120
La vanne illustrée est assemblée en introduisant l'anneau de siè- ge 32 par l'extrémité ouverte du corps et en laissant tomber ensuite l'organe sphérique 48 en place sur 1?anneau. de siège 32. La pièce 22 est ensuite fixée sur l'extrémité du corps avec l'anneau de siège 33 en position et avec, dis- posées entre l'organe terminal et le corps, des épaisseurs 18 dont l'épaisseur est suffisante pour procurer les jeux prédéterminés du contact intime désiré entre les surfaces sphériques de la clé et les anneaux de siège afin de pro- curer un couple satisfaisant lorsqu'on fait tourner la clé pendant l'ouvertu- re et la fermeture de la vanne.
Lorsque les anneaux de;siège sont pourvus de ressorts et convenablement ajustés pour les jeux et la pression, les épais- seurs 18 peuvent être supprimées, et l'organe terminal simplement boulonné sur le corps avec une garniture conventionnelle entre eux. Dans une telle dis- position la vanne doit être démontée de la conduite pour permettre l'enlève- ment de la clé. Ainsi qu'il apparaitra aux gens de métier, le corps peut tou- tefois être établi de manière telle, si on le désirait, qu'il permette l'en- lèvement de la clé et l'inspection des sièges sans séparer le corps de la van- ne de la conduite. Certaines vannes sphériques Fairbanks présentent une cons- truction de ce genre, et la vanne Humphreys, brevet des E.U.A.2.333.424, uti- lise une disposition de ce type général.
Fonctionnement.. En supposant aux fins d'illustration que la direction d'écou- lement soit celle indiquée dans la figure 1, et que la vanne soit fermée ou tournée de 90 par rapport à la position de la'figure 1, la pleine pression de conduite agit sur la clé et la repousse contre l'anneau de siège d'aval 32; il en résulte une légère extension entre les appuis de siège en raison de 1' élasticité inhérente prévue. La pression de conduite pousse également l'an- neau de siège d'amont 33 en engagement de surface intime avec la clé. Ce dé- placement du siège d'amont n'interfère pas avec la distribution du lubrifiant aux surfaces d'appui en raison des fonctions du mécanisme de lubrification des figures 2,6 et 9.
Ainsi, dans les vannes perfectionnées de l'invention, le siège d'amont axialement coulissant peut toujours suivre la clé, assurant un contact constant des deux surfaces de siège d'amont et d'aval 46 avec la surface de la clé 47, quelle que soit la direction d'écoulement, lorsque la vanne est en position fermée. En position ouverte sans pression de conduite différentielle sur la clé, les sièges sont en contact du fait du processus d'assemblage initial, et comme résultat des pressions élastiques s'exerçant sur les siègeso Conformément, on obtient une protection continue des surfaces d'appui qui n'a pas été réalisée antérieurement dans des robinets à clé lubri- fiés. D'une manière analogue, on obtient en même temps un double scellement
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d'étanchéité aux sièges tant d'amont que d'aval.
Dans la position ouverte de la vanneil n'y-a pas d'allongement axial appréciable du corps, et par suite, le corps doit être établi de maniè- re à céder suffisamment pour permettre l'établissement d'un film lubrifiant adéquat lorsqu'il se trouve sous des pressions de décalage ou décollement.
Dans la position de fermeture de la vanne,un certain*allongement axial se produit dû à la retenue de la masse de fluide, dont l'effet est de séparer la base de l'anneau de siège d'amont de sa butée ou appui, et, par conséquent lorsque l'on décale ou décolle l'un ou l'autre anneau de siège de la clé, la séparation susdite est diminuée sans autre allongement du corps si la vanne est soumise à des pressions élevées du fluide de la conduite. On a-constaté qu'une vanne de 20 cm de la disposition décrite, lorsqu'elle est soumise à une pression de conduite de 105 Kos/cm2 s'allonge axialement de 0,25 mm lors- qu'elle se trouve en position de fermeture. Dans la position d'ouverture 1' allongement axial n'est pas supérieur à 0,025 mm.
Bien que les contours principaux du corps doivent théoriquement se rapprocher de la forme sphérique pour présenter la résistance maximum avec le poids ou le coût minimum, on a constaté désirable dans certains cas d'utiliser une forme de corps essentiel- lement cylindrique, comme représenté., à l'effet d'obtenir des valeurs satis- faisantes pour les moyens cédant axialement, sans valeur excessive d'une tel- le élongation du corps qui nécessiterait des aiguilles d'injection du lubri- fiant inutilement longues pour transmettre du lubrifiant à travers les sièges mobiles. Une telle construction variera avec les dimensions des vannes et le taux de pression que l'on désire utiliser.
La charge de poussée des sièges peut être distribuée sur toute l'étendue de la base du siège, ou bien être relativement concentrée sur la partie interne ou la partie externe. Si la charge est essentiellement absor- bée à la partie externe, la charge de poussée est entièrement absorbée par des efforts de cisaillement dans le corps à l'appui et dans la paroi cylin-
Brique du corps. Si la charge de poussée est essentiellement absorbée à la .partie interne du siège, la charge est absorbée comme moment de flexion dans'l'épaulement du corps supportant l'appui. 11 est avantageux d'absorber les contraintes ou déformations qui peuvent se produire dans le corps plutôt que dans les anneaux de siège pour maintenir une meilleure. distribution de la charge sur les sièges avec des couples de fonctionnement résultants mini- ma.
Dans la réalisation préférée de l'invention, ce résultat est obtenu par -'les dispositions définies, dans lesquelles les anneaux de siège annulaires
32 et 33 sont établis suffisamment rigides pour maintenir un contact d'appui uniforme avec la clé même si le corps de la vanne subit des déformations pen- ' dant la séparation de la clé de l'un de ses sièges par décalage ou décolle- -ment,,-ou comme résultat de la pression différentielle dans la position de fermeture.
Lorsqu'un corps généralement sphérique est utilisé, l'élasticité inhérente du corps de vanne sphérique pendant la déformation, en même temps que le non-contact des parois de côté avec la clé agit effectivement à la manière d'un appui élastique pour les sièges. Dans le corps généralement cy- lindrique, comme représenté, toutefois, essentiellement toute l'élasticité ou moyens capables de céder sont fournis par la flexion des épaulements du corps qui supportent'les anneaux de siège 32 et 33.
La construction utilisée, dans laquelle la charge de poussée est transmise des périphéries externes et internes des anneaux de siège aux épau- lements de support, conserve aux sièges la rigidité voulue et contrôle la va- leur de la flexion dans les épaulements du corps.
