Qu'est-ce que le joint mécanique

Un joint mécanique est un composant essentiel des équipements rotatifs qui empêche les fuites de fluides et maintient la pression. Ces joints sont largement utilisés dans diverses industries, notamment le pétrole et le gaz, le traitement chimique et le traitement de l'eau, où ils garantissent le fonctionnement fiable et efficace des pompes, compresseurs et autres machines.

La conception et le fonctionnement des joints mécaniques ont considérablement évolué au fil des ans, les progrès de la science et de l'ingénierie des matériaux ayant permis d'améliorer les performances et la longévité. Dans cet article de blog, nous allons nous plonger dans les subtilités des joints mécaniques, en explorant leurs principes fondamentaux, leurs composants clés et leurs fonctions.

Qu'est-ce qu'un joint mécanique

Un joint mécanique est un type de dispositif d'étanchéité utilisé pour empêcher les fuites de fluides le long des arbres rotatifs, en particulier dans pompes centrifuges et autres équipements rotatifs. Il se compose de deux éléments principaux : une bague d'étanchéité fixe montée dans le corps de la pompe et une bague d'étanchéité rotative fixée sur l'arbre. Ces deux bagues forment une interface d'étanchéité, créant une barrière entre le fluide de traitement et l'atmosphère.

Les joints mécaniques constituent une alternative supérieure aux presse-étoupes traditionnels, offrant de meilleures performances d'étanchéité et des besoins de maintenance réduits. Ils sont conçus pour contenir les fluides à l'intérieur de la pompe tout en permettant à l'arbre de tourner librement, minimisant ainsi les frottements et l'usure. En scellant efficacement l'arbre de la pompe, les joints mécaniques aident à prévenir les fuites de fluide, qui peuvent entraîner une perte de produit, une contamination de l'environnement et des risques pour la sécurité.

L'étanchéité d'un joint mécanique repose sur la planéité et la douceur précises des faces du joint. Les faces rotatives et fixes du joint sont pressées l'une contre l'autre par une combinaison de forces hydrauliques et de ressorts, créant ainsi un film fluide mince entre elles. Ce film fluide agit comme une barrière, empêchant les fuites tout en lubrifiant les faces du joint pour minimiser l'usure et la friction.

Comment fonctionnent les garnitures mécaniques

Les joints mécaniques sont conçus pour contenir le fluide dans le boîtier ou le récipient d'une pompe en créant un joint entre les pièces fixes et rotatives de l'équipement. Les faces d'étanchéité primaires, constituées d'une bague d'étanchéité fixe et d'une bague d'étanchéité rotative, sont perpendiculaires à l'arbre et forment une interface d'étanchéité. Ces faces d'étanchéité sont poussées ensemble par une combinaison de forces hydrauliques provenant du fluide scellé et de la pression du ressort provenant du mécanisme à ressort du joint.

Les faces d'étanchéité primaires sont généralement constituées de matériaux durs et résistants à l'usure tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou le graphite de carbone. Ces matériaux sont usinés avec précision pour créer une surface d'étanchéité plate et lisse. Lorsque l'arbre tourne, un mince film de fluide est aspiré entre les faces d'étanchéité, les lubrifiant et empêchant tout contact direct. Ce film de fluide, ainsi que les forces hydrauliques et du ressort, contribuent à maintenir l'intégrité du joint et à empêcher les fuites.

Les joints secondaires, tels que les joints toriques, les joints à coin ou les soufflets en élastomère, sont utilisés pour assurer l'étanchéité entre les composants fixes et rotatifs de l'ensemble de garniture mécanique. Ces joints secondaires empêchent les fuites entre les faces d'étanchéité et le carter de pompe ou le manchon d'arbre. Ils s'adaptent également aux mouvements et désalignements mineurs de l'arbre, garantissant que les faces d'étanchéité primaires restent en contact correct.

Dans certaines conceptions de joints mécaniques, tels que les joints doubles ou les joints tandem, des joints supplémentaires sont utilisés pour améliorer la protection contre les fuites ou pour assurer l'étanchéité d'un fluide barrière. Le fluide barrière, qui est généralement propre et compatible avec le fluide de procédé, est maintenu à une pression plus élevée que le fluide de procédé pour éviter toute contamination et assurer la lubrification des faces d'étanchéité.

