Compatibilité des fluides dans la sélection des garnitures mécaniques

Il est essentiel de prendre en compte la manière dont le fluide interagit avec les matériaux d'étanchéité lors de la sélection des joints mécaniques, car cela affecte les performances et la durée de vie.

L’évaluation de facteurs tels que la viscosité, la composition chimique, les régimes de lubrification et les problèmes de contamination vous guidera dans la prise de décisions éclairées qui amélioreront la fiabilité du système.

Propriétés du fluide

Viscosité

La viscosité mesure la résistance d'un fluide à l'écoulement et a un impact significatif sur les performances et la longévité des joints. L'évaluation de la compatibilité des fluides nécessite de prendre en compte à la fois la viscosité dynamique et cinématique.

Les fluides à haute viscosité posent des problèmes aux joints mécaniques en augmentant la génération de chaleur due au cisaillement du fluide. Cela peut entraîner une déformation de la face du joint ou une usure excessive. Des mécanismes de dissipation de chaleur appropriés et des matériaux de face de joint plus durs peuvent gérer ces problèmes. À l'inverse, les fluides à faible viscosité peuvent ne pas assurer une lubrification adéquate entre les faces du joint, ce qui entraîne des taux de frottement et d'usure plus élevés.

La viscosité a également un impact sur la capacité du joint à maintenir un film fluide stable entre les faces du joint. Il peut être nécessaire d'ajuster la topographie de la face du joint ou le rapport d'équilibrage pour optimiser les performances pour des plages de viscosité spécifiques.

Pureté

Les fluides très purs, comme ceux utilisés dans les industries pharmaceutiques ou des semi-conducteurs, nécessitent des joints spécialisés. Ces joints doivent conserver leur intégrité sans contaminer le processus. À l'inverse, les fluides présentant des niveaux d'impuretés plus élevés nécessitent des joints robustes avec des systèmes de filtration ou de rinçage améliorés pour éviter tout dommage.

Évaluation de la présence de particules abrasives, de contaminants chimiques et de solides dissous dans le fluide. Ces impuretés peuvent avoir un impact sur les matériaux des faces d'étanchéité, les joints secondaires et la métallurgie des composants d'étanchéité. Par exemple, les particules abrasives peuvent provoquer une usure excessive des faces d'étanchéité, tandis que certains contaminants chimiques peuvent dégrader les composants élastomères.

Volatilité

Lors de la manipulation de fluides volatils, leur propension à se vaporiser dans des conditions de température et de pression de fonctionnement normales doit être soigneusement évaluée.

Les fluides hautement volatils sont sujets aux flashings, où le liquide se transforme en vapeur au niveau des faces d'étanchéité, provoquant potentiellement un fonctionnement à sec et une usure accrue.

Pour les fluides moins volatils, le choix du joint peut être plus flexible. Cependant, l'ébullition localisée au niveau des faces du joint, induite par la chaleur de frottement, ne doit pas être négligée. Cela peut néanmoins entraîner une instabilité du joint et une réduction de sa durée de vie.

Toxicité

Pour les fluides hautement toxiques, des joints mécaniques doubles ou des pompes hermétiques peuvent minimiser les risques de fuite. Assurez-vous que les matériaux des joints sont chimiquement résistants au fluide toxique pour éviter toute dégradation et toute rupture potentielle.

Régime de lubrification

Lors de la sélection d'un joint mécanique, vous devez tenir compte du régime de lubrification qui se produira entre les faces du joint. Ce régime peut être classé en trois types principaux : limite, mixte et film fluide complet.

Limite

La lubrification limite dans les joints mécaniques se produit lorsque l'épaisseur du film de fluide diminue, ce qui entraîne le contact des aspérités sur les surfaces opposées. Cette condition apparaît généralement au démarrage, à l'arrêt ou lors de fonctionnements à faible vitesse. Dans le cas d'une lubrification limite, la charge est principalement supportée par les aspérités de surface plutôt que par le film de fluide.

Dans la lubrification limite, il ne suffit pas de se fier au film de fluide pour dissiper la chaleur. Une évacuation adéquate de la chaleur doit être assurée par des moyens supplémentaires, tels que des systèmes de rinçage ou de refroidissement. L'utilisation de lubrifiants limites spécialisés ou d'additifs qui forment des films protecteurs sur les surfaces des joints peut réduire considérablement l'usure et prolonger la durée de vie des joints.

Mixte

Dans la lubrification mixte, la lubrification limite et la lubrification hydrodynamique coexistent. Dans cet état de transition, la charge est partiellement supportée par la pression du fluide et partiellement par le contact des aspérités.

La lubrification mixte se produit généralement au démarrage, à l'arrêt ou lors de changements soudains des conditions de fonctionnement. Elle se caractérise par un contact intermittent entre les faces des joints, ce qui entraîne une usure accrue par rapport à la lubrification par film fluide intégral.

La proportion de film fluide par rapport à la lubrification limite peut varier considérablement dans les régimes mixtes. Concevez votre joint pour gérer ces fluctuations, en garantissant des transitions en douceur entre les états de lubrification sans compromettre les performances ou la durée de vie.

Film fluide complet

La lubrification par film fluide intégral représente le niveau de performance le plus élevé des joints mécaniques, obtenu lorsque les faces des joints sont entièrement séparées par une fine couche de fluide. Cette séparation se produit en raison de la pression hydrodynamique générée par le fluide qui est suffisante pour contrecarrer la force de fermeture. Dans ce régime, l'usure est presque éliminée et le frottement est minimisé, ce qui améliore la longévité et la fiabilité du joint.

Contamination

Particules abrasives

Trois préoccupations majeures se posent lors de la manipulation de particules abrasives dans les applications de garnitures mécaniques.

Premièrement, ces particules peuvent provoquer une usure excessive des faces d'étanchéité, entraînant une défaillance prématurée de ces dernières. Deuxièmement, elles peuvent s'accumuler entre les faces d'étanchéité, empêchant une étanchéité adéquate et provoquant des fuites. Troisièmement, les particules abrasives peuvent endommager les éléments d'étanchéité secondaires, tels que les joints toriques ou les joints d'étanchéité.

Solides

Les particules contaminantes solides peuvent être microscopiques ou visibles et peuvent provenir de sources externes ou se former dans le système lui-même.

Cristallisation

La cristallisation se produit lorsque des solides dissous dans le fluide précipitent hors de la solution, formant des cristaux solides qui s'accumulent sur les faces des joints et d'autres composants.

La cristallisation peut provoquer une usure accrue des faces des joints, entraînant une défaillance prématurée du joint. Des cristaux peuvent également s'accumuler dans de petits espaces, limitant le mouvement et pouvant entraîner un blocage du joint. Dans les cas extrêmes, la cristallisation peut bloquer complètement les ports de rinçage du joint ou d'autres passages critiques.

Compatibilité chimique

Réactions entre le fluide et les matériaux d'étanchéité

Les interactions potentielles entre le fluide de traitement et les composants du joint doivent être examinées attentivement, car elles peuvent entraîner une dégradation, une corrosion ou même une défaillance complète du joint.

Évaluation de la composition chimique, de la température et de la concentration du fluide. Par exemple, les fluoroélastomères comme le Viton® présentent une résistance à de nombreuses huiles et solvants, mais peuvent se dégrader lorsqu'ils sont exposés à certaines cétones ou amines.

Les composants métalliques sont également sensibles aux attaques chimiques. Bien que les aciers inoxydables soient connus pour leur résistance à la corrosion, ils peuvent être vulnérables à des produits chimiques ou à des concentrations spécifiques. Les alliages de titane et d'Hastelloy® offrent une résistance accrue aux fluides plus agressifs.

Effets sur les liants et les matériaux de remplissage

Les liants, généralement des polymères ou des résines, assurent la cohésion structurelle du composite, tandis que les charges améliorent les propriétés telles que la résistance et la conductivité thermique.

Certains fluides peuvent affecter négativement le liant, le faisant ramollir, gonfler ou se dissoudre. De telles interactions entraînent une dégradation du joint, une intégrité structurelle compromise et une défaillance potentielle du joint.

Les charges, telles que les particules de carbone, de graphite ou de céramique, sont également sensibles aux interactions avec les fluides. Certains fluides peuvent provoquer une fuite des charges, diminuant ainsi l'efficacité du joint. Dans d'autres scénarios, les fluides peuvent réagir avec la charge, altérant ses propriétés ou provoquant une dilatation.

Directives de sélection des matériaux pour la face d'étanchéité

Fluides à faible viscosité

Lors de la sélection des matériaux de surface d'étanchéité pour les fluides à faible viscosité, vous devrez tenir compte des combinaisons de surfaces souples et dures pour les conditions de lubrification limite et mixte. Vous constaterez que les matériaux de surface souples, comme le carbone, se marient souvent bien avec des surfaces d'appui plus dures comme le carbure de silicium ou le carbure de tungstène. Cette combinaison peut offrir une meilleure conformabilité et une meilleure résistance à l'usure dans les applications difficiles à faible viscosité où la lubrification complète du film de fluide peut ne pas toujours être maintenue.

Fluides à haute viscosité

Lors de la sélection des matériaux des faces d'étanchéité pour les fluides à haute viscosité, vous devez privilégier les combinaisons de faces dures et dures. Cette approche permet de minimiser les forces de cisaillement élevées qui peuvent se produire entre les faces d'étanchéité. En choisissant des matériaux comme le carbure de silicium ou le carbure de tungstène pour les deux faces, vous réduirez le risque d'usure excessive et maintiendrez l'intégrité des joints dans les environnements visqueux.

Présence de particules abrasives dures

Lorsque vous êtes confronté à des fluides contenant des particules abrasives dures, vous devrez privilégier des matériaux de surface d'étanchéité présentant une dureté plus élevée. Vous devriez envisager des options telles que le carbure de tungstène ou le carbure de silicium, qui offrent une résistance supérieure à l'usure abrasive.

Fluides sujets à la cristallisation

Lorsque vous manipulez des fluides sujets à la cristallisation, vous devrez envisager des conceptions de joints spécialisées. Optez pour des configurations qui maintiennent le fluide de traitement au diamètre extérieur du joint, réduisant ainsi le risque de formation de cristaux entre les faces. Vous devez également sélectionner des matériaux durs ou durs avec des caractéristiques spéciales conçues pour minimiser l'accumulation de cristaux et maintenir l'intégrité du joint.

FAQ

À quelle fréquence les joints mécaniques doivent-ils être inspectés pour détecter des problèmes de compatibilité des fluides ?

Les joints mécaniques doivent être inspectés pour détecter les problèmes de compatibilité des fluides au moins une fois par trimestre, lors de l'entretien de routine et chaque fois qu'il y a des changements dans les conditions de fluide ou de fonctionnement.

La compatibilité des fluides peut-elle changer au fil du temps en raison des fluctuations de température ?

Oui, la compatibilité des fluides peut changer au fil du temps en raison des fluctuations de température. Les variations de température peuvent altérer les propriétés des fluides, provoquant des réactions chimiques ou des changements physiques qui ont un impact sur l'interaction avec les matériaux d'étanchéité.

Existe-t-il des tests de compatibilité des fluides spécifiques pour différents types de joints ?

Oui, des tests spécifiques pour différents types de joints incluent l’immersion, le gonflement du volume et le changement de dureté.