La clé sphérique peut être un organe complètement flottant dans l'ensemble de la vanne,et n'être maintenu en place que par les sièges d'amont et d'aval de cette vanne. Dans la réalisation préférée de l'invention, comme illustré, la clé sphérique n'est également maintenue en position que par les sièges, mais en raison de la disposition utilisée, les sièges flottants sont tous deux en contact constant et uniforme avec la clé, à tous moments, soit dans là position d'ouverture, soit dans la position de fermeture de la vanne,
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et avec la pression différentielle de la conduite s'exerçant dans l'une ou l'autre direction d'écoulement, saccompagnant des déformations résultantes du corps.
Ceci présente un grand avantage pour le maintien des surfaces d' appui ou de siège en bonne condition, du fait qu'ils sont ainsi protégés de la pénétration du fluide de la conduite entre les surfaces dé portée et de scellement,pénétration qui se produit dans les vannes à clé cylindrique ou conique conventionnelles et ce qui peut, au bout d'un certain temps, c'orro- der ou éroder ces surfaces ou y déposer des matières étrangères telles que des particules dures de poussière et se traduire par un couple de fonction- nement plus élevé.
Dans les robinets à clé, lubrifiés, conventionnels, antérieure- ment utilisés, des aciers d'alliages n9ont pas, en général, été employés dans le but de réduire le coût et le poids. Alors que l'on dispose d'aciers d'alliages avec des résistances beaucoup plus élevées, leurs modules d'élas- ticité sont essentiellement les mêmes que ceux des aciers au carbone ordinai- res de résistance inférieure. Par suite, ils ne rendront pas essentiellement plus de service pour contrôler ou réduire les déformations du corps qui con- trôlent la coopération convenable des surfaces d'appui ou de portée.
Dans la présente invention, les déformations du corps n'influencent pas la coopéra- tion convenable des surfaces de portée ou d'appui. Les aciers d'alliage de résistance plus élevée peuvent par suite être utilisés avec avantage pour ré- duire le poids du corps et les frais. Comme les valeurs des déformations et des contraintes dans un organe quelconque de structure sont contrôlées par le module d'élasticité de la matière utilisée pour sa construction,il peut par suite être désirable dans certains cas d'utiliser des aciers d'alliages pour la matière du corps dans les vannes perfectionnées de l'invention.
Bien qu'ils n'aient pas un module d'élasticité plus grand, et qu'ils soient quel- que peu plus coûteux par unité de poids, ces aciers sont beaucoup plus ré- sistants à la traction que des aciers ordinaires au carbone et par conséquent ils nécessitent beaucoup moins de métal pour fournir une résistance adéquate pour le corps. Ceci réduit le poids de la vanne et en abaisse le coût..
Bien que l'on ait représenté plusieurs mécanismes pour lubrifier les sièges d'une manière indépendante, on peut également réaliser une,lubri- fication effective en injectant simultanément du lubrifiant dans les gorges ou rainures à lubrifiant des'deux sièges, simplement en prévoyant une cen- nexion appropriée pour le lubrifiant (par exemple un collecteur), de manière que lorsque le lubrifiant est placé sous pression, il s'écoule en même temps vers les deux sièges. Lorsqu'une pression de lubrifiant suffisante est créée en vue du décalage ou décollage, l'action qui se produit sépare en fait les deux sièges de la clé, en repoussant hydrauliquement les sièges à l'encontre des ressorts qui maintiennent les sièges contre la clé et des moyens élasti- ques prévus dans le corps et qui supportent les sièges.
Il est généralement préférable toutefois de prévoir un décalage ou décollement individuel de chacun des sièges de la clés du fait qu'une pression de décalage ou de décol- lement plus élevée peut ainsi être engendrée si le lubrifiant utilisé est de peu de consistance ou bien si un seul des sièges est collé à la cléo
Il ressort de la description qui précède que la construction, qui utilise des pièces ou organes interchangeables, permet l'emploi de matières spéciales, résistant à la corrosion, pour les sièges ou pour la clé, sans obligation d'établir toute la vanne à l'aide de ces matières coûteuses.
Dans certaines applications, la nature et le degré des actions corrosives ne jus- tifient pas la fabrication de toute la vanne en un matériau coûteux résis- tant à la corrosion,mais son emploi pour certains éléments ou parties expo- sés ou critiques des vannes, peut se justifier, afin d'obtenir un prix mini- mum et un meilleur service.
Dans la vanne perfectionnée de l'invention, même après mise en service, la vanne pourrait, si on l'estimait désirable, être enlevée, et de nouveaux sièges ou autres-parties en matériaux résistants à la corrosion pourraient être aisément substitués aux parties ou organes originels, ou bien encore de nouvelles parties ou organes, analogues aux parties ou organes primitifs usés pourraient être utilisés comme remplacements, sans remplacer
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toute la vanne.
D'une manière analogue, si on estimait désirable d'améliorer ou régénérer certaines parties de la vanne, comme les sièges par exemple, par recouvrement à l'aide d'un revêtement de "Stellite" ou autres matières résis- tant à la corrosion, ce qui nécessite le chauffage du métal de base à des températures élevées et'l'usinage ou meulage subséquent de ces parties au fi- ni requis, ceci peut être fait aux moindres frais et sans détruire le corps de la vanne comme ce seràit le cas si de telles réparations étaient effectuées sur des corps de vanne des types conventionnels, dans lesquels les sièges sont établis d'une pièce avec le corpso
Bien que les dessins montrent une clé sphérique essentiellement de forme exactement sphérique,
il est à noter que cette forme peut être atté- nuée dans les portions de la clé qui ne font pas partie des surfaces d'appui ou de portée ou interviennent autrement dans le fonctionnement convenable de la vanne, notamment en vue de réduire le coût et le poids de la structure.
Ainsi, on pourrait enlever un segment de la clé sphérique au bas et au sommet de la clé, où du métal n'est pas absolument nécessaire pour assurer le fonc- tionnement convenable de la vanne. Egalement, une portion de l'intérieur de la clé sphérique pourrait être évidée pour en réduire le poids et le coût, et la clé pourrait être fabriquée en la constituant de parties métalliques soudées.
Dans tous les cas cependant il faut conserver les caractéristiques essentielles d'un contour sphérique en relation avec son fonctionnement, con- jointement au profil sphérique des surfaces d'appui des siègeso
Bien que d'ordinaire les couples de rotation de la vanne perfec- tionnée soient faibles, pour les vannes de grandes dimensions et pour des pressions de conduite élevées, divers mécanismes de manoeuvre, tels que des moteurs électriques ou à fluide, ou à pistons et cylindres, peuvent être uti- lisés, Les variantes de structure précédentes sont désirables en raison de la gamme étendue des dimensions de vannes et des pressions de fonctionnement auxquelles sàtisfont les vannes perfectionnées de 1'.invention.
L'invention peut être réalisée sous d'autres formes spécifiques sans¯se départir de son esprit ou de ses caractéristiques essentielles. La réalisation représentée et décrite est par conséquent à considérer à tous égards comme illustrative et non limitative, et l'invention englobe naturel- lement les variantes et les modifications ainsi que les équivalents.
REVENDICATIONS.
1.- Dans une vanne à deux voies,.un corps, une clé sphérique métallique capable de tourner dans le dit corps, une paire de sièges métalli- ques annulaires procurant un contact d'appui ou de portée uniforme entre la dite clé sphérique et le corps dans l'étendue de surfaces continues de lar- geur substantielle sur les côtés amont et aval de la dite clé sphérique, et des moyens procurant un film de scellement plastique pratiquement continu entre la dite clé sphérique et le dit corps aux dites surfaces.
2.- Dans une vanne à deux voies, un corps, un élément sphérique porté dans le dit corps, capable de tourner autour d'un axe, sur des surfaces de siège sphériques d'aval et d'amont, des rainures à lubrifiant dans les dites surfaces de siège, des sources de lubrifiant sous pression reliées aux dites rainures et des moyens élastiquement déformables permettant le dépla- cement d'amont ou le déplacement d'aval du dit corps sphérique sous l'effet d'une pression de lubrifiant.
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SPHERICAL KEY VALVE.
The invention relates to valves of the ball key type for high pressures and large pipes, and is particularly aimed at such valves in which means are provided for supplying a suitable plastic film of a gasket material to one. or the other or both seats between the ball key and the body of the valve and in which means can be provided to shift the ball key from its seat by the pressure of a lubricant.
The invention relates more particularly to two-way valves. of the so-called spherical type where the bearing surfaces are formed by the curved surfaces of a spherical zone, in which means are provided for providing a suitable plastic film of sealant and lubricating material to the bearing surfaces of the spherical zone between the valve body and the valve key, and in which means are provided to separate the key and its seats by creating increased pressure of the seal material.
In pipes, it has been common practice to use conical key valves, the keys comprising rectangular openings aligned on either side with the pipe., Means being provided for forming films of lubricant forming a seal between key and valve body surfaces to prevent escape of fluid from the line.
In most of these keyed valves, means are also provided for shifting or lifting the key from the valve in a direction parallel to the axis of rotation of the key, whereby wedges can be released into view. of their rotation and the effect of the upstream pressure tending to press the key against the downstream side of the opening in the body can be reduced to reduce the torque required for the rotation of the key.
Each of these key valves forms, due to its structure, a constriction or restriction in the pipe, resulting in losses of
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pressure. In addition, it has become common, in long conduits conveying fluids liable to form deposits or leave residues therein and thereby reduce the useful diameter of the conduit and increase the friction between the fluid transported and the conduit. , resulting in excessive pressure losses, to periodically scrape the inside of these pipes in order to clean them and restore them to the initial diameter.
The restrictions or restrictions in the pipe ;, formed by the current key valves have created difficulties because a wiper passing through the pipe cannot pass through the restriction or restriction of the rectangular opening of the valve. ., so that special cleaning operations and devices become necessary to remove the material scraped from these valves.
As it is virtually universally accepted in the art that these lubricated key valves are the only valves capable of use for these high pressures and large pipelines, these difficulties have in substance been accepted as inevitable. Further, since rapid opening and closing are extremely desirable, and often necessary, keyed valves which require only a 90-minute rotation between the fully open and fully closed positions meet this requirement. This requirement is better, for example, than slide valves, some of which require a considerable time to open and close precisely because of the great mechanical advantage provided by their threaded rods.
However, these keyed valves, because of their structure, have inherent operating conditions which make them less and less desirable as the pressure in the line increases. For example, in the case of a key valve capable of rotating in a housing on an axis normal to the axis of the pipe in which it is mounted, when the valve is in the closed position, the upstream pressure tends to separate the key from the upstream side of the housing and push it against the downstream side of the housing.
When the valve key and its associated housing are conical or cylindrical in shape, the key, on the downstream side, only contacts the housing substantially in a straight line above and below the light. downstream of the housing, leading to the pipe, the key thus being placed eccentrically in the housing.
This means that in the absence of a special additional sealing arrangement, this linear contact is ineffective in providing a satisfactory mechanical seal between the key and the housing, to prevent fluid leakage from the upstream side of the valve. valve, fluid passing around the sides and through the top and bottom of the cleo
As the linear contact between the key and the housing almost halves the downstream lumen of the Cover, and since the width of the lumens must be noticeable, there are appreciable spaces between the side edges of the downstream lumen and the key. which allow the upstream fluid to escape past the key and therefore through the valve.
In key valves as used at high pressure, this problem is usually solved by so-called plastic sealing or lubrication of the valve, in which the first and essential function of the plastic lubricating material introduced between the key and the metal seating surfaces of the housing, is to provide an adherent, plastic sealant film or seal which will resist displacement by the pressure of the mounting fluid.
As the line pressures become higher and the dimensions of the lines increase, with the resulting increase in the openings of the ports and the total differential pressure exerted on the wrench, the spaces which must be sealed by the lubricant become more and more large, and when the spaces around the sides of the wrench become of such magnitude that the high pressure fluid can act on a sufficient cross-sectional area of the lubricant film, it will remove the lubricant seal or seal and the valve key will leak.
For higher line pressures, more viscous and adherent lubricants have been proposed to ensure the sealing of the pipes.
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spaces of increasing size between the key and the housing, but this practice is naturally strongly limited by the difficulties. to introduce very viscous plastics through the networks of channels and lubricant supply holes which are necessarily limited, as also to introduce them into the space of film dimensions between the key and the housing.
It has been proposed to increase the dimensions of the keys in the valves of high pressure pipeline installations, but the sealing difficulties increase considerably with the increase in the dimensions of the keys, the effort to turn the valve is notably. increased, the lubricant pressures necessary for detachment or offset become very great and the practical disadvantage of terribly increased manufacturing costs are such as to discourage development attempts in this area,
Valves have also been proposed having completely circular openings to achieve optimum fluid flow conditions and minimum pressure losses.
Key valves having such circular openings must necessarily be of larger dimensions than those of the same capacity having rectangular openings, and in these larger circular opening valves, the same drawbacks are encountered for the sealing and the rotational forces.
The present invention, therefore, contemplates providing a valve for large, high pressure lines which have metal-to-metal seat or seat surfaces of substantial extent with means for providing a relatively rotational force. low between open and closed positions 90 ° apart from each other, and which have a completely circular opening equal in diameter to the opening of the pipe to prevent constrictions or restrictions reducing flow in the pipe, and allow standard pigs to be passed through the valve — as if the valve were in substance an extension or continuation of the pipeline.
