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~LZ02~Z~
DispositiE d'élimination des vibrations d'un~ qourape de décompression
d'une enceinte
l.'invention concerne un dispositif d'élimination des vibrations
d'une soupape de décompression d'une enceinte contenant un fluide sous pres-
sion.
Dans le cadre de l'exploitation des centrales nucléaires, il est
S nécessaire d'utiliser des soupapes de sécurité permettant la décompression
d'enceintes renfermant un fluide sous pression, dans le cas où la pression
du fluide devient sùpérieure à une valeur li~ite fixée lors de la concep-
tion des éléments de la centrale.
Cette enceinte peut contenir un fluide en circulation et consti-
tuer un circuit tel que le circuit primaire du réacteur renfermant de l'eausous forte pression et à très haute température ou, au contraire, consti-
tuer une enceinte renfermant un fluide sous pression statique, que ce
fluide soit un liquide comme l'eau sous pression ou un gaz comme la vapeur
d'eau.
Dans tous les cas, ces circuits ou enceintes doivent etre équipés
de soupapes de sécurité, pour le cas où la pression vient à dépasser les li-
mites permises définies lors de la conception du circuit ou de l'enceinte,
en prenant en compte un facteur de sécurité.
Ces soupapes sont destinées à décompresser très rapidement le cir
cuit ou l'enceinte en cas de dépassement de pression.
De telles soupapes sont constituées par un corps creux monté sur
l'enceinte et communiquant avec une ouverture de celle-ci. A l'intérieur de
ce corps creux, une tige est montée mobile, pour le déplacement d'un clapet
fixé à l'une de ses extrémités entre une position de fermeture où le clapet
repose sur un siège entourant l'ouverture pratiquée dans l'enceinte et une
position d'ouverture où le clapet est éloigné de son siège. Un ressort taré
en appui sur le corps de soupape d'une part et sur la tige de soupape
d'autre part permet d'~xercer une force de rappel du clapet sur son siège,
de fason que le clapet reste en position de fermeture, tant que la pression
dans le circuit ou l'enceinte ne dépasse pas la valeur de consigne.
Lors du soulevement du clapet, une partie du fluide sous pression
est éjectée à l'extérieur de l'enceinte, ce qui permet de rétablir une pres-
sion inférieure à la valeur de consigne, le ressort taré permettant alors
de ramener le clapet en position de fermeture sur son siège.
Cependant, dans le cas d'un fluide gazeux ou liquide tel que la
vapeur d'eau, ou l'eau surchauffée ou l'eau froide, il se crée des ondes de
pression en amont de la soupape, au moment de son ouverture,
ce qui peut entrainer un fonctionnement instable de cette
soupape, c'est-à-dire des battements de fréquence élevee.
Ce régime de fonctionnement instable entraine de
graves inconvénients tels que le grippage de la soupape ou
des coups de bélier dans les canalisations de vapeur. Il
en est ainsi en particulier quand la soupape est reliée à
une capacité sous pression par une tuyauterie d'une certaine
longu~ur.
Quand la soupage doit permettre l'échappement d'un
fluide incompressible tel que l'eau du circuit primaire d'un
réacteur nucléaire à eau sous pression, vers un réservoir
prévu à cet effet, le fluide se met en mouvement instantané-
ment juste en amont de la soupape alors ~u'il reste immo-
bile par inertie dans la tuyauterie à une certaine distance
de cette soupape. Ceci provoque une très forte dépression
qui a tendance à refermer la soupape aussitôt après son
ouverture.
De plus, dans le cas où le fluide est incompressi-
ble, aucune détente de celui-ci ne permet de maintenir le
clapet en position d'ouverture au-dessus de son siège~ Il
a donc un risque grave de fonctionnement instable, de
battementde la soupape, et de fermeture intempestive.
