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Valve à noix sphérique à l'épreuve du feu.
Demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique nO 434248 du 14 octobre 1982 en faveur de P. C. WILLIAMS,
U. H. KOCH et T. J. FRANCIS.
La présente invention concerne le domaine des valves et, en particulier, des valves à noix sphérique résistant au feu ou à l'épreuve du feu.
L'expression"à l'épreuve du feu" utilisée dans le domaine des valves se rapporte à une valve qui
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satisfait à certaines conditions spécifiées lorsqu'elle est exposée à un incendie. Voir Arant, Fire-Safe Valves--An Overview, Proceedings, Thirty-Sixth Annual Symposium on Instrumentation for the Process Industries (Texas A M University, 1981). Malheureusement, des séries de conditions différentes ont été promulguées par diverses organisations et l'industrie des valves n'a pas encore admis une norme uniforme. En fait, selon une des normes (American Petroleum Institute 607), si une valve reste en substance étanche au fluide en position de fermeture à une température de corps d'au moins 593 C pendant au moins 10 minutes, elle peut être certifiée comme étant "à l'épreuve du feu".
Des valves qui présentent des caractéristiques de conception leur permettant de résister aux fuites lorsqu'elles sont exposées à un incendie, mais qui ne sont pas à même de respecter cette norme sont habituellement qualifiées de "résistant au feu".
L'invention s'applique en particulier à une valve à noix sphérique à l'épreuve du feu à sièges souples, nouvelle et perfectionnée, ainsi qu'aux sièges destinés à cette noix pour une valve du type comportant une noix sphérique dite"flottante"et sera décrite ciaprès avec référence, en particulier, à une telle valve. Cependant, il apparaîtra clairement aux yeux des spécialistes, que l'invention se prête à des applications plus larges et pourrait être adaptée à d'autres types et modèles de valves.
Des valves à noix sphérique utilisées dans l'industrie comprennent typiquement des sièges annulaires ou des anneaux de sièges en une matière plastique élastique et déformable comme du Téflon (une marque de fabrique déposée par E. I. du Pont de Nemours and Company) destinés à entrer en contact d'étanchéité avec la noix sphérique. Deux anneaux de sièges de ce genre
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sont placés près des ouvertures d'entrée et de sortie de la valve. La noix sphérique elle-même est montée de manière à pouvoir jouer légèrement ou se déplacer axialement par rapport aux sièges lorsque la valve est en position de fermeture et qu'elle est soumise à la pression du fluide.
Ce déplacement amène la noix sphérique à agir sur l'anneau de siège d'aval et à le déformer de manière à améliorer l'étanchéité de son contact avec la noix sphérique. Cette flexion varie en fonction de la pression de fluide impliquée.
Dans le cas d'un incendie, le siège annulaire souple d'une valve à noix sphérique du type à noix flottante classique est en substance endommagé par la chaleur de l'incendie au point que les fuites à travers la valve peuvent devenir inacceptables. D'une manière typique, en aval de la noix sphérique, la séquence de destruction du siège est telle que la matière plastique commence par se ramollir, puis flue ou s'extrude par la lumière de la valve. L'exposition à une chaleur excessive qui se poursuit entraîne finalement la carbonisation du siège et sa sublimation ou sa vaporisation. La destruction du siège en matière plastique permet à la noix sphérique de se déplacer davantage sous l'effet des conditions de pression du fluide jusqu'à ce qu'elle entre en contact avec un siège secondaire.
Un tel siège secondaire comprend typiquement une saillie du corps de valve en métal ou en matière ininflammable qui s'étend radialement vers l'intérieur, par exemple un épaulement de support pour le siège en matière plastique. Normalement, une telle surface n'est pas conçue spécialement pour un contact étanche très serré contre la noix sphérique et permet des fuites substantielles.
Une autre difficulté particulière se présente lorsque le siège en matière plastique n'est que partiellement détruit par un incendie. Par exemple,
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lorsqu'une valve est exposée à de la chaleur rayonnante d'un incendie d'un côté seulement ou à un incendie de faible intensité, seule la partie du siège de valve la plus proche de l'incendie peut se ramollir et s'extruder dans la lumière de la valve. La noix sphérique peut alors se déplacer sous l'effet de la pression du fluide vers la zone libérée par l'extrusion et, n'étant plus à même d'entrer en contact de manière uniforme avec le siège secondaire, elle démasque un trajet de fuite important.
En variante, la noix sphérique peut être empêchée'd'entrer en contact avec le siège secondaire par les parties non détruites du siège en matière plastique et peut démasquer de manière analogue des trajets de fuite importants. Dans ces deux situations, du fluide peut s'engouffrer dans les trajets de fuite et peut refroidir brusquement la valve. Le refroidissement brusque intervient pour empêcher toute détérioration supplémentaire du siège en dépit d'un incendie qui se poursuit et entretient typiquement une fuite massive à travers la valve.
Une difficulté supplémentaire mais fréquemment non reconnue, qui surgit pendant un incendie, est l'augmentation rapide de la pression du fluide à l'intervention du fluide chauffé qui est emprisonné entre les sièges d'entrée et de sortie autour de la noix sphérique. La chaleur de l'incendie peut chauffer et même vaporiser ce fluide dans le centre de la valve entre les sièges. L'incendie est fréquemment si intense que le fluide est si rapidement vaporisé qu'il ne peut pas s'échapper au-delà des sièges assez rapidement pour empêcher une augmentation de pression excessive dans la valve. Une telle augmentation de pression peut facilement dépasser la résistance nominale de la valve et faire céder les joints d'étanchéité au niveau du bourrage de la tige ainsi que les joints du corps ou
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briser le corps de valve lui-même.
Une autre difficulté pratique se présente lorsqu'un tuyau d'incendie est braqué sur une valve dans un circuit de liquide volatil qui a été chauffé par un incendie. L'effet de refroidissement rapide de l'eau du tuyau provoque une violente condensation de la vapeur chauffée dans la valve qui déloge la noix sphérique et détache les matières carbonisées, les déchets et les matières polluantes qui peuvent venir se loger entre la noix sphérique et sa surface d'étanchéité et créent ainsi des trajets de fuite supplémentaires.
Les sièges de valves à noix sphérique résistant au feu ou à l'épreuve du feu sont, en général, conçus en vue d'obtenir une valve dont l'étanchéité soit assurée à l'aide de matières de siège de valve classiques dans des conditions de manoeuvre normales et qui soit également étanche lorsqu'elle est exposée à un incendie. Diverses formes et divers types de sièges pour valves à noix sphérique ont, jusqu'à présent, été suggérés et utilisés dans l'industrie et ce, avec des succès divers. On a constaté que les défauts de la plupart des valves à noix sphérique à l'épreuve du feu ou résistant au feu connues sont tels que les valves elles-mêmes sont d'une utilité économique et pratique limitée.
Un type courant de valve à noix sphérique résistant au feu comprend un siège souple principal en une matière plastique telle que du Téflon et un siège secondaire en métal ou en une matière composite résistant aux températures élevées pour assurer l'étanchéité de la valve lors de la destruction du siège principal au cours d'un incendie. Le siège secondaire comprend typiquement une bague métallique ou une rondelle intercalée entre le siège principal en matière
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plastique souple et un épaulement de support du corps de valve. Cette construction souffre des difficultés résultant naturellement de n'importe quel type de joint d'étanchéité métal-métal.
Comme la noix sphérique dans une valve du type à noix sphérique flottante n'est jamais parfaitement sphérique et que le siège métallique secondaire n'est pas parfaitement circulaire, des fuites au niveau du joint d'étanchéité secondaire après destruction par incendie du joint d'étanchéité principal sont habituellement importantes, car la noix sphérique n'est pas en contact annulaire complet avec le siège métallique. Pour qu'un joint d'étanchéité métal-métal soit partout presque étanche dans une application à l'épreuve des incendies ou autre, il faut que les surfaces d'étanchéité soient ajustées l'une dans l'autre par rodage ou brunissage. Etant donné son coût très élevé, l'ajustement par rodage est un processus économiquement impossible à utiliser pour un fabricant de valves à noix sphérique à l'épreuve du feu ou résistant au feu.
De plus, un siège secondaire ajusté par rodage serait probablement abîmé par les risques et les conséquences d'un fonctionnement normal de la valve, par exemple par corrosion, piqûres, écaillage, érosion, etc., au point que, pendant un incendie ultérieur, les avantages de l'ajustement par rodage seraient perdus. Les valves à noix sphérique comprenant le siège métallique secondaire ou le siège composite résistant aux hautes températures souffrent également d'inconvénients dus à une détérioration partielle et à un refroidissement brusque du siège principal ainsi qu'à la présence de résidus carbonés et autres libres associés à un refroidissement rapide qui bloquent la valve.
Un perfectionnement du siège secondaire en métal simple qui a été suggéré consiste à ajouter un
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siège secondaire fait d'une matière résistant à la chaleur qui soit plus déformable et plus résiliente que du métal. Des anneaux en carbone ou en graphite ont par exemple été utilisés. Bien que ces types de sièges puissent assurer un fonctionnement amélioré lorsqu'ils sont neufs, on a constaté qu'ils sont particulièrement sujets à détérioration au cours d'un service normal.
Une usure normale due au cyclage de la valve, à une érosion pendant l'ouverture ou à une abrasion par des matières étrangères peut facilement endommager les matières du siège secondaire, car elles sont typiquement cassantes et peu résistantes, comparé à un siège en matière plastique normale. Cela étant, ces types de sièges comprennent habituellement encore une lèvre ou un rebord métallique à titre de siège final ou tertiaire pour limiter les fuites si le siège secondaire est endommagé. Une telle multiplicité de sièges augmente les dimensions, la complexité et le coût de la valve sans y ajouter un joint d'étanchéité redondant fiable.
Les facteurs d'usure et d'érosion ou d'autres matières étrangères qui pourraient détériorer un des sièges risquent de détériorer ou d'endommager tous les sièges, car ils sont tous également exposés pendant un service normal.
Une autre suggestion en vue d'obtenir une valve à l'épreuve du feu, consiste à garnir une valve classique de suffisamment de matière isolante pour isoler la valve pendant un laps de temps suffisant pour obtenir un comportement à l'épreuve du feu. Selon une autre suggestion, on place un arroseur près de la valve pour refroidir brusquement la valve pendant un incendie. Ces deux conceptions ne conviennent pas pour des raisons de coût pratiques, étant donné qu'elles impliquent des installations et un entretien onéreux. De plus, une valve isolée a l'inconvénient que l'on
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n'est pas certain que l'isolation ait été convenablement refixée ou réinstallée chaque fois que la valve a subi un entretien.
Il est, par conséquent, souhaitable de mettre au point une valve à noix sphérique à l'épreuve du feu et des sièges pour cette valve qui fonctionnent de manière satisfaisante dans des conditions de fonctionnement normales et d'assurer l'étanchéité de la valve dans une position de fermeture de cette valve lorsqu'elle est exposée à un incendie. Une telle conception doit de préférence éliminer la nécessité d'utiliser des arroseurs onéreux ou des garnitures isolantes pour protéger la valve.
L'invention envisage une construction nouvelle et perfectionnée qui évite toutes les difficultés indiquées plus haut ainsi que d'autres encore et fournisse une valve du type à noix sphérique flottante à l'épreuve du feu nouvelle et perfectionnée avec des sièges souples offrant un pouvoir d'étanchéité amélioré et résistant efficacement aux fuites lors d'une exposition à un incendie réaliste quelconque. L'invention vise, en outre, à être utile avec une large variété de types et de matières de sièges qui assurent efficacement l'étanchéité dans une large variété de conditions de fonctionnement normales.