The valve of the spherical type in which the movable element of the valve is a practically spherical body capable of rotating about an axis perpendicular to the axis of the pipe on cooperating spherical seats :, is used in the invention because it provides the desirable fully circular opening with continuous seating or seating surfaces, evenly relaxed, and 90 ° rotation between open and closed positions.
The spherical-type valve has further been chosen for the purposes of the invention due to the fact that the spherical seats being partially co-extensive with the surface of the sphere, form intimate surface contact with it over a substantial extent of their own. to provide a sufficient extent in which the bearing pressures per unit area are widely and evenly distributed, and provide a fully circular extent of sealing surface around the lumens. The high fluid pressures of the pipe are therefore supported over the entire bearing surface or bearing surface thus obtained.
Ball-type valves have of course been known for a long time, and a large number of different arrangements of ball valves are in use, particularly in so-called "sprinkler" water distribution systems and the like, with relatively sized pipes. small, where the pressures are comparatively low. An examination of the ball valves currently on the market for this use shows that they are limited to relatively small dimensions and low operating pressures. Some of these ball valves have special and complicated, expensive arrangements for use. higher pressures.
Such valves would however, of course, not be used in large pipelines for gas or oil for example, where the pressures are greater than 70 Kos / cm2, with the resultant total support pressures being very high when the valve occupies the position. closing.
It has been found that the valves of the spherical type presently available in commerce, when subjected to conveying pressures.
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high picks, in particular when the valves are large, either have extremely high operating torques when they have fiber insertions in the seats or seats, or do not close satisfactorily when they are provided with metal seats .
Further, even if the metal seats provide a satisfactory seal originally, corrosion or pitting of these seats by the pipe fluid, or wear, or scuffing or scratches from debris or Foreign matter carried in the pipe quickly gives rise to leaks.
It has been found that the inability of current ball valves to withstand high line pressures is a result of their current construction, in which the upstream and downstream seats ordinarily have partially spherical annular inserts. , fiber, asbestos, or other noticeably elastic and deformable materials, which are tightly pressed against the spherical surface of the wrench in the valve assembly, so that they can deform and conform exactly to the spherical surface on large area and thereby provide a satisfactory seal contact for the intended purposes under operating conditions.
However, the fact that these inserts are pressed strongly and deformably against the spherical surface to obtain the seal or seal, proportionally increases the rotational force required to open and close the valve, and this has been a factor. very important in limiting the dimensions of these valves, since the backing pressures required to adequately seal such valves against leakage at high line pressures would give the operating torque a value such that the valve does not. could be maneuvered.
Also, these fiber insert seats, wear out after some use, or they may crystallize and harden and therefore do not remain resilient, after time and by deterioration by the fluid transported or handled. They must be very carefully selected to avoid erosion and corrosion effects by the fluid of the pipeline, and deterioration under high temperature operating conditions. As a result, it has not been possible to adapt the present ball valves to the proposed purpose, simply by increasing the dimensions or making other conventional modifications in such valves.
It has been necessary to provide a valve of an entirely new structure and mode of operation to satisfactorily solve the above-mentioned problems.
A unique advantage of ball valves over previously used conical or other key valves is the precision with which the former can be executed without unnecessary expense or labor.
When a conical or cylindrical key valve is machined, or the seat is formed in the valve body, the cutting tool does not have a uniform depth of cut in a longitudinal pass, due to the solution of continuity when passing through the openings of the lights.
The spherical seating or seating surfaces of the wrench, and the valve body seats of the improved valve of the invention can be machined by continuous, uninterrupted cutting, which increases the precision of the parts and significantly reduces manufacturing costs. This also facilitates the interchangeability of bodies, keys, and seats in the present invention, and the replacement of worn or defective parts or components.
In previous conventional key valves, expensive structures with excessive metal thicknesses must be provided, and external ribs or other means must be used to provide sufficient rigidity to reduce body deformations. by line pressures, line stresses, temperature changes, and the like, which result in concentrated loads on the seating surfaces rather than distributed loads and hence in operating torques excessive. In the improved ball valves of the invention, the construction is such that the
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body deformations do not appreciably influence the operating torque.
This object is achieved in the preferred embodiment of the invention, by the use of floating seats and of a floating key not integral with the structure of the valve body, which provides support pressures of seat essentially distributed evenly, and materially reduces weight and cost.
It is well known that in a conventional faucet wrench, even of the lubricated type, the closure seal is made at the downstream seat only, and by drilling a hole in the side of the body, one can observe the leaks beyond the upstream seat. The present invention provides a double seal against leakage of fluid from the line when the valve is in its closed position, with a tight seal being formed at both the upstream and downstream seats. As the two seats are always in continuous sealing contact with the ball key, and a plastic lubricant seal is established in the form of an unbroken ring completely surrounding the lights at both the upstream and downstream seats, in the two fully open and fully closed positions,
a drip-proof seal or seal is maintained at all times. This provides a double seal guarantee in the event that either seat surface is damaged by corrosion or scuffing, scratching or other failure to maintain a tight seal.
Also, in certain services such as oil or petroleum refineries, it is common practice, as a safety precaution, to provide in a pipe two valves close to each other and a valve. flow therebetween which, when both line valves are closed and the flow valve open, provides a visible indication of leaks beyond the upstream valve of the line.
In the improved valve of the invention, due to the seal at both seats, a drain hole can be drilled in the side of the valve between the upstream and downstream seats, and used to give an indication of a visible leak with only one valve in the line, which also eliminates the possibility of a downstream valve being inadvertently left open, which is the case in previous two-valve installations.
The main object of the invention is to provide a novel valve arrangement suitable for large pipelines and other high pressure services, which has a fully circular opening and a length of adequate reach, with means to reduce the strain so much. necessary to rotate the valve element only to make a fluid tight seal in the line.
Another object of the invention is to provide a new arrangement or construction of a ball valve for high pressures and large pipes, in which, depending on the direction of flow, the sphere has a contact which is in substance a contact. metal-to-metal contact with the downstream seat over the extent of a spherical ring large enough to adequately support the thrust of the sphere resulting from high driving pressures, and in which lubricant grooves Special features are provided on both the upstream and downstream seat surfaces to provide a plastic sealing film to prevent fluid leakage from the line through the valve.
Another object of the invention is to provide a novel lubricated valve of the spherical type comprising means for shifting or detaching the ball key from its seats when the valve occupies either the open position or the closed position, or a position. intermediate.
Another object of the invention is to provide a novel valve of the spherical type, in which the spherical seat surfaces are provided with large lubricant grooves which extend around the opening of the lumens, and provide means for hydraulically shift or lift the key from either or both seats using achievable unit pressures of lubricant.