Le but de la présente invention est de proposer
un dispositif d'él;mination des vibrations d'une soupape de
décompression d'une enceinte contenant un fluide sous pres-
sion au moment de son actionnement sous l'effet de la pres-
sion du fluide, la soupape comportant, à l'intérieur d'un
corps de soupape monté sur l'enceinte et en communication
3~ avec une ouverture de celle-ci, un clapet de fermeture com-
plémentaire d'un siège entourant l'ouverture, une tige
sensiblement verticale solidaire du clapet reliée à son
extrémité opposée au clapet à un levier monté sur un axe
sur le corps de soupape et mobile dans le corps de soupape,
~2~;~6
- pour l'ouverture et la fermeture du clapet, un ressort en
appui sur la tige par une de ses extrémités et sur le
corps de soupape par son autre extrémité, pour le maintien
du clapet sur son siège tant que la pression à l'intérieur
de l'enceinte reste inférieure à une pression limite, le
dispositif d'élimination des vibrations comportant au moins
un électro-aimant dont l'équipage mobile est relié au levier
à l'extérieur du corps de soupape et un moyen d'alimentation
de l'électro-aimant permettant d'exercer une force magnéti-
que sur l'équipage mobile et la tige de soupape, caractér.isépar le fait que le levier comporte deux parties:
- une première partie reliée de facon articulée à l'extré-
mité de la tige de soupape opposée à l'extrémité portant le
clapet, solidaire d'un axe horizontal monté rotatif dans
le corps de soupape constituant l'axe du levier et com-
portant un prolongement, ou ergot, cet ergot et la liaison
articulée de la tige de soupape étant disposés de part et
dlautre de l'axe du levier,
- et une seconde partie reliée de fa~on articulée à l'équi-
page mobile et reliée à la première partie par l'intermé-
diaire d'un coupleur à friction ayant pour axe de rotation
l'axe du levier, dont l'un des éléments de couplage est
fixé sur la première partie du levier et dont l'autre élé-
ment de couplage est solidaire de la seconde partie du levier,
cette seconde partie comportant de plus une surface d'appui
située en vis à vis et au-dessus de l'ergot de la première
partie du levier, pour solidariser les deux parties du levier
en rotation, en fin de mouvement vers le bas de la tige de
soupape.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va
maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se
référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisa
tion d'un dispositif d'élimination des vibrations _
z~
-- 4
suivant l'invention, dans le cas d'une soupape de décompression d'un pressu-
riseur placé sur le circuit primaire d'un réacteur nucléaire ~ eau sous
pression, comparativement ~ un dispositif suivant le brevet frflnsais n
81-20391.
La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'un dispo-
sitif suivant le brevet français 81-20391.
La figure 2 est une vue en coupe par un plan vertical, suivant BB
de la figure 3, d'un dispositif dramortissement suivant l'invention.
La figure 3 est une vue en coupe par un plan borizontal AA de la
figure 2.
Sur la figure 1, on voit une partie 1 de la paroi d'une enceinte
ou d'un circuit renfermant un fluide sous pression, cette paroi 1 comporte
une ouverture 2 à l'intérieur de laquelle est fixe un siège 3 dont l'extr~-
mité supérieure est au niveau d'une chambre 4 débouchant dans un canal de
décharge 5~ pour l'éjection de fluide en cas de décompression. Au dessus de
la chambre 4 est montéJ en communication avec l'ouverture 2, un corps de
soupape 6 par l'intermédiaire de vis et écrous 7 et d'un joint d'etanchéité
8.
Sur la figure 1, la soupape est représentée en position de ferme-
ture, un cl~pet 9 venant reposer sur le 6iège 3, pour la fermeture du canal
2.
Le clapet 9 est solidaire d'une tige 10 montée suivant l'axe ~er-
tical du corps de soupape et mobile en déplacement vertical pour l'ouvertu-
re ou la fermeture du clapet.
La partie supérieure de la chambre ménag~e par le corps de soupa-
pe est isolée de la chambre de décharge 4 par un soufflet 12 relie d'une
part au ~lapet et d'autre part au joint d'étanchéité 3.
Un ressort 14 disposé à l'intérieur du corps de soupspe comporte
deux pièces d'appui 15 et 16, la pièce 16 étant en appui surle corps de sou-
pape 6 et la pièce 15 en appui sur un épanouis3ement 17 de la tige 10.
