Vous êtes-vous déjà demandé comment les machines modernes conservent leur efficacité et leur fiabilité ? Cet article se penche sur le monde fascinant des joints à gaz secs, un élément essentiel de l'ingénierie mécanique. Avec l'aide d'experts de l'industrie, vous découvrirez le fonctionnement de ces joints, leurs avantages et leur impact sur les performances des machines. Préparez-vous à mieux comprendre cette technologie essentielle !
L'étanchéité à gaz sec est un nouveau type d'étanchéité d'arbre sans contact développé à partir des roulements lubrifiés au gaz à la fin des années 1960, les joints à rainure en spirale étant l'exemple le plus typique.
Après des années de recherche, la société John Crane, aux États-Unis, a été la première à introduire des produits d'étanchéité à gaz sec pour un usage industriel.
La pratique a montré que les joints secs pour gaz offrent de nombreux avantages par rapport aux joints mécaniques de contact conventionnels. Elles sont principalement utilisées dans les pipelines, les plates-formes offshore, les raffineries et l'industrie pétrochimique, et conviennent à tout système de transport de gaz.
Comme les joints secs sont des joints sans contact qui ne sont pas limités par la valeur PV, ils sont particulièrement adaptés aux grands compresseurs centrifuges dans des conditions de haute vitesse et de haute pression. L'avènement des joints secs pour gaz représente une avancée révolutionnaire dans la technologie de l'étanchéité, en résolvant les défis de l'étanchéité au gaz sans les limitations de l'huile de lubrification des joints.
En outre, les systèmes de contrôle des gaz qu'ils nécessitent sont beaucoup plus simples que les systèmes d'huile des joints à film.
En outre, l'émergence des joints à gaz sec a modifié les concepts d'étanchéité traditionnels en intégrant organiquement la technologie des joints à gaz sec aux principes des joints à barrière.
Le nouveau concept d'"utilisation du gaz comme agent d'étanchéité" remplace le concept traditionnel de "joints liquides gaz ou liquide", garantissant une fuite nulle de n'importe quel agent d'étanchéité. Cela rend les joints secs à gaz largement applicables dans le domaine des joints d'arbre de pompe.
Le tableau suivant compare les taux de fuite des joints pour gaz secs des compresseurs avec ceux d'autres joints courants :
| Type de joint | paramètre | Taux de fuite (Nm3/min) | ||
| Joint de lubrification au gaz | Joint de gaz sec | Profondeur de la fente 5 µm | 0.025 | |
| Joint d'étanchéité en carbone | Quatre groupes de 10 mm de large avec un écart de 0,05 mm | 0.37 | ||
| Joint labyrinthe | Nombre de dents 15 | 1.82 | ||
| Joint à film d'huile | Quantité de fuite d'huile d'étanchéité | |||
| Fin du média (L/min) | Fin atmosphérique (L/min) | |||
| Joint à bague flottante | 2 groupes, chacun d'une largeur de 20 mm, avec un écart de 0,05 mm | 0.12 | 0.6 | |
| garniture mécanique | Épaisseur du film d'huile 1 µm | 0.0012 | 0.0017 | |
Conditions d'essai de l'unité expérimentale : diamètre de l'arbre de 140 mm, vitesse de 5000 tr/min, pression du gaz de traitement de 0,6 MPa et pression de l'huile d'étanchéité (gaz) de 0,75 MPa.
Par rapport aux garnitures mécaniques de contact conventionnelles, les garnitures sèches à gaz offrent les principaux avantages suivants :
Comparées à d'autres garnitures mécaniques, les garnitures sèches à gaz ont une structure fondamentalement similaire. La principale différence réside dans le fait que l'une des bagues d'étanchéité d'une garniture sèche à gaz comporte des rainures peu profondes réparties uniformément. Ces rainures permettent au joint de fonctionner sans contact en générant un effet de pression dynamique des fluides pendant la rotation, séparant ainsi les surfaces d'étanchéité.
Les formes de rainures sur la face d'étanchéité des joints à gaz secs sont principalement classées en deux catégories : les types unidirectionnels et les types bidirectionnels.