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Another object of the invention is to provide a ball-type valve in which lubricant grooves are provided around the lumens of the seats and means are provided for shutting off the supply of lubricant to these grooves when the valve is rotated. valve between the fully open and fully closed posi- tions, and in which the key can be released if it is stuck or wedged, regardless of the position it occupies,
Another object of the invention is to provide a lubricated valve in which body deformations, intentional or otherwise, are not transmitted to the seats and the key with an increase resulting from torque or leakage.
Another important object of the invention is to provide a novel two-way valve, lubricated with seats in the form of a spherical zone (known as a ball valve), the body of which is of special structure having axial deformations controlled or predetermined for them. lubricant release or offset pressures or differential line pressures.
Another object of the invention is to provide a lubricated valve with floating seats, comprising novel arrangements for introducing a plastic sealing lubricant between the bearing or bearing surfaces of the key and the floating seats.
Yet another object of the invention is to provide a novel two-way lubricated valve assembly comprising interchangeable floating seat rings sealing against leaks beyond the bearing or bearing surfaces and around the rings.
Yet another object of the invention is to provide a novel floating seat arrangement for lubricated, resiliently supported and sealed valves.
Still other objects of the invention will emerge from the description which follows in relation to the accompanying drawings in which FIG. 1 is an elevational view, partially cut away and partially in section, illustrating a lubricated valve with a bearing or spherical seat area, or valve of the spherical type, in accordance with a preferred embodiment of the invention;
Fig. 2 is a fragmentary, sectional view, on an enlarged scale, illustrating details of the lubrication system of the arrangement of the invention shown in Figure 1;
Fig. 3 is a section illustrating an arrangement of a lubricant reservoir suitable for use in the embodiment of the invention shown in fig 1;
Fig. 4 is an end elevational view, partly in section, of the valve of FIG. 1;
Fig. 5 is a rear elevational view of a preferred seat ring for use in the valve of Fig. 1, which shows the lubricant delivery and sealing grooves of a valve seat;
Fig. 6 is a section similar to FIG. 2 showing a modified system of passages for the lubricant, in particular intended for a valve of larger dimension;
Figs. 7,8 and 9 are fragmentary views, on an enlarged scale, in section, of other embodiments of the invention, in which the rings of the valve seats are resiliently supported,
As shown in Figure 1, the metal valve body 11 has a cylindrical wall 12 with an internal cylindrical surface 13 and an annular guide bore 14 for a cylindrical shoulder 15 of. a flange 16 which is fixed to the body 11 by prisoners 17. Suitable thicknesses 18 are used to obtain the
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suitable mounting clearances and a seal ring of circular cross section, 19, designated seal ring 0,
is compressed in an annular groove or groove 21 of a guide extension or cylindrical centering 15 in order to provide a tight seal with the bore 14. The flange 16 is made integral with the end section of the body or part 22 which comprises a flange external 23 for fixing the valve to a pipe, and a cylinder flow passage 24.
The end wall 25 of the body 11 comprises a cylindrical passage 26 of the same dimension as the passage 24 and coaxial with it, passing through the section of the integral body or of a part 27 and the flange for fixing to the pipe 28.
A cylindrical recess 29 is provided at the junction of the walls 12 and 25, and it is coaxial with and of the same size as the cylindrical recess 31 formed in the extension of the flange 16. Metal seat rings, 32 and 339 which fit with a sliding clearance in the recesses 29 and 31, and ring grooves or grooves 34 and 35 formed in their periphery, contain sealing rings at 0, 36 and 37, or other suitable members providing a fluid-tight sliding seal with the surfaces of the recesses 29 and 31, and which in use permit a slight axial displacement of the seat rings relative to the valve body.
For ordinary operating temperature ranges, the rings at 0.36 and 37 are preferably made of oil resistant synthetic rubber, which is suitable for most applications. Where higher temperatures are to be expected, rings made of "Teflon", "Silastic" and other similar plastics can be used.
The seat rings 32 and 33 are each provided with a shallow but wide cavity or recess, 38, on their posterior surface, in which are mounted absorbent pads 39 of rubber or the like.
The areas formed by the recesses or cavities 38 preferably comprise curved surfaces 42 and 43 suitable for coming to bear against the flat internal surface 44 of the wall 25 as shown in FIG. 2. The deformation of the slightly curved surfaces , 42 and 43, under the compressive load of the full pressure differential of the pipe, is very small due to the large available expanse offered to the thrust. Although these surfaces can be made planar, the combination of the curved surfaces 42 and 43 with the cavity or recess 38 and the absorption liner 39, functions to exclude any foreign particles from the fluid in the line which are larger than. play, and which could become lodged between the surfaces supporting the thrust load.
Other particles which might come into the absorption cavity or recess may remain suspended until a subsequent axial contradiction of the valve body occurs, at which point if they are not expelled, they are absorbed. or coated in the filling 390
The bore 45 of the rings 32 and 33 is cylindrical and co-axial with, as well as the same size as the opening 26. The rings 32 and 33 are provided with annular, spherical profile seat surfaces 46 for the surface. cooperating annular, of spherical profile, 47, of the spherical key 48 which is provided with a cylindrical lumen or passage 49 at least as wide as the passages 24 and 26.
In practice, the unit support pressures employed or the diametrical ratios of the spherical key to the orifice of the lumen will vary according to the pressures of the pipes and the dimensions of the valves. In the embodiment of the invention which is illustrated and for general use, a ratio of 1.7 to 1 of the diameters of the sphere and the lumen is used. However, ratios of 3 to 1 or more, or 1.5 to 1 or less, may be desirable depending on valve sizes, line pressures, and desired operating torque.
It has also been found that a unit support load of about 102 Kos / cm2 provides very satisfactory operating torque in 10 and 20 cmo valves, designed to work at line pressures of 140 Kos / cm2. about.
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The upper end of the key is provided with an arcuate groove in 50, so as to freely receive a profile shank in conjugate arc, 51, formed at the bottom of a valve stem 52, mounted so as to rotate in the valve body, for example by means of a screw engagement as in 53.
An annular chamber 54 surrounds the valve stem, to admit therein a plastic seal material under pressure through a radial passage 55, for the purpose of enclosing or packing the stem in a well known manner. A suitably packed operating rod could be used as will be apparent to those skilled in the art.
As illustrated in Figure 1, shank 51 is narrower than groove 50, and has sufficient play in the groove to accommodate sufficient limited movement of wrench 48.
Referring to Figure 4, it will be appreciated that the shank 51 extends a considerable length into the groove 50. This long shank and the clearance provided for it in the groove allow any limited, desired, controlled rotation and displacement. of the key in relation to the central axis of the valve housing, either normally to or in the direction of the flow line, thus allowing the correct positioning of the key and the alignment of the grooves or lubricant grooves and seat sealing with the key lubricant grooves or grooves which will now be described.
A small centering pin can also be used between the wrench and the shank to prevent excessive radial displacement of the ball wrench with respect to its axis, but which provides all the play necessary to maintain the floating characteristics of the wrench between the pins. seats. Any other suitable connection allowing the required movements of the key relative to the operating rod may be used.
The shank 51 is, as shown, positioned such that the required axial movement of the key is allowed by the clearance between the arcuate inner surface of the shank and the arcuate surface complementary to the groove in the key. If the shank position is changed 90 from the direction of flow through the wrench, then axial movement is provided by the side play.
As shown in Figure 5, each seat surface 46 of the valve is made with shallow lubricant grooves or grooves 57 of substantially uniform depth interrupted by diametrically spaced plates, 58 and 59.
The surface of the key 48 is provided with, short grooves or grooves
61 and 62, sufficiently long to bridge or span the areas 58 and 59 'in the fully open and fully closed positions of the key, which positions are spaced by 90 and determined by appropriate co-operative stops (not shown) carried through the valve stem and body. When the areas are thus bridged by the short grooves or grooves, the grooves 57 effectively become continuous around the ball key, on opposite sides thereof.
The grooves 57 are suitable for receiving a plastic sealing material, which also lubricates the wrench for rotational movements, and provides hydraulic force to offset or lift the wrench and seats axially. The amount of hydraulic offset or lift-off force required is provided by the extent of the lubricant grooves multiplied by the unit pressure of the fluid exerted on the plastic lubricant. As a result, either the extent of the grooves or the unit pressure of the lubricant can be modified at will.
As illustrated in FIG. 2, the seat rings 32 and 33 are each provided with a radial passage 63 communicating with the groove 57, and closed at its outer end by a threaded plug 64. A transverse passage 65 formed in it. The ring intersects with passage 63, and is widened at its outer end to provide a bore 66. An even larger threaded bore, 67, is formed in body wall 25, coaxially with the passage.
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65, and is widened at its inner end to provide a '68 shoulder.
A hollow sleeve 69 is externally threaded to fit into the bore 67 and has an enlarged head 71 in the shoulder 68, so that in the position of Figure 2, the solid flat surface of the head. 72 of the sleeve substantially fills the recess, and substantially forms a continuation of the inner surface of the wall 250 internally, the sleeve 69 has a smooth bore 73 coaxial with and of the same size as the bore 66, and an outer threaded section 74. A cylindrical conduit 75 extends between the sleeve 69 and the seat rings 32 'and 33, with its opposite ends fitting tightly but slidably in the bores 66 and 73.
Seal rings at 0, 76 and 77, compressed in annular grooves or grooves 78 and 79 seal the periphery of the conduit member tightly with the bores 66 and 73 respectively. It has been found satisfactory to give member 75 a radial sliding play of about 0.125 mm with the bores, although satisfactory seals have been obtained with a radial play of 0.25 mm, which may be required, in the construction of very large valves. The conduit 75 with the 0-rings in place in the grooves, is simply assembled by insertion through the bore 73 into the bore 66.
As the grooves 78 and 79 are equidistant from the ends of the member; it does not matter which of the ends is introduced first. The conduit 75 also functions to suitably locate the seat rings 32 and 33 in the circumferential direction and to prevent their rotation in their housings relative to the body, which would result in the displacement of the grooves or grooves 61 and 62. .
This arrangement also allows for the removal and re-introduction, if desired, of the conduit 'forming' member for inspection or replacement of the O-rings, without disassembling the entire valve. A central passage 81 is formed in the valve. member 75 coaxially with passage 65 of the ring. A hexagon head closure 86 is screwed into the bore 74, and formed such that when brought against its seal 97a, its reduced inner end 88 does not engage. with the end of the member 75, but provides at its end sufficient play to allow, in service, the necessary axial movement of the seat ring 32 or 33, without the malfunction of the 0-rings, 76 and 77.
Between the stopper and the member 75 an annular chamber 89 is thus formed, which communicates with the passage 81 by radial openings 91 and an axial passage 92 of the end of the stopper. A passage 93 formed in a boss 94 of the wall 25, has a threaded external end in which is mounted a lubricating device 95, (figs 2 and 3), comprising a reservoir 96 and a filling member 97 with a check valve 98 The end of device 95 is in axial alignment and in communication with reservoir 96 and is provided with a suitably tapped hole 99 which threadedly receives a tight fit head screw 101.
In service, the screw 101 has sufficiently protruded from the hole 99 during the filling of the reservoir and is suitable for being periodically screwed into the hole to place the reservoir and the lubricant under pressure and to supply lubricant under pressure to the passages between. the key 48 and its seats 46 in order to separate the key from the seat rings 32 and 33 and provide proper lubrication to allow the key of the valve to be rotated in its seats.
If desired, the screw 101 could be made hollow, and the member 97 could be screwed into the hollow end of the screw rather than the member 95, or the member 95 could be replaced with a head. "Alemite" for pressure lubrication, or any other external lubricating device, standard. As a result, the grooves or grooves 57 can be filled with pressurized lubricant from the reservoir 96 through the passage 93, the chamber 89, the openings 91 and passages 92, 81, 65 and 63.
In very large valves, the machining clearances between the outer periphery of the seat rings 32 and 33 and the locating members in the body may become such that the clearance required around a conduit member such as this. than 75 in Figure 2, may adversely affect the operation of the 0-rings. In such a case, the
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arrangement of FIG. 6 is the preferred embodiment.
In this arrangement, the parts or members are the same as in Fig. 2, except that the lubricant duct comprises 2 short cylindrical blocks 102 and 103 slidably mounted in the bores 66 and 73 respectively. A 0.14 ring is engaged in the annular peripheral groove 105 to form a tight seal with the bore 73, and a 0.16 ring is provided in the annular peripheral groove 107 to form a tight seal therewith. bore 66. Blocks 102 and 103 are interconnected by a thin-walled, flexible, resilient tube 108, which is brazed, welded or otherwise clamped in place. Tube 108 will withstand high internal lubricant pressures, and will function as a lubricant conduit, like passage 81 in Figure 2.
When the seat rings are moved relative to the body due to differential pressures in the pipe; or shifting or peeling pressures, tube 108 simply flexes, and due to its elastic nature resumes its normal alignment when the pressures are released. A thin stainless steel tube 108, of about 3 mm bore is satisfactory for large valves giving up to 1050 Kos / cm2 of lubricant pressure during peel.