Le ressort est taré de fason que la force exercée par ce ressort
sur la tige 10 et le clapet 9 permette une fermeture de la soupape tant que
- la pression à l'intérieur de l'enceinte 1 ne dépasse pas une valeur limite
prédéterminée.
En cas de d~passement de cette valeur, la force exercée par le
fluide sous pression sur le clapet 9 permet de soulever celui-ci, pour la
décharge du fluide dans la chambre 4 et le conduit 5 communiquant avec l'ex-
terieur.
- ~ s
Au-dessus du ressort 14, la tige 10 est solidaire d'une pièce
d'appui 18 assurant également son guidage vertical à l'intérieur du corps
de soupape.
La partie supérieure du corps de soupape est constituée par un
carter 20 portant un axe 21 sur lequel est articulé un levier 24 traversant
la paroi du carter 20 et pouvant servir à l'actionnement manuel de la sou-
pape.
L'extrémité du levier 24 disposée à l'intérieur du carter 20 com
porte une ouverture à l'intérieur de laquelle peut se d~placer librement
l'extrémité supérieure de la tige de ~oupape 10.
Entre la pièce d'appui et de guidage 18 et l'extrémité inferieure
du levier 24 est placé un ressort 25 servant à la transmission d'efforts
entre la tige de soupape 10 et le levier 24.
Au-dessus du levier 24, l'extrémité terminale de la tige 10 est
filetée et un écrou 28 permet de réaliser une butée de la tige 10 par rap-
port au levier 24.
A l'extrémité extérieure du levier 24 est fixé de fason articulée
l'équipage mobile 29 d'un électro-aimant 30 dont la partie fixe comportant
un bobinage aliment~ par des fils 31 repose sur un support 32 solidaire du
corps de soupape 5.
L'alimentation du bobinage se fait par l'intermédiaire d'un re-
lais, lui-même comman,dé par un capteur de pr~ssion,disposé à l'intérieur de
l'enceinte et permettant de réaliser l'alimentation de la bobine 30 lorsque
la pression dans l'enceinte dépasse la valeur lim;te pour laquelle le cla-
pet 9 se soulève de son siège 3. Le mouvement vers le haut de la tige 10
est alors transmis par l'intermédiaire du ressort 25 au levier 2~ qui dépla-
ce vers le bas l'équipage mobile 29 qui vient se coller sur la partie fixe
de l'électro-aimant qui est alors alimenté gr~ce au circuit comportant les
fils 31.
Le soulèvement du clapet et de la tige 10 se poursuit, cependant
que la décharge du fluide sous pression s'effectue par la chambre 4 et le
conduit 5.
Si des oscillations de pression au cours de la décharge du fluide
sous pression réduisent les forces de soulevage du clapet 9, la tige 10
peut redescendre sous l'effet du ressort 14, mais l'écrou 28 vient buter
sur le levier 24 maintenu en position par l'électro-aimant 30.
Ceci interdit la fermeture de la soupape~ cependant des vibra-
tions peuvent encore résulter de fluctuation de pression dans l'enceinte
~2
5~ 6
lors de la décharge du Eluide.
Lorsque la pression est redescendue à un certain niveau, par dé-
charge vers l'extér;eur du fluide sous pression, l'alimentation du bobinage
est coupée automatiquement par commande du relais si bien que le levier 24
est déverrouillé et que la tige de soupape 10 et le clapet 9 peuvent retom-
ber dans leur position de fermeture sous l'effet du ressort d'actionnement
14.
Sur la figure 2, on voit la partie supérieure d'une soupape de dé-
compression telle que représentée sur la figure 1.
Cette soupape comporte un corps de soupape ~ suivant l'axe verti-
cal duquel est disposée la tige de soupape 40 montée coulissante ~ l'inté-
rieur d'une pièce de guidage 48 solidaire du corps de soupape 36. A l'inté-
rieur du corps de soupape 36 est également disposé un ressort hélico~dal 44
en appui par sa partie inférieure non représentée sur le clapet solidaire
de la partie inférieure de la tige de soupape 40 et en appui par sa partie
supérieure sur une pièce d'appui 46 venant elle-meme en butée contre la par-
tie inférieure de la pièce de guidage 48.