Composants des garnitures mécaniques

Les joints mécaniques sont constitués de plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour assurer une étanchéité efficace et éviter les fuites. Ces composants comprennent :

• Faces d'étanchéité primaires : les faces d'étanchéité primaires sont le cœur d'une garniture mécanique. Fabriquées à partir de matériaux tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou le graphite de carbone, ces surfaces rodées avec précision créent une interface d'étanchéité dynamique qui empêche le fluide de s'échapper le long de l'arbre rotatif. La face stationnaire est généralement montée dans le presse-étoupe ou le boîtier d'étanchéité, tandis que la face rotative est fixée à l'arbre ou au manchon d'arbre.
• Joints secondaires : Joints secondaires, également appelés joints statiques, sont responsables de l'étanchéité entre les composants fixes et de la prévention des fuites dans l'atmosphère. Ces joints peuvent être fabriqués à partir de matériaux élastomères tels que des joints toriques, des joints en V ou des cales en PTFE. Dans certaines conceptions, des soufflets métalliques ou élastomères sont utilisés comme joints secondaires pour s'adapter aux mouvements de l'arbre et assurer une étanchéité supplémentaire.
• Mécanisme à ressort : Le mécanisme à ressort applique une force constante sur les faces du joint primaire, garantissant un contact et une étanchéité corrects. Cette force est essentielle pour maintenir l'espace entre les faces du joint et s'adapter à tout désalignement de l'arbre ou à tout réglage axial de l'arbre. Les types de ressorts courants comprennent les ressorts hélicoïdaux, les ressorts ondulés et les soufflets métalliques.
• Matériel de support : les joints mécaniques s'appuient sur divers composants de support pour fonctionner efficacement. Il s'agit notamment de presse-étoupes, de bagues de retenue, de colliers d'entraînement et de goupilles anti-rotation. Le presse-étoupe fournit une surface de montage pour la face d'étanchéité fixe et aide à aligner les composants d'étanchéité. Les bagues de retenue et les colliers d'entraînement fixent les composants rotatifs à l'arbre, tandis que les goupilles anti-rotation empêchent la rotation indésirable de la face d'étanchéité.

Fonctions des garnitures mécaniques

Fonction d'étanchéité principale

La fonction principale d'un joint mécanique est de contenir le fluide de traitement dans la pompe ou l'équipement et d'empêcher les fuites le long de l'arbre rotatif. Les faces d'étanchéité primaires créent une interface d'étanchéité dynamique qui maintient un film fluide mince entre les faces stationnaires et rotatives. Ce film fluide, généré par l'action de pompage et la géométrie de la face d'étanchéité, empêche le contact direct entre les faces et minimise l'usure tout en permettant une étanchéité efficace.

Etanchéité et alignement d'arbres

Les joints mécaniques assurent une étanchéité efficace autour des arbres rotatifs, s'adaptant aux vitesses des arbres et permettant un mouvement limité de l'arbre. Les composants du joint, tels que les joints secondaires et le mécanisme à ressort, permettent un certain degré de désalignement de l'arbre et de réglage axial de l'arbre tout en maintenant un environnement d'étanchéité approprié.

Compatibilité et confinement des fluides

Les joints mécaniques sont conçus pour gérer une large gamme de fluides, notamment l'eau, les hydrocarbures, les produits chimiques et les liquides abrasifs. Les matériaux des faces d'étanchéité et les joints secondaires sont sélectionnés en fonction de leur compatibilité avec le fluide de traitement, garantissant ainsi des performances d'étanchéité et une longévité optimales.

Gestion de la pression et de la température

Les joints mécaniques sont capables de fonctionner sur une large plage de pressions et de températures. Les composants du joint, tels que les faces d'étanchéité primaires, les joints secondaires et le matériel de support, sont conçus pour résister aux exigences spécifiques de pression et de température de l'application. Dans les applications à haute pression, des conceptions de joints équilibrées sont souvent utilisées pour minimiser la force de fermeture sur les faces d'étanchéité, réduisant ainsi l'usure et prolongeant la durée de vie du joint.

