FR2500565A1

FR2500565A1 - High pressure ball valve for radiative environment - has electrically heated actuating rod to force ball off seat

Info

Publication number: FR2500565A1
Application number: FR8103836A
Authority: FR
Inventors: Jacques Bresson; Bernard Voituriez
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1982-08-27

Abstract

The ball valve is contained in a tube (1) sealed at the inlet end by a plug (5) having an inlet orifice (6). The ball (3) is held closed by a spring (4). The actuator is housed in the outlet side of the tube (1) and maintained in position by a welded plug (15). The actuator consists of a rod (10) with an integral operating spindle (9) enclosed in a spirally wound electrical heater (11). When the actuator is heated, the spindle (9) forces the ball (3) off the valve seat and fluid passes around the actuator to the outlet (12,12A). The device is used in high temp. environments having a high neutron and/or gamma photon flux.

Description

La présente invention a trait à une vanne pour fluides sous pression. The present invention relates to a valve for pressurized fluids.

Plus précisément elle a pour objet une vanne miniaturisée destinée au réglage de l'écoulement d'un fluide sous haute pression et dans des conditions difficiles (ambiance nucléaire, température élevée, milieu corrosif). More specifically, it relates to a miniaturized valve intended for adjusting the flow of a fluid under high pressure and under difficult conditions (nuclear environment, high temperature, corrosive medium).

On ne trouve pas actuellement sur le marché de vanne de faible encombrement pour fluide sous haute pression résistant à des températures élevées, à des milieux corrosifs ou à des flux neutroniques et gamma importants. There is currently no valve on the market that takes up little space for high-pressure fluids resistant to high temperatures, corrosive media or high neutron and gamma fluxes.

De nombreuses applications industrielles nécessitent l'utilisation de vannes à caractéristiques très variées telles qu'une section très réduite, une plage de pressions de fluide très étendue, une commande électrique directe, une fermeture rapide et une étanchéité parfaite, même à l'hélium, permettant d'assurer un service à long terme d'une façon stable dans des conditions d'emploi difficiles qui rendent inutilisables les diverses vannes actuellement connues. Many industrial applications require the use of valves with very varied characteristics such as a very reduced section, a very wide range of fluid pressures, direct electrical control, rapid closure and perfect sealing, even with helium, making it possible to provide long-term service in a stable manner under difficult conditions of use which render the various valves currently known unusable.

Les principaux facteurs à prendre en compte sont la géométrie réduite, la tenue aux xa- diations gamma et neutroniques importantes pour des températures de fonctionnement très élevées et rapidement variables, ainsi qu'une grande robustesse et une bonne tenue à la corrosion dans des milieux très divers tels que métaux fondus, eau désionisée, gaz ou liquides corrosifs, produits de fission, hydrocarbures, milieux organiques ou milieux chimiques (acides ou basiques, oxydants ou réducteurs). The main factors to be taken into account are the reduced geometry, the resistance to gamma and neutron xadiation important for very high and rapidly variable operating temperatures, as well as great robustness and good corrosion resistance in very miscellaneous such as molten metals, deionized water, corrosive gases or liquids, fission products, hydrocarbons, organic media or chemical media (acids or bases, oxidants or reducers).

La présente invention a justement pour objet une vanne pour fluides sous pression dont les caractéristiques permettent de résoudre la plupart des difficultés exposées ci-dessus. The object of the present invention is precisely a valve for pressurized fluids whose characteristics make it possible to resolve most of the difficulties set out above.

Selon la principale caractéristique de la vanne objet de l'invention, celle-ci, du genre de celles qui comprennent à l'intérieur d'un tube un siège de vanne percé d'une ouverture qui peut être obturée par une bille placée du coté d'arrivée du fluide et des moyens pour appliquer la bille contre le siège de vanne, se caractérise en ce qu'elle comporte en outre une tige passant à travers ladite ouverture et des moyens thermiques permettant d'actionner la tige afin que celle-ci pousse la bille dans la seule direction d'arrivée du fluide pour le laisser passer à travers ladite ouverture. According to the main characteristic of the valve object of the invention, it, of the kind of those which include inside a tube a valve seat pierced with an opening which can be closed by a ball placed on the side fluid inlet and means for applying the ball against the valve seat, is characterized in that it further comprises a rod passing through said opening and thermal means making it possible to actuate the rod so that it pushes the ball in the only direction of arrival of the fluid to let it pass through said opening.