Les gorges unidirectionnelles sont les plus couramment utilisées dans les compresseurs actuels. Elles ne peuvent être utilisées que dans les unités à rotation unidirectionnelle, générant une force d'ouverture dans la direction requise ; en cas d'inversion, une force d'ouverture négative peut endommager le joint.
Cependant, par rapport aux rainures bidirectionnelles, elles peuvent générer des forces d'ouverture et une rigidité du film de gaz plus importantes, offrant une plus grande stabilité et une prévention plus fiable du contact avec la face frontale, et donc utilisables à très faible vitesse et en présence de vibrations importantes.
Les rainures bidirectionnelles sont également courantes. Ce type de rainure n'a pas d'exigences en matière de direction et convient aux rotations avant et arrière sans endommager le joint. Son champ d'application est plus large que celui des rainures unidirectionnelles, mais sa stabilité et sa résistance aux interférences sont inférieures.
Grâce à des expériences répétées et à des études comparatives sur différents types de rainures de joints à gaz secs, il a été confirmé que la conception de la rainure hélicoïdale offre la plus grande rigidité du film de gaz avec une fuite minimale, ce qui permet d'obtenir le meilleur taux de fuite. Vous trouverez ci-dessous une présentation détaillée de ce type de rainure.
Le diagramme ci-dessous illustre un joint à gaz sec typique avec des rainures hélicoïdales sur la surface d'étanchéité, d'une profondeur inférieure à 10 micromètres. Lorsque le joint fonctionne, le gaz scellé est tangentiellement attiré dans les rainures hélicoïdales, se déplaçant radialement du diamètre extérieur vers le centre (c'est-à-dire le côté basse pression), limité par la digue d'étanchéité de s'écouler vers le côté basse pression.
Le gaz est comprimé lorsqu'il se déplace le long de la forme variable de la section transversale des rainures hélicoïdales, créant une zone de haute pression localisée à la racine de la rainure, séparant les faces d'extrémité de quelques micromètres pour former un film de gaz d'une certaine épaisseur.
Sous cette épaisseur de film de gaz, la force d'ouverture générée par l'action du film de gaz s'équilibre avec la force de fermeture générée par le ressort et les forces moyennes, ce qui permet au joint de fonctionner sans contact. Le film de gaz formé entre les surfaces d'étanchéité du joint à gaz sec présente une certaine rigidité positive, ce qui garantit la stabilité du fonctionnement du joint. Pour obtenir l'effet de pression dynamique du fluide nécessaire, les rainures de pression dynamique doivent être situées du côté haute pression.
Le diagramme ci-dessus montre les forces agissant sur un joint à gaz sec à gorge hélicoïdale, illustrant comment la rigidité du film de gaz assure la stabilité du fonctionnement du joint. Dans des conditions normales, la force de fermeture du joint est égale à la force d'ouverture.
Lorsque des perturbations externes se produisent (par exemple, des fluctuations de processus ou de fonctionnement), entraînant une diminution de l'épaisseur du film de gaz, la force de cisaillement visqueuse du gaz augmente, renforçant l'effet de pression dynamique du fluide généré par les rainures hélicoïdales, augmentant ainsi la pression du film de gaz et la force d'ouverture pour maintenir l'équilibre des forces et ramener le joint à son espace initial ; inversement, si le joint est perturbé et que l'épaisseur du film de gaz augmente, l'effet de pression dynamique généré par les rainures hélicoïdales s'affaiblit, réduisant la pression du film de gaz et la force d'ouverture, ce qui permet au joint de revenir à son espace initial.
Par conséquent, tant qu'il reste dans la plage de conception, lorsque les perturbations externes sont éliminées, le joint peut toujours revenir à l'espace de travail prévu, ce qui signifie que le joint à gaz sec a une fonction d'auto-ajustement qui garantit un fonctionnement stable et fiable.
Le principal indicateur de la stabilité du joint est la rigidité du film de gaz généré, qui est le rapport entre la variation de la force du film de gaz et la variation de l'épaisseur du film de gaz. Plus la rigidité du film de gaz est importante, plus la résistance aux interférences du joint est forte et plus son fonctionnement est stable.
Il existe différentes formes structurelles globales de joints secs pour gaz, adaptées à diverses conditions de fonctionnement. Dans la pratique, les joints secs pour gaz utