Installation pour l'alimentation à pression constante de chalumeaux et autres appareils utilisant des gaz. L'invention a pour objet une installation pour l'alimentation à pression constante de chalumeaux et autres appareils utilisant des gaz, tels que par exemple les chalumeaux sondeurs ou oxycoupeurs alimentés par exemple avec de l'oxygène et de l'acétylène à une pression invariable.
L'invention permet de réaliser une cen trale ou un bloc d'alimentation en gaz sus ceptible d'alimenter indifféremment un nom bre quelconque de chalumeaux d'oxycoupage ou de soudure.
Le dessin annexé montre, à titre d'exem ple, quelques formes de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale d'un régulateur à double détente d'un type connu pour l'alimentation d'un poste portatif.
La fig. 2 montre un poste régulateur cen tral pour la fourniture de deux gaz à pres sion constante et asservissement mutuel des alimentations des deux gaz.
Les fig. 3, 4 et 5 sont des coupes d'appa reils régulateurs faisant partie du poste cen tral de la fig. 2.
La fig. 6 montre un système pilote cen tral pour l'asservissement à distance de régulateurs compounds individuels, et la fig. 7 montre en coupe un régulateur compound asservi par système pilote central.
En se référant à la fig. 1, qui montre un détendeur à double détente destiné à des postes portatifs appelés à travailler sur chantier ou pour des postes d'ateliers non desservis par des canalisations de distribu tion d'oxygène, l'alimentation automatique en oxygène à pression constante d'un chalu meau oxycoupeur ou soudeur peut être réa lisée à l'aide d'un appareil de ce genre, d'un type connu, moyennant les modifications sui vantes: Dans le détendeur représenté à la fig. 1, le gaz à haute pression qu'il s'agit de déten dre arrive par la conduite 1, en amont d'un obturateur 2 relié à une membrane 3 sou mise, d'une part, à l'action d'un fort ressort équilibreur 4 et, d'autre part, à la pression du gaz dans la chambre 5.
Le gaz, détendu une première fois à une pression moyenne appropriée, franchit un second obturateur 6, relié à une seconde membrane 7, soumise, d'une part, à l'action d'un ressort équi- libreur 8, dont la tension est réglée, une fois pour toutes, par une vis 9, recouverte d'un capot plombé et, d'autre part, à la pression finale du gaz dans la chambre 10, le gaz dé tendu à la pression réglée par la vis 9 sor tant par la conduite 11.
La construction de ces détendeurs, dans lesquels une manette de réglage remplace la vis sous capot plombé 9, étant bien connue, il paraît inutile d'en donner une description plus complète. Or, les détendeurs à double détente de ce type, connus jusqu'à ce jour, ont principalement pour objet de fournir à un opérateur, travaillant avec un gaz à dé bit constant, une pression d'emploi réglable, ne subissant pas de variations, pendant que la pression dans la bouteille tombe de <B>150</B> kg/cm2 au voisinage de la pression d'em ploi.
Ce résultat, a été généralement obtenu par le montage en série d'un petit détendeur haute pression, assurant une première dé tente à environ 40 kg/cm2 et d'un détendeur basse pression, phis grand, assurant une seconde détente à la pression d'emploi.
On ne s'est pas préoccupé d'adapter un appareil de ce genre au réglage d'une pression qui ne va rierait avec le débit que dans une mesure très faible, puisque le but de ces appareils était de donner une pression stable, mais réglable, afin d'assurer sans troubles l'alimentation des chalumeaux connus, qui exigent, avec une buse donnée et à fortiori avec des buses dif férentes, des pressions différentes suivant l'épaisseur des matériaux à couper ou la sou dure à réaliser.
Au contraire, lorsqu'il s'ait d'obtenir un débit variable à pression constante dans -Lui détendeur à. double détente; il est nécessaire que l'obturateur 6 du détendeur basse pres sion soit assez largement dimensionné pour permettre moyennant un très faible déplace ment correspondant à, des variations de pres sion minimes, le passage d'un débit impor tant.
