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29/11/2017 - VALERIE COUPLEZ

LES FUITES SONT NECESSAIRES POUR LE REFROIDISSEMENT ET LA LUBRIFICATION

Les joints d’étanchéité mécaniques sous la loupe

Celui qui parcourt le top cinq des causes de défauts sur les pompes, y retrouvera toujours des problèmes avec le joint d’étanchéité sur l’axe. Nul besoin de démontrer qu’il vaut mieux les traiter avec attention pour garantir une longue durée de vie. Car vous avez à l’heure actuelle un choix énorme de matériels et de types. Un aperçu.

LE CONTEXTE

Chaque application industrielle nécessite quelque part un joint d’étanchéité. Ils existent dans une diversité de formes et formats pour s’ajuster partout. Sur les pompes, ils rendent étanche la sortie de l’axe rotatif dans le carter de pompe. Ce faisant, les fluides pompés ne pourront pas, ou seulement de façon extrêmement minime, s’échapper de la pompe.

Par le passé, on cherchait surtout refuge dans les matériels de garniture, comme un joint de presse-étoupe ou mieux connu comme corde de graisse. Ce genre de joints d’axe a toutefois besoin d’un niveau acceptable de fuite pour garder la garniture bien lubrifiée et refroidie. Par ailleurs, ils exigent une grande attention, parce que le poussoir du joint de presse-étoupe doit être tourné régulièrement. Trop sec, ceci peut entraîner une combustion. La quantité de produit ou d’eau perdue pendant la production (parce que la fuite est conséquente pour créer une bonne lubrification) augmente fortement, parce que les pompes tournent souvent 24 sur 7. C’est pourquoi on a cherché des alternatives ‘plus sèches’. Les joints mécaniques ont apporté le soulagement. Ils sont normalisés selon DIN 24960 qui fixe les cotes d’encastrement et les codages de matériel. Ceci fait que les joints d’étanchéité mécaniques de différents fournisseurs sont interchangeables.

CONSTRUCTION ET FONCTIONNEMENT

Les joints d’étanchéité mécaniques ont soufflé cent bougies en 2015. Ils sont constitués d’une chambre de scellage et de deux bandes de roulement ou plus (ou bagues de frottement), l’une contre l’autre. Une bande de roulement tournera avec l’axe, tandis que l’autre est stationnaire dans le carter de pompe et prend la position de la préchambre du joint d’étanchéité. Ces bandes de roulement sont comprimées l’une sur l’autre par des forces hydrauliques et mécaniques, et gardent ainsi le liquide à l’intérieur. Entre les deux bandes de roulement se trouve une fente d’étanchéité qui comporte un film de graissage qui combat le frottement et garantit donc le fonctionnement du joint d’étanchéité. Pour veiller à ce que les deux bandes de roulement restent comprimées l’une sur l’autre en toute situation, il faut du reste des éléments élastiques.
Ils veillent à ce que les deux bandes de roulement ne soient jamais perpendiculaires l’une à l’autre: la partie rotative adopte la position de l’axe, la partie stationnaire celle de la chambre de scellage. Les matériaux qui constituent l’étanchéité, sont, en effet, sujets au retrait et à la dilatation. Les éléments élastiques évitent donc que les bandes de roulement se déplacent en oblique et que des fuites apparaissent.
Il existe divers types de ressorts qui assurent la bonne précontrainte du rotor: ressort conique, ressort parallèle, wave spring, ressorts multispring et les metalbellow seals. La flexibilité de l’étanchéité élastique compense en partie les mouvements axiaux et radiaux de l’axe d’entraînement. Par ailleurs, deux joints d’étanchéité stationnaires sont encore présents, le plus souvent des joints toriques et/ou anneaux en V. Le tout est enfin complété par un autre matériel comme des gaines d’axe, des cols, une bague à bride, …

Bandes de roulement

Les bandes de roulement constituent donc l’étanchéité primaire et méritent l’attention. Le plus souvent, les bandes de roulement sont constituées de plusieurs matériaux: une bande de roulement dure et une bande de roulement tendre ou sacrifiée, ou deux combinaisons de bande de roulement (par exemple, un produit cristallisant). Ceci empêchera que les bandes de roulement adhèrent l’une à l’autre. Une bonne conductibilité de la chaleur est primordiale.

On utilise souvent du graphite carbone aux propriétés antifrottement. Pour les matériaux durs, le choix se porte dans la plupart des cas sur la céramique, le carbure de silicium ou le carbure de tungstène. Le choix final sera dicté par le fluide pompé, la température, la pression et la vitesse de rotation de l’axe. Si, p.ex., on doit travailler avec un produit abrasif, on optera plus vite pour deux surfaces dures. Les liquides chimiques ou mordants demandent des matériaux ayant la bonne résistance. Ceci fait que les étanchéités mécaniques sont souvent un compromis entre diverses exigences.

Fente d’étanchéité

Comme relevé, les joints d’axe mécaniques ont besoin d’un graissage pour garantir leur bon fonctionnement. La fente d’étanchéité est dès lors cruciale. Sa largeur précise dépend de plusieurs paramètres: la qualité des surfaces de glissement, la pression à étanchéifier, mais aussi la vitesse de glissement.

AVANTAGES ET DESAVANTAGES

Bien que la fuite ne soit qu’une fraction de ce que perdent les étanchéités d’axe quelque peu ‘plus anciennes’ comme un joint de presse-étoupe, elle est bel et bien indispensable. En effet, elle doit veiller au graissage et au refroidissement indispensables. Mais la quantité est si limitée qu’elle n‘est pas visible à l’œil nu. Le liquide libéré s’évaporera même juste avant de quitter la pompe. On parle aussi d’un fonctionnement sans fuites. La fuite sera bel et bien visible s’il s’agit d’un fluide qui s’évapore difficilement, comme l’huile.