Dans un premier mode de réalisation, les moyens thermiques permettant d'actionner la tige comprennent une canne thermique solidaire de la tige et placée à l'intérieur du tube du côté opposé à la bille par rapport au siège de vanne et une résistance électrique disposée autour de la canne thermique tout au long de celle-ci. In a first embodiment, the thermal means enabling the rod to be actuated comprise a thermal rod integral with the rod and placed inside the tube on the side opposite the ball relative to the valve seat and an electrical resistance disposed around of the thermal rod all along it.

Dans une autre forme de réalisation, lesdits moyens thermiques permettant d'actionner la tige comprennent une canne thermique solidaire de celle-ci et placée à l'intérieur du tube du côté opposé à la bille par rapport au siège de vanne et une boucle parcourue par un fluide chaud, placée à l'intérieur de la canne thermique. Dans une dernière forme de réalisation, lesdits moyens thermiques sont constitués par un enroulement HF placé autour du tube. In another embodiment, said thermal means making it possible to actuate the rod comprise a thermal rod integral with the latter and placed inside the tube on the side opposite the ball relative to the valve seat and a loop traversed by a hot fluid, placed inside the thermal rod. In a last embodiment, said thermal means consist of an HF winding placed around the tube.

Enfin, selon une autre caractéristique de la vanne objet de l'invention, celle-ci comprend du côté de la sortie du fluide un moyen d'appui de la canne thermique et de la tige solidaire du tube afin que la canne thermique ne se dilate que dans une seule direction pour que la tige pousse la bille vers le côté d'arrivée du fluide. Finally, according to another characteristic of the valve which is the subject of the invention, it comprises, on the side of the outlet of the fluid, means for supporting the thermal rod and the rod integral with the tube so that the thermal rod does not expand only in one direction so that the rod pushes the ball towards the side of arrival of the fluid.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale agrandie de la vanne objet de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, et
- la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale montrant une variante possible pour la sortie du fluide.The invention will be better understood on reading the description which follows, given by way of purely illustrative and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is an enlarged longitudinal section view of the valve which is the subject of the invention,
FIG. 2 is a sectional view along the line II-II of FIG. 1, and
- Figure 3 is a schematic view in longitudinal section showing a possible variant for the outlet of the fluid.

Sur la figure 1, on voit que la vanne objet de l'invention est constituée par un tube cylindrique 1 à l'intérieur duquel se trouve un siège de vanne 2. Une bille 3 est appliquée contre le siège de vanne 2 par des moyens élastiques qui, dans l'exemple décrit ici, sont constitués par un empilement de rondelles métalliques 4 (rondelles-ressort dynamique). Avantageusement, on peut utiliser des rondelles en Inconel 718, traitées pour obtenir une très grande résistance mécanique et comprimées à 1000 N lors de la construction de l'appareil. Ces rondelles prennent appui sur un bouchon inférieur 5 soudé au tube et percé d'un conduit 6 permettant l'arrivée du fluide. Une pastille filtrante 7 est disposée entre le bouchon 5 et l'empilement de rondelles 4 afin d'arrêter les impuretés solides qui pourraient être entrainées par le fluide. In Figure 1, we see that the valve object of the invention is constituted by a cylindrical tube 1 inside which is a valve seat 2. A ball 3 is applied against the valve seat 2 by elastic means which, in the example described here, consist of a stack of metal washers 4 (dynamic spring washers). Advantageously, Inconel 718 washers can be used, treated to obtain very high mechanical strength and compressed to 1000 N during the construction of the device. These washers bear on a lower plug 5 welded to the tube and pierced with a conduit 6 allowing the arrival of the fluid. A filter pad 7 is arranged between the plug 5 and the stack of washers 4 in order to stop the solid impurities which could be entrained by the fluid.

Toujours sur la figure 1, on voit que le siège de vanne 2 est percé d'une ouverture 8 à travers laquelle peut se déplacer une tige 9. Celle-ci est solidaire d'une canne thermique 10 qui, dans l'exemple décrit ici, est une pièce cylindrique disposée à l'intérieur du tube 1, du côté opposé à la bille par rapport au siège de vanne et entourée de moyens de chauffage. Sur la figure, on voit que ceux-ci sontconstitués par une résistance électrique 11 placée dans une gaine enroulée en spirale autour de la canne 10. Still in FIG. 1, it can be seen that the valve seat 2 is pierced with an opening 8 through which a rod 9 can move. This is integral with a thermal rod 10 which, in the example described here , is a cylindrical part disposed inside the tube 1, on the side opposite the ball relative to the valve seat and surrounded by heating means. In the figure, we see that these are formed by an electrical resistance 11 placed in a sheath wound in a spiral around the rod 10.