Si dans un détendeur classique, on se contente d'augmenter dans ce but le diamètre du siège de l'obturateur basse pression, on peut obtenir une pression relativement stable malgré les variations de débit, mais cet appa reil est très sensible aux variations de la pression intermédiaire dans la chambre 5, qui se produisent à partir du moment où la pression de la bouteille tombe au-dessous de cette pression intermédiaire de réglage.
En effet, si l'on appelle S la surface active de la membrane 7, et s la. surface offerte par l'ob turateur 6 à la différence de pression entre la pression intermédiaire pi dans la chambre 5, et la pression p2 dans la chambre 10, la relation entre les sections S et s et les varia tions de pression<B>-1p,</B><I>et</I> _11-m s'établit ainsi:
EMI0002.0011
_1h1><B>'</B> <SEP> s-,pû <SEP> ..S
<tb> soit- <SEP> encore:
<tb> @h$=
<tb> S Pour obtenir une détente basse pression qui permette des variations de débit. de 500 à 20 000 1/h par exemple, correspondant à l'alimentation de chalumeaux coupeurs tra vaillant sur des épaisseurs variant de 2 à 250 mm, débitant de l'oxygène à une pression relative de<B>0,3</B> à. 0,4 kg/em2 avec une varia tion de 30 g/em , l'expérience démontre que la section s doit. avoir un diamètre d'au moins 5 mm.
La surface active S, limitée par l'encombrement habituel de ces appareils est de l'ordre de 30 em . On constate alois qu'un appareil classique, dans lequel on por terait à 5 mm le diamètre du siège de son obturateur haute pression, pour une pression pl variant entre 40 et. 3 kg/em2 donnerait une variation de pression d'emploi<B>A p2</B> de:
EMI0002.0022
Une telle variation de pression pendant l'épuisement d'une bouteille d'oxygène serait inacceptable lorsqu'il s'a-it d'alimenter des chalumeaux à pression constante.
Au con traire, en combinant cette modification du second étage de détente avec un réglage fixe de la pression pl limitée à. 4 hg/cm2 par exemple (au lieu de 40), et considérant que la pression d'épuisement de la. bouteille sera toujours de 3 kg/cm2 (elle sera en réalité su périeure quand on travaillera à, fort débit), la variation de pression d'utilisation<B>A p2</B> ne sera plus que de
EMI0002.0027
Une variation de cet ordre, pour uni cha lumeau alimenté par des bouteilles indivi duelles,
est très inférieure à l'erreur moyenne des lectures de pression que commet- trait un opérateur conscencieux et parfaite ment documenté sur la meilleure pression d'emploi d'un chalumeau classique. Un dé tendeur double ainsi modifié est donc en me sure, sans aucune complication constructive, d'être utilisé comme régulateur d'oxygène individuel, destiné à alimenter indistincte ment un chalumeau coupeur pour toutes épaisseurs jusqu'à 250 mm ou un chalumeau soudeur pour toutes épaisseurs, sans aucun réglage ni aucune intervention de l'opéra teur,
en donnant automatiquement une pres sion relative de 300 g/em2 par exemple avec une variation de 30 g/em2. L'appareil se trouve même simplifié grâce à la suppres sion du manomètre basse pression et de l'or gane de réglage.
En définitive, le résultat désiré peut être obtenu dans le cas d'un chalumeau à alimen tation individuelle à l'aide d'un manodéten- cleur à, double détente, dans lequel la varia tion de pression 4p2 à la sortie en fonction d'une chute de pression d'une bouteille de gaz comprimé de 150 kg/cm2 à (p2 -I- 3) kg/cmr', et. en fonction d'une variation de dé bit de 500 à 20 000 1/h, est inférieure à 0,15 p2, ce qui, pour la sections de l'obtu rateur du second étage de détente impose la condition suivante:
EMI0003.0012
Un poste individuel de soudage et de cou page alimenté en oxygène par un appareil automatique de ce type a tout avantage à être équipé avec un régulateur de gaz com bustible ayant des caractéristiques analogues. Pour le gaz combustible, le problème est plus facile à résoudre, car les variations de pres sions d'amont sont toujours beaucoup plus faibles, et quelquefois nulles: les gaz liqué fiés, propane, butane, par exemple, ont des pressions à peu près constantes;
les varia tions de pression de l'acétylène en bouteilles sont dix fois plus faibles que celles de l'oxy- (,ène, et celles de l'acétylène produit par un générateur à carbure sont inférieures à 0,5 kg/cm2. Un régulateur quelconque bien construit, interposé sur le circuit de gaz combustible assure donc, avec ou sans ré glage fixe, un fonctionnement satisfaisant comparable à celui du manodétendeur d'oxy gène à double détente décrit ci-dessus.
