COMPOSANTS PRINCIPAUX


Table des matières

Livre d'or

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Ils constituent ce que l'on appelle des soupapes. Ils sont destinés à permettre ou à interrompre, à la demande, le passage de l'air (Voir figure 1). En cas d'usure, le siège et le clapet sont souvent démontables .

Par définition, le siège est la partie fixe, le clapet la partie mobile.

Pour les anglo-saxons, le siège est la partie souple quelle soit fixe ou mobile. Lorsque le clapet se trouve, par rapport au siège, du côté de la pression la plus élevée (P1 dans la figure 1), celle-ci à tendance à le fermer avec une force :

(F = P x Sc) où Sc est la surface du clapet

En principe, il n'y a donc pas besoin de ressort de rappel. Toutefois, cette force diminue en même temps que la pression d'alimentation et un ressort de rappel peut devenir nécessaire au moins pour vaincre les frottements.

En raison de sa position ce type de clapet est appelé "Clapet amont" (figure 1a).

Lorsque le clapet se trouve du côté opposé à la pression la plus élevée celle-ci a tendance à l'ouvrir et un ressort de maintient est alors indispensable : Ce type de clapet est appelé "Clapet aval" (voir figure 1b).

Le siège et le clapet sont en général en acier inoxydable. Le contact métal contre métal est difficilement étanche c'est pourquoi le clapet ou le siège porte une pastille de matériau semi-souple (téflon, nylon, parfois néoprène) destiné à absorber les imperfections de parallélisme ou d'usinage. Cette pastille prend parfois la forme d'un joint torique qui au-delà d'une certaine pression se déforme, laisse passer l'air, jouant ainsi le rôle d'une soupape de sûreté (voir figure 1c).

Fig.1 Différents types de clapets



Il existe trois types principaux de clapets :

Le clapet simple

L'air passe à travers le siège lorsque le clapet s'en écarte. Le clapet peut être plat, hémisphérique ou sphérique. (Voir la figure 1a et 1d)

Le clapet-piston

L'air passe à travers le siège et le clapet. Il nécessite un joint d'étanchéité (Voir figure 1e).

La buse mobile

L'air passe à travers le clapet lorsque celui-ci s'écarte de son siège. Il nécessite aussi un joint d'étanchéité (Voir figure 1c). Nous verrons plus loin que ce type de clapet est "compensé".

Cas du clapet simple : Pour qu'il n'y ait pas de fuite, lorsque la soupape est fermée, il faut que la pression exercée, par le clapet sur son siège, soit supérieure à celle de l'air à retenir ( Voir Fig. 2).

C'est la raison pour laquelle, le siège présente une lèvre amincie de façon qu'une faible force suffise à provoquer une forte pression (P = F/S). Plus la lèvre est fine plus la pression sera forte. Il y a cependant certaine limites à cette finesse en raison de la nécessaire résistance à l'usure. On trouve même des clapets en rubis. C' est un matériau très durs et inusable.

Exemple : Un siège à un diamètre moyen D = 0,5cm et une lèvre de largeur l = 0,01cm.

La surface de la lèvre est donc :

S » p x D x l = p x 0,5 x 0,01 = 0,0157cm²

Pour résister à une pression de 10 bars, il suffira d'une force de :

F » P x S = 10 x 0,0157 = 0,157 déca N

Mais il faut tenir compte de la pression et de la force du ressort exercée sur le clapet

1) Clapet aval : la pression exercée sur celui-ci entraîne une force d'ouverture

F = P x S

F = 10 x ? D² / 4 = 1,96 déca N

Ou ? D²/4 = surface du clapet

Le ressort de fermeture devra donc avoir une force de :

Fr = 0,157 + 1,963 = 2,12 décaN

Force nécessaire pour que le clapet empêche l'air de passer en présence de la pression P.