Ces divers éléments apparaissent sur la vue en coupe de la figure 2. Sur cette figure, on voit la canne 10 disposée à l'intérieur du tube l-et séparée de la paroi interne de celui-ci par un shoopage E-3 acier inoxydable 13 On voit également la résistance chauffante 11. Le fluide s'écoule dans l'espace situé entre le shoopage 13 et la paroi interne du tube 1 jusqu'à un orifice 12 qui permet le passage vers la sortie 12A. These various elements appear in the sectional view of Figure 2. In this figure, we can see the rod 10 disposed inside the tube l-and separated from the inner wall thereof by an E-3 stainless steel shooping 13 The heating resistor 11 is also seen. The fluid flows in the space located between the shooping 13 and the internal wall of the tube 1 to an orifice 12 which allows passage to the outlet 12A.

Si on le désire, on peut ménager le long de la canne 10 une rainure longitudinale permettant le passage d'un thermocouple 14. If desired, a longitudinal groove can be provided along the rod 10 allowing the passage of a thermocouple 14.

Si l'on se reporte à nouveau à la figure 1, on voit que la vanne comporte du côté de la sortie du fluide des moyens d'appui 15 de la canne et de la tige solidaires du tube 1. Dans l'exemple décrit ici, il s'agit d'un bouchon soudé au tube 1. If we refer again to Figure 1, we see that the valve comprises on the side of the fluid outlet of the support means 15 of the rod and the rod integral with the tube 1. In the example described here , it is a plug welded to tube 1.

Bien entendu, les moyens d'appui de la canne et de la tige pourraient être constitués par l'appareil sur lequel est fixée la vanne. Par exemple, le tube
I pourrait avoir une extrémité filetée, la vanne se fixant alors par vissage sur l'appareil.Of course, the support means of the rod and the rod could be constituted by the device on which the valve is fixed. For example, the tube
I could have a threaded end, the valve then being fixed by screwing on the device.

Le fonctionnement de l'appareil est le suivant : lorsque la résistance 11 est parcourue par un courant électrique, la canne thermique 10 se chauffe et se dilate longitudinalement. Mais-comme le bouchon 15 l'empêche de se dilater vers le côté de sortie du fluide, elle se dilate en direction du siège de vanne 2 et la tige 9, solidaire de la canne 10, vient au contact de la bille 3 et pousse celleci en direction du côté d'entrée du fluide. Ceci a pour effet de comprimer l'empilement de rondelles 4 tandis que le fluide pénètre dans la vanne à travers le conduit 6 et le filtre 7. Lorsqu'on arrête le chauffage, la canne thermique 10 se rétracte, la tige 9 revient à sa position initiale et les rondelles 4 se détendent appliquant à nouveau la bille 3 contre le siège de vanne, bloquant ainsi le passage du fluide. The operation of the device is as follows: when the resistor 11 is traversed by an electric current, the thermal rod 10 heats up and expands longitudinally. But-as the plug 15 prevents it from expanding towards the outlet side of the fluid, it expands in the direction of the valve seat 2 and the rod 9, integral with the rod 10, comes into contact with the ball 3 and pushes this towards the inlet side of the fluid. This has the effect of compressing the stack of washers 4 while the fluid enters the valve through the conduit 6 and the filter 7. When the heating is stopped, the thermal rod 10 retracts, the rod 9 returns to its initial position and the washers 4 relax again applying the ball 3 against the valve seat, thereby blocking the passage of the fluid.