Pour l'alimentation en oxygène à pres sion constante au moyen d'une centrale dis tributrice, on peut utiliser avantageusement une disposition connue qui permet de suppri mer tout réglage individuel de la pression par l'opérateur, grâce à des organes de ré glage centralisés atteignant une précision suf fisante pour permettre toutes les variations de débit qu'exigent les différents modèles de chalumeaux soudeurs ou coupeurs, et pour assurer l'extinction ou l'allumage simultanés de plusieurs d'entre eux sans perturber ceux qui restent en fonction.
Dans les installations décrites ci-après, on a supprimé les organes de protection de chaque poste de soudure ou d'oxycoupage contre le retour de l'un quelconque des gaz dans le circuit de l'autre, en supprimant la cause même de tels retours; ces installations ont en outre été perfectionnées dans le but soit de réduire la section des canalisations de distribution, soit de simplifier les organes de distribution des gaz à chaque poste d'emploi.
La fig. 2 montre un poste central de ré glage des pressions d'oxygène et de gaz com bustible (acétylène par exemple) destiné à réaliser le réglage des pressions des deux gaz tout en subordonnant le débit de chacun des deux gaz à celui de l'autre, de telle sorte qu'en cas d'arrêt accidentel du générateur d'acétylène alimentant une usine, par exem ple, un retour d'oxygène dans la canalisation d'acétylène soit impossible, même en cas de mise en communication de celle-ci avec la canalisation d'oxygène, ou vice versa. Cette disposition rend superflus les organes anti- retour individuels dont tout poste individuel de soudure ou d'oxycoupage, desservi par canalisations, devait jusqu'à ce jour être pourvu.
Le poste central de réglage représenté à la fig. 2 comprend deux régulateurs à mem brane 12 et 13, dans lesquels les gaz, arri- vaut par une tubulure 14 (fig. 3) franchis sent un obturateur 15 solidaire de la mem brane par une tige 16 articulée sur un levier 17 ayant un doigt 18 s'appuyant sur l'une des faces d'une membrane compensatrice 19, dont la face opposée est soumise à la pres sion d'amont grâce à un conduit 20 en com munication avec la tubulure 14. La mem brane principale, décrite ci-après, est sou mise sur sa face supérieure à la. pression cons tante d'un fluide contenu dans une cham bre 21. Le gaz, détendu dans la chambre 22 à. une pression déterminée par celle régnant dans la chambre 21, s'échappe par une tubu lure 23.
L'influence des variations de la pression d'amont sur l'obturateur 15 est com pensée par celle de la membrane auxiliaire 19.
Les régulateurs 12, 13 se distinguent toutefois des régulateurs connus, par le fait qu'ils possèdent chacun une double mem brane 24, 25, l'espace intermédiaire 26 com muniquant avec l'atmosphère par un ou plusieurs orifices 26a afin d'éviter, en cas de fuite accidentelle aux membranes, le mélange des gaz contenus en 22 et 21. Le régulateur 12 est interposé sur la canalisation d'acéty lène 27 et le régulateur 13 sur la canalisation d'oxygène 28.
En amont de chacun de ces appareils sont disposés un filtre 29, 30, per mettant de retenir les saletés, poussières, ete., qui pourraient être mélangées nu gaz, et un robinet 31, 32 servant à isoler chacune des canalisations. Celles-ci sont reliées à, des sources quelconques d'oxygène et de gaz combustible associées à des détendeurs quel conques. Une dérivation d'oxygène 33, pré levée en amont du régulateur 13, comme in diqué par les flèches, amène de l'oxygène à un petit régulateur pilote 34.