Lorsque la bouteille est fermée, la force du ressort s'exerce seule et en conséquence la pression sur le siège est :

P = F/S = 2,1200/0,0157 = 135 bars

Cette pression entre pièces mécaniques ne manque pas de marquer le siège et à la longue, de l'endommager. En particulier, lorsqu'un jeu latéral existe entre le clapet et le siège, la pression exercée sur ce dernier risque d'y provoquer des empreintes circulaires sécantes qui seront la source de fuites. (Voir page sur la maintenance)

2) Clapet Amont ; la force nécessaire à l'ouverture du clapet devient :

10 x p D²/4 = 1,96 décaN

La force du ressort de rappel peut être négligée. La pression mécanique sur le siège en présence de la pression de l'air est donc :

P = F/S = 1,9600/0,0157 = 125 bars

Par contre, en absence de pression elle devient négligeable.

Remarques : Si l'on inverse les pressions, un clapet amont devient un clapet aval et vice et versa.


Fig. 2 Pression entre siège et clapet

Sur la figure 4, la pression P1 est la pression atmosphérique et P1< P2< P3. On voit qu'avec l'augmentation de la pression de l'air en amont, la partie souple du clapet est repoussée de plus en plus jusqu'à ce que l'air finisse par passer. Dans les cas extrêmes la partie souple peut se déchirer et provoquer une fuite permanente.

Les ressorts sont des systèmes élastiques qui, lorsqu'ils sont sollicités fournissent une force proportionnelle à l'écrasement ou à l'extension qu'on leur fait subir. Ils sont souvent réalisés en acier inoxydable. Dans les détendeurs, on utilise surtout des ressorts de compression, en hélice cylindrique, dits "Ressorts à boudins".




Fig. 3  Ressorts


Un ressort est caractérisé par la force qu'il produit pour une variation de longueur ΔL donnée F = K x ΔL (Prononcer delta L).

K est appelé la raideur du ressort.

K = F / ΔL

Dans les détendeurs cette force varie peu, car les déplacements Δ L sont faibles devant la longueur du ressort.

La force fournie par certains ressorts est parfois réglable à l'aide d'une vis de compression.

Un ressort taré est un ressort qui, comprimé d'une longueur précise, produit une force bien définie. Un ressort de rappel est un ressort qui après un mouvement ramène une pièce dans sa position initiale.

La représentation fidèle d'un ressort par un dessin n'est pas facile aussi nous vous donnons (figure 3) deux représentations schématiques (On peut dans certains cas, pour alléger le dessin, supprimer les traits entre les cercles ou les points).

Nous suggérons d'utiliser la figure 3a pour les ressorts de force importante et celle de la figure 3b pour ceux de force plus faible.

(Voir figures 4 et 5)

Ce sont des capteurs de différences de pression, ils fournissent une force F = ΔP x S ou ΔP est la différence de pression qui règne de part et d'autre, S étant la surface.

Ils sont constitués d'une partie rigide qui sert d'appui à un levier ou à un pointeau et pour l'étanchéité, d'une partie souple (pas nécessairement élastique) pour les membranes, d'un joint élastique pour les pistons.

Le rendement est à la fois fonction de la forme et des matériaux utilisés. Lorsque les différences de pression sont très faibles les membranes, qui ont de faibles frottements, sont mieux adaptées. Elles peuvent être considérées comme une succession de surfaces annulaires concentriques agissant toutes sur le levier (Voir figure 4c où toutes les surfaces horizontales participent à la force fournie).

Par contre lorsque les pressions mises en jeu sont importantes les frottements peuvent être négligés, il est alors possible d'utiliser des pistons équipés de joints d'étanchéité. (Voir figure 5d)

Les parties rigides des membranes ou des pistons sont réalisées en matière plastique ou en métal. Les parties souples et les joints sont réalisés en néoprène ou en silicone.


Fig. 4 Membrane d'inspiration

Pointeaux et leviers

(Voir figure 5)

Ce sont les éléments du mécanisme qui transmettent les mouvements de la membrane au clapet. Les pointeaux sont parfois intégrés aux clapets ou aux pistons.

Parfois les 3 parties constituent une seule pièce. Il ne faut cependant pas la confondre avec le clapet piston de la figure 1e.

Les leviers assurent une multiplication de la force fournie par la membrane en contrepartie d'une démultiplication de l'amplitude. Ils assurent parfois le changement de direction nécessaire à la commande du clapet.

Pointeaux et leviers sont soumis à des frottements qui réduisent le rendement du mécanisme, il n'est toutefois pas recommandé d'utiliser certaines graisses qui risquent de retenir des corps étrangers et de bloquer le fonctionnement.

Le jeu entre la membrane et le clapet doit être aussi faible que possible pour éviter de limiter l'ouverture du clapet donc l'arrivée de l'air. Par contre il doit être suffisant pour assurer un fonctionnement correct et éviter un débit continu du détendeur. Pour cette raison, nous verrons qu'un réglage du jeu est souvent prévu soit par un système à vis et écrou, soit par torsion des leviers.


Fig. 5 Pointeaux et leviers

Ils sont en général constitués par des membranes de néoprène ou de silicone fonctionnant, sous l'effet de la pression, comme des valves de non-retour. Ceci permet de laisser facilement l'air s'échapper vers l'extérieur à l'expiration et d’empêcher l'eau de pénétrer dans la chambre sèche lors de l'inspiration.

Les premiers systèmes réalisés étaient constitués de tuyaux très souples et aplatis appelés "Becs de canards" (Fig. 6a)

Aujourd'hui ils sont plus fréquemment réalisés sous forme de membranes circulaires ou ovales faisant office de clapets souples (Fig. 6b) ; Certains sont à double fonction, inspiration et expiration (Fig. 6c) parfois concentriques. (détendeurs Poséidon fig. 6d)




Fig. 6 Systèmes d'expiration



Remarques :

Plus la surface de ces membranes est grande, plus l'effort nécessaire à l'expiration est faible, mais plus le risque d'entrée d’eau est grand.

Pour un plongeur debout le système d'expiration doit si possible se trouver placé au bas de la chambre sèche, le système d'inspiration étant vers le haut. De cette façon, si une petite quantité d’eau pénètre dans le détendeur elle n'est pas immédiatement inspirée par le plongeur, mais éliminée à l'expiration suivante. Ceci explique que le plongeur absorbe plus facilement de l'eau lorsqu'il descend tête en bas. (Voir la maintenance et les symptômes de pannes)

On notera aussi que la pression exercée sur cette membrane dépend de la position du plongeur : Tête en haut, en bas, nage horizontale sur le ventre ou sur le dos. Les fabricants sont obligés d'en tenir compte car cela agit sur l'étanchéité à l'inspiration et sur le travail expiratoire. (Voir la page Performances/Influence de la position)

Il existe un grand nombre de type de joints d'étanchéité. Dans les détendeurs, le plus utilisé, pour ne pas dire le seul, est le joint torique.

Un joint torique, figure 7, est un joint de section ronde souvent en forme d'anneau mais qui peut être utilisé en forme rectangulaire. Il peut être réalisé en élastomère : Néoprène, éthylène propylène à faible coefficient de frottement, silicone, viton ou en hypertane pour les fortes pressions. Il est caractérisé par sa dureté qui dépend de son utilisation, basse ou haute pression (Joint série I ou série R) ainsi que sa tenue au froid. Pour exemple, le néoprène durcit au froid, le silicone y résiste beaucoup mieux.

Fig. 7 Joint torique

Brevet N°2.180795 délivré à Niels Christensen le 21 novembre 1939. Voir l'article publié par Philippe Rousseau dans le magazine Octopus N°101,juillet-Août 2016.

Fonctionnement :

Celui-ci mérite d'être étudié ; reportons-nous pour cela aux figures 8 a et b :

Fig. 8 Joints d'étanchéité



Lorsque le joint se trouve dans son logement, sans pression, il occupe une place telle qu'il vient s'appuyer sur les faces de son logement.

Lorsqu'on applique la pression, le joint a tendance à fluer, on dit aussi qu'il "s'extrude" cela signifie qu'il est poussé vers tous les interstices en aval de la pression appliquée de telle façon qu'il vient colmater toutes les fuites. S'il est trop souple ou que le jeu est trop important, le joint s'introduit dans les interstices et risque de se déchirer. S'il est trop dur il ne peut se déformer suffisamment pour boucher les fuites.

Pour éviter le fluage, il est possible d'utiliser une bague anti extrusion, voir le détail de la figure 8, cette bague en matière de dureté moyenne est introduite à force dans le logement du joint. Ceci permet d'utiliser des joints de dureté plus faible sans risque d'extrusion.

Comme nous pouvons le voir, il existe plusieurs montages d'utilisation des joints toriques, de plus, ceux-ci peuvent fonctionner entre des pièces statiques ou en mouvement.

Les joints eux-mêmes ainsi que les surfaces sur lesquelles ils s'appliquent doivent avoir un état de surface aussi parfait que possible pour permettre leurs mouvements sous l'effet de la pression. Mais cela ne suffit pas ; ils nécessitent aussi une lubrification

Lubrification des joints toriques

Le coefficient de frottement est plus élevé lorsqu'un joint se meut sur une surface métallique sèche que lorsqu'il se meut sur un film d'huile. Au repos, même après un temps très court, le joint torique par suite de la pression qu'il exerce sur les surfaces d'étanchéité, a tendance à rompre le film d'huile provoquant ainsi une friction à sec.

Heureusement lorsqu'on applique la pression, ou au début d'un mouvement, le joint roule sur lui-même et permet la formation d'un film d'huile entre le caoutchouc et la surface du métal, le roulement se transforme alors en glissement. Sans lubrifiant et sans ce mouvement de roulement, l'étanchéité à la mise sous pression serait mauvaise et la résistance de frottement serait plus élevée.

On veillera donc à bien lubrifier les joints toriques. Il faut tout de même prendre garde à ne mettre que la quantité de lubrifiant juste nécessaire pour ne pas attirer les impuretés lors de la mise en place.

Les meilleures huiles sont celles au silicone car elles sont neutres et n'attaquent généralement pas les matières dans lesquelles sont fabriqués les différents types de joints, sauf les silicones eux même. Il y a donc lieu de consulter le fabricant lorsqu'il y a doute. Il existe des graisses spéciales au silicone avec de la silice en suspension colloïdale.

Les joints ont une dureté adaptée à leur fonction. Les dimensions de leur logement sont très précises.

Ils ont une durée de vie limitée car la matière perd de sa souplesse sous l'effet de la température, de la chaleur et du temps.

Ceux qui sont soumis à des frottements finissent par s'user. Certains se désagrègent sous l'effet des hydrocarbures.

D'une façon générale il y a lieu, lors du remplacement, de suivre les recommandations du fabricant.

Les équipements à oxygène pur ou enrichi ne doivent pas être lubrifiés avec des graisses ordinaires car il y a risque d'inflammation et même d'explosion.

Pour les hautes pressions, les boîtiers sont le plus souvent réalisés, en bronze matricé ou forgé, en laiton ou en acier inoxydable usiné. Ils sont parfois en titane, très résistant à la corrosion, très solide et très léger mais très couteux. Les fabricants utilisent parfois de l'aluminium ou du magnésium.

Il faut tout de même faire attention car ces matériaux ne sont pas toujours compatibles avec les graisses et les mélanges enrichis en oxygène. Certains comme le titane et l'aluminium n'aiment pas être démontés fréquemment car ils se grippent facilement. Ceci gêne les opérations de maintenance trop fréquentes.

Pour les basses pressions, ils étaient souvent en laiton embouti, mais de plus en plus, on les trouve en plastique armé (composite, polyamide renforcé graphite et fibre de verre) teinté dans la masse. Ces matériaux sont plus légers et absorbent mieux les chocs. Par contre ils n'évacuent pas les frigories à basse température et présentent donc davantage de risque de givrage pour le mécanisme interne. Ils sont aussi anallergique.

        Les embouts

Dans le passé, ils étaient exclusivement réalisés en néoprène. Aujourd'hui, ils sont en silicone plus souple et plus résistants, noirs ou translucides. Leur forme est étudiée par des spécialistes pour éviter gêne et irritation. Pour les enfants surtout, pour éviter de déformer leur dentition, ils doivent être orthodontiques, s'appuyant sur le palais ou occlusaux, s'appuyant sur le maximum de dents.

On trouve aussi des embouts thermo-formables. Après les avoir ramolli dans de l'eau chaude, l'utilisateur y imprime l'empreinte de ses mâchoires. Ce type peut poser un problème lors d'échange d'embout.

On trouve sur les détendeurs, des tuyaux moyenne et haute pression. Ils utilisent de plus en plus le kevlar qui est un matériau très résistant. La dernière couche est volontairement munie de micro trous de façon à éviter les hernies en cas de fuite des couches inférieures.

Les tuyaux doivent, selon la norme en vigueur, supporter une pression d'au moins 4 fois la pression de service. Au contact de l'eau ambiante, ils participent au réchauffement du mélange qui les traversent. Pour l'alimentation des seconds étages, ils mesurent en standard 80cm de longueur. Les tuyaux des détendeurs de secours ont des longueurs de 100cm tandis que les narguilés peuvent en avoir de beaucoup plus longs.

Un type de tuyau fabriqué par la société anglaise Myflex et apparu en 2008. Ce tuyau très souple évite les contraintes sur la bouche des plongeurs et permet un rangement plus facile dans les sacs des plongeurs. Il se compose de 3 couches, en polyuréthane pour l'étanchéité, en polyester pour résister à la pression. L'extérieur est recouvert d'une tresse en polyamide pour résister aux agressions du milieu. Il se décline en plusieurs couleurs : Noir, bleu, jaune fluo.

En 2014, on attend toujours un modèle haute Pression.

       Les manchons de protection

Ces accessoires destinés à protéger les sertissages des raccords contre les pliages excessifs des tuyaux ont cependant l'inconvénient d'accumuler sel et impuretés et de masquer les défauts éventuels des raccords sertis. Pour cette raison certains plongeurs préfèrent s'en passer.

Ils utilisent de plus en plus un nouveau matériau le kevlar qui est très résistant. Leur diamètre à augmenté ce qui augmente leur capacité de débit mais diminue leur flexibilité.

Il existe deux systèmes principaux de fixation sur la robinetterie de bouteille :

a) Le système à étrier : (Voir figure 9) C'est le plus utilisé en France. Il en existe deux modèles : le plus récent est plus large et plus solide il se monte sur toutes les bouteilles. Le plus ancien, plus étroit, ne se monte que sur les anciens modèles de bouteilles. On constate parfois des incompatibilités entre détendeurs d'une marque et bouteilles d'une autre, par exemple une vis de fixation trop courte.

Associés à ces étriers il existe deux types de sièges ou "opercule" : L'un de type "I" comme International, de 17,8 mm diamètre ; l'autre de type "F" comme Français, de 18,5 mm de diamètre.

Il y a donc lieu, avant de monter un détendeur sur une robinetterie de s'assurer que non seulement les opercules mais aussi les sièges sont compatibles. (Sur les bouteilles récentes, les opercules sont interchangeable)


Fig. 9 Fixation par étrier

b) Le système "DIN" (Deutsch Institute fur Normung) Institution allemande en charge de la normalisation (Voir figure 10) C'est une norme Allemande courante dans ce pays. Le système DIN se distingue par le fait que le détendeur se visse directement dans le corps de la robinetterie. (Il suffit d'enlever l'opercule) Il a une meilleure tenue aux chocs et théoriquement une meilleure étanchéité. (Les portées de joint dans les étriers se sont pourtant bien améliorée)

Son inconvénient est que si l'on heurte une robinetterie sans opercule, on risque de l'endommager irrémédiablement. D'autre part si l'on possède un détendeur en DIN et que l'on ne peut démonter l'opercule de la robinetterie on ne peut monter le détendeur. (Cela arrive plus souvent que l'on ne croit)

Il existe en deux versions avec détrompage l'une en 200, l'autre en 300 bar.

Sur les détendeurs les plus récents, il est possible de monter l'un ou l'autre des systèmes (Quel qu'il soit il devrait porter visiblement l'indication de la pression maximum admissible).

Normalisation : Elle a pour objet de faciliter l'interchangeabilité des équipements. Comme nous l'avons vu ci-dessus elle n'est pas parfaite et le plus grave est qu'elle ne va pas dans le sens de la sécurité. En effet il est possible de monter des détendeurs de 176 bar sur des bouteilles de 200 bar, de gonfler à 300 bar des bouteilles prévues pour 200 et même pour 176 bar. Il est même possible de les gonfler avec de l'O² et vice et versa, mais ceci est en cours de correction.


Fig. 10 Fixation type DIN

Les joints de raccordement aux blocs bouteilles

Il en existe 3 modèles :

Le R7bis qui est le plus petit et qui s'utilise sur les blocs anciens pour les détendeurs à étrier.

Le R9 qui s'utilise sur les détendeurs à connexion DIN. (R9:10,5x2,7).

Le R10 qui s'utilise sur les robinetteries destinées aux détendeurs à connexion par étrier. (R10:12,1x2,7. Il est plus grand que le R9)

Dans les opercules des blocs récents, à l'extérieur on trouve un joint R9 et à l'intérieur on trouve un R10.

En dépannage, un R10 peut se monter à la place d'un R9, l'inverse est plus difficile.

On notera aussi que la nouvelle normalisation européenne des opercules entraîne l'utilisation de nouveaux joints différents alors que la normalisation proposée par la marine nationale française prévoit deux joints identiques R9.

Tous les détendeurs sont équipés, à l'entrée, d'un filtre dont le but est de retenir les poussières ou particules qui pourraient venir de la bouteille et peuvent s'introduire dans le mécanisme du premier ou du deuxième étage et même remonter jusqu'au manomètre immergeable. Elles peuvent bloquer le mécanisme, détériorer les sièges ou les clapets.

Ces filtres sont souvent réalisés en bronze fritté. C'est à dire qu'ils sont constitués de petites billes de bronze soudées entre elles. Les chicanes ainsi constituées laissent passer l'air mais retiennent les poussières d'une certaine dimension. On les trouve aussi de plus en plus fréquemment réalisé en céramique poreuse.

Ils constituent un obstacle au passage de l'air et c'est pourquoi, la tendance actuelle est d'en augmenter la surface et de leur donner une forme tronconique de façon à limiter le colmatage et permettre un plus grand débit d'air tout en augmentant leur durée de vie.

Néanmoins ils s'oxydent et se colmatent à la longue et doivent donc être changés régulièrement de façon à ne pas réduire les performances des détendeurs. En cas de colmatage important, ils risquent d'exploser et d'envoyer une multitude de billes dans le mécanisme du détendeur. On peut regretter que sur plusieurs détendeurs récents on ne puisse les vérifier sans démontage.

Un nouveau modèle a vu le jour chez Scubapro. Il est constitué par un fil inoxydable tressé de façon que s'il se sature, il se déforme et libère les particule qu'il avait retenues. Il doit donc être nettoyé ou changé avant d'être saturé mais il ne risque pas d'exploser.

          Les bouchons de protection

Hors utilisation, ils ont pour but d'empêcher l'eau ou les impuretés de pénétrer dans le détendeur par l'entrée HP. Ils sont en général réalisés en néoprène ou en plastique. Les modèles les plus sérieux pour étriers sont équipés d'un joint torique. Il faut bien sûr éviter d'y enfermer de l'eau.



Fig. 11 Bouchons Etrier          Fig. 12 Bouchons DIN

      Les fermetures automatiques

Leur but est de protéger le mécanisme contre l'entrée d'impuretés lorsque le détendeur n'est pas utilisé. Leur avantage est qu'ils sont automatiques.

Il en existe deux principes différents :

Le premier utilisé par Océanique est constitué par un clapet placé à l'entrée du premier étage et qui ne s'ouvre que sous l'effet de la pression venant de l'extérieur. Une légère perte de pression en résulte. Mais sa réalisation est très simple.

Le deuxième utilisé par Aqualung est consttué par un clapet qui est repoussé mécaniquement lorsqu'on monte le détendeur sur sa robinetterie. Il n'y a donc pas de perte de pression mais le système est plus sophystiqué.

Ces deux systèmes n'empêchent pas l'eau qui serait restée dans la sortie de la robinetterie de pénétrer dans le détendeur. Il reste donc indispensable de purger cette robinetterie avant d'y monter le détendeur.


Fig.13  
Fermetures automatiques Aqualung pour raccord par Etrier (a) et pour raccord DIN (b)




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