Que sont les joints à gaz sec

Dans le domaine des machines tournantes, l'étanchéité efficace des gaz de procédé est de la plus haute importance pour garantir des performances et une fiabilité optimales. Les joints à gaz sec sont devenus une solution d'étanchéité largement adoptée, offrant des avantages distincts par rapport aux joints traditionnels lubrifiés par liquide.

Cet article de blog se penche sur les subtilités des joints à gaz sec, explorant leur conception, leurs principes de fonctionnement et leurs applications dans divers secteurs industriels.

Que sont les joints à gaz sec

Les joints à gaz sec sont un type de joint sans contact garniture mécanique Ces joints sont couramment utilisés dans les compresseurs centrifuges pour empêcher les fuites de gaz de traitement le long de l'arbre rotatif. Ces joints fonctionnent sans nécessiter de lubrification liquide, mais s'appuient plutôt sur un mince film de gaz pour maintenir un espace entre les surfaces d'étanchéité. Cette séparation est obtenue grâce à une combinaison de rainures sur les bagues d'accouplement et aux forces hydrodynamiques générées par la rotation de l'arbre.

Les joints à gaz secs offrent plusieurs avantages par rapport aux joints humides traditionnels (lubrifiés à l'huile), notamment une consommation d'énergie plus faible, un risque de contamination réduit et une efficacité améliorée du compresseur. Ils sont largement utilisés dans diverses industries, telles que le traitement du pétrole et du gaz, les usines pétrochimiques et les applications de transport de gaz.

Composants des joints à gaz sec

• Bague rotative : La bague rotative est fixée à l'arbre du compresseur et présente une face usinée avec précision avec un motif de rainures en spirale. Ce motif permet de générer la force de portance hydrodynamique nécessaire pour maintenir l'écart entre les surfaces d'étanchéité pendant le fonctionnement.
• Bague stationnaire : La bague stationnaire est montée dans le boîtier du joint et possède une face d'étanchéité lisse qui s'accouple à la bague rotative. Elle est généralement constituée d'un matériau dur et résistant à l'usure tel que le carbure de silicium ou le carbure de tungstène pour résister aux conditions de fonctionnement difficiles.
• Système d'alimentation en gaz d'étanchéité : Le système d'alimentation en gaz d'étanchéité fournit un gaz propre et sec (généralement de l'azote) à une pression contrôlée avec précision dans la cavité d'étanchéité. Ce gaz est essentiel pour créer le film mince entre les faces d'étanchéité et empêcher la contamination par le gaz de procédé. Le système d'alimentation en gaz d'étanchéité comprend généralement des filtres, des régulateurs de pression et des vannes de régulation de débit pour maintenir un environnement d'étanchéité optimal.

En plus de ces composants primaires, les joints à gaz sec intègrent également des éléments d'étanchéité secondaires, tels que des joints toriques et des joints d'étanchéité, pour éviter les fuites entre les composants fixes.

Comment fonctionnent les joints à gaz secs

Les joints à gaz sec fonctionnent selon le principe de la technologie d'étanchéité sans contact de type interstice. L'action d'étanchéité est obtenue grâce à un mince film de gaz sous pression qui circule entre les faces d'étanchéité fabriquées avec précision, créant ainsi une barrière qui empêche les fuites.

Le gaz d'étanchéité haute pression est injecté dans l'interface d'étanchéité par des orifices dans la bague fixe. Lorsque le gaz pénètre dans l'espace entre les bagues rotative et fixe, il se dilate et crée un profil de pression sur les faces d'étanchéité. Ce profil de pression génère une force d'ouverture qui sépare les faces par un petit espace, mesurant généralement quelques microns.

La rotation de l'arbre et de la bague rotative associée génère un effet hydrodynamique au sein du film gazeux. Cet effet provoque une augmentation radiale de la pression du gaz vers l'extérieur, créant ainsi un joint stable et sans contact entre les composants rotatifs et fixes.

Pour maintenir un espace d'étanchéité optimal, les joints à gaz sec s'appuient sur l'équilibre entre la force d'ouverture générée par le gaz sous pression et la force de fermeture exercée par les ressorts du joint et la différence de pression sur les faces du joint. Le système d'alimentation en gaz d'étanchéité fournit en continu du gaz propre et sec à une pression légèrement supérieure à celle du gaz de procédé pour assurer une étanchéité positive et éviter toute contamination.

Le gaz qui fuit du joint primaire est collecté dans la chambre du joint secondaire et évacué en toute sécurité ou recyclé dans le compresseur.

Types de joints à gaz sec

Les joints à gaz sec sont disponibles dans différentes configurations pour répondre aux différentes exigences d'application. Les trois principaux types de joints à gaz sec sont les joints simples, les joints tandem et les joints doubles opposés.

Joints simples

Les joints simples pour gaz secs sont constitués d'un seul ensemble de bagues rotatives et fixes. Ces joints sont généralement utilisés dans des applications avec des différentiels de pression plus faibles et des conditions de fonctionnement moins exigeantes. Les joints simples sont plus compacts et plus économiques que les autres types de joints pour gaz secs.

Le gaz d'étanchéité est introduit entre les bagues rotatives et fixes, créant un film mince qui empêche le contact direct entre les surfaces. Ce film maintient un espace stable, permettant une étanchéité efficace et minimisant l'usure des composants.