On pourrait aussi bien prévoir une dérivation d'acétylène, prélevée en amont du régulateur 12, et tout le système décrit ci-après serait, inversé, c'est- à-dire que l'acétylène jouerait le rôle de l'oxygène dans le système pilote . Le régu lateur pilote (fig. 4) est un régulateur de pression comprenant une membrane 35, sou mise à l'action d'un ressort réglable 36 et çommandant un obturateur 37, dont la mis- lion est de maintenir dans la canalisation d'aval 38 une pression constante (sauf varia tion volontaire, comme expliqué plus loin).
Pour assurer la précision et la sensibilité du réglage, une fuite permanente très faible, de 20 1/h par exemple, s'opère par un petit trou pratiqué dans la canalisation aval 38. Celle-ci alimente par des raccords 39 et 39a deux autres régulateurs 40 et 41 à la pres sion de réglage assurée par le régulateur 34.
Ces deux régulateurs 40 et 41 (fig. 5) sont du même ty pe que le régulateur 34, mais le ressort réglable est supprimé et la mem brane 35 est remplacée par une double mem brane 42, 43 dont l'espace intermédiaire 44 est mis en communication avec l'atmosphère par un ou plusieurs orifices 44u et qui est soumise sur l'une de ses faces à la pression régnant dans une chambre 45, dans laquelle agit la pression du gaz venant. chi raccord 39.
La membrane du régulateur 40 pourrait être simple, car ses deux faces sont, en con tact avec de l'oxygène, mais, pour respecter la similitude de ses comportements avec ceux de la membrane du régulateur 41, il est pré férable de construire les deux régulateurs de la. même manière. La tubulure d'amont 46 du régulateur 40 est branchée par le raccord 47 et le tuyau 33 sur l'arrivée d'oxygène du régulateur 13. L'amont. du régulateur 41 est branché par le tuyau 48 sur l'amont du régu lateur d'acétylène. La tubulure d'aval 49 du régulateur 40 est reliée à la chambre 21 du régulateur d'acétylène 12 et la tubulure d'aval 50 du régulateur 41 est reliée à, la chambre 21. du régulateur d'oxygène 13.
Ainsi, par l'excitation commune constituée par la pression d'oxygène, contrôlée par le régulateur pilote 34, régnant dans la con duite 38, les régulateurs 40 et 41 envoient de l'oxygène à pression constante dans la cham bre de réglage 21. du régulateur d'acétylène 12, et de l'acétylène à pression constante dans la chambre de réglage 21 du régulateur d'oxygène 13.
Chacun des deux petits régulateurs 40 et 41 débite également, pour que la pression de réglage qu'il. assure soit régulière et cons- tante, par une fuite volontaire très faible de 20 1/1r par exemple disposée sur leur cir- euit aval.
Le fonctionnement de cette installation est. le suivant: Le régulateur d'acétylène 12, excité par la pression d'oxygène constante régnant sur sa double membrane 24, 25, distribue dans son circuit aval 51 de l'acétylène à pression rigoureusement constante. De même, le régu lateur d'oxygène 13, dont la double mem brane 24, 25 est soumise à une contre-pres- sion constante d'acétylène, distribue dans son circuit aval 52 de l'oxygène à, pression cons tante dans les mêmes conditions de précision.
En cas de défaillance de la source d'oxygène, le régulateur pilote 34 n'est plus alimenté; les régulateurs 40 et 41 n'étant plus excités, l'excitation des deux régulateurs 12 et 13 disparaît en même temps, et la pression tombe dans les deux canalisations 51 et 52 en même temps, rendant impossible tout retour acci dentel de l'un des deux gaz dans la canali sation de l'autre. En cas de défaillance de la source d'acétylène, c'est le régulateur 41 qui cesse d'être alimenté; le régulateur principal d'oxygène 13 n'étant plus excité, la pression d'oxygène tombe dans la canalisation 52 en même temps que celle de l'acétylène tombe dans la canalisation 51.
