Qu'est-ce qu'un joint mécanique haute pression

Qu'est-ce qu'un joint mécanique haute pression

Un joint mécanique haute pression est un composant essentiel des machines qui fonctionnent dans des conditions de pression extrêmes, généralement supérieures à 50 bars (725 psi). Ces joints sont conçus pour empêcher les fuites de fluides ou de gaz de l'équipement tout en résistant aux forces immenses générées par les environnements à haute pression.

La fonction principale d'un joint mécanique haute pression est de maintenir une barrière sûre entre le fluide de traitement et l'atmosphère, même dans les conditions les plus exigeantes. Ces joints sont constitués de deux éléments principaux : une partie fixe (stator) et une partie rotative (rotor), qui sont pressées ensemble par une combinaison de forces hydrauliques et de ressort. Les faces d'étanchéité sont généralement constituées de matériaux durs et résistants à l'usure comme le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou la céramique, qui peuvent résister aux pressions et températures élevées rencontrées dans ces applications.

Comment fonctionnent les joints mécaniques haute pression

Le principe de fonctionnement des joints mécaniques haute pression repose sur la création d'un film fluide mince entre les faces fixes et rotatives du joint. Lorsque l'arbre tourne, les bagues d'étanchéité sont pressées ensemble par une combinaison de force de ressort et de pression hydraulique du fluide de traitement. Cette pression provoque une fuite d'une petite quantité du fluide de traitement entre les faces du joint, créant un film fluide mince et stable qui lubrifie et refroidit les faces tout en empêchant toute fuite supplémentaire.

Le film fluide entre les faces du joint est maintenu par un équilibre délicat entre la pression hydraulique, la force du ressort et la géométrie précise des faces du joint. Les faces du joint sont rodées jusqu'à une planéité très élevée, généralement dans les 2 à 3 bandes de lumière d'hélium (0,22 à 0,33 µm), pour assurer un contact uniforme et minimiser les fuites. La bague d'étanchéité rotative est généralement montée sur l'arbre avec un soufflet flexible ou un autre élément d'étanchéité secondaire, qui s'adapte aux légers désalignements de l'arbre et aux mouvements axiaux tout en maintenant l'étanchéité.

Quel type de garniture mécanique est utilisé pour les applications à haute pression

Face à face

Dans une disposition face à face, deux joints mécaniques sont installés avec leurs faces d'étanchéité orientées l'une vers l'autre. Cette disposition est couramment utilisée dans les applications à haute pression car elle équilibre les forces hydrauliques agissant sur les faces d'étanchéité, réduisant ainsi la force de fermeture nette et la génération de chaleur. Les joints face à face offrent également un certain degré de redondance, car le deuxième joint peut servir de secours en cas de défaillance du joint principal.

Dos à dos

Les joints dos à dos sont disposés de manière à ce que leurs faces soient orientées à l'opposé l'une de l'autre, l'espace entre les joints étant généralement rempli d'un fluide tampon à une pression supérieure à celle du fluide de traitement. Cette disposition est utilisée lorsque le fluide de traitement est dangereux, toxique ou écologiquement sensible, car toute fuite du joint primaire est contenue par le fluide tampon et le joint secondaire. Les joints dos à dos nécessitent un système de fluide tampon séparé ainsi qu'une tuyauterie et une instrumentation supplémentaires.

Tandem (ou face à dos)

Les joints tandem, ou face-à-dos, combinent des éléments de dispositions face-à-face et dos-à-dos. Dans cette configuration, deux joints sont installés avec leurs faces orientées dans des directions opposées, le joint primaire faisant face au fluide de traitement et le joint secondaire faisant face à l'extérieur. L'espace entre les joints est généralement ventilé vers un endroit sûr ou connecté à un système de fluide tampon à une pression inférieure à celle du fluide de traitement. Les joints tandem offrent à la fois les avantages d'équilibrage de pression des joints face-à-face et les caractéristiques de sécurité et de confinement des joints dos-à-dos.

Facteurs affectant les performances des joints mécaniques haute pression

Pression du fluide de procédé sur les faces des joints

À mesure que la pression du fluide augmente, la force de fermeture sur les faces du joint augmente également, ce qui entraîne des charges frontales plus élevées, une génération de chaleur accrue et une usure potentiellement plus rapide. Pour contrer ces effets, les joints haute pression intègrent souvent des caractéristiques telles que des trous d'équilibrage, des rainures ou des orifices dans les faces du joint pour réduire la force de fermeture effective et maintenir un film fluide stable.

Contrôle de la température dans la chambre d'étanchéité

Les températures élevées peuvent provoquer une dilatation thermique des composants du joint, ce qui entraîne une augmentation des charges frontales et de l'usure. Une chaleur excessive peut également dégrader les propriétés lubrifiantes du film de fluide, augmentant ainsi la friction et le risque de défaillance du joint. Pour atténuer ces problèmes, les joints haute pression intègrent souvent des chemises de refroidissement, des échangeurs de chaleur ou des systèmes de thermosiphon pour évacuer la chaleur de la chambre du joint et maintenir des températures de fonctionnement stables.

Lubrification et refroidissement adéquats des faces d'étanchéité

Le film fluide entre les faces du joint agit à la fois comme lubrifiant et comme liquide de refroidissement, évacuant la chaleur de frottement et empêchant le contact direct entre les faces. Pour assurer une lubrification et un refroidissement adéquats, les joints haute pression peuvent incorporer des caractéristiques telles que des rainures en spirale, des fentes radiales ou des microstructures sur les faces du joint pour favoriser la circulation du fluide et la dissipation de la chaleur. Le choix de matériaux de face de joint ayant une bonne conductivité thermique et des propriétés autolubrifiantes, tels que le carbure de silicium ou les matériaux chargés en graphite, peut également améliorer les performances de lubrification et de refroidissement.

Systèmes de support pour applications à haute pression de garnitures mécaniques

Les joints mécaniques haute pression nécessitent des systèmes de support spécialisés pour garantir des performances et une longévité optimales. Ces systèmes aident à maintenir des conditions de fonctionnement stables, à prévenir les défaillances des joints et à prolonger leur durée de vie. L'un des composants essentiels est l'API Plan 52, qui utilise un réservoir de fluide tampon pour fournir un environnement propre, frais et sous pression aux joints.

Le système API Plan 52 fait circuler un fluide tampon compatible, tel que du glycol ou de l'huile, à travers une chambre d'étanchéité à une pression supérieure à celle du fluide de traitement. Ce différentiel de pression positif empêche le fluide de traitement de pénétrer dans la chambre d'étanchéité, minimisant ainsi la contamination et prolongeant la durée de vie des joints. Le système permet également de dissiper la chaleur générée par les joints, en maintenant une température de fonctionnement stable.

D'autres systèmes de support essentiels pour les garnitures mécaniques haute pression comprennent :

1. Lubrification adéquate de la face d'étanchéité:Une lubrification adéquate est essentielle pour réduire la friction et l'usure des faces du joint. Cela peut être réalisé en utilisant des fluides barrières, tels que de l'huile ou de la graisse, ou en intégrant des fonctions de lubrification dans la conception du joint.
2. Contrôle de la température:Le maintien d'une température constante dans la chambre d'étanchéité est essentiel pour éviter toute déformation thermique et garantir un alignement correct des faces d'étanchéité. Cela peut être réalisé grâce à l'utilisation de chemises de refroidissement, d'échangeurs de chaleur ou d'unités de contrôle de température.
3. Surveillance de la pression:La surveillance continue de la pression dans la chambre d'étanchéité permet de détecter toute anomalie ou fuite, permettant ainsi une maintenance rapide et évitant les pannes catastrophiques.

Applications des garnitures mécaniques haute pression

• Pompes centrifuges:Les joints mécaniques haute pression sont utilisés dans les pompes centrifuges manipulant des fluides haute pression, tels que les pompes à eau d'alimentation de chaudière, les pompes de pipeline et les pompes d'injection dans les puits de pétrole et de gaz.
• Compresseurs:Les joints mécaniques sont utilisés dans les compresseurs haute pression pour les gaz comme l'hydrogène, le gaz naturel et le dioxyde de carbone, ainsi que dans les compresseurs de réfrigération utilisant des réfrigérants haute pression.
• Turbines:Les joints haute pression sont utilisés dans les turbines à vapeur et à gaz pour empêcher les fuites de vapeur haute pression ou de gaz de combustion du carter de la turbine.
• Réacteurs et cuves sous pression:Les joints mécaniques sont utilisés dans les agitateurs, les mélangeurs et autres équipements rotatifs des réacteurs à haute pression et des récipients sous pression des industries de traitement chimique et pétrochimique.
• Equipements sous-marins:Les joints haute pression sont des composants essentiels des équipements de production de pétrole et de gaz sous-marins, tels que les pompes, les compresseurs et les vannes sous-marines, où ils doivent résister à des pressions extrêmes et à des conditions environnementales difficiles.
• Systèmes d'eau à haute pression:Les joints mécaniques sont utilisés dans les pompes à eau et les vannes haute pression dans des applications telles que le dessalement par osmose inverse, le nettoyage haute pression et la découpe au jet d'eau.

FAQ

Quelle est la limite de pression pour les joints mécaniques ?

En général, les joints mécaniques standard peuvent supporter des pressions allant jusqu'à environ 20 bars (290 psi), tandis que les joints haute pression sont conçus pour des pressions allant de 20 à 200 bars (290 à 2 900 psi) ou plus.