Joints tandem

Les joints à gaz secs en tandem comportent deux jeux d'anneaux rotatifs et stationnaires disposés en série. Cette configuration offre une couche supplémentaire de protection et de redondance, ce qui rend les joints en tandem adaptés aux applications ou aux environnements plus critiques avec des différentiels de pression plus élevés.

Dans un système d'étanchéité en tandem, le joint primaire fonctionne comme élément d'étanchéité principal, tandis que le joint secondaire sert de réserve. En cas de défaillance du joint primaire ou de fuite excessive, le joint secondaire prend le relais pour maintenir l'intégrité de l'étanchéité du système.

Le gaz d'étanchéité est fourni aux joints primaires et secondaires, ce qui garantit une performance d'étanchéité constante et fiable. Les joints tandem offrent une sécurité et une fiabilité accrues, car ils peuvent continuer à fonctionner même si l'un des composants d'étanchéité tombe en panne.

Joints doubles opposés

Les joints à gaz secs doubles opposés sont constitués de deux jeux d'anneaux rotatifs et fixes disposés en configuration opposée. Dans cette configuration, les faces d'étanchéité sont positionnées dos à dos, le gaz d'étanchéité étant amené entre elles.

La conception opposée des doubles joints permet un équilibrage de la pression, ce qui contribue à minimiser les forces axiales agissant sur les composants d'étanchéité.

Le flux de gaz d'étanchéité dans les joints doubles opposés est géré par une série d'orifices et de canaux à l'intérieur du boîtier du joint. Cela garantit une distribution uniforme du gaz d'étanchéité et contribue à maintenir une interface d'étanchéité stable entre les composants rotatifs et stationnaires.

Les joints doubles opposés offrent une excellente efficacité d'étanchéité et sont capables de gérer des différentiels de pression plus élevés que les joints simples et tandem. Ils sont couramment utilisés dans les applications exigeantes, telles que les compresseurs et pompes haute pression, où des performances d'étanchéité fiables sont essentielles.

Avantages des joints à gaz secs

Fiabilité améliorée

Les joints à gaz sec offrent une fiabilité nettement supérieure aux méthodes d'étanchéité traditionnelles. La conception sans contact des joints à gaz sec minimise l'usure, réduisant ainsi le risque de défaillance et prolongeant la durée de vie opérationnelle du joint.

Efficacité améliorée

Les joints à gaz sec fonctionnent avec un jeu plus petit entre les composants rotatifs et stationnaires, ce qui entraîne une réduction des fuites et une amélioration de l'efficacité de l'étanchéité.

Coûts de maintenance réduits

La nature sans contact des joints à gaz sec réduit la friction et l'usure, minimisant ainsi le besoin d'entretien fréquent et de remplacement des pièces. Cet avantage entraîne une réduction des coûts de maintenance sur la durée de vie de l'équipement, ainsi qu'une réduction des temps d'arrêt associés aux activités de maintenance des joints.

Avantages environnementaux

Les joints à gaz sec offrent une solution d'étanchéité plus propre et plus respectueuse de l'environnement que les joints traditionnels à base d'huile. En utilisant un gaz inerte comme agent d'étanchéité, les joints à gaz sec éliminent le risque de fuite d'huile et de contamination, contribuant ainsi à minimiser l'impact environnemental de l'équipement.

Inconvénients des joints à gaz secs

Coût initial plus élevé

La technologie avancée et la fabrication de précision requises pour les joints à gaz sec entraînent souvent un coût initial plus élevé par rapport aux méthodes d'étanchéité traditionnelles.

Sensibilité aux contaminants

Les joints à gaz sec sont plus sensibles aux contaminants présents dans le gaz d'étanchéité que les joints traditionnels. Les particules, les liquides ou autres impuretés présents dans l'alimentation en gaz peuvent endommager les faces d'étanchéité, entraînant une défaillance prématurée.

Plage de température limitée

Les joints à gaz sec ont une plage de température de fonctionnement plus limitée que certaines méthodes d'étanchéité traditionnelles. Les matériaux utilisés dans les joints à gaz sec peuvent ne pas être adaptés aux applications à température extrêmement élevée ou basse, ce qui limite leur utilisation dans certaines industries ou certains processus.

Applications des joints à gaz sec

Compresseurs centrifuges

Les joints à gaz sec sont largement utilisés dans les compresseurs centrifuges, en particulier dans l'industrie pétrolière et gazière. Ils assurent une étanchéité fiable et efficace pour les applications à haute pression et à grande vitesse, garantissant des performances optimales du compresseur et minimisant les fuites de gaz.

Turbomachines

Les joints à gaz secs sont utilisés dans diverses turbomachines, telles que les turbines à vapeur, les turbines à gaz et les détendeurs. Ils offrent des performances d'étanchéité supérieures, des pertes par frottement réduites et une efficacité améliorée par rapport aux technologies d'étanchéité traditionnelles.

Traitement pétrochimique

Dans les usines de traitement pétrochimique, les joints à gaz sec sont utilisés dans les pompes, les mélangeurs et autres équipements rotatifs. Ils contribuent à maintenir la pureté du processus, à prévenir les fuites de fluides dangereux ou précieux et à la sécurité et à l'efficacité globales de l'usine.

Gaz industriels

Les joints à gaz secs sont utilisés dans la production, le stockage et la manipulation de gaz industriels, tels que l'hydrogène, l'azote et l'oxygène. Leur conception sans contact et leur compatibilité avec divers types de gaz les rendent adaptés au maintien de l'intégrité et de la pureté des gaz tout au long du processus.