En général, l'invention envisage une valve à noix sphérique à l'épreuve du feu, nouvelle et perfectionnée, et des sièges destinés à cette valve, un siège composite comprenant un anneau de siège en matière plastique souple principal et un siège secondaire en matière déformable résistant à la chaleur. Le siège secondaire intervient pour assurer l'étanchéité de la valve lors d'une destruction partielle et complète ou d'une détérioration de l'anneau de siège principal causée par un incendie ou une chaleur extrême analogue.
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Deux de ces sièges sont disposés de part et d'autre de la noix sphérique et sont sollicités continuellement vers la noix sphérique pour la maintenir convenablement en place dans un corps de valve et pour assurer l'étanchéité de la valve.
D'une manière plus spécifique, l'invention, est particulièrement utile dans une valve du type comportant un corps de valve présentant un passage central et une noix sphérique qui comprend une ouverture d'écoulement pour le fluide située dans le passage. La noix sphérique est montée de manière à tourner sélectivement entre la position d'ouverture et la position de fermeture de la valve afin de commander l'écoulement du fluide à travers la valve. Deux épaulements qui s'étendent radialement vers l'intérieur sont disposés circonférentiellement par rapport au passage de part et d'autre de la noix sphérique et en face de celle-ci. Le passage comprend deux contre-alésages disposés de part et d'autre de la noix sphérique, chaque contre-alésage comportant une paroi d'extrémité interne tournée vers un épaulement associé.
Deux sièges composites sont placés axialement dans le passage de part et d'autre de la noix sphérique afin de venir en contact étanche au fluide avec la noix sphérique.
Chacun des sièges comprend un anneau de renforcement, un siège principal comprenant un anneau de siège en matière plastique souple et un siège secondaire. L'anneau de renforcement présente une ouverture centrale et porte contre une paroi d'extrémité associée d'un des contre-alésages. L'anneau de siège souple est à même de fléchir par rotation d'une manière générale vers l'anneau de renforcement et depuis celui-ci et porte contre l'anneau de renforcement opposé à la paroi d'extrémité du contre-alésage. L'anneau de siège présente une ouverture centrale et une surface atta-
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quant la noix sphérique qui est tournée vers cette noix sphérique de manière à venir en contact étanche avec celle-ci. Le siège secondaire est intercalé entre l'anneau de siège et un épaulement associé.
Le siège secondaire comprend un anneau de siège secondaire résistant à la chaleur déformable qui comprend, de
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éférence, u e ee 1-1 préférence, une matière carbonée p laquelle, lorsque l'anneau de siège est endommagé par l'incendie, l'anneau de siège secondaire vient en contact avec la noix sphérique pour assurer l'étanchéité de la valve.
Suivant un autre aspect de l'invention, le siège secondaire comprend un ressort discoîde en combinaison avec une feuille de matière carbonée expansée. Le ressort discoîde a une configuration dans l'ensemble tronconique lorsqu'il est au repos. La feuille de matière carbonée expansée présente une extension radiale dans l'ensemble égale à celle du ressort discoîde et est intercalée au moins entre le ressort et l'anneau de siège en matière plastique souple principal. Le ressort discoïde sert à solliciter continuellement la feuille de parement en matière carbonée et l'anneau de siège souple vers la noix sphérique. Lorsque l'anneau de siège principal est endommagé par un incendie, la feuille de parement en matière carbonée vient en contact avec la noix sphérique pour assurer l'étanchéité au fluide.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, le siège secondaire comprend deux feuilles de matière carbonée expansée. Les deux feuilles maintiennent le ressort discoïde en sandwich et ont, en général, la même extension radiale que celui-ci. Une première feuille est tournée vers la noix sphérique afin de venir en contact avec celle-ci lorsque l'anneau de siège souple principal est endommagé. Une seconde
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feuille est tournée vers un des deux épaulements s'étendant radialement vers l'intérieur en vue d'entrer en contact étanche avec l'épaulement lorsque l'anneau de siège principal est endommagé.
Suivant un autre aspect de l'invention, un anneau de barrage est inclus dans l'anneau de siège principal et est intercalée d'une manière générale entre l'anneau de siège principal et le siège secondaire.
Suivant un autre aspect de l'invention, la noix sphérique présente une seconde ouverture perpendiculaire à l'ouverture d'écoulement de fluide principale. La seconde ouverture est tournée vers l'entrée de la valve lorsque la noix se trouve dans la position de fermeture en vue de mettre le fluide contenu au centre de la valve en communication avec le fluide d'entrée.
L'invention a pour but principal de procurer une valve à noix sphérique à l'épreuve du feu nouvelle et perfectionnée et des sièges pour cette valve qui présentent des caractéristiques d'étanchéité au fluide améliorées lorsque la valve est exposée au feu ou à de la chaleur.
L'invention a également pour buts de procurer : une valve à noix sphérique et des sièges qui lui sont destinés permettant d'éviter des contacts d'étanchéité au fluide de métal sur métal ; une valve à noix sphérique qui maintienne l'étanchéité au fluide lors d'une destruction partielle ou complète par le feu d'un siège principal en matière plastique souple ; des sièges pour une valve à noix sphérique qui empêchent des parties extrudées de l'anneau de siège principal ou des matières carbonisées et de matières \
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polluantes de s'intercaler entre la noix sphérique et les surfaces de contact d'étanchéité de cette noix ; un siège secondaire qui fonctionne, lorsque la valve à noix sphérique est endommagée par le feu, indépendamment de la conception et du matériau de construction du siège principal ;
un siège secondaire qui ne se détériore pas dans le temps en service normal ; une valve à noix sphérique à l'épreuve du feu qui empêche l'accumulation de pressions élevées destructrices dans le corps de valve et dans les sièges lorsque la valve est exposée à des températures élevées ; des sièges pour une valve à noix sphérique comprenant un siège secondaire qui n'est pas soumis aux forces de détérioration et d'usure de l'écoulement de fluide associé à un service normal.
D'autres buts et avantages encore de l'invention ressortiront de la description suivante.
L'invention peut être réalisée physiquement au moyen de certaines pièces et de certains agencements de pièces dont une forme d'exécution préférée et plusieurs variantes seront décrites ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'une valve à noix sphérique selon la forme d'exécution préférée de l'invention ; la Fig. 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'une partie du siège d'aval de la Fig. 1 juste avant l'assemblage de la valve, la noix sphérique étant supprimée pour plus de clarté ; la Fig. 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'une partie du siège d'aval de la Fig. 1, la valve étant toutefois dans une position de fermeture sous l'influence de pressions de fluide élevées ;
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la Fig. 4 est une vue en coupe semblable à la Fig. 3, la valve ayant toutefois été exposée à un incendie et à de la chaleur de sorte que l'anneau de siège en matière plastique souple a commencé à fluer vers l'extérieur à travers la lumière de la valve ; la Fig. 5 est une vue en coupe semblable à la Fig. 4 dans laquelle la noix sphérique est entrée en contact avec le siège secondaire ; la Fig. 6 est une vue en coupe semblable aux Fig. 4 et 5, le siège en matière plastique souple ayant été complètement détruit ; la Fig. 7 est une vue en substance en plan de la valve suivant la ligne 7-7 de la Fig. 1, une partie du corps de valve étant arrachée pour montrer un système de boulonnage perfectionné ;
la Fig. 8 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'un siège selon une variante de l'invention : la Fig. 9 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'encore une autre variante de l'invention ; la Fig. 10 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'un siège d'une valve à noix sphérique selon une autre variante de l'invention : la Fig. 11 est une vue en coupe, a plus grande échelle, d'encore une autre variante de siège suivant l'invention ;
la Fig. 12 est une vue en perspective, à plus grande échelle, du siège de la Fig. 10, après destruction partielle lors d'une exposition à un incendie, ce siège ayant été retiré du corps de valve pour simplifier le dessin, et la Fig. 13 est une vue en perspective, à plus grande échelle, du siège de la Fig. 1 après destruction partielle lors d'une exposition à un incendie, ce siège ayant été retiré du corps de valve pour simplifier le dessin.
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Les dessins illustrent la forme d'exécution préférée et plusieurs variantes de l'invention sans toutefois la limiter et la Fig. 1 illustre une valve à noix sphérique A comportant deux sièges opposés B disposés de part et d'autre d'une noix sphérique C du type flottant.
Plus particulièrement et comme le montrent les Fig. 1 et 7, la valve à noix sphérique A comprend un corps désigné d'une manière générale en 10 comportant une section médiane ou principale 12 et des tubulures d'extrémité opposées 14, 16. Des sièges B et une noix sphérique C sont montés dans la section principale 12 du corps et la noix sphérique peut être tournée sélectivement au moyen d'une tige à clef de manoeuvre désignée d'une manière générale en 18. La noix sphérique C comprend une première ouverture d'écoulement de fluide ou ouverture principale 15 qui s'étend diamétralement à travers la noix pour permettre au fluide de s'écouler de l'entrée vers la sortie lorsque la valve est en position d'ouverture.
Une seconde ouverture 17 est prévue dans la noix sphérique C perpendiculairement à l'ouverture d'écoulement principale 15 et est, en général, orientée vers l'entrée de la valve lorsque celle-ci est fermée afin de mettre le fluide et la pression de fluide présente au centre de la valve en communication avec le fluide d'admission de la valve.
Pratiquement tous les détails des parties de la valve représentée sur la Fig. 1, à l'exception des anneaux de sièges, peuvent être modifiés comme on le souhaite et/ou selon les nécessités pour s'adapter aux différents types ou modèles de valves à noix sphérique.
En général, cependant, et aux fins de la description de l'invention, le corps de valve comprend un passage central dans l'ensemble cylindrique ou une ouverture d'écoulement de fluide axiale 20 dont le
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diamètre n'est que légèrement supérieur à celui de la noix sphérique C. Chacune des tubulures d'extrémité 14, 16 est reliée de manière détachable à une section de corps médiane 12 par plusieurs boulons d'assemblage longitudinaux désignés d'une manière générale en 22, reçus dans des forures désignées en 24 dans les tubulures d'extrémité opposées 14,16 et se vissant dans la section principale 12 du corps (Fig. 7).
On a constaté que le fait d'utiliser plusieurs boulons d'assemblage 22 reçus dans la section principale 12 du corps est particulièrement avantageux dans le cas d'une valve à l'épreuve du feu pour éviter les difficultés dues à la déformation ou à la rupture de boulons d'assemblage plus longs qui peuvent survenir lorsque la valve a été chauffée au cours d'un incendie, puis rapidement refroidie par de l'eau débitée par un tuyau d'incendie ou un sprinkler. Pendant un incendie, les éléments métalliques de la valve se dilatent naturellement en s'échauffant. Lorsqu'un pompier braque un tuyau d'incendie sur une telle valve chauffée, la périphérie de la valve, y compris les boulons d'assemblage, se refroidit et se contracte plus rapidement que le corps de la valve.
Ce refroidissement et cette contraction rapides peuvent finalement entraîner la déformation ou la rupture des boulons d'assemblage 22. Lorsqu'on utilise plusieurs boulons d'assemblage calibrés plus courts, ces difficultés sont réduites au minimum. Les tubulures d'extrémité 14, 16 présentent aussi des pas de vis intérieurs 26,28 ou tout autre moyen approprié pour permettre le raccordement de la valve à une conduite ou un circuit de fluide associé.
La tige à clef de manoeuvre 18 représentée comprend une tige 30 comportant une extrémité inférieure 32 d'une forme telle que représentée afin de coulisser dans une fente ou une rainure 34 prévue dans
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l'extrémité supérieure de la noix sphérique C. Cet agencement permet de faire tourner la noix sphérique entre une position d'ouverture et une position de fermeture de la valve et lui offre une certaine liberté de mouvement grâce à laquelle elle peut se déplacer axialement dans le passage 20 du corps de valve lorsque la valve se trouve dans sa position de fermeture et que la pression de fluide agit sur la noix sphérique.
La tige 30 s'étend vers l'extérieur à travers une ouverture 36 de la section de corps médiane 12. Des bagues d'étanchéité 38,40, 42 convenant pour des températures élevées sont placées dans l'ouverture 36 et attaquent de manière étanche l'ouverture et la tige 30. Comme indiqué aux dessins, la bague d'étanchéité inférieure 42 repose sur une bride intérieure 44 formée dans l'ouverture 36. Une rondelle de butée 46 convenant pour des températures élevées est placée en dessous de la bride 44 et est serrée contre celle-ci par un épaulement ou un collet extérieur 48 formé à la base de la tige 30. La tige est maintenue en place par un presse-étoupe 50 et un écrou de serrage de presse- étoupe 52.
Comme le montre la Fig. 1, le serrage de l'écrou de presse-étoupe 52 exerce une force de compression sur les bagues d'étanchéité 38,40, 42 qui se dilatent radialement en un joint étanche au fluide autour de la tige.
Bien qu'il soit possible d'actionner la tige de valve au moyen de nombreux types d'actionneurs différents, tant manuels, mécaniques, qu'automatiques, une clef 54 est représentée aux dessins. Cette clef est fixée de manière détachable à la tige 30 par un écrou 56 qui serre la clef sur la face supérieure de l'écrou de presse-étoupe 52. Un méplat coopérant 58 est avantageusement formé sur la surface extérieure de la tige en vue d'être associé à un méplat (non représenté) dans
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l'ouverture de la clef pour positionner convenablement la clef sur la tige. Cependant, la position de la clef et, à son tour, la position de la noix sphérique C sont limitées par des arrêts suspendus 62,64 supportés par la clef 54.
Ces arrêts attaquent des surfaces adéquates sur la section de corps médiane 12 et forment des butées fixes pour la valve dans ses positions d'ouverture et de fermeture complètes.
Comme indiqué également avec référence à la Fig. 1, le système de sièges pour noix sphérique utilisé dans la présente invention comprend deux anneaux de sièges B disposés de part et d'autre de la noix sphérique C. Comme indiqué aux dessins, les anneaux de sièges sont retenus en place par serrage de part et d'autre de la noix sphérique près des extrémités opposées du passage 20 de la section de corps principale. Les anneaux de sièges sont placés en substance à égale distance de l'axe de rotation de la noix sphérique et sur des côtés diamétralement opposés de cet axe et comprennent des ouvertures centrales 66, 68.
Bien que les anneaux de sièges puissent être maintenus en place par de nombreux moyens différents, dans la forme d'exécution préférée, ils sont positionnés par des épaulements 70,72 définis par des faces d'about 74,76 des tubulures d'extrémité 14,16 respectivement. La limite vers l'intérieur du déplacement des anneaux de sièges est définie par deux épaulements 78,80 qui sont formés par les parois d'extrémité internes de contre-alésages s'étendant vers l'intérieur du passage 20 du corps de valve.
De plus, un joint d'étanchéité est formé entre la section de corps médiane 12 et les tubulures d'extrémité 14, 16 au moyen d'anneaux toriques 82, 84 qui sont reçus dans des seconds contre-alésages 86 88 respectivement. Chaque anneau d'étanchéité est disposé
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autour de la circonférence externe ou de la surface périphérique externe d'une partie de l'anneau de siège B associé.
Les anneaux d'étanchéité sont de préférence faits d'une matière déformable, élastique, résistant à la chaleur et thermiquement stable, par exemple un matériau composite comprenant une matière carbonée expansée et un treillis métallique afin d'éviter les problèmes de sublimation et de carbonisation qui peuvent se produire, par exemple, lorsqu'un tel anneau d'étanchéité torique en matière thermoplastique de type classique est exposé à un incendie ou à des températures élevées. Dans la construction préférée, du Grafoil (une marque de fabrique déposée par la Société Union Carbide Corporation) a été avantageusement utilisé comme matière déformable et résistant à la chaleur. Cependant, on comprendra que d'autres matières comme l'amiante ou des matériaux composites céramiques pourraient aussi être utilisées.
A mesure que la section principale 12 du corps de la valve et les tubulures d'extrémité opposées 14, 16 se dilatent et se contractent lors d'un chauffage et d'un refroidissement après l'incendie, les anneaux d'étanchéité 82 et 84 continuent à maintenir un joint d'étanchéité satisfaisant entre la section médiane du corps et les tubulures d'extrémité.
Les détails de structure de la valve à noix
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1 f P sphérique A décrite plus haut sont donnés avec réfé- rence à la construction préférée de la valve. Il est clair pour les spécialistes que des modifications peuvent cependant facilement être apportées à cette valve pour lui permettre de satisfaire à des exigences et/ou à des besoins particuliers. Ces modifications ne paraissent pas affecter le cadre global de l'invention, comme décrit plus en détail ci-après.
Les détails spécifiques des sièges B consti-
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tuant la forme d'exécution préférée de l'invention seront décrits ci-après avec référence aux Fig. 2 à 6 et 13. La Fig. 2 est une vue en coupe du siège d'aval disposé près de la tubulure d'extrémité 14 avant l'assemblage de la valve. La noix sphérique C a été supprimée pour faciliter la compréhension et l'appréciation de la construction du siège. La Fig. 3 est une vue du siège de la Fig. 2 lors de l'assemblage de la valve, la valve étant en position de fermeture et étant soumise à l'influence d'une pression de circuit de fluide élevée. Les Fig. 4,5 et 6 illustrent le siège B à des stades successifs après que la valve ait été exposée à un incendie.
La Fig. 4 illustre un anneau de siège principal en matière plastique souple qui a commencé à fluer sous l'effet de la chaleur et à s'extruder au-dehors par la lumière de la valve. La Fig. 5 illustre la valve lorsque la noix sphérique est entrée en contact avec le siège secondaire. La Fig. 6 illustre la valve après que l'anneau de siège principal en matière plastique souple ait été complètement détruit et extrudé ou vaporisé hors du corps de valve.
La Fig. 13 illustre le siège B après destruction partielle, par exemple lorsque la valve est exposée à un incendie ou à de la chaleur rayonnante d'un côté seulement. Les lignes 3-3,4-4, 5-5 et 6-6 de la Fig. 13 correspondent aux vues en coupe du siège B respectivement sur les Fig. 3,4, 5 et 6.
Comme le montre en particulier les Fig. 2 et 3, les sièges B sont de préférence formés de trois éléments, à savoir un anneau de renforcement ou de support 100, un siège principal 102 comprenant un anneau de siège en matière plastique souple et un siège secondaire 104 comprenant un anneau de siège déformable qui ne flue pas sous l'effet de la chaleur. Quoiqu'une partie seulement d'un siège soit représentée dans ces
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figures, on comprendra que l'autre siège est identique au premier à moins de spécifications différentes. L'anneau de renforcement 100 présente une configuration annulaire comprenant une ouverture centrale et est fait d'une matière rigide telle que de l'acier ou un autre métal approprié.
Une première surface circonférentiellement continue ou face d'extrémité 106 de l'anneau est tournée vers l'épaulement 70 associé de la tubulure d'extrémité 14. Une seconde surface continue 108 est tournée vers la paroi d'extrémité de contre-alésage ou épaulement 78 du passage 20 de la section de corps principale pour établir positivement une position antérieure ou position finale pour l'anneau de renforcement. Une troisième surface continue 110 est tournée de manière générale vers la noix sphérique, mais est dimensionnée de manière à en être espacée pour empêcher tout contact ou tout frottement contre cette noix et pour éviter toute déformation et tout déplacement de l'anneau de siège principal 102 associé entre la troisième surface 110 de l'anneau de renforcement et la noix sphérique.
La circonférence externe ou la surface périphérique 112 de l'anneau 100 est disposée tout contre la paroi latérale du passage 20. La surface externe 112 et la seconde surface 108 peuvent, en variante, présenter une bride ou un ressaut conformé et dimensionné de manière à attaquer l'épaulement 78 en vue de prolonger davantage des parties d'anneau de support 100 axialement vers l'intérieur du passage 20 là où les dimensions globales de la valve peuvent l'exiger. Cependant, dans la forme d'exécution représentée aux dessins, une telle bride supplémentaire est supprimée pour éviter des opérations d'usinage supplémentaires.
Les Fig. 2 et 3 montrent que le siège principal 102 comprend aussi un organe annulaire traversé
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par une ouverture centrale 118 dont les dimensions sont inférieures à celles de l'ouverture centrale de l'anneau de renforcement 100. Le siège principal comprend de préférence un anneau de siège en matière plastique souple et peut fléchir d'une manière générale vers l'anneau de renforcement 100 et depuis celui-ci.
L'anneau de siège 102 est conformé de manière à agir par une élasticité mécanique du genre ressort sur la noix sphérique. Une première surface 120 est, d'une manière générale, orientée vers l'épaulement 70 associé de la tubulure d'extrémité 14. La seconde surface 122 de l'anneau de siège est tournée vers l'anneau de renforcement 100, est en contact d'appui avec la première surface 106 de l'anneau de renforcement et est supportée contre celle-ci. La troisième surface de l'anneau de siège ou la surface de contact avec la noix sphérique 124 est orientée d'une manière générale vers la noix sphérique C en vue d'entrer en contact étanche au fluide avec celle-ci. Une bride ou une lèvre 126 s'étend axialement vers l'extérieur de la première surface 120 de l'anneau de siège au niveau de la surface périphérique extérieure 128.
La lèvre 126 est de préférence continue autour de l'anneau de siège et est placée de telle façon que sa surface interne radiale corresponde de manière générale au diamètre extérieur du siège secondaire 104. La bride ou lèvre 126 est, en outre, biseautée au niveau de sa surface radiale externe et est légèrement arrondie au-dessus des bords radiaux extérieurs du siège secondaire de la manière représentée aux dessins. Bien que cela ne soit pas nécessaire, ce montage maintient avantageusement les sièges primaire et secondaire groupés sous la forme d'un sous-ensemble. L'anneau de siège 102 est de préférence fait d'une matière plastique élastique souple comme du Téflon, du polyéthylène ou une matière
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analogue.
On comprendra sans difficulté qu'une large gamme d'autres types de matières, comme des résines d'acétal et des résines analogues ou même des métaux doux et des matières composites céramiques, pourrait cependant aussi être utilisée de manière avantageuse.
La matière particulière choisie dépend, dans une certaine mesure, des conditions de travail normales auxquelles la valve est soumise.
Un anneau de barrage 130 est de préférence incorporé dans l'anneau de siège principal 102. Cet anneau est de préférence reçu dans un affouillement annulaire ou une gorge 132 de l'anneau de siège 102 isolé du passage d'écoulement de fluide de la valve.
Cependant, conformément à l'invention, l'anneau de barrage 130 pourrait être complètement encastré dans l'anneau de siège 102 ou, en variante, être situé complètement au-dehors de l'anneau de siège, par exemple en tant que lèvre axiale du siège secondaire 104 qui s'étend vers la noix sphérique au niveau du diamètre intérieur de l'anneau de siège principal 102.