La vanne selon l'invention présente un certain nombre d'avantages particulièrement intéressants. A titre d'essai, on a réalisé un prototype sur lequel on a pu constater une bonne tenue aux rayonnements béta, gamma et neutroniques, ainsi qu'une bonne tenue vis-à-vis des hautes températures ( ) à 6500C) et des agents corrosifs. D'autre part, les dimensions très réduites de l'appareil (diamètre 10 - pour une longueut de 140 mm) permettent de l'utiliser même dans des endroits difficilement accessibles. De plus, elle présente l'avantage d'avoir un volume mort très faible (conduit 6). On a également remarqué une excellente étanchéité à l'hélium ainsi qu'une bonne tenue aux transitoires thermiques et un temps de réponse très court ( < 1 seconde). The valve according to the invention has a number of particularly interesting advantages. As a test, we produced a prototype on which we could see good resistance to beta, gamma and neutron radiation, as well as good resistance to high temperatures () at 6500C) and agents corrosive. On the other hand, the very reduced dimensions of the device (diameter 10 - for a length of 140 mm) allow it to be used even in places that are difficult to access. In addition, it has the advantage of having a very low dead volume (conduit 6). We also noticed an excellent helium tightness as well as good resistance to thermal transients and a very short response time (<1 second).

I1 est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul exemple qui vient d'être décrit mais qu'on peut imaginer des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, on peut envisager comme moyen de chauffage de la canne 10 une boucle parcourue par un fluide à haute température. De même, on pourrait utiliser comme moyen de chauffage un enroulement HF autour du tube. Quant à la sortie du fluide, celle-ci peut se faire par des ouvertures latérales 16 situées dans la paroi du tube 1 immédiatement en aval du siège de vanne 2 comme cela apparaît sur la figure 3. Dans ce cas, la conduite 12 est supprimée, mais un soufflet 17 est prévu entre la canne 10 et la paroi intérieure du tube 1 afin que le fluide s'échappe exclusivement à travers les ouvertures 16 et non pas le long de la canne la. It is understood that the invention is not limited to the single example which has just been described but that one can imagine variants without thereby departing from the scope of the invention. For example, it is possible to envisage as a means of heating the rod 10 a loop traversed by a fluid at high temperature. Similarly, an HF winding around the tube could be used as a heating means. As for the outlet of the fluid, this can be done by lateral openings 16 located in the wall of the tube 1 immediately downstream of the valve seat 2 as shown in FIG. 3. In this case, the pipe 12 is eliminated , but a bellows 17 is provided between the rod 10 and the inner wall of the tube 1 so that the fluid escapes exclusively through the openings 16 and not along the cane.

La vanne selon l'invention trouve de nombreuses applications et pas uniquement dans le domaine nucléaire. C'est ainsi giton peut envisager son utilisation dans les domaines de l'industrie chimique, de l'aviation, de l'astronautique et de la géothermie notamment. The valve according to the invention finds many applications and not only in the nuclear field. This is how giton can envisage its use in the fields of the chemical industry, aviation, astronautics and geothermal energy in particular.

Claims

1. Valve for pressurized fluids comprising inside a tube (1) a valve seat (2) pierced with an opening (8) which can be closed by a ball (3) placed on the inlet side fluid and means for applying the ball (3) against the valve seat (2), characterized in that it further comprises a rod (9) passing through said opening (8) and thermal means (11) for actuating the rod (9) so that it pushes the ball (3) in the only direction of arrival of the fluid to let it pass through said opening (8).

2. Valve according to claim 1, characterized in that the means for applying the ball (3) against the valve seat (2) are elastic means.

3. Valve according to claim 2, characterized in that said elastic means comprise a stack of compressed metal washers (4).

4. Valve according to claim 1, characterized in that said thermal means (11) for actuating the rod (9) comprise a thermal rod (10) integral with the rod (9) and placed inside the tube ( 1) on the side opposite the ball (3) relative to the valve seat (2), and an electrical resistance disposed around the thermal rod throughout the latter.

5. Valve according to claim 1, characterized in that said thermal means (11) for actuating the rod (9) comprise a thermal rod (10) integral with the rod (9) and placed inside the tube ( 1) on the side opposite the ball (3) relative to the valve seat (2), and a loop traversed by a high temperature fluid placed inside the thermal rod.

6. Valve according to claim 1, characterized in that said thermal means (11) for actuating the rod (9) comprise a thermal rod (10) integral with the rod (9) and placed inside the tube ( 1) on the side opposite the ball (3) relative to the valve seat (2), and an HF winding arranged around the tube (1).

7. Valve according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the tube (1> comprises on the side of the outlet of the fluid a support means (15) of the cane (10) and the rod ( 9).

8. Valve according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the tube (1) has openings (16) for the outlet of the fluid placed immediately after the valve seat (2) in the direction of flow of the fluid and a bellows (17) integral with the thermal rod (10).