In the embodiment illustrated in FIG. 7, annular springs 109, which may be corrugated or embossed leaf springs, as shown, Belleville-type springs, or any other suitable elastic means, such as a section forming a spring which is integral with the ring, are provided in a recess 38, behind each seat ring 32 and 33, to exert elastic axial pressures on the rings.
These springs must be used when the lubricant of the grooves 57 is of the activatable, compressible or expandable type such as the so-called "Hypermatic" lubricant manufactured by the applicant, which consists of a plastic vehicle comprising, uniformly distributed therein , a multiplicity of small cells of a compressible gas such as air and in the present valve this lubricant is maintained in an activated state under compression in the lubricant reservoir and the lubricant passages, so that it automatically moves to replace lubricant losses to the pipe during normal operation.
The use of this arrangement is also desirable when using standard non-compressible lubricants, in that it widens the range of clearances usable in the initial assembly. It is also useful for maintaining a continuous contact contact between the key and the two seats in the case where very low line pressures are present in large valves which, by themselves, would not be sufficient to bring strongly. the seats and the key in ignition. When an activatable sealant and lubricant is used, the lubricant tends to expand and separate the seat rings from the wrench when no line pressure exists to hold the rings. seat in contact with the key.
When the valve is closed, this expanding force of such a lubricant will oppose the action of the fluid, of the line pressing the upstream seat against the key, and, in the absence of the spring 109, it may result in unwanted loss of lubricant to the line. This tendency is overcome by the action of spring 109 or equivalent resilient means having an effective compressive strength equal to the pressure load of the activated lubricant. In cases where offset or lift-off pressure is required and applied, the counter pressure of the spring is negligible compared to the total lift-off pressure of the lubricant, and also negligible for the increase in operating torque compared to line pressure.
Springs 109 are largely intended to maintain a pressure or energy stored in the lubricant which is appropriate. For example, a lubricant pressure of 14-21 Kos / cm2 is more than sufficient to provide the required hydrostatic head to the lubricant flow through the valve passages.
In general, the increase in torque due. to the use of such springs is about 3% with a maintained lubricant pressure of 14 to 21 Kos / cm2 in a 20 cm valve, 600 series, subjected to a line pressure of 105 Kos / cm2o
Figure 8 shows another modification of the ring arrangement
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seat and absorbent pad, in which a series of curved springs 110., spaced around the perimeter of the annular groove or recess 38, and which overlap an annular groove 111 containing an absorbent rubber pad 112 for foreign particles which can be retained in the recess 38 during operation of the valve.
The number and strength of the springs 110 can be selected according to the desired elastic drafting on the seat, and they can be spaced on opposite sides of the lubrication system of Figures 2 or 6 so as not to interfere with this system
In valves comprising bolted flanges 23 and 28, such as that shown in fig. 1, there may not be a sufficient location for the lubricant injection devices illustrated in figs. 2 and 6.
In such a case, the lubricant can be injected into the sides of the valve, for example by means of the arrangement of FIG. 9, -which tolerates the movements- both axial and normal to the axis of the seat rings. In this arrangement, the flexible tube and block lubrication system 102, 103 and 108 of FIG. 6 is arranged in perforations 113 made in the side wall 11 of the valve and in aligned holes 114 of the seat rings 32 and 33. , which communicate by lubricant passages 63 with the grooves 57 of the seats. In the threaded outer end of the perforation 113 is screwed an "Alemite" head 115 through which lubricant is injected.
In this form of the invention there is shown a Belleville spring 116 disposed in the recess 38 over the absorbent pad 1120.
The illustrated valve is assembled by inserting the seat ring 32 through the open end of the body and then dropping the spherical member 48 into place on the ring. seat 32. The part 22 is then fixed to the end of the body with the seat ring 33 in position and with, arranged between the terminal member and the body, thicknesses 18 whose thickness is sufficient to provide the predetermined clearances of the desired intimate contact between the spherical surfaces of the key and the seat rings in order to provide satisfactory torque when turning the key during opening and closing of the valve.
When the seat rings are spring loaded and properly adjusted for clearance and pressure, the thicknesses 18 can be omitted, and the end member simply bolted to the body with a conventional gasket between them. In such an arrangement the valve must be removed from the pipe to allow removal of the key. As will be apparent to those skilled in the art, however, the body can be set up in such a way, if desired, that it permits the removal of the key and inspection of the seats without separating the body from the body. the pipe valve. Some Fairbanks ball valves have such a construction, and the Humphreys valve, U.S. Patent 2,333,424, employs such a general arrangement.
Operation .. Assuming for illustration purposes that the direction of flow is that shown in figure 1, and that the valve is closed or turned 90 from the position of figure 1, full pressure control acts on the key and pushes it against the downstream seat ring 32; this results in a slight extension between the seat supports due to the inherent elasticity expected. Line pressure also pushes the upstream seat ring 33 into intimate surface engagement with the key. This movement of the upstream seat does not interfere with the delivery of lubricant to the bearing surfaces due to the functions of the lubricating mechanism of Figures 2, 6 and 9.
Thus, in the improved valves of the invention, the axially sliding upstream seat can still follow the key, ensuring constant contact of the two upstream and downstream seat surfaces 46 with the key surface 47, which regardless of the direction of flow, when the valve is in the closed position. In the open position without differential drive pressure on the key, the seats are in contact due to the initial assembly process, and as a result of the elastic pressures exerted on the seats o Consistent protection of the contact surfaces is achieved which has not previously been carried out in lubricated key valves. In a similar way, a double sealing is obtained at the same time
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sealing at both upstream and downstream seats.
In the open position of the valve there is no appreciable axial elongation of the body, and therefore the body must be established in such a way that it yields sufficiently to allow the establishment of an adequate lubricating film when. it is under offset or detachment pressures.
In the closed position of the valve, some * axial elongation occurs due to the retention of the mass of fluid, the effect of which is to separate the base of the upstream seat ring from its stop or support, and, therefore, when shifting or detaching either key seat ring, the aforesaid separation is decreased without further elongation of the body if the valve is subjected to high pressures of the pipeline fluid. It has been found that a 20 cm valve of the arrangement described, when subjected to a line pressure of 105 Kos / cm2, extends axially by 0.25 mm when in the position of. closing. In the open position, the axial elongation is not more than 0.025 mm.
Although the major contours of the body should theoretically approximate the spherical shape to provide maximum strength with minimum weight or cost, it has been found desirable in some instances to use a substantially cylindrical body shape as shown. , in order to obtain satisfactory values for the axially yielding means, without excessive value of such elongation of the body which would require needlessly long lubricant injection needles to transmit lubricant through movable seats. Such a construction will vary with the dimensions of the valves and the rate of pressure desired to be used.
The thrust load of the seats can be distributed over the entire extent of the seat base, or it can be relatively concentrated on the inner part or the outer part. If the load is mainly absorbed at the outer part, the thrust load is entirely absorbed by shear forces in the supporting body and in the cylinder wall.
Body brick. If the thrust load is primarily absorbed at the internal portion of the seat, the load is absorbed as a bending moment in the shoulder of the support supporting body. It is advantageous to absorb any stresses or strains that may occur in the body rather than in the seat rings to maintain better. load distribution on the seats with minimum resulting operating torques.
In the preferred embodiment of the invention, this result is obtained by the defined arrangements, in which the annular seat rings
32 and 33 are made sufficiently rigid to maintain a uniform bearing contact with the key even if the valve body undergoes deformation during the separation of the key from one of its seats by shifting or taking off - - ment ,, - or as a result of the differential pressure in the closed position.
When a generally spherical body is used, the inherent elasticity of the ball valve body during deformation, together with the non-contact of the side walls with the wrench, effectively acts as a resilient support for the seats. . In the generally cylindrical body, as shown, however, essentially all of the elasticity or means capable of yielding is provided by the flexion of the shoulders of the body which support the seat rings 32 and 33.
The construction used, in which the thrust load is transmitted from the outer and inner peripheries of the seat rings to the support shoulders, maintains the desired stiffness of the seats and controls the amount of flexion in the shoulders of the body.
The ball key can be a member completely floating in the whole of the valve, and be held in place only by the upstream and downstream seats of this valve. In the preferred embodiment of the invention, as illustrated, the ball key is also held in position only by the seats, but due to the arrangement used, the floating seats are both in constant and uniform contact with the key, at all times, either in the open position or in the closed position of the valve,
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and with the differential pressure of the line exerting in either direction of flow, accompanied by the resulting deformations of the body.
This has a great advantage in keeping the bearing or seat surfaces in good condition, since they are thus protected from the penetration of the pipe fluid between the bearing and sealing surfaces, which penetration occurs in the pipe. conventional cylindrical or conical keyed valves and what can, over time, corrode or erode these surfaces or deposit foreign matter such as hard particles of dust on them and result in a torque of higher operation.
In previously used conventional, lubricated, keyed valves, alloy steels have generally not been employed in order to reduce cost and weight. While alloy steels with much higher strengths are available, their moduli of elasticity are essentially the same as those of ordinary lower strength carbon steels. As a result, they will not be substantially more useful in controlling or reducing body deformations which control the proper cooperation of the bearing or bearing surfaces.
In the present invention, the deformations of the body do not influence the proper cooperation of the bearing or bearing surfaces. Higher strength alloy steels can therefore be used with advantage to reduce body weight and expense. Since the values of strains and stresses in any structural member are controlled by the modulus of elasticity of the material used in its construction, it may therefore be desirable in some cases to use alloy steels for the material. of the body in the improved valves of the invention.
Although they do not have a greater modulus of elasticity, and are somewhat more expensive per unit weight, these steels are much stronger in tensile strength than ordinary carbon steels and therefore they require much less metal to provide adequate strength for the body. This reduces the weight of the valve and lowers its cost.
Although several mechanisms have been shown for independently lubricating the seats, effective lubrication can also be achieved by simultaneously injecting lubricant into the lubricant grooves or grooves of both seats, simply by providing a lubricant. Appropriate concentration for the lubricant (eg a manifold), so that when the lubricant is pressurized it flows to both seats at the same time. When sufficient lubricant pressure is created for shifting or takeoff, the action that occurs actually separates the two seats from the wrench, hydraulically pushing the seats against the springs that hold the seats against the wrench. and elastic means provided in the body and which support the seats.
It is generally preferable, however, to provide an individual offset or detachment of each of the seats of the key because a higher offset or detachment pressure can thus be generated if the lubricant used is of little consistency or if only one of the seats is glued to the key
It emerges from the foregoing description that the construction, which uses interchangeable parts or components, allows the use of special corrosion-resistant materials for the seats or for the key, without the obligation to install the entire valve to the using these expensive materials.
In some applications, the nature and degree of corrosive actions do not justify manufacturing the entire valve from an expensive corrosion-resistant material, but its use for certain exposed or critical components or parts of the valves, can be justified, in order to obtain a minimum price and better service.
In the improved valve of the invention, even after commissioning, the valve could, if deemed desirable, be removed, and new seats or other parts of corrosion-resistant materials could easily be substituted for the parts or original organs, or even new parts or organs, similar to the original worn parts or organs could be used as replacements, without replacing
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the whole valve.
Similarly, if it is considered desirable to improve or regenerate certain parts of the valve, such as the seats for example, by covering with a coating of "Stellite" or other corrosion resistant material , which necessitates heating the base metal to high temperatures and the subsequent machining or grinding of these parts to the required finish, this can be done inexpensively and without destroying the valve body as it would be. case if such repairs were carried out on valve bodies of conventional types, in which the seats are established in one piece with the body
Although the drawings show a ball key which is essentially exactly spherical in shape,
it should be noted that this shape can be attenuated in the portions of the key which do not form part of the bearing or bearing surfaces or otherwise intervene in the correct operation of the valve, in particular with a view to reducing the cost and the weight of the structure.
Thus, a segment of the ball key could be removed at the bottom and top of the key, where metal is not absolutely necessary to ensure proper valve operation. Also, a portion of the interior of the ball key could be hollowed out to reduce weight and cost, and the key could be made by making it from welded metal parts.
In all cases, however, the essential characteristics of a spherical contour in relation to its operation must be retained, together with the spherical profile of the seating surfaces.
Although usually the torques of the improved valve are low, for large valves and for high line pressures, various operating mechanisms, such as electric or fluid motors, or piston and cylinders can be used. The foregoing structural variations are desirable because of the wide range of valve sizes and operating pressures which the improved valves of the invention meet.
The invention can be carried out in other specific forms without departing from its spirit or its essential characteristics. The embodiment shown and described is therefore to be considered in all respects as illustrative and not limiting, and the invention naturally encompasses the variants and modifications as well as the equivalents.
CLAIMS.
1.- In a two-way valve, a body, a metallic spherical key capable of turning in the said body, a pair of annular metal seats providing a contact of support or of uniform bearing between the said spherical key and the body within the extent of continuous surfaces of substantial width on the upstream and downstream sides of said ball key, and means providing a substantially continuous plastic seal film between said ball key and said body at said surfaces.
2.- In a two-way valve, a body, a spherical element carried in said body, capable of rotating around an axis, on downstream and upstream spherical seat surfaces, lubricant grooves in said seat surfaces, sources of pressurized lubricant connected to said grooves and elastically deformable means allowing upstream movement or downstream movement of said spherical body under the effect of lubricant pressure.