L'anneau de barrage 130 est cependant disposé de préférence d'une manière générale dans le sens radial au milieu de l'anneau de siège 102 entre le siège secondaire 104 associé et la noix sphérique C. Dans cet emplacement préféré, l'anneau de barrage 130 est protégé contre une exposition aux mêmes risques d'usure et de détérioration que ceux qui affectent le siège principal souple 102 en service normal. L'anneau de barrage est fait d'une matière thermiquement stable ne fluant pas à chaud, de préférence un matériau composite fait de Grafoil et de treillis semblable à celui des anneaux d'étanchéité 82,84 ; cependant, on peut avantageusement utiliser simplement du Grafoil, un treillis métallique, une matière céramique ou même du métal.
Le siège secondaire 104 comprend un sous-
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ensemble comprenant un ressort discoïde tronconique
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central 134 pris en sandwich entre une première feuille e de parement annulaire 136 tournée vers l'épaulement 70 associé et une seconde feuille de parement annulaire 138 tournée vers le siège principal 102.
Les feuilles de parement 136,138 sont de préférence faites de Grafoil et leur extension radiale est, en général, égale à celle du ressort discoîde 134 ; cependant, suivant l'invention, les feuilles de parement 136, 138 peuvent ne s'étendre que sur une partie du ressort discoîde, par exemple, la première feuille de parement 136 peut ne s'étendre que sur une partie du ressort discoïde 134 proche du diamètre extérieur du ressort discoîde et la seconde feuille de parement 138 peut s'étendre sur la partie proche du diamètre intérieur du ressort 134. Cette dernière forme d'exécution peut être particulièrement économique et avantageuse dans des valves à noix sphérique de grandes dimensions.
On a, en outre, constaté qu'il est avantageux que la face 74 de l'épaulement de support 70 soit moletée ou rainurée pour assurer un meilleur agrippage de la feuille de parement 136 du ressort discolde.
Lorsque la valve est exposée à un incendie, cet agrippage amélioré empêche tout glissement, fluage ou extrusion de la feuille de parement et du ressort discolde. Il est possible qu'aux températures élevées, le Grafoil devienne quelque peu fluable. La face moletée ou rainurée empêche cette action et facilite l'obtention du joint étanche au fluide.
Le diamètre au niveau de l'extrémité externe du siège secondaire 104 est tel que le siège peut être reçu dans la cavité cylindrique délimitée par la paroi interne de la bride axiale 126 de l'anneau de siège et par la première surface 120 de l'anneau de siège. Le diamètre intérieur du siège secondaire est légèrement
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supérieur au diamètre de l'ouverture centrale 118 de l'anneau de siège 102 afin de protéger en substance le siège secondaire contre un contact en service normal avec la noix sphérique et contre les risques de détérioration et d'usure associés du système.
Le ressort discoîde 134 est choisi de telle sorte que sa force soit suffisante, sous une flexion partielle, pour solliciter l'anneau de siège 102 de manière continue vers la noix sphérique. Le ressort doit aussi pouvoir être amené vers un état aplati afin d'admettre le déplacement de la noix sphérique et son engagement avec la troisième surface 124 de l'anneau de siège pendant des conditions de service normales. Comme le montre en particulier la Fig. 3, un joint étanche au fluide est établi par le confinement étroit de l'anneau de siège principal 102 entre la noix sphérique C, l'anneau de support 100, le corps principal 12 de la valve et l'épaulement 70 de la tubulure d'extrémité.
Pendant des conditions de fonctionnement normales, le siège secondaire 104 sert principalement à solliciter et à maintenir l'anneau de siège principal 102 sans remplir de fonction d'étanchéité secondaires.
Comme le montrent les Fig. 1, 2 et 3 et au moment de l'assemblage de la valve, chaque siège B est déplacé de telle façon que chaque anneau de siège principal 102 fléchisse légèrement par rotation dans un sens s'écartant de l'autre d'une manière générale autour de sa périphérie externe et contre le siège secondaire 104 en réaction à un engagement entre la surface de contact 124 de l'anneau de siège et la noix sphérique C. Cette action comprime légèrement le ressort discoïde 134 associé vers un état aplati. Outre qu'elle positionne la noix sphérique, cette flexion du ressort assure qu'une force d'étanchéité soit exercée entre les deux anneaux de sièges et la noix sphérique
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au niveau de la surface de contact 124 avec la noix sphérique même si la pression du circuit est très basse.
L'évent secondaire 17 dans la noix sphérique C est orienté vers l'entrée lorsque la valve se trouve dans une position de fermeture et garantit que le siège d'entrée n'assure pas l'étanchéité. Tout fluide présent au centre de la valve est libre de se dilater lors d'un chauffage ou de se vaporiser et de s'échapper par l'évent 17 sans augmenter la pression dans la valve.
On expliquera le fonctionnement de la forme d'exécution préférée décrite plus haut d'une manière spécifique, lors d'une destruction du siège principal par le feu, avec référence aux Fig. 4,5, 6, 12 et 13.
La Fig. 4 illustre l'anneau de siège en matière plastique souple 102 qui est chauffé jusqu'à un état plus fluide et qui, à son tour, flue ou est extrudé par l'ouverture centrale 66 du siège secondaire 104 sous l'effet des forces exercées par la pression de fluide dans la valve. A la suite du ramollissement de l'anneau de siège 102, le ressort discoïde 134 du siège secondaire 104 fléchit afin de maintenir un joint étanche au fluide contre la noix sphérique C et contre la face d'extrémité 74 de l'épaulement 70.
Comme le montre en particulier la Fig. 5, la noix sphérique C s'est déplacée axialement vers l'aval dans la valve 1 afin de comprimer le siège secondaire 104 et de venir en contact avec l'anneau de barrage 130. La seconde feuille de parement 138 qui est prise en sandwich entre le ressort discoîde 134 et l'anneau de siège 102 vient en contact avec la noix sphérique C par sa partie radialement interne pour établir un joint étanche au fluide. Etant donné que la seconde feuille de parement 138 est de préférence faite d'une matière déformable résistant à la chaleur comme du Grafoil, la feuille épouse la surface de contact de la noix sphé-
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rique C et évite ainsi les difficultés des valves à noix sphérique à l'épreuve du feu de type connu qui comprennent des joints d'étanchéité secondaires du type métal sur métal.
De même, la première feuille de parement 136 du siège secondaire 104 attaque l'épaulement de support 70 au niveau de la paroi d'extrémité 74 de l'épaulement par sa partie radialement externe en vue d'établir un joint étanche au fluide. La nature déformable de la feuille 136 lui permet d'épouser les irrégularités de la surface 74 et le bord radial extérieur du ressort discoîde 134.
Suivant l'invention, il est prévu d'utiliser un siège secondaire 104 dépourvu d'une première ou d'une seconde feuille de parement 136, 138 parce qu'on a constaté que le ressort discoïde 134, grâce à son élasticité circonférentielle, forme un joint d'étanchéité métal sur métal appréciable avec la noix sphérique C, évitant ainsi les difficultés dues au fait que la noix sphérique n'est pas parfaitement sphérique ni adaptée par rodage au siège secondaire.
Le ressort discoîde 134 du siège secondaire possède une élasticité circonférentielle ainsi qu'une élasticité axiale et, lorsque l'anneau de siège 102 se ramollit, le siège secondaire fléchit afin de maintenir un joint étanche au fluide entre la noix sphérique C et la face d'extrémité 74 de l'épaulement 70. Par l'expression élasticité circonférentielle, on entend l'aptitude du siège secondaire à fléchir axialement davantage dans un segment que dans un autre.
Etant donné que la noix sphérique C n'est pas parfaitement sphérique et que l'ouverture centrale 66 du ressort discoïde 134 n'est pas parfaitement ronde, la noix sphérique et le ressort n'entrent en contact qu'en quelques endroits surélevés. L'élasticité circonférentielle du ressort discoîde 134 lui permet de
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fléchir au niveau de ces endroits surélevés de telle sorte que la noix sphérique soit essentiellement en contact continu avec le bord radial intérieur du ressort discoîde 134. De plus, le bord radial extérieur du ressort discoîde 134 ne vient en contact avec la face d'extrémité 74 qu'en quelques points surélevés.
L'élasticité circonférentielle du ressort discoïde 134 lui permet à nouveau de fléchir dans des mesures variables autour de son périmètre et ainsi d'établir une ligne de contact essentiellement continue entre son bord radial extérieur et la face d'extrémité 74 de l'épaulement 70. L'élasticité circonférentielle du ressort discoîde 134 compense donc les défauts de rondeur des bords radiaux intérieur et extérieur du ressort discoïde 134, les défauts de sphéricité de la noix sphérique C et les écarts de planéité de la face d'extrémité 74 de l'épaulement 70.
L'anneau de barrage 130 se comporte comme un "barrage"ou une digue pour empêcher une extrusion excessive du siège en matière plastique ramolli 102 entre la noix sphérique C et le siège secondaire 104 dans la lumière de la valve. En pratique, on ne peut pas toujours s'attendre à ce qu'un incendie chauffe uniformément la surface d'une valve à l'épreuve du feu, en particulier lorsque le feu est un feu rayonnant situé près de la valve et qu'il chauffe le côté le plus proche de la valve mais non le côté opposé. Ainsi, au cours d'un incendie, on peut raisonnablement prédire que l'anneau de siège 102 en matière plastique se ramollira probablement en un premier endroit seulement de son périmètre circulaire avant de se ramollir en d'autres endroits.
Sans l'anneau de barrage 130, la première partie peut s'extruder de manière excessive dans la lumière de la valve sous l'effet de la pression du circuit qui permet à la noix sphérique C de se
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déplacer radialement ou latéralement dans une direction perpendiculaire à l'accès à la lumière de la valve. Par conséquent, lorsque la noix sphérique C se déplace vers l'aval à travers la matière plastique qui se ramollit jusqu'à entrer en contact avec le siège secondaire 104, elle peut se déplacer trop loin d'un côté et peut venir en contact avec le siège secondaire 104 de manière inégale, laissant de grands interstices et des trajets de fuite dans lesquels la matière plastique qui fond et les fluides du circuit peuvent s'échapper.
On a remarqué que ces trajets de fuite et ces interstices se présentent en des endroits espacés d'une manière
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générale de 90 du vecteur de direction du déplacement radial. Le point situé à 180 du vecteur de déplacement radial maintient un joint étanche au fluide par contact avec le reste du siège principal en matière plastique 102. L'expulsion des fluides du circuit peut alors refroidir brusquement le siège en matière plastique 102, empêchant toute fusion supplémentaire. Une fuite importante ainsi produite peut donc rester une fuite importante quelle que soit l'intensité supplémentaire de l'incendie qui est appliquée à la valve de l'épreuve du feu.
Un mécanisme supplémentaire de destruction partielle du siège est illustré sur la Fig. 12. Un siège qui ne comprend pas d'anneau de barrage est représenté et a été exposé à un incendie qui n'a entraîné l'extrusion dans la lumière de la valve que d'une partie 141 seulement de ce siège. Un trajet de fuite important 143 s'est formé par suite de l'impossibilité pour la noix sphérique de venir en contact avec le siège secondaire 104. La noix sphérique C est empêchée de se déplacer radialement ou axialement dans la partie extrudée par la partie restante ou subsistante de l'anneau de siège principal 102 en matière
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plastique.
L'effet de refroidissement de la fuite qui s'échappe par le trajet 143 refroidit l'anneau de siège principal en matière plastique et empêche toute destruction ou toute extrusion supplémentaire en dépit de l'intensité variable du feu.
Cependant, comme le montre la Fig. 5, l'anneau de barrage 130 confine le fluage de la matière plastique souple qui fond quelle que soit la partie de la matière plastique du périmètre du siège qui se ramollisse en premier lieu. L'anneau de barrage 130 est placé dans l'anneau de siège 102 de telle sorte que seule une partie annulaire étroite 144 puisse s'extruder dans la lumière de la valve. la partie substantielle 146 de l'anneau de siège 102 est empêchée de s'écouler par extrusion par l'anneau de barrage 130. La partie relativement petite 144 qui peut s'extruder ne contient que peu de substance et, lors de son extrusion, la zone de décalage associée dans laquelle la noix sphérique C peut alors se déplacer est insuffisante pour permettre la formation d'un trajet de fuite.
Il est aussi préférable que l'anneau de barrage 130 soit placé dans l'anneau de siège 102 de telle façon que la noix sphérique C vienne en contact avec l'anneau de barrage 130 au moment du contact avec le siège secondaire 104. L'anneau de barrage 130 peut donc également contribuer à établir un joint d'étanchéité secondaire lors de la destruction du siège principal 102.
Comme le montre la Fig. 6, le siège principal 102 a été complètement détruit au point que la partie substantielle 146 (Fig. 5) de l'anneau de siège en matière plastique souple a été sublimée ou vaporisée à travers la lumière de la valve. Un joint étanche au fluide subsiste alors entre la noix sphérique C et le siège secondaire 104, car la noix sphérique reste en
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contact avec la partie radialement interne de la seconde feuille de parement 138 qui se déforme suivant la surface de la noix sphérique. La première feuille de parement 136 attaque d'une manière analogue la paroi d'extrémité d'épaulement 74 pour maintenir le joint étanche au fluide entre le siège secondaire 104 et l'épaulement 70.
De plus, il est avantageux que l'anneau de barrage 130 soit calibré de manière à attaquer la noix sphérique lors de la destruction du siège principal et lors du déplacement vers l'aval associé de la noix sphérique. Ce contact facilite la formation d'un autre joint étanche au fluide.
Comme le montre en particulier la Fig. 13, on peut voir suivant la ligne 6-6 que la noix sphérique est entrée en contact avec l'anneau de barrage 130 après la destruction du siège principal et est aussi entrée en contact avec le siège secondaire pour maintenir un joint étanche au fluide (Fig. 6). Suivant la ligne 5-5, l'extrusion de la partie substantielle du siège principal est bloquée par l'anneau de barrage 130 pour empêcher la formation du trajet de fuite sur la Fig. 12.
Une variante de l'invention est illustrée en particulier sur la Fig. 8. Pour faciliter la représentation et l'appréciation de cette variante, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes chiffres de référence affectés d'un suffixe prime (') et les nouveaux éléments sont désignés par de nouveaux chiffres de référence. Le siège secondaire 104'comprend un disque d'une pièce 150 en matière déformable résistant à la chaleur comme du Grafoil ou un matériau composite en Grafoil et en treillis métallique. Lors d'une détérioration par le feu du siège principal 102', la noix sphérique C'peut se déplacer axialement vers l'aval en réaction à la pression du fluide afin d'atta-
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quer la partie d'extrémité radialement interne d'un siège secondaire 104'pour établir un joint étanche au fluide.
De plus, la paroi 74'qui est de préférence moletée attaque la face d'extrémité 152 du siège secondaire pour établir un joint étanche au fluide entre le siège secondaire et l'épaulement de support 70'. Le siège secondaire 104'peut ainsi épouser la surface de contact de la noix sphérique C'et de la paroi 74'.
Une autre variante encore de l'invention est illustrée sur la Fig. 9 dans laquelle des éléments semblables sont désignés par les mêmes chiffres de référence affectés d'un suffixe seconde ("). Le siège secondaire 104"comprend un ressort discoîde 134"et une feuille de parement 156 en une matière déformable résistant à la chaleur comme du Grafoil ou un matériau composite en Grafoil et en treillis métallique. Lors de la destruction du siège principal 102"dans un incendie, la noix sphérique dans une position de fermeture s'avance sous la pression du circuit contre le siège secondaire 104"et fait dévier la feuille de parement 156 au niveau de sa partie radialement interne pour former un joint étanche au fluide. De plus, à mesure que l'incendie progresse, le ressort discoîde 134" subit un recuit.
Le ressort discoïde qui se ramollit, déformé par la noix sphérique sous pression, épouse ainsi plus facilement la surface 74"de l'épaulement de support 70"et établit un joint d'étanchéité métal sur métal amélioré derrière le ressort. Une autre forme d'exécution encore de l'invention semblable à cette forme d'exécution consiste à utiliser une seule feuille de parement sur la surface du ressort discoîde tournée vers l'épaulement de support. Une telle construction implique un joint d'étanchéité secondaire métal sur métal avec la noix sphérique et un joint d'étanchéité
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entre une feuille de parement et un épaulement. Il est préférable d'utiliser un épaulement moleté pour le contact avec la feuille de parement.
La Fig. 10 illustre une autre variante de l'invention dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes chiffres de référence affectés par un suffixe tierce ('''). Cette forme d'exécution de l'invention comprend un siège comprenant un anneau de support 100''', un siège principal ou anneau de siège 102''', un siège secondaire 104'''comprenant un ressort discoîde 134''', une première feuille de parement 136'''et une seconde feuille de parement 138'''. Les feuilles de parement 136''', 138'''sont fabriquées en Grafoil ou en une autre matière déformable résistant à la chaleur. Un anneau de barrage n'est pas prévu.
Lors de la destruction de l'anneau de siège 102'''au cours d'un incendie, la noix sphérique se déplace axialement vers l'aval et établit un joint étanche au fluide au niveau de la seconde feuille de parement l38'". La première feuille de parement 136''' vient en contact avec la paroi d'extrémité moletée l34'" de l'épaulement de support 70'''afin de maintenir le joint d'étanchéité.
Finalement, la Fig. 11 concerne encore une autre variante de l'invention dans laquelle les mêmes éléments sont à nouveau désignés par les mêmes chiffres de référence affectés d'un autre suffixe. Le siège secondaire 104''''peut comprendre un seul ressort discoîde, un disque déformable ne fluant pas sous l'effet de la chaleur, fait d'une matière telle que du Grafoil ou un matériau composite en treillis et en Grafoil, ou une combinaison d'un ressort discoïde et d'une feuille de parement en Grafoil semblable au siège secondaire 104"représenté sur la Fig. 9.
Un anneau de barrage 130'''', de préférence fait d'un matériau
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composite en Grafoil et en treillis est prévu dans le siège principal 102''''en vue de venir en contact avec la noix sphérique lors d'une destruction partielle ou totale du siège principal et de bloquer l'extrusion de la partie substantielle 146''''de l'anneau de siège 102''''.
D'autres modifications qui ne sont pas représentées de manière spécifique dans les dessins peuvent être facilement incorporées aux anneaux de sièges B sans sortir de quelle que façon que ce soit du cadre général de l'invention. Il peut être, par exemple, souhaitable de modifier légèrement les caractéristiques dimensionnelles relatives entre les sièges principaux, les anneaux de renforcement et les sièges secondaires en vue de les adapter à des exigences opérationnelles particulières.
L'invention a été décrite avec référence à une forme d'exécution préférée et à plusieurs variantes.
Bien entendu, elle n'est pas limitée aux détails d'exécution décrits auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
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Fireproof ball valve.
Patent application in the United States of America No. 434248 of October 14, 1982 in favor of P. C. WILLIAMS,
U. H. KOCH and T. J. FRANCIS.
The present invention relates to the field of valves and, in particular, fire-resistant or fire-resistant spherical nut valves.
The expression "fireproof" used in the field of valves relates to a valve which
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meets certain specified conditions when exposed to fire. See Arant, Fire-Safe Valves - An Overview, Proceedings, Thirty-Sixth Annual Symposium on Instrumentation for the Process Industries (Texas A M University, 1981). Unfortunately, different sets of conditions have been promulgated by various organizations and the valve industry has not yet accepted a uniform standard. In fact, according to one of the standards (American Petroleum Institute 607), if a valve remains substantially fluid tight in the closed position at a body temperature of at least 593 C for at least 10 minutes, it can be certified as being "fireproof".
Valves which have design features which allow them to resist leakage when exposed to fire, but which are unable to meet this standard are usually referred to as "fire resistant".
The invention applies in particular to a new and improved fireproof spherical nut valve with flexible seats, as well as to the seats intended for this nut for a valve of the type comprising a so-called "floating" spherical nut and will be described below with reference, in particular, to such a valve. However, it will be clear to specialists that the invention lends itself to wider applications and could be adapted to other types and models of valves.
Ball valves used in industry typically include annular seats or seat rings of elastic, deformable plastic such as Teflon (a trademark registered by EI du Pont de Nemours and Company) intended to come into contact sealing with the spherical nut. Two such seat rings
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are placed near the valve inlet and outlet openings. The spherical nut itself is mounted so that it can play slightly or move axially relative to the seats when the valve is in the closed position and when it is subjected to the pressure of the fluid.
This displacement causes the spherical nut to act on the downstream seat ring and to deform it so as to improve the seal of its contact with the spherical nut. This flexion varies depending on the fluid pressure involved.
In the event of a fire, the flexible annular seat of a conventional floating nut type ball valve is substantially damaged by the heat of the fire to the point that leakage through the valve may become unacceptable. Typically, downstream of the spherical nut, the sequence of destruction of the seat is such that the plastic material begins to soften, then flows or is extruded by the lumen of the valve. Continued exposure to excessive heat ultimately causes the seat to char and sublimate or vaporize. The destruction of the plastic seat allows the spherical nut to move further under the effect of the fluid pressure conditions until it comes into contact with a secondary seat.
Such a secondary seat typically comprises a projection of the valve body made of metal or of non-flammable material which extends radially inwards, for example a support shoulder for the seat made of plastic. Normally, such a surface is not specially designed for very tight sealing contact against the spherical nut and allows substantial leaks.
Another particular difficulty arises when the plastic seat is only partially destroyed by a fire. For example,
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when a valve is exposed to radiant heat from a fire on one side only or to a low-intensity fire, only the part of the valve seat closest to the fire can soften and extrude into valve light. The spherical nut can then move under the effect of the pressure of the fluid towards the area released by the extrusion and, being no longer able to come into uniform contact with the secondary seat, it unmasks a path of significant leak.
Alternatively, the spherical nut can be prevented from coming into contact with the secondary seat by the non-destroyed parts of the plastic seat and can similarly unmask large leakage paths. In these two situations, fluid can rush into the leakage paths and can suddenly cool the valve. Sudden cooling occurs to prevent further deterioration of the seat despite a continuing fire and typically maintains a massive leak through the valve.
An additional but frequently unrecognized difficulty, which arises during a fire, is the rapid increase in fluid pressure by the intervention of the heated fluid which is trapped between the inlet and outlet seats around the spherical nut. The heat of the fire can heat and even vaporize this fluid in the center of the valve between the seats. The fire is frequently so intense that the fluid is so quickly vaporized that it cannot escape beyond the seats quickly enough to prevent excessive pressure build-up in the valve. Such an increase in pressure can easily exceed the nominal resistance of the valve and cause the seals at the level of the stem stuffing as well as the seals of the body or
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break the valve body itself.
Another practical difficulty arises when a fire hose is pointed at a valve in a volatile liquid circuit which has been heated by a fire. The rapid cooling effect of the water in the pipe causes a violent condensation of the heated steam in the valve which dislodges the spherical nut and detaches the charred matter, waste and pollutants which can be lodged between the spherical nut and its sealing surface and thus create additional leakage paths.
Fire resistant or fireproof ball valve seats are, in general, designed to obtain a valve which is sealed using conventional valve seat materials under conditions normal operating conditions and which is also waterproof when exposed to a fire. Various shapes and types of seats for ball nut valves have so far been suggested and used in the industry with varying degrees of success. It has been found that the shortcomings of most known fireproof or fire resistant ball valves are such that the valves themselves are of limited practical and economic utility.
A common type of fire-resistant spherical nut valve includes a flexible primary seat of plastic such as Teflon and a secondary seat of metal or composite material resistant to high temperatures to seal the valve during destruction of the head office during a fire. The secondary seat typically comprises a metal ring or a washer interposed between the main seat in material
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flexible plastic and a valve body support shoulder. This construction suffers from the difficulties naturally resulting from any type of metal-to-metal seal.
Since the spherical nut in a floating spherical nut type valve is never perfectly spherical and the secondary metal seat is not perfectly circular, leaks at the secondary seal after destruction of the seal by fire Main tightness is usually important because the spherical nut is not in full annular contact with the metal seat. In order for a metal-to-metal seal to be nearly tight everywhere in a fireproof or other application, the sealing surfaces must be adjusted together by lapping or burnishing. Due to its very high cost, lapping is an economically impossible process for a manufacturer of fireproof or fire resistant ball valves.
In addition, a secondary seat adjusted by running in would probably be damaged by the risks and consequences of normal valve operation, for example by corrosion, pitting, chipping, erosion, etc., to the point that, during a subsequent fire, the benefits of break-in adjustment would be lost. Ball valves comprising the secondary metal seat or the high temperature resistant composite seat also suffer from disadvantages due to partial deterioration and sudden cooling of the main seat as well as the presence of carbonaceous and other free residues associated with rapid cooling which block the valve.
An improvement to the simple metal secondary seat that has been suggested is to add a
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secondary seat made of a heat-resistant material which is more deformable and more resilient than metal. Carbon or graphite rings have for example been used. Although these types of seats can provide improved performance when new, they have been found to be particularly prone to deterioration during normal service.
Normal wear due to valve cycling, erosion during opening, or abrasion by foreign material can easily damage secondary seat materials, as they are typically brittle and weak, compared to a plastic seat. normal. However, these types of seats usually still include a lip or a metal rim as a final or tertiary seat to limit leakage if the secondary seat is damaged. Such a multiplicity of seats increases the dimensions, complexity and cost of the valve without adding a reliable redundant seal.
Wear and erosion factors or other foreign matter that could damage one of the seats may deteriorate or damage all of the seats, as they are all exposed during normal service.
Another suggestion for obtaining a fireproof valve is to fill a conventional valve with enough insulating material to isolate the valve for a sufficient period of time to achieve fireproof behavior. Another suggestion is to place a sprinkler near the valve to suddenly cool the valve during a fire. These two designs are not suitable for practical cost reasons, since they involve expensive installation and maintenance. In addition, an isolated valve has the disadvantage that
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not sure if the insulation has been properly reattached or reinstalled each time the valve has been serviced.
It is therefore desirable to develop a fireproof ball valve and seats for this valve which function satisfactorily under normal operating conditions and to seal the valve in a closed position of this valve when exposed to a fire. Such a design should preferably eliminate the need to use expensive sprinklers or insulating pads to protect the valve.
The invention contemplates a new and improved construction which avoids all the difficulties indicated above as well as still others and provides a new and improved ball-type floating ball-proof valve with flexible seats offering a power of improved seal and effectively resists leakage when exposed to any realistic fire. The invention further aims to be useful with a wide variety of seat types and materials which effectively seal under a wide variety of normal operating conditions.
In general, the invention contemplates a new and improved fireproof ball valve and seats for this valve, a composite seat comprising a seat ring of primary flexible plastic material and a secondary seat of material deformable heat resistant. The secondary seat intervenes to seal the valve during partial and complete destruction or deterioration of the main seat ring caused by fire or similar extreme heat.
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Two of these seats are arranged on either side of the spherical nut and are continuously urged towards the spherical nut to keep it properly in place in a valve body and to seal the valve.
More specifically, the invention is particularly useful in a valve of the type comprising a valve body having a central passage and a spherical nut which comprises a flow opening for the fluid situated in the passage. The spherical nut is mounted so as to rotate selectively between the open position and the closed position of the valve in order to control the flow of the fluid through the valve. Two shoulders which extend radially inwards are arranged circumferentially with respect to the passage on either side of the spherical nut and opposite it. The passage comprises two counter-bores arranged on either side of the spherical nut, each counter-bore having an internal end wall facing an associated shoulder.
Two composite seats are placed axially in the passage on either side of the spherical nut in order to come into fluid-tight contact with the spherical nut.
Each of the seats includes a reinforcing ring, a main seat including a flexible plastic seat ring, and a secondary seat. The reinforcing ring has a central opening and bears against an associated end wall of one of the counterbores. The flexible seat ring is generally capable of flexing by rotation towards and from the reinforcement ring and bears against the reinforcement ring opposite the end wall of the counterbore. The seat ring has a central opening and a surface area
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as for the spherical nut which is turned towards this spherical nut so as to come into tight contact therewith. The secondary seat is interposed between the seat ring and an associated shoulder.
The secondary seat includes a deformable heat resistant secondary seat ring which includes,
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eference, u e ee 1-1 preferably, a carbonaceous material p which, when the seat ring is damaged by fire, the secondary seat ring comes into contact with the spherical nut to seal the valve.
According to another aspect of the invention, the secondary seat comprises a discoid spring in combination with a sheet of expanded carbon material. The discoid spring has a configuration in the frustoconical assembly when it is at rest. The sheet of expanded carbonaceous material has a radial extension on the whole equal to that of the discoid spring and is interposed at least between the spring and the main flexible plastic seat ring. The discoid spring is used to continuously urge the facing sheet of carbonaceous material and the flexible seat ring towards the spherical nut. When the main seat ring is damaged by fire, the facing sheet made of carbonaceous material comes into contact with the spherical nut to ensure fluid tightness.
According to yet another aspect of the invention, the secondary seat comprises two sheets of expanded carbonaceous material. The two sheets hold the discoid spring sandwiched and have, in general, the same radial extension as this one. A first sheet is turned towards the spherical nut in order to come into contact with the latter when the main flexible seat ring is damaged. A second
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sheet is turned toward one of the two radially inwardly extending shoulders to come into tight contact with the shoulder when the main seat ring is damaged.
According to another aspect of the invention, a barrier ring is included in the main seat ring and is generally inserted between the main seat ring and the secondary seat.
According to another aspect of the invention, the spherical nut has a second opening perpendicular to the main fluid flow opening. The second opening faces the inlet of the valve when the nut is in the closed position in order to put the fluid contained in the center of the valve in communication with the inlet fluid.
The main object of the invention is to provide a new and improved spherical fire nut valve and seats for this valve which have improved fluid tightness characteristics when the valve is exposed to fire or heat.
Another object of the invention is to provide: a spherical nut valve and seats which are intended for it making it possible to avoid sealing contacts with fluid from metal to metal; a spherical nut valve which maintains the fluid tightness during a partial or complete destruction by fire of a main seat in flexible plastic material; seats for a ball valve which prevent extruded parts of the main seat ring or carbonized materials and materials \
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polluting to be inserted between the spherical nut and the sealing contact surfaces of this nut; a secondary seat that operates when the ball valve is damaged by fire, regardless of the design and construction material of the main seat;
a secondary seat which does not deteriorate over time in normal service; a fireproof ball valve which prevents the build up of destructive high pressures in the valve body and in the seats when the valve is exposed to high temperatures; seats for a ball valve comprising a secondary seat which is not subject to the forces of deterioration and wear of the fluid flow associated with normal service.
Other objects and advantages of the invention will emerge from the following description.
The invention can be physically implemented by means of certain parts and certain arrangements of parts, a preferred embodiment and several variants of which will be described below, by way of example, with reference to the appended drawings in which: FIG. . 1 is a longitudinal section view of a spherical nut valve according to the preferred embodiment of the invention; Fig. 2 is a sectional view, on a larger scale, of a part of the downstream seat of FIG. 1 just before the assembly of the valve, the spherical nut being removed for clarity; Fig. 3 is a sectional view, on a larger scale, of a part of the downstream seat of FIG. 1, the valve however being in a closed position under the influence of high fluid pressures;
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Fig. 4 is a sectional view similar to FIG. 3, the valve having been exposed to fire and heat, however, so that the soft plastic seat ring began to flow outward through the valve lumen; Fig. 5 is a sectional view similar to FIG. 4 in which the spherical nut has come into contact with the secondary seat; Fig. 6 is a sectional view similar to FIGS. 4 and 5, the flexible plastic seat having been completely destroyed; Fig. 7 is a substantially plan view of the valve along line 7-7 of FIG. 1, a part of the valve body being torn off to show an improved bolting system;
Fig. 8 is a sectional view, on a larger scale, of a seat according to a variant of the invention: FIG. 9 is a sectional view, on a larger scale, of yet another variant of the invention; Fig. 10 is a sectional view, on a larger scale, of a seat of a spherical nut valve according to another variant of the invention: FIG. 11 is a sectional view, on a larger scale, of yet another variant of the seat according to the invention;
Fig. 12 is a perspective view, on a larger scale, of the seat of FIG. 10, after partial destruction during exposure to a fire, this seat having been removed from the valve body to simplify the drawing, and FIG. 13 is a perspective view, on a larger scale, of the seat of FIG. 1 after partial destruction during exposure to a fire, this seat having been removed from the valve body to simplify the drawing.
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The drawings illustrate the preferred embodiment and several variants of the invention without however limiting it and FIG. 1 illustrates a spherical nut valve A comprising two opposite seats B arranged on either side of a spherical nut C of the floating type.
More particularly and as shown in Figs. 1 and 7, the spherical nut valve A comprises a body generally designated by 10 comprising a central or main section 12 and opposite end pipes 14, 16. Seats B and a spherical nut C are mounted in the main section 12 of the body and the spherical nut can be turned selectively by means of an operating key rod generally designated at 18. The spherical nut C comprises a first fluid flow opening or main opening 15 which extends diametrically through the nut to allow fluid to flow from the inlet to the outlet when the valve is in the open position.
A second opening 17 is provided in the spherical nut C perpendicular to the main flow opening 15 and is, in general, oriented towards the inlet of the valve when the latter is closed in order to put the fluid and the pressure of fluid present in the center of the valve in communication with the intake fluid of the valve.
Almost all of the details of the valve parts shown in FIG. 1, with the exception of the seat rings, can be modified as desired and / or as necessary to adapt to the different types or models of ball valve.
In general, however, and for the purpose of describing the invention, the valve body includes a central passage in the cylindrical assembly or an axial fluid flow opening 20 the
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diameter is only slightly greater than that of the spherical nut C. Each of the end pipes 14, 16 is detachably connected to a middle body section 12 by several longitudinal assembly bolts generally designated by 22, received in holes designated at 24 in the opposite end pipes 14, 16 and screwing into the main section 12 of the body (Fig. 7).
It has been found that the use of several assembly bolts 22 received in the main section 12 of the body is particularly advantageous in the case of a fireproof valve to avoid the difficulties due to deformation or rupture of longer assembly bolts that can occur when the valve was heated in a fire and then quickly cooled by water supplied from a fire hose or sprinkler. During a fire, the metal parts of the valve naturally expand as they heat up. When a firefighter points a fire hose to such a heated valve, the periphery of the valve, including the assembly bolts, cools and contracts faster than the valve body.
This rapid cooling and contraction can ultimately result in deformation or rupture of the assembly bolts 22. When using several shorter calibrated assembly bolts, these difficulties are minimized. The end pipes 14, 16 also have internal threads 26, 28 or any other suitable means for allowing the connection of the valve to a pipe or an associated fluid circuit.
The operating key rod 18 shown comprises a rod 30 having a lower end 32 of a shape as shown in order to slide in a slot or a groove 34 provided in
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the upper end of the spherical nut C. This arrangement makes it possible to rotate the spherical nut between an open position and a closed position of the valve and gives it a certain freedom of movement thanks to which it can move axially in the passage 20 of the valve body when the valve is in its closed position and the fluid pressure acts on the spherical nut.
The rod 30 extends outwardly through an opening 36 in the middle body section 12. Sealing rings 38, 40, 42 suitable for high temperatures are placed in the opening 36 and engage in sealed manner the opening and the rod 30. As indicated in the drawings, the lower sealing ring 42 rests on an inner flange 44 formed in the opening 36. A thrust washer 46 suitable for high temperatures is placed below the flange 44 and is clamped against the latter by a shoulder or an external collar 48 formed at the base of the rod 30. The rod is held in place by a cable gland 50 and a cable gland clamping nut 52.
As shown in Fig. 1, the tightening of the packing nut 52 exerts a compressive force on the sealing rings 38, 40, 42 which expand radially into a fluid tight seal around the rod.
Although it is possible to actuate the valve stem by means of many different types of actuators, whether manual, mechanical, or automatic, a key 54 is shown in the drawings. This key is detachably fixed to the rod 30 by a nut 56 which tightens the key on the upper face of the gland nut 52. A cooperating flat 58 is advantageously formed on the external surface of the rod in view of '' be associated with a flat (not shown) in
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opening the key to properly position the key on the rod. However, the position of the key and, in turn, the position of the spherical nut C are limited by hanging stops 62, 64 supported by the key 54.
These stops attack adequate surfaces on the middle body section 12 and form fixed stops for the valve in its fully open and closed positions.
As also indicated with reference to FIG. 1, the seat system for spherical nuts used in the present invention comprises two seat rings B arranged on either side of the spherical nut C. As indicated in the drawings, the seat rings are held in place by tightening on the part and the other of the spherical nut near the opposite ends of the passage 20 of the main body section. The seat rings are placed substantially at equal distance from the axis of rotation of the spherical nut and on diametrically opposite sides of this axis and include central openings 66, 68.
Although the seat rings can be held in place by many different means, in the preferred embodiment, they are positioned by shoulders 70,72 defined by end faces 74,76 of the end pipes 14 , 16 respectively. The inward limit of movement of the seat rings is defined by two shoulders 78.80 which are formed by the inner end walls of counter bores extending inward of the passage 20 of the valve body.
In addition, a seal is formed between the middle body section 12 and the end pipes 14, 16 by means of O-rings 82, 84 which are received in second counter-bores 86 88 respectively. Each sealing ring is arranged
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around the outer circumference or the outer peripheral surface of a portion of the associated seat ring B.
The sealing rings are preferably made of a deformable, elastic, heat resistant and thermally stable material, for example a composite material comprising an expanded carbon material and a wire mesh in order to avoid the problems of sublimation and carbonization. which can occur, for example, when such an O-ring of thermoplastic material of conventional type is exposed to fire or to high temperatures. In the preferred construction, Grafoil (a trademark registered by the Union Carbide Corporation) has been advantageously used as a deformable and heat resistant material. However, it will be understood that other materials such as asbestos or ceramic composite materials could also be used.
As the main section 12 of the valve body and the opposite end pipes 14, 16 expand and contract during heating and cooling after the fire, the sealing rings 82 and 84 continue to maintain a satisfactory seal between the middle section of the body and the end pipes.
The structural details of the nut valve
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1 f P spherical A described above are given with reference to the preferred construction of the valve. It is clear to specialists that modifications can however easily be made to this valve to allow it to meet specific requirements and / or needs. These modifications do not appear to affect the overall scope of the invention, as described in more detail below.
The specific details of the B seats are
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killing the preferred embodiment of the invention will be described below with reference to Figs. 2 to 6 and 13. FIG. 2 is a sectional view of the downstream seat arranged near the end pipe 14 before the assembly of the valve. The spherical nut C has been removed to facilitate understanding and appreciation of the construction of the seat. Fig. 3 is a view of the seat of FIG. 2 during assembly of the valve, the valve being in the closed position and being subjected to the influence of a high fluid circuit pressure. Figs. 4,5 and 6 illustrate seat B at successive stages after the valve was exposed to a fire.
Fig. 4 illustrates a main seat ring made of flexible plastic which has started to creep under the effect of heat and to be extruded outside by the valve lumen. Fig. 5 illustrates the valve when the spherical nut has come into contact with the secondary seat. Fig. 6 illustrates the valve after the main seat ring of flexible plastic material has been completely destroyed and extruded or sprayed out of the valve body.
Fig. 13 illustrates the seat B after partial destruction, for example when the valve is exposed to a fire or to radiant heat on one side only. Lines 3-3,4-4, 5-5 and 6-6 in Fig. 13 correspond to the sectional views of the seat B respectively in FIGS. 3,4, 5 and 6.
As shown in particular in Figs. 2 and 3, the seats B are preferably formed from three elements, namely a reinforcement or support ring 100, a main seat 102 comprising a flexible plastic seat ring and a secondary seat 104 comprising a deformable seat ring which does not flow under the effect of heat. Although only part of a seat is represented in these
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Figures, it will be understood that the other seat is identical to the first one unless there are different specifications. The reinforcing ring 100 has an annular configuration comprising a central opening and is made of a rigid material such as steel or another suitable metal.
A first circumferentially continuous surface or end face 106 of the ring faces the associated shoulder 70 of the end pipe 14. A second continuous surface 108 faces the end wall of the counterbore or shoulder 78 of passage 20 of the main body section to positively establish an anterior or final position for the reinforcing ring. A third continuous surface 110 is generally turned towards the spherical nut, but is dimensioned so as to be spaced therefrom to prevent any contact or any friction against this nut and to avoid any deformation and any displacement of the main seat ring 102 associated between the third surface 110 of the reinforcing ring and the spherical nut.
The outer circumference or the peripheral surface 112 of the ring 100 is disposed directly against the side wall of the passage 20. The external surface 112 and the second surface 108 may, as a variant, have a flange or a projection shaped and dimensioned so as to etching the shoulder 78 in order to further extend the parts of the support ring 100 axially towards the inside of the passage 20 where the overall dimensions of the valve may require it. However, in the embodiment shown in the drawings, such an additional flange is omitted to avoid additional machining operations.
Figs. 2 and 3 show that the main seat 102 also includes a crossed annular member
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by a central opening 118 whose dimensions are smaller than those of the central opening of the reinforcement ring 100. The main seat preferably comprises a seat ring of flexible plastic material and can generally bend towards the reinforcement ring 100 and therefrom.
The seat ring 102 is shaped so as to act by a mechanical elasticity of the spring type on the spherical nut. A first surface 120 is, in general, oriented towards the associated shoulder 70 of the end pipe 14. The second surface 122 of the seat ring faces the reinforcement ring 100, is in contact bearing with the first surface 106 of the reinforcing ring and is supported against the latter. The third surface of the seat ring or the contact surface with the spherical nut 124 is oriented generally towards the spherical nut C in order to come into fluid-tight contact therewith. A flange or lip 126 extends axially towards the outside of the first surface 120 of the seat ring at the level of the external peripheral surface 128.
The lip 126 is preferably continuous around the seat ring and is placed so that its radial internal surface generally corresponds to the outside diameter of the secondary seat 104. The flange or lip 126 is, moreover, bevelled at the level from its outer radial surface and is slightly rounded above the outer radial edges of the secondary seat as shown in the drawings. Although this is not necessary, this arrangement advantageously maintains the primary and secondary seats grouped in the form of a sub-assembly. The seat ring 102 is preferably made of a flexible elastic plastic material such as Teflon, polyethylene or a material
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similar.
It will be readily understood that a wide range of other types of materials, such as acetal resins and the like, or even soft metals and ceramic composites, could, however, also be used to advantage.
The particular material chosen depends, to some extent, on the normal working conditions to which the valve is subjected.
A barrier ring 130 is preferably incorporated in the main seat ring 102. This ring is preferably received in an annular scour or groove 132 in the seat ring 102 isolated from the fluid flow passage of the valve .
However, according to the invention, the barrier ring 130 could be completely embedded in the seat ring 102 or, alternatively, be situated completely outside the seat ring, for example as an axial lip of the secondary seat 104 which extends towards the spherical nut at the level of the internal diameter of the main seat ring 102.
The barrier ring 130 is however preferably arranged generally in the radial direction in the middle of the seat ring 102 between the associated secondary seat 104 and the spherical nut C. In this preferred location, the ring Dam 130 is protected against exposure to the same risks of wear and deterioration as those which affect the flexible main seat 102 in normal service. The barrier ring is made of a thermally stable material which does not flow hot, preferably a composite material made of Grafoil and mesh similar to that of the sealing rings 82, 84; however, it is advantageous to simply use Grafoil, a wire mesh, a ceramic material or even metal.
The secondary seat 104 comprises a sub-
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assembly comprising a frustoconical discoid spring
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central 134 sandwiched between a first annular facing sheet 136 facing the associated shoulder 70 and a second annular facing sheet 138 facing the main seat 102.
The facing sheets 136, 138 are preferably made of Grafoil and their radial extension is, in general, equal to that of the discoid spring 134; however, according to the invention, the facing sheets 136, 138 may only extend over a part of the discoid spring, for example, the first facing sheet 136 may only extend over a part of the disc disc spring 134 close of the outside diameter of the discoid spring and the second facing sheet 138 can extend over the part close to the inside diameter of the spring 134. This latter embodiment can be particularly economical and advantageous in large spherical nut valves.
It has also been found that it is advantageous for the face 74 of the support shoulder 70 to be knurled or grooved to ensure better grip of the facing sheet 136 of the disc spring.
When the valve is exposed to a fire, this improved grip prevents slipping, creep or extrusion of the facing sheet and the discold spring. It is possible that at high temperatures, Grafoil may become somewhat flowable. The knurled or grooved face prevents this action and facilitates obtaining the fluid-tight seal.
The diameter at the outer end of the secondary seat 104 is such that the seat can be received in the cylindrical cavity delimited by the internal wall of the axial flange 126 of the seat ring and by the first surface 120 of the seat ring. The inner diameter of the secondary seat is slightly
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greater than the diameter of the central opening 118 of the seat ring 102 in order to substantially protect the secondary seat against contact in normal service with the spherical nut and against the risks of deterioration and wear associated with the system.
The discoid spring 134 is chosen so that its force is sufficient, under partial bending, to urge the seat ring 102 continuously towards the spherical nut. The spring must also be able to be brought to a flattened state in order to admit the displacement of the spherical nut and its engagement with the third surface 124 of the seat ring during normal service conditions. As shown in particular in FIG. 3, a fluid tight seal is established by the narrow confinement of the main seat ring 102 between the spherical nut C, the support ring 100, the main body 12 of the valve and the shoulder 70 of the tubing d 'end.
During normal operating conditions, the secondary seat 104 is primarily used to urge and hold the main seat ring 102 without performing a secondary sealing function.
