Comment choisir des joints mécaniques pour les températures élevées

Qu'est-ce qu'un joint mécanique pour haute température

Un joint mécanique pour haute température est un composant essentiel des équipements rotatifs qui fonctionnent dans des conditions de chaleur extrême. Ces joints spécialisés sont conçus pour résister à des températures élevées tout en conservant leur efficacité d'étanchéité, en évitant les fuites et en garantissant un fonctionnement fiable. Les joints mécaniques haute température trouvent des applications dans diverses industries, notamment le pétrole et le gaz, le traitement chimique, la production d'énergie et l'aérospatiale.

Les joints mécaniques haute température sont conçus pour relever les défis uniques posés par les environnements à température élevée. Ils doivent faire face à la dilatation thermique, à la dégradation des matériaux, à la vaporisation des fluides et à la cokéfaction ou à l'encrassement potentiels des composants du joint. Pour résoudre ces problèmes, les joints haute température intègrent des caractéristiques telles que des faces de joint équilibrées, des composants flottants et des combinaisons de matériaux avancées qui peuvent résister à une chaleur extrême et maintenir leur stabilité dimensionnelle.

Défis des environnements à haute température sur les joints mécaniques

Dégradation des matériaux

Les températures élevées peuvent entraîner la dégradation des matériaux d'étanchéité, la perte de leurs propriétés mécaniques et une défaillance prématurée. Les polymères, les élastomères et même les métaux peuvent se ramollir, se fragiliser ou subir des modifications chimiques à haute température, compromettant ainsi les performances d'étanchéité.

Dilatation thermique et déformation mécanique

Les variations et les gradients de température peuvent entraîner une dilatation thermique différentielle entre les composants d'étanchéité et les équipements adjacents. Cela peut entraîner une déformation mécanique, une perte de contact d'étanchéité et des fuites.

Vaporisation de fluides et fonctionnement à sec

Les fluides à haute température sont sujets à la vaporisation, en particulier au niveau de l'interface d'étanchéité. La vaporisation peut entraîner des conditions de fonctionnement à sec, une usure accrue et une défaillance des joints. Le maintien d'un film fluide stable est essentiel pour la lubrification des joints et la dissipation de la chaleur.

Cokéfaction et encrassement des composants d'étanchéité

Certains fluides à haute température, comme les hydrocarbures, peuvent se cokéfier ou laisser des dépôts sur les faces et les composants des joints. La cokéfaction et l'encrassement perturbent l'interface d'étanchéité, provoquent une usure abrasive et altèrent les performances des joints.

Facteurs clés dans la sélection des joints mécaniques pour un service à haute température

Propriétés du fluide de procédé

Les propriétés du fluide de traitement jouent un rôle crucial dans la détermination de la garniture mécanique pour un service à haute température. Les principaux éléments à prendre en compte sont la composition chimique du fluide, sa viscosité et le potentiel de changement de phase à des températures élevées.

Par exemple, les fluides à haute pression de vapeur peuvent nécessiter des conceptions de joints spécialisées pour empêcher la vaporisation et maintenir le liquide à l'interface d'étanchéité. De plus, les fluides corrosifs ou agressifs peuvent nécessiter l'utilisation de matériaux de surface d'étanchéité et d'élastomères résistants aux produits chimiques pour éviter une défaillance prématurée.

Limites de température des matériaux d'étanchéité

Les environnements à haute température peuvent pousser les matériaux d'étanchéité à leurs limites, ce qui rend essentiel de sélectionner des composants capables de résister aux conditions de fonctionnement prévues. La température nominale maximale des matériaux de la face d'étanchéité, tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène et le graphite de carbone, doit être soigneusement évaluée pour garantir qu'ils peuvent conserver leur intégrité et leurs propriétés tribologiques à la température de fonctionnement souhaitée.

