Cet article discute des avancées technologiques dans la maintenance des installations visant à réduire les coûts et à améliorer l'efficacité des joints mécaniques. Il met en avant des innovations telles que l'étanchéité mécanique à face terminale sans contact avec des rainures, qui réduit la friction et l'usure en utilisant un gaz inerte au lieu de barrières liquides. De nouveaux matériaux comme le carbure de silicium avec des propriétés auto-lubrifiantes et des surfaces d'étanchéité revêtues de diamant améliorent la durabilité et la performance. La standardisation à travers EN 12756 et API 682 assure l'interchangeabilité et la réduction des coûts. Ces avancées améliorent considérablement la fiabilité de l'étanchéité, les économies d'énergie et la durée de vie, en particulier dans des applications critiques comme le pétrole et le gaz, la pétrochimie et les produits pharmaceutiques.
Dans la maintenance des installations, il est possible de réduire les coûts. Pour y parvenir, il y a deux facteurs importants :
Développement technologique
Un joint mécanique se compose d'un composant rotatif (bague dynamique) et d'un composant fixe (bague statique). La bague mobile est généralement connectée à la partie rotative de l'équipement (comme l'arbre), tandis que la bague fixe est connectée à la partie fixe de la machine (comme la boîte à garniture de la pompe rotative). Afin d'assurer une performance d'étanchéité efficace, la surface d'étanchéité doit être absolument plate et la rugosité de surface doit être extrêmement faible. Les bagues dynamiques et statiques précisément appariées peuvent s'ajuster étroitement, empêchant efficacement les fuites de fluides de procédé.
L'interaction entre les deux surfaces d'étanchéité détermine l'état d'équilibre hydraulique du joint mécanique. Dans des conditions de fonctionnement normales, le film liquide formé peut atteindre un équilibre hydraulique entre les forces d'ouverture et de fermeture générées par la pression du fluide d'étanchéité, limitant ainsi les fuites physiques. La norme API 682 fournit des conseils et des spécifications détaillés sur la façon de calculer les paramètres de taille corrects.
Toutefois, pendant le fonctionnement, la bague d'étanchéité peut se déformer en raison de contraintes mécaniques et thermiques, ce qui peut affecter la performance du joint mécanique. Cette déformation rompra l'équilibre hydraulique d'origine, rendant le film liquide entre les surfaces d'étanchéité instable et entraînant des fuites excessives.
Par conséquent, les ingénieurs explorent constamment de nouvelles méthodes technologiques pour réduire la friction, en particulier dans des conditions d'application critiques, avec un accent particulier sur le développement de nouveaux matériaux et l'application de nouvelles technologies d'étanchéité. Ces innovations ont considérablement amélioré l'efficacité et la fiabilité de l'étanchéité dans les processus de production modernes.
Technologie sans contact - face terminale coulissante avec rainures
Le système d'étanchéité mécanique à face terminale sans contact se compose d'une bague mobile et d'une bague fixe. La face terminale de la bague mobile est spécialement traitée pour avoir une forme géométrique spécifique (telle que spirale ou en escalier), ce qui peut générer des effets dynamiques de fluide entre les deux faces terminales, formant ainsi un petit écart stable entre elles (voir Figure 1). Ce design utilise le principe de levage dynamique des fluides, permettant à la surface d'étanchéité de maintenir un état d'étanchéité efficace sans contact direct.
Contrairement aux joints de contact traditionnels, ce design sans contact ne repose pas sur des barrières liquides et leurs systèmes de support associés. Au contraire, il atteint l'effet d'étanchéité en fournissant un gaz inerte à l'interface d'étanchéité. Le choix des gaz inertes est généralement basé sur leur stabilité chimique et leur adaptabilité à l'environnement de travail pour éviter les réactions avec le milieu scellé. De plus, la pression et le débit du gaz inerte peuvent être contrôlés avec précision via un simple panneau de contrôle pour assurer la stabilité et la fiabilité de la performance d'étanchéité.
En raison de la réduction efficace du coefficient de friction et de l'usure des joints à près de zéro, cette solution est très adaptée aux applications nécessitant des économies d'énergie significatives, en particulier dans les industries pétrolière et gazière, pétrochimique et pharmaceutique qui nécessitent des émissions nulles.
Matériaux de nouvelle génération
Les matériaux en carbure de silicium avec des propriétés auto-lubrifiantes sont largement utilisés dans les joints mécaniques. Dans le choix de l'appariement pour les pièces mobiles, des matériaux de dureté différente sont généralement utilisés pour minimiser autant que possible la friction. Le choix de la combinaison de bagues d'étanchéité est particulièrement crucial, parmi lesquelles la combinaison la plus couramment utilisée est la bague en carbone et la bague en carbure de silicium (voir Figure 2, coefficient PxV de pression x vitesse de cycle pour les combinaisons de surface courantes). Cette combinaison non seulement possède une excellente conductivité thermique et une résistance chimique, mais résiste également efficacement à l'usure causée par les particules abrasives dans le fluide.
Lorsque les bagues en graphite et les bagues en carbure de silicium se déforment pour diverses raisons, elles présentent une excellente adaptabilité mutuelle, maintenant ainsi une bonne performance d'étanchéité. Cependant, dans des situations où la pression de travail est très élevée ou le fluide contient une grande quantité de saleté, deux bagues de haute dureté doivent être utilisées pour assurer l'effet d'étanchéité. Bien que ces matériaux aient un coefficient de friction élevé, cela peut entraîner la génération de plus de chaleur pendant la rotation, ce qui peut provoquer l'évaporation du film liquide, entraînant un fonctionnement à sec, une déformation ou une fracture de la bague, et affectant la performance des joints auxiliaires.
Un procédé de fabrication récemment développé consiste à ajouter des particules de matériau auto-lubrifiant à une matrice de carbure de silicium fritté par méthode d'immersion (méthode d'immersion de carbure de silicium). Les bagues fixes et rotatives fabriquées selon cette méthode peuvent atteindre des limites de performance extrêmement élevées. Plus précisément, les joints mécaniques utilisant ce matériau peuvent limiter la valeur du couple absorbé, réduisant ainsi considérablement le frottement et la génération de chaleur. Cela améliore non seulement la durabilité et la fiabilité des composants d'étanchéité, mais prolonge également leur durée de vie, particulièrement adapté aux applications dans des conditions de travail extrêmes.
Surface d'étanchéité revêtue de diamant
Les bagues en carbure de silicium sont généralement revêtues d'une fine couche de diamant par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour améliorer leurs propriétés tribologiques et leur compatibilité chimique. Dans les applications d'eau chaude dans les centrales électriques et les installations pétrolières et pétrochimiques, les gaz liquides sont sujets à l'évaporation, entraînant une perte de performance de lubrification, tandis que les revêtements en diamant peuvent améliorer considérablement la résistance à l'usure et à la corrosion des joints.
Dans l'industrie pharmaceutique, les joints traditionnels ne peuvent souvent pas répondre aux exigences strictes en raison de la nécessité d'éviter toute contamination, tandis que les joints revêtus de diamant présentent une excellente inertie chimique et pureté, répondant pleinement à ces exigences de haute norme.
De plus, les joints mécaniques utilisant des bagues revêtues de diamant peuvent supporter une brève opération dans des conditions de fonctionnement à sec de double étanchéité et d'étanchéité sans contact, élargissant ainsi leur champ d'application.
Joints d'étanchéité pour machines de génie
Lors de la phase de conception, maintenir la cohérence de la surface de section transversale de la bague d'étanchéité est un défi majeur (voir Figure 3). Cette cohérence est cruciale pour assurer la stabilité de conduite de la bague d'étanchéité et prévenir le renversement. Ce type de joint est actuellement largement utilisé dans les pompes d'alimentation de chaudières, les pipelines, les systèmes d'injection d'eau, les pompes multiphases et d'autres applications à haute pression avec des pressions de travail dépassant 100 bars. Contrôler avec précision la taille et la forme de la bague d'étanchéité aide non seulement à maintenir la performance d'étanchéité, mais réduit également efficacement l'usure et prolonge la durée de vie.
Normalisation et interchangeabilité
Les composants de joints mécaniques, comme d'autres accessoires industriels, ont une norme de référence qui spécifie leurs dimensions d'installation, permettant l'utilisation de joints produits par d'autres fabricants pour le remplacement. Cela améliore non seulement la qualité de service pour les utilisateurs finaux, mais réduit également les coûts d'exploitation des usines.
Norme EN 12756
La norme EN 12756 spécifie les principales dimensions d'installation pour les joints mécaniques simples et doubles lorsqu'ils sont utilisés en tant que composants, à l'exclusion des brides et des manchons couvrant les composants rotatifs et fixes. Au début de la période d'après-guerre, le premier lot de joints mécaniques a été introduit des États-Unis en Europe, avec l'unité de mesure étant le pouce.
La norme DIN 24960 a ensuite évolué en norme EN 12756, apportant des avantages significatifs aux fabricants qui produisent des pompes selon les normes ISO, en particulier pour les utilisateurs finaux qui ne sont plus limités aux fournisseurs de joints fournissant des produits non standardisés. Le prix des joints et leurs coûts de maintenance associés ont donc considérablement diminué.
Normes API
Les pompes dans les équipements pétroliers et gaziers sont généralement fabriquées selon les normes API 610, tandis que les joints mécaniques sont généralement fabriqués selon les normes API 682. Selon cette norme, les joints doivent être fournis sous forme de composants cylindriques, équipés de brides et de bagues, pour simplifier l'installation et permettre des tests avant livraison. La norme API fournit des recommandations pour déterminer la taille des joints mécaniques en fonction des spécifications de la boîte à garniture des différentes pompes API sur le marché.
Cette normalisation n'est pas seulement techniquement réalisable, mais peut également standardiser les dimensions globales des composants à l'intérieur du presse-étoupe, permettant ainsi une production de masse à moyenne échelle et réduisant les coûts de fabrication et de gestion des entrepôts.
Il est important de noter que cette normalisation permet aux utilisateurs finaux de choisir différents 'fabricants de joints mécaniques qualifiés', éliminant ainsi les problèmes d'interchangeabilité. Grâce à cette méthode, les utilisateurs peuvent choisir de manière flexible des joints adaptés et assurer leur remplacement en douceur, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts de maintenance causés par des joints incompatibles.