De cette fason, le ressort 44 exerce une force de rappel sur la
soupape et la tige 40, dirigée vers le bas, lorsque la soupape est soulevee
par la pression régnant dans l'enceinte.
A sa partie supérieure, le corps de soupape 36 est prolongé par
un double carter 50 traversé axialement par la tige 40 et par une pi~ce
d'extrémité 51 prolongeant celle-ci à sa partie supérieure.
La pièce d'extrémité 51 comporte une partie filetée 52 sur
25 laquelle on vient visser deux butées 55a et 55b. Ces butées 55a et 5Sb per-
mettent la fixation articulée de l'extrémité du levier 54 constitué de deux
parties 56 et 57 visibles aux figures 2 et 3.
La seconde partie du levier 57 est constituée elle-meme de deux
parties symétriques 57a et S?b comme visible à la figure 3.
Les deux parties 57a et 57b sont reliées de façon articulée grace
à unerotule ~a l'équipage mobile 59 de l'électro-aimant 60 constitué par un
bobinage électromagnétique porté par un support 62 fixé sur le corps de
soupape 36.
Le bobinage de l'électro-aimant 60 est aliment~ grace à des con-
ducteurs 61 eux-mêmes reliés à un circuit d'alimentation co~portant un re-
lais commandé par un capteur de pression situé sur l'enceinte. D e cette
fason, le bobinage electromagnétique peut etre alimenté en courant électri-
que dès que la pression dans l'enceinte sur laquelle est disposée la soupa-
pe atteint une valeur limite pr~déterminée.
Ainsi qu'il est visible sur les figures 2 et 3, la première par-
tie du levier 56 est montée solidaire d'un axe 65 hori30ntal et monté rota-
tif sur le corps de soupape 36grace a des paliers ~ roulement 66. La par-
tie du levier 56 et l'axe 65 sont rendues solidaires en rotatioo par uneclavette ~7.
En réalit~, le montage des deux extrémités de l'arbre à l'inté-
rieur du ~orps de soupape 36 et sur la partie 56 du levier 54 est identique
pour ces deux extrémités. La coupe de 18 figure 3 permet de voir le detail
de montage pour l'une des extrémités seule~ent, l'ensemble ~tant entière-
ment symétrique par rapport au plan de trace BB sur cette figure.
La partie 56 du levier porte des tourillons 68 montés rotatifs
dans des paliers 69 eux-mêmes fixés par serrage entre les deux butées 55a
et 55b fixées sur la pièce d'extrémité de la tige 4~. De cette façon, la
partie 56 du levier 54 est reliée de facon articulée à l'extrémité superieu-
re de la tige de soupape.
La partie 56 comporte également un prolongement 70 constituant un
ergot d'actionnement ainsi que nous le verrons plus loin disposé de fason
que cet ergot d'une part et la liaison articulée entre la partie 56 du le-
vier 54 et la tige de soupape dlautre part soient situé6 de part et d'autrede l'axe 65 solidaire de cette partie 56 du levier 54.
Sur la figure 2, l'ergot 70 a été représenté d~ns deux positions
différentes 70a et 70b correspondant ~ deux positions 58a et 58b de l'arti-
culation de l'equipage mobile également représent~ sur la ~igure 2. Nous
verrons en effet que l'ergot 70 permet la remise en position de l'équipage
mobile 59 lors du mouvement vers le bas de la tige de soupape, c'est A dire
dans le sens de fermeture de la soupape.
Les deux moitiés 57a et 57b de la deuxième partie du levier 54
constitue à leur extrémité non reliée à la rotule 58 deux carters 71 montés
rotatifs grâce à des paliers ~ roulement 72 sur la première partie 56 du le-
vier 54.
L'axe de rotation des deux parties du levier l'une par rapport
l'autre est confondu avec l'axe de l'arbre 65.
A l'intérieur des carters 71 sont montés des disques de friction
73 entre lesquels viennent s'intercaler des disques de friction antagonis-
tes 74 solidaires de la partie 56 du levier 54.