De même, les élastomères utilisés dans les joints secondaires, tels que le FKM, le FFKM et le PTFE, doivent être choisis en fonction de leur stabilité à la température et de leur capacité à conserver leurs propriétés d’étanchéité dans des conditions de température élevée.

Capacités de pression des conceptions de joints

La pression nominale d'un joint mécanique est un autre facteur critique dans les applications à haute température. Les conceptions des joints doivent être capables de résister aux pressions de fonctionnement prévues sans compromettre l'intégrité de l'interface d'étanchéité ni permettre des fuites excessives.

Les dispositifs d'étanchéité dos à dos et en tandem sont souvent utilisés dans les services à haute pression et à haute température pour fournir une redondance d'étanchéité supplémentaire et améliorer les capacités de pression. La sélection de matériaux de face d'étanchéité à haute résistance à la compression et l'utilisation de conceptions de boîtier d'étanchéité robustes peuvent encore améliorer les performances de pression des joints mécaniques dans les environnements à haute température exigeants.

Vitesse de l'arbre et dynamique de l'équipement

La vitesse de rotation de l'équipement et la dynamique de l'arbre associée peuvent avoir un impact significatif sur les performances des joints mécaniques dans les applications à haute température. Les vitesses d'arbre élevées peuvent générer une chaleur accrue au niveau de l'interface d'étanchéité en raison du frottement, ce qui entraîne une usure accélérée et une distorsion thermique potentielle des composants du joint.

Pour atténuer ces problèmes, des conceptions de joints avec des caractéristiques de lubrification améliorées, telles que des rainures en spirale ou des motifs de face gravés au laser, peuvent être utilisées pour améliorer la dissipation de chaleur et maintenir un film fluide stable entre les faces du joint. De plus, l'utilisation de joints secondaires flexibles en graphite ou en Grafoil peut s'adapter au désalignement de l'arbre et minimiser l'impact de la dynamique de l'équipement sur les performances du joint en service à haute température.

Types et agencements de joints mécaniques pour applications à haute température

Arrangement dos à dos

Dans un agencement de joints dos à dos, deux joints mécaniques sont montés avec leurs plaques arrière face à face. Cette configuration permet un refroidissement ou fluide barrière pour circuler entre les joints, gérant efficacement la dissipation de la chaleur.

Les joints dos à dos sont idéaux pour les applications à haute température où le fluide de traitement est particulièrement chaud ou lorsque la dilatation thermique des composants est un problème. Le fluide barrière contribue à maintenir un environnement stable pour les faces des joints, empêchant la dégradation du matériau et garantissant des performances optimales.

Arrangement en face à face

Les agencements de joints face à face comportent deux joints mécaniques montés avec leurs faces d'étanchéité orientées l'une vers l'autre. Cette configuration est avantageuse dans les applications à haute température où le fluide de traitement est propre et ne présente aucun risque de colmatage ou d'encrassement des composants du joint.

Les joints face à face permettent une dissipation efficace de la chaleur à travers les faces du joint, car le fluide de refroidissement peut entrer directement en contact avec les deux jeux de faces. Cette disposition est souvent utilisée en conjonction avec un plan de tuyauterie approprié pour assurer un refroidissement et une lubrification appropriés des faces du joint.

Arrangement en tandem

Les dispositifs d'étanchéité en tandem se composent de deux joints mécaniques montés en série, avec un fluide tampon entre eux. Cette configuration offre un niveau de protection supplémentaire contre les fuites et est couramment utilisée dans les applications à haute température où le fluide de traitement est dangereux ou sensible à l'environnement.

Le fluide tampon sert à lubrifier et à refroidir les faces des joints, tout en agissant comme une barrière entre le fluide de traitement et l'atmosphère. Les joints tandem sont particulièrement efficaces pour empêcher la vaporisation du fluide et le fonctionnement à sec, car le fluide tampon maintient un état liquide même à des températures élevées.

Guide de sélection des matériaux pour les joints mécaniques haute température

Matériaux du visage:

Carbure de silicium : conductivité thermique élevée, résistance à l'usure, compatibilité chimique, résistance aux chocs thermiques. Convient aux températures allant jusqu'à 1800°F (982°C).
Carbure de tungstène : Résistance à l'usure supérieure, idéal pour les environnements abrasifs.
Graphite de carbone : autolubrifiant, thermiquement stable, adapté aux conditions de fonctionnement à sec et aux températures jusqu'à 1000°F (538°C).

Élastomères :

Fluoroélastomères (FKM) : Adaptés aux températures allant jusqu'à 400 °F (204 °C), ils offrent une bonne résistance chimique.
Perfluoroélastomères (FFKM) : peuvent supporter des températures allant jusqu'à 600 °F (316 °C), offrent une résistance chimique exceptionnelle.
Polytétrafluoroéthylène (PTFE) : Excellente stabilité thermique, faible frottement, inertie chimique. Convient aux températures jusqu'à 260 °C (500 °F).

Métallurgie:

Aciers inoxydables (ex. 316L, 17-4PH) : Résistance, durabilité, résistance à l'oxydation à températures élevées.
Alliages Hastelloy et Inconel : résistance supérieure à la corrosion et performance à haute température. Idéal pour les environnements chimiques agressifs et les températures supérieures à 1 000 °F (538 °C).

Joints secondaires :

Graphite flexible : excellente étanchéité, conductivité thermique, résistance chimique. Convient aux températures allant jusqu'à 1200°F (649°C).
Grafoil : Propriétés similaires au graphite flexible, peut résister à des températures allant jusqu'à 850 °F (454 °C).

Systèmes de support de garniture mécanique pour service à haute température

Systèmes de fluides barrières et tampons

Un système de fluide barrière introduit un liquide compatible entre les faces des joints, créant ainsi une barrière physique entre le fluide de traitement et l'atmosphère. Ce fluide barrière est maintenu à une pression supérieure à celle du fluide de traitement, empêchant ainsi ce dernier d'atteindre les faces des joints.

En revanche, un système à fluide tampon utilise un fluide compatible avec le fluide de traitement et les matériaux d'étanchéité, mais à une pression inférieure à celle du fluide de traitement. Le fluide tampon permet de refroidir et de lubrifier les faces d'étanchéité, réduisant ainsi la génération de chaleur et prolongeant la durée de vie des joints.

Plans de tuyauterie

Les plans de tuyauterie sont des agencements normalisés d'équipements auxiliaires et de tuyauteries qui supportent les joints mécaniques dans diverses applications, y compris le service à haute température. Ces plans sont désignés par des numéros conformément à la norme 682 de l'American Petroleum Institute (API). Certains plans de tuyauterie courants pour les joints mécaniques à haute température comprennent :

Plan 23 : Ce plan utilise un échangeur de chaleur pour refroidir le fluide barrière, qui est mis en circulation par un pompage anneau ou une pompe externe. Le fluide barrière refroidi contribue à maintenir des températures stables sur les faces des joints.
Plan 52 : Dans cette configuration, un réservoir externe alimente la chambre d'étanchéité en fluide tampon par l'intermédiaire d'une bague d'étranglement. Le fluide tampon contribue à refroidir et à lubrifier les faces d'étanchéité, tandis que la bague d'étranglement contrôle le débit et maintient le différentiel de pression souhaité.
Plan 53A : Ce plan combine les caractéristiques des plans 52 et 23, en utilisant un réservoir externe sous pression pour fournir du fluide barrière à la chambre d'étanchéité et un échangeur de chaleur pour refroidir le fluide en circulation.
Plan 54 : Similaire au plan 53A, ce plan utilise un réservoir sous pression externe et un échangeur de chaleur, mais comprend également une bague d'étranglement à jeu réduit pour contrôler le débit du fluide de barrière et maintenir la différence de pression.