Alors, le joint d’étanchéité mécanique deviendra p.ex. graisseux. Quand la pompe semble toutefois clairement perdre du liquide, cela indique une usure avancée ou une défectuosité. Un second atout des joints d’étanchéité mécaniques est leur large applicabilité. Ils supportent de nombreux fluides, vitesses de glissement et plages de pression et de température. D’autres avantages sont le design compact et la facilité d’entretien.

Contrairement aux autres systèmes d’étanchéité, ils s’intègrent aussi dans les pompes à régulation de fréquence, ce qui fait quand même une sacrée différence en termes d’efficacité énergétique et de durabilité. On doit bel et bien tenir compte du fait que la pompe devra être en partie démontée lors d’une réparation ou du remplacement d’une étanchéité mécanique. Ceci demande aussi un personnel qualifié, certainement dans les exécutions complexes. Quoiqu’il existe aussi des variantes qui se remplacent plus facilement, mais sont plus coûteuses.

TYPES DE JOINTS MECANIQUES

L’utilisateur a le choix entre plusieurs types de joints d’étanchéité mécaniques, selon l’application visée. Ils sont abordés ci-dessous. Dans certains cas, un simple joint d’étanchéité ne suffira toutefois pas. Songez par exemple au traitement de substances toxiques ou dangereuses, pour lesquelles aucune fuite pour le graissage ne peut se produire. Mais les substances abrasives réclament aussi une attention accrue.

En effet, elles entraînent une plus grande usure ou assèchent la fente d’étanchéité. Il existe des joints d’étanchéité composés pour ces cas-là (joints d’étanchéité en cartouche, simples ou doubles): deux sets entre lesquels un liquide de barrage assure le refroidissement et la lubrification des bandes de roulement. Il est évident qu’une double exécution peut signifier un coût d’investissement plus élevé, mais gardez surtout une vue d’ensemble (coûts d’entretien et temps morts) lors d’une décision.

Pusher type

Sur ces étanchéités mécaniques se déplace un joint d’étanchéité secondaire de façon axiale le long de l’axe. De cette manière, il garde la pression sur les bandes de roulement, ce qui fait que l’étanchéité peut compenser l’usure ou un alignement moins précis de l’axe. Ceci est le type le moins cher, avec une large disponibilité dans toutes sortes de formats et de conceptions. On doit bel et bien tenir compte du fait que le joint d’étanchéité supplémentaire peut aussi ronger l’axe quand un produit abrasif y est traité, ou s’obstruer.

Non-pusher type

Les étanchéités secondaires ne suivent en aucun cas le mouvement. Au lieu de cela, on tente de compenser l’usure de la bande de roulement par un soufflet en élastomère ou en métal. Ceci induit un coût plus élevé, mais permet de travailler dans des applications à basses températures et haute pression. Des environnements corrosifs réclament des joints d’étanchéité mécaniques plus grands. Sans cela, le matériau du soufflet deviendrait trop mince pour résister à l’environnement.

Type équilibré

Ce type de joint d’étanchéité mécanique tient compte de la pression sur les bandes de roulement qui entraîne avec elle la pression dans le système. La pression que le produit peut exercer côté produit sur le joint, occupe une plus petite surface qu’avec un joint déséquilibré. Avec un joint équilibré, la pression sur les bandes de roulement est donc moins influencée par une pression plus élevée côté produit par rapport à un joint déséquilibré, voir illustrations ci-dessous. Comme elles génèrent moins de chaleur, elles sont le choix idéal pour les liquides avec une faible capacité lubrifiante ou une haute pression d’évaporation. Le montage de joints équilibrés est souvent perçu comme pénible, vu qu’ils doivent être montés avec des vis de réglage sur l’axe.

C’est pourquoi il existe aussi un type de joint équilibré conçu avec des traits indicatifs sur le côté, ce qui simplifie l’installation et permet de toujours atteindre la bonne précontrainte.

Type déséquilibré

Bien que les joints d’étanchéité équilibrés soient apparus pour supprimer bon nombre des manquements des joints d’étanchéité déséquilibrés, il reste un marché pour les deux. En effet, les joints d’étanchéité déséquilibrés sont nettement moins chers, réduiront les fuites et sont particulièrement fiables. Ils ne prestent que sous une basse pression (souvent maximum 10 à 12 bars), mais se prêtent parfaitement aux applications aux conditions extrêmes: vibrations, alignement incorrect de l’axe de la pompe ou grande cavitation dans le fluide.

Type cartouche

Les joints d’étanchéité cartouche sont constitués de joints d’étanchéité mécaniques prémontés sur une gaine d’axe qui peut être installée entièrement sur l’axe ou la gaine d’axe. Leur montage est dès lors particulièrement simple, ce qui est un plus pour une plus longue tenue, étant donné que le risque d’une installation moins optimale est nettement réduit. Ils sont disponibles simples ou doubles. On ne s’étonnera pas de leur coût d’achat plus élevé, mais la contrepartie est que les coûts d’entretien sont bien plus faibles.

Pour pouvoir appliquer un joint d’étanchéité cartouche, on doit bel et bien disposer d’un espace suffisant dans le carter de pompe. Souvent, les joints d’étanchéité en cartouche sont combinés avec un réservoir à thermosiphon, qui veille à ce que le joint d’étanchéité ait toujours la bonne lubrification et capacité de refroidissement. Il en existe la variante sans pression et les systèmes sous pression, pour lesquels on peut également créer une surpression et/ou une dépression dans le joint d’étanchéité en cartouche.