Avantages de l'utilisation de joints mécaniques

Taux de fuite réduits

L'un des principaux avantages des garnitures mécaniques est leur capacité à réduire considérablement les taux de fuite par rapport aux méthodes de garniture traditionnelles. L'interface d'étanchéité dynamique créée par les faces d'étanchéité primaires minimise les fuites de fluide, garantissant ainsi un confinement efficace du fluide de traitement. Cette réduction des fuites améliore non seulement l'efficacité globale du système de pompage, mais minimise également l'impact environnemental et renforce la sécurité sur le lieu de travail.

Coûts de maintenance réduits

Les joints mécaniques offrent des coûts de maintenance inférieurs à ceux des autres méthodes d'étanchéité, telles que la garniture d'étanchéité. Les composants de précision et les matériaux de surface d'étanchéité avancés utilisés dans les joints mécaniques permettent une durée de vie plus longue et une usure réduite, minimisant ainsi le besoin de remplacement fréquent des joints. De plus, les taux de fuite réduits associés aux joints mécaniques aident à prévenir les dommages aux roulements et aux autres composants de la pompe, réduisant ainsi encore les besoins et les coûts de maintenance.

Efficacité opérationnelle accrue

L'utilisation de garnitures mécaniques contribue à accroître l'efficacité opérationnelle des systèmes de pompage. En maintenant un environnement d'étanchéité approprié et en minimisant les fuites, les garnitures mécaniques réduisent la consommation d'énergie et améliorent les performances globales de la pompe. L'étanchéité efficace assurée par les garnitures mécaniques contribue également à prévenir la contamination du fluide de traitement, à maintenir la qualité du produit et à réduire le risque de perturbation du processus.

Longévité et durabilité

Les joints mécaniques sont conçus pour durer et durer longtemps, offrant une durée de vie prolongée dans les applications exigeantes. Les matériaux de haute qualité utilisés dans la construction des joints, tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène et les plastiques techniques, offrent une excellente résistance à l'usure et une excellente compatibilité chimique. La conception robuste des joints mécaniques, combinée à une installation et une maintenance appropriées, garantit des performances d'étanchéité fiables sur une période prolongée, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts de remplacement.

Types de joints mécaniques

Joints simples

Les joints mécaniques simples, également appelés joints de composants, sont constitués d'un seul ensemble de faces de joint qui fournissent une interface d'étanchéité dynamique entre l'arbre rotatif et le boîtier fixe. Ces joints sont généralement utilisés dans des applications avec des fluides propres et non abrasifs et des conditions de température et de pression modérées.

Les joints simples peuvent être équilibrés ou déséquilibrés, en fonction de la répartition de la pression sur les faces du joint. Les joints équilibrés ont une pression égale des deux côtés des faces du joint, ce qui réduit l'usure et prolonge la durée de vie du joint. Les joints déséquilibrés ont une pression plus élevée d'un côté, ce qui peut entraîner une usure accrue et une durée de vie du joint plus courte.

Doubles joints

Garnitures mécaniques doubles Les joints d'étanchéité sont dotés de deux jeux de faces d'étanchéité, offrant une couche de protection supplémentaire contre les fuites. L'espace entre les deux jeux de faces d'étanchéité est rempli d'un fluide barrière, qui peut être un liquide ou un gaz. Le fluide barrière sert à lubrifier et à refroidir les faces d'étanchéité, ainsi qu'à empêcher le fluide de traitement de pénétrer dans l'atmosphère.

Les joints doubles sont couramment utilisés dans les applications avec des fluides dangereux, toxiques ou coûteux, où les fuites doivent être minimisées. Ils peuvent également être utilisés dans des applications à haute pression ou à haute température, où un seul joint peut ne pas offrir des performances d'étanchéité adéquates.

Joints à poussoir et joints sans poussoir

Les joints à poussoir, également appelés joints conventionnels, utilisent un mécanisme à ressort pour maintenir le contact entre les faces du joint. Le ressort pousse la face du joint rotatif contre la face du joint fixe, assurant ainsi une étanchéité parfaite. Les joints à poussoir sont largement utilisés en raison de leur simplicité et de leur rentabilité.