Le montage ci-dessus représenté pourrait être simplifié en supprimant le régulateur 40 et en excitant directement le régulateur prin cipal d'acétylène 12 au moyen du régulateur pilote 34, mais on risquerait alors de produire un déséquilibre dans le fonctionnement dû au manque de symétrie des organes de réglage <B>-</B> chacune des canalisations. D'autre part, <B>s</B> sui il est recommandable pour l'alimentation des flammes de chalumeaux, notamment dans le cas d'emploi d'acétylène, d'assurer une légère prépondérance de la pression de l'acétylène sur celle de l'oxygène.
Des essais de chalu- rrieaux d'oxycoupage par exemple ont mon tré que de bons résultats sont obtenus avec les pressions absolues suivantes: oxygène 1,3 kg:/cm2, acétylène 1,35 kg/cm2. Cette dif férence peut être aisément obtenue en modi- fiant le rapport entre les surfaces des soit des régulateurs 12 et 13, soit des régulateurs 40 et 41, soit ces deux rapports simultanément.
Ce dispositif peut être avantageusement perfectionné en vue d'obtenir une variation de pression dans les canalisations 51 et 52 de l'ordre de grandeur des pertes de charge dans ces canalisations, mais en sens inverse, afin de tendre à les annuler. Les pressions de détente ou de réglage des appareils con nus diminuent lors des augmentations de dé bit, et ces variations s'ajoutent à celles que provoquent les pertes de charge en canali sation. Le dispositif décrit ci-après permet au contraire d'établir une pression qui, par exemple, serait de 1,3 kg/cm2 absolue pour un débit de 50 1/h et de 1,32 kg/cm2 pour un débit de 20 000 1/h.
On remarquera qu'en amont du régulateur pilote 34, la pression dans la canalisation d'oxygène 28, reliée à la sortie d'un détendeur classique, subira la chute habituelle qui accompagne toute aug mentation de débit. Si donc on utilise un régulateur pilote 34 dans lequel (comme re présenté à la fig. 4) le clapet-obturateur 37 est situé en amont de son siège (au lieu d'être en aval) on peut, en augmentant la surface du siège de l'obturateur 37, faire en sorte que la pression aval dans la tubulure 38 soit d'autant plus forte que la pression amont (pression d'oxygène dans le tuyau 33 ou 28) est plus faible.
Si: <I>d p</I> est la variation de la pression amont en 28 ou 33, dpl la variation de pression en aval en 38, s la surface du siège de l'obturateur 37 du régulateur 34 et S la surface active de la membrane 35 du régulateur 34,
EMI0005.0030
Pour une variation de débit de 500 à 20 000 1/h par exemple, à une pression de réglage initiale de 2 kg/em2, la variation de pression d'un détendeur classique est de l'ordre de 0,3 kg/cm2. Si l'on admet une sur face active de membrane de 15 cm2 et si l'on veut obtenir une variation de pression de 0,01 kg/cm2 dans la canalisation d'aval 38, la section s du siège de l'obturateur 37 devra être:
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soit pour la section s du siège de l'obtu rateur, un diamètre de 8 mm.
Ainsi, .en utilisant un poste central de réglage des pressions comme décrit ci-dessus et des canalisations distributrices étudiées pour limiter les pertes de charges aux diffé rents débits à un chiffre très faible (0,01 kg/cm2 par exemple pour une distri bution à la pression absolue de 1,3 kg/cin2 ou d'une faon plus générale, à un chiffre n'excédant pas 10% de la pression relative distribuée), on voit qu'il est possible d'assu rer un fonctionnement des chalumeaux qui est insensible aux fluctuations de débit des gaz, sans aucun risque de retour de l'un des gaz dans la canalisation de l'autre gaz, et qu'il suffit, pour brancher les tuyaux de caoutchouc alimentant les chalumeaux, de munir les canalisations, aux postes d'emploi,
de robinets à large section, munis d'olives sur lesquelles se branchent lesdits tuyaux.
Cette disposition permet ainsi de sup primer non seulement les organes de ré glage individuels, mais encore les appareils antiretour destinés à la sécurité de chaque poste.
Selon une variante, il est possible de mo difier la centrale précédente soit en vue d'utiliser des canalisations déjà existantes et non conformes aux exigences d'une distribu tion à réglage centralisé en ce qui concerne les pertes de charge, soit, en cas d'installation nouvelle, en vue d'économiser les frais d'une longue canalisation sans perte de charge, soit en vue de permettre une augmentation ultérieure des débits, imprévisible au mo ment de l'étude de la canalisation.
A cet effet, les deux régulateurs een- traux 12 et 13 sont supprimés, et une déri vation 53 branchée sur l'une des canalisa tions, de préférence la canalisation d'acéty lène 54, alimente un régulateur pilote 55 analogue au régulateur pilote 34. Ce régu lateur pilote 55 excite un régulateur 56, ana logue au régulateur 41, c'est-à-dire que l'acé tylène, dont la pression est réglée à une va leur constante par le régulateur pilote 55, est amenée par un tuyau 57 à. la chambre 45 du régulateur 46.
Celui-ci est alimenté par une dérivation 58, branchée sur la-canalisa- tion d'oxygène 59, et assure dans un tube pilote 60 une pression constante, tributaire du comportement du régulateur pilote 55. Ce régulateur pilote 55 n'ayant pas à com penser de pertes de charge, la section s de son siège d'obturateur doit être réduite au minimum afin de le rendre insensible aux variations de pression dans la canalisa tion 54.
Le petit tube pilote 60, de faible section (4 à 5 mm par exemple), installé le long des canalisations d'oxygène 59 et d'acétylène 54 dans l'usine (fig. 7), a pour mission d'ap porter à chaque poste d'utilisation une pres sion constante et indéréglable. Cette pres sion excite à chaque poste Lui régulateur compound destiné à, fournir automatique ment à chaque opérateur, sans aucun con trôle ni intervention de sa part, les pressions qui lui sont nécessaires. Ce régulateur com- pound comprend une chambre centrale étanche 69 dans laquelle débouche le tube pilote 60.
La pression régnant dans cette chambre agit sur deux membranes doubles 70 et 71, dont l'espace intermédiaire est mis en communication avec l'atmosphère par des orifices 72 et 73 et elle agit de ce fait sur les obturateurs de réglage 61 et 62 qui sont attelés à, ces membranes. Cet appareil peut être complété par deux vannes d'entrée 74 et 75, destinées à assurer leur isolement en cas de visite; et les tuyaux de caoutchouc ali mentant les chalumeaux peuvent être directe ment branchés sur les raccords de sortie 76 et 77.
Pour obtenir une différence de pression sur l'un des deux circuits, par exemple, une pression pour l'acétylène de 0,05 kg/cm' plus élevée que celle de l'oxygène, il suffit de faire varier en conséquence le rapport des surfaces des membranes de l'un des deux jeux, comme représenté.
On voit que ce régulateur compound assure les avantages de la centrale de la fig. 2, en tant que précision et constance du réglage de la pression, et garantit contre les déficiences de l'une des deux sources de gaz, puisque le circuit piloté ne peut être sous pression qu'à condition que les deux circuits soient eux-mêmes sous pression. Enfin, on comprend également que la perte de charge entre les sources d'oxygène et d'acétylène et l'entrée du régulateur compound n'a aucune influence sur les pressions d'alimentation des chalumeaux.
On notera que, dans les divers régulateurs des fig. 4, 5 et 7 (voir en particulier fig. 4;, la liaison entre la membrane et l'obturateur qu'elle commande est réalisée comme suit: la membrane est solidaire d'un bloc 78 à alé sage intérieur conique, dans lequel un man drin 79, percé d'un trou borgne, enserre comme une pince une tige en corde à piano 80 traversant axialement le bloc.
Les angle d'ouverture des cônes mâle et femelle sont tels que le serrage du mandrin provoque sa contraction et en même temps un matage du métal du mandrin, assurant l'étanchéïté. La corde à piano 80 est bloquée de la même fa çon dans l'obturateur 37, grâce au man drin 81.