L'ensemble des carters 71, des disques de friction 73 et des dis-
ques 74 constitue un coupleur à friction ou limiteur de couple monté entre
A
~ ~20~2~
les deux parties du levier 54.
Ce coupleur ~ friction a également pour axe l'axe de l'arbre 65.
Ainsi qu'il est visible sur la figure 2, entre les deux bras 57a
et 57b de la partie 57 du levier 54 est disposée une douille 75 comportant
une ouverture ~iletée suivan~ son axe incliné par rapport à la verticale.
Cette douille est maintenue en place gràce à une pièce de fixation 76 et à
des vis 77 engagées dans les bras 57a et 57b de la partie 57 du levier 54.
A l'intérieur de la douille 75 une vis 78 est engag~e de façon
que sa partie inférieure arrondie 79 constitue une surface d'appui venant
en contact avec l'ergot 70 de la première partie 56 du levier 54.
La surface d'appui 79 disposée au-dessus de l'ergot 70 permet,
lors de la mise en contact de ces deux pièces, de solidariser les deux par-
ties du levier en rotation lors d'un mouvement de descente de la tige 40 en-
trainant la première partie 56 du levier 54.
On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif d'élimi-
nation des vibrations suivant l'invention, lors de l'ouverture et lors de
la fermeture de la soupape.
Lorsque la s~upape est fermée, 1~ tige de soupape est dans sa po-
sition basse et l'armature 59 dans sa position haute (schématisée par la po-
sition de la rotule 58 en 58b).
Si la pression dans l'enceinte dépasse la pression de référence
choisie, le capteur de pression permet l'alimentation de la bobine électro-
magnétique 60, cependant que le clapet de soupape et la tige commencent à
se soulever.
Le mouvement vers le haut de la tige de soupape 40 entraine en ro-
tation la première partie 56 du levier 54 et l'arbre 65. Cette rotation en-
traine une rotation dans le même sens de la seconde partie 57 du levier 54
par l'intermédiaire du coupleur à friction dont les disques 53 et 54 inter-
calés sont mis en rotation.
Ce mouvement de rotation de la seconde partie 57 du levier 54 pro
voque un mouvement vers le bas de l'équipage mobile 59 relié à cette partie
57 par la rotule 58.
Lorsque l'équipage mobile 59 parvient à une certaine distance de
la bobine électromagnétique 60, l'attraction magnétique provoque un collage
de cet équipage mobile sur la bobine fixe 60.
Par exemple, un tel collage peut être obtenu dès que l'équipage
mobile parvient à une distance de 4 mm de la face supérieure de la bobine
60.
3Z~26
_ 9 _
La seconde partie 57 du levier 54 est alors immobilisée en rota-
tion par la force magnétique exercée par la bobine 60.
La surface d'appui solidaire de cette partie 57 et constituée par
la partie inférieure 89 de la vis 7~ est alors dans sa position ~9a. Si la
press'on tombe dans l'enceinte ou 9i cette pression subit des fluctuations
au niveau du si~ge de la soupape, la tige 40 et la soupape ne peuvent retom-
ber en position basse sous l'effet du ressort qui a été comprimé lors du
soulèvement de la tige, puisque l'ergot 70 vient, lors de la retombée de la
tige, en position de butée sur la surface d'appui 89.
Il y a donc bien, un ~locage ~agnétique de la tige de
soupape contre les m~uvements de retombée.
Si la pression continue à cro~tre, au contraire, la tige de soupa-
pe continue à se déplacer vers le haut par rotation relative des deux par-
ties 56 et 57 du levier 54, la seconde partie 57 du levier étant immobile.
Ce mouvement vers le haut de la tige de soupape est amorti gr~ce
au coupleur a friction dont les disques 73 et 74 se déplacent en rotation
les uns par rapport aux autres.
Si des oscillations de pression se produisent dans l'enceinte ou
au niveau de son ouverture de décharge, les vibrations de la tige de soupa-
pe sont amorties par le limiteur de couple.
Le mouvement de la tige vers le haut peut ainsi se poursuivresans vibration jusqu'à une butée haute limitant le ~ouvement de cette tige.
Pendant tout ce mouvement de montée de la tige ~0, le ressort 44
s'est comprimé et lorsque la pression dans l'enceinte est revenue ~ une va-
leur inférieure à la pression de consigne, ce ressort permet d'entrainer la
tige de soupape et le clapet vers le bas.
L'amortissement dû au limiteur de couple s'exerce quel que soit
le sens de mouvement de la tige, que ce mouvement ait lieu vers le haut ou
vers le bas.
La tige de soupape 40 amorce sa descente entrainant en rotation
la première partie du levier 54 et l'ergot 70. Tant que l'ergot n'a pas ac-
costé la vis 78, le coupleur ~ friction oppose sa résistance au ressort 44
car la deuxième partie du levier 57 reste fixe maintenue par l'équipage mo-
bile 59. Lorsque l'ergot 70 accoste la vis 78 par sa surface d'appui 89, le
limiteur de couple devient inopérant et les deux parties du levier 54 sont
entrainées solida;rement en rotation. A ce moment la seule force magnétique
de l'équipage mobile s'oppose au ressort 44. Pour éviter que l'action résis-
tante du dispositif électromagnétique ne continue à l'approche de la ferme-
- 10 - ~Z02~Z~
ture de la soupape , le circuit d'alimentation électrique est coupé par
l'action du capteur de pression.
A ce mo~ent le ressort 44 peut ramener le clapet de la soupape
sur son siège sans aucun effort résistant du dispositif électromagnéeique.
En fin de mouvement de retombée de la tige, l'ergot 70 permet la
remise en position haute de l'équipage mobile (schématisée par la position
- 58b de la rotule 58).
On voit donc que le dispositif qui vient d'être décrit permet non
seulement d'éviter la retombée de la tige en position basse et du clapet
sur son siège, mais encore d'amortir l~s vibrations de la tige
pendant tO~Is ses déplacements ultérieurs au collage par force
magnétigue de l'équipage mobile.
Le dispositif décrit permet également un r~glage de la position
de blocage de l'ergot sur la surface d'appui par déplacement de la vis 78 ~
l'intérieur de la douille 75. Ce déplacement de la Vi8 permet également un
réglage de la position haute de l'équipage mobile 59.
Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui
vient d'être décrit ; elle en comporte au contraire toutes les variantes.
C'est ainsi que le bobinage de l'électro-aimant 60 peut êere ali-
menté en permanence au lieu d'être alimenté par un circuit comportant un re-
lais commandé par un capteur de pression. On peut intercaler sur ce circuit
d'alimentation un relais de coupure commandé par un capteur de pression
comme dans l'exemple de réslisation ou par un capteur ae force ou de dépla-
cement associé à l'équipage mobile et intercalé entre celui-ci et le sup-
port de l'électro-aimant. Dans ce dernier cas, la coupure du courant d'ali
mentation de l'électro-aimant intervient d~s que l'effort exerc~ par le res-
sort de rappel de la tige de soupape sur l'équipage mobile par l'intermé-
diaire du levier, dépasse un certain seuil ou dès que le déplacement de
l'équipage mobile s'amorce. En l'absence d'un dispositif de coupure de cou-
rant ou dans le cas ou celui-ci ne fonctionnerait pasl la force du ressort
de rappel de la soupape est suffisante pour décoller l'équipage mobile de
l'électro-aimant.
Les deux parties du levier peuvent ~tre réalisées de fa~on diff~-
rente de ce qui a été décrit et le coupleur à friction peut avoir une struc-
ture différente de celle qui a été décrite.
La surface d'appui de l'ergot sur la seconde partie du levier
peut être réalisée d'une fason différente de celle décrite où une vis per-
A
~)Z~Z6
/
mettait un r~.glage pr~cis de 12 position de blocage de la tige de soupape.
Enfin le dispositiE suivant l'invention s'applique, dans tous lescas où l'on utilise des soupapes de sécurite pour la decompression d'une en-
ceinte ou d'un circuit contenant un fluide sous pression statique ou dyna-
mique.