As shown in Figs. 1, 2 and 3 and at the time of the assembly of the valve, each seat B is moved so that each main seat ring 102 flexes slightly by rotation in a direction deviating from the other generally around its outer periphery and against the secondary seat 104 in reaction to an engagement between the contact surface 124 of the seat ring and the spherical nut C. This action slightly compresses the associated discoid spring 134 towards a flattened state. In addition to positioning the spherical nut, this bending of the spring ensures that a sealing force is exerted between the two seat rings and the spherical nut
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at the level of the contact surface 124 with the spherical nut even if the circuit pressure is very low.
The secondary vent 17 in the spherical nut C is oriented towards the inlet when the valve is in a closed position and guarantees that the inlet seat does not seal. Any fluid present in the center of the valve is free to expand upon heating or to vaporize and escape through vent 17 without increasing the pressure in the valve.
The operation of the preferred embodiment described above will be explained in a specific way, when the main seat is destroyed by fire, with reference to FIGS. 4,5, 6, 12 and 13.
Fig. 4 illustrates the flexible plastic seat ring 102 which is heated to a more fluid state and which, in turn, flows or is extruded through the central opening 66 of the secondary seat 104 under the effect of the forces exerted by the fluid pressure in the valve. Following the softening of the seat ring 102, the discoid spring 134 of the secondary seat 104 flexes in order to maintain a fluid-tight seal against the spherical nut C and against the end face 74 of the shoulder 70.
As shown in particular in FIG. 5, the spherical nut C has moved axially downstream in the valve 1 in order to compress the secondary seat 104 and to come into contact with the barrier ring 130. The second facing sheet 138 which is sandwiched between the discoid spring 134 and the seat ring 102 comes into contact with the spherical nut C by its radially internal part to establish a fluid-tight seal. Since the second facing sheet 138 is preferably made of a heat-resistant deformable material such as Grafoil, the sheet follows the contact surface of the spherical nut.
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risk C and thus avoids the difficulties of known type fireproof ball valves which include secondary seals of the metal on metal type.
Similarly, the first facing sheet 136 of the secondary seat 104 attacks the support shoulder 70 at the end wall 74 of the shoulder by its radially external part in order to establish a fluid-tight seal. The deformable nature of the sheet 136 allows it to match the irregularities of the surface 74 and the outer radial edge of the discoid spring 134.
According to the invention, it is planned to use a secondary seat 104 devoid of a first or a second facing sheet 136, 138 because it has been found that the discoid spring 134, thanks to its circumferential elasticity, forms an appreciable metal-to-metal seal with the spherical nut C, thus avoiding the difficulties due to the fact that the spherical nut is not perfectly spherical or adapted by running in to the secondary seat.
The discoid spring 134 of the secondary seat has a circumferential elasticity as well as an axial elasticity and, when the seat ring 102 softens, the secondary seat flexes in order to maintain a fluid tight seal between the spherical nut C and the face d 'end 74 of the shoulder 70. By the expression circumferential elasticity is meant the ability of the secondary seat to flex axially more in one segment than in another.
Since the spherical nut C is not perfectly spherical and the central opening 66 of the discoid spring 134 is not perfectly round, the spherical nut and the spring only come into contact in a few raised places. The circumferential elasticity of the discoid spring 134 allows it to
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flex at these raised places so that the spherical nut is essentially in continuous contact with the inner radial edge of the discoid spring 134. In addition, the outer radial edge of the disc spring 134 does not come into contact with the end face 74 only in a few raised points.
The circumferential elasticity of the discoid spring 134 again allows it to flex in variable measures around its perimeter and thus to establish a substantially continuous contact line between its outer radial edge and the end face 74 of the shoulder 70 The circumferential elasticity of the discoid spring 134 therefore compensates for the roundness defects of the inner and outer radial edges of the discoid spring 134, the spherical defects of the spherical nut C and the flatness deviations of the end face 74 of the shoulder 70.
The barrier ring 130 behaves like a "barrier" or a dam to prevent excessive extrusion of the softened plastic seat 102 between the spherical nut C and the secondary seat 104 in the valve lumen. In practice, a fire cannot always be expected to uniformly heat the surface of a fireproof valve, especially when the fire is a radiant fire near the valve and heats the side closest to the valve but not the opposite side. Thus, during a fire, it can be reasonably predicted that the seat ring 102 of plastic material will probably soften in only one first place of its circular perimeter before softening in other places.
Without the barrier ring 130, the first part can be extruded excessively into the valve lumen under the effect of the pressure of the circuit which allows the spherical nut C to
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move radially or laterally in a direction perpendicular to the light port of the valve. Consequently, when the spherical nut C moves downstream through the plastic material which softens until it comes into contact with the secondary seat 104, it can move too far on one side and can come into contact with the secondary seat 104 unevenly, leaving large interstices and leakage paths in which the melting plastic and the fluids of the circuit can escape.
It has been noted that these escape routes and these interstices occur in places spaced apart in a manner
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general of 90 of the radial displacement direction vector. The point located at 180 from the radial displacement vector maintains a fluid-tight seal by contact with the rest of the main plastic seat 102. The expulsion of fluids from the circuit can then suddenly cool the plastic seat 102, preventing any fusion additional. A significant leak thus produced can therefore remain a significant leak regardless of the additional intensity of the fire that is applied to the fire test valve.
An additional mechanism for partial destruction of the seat is illustrated in FIG. 12. A seat which does not include a barrier ring is shown and was exposed to a fire which resulted in the extrusion into the lumen of the valve of only part 141 of this seat. A large leakage path 143 has formed as a result of the impossibility for the spherical nut to come into contact with the secondary seat 104. The spherical nut C is prevented from moving radially or axially in the part extruded by the remaining part or remaining from the main seat ring 102 in material
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plastic.
The cooling effect of the leak escaping through the path 143 cools the main plastic seat ring and prevents further destruction or extrusion despite the varying intensity of the fire.
However, as shown in Fig. 5, the barrier ring 130 confines the creep of the flexible plastic which melts whatever the part of the plastic of the perimeter of the seat which softens in the first place. The barrier ring 130 is placed in the seat ring 102 so that only a narrow annular portion 144 can extrude into the valve lumen. the substantial part 146 of the seat ring 102 is prevented from flowing by extrusion through the barrier ring 130. The relatively small part 144 which can be extruded contains only little substance and, during its extrusion, the associated offset zone in which the spherical nut C can then move is insufficient to allow the formation of a leak path.
It is also preferable that the barrier ring 130 be placed in the seat ring 102 so that the spherical nut C comes into contact with the barrier ring 130 at the time of contact with the secondary seat 104. The barrier ring 130 can therefore also contribute to establishing a secondary seal when the main seat 102 is destroyed.
As shown in Fig. 6, the main seat 102 has been completely destroyed to the point that the substantial part 146 (FIG. 5) of the flexible plastic seat ring has been sublimated or vaporized through the valve lumen. A fluid-tight seal then remains between the spherical nut C and the secondary seat 104, because the spherical nut remains in
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contact with the radially internal part of the second facing sheet 138 which deforms along the surface of the spherical nut. The first facing sheet 136 similarly attacks the shoulder end wall 74 to maintain the fluid-tight seal between the secondary seat 104 and the shoulder 70.
In addition, it is advantageous for the barrier ring 130 to be calibrated so as to attack the spherical nut when the main seat is destroyed and when the spherical nut is moved downstream. This contact facilitates the formation of another fluid tight seal.
As shown in particular in FIG. 13, we can see along line 6-6 that the spherical nut came into contact with the barrier ring 130 after the destruction of the main seat and also came into contact with the secondary seat to maintain a fluid-tight seal ( Fig. 6). On line 5-5, the extrusion of the substantial part of the main seat is blocked by the barrier ring 130 to prevent the formation of the leakage path in FIG. 12.
A variant of the invention is illustrated in particular in FIG. 8. To facilitate the representation and appreciation of this variant, the same elements are designated by the same reference numbers with a prime suffix (') and the new elements are designated by new reference numbers. The secondary seat 104 ′ comprises a one-piece disc 150 of deformable heat-resistant material such as Grafoil or a composite material of Grafoil and wire mesh. In the event of fire damage to the main seat 102 ′, the spherical nut C ′ can move axially downstream in reaction to the pressure of the fluid in order to attack
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quer the radially inner end portion of a secondary seat 104 'to establish a fluid tight seal.
In addition, the wall 74 ′ which is preferably knurled attacks the end face 152 of the secondary seat to establish a fluid-tight seal between the secondary seat and the support shoulder 70 ′. The secondary seat 104 ′ can thus follow the contact surface of the spherical nut C ′ and of the wall 74 ′.
Yet another variant of the invention is illustrated in FIG. 9 in which similar elements are designated by the same reference numerals with a second suffix ("). The secondary seat 104" comprises a discoid spring 134 "and a facing sheet 156 of a deformable heat-resistant material such as of Grafoil or a composite material of Grafoil and wire mesh. When the main seat 102 "is destroyed in a fire, the spherical nut in a closed position advances under the pressure of the circuit against the secondary seat 104" and makes deflect the facing sheet 156 at its radially inner portion to form a fluid-tight seal. In addition, as the fire progresses, the discoid spring 134 "is annealed.
The softened discoid spring, deformed by the pressurized spherical nut, thus more easily follows the surface 74 "of the support shoulder 70" and establishes an improved metal-to-metal seal behind the spring. Yet another embodiment of the invention similar to this embodiment consists in using a single facing sheet on the surface of the discoid spring facing the support shoulder. Such a construction involves a secondary metal-to-metal seal with the spherical nut and a seal
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between a facing sheet and a shoulder. It is best to use a knurled shoulder for contact with the facing sheet.
Fig. 10 illustrates another variant of the invention in which the same elements are designated by the same reference numerals assigned by a third suffix ('' '). This embodiment of the invention comprises a seat comprising a support ring 100 '' ', a main seat or seat ring 102' '', a secondary seat 104 '' 'comprising a disc spring 134' '', a first facing sheet 136 '' 'and a second facing sheet 138' ''. The facing sheets 136 '' ', 138' '' are made of Grafoil or another deformable heat-resistant material. A barrier ring is not provided.
When the seat ring 102 '' 'is destroyed during a fire, the spherical nut moves axially downstream and establishes a fluid-tight seal at the second facing sheet 138' ". The first facing sheet 136 '' 'comes into contact with the knurled end wall 134' 'of the support shoulder 70' '' to maintain the seal.
Finally, Fig. 11 relates to yet another variant of the invention in which the same elements are again designated by the same reference numbers assigned with another suffix. The secondary seat 104 '' '' may comprise a single discoid spring, a deformable disc which does not flow under the effect of heat, made of a material such as Grafoil or a composite material of lattice and Grafoil, or a combination of a discoid spring and a Grafoil facing sheet similar to the secondary seat 104 "shown in Fig. 9.
A barrier ring 130 '' '', preferably made of a material
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composite in Grafoil and mesh is provided in the main seat 102 '' '' in order to come into contact with the spherical nut during a partial or total destruction of the main seat and to block the extrusion of the substantial part 146 ' '' 'of seat ring 102' '' '.
Other modifications which are not shown specifically in the drawings can be easily incorporated into the seat rings B without in any way departing from the general scope of the invention. It may, for example, be desirable to slightly modify the relative dimensional characteristics between the main seats, the reinforcement rings and the secondary seats in order to adapt them to particular operational requirements.
The invention has been described with reference to a preferred embodiment and to several variants.
Of course, it is not limited to the execution details described to which numerous changes and modifications can be made without going beyond its scope.