Les joints sans poussée, tels que les joints à soufflet et les joints à soufflet métalliques, utilisent un élément flexible pour maintenir le contact entre les faces du joint. L'élément flexible, généralement constitué de matériaux élastomères ou métalliques, agit à la fois comme ressort et comme joint secondaire. Les joints sans poussée offrent de meilleures performances dans les applications avec un faux-rond ou un désalignement important de l'arbre, car l'élément flexible peut s'adapter à ces irrégularités.

Joints à cartouche

Les joints à cartouche sont des unités pré-assemblées qui combinent tous les composants d'un joint mécanique dans un seul ensemble facile à installer. Ils se composent des faces d'étanchéité, des joints secondaires, du mécanisme à ressort et du matériel de support, le tout logé dans un seul ensemble.

Les joints à cartouche offrent plusieurs avantages par rapport aux joints à composants, notamment une installation plus facile, une fiabilité améliorée et des coûts de maintenance réduits. Ils sont particulièrement utiles dans les applications où un remplacement fréquent des joints est nécessaire, car ils peuvent être installés rapidement et facilement sans nécessiter d'outils ou d'expertise spécialisés.

Joints fendus

Joints fendus sont conçus pour être installés autour d'un arbre sans qu'il soit nécessaire de démonter complètement l'équipement. Ils se composent de deux ou plusieurs pièces qui peuvent être assemblées autour de l'arbre, ce qui les rend idéales pour les applications où le remplacement des joints doit être effectué rapidement et avec un temps d'arrêt minimal.

Les joints fendus sont couramment utilisés dans les équipements volumineux et coûteux tels que les pompes, les compresseurs et les agitateurs, où un démontage complet serait long et coûteux. Ils sont également utiles dans les applications où l'équipement ne peut pas être facilement déplacé ou accessible, comme dans les installations souterraines ou offshore.

Applications des garnitures mécaniques

Pétrole et Gaz

Dans l'industrie pétrolière et gazière, les joints mécaniques sont utilisés dans les pompes et les compresseurs qui manipulent des hydrocarbures, des fluides de forage et d'autres fluides de traitement. Ces joints sont conçus pour résister aux pressions, aux températures et aux conditions abrasives élevées couramment rencontrées dans ce secteur. Les joints mécaniques spécialisés, tels que les joints API 682, sont conçus pour répondre aux exigences strictes de l'industrie pétrolière.

Traitement chimique

Les usines de traitement chimique utilisent des joints mécaniques pour contenir et empêcher les fuites de divers produits chimiques, solvants et réactifs. Ces joints doivent être compatibles avec les fluides de traitement et résister à la corrosion, à l'érosion et aux attaques chimiques. Des joints mécaniques doubles avec fluides barrières sont souvent utilisés pour fournir une couche de protection supplémentaire contre les fuites et garantir la conformité aux réglementations environnementales.

Traitement de l'eau

Dans les applications de traitement de l'eau, les joints mécaniques jouent un rôle crucial dans l'étanchéité des pompes et autres équipements de traitement de l'eau, des eaux usées et de divers produits chimiques de traitement. Ces joints doivent pouvoir résister à l'exposition au chlore, aux acides et à d'autres substances corrosives tout en empêchant la contamination de l'approvisionnement en eau. Les joints à cartouche sont couramment utilisés dans cette industrie en raison de leur facilité d'installation et d'entretien.

Nourriture et boisson

L'industrie agroalimentaire exige des joints mécaniques qui répondent à des normes strictes d'hygiène et de salubrité. Ces joints doivent être conçus pour empêcher la croissance bactérienne, résister aux cycles fréquents de nettoyage et de stérilisation et maintenir la pureté du produit. Les joints mécaniques simples et doubles fabriqués à partir de matériaux approuvés par la FDA, tels que l'acier inoxydable et les élastomères spéciaux, sont largement utilisés dans ce secteur pour garantir la sécurité des produits et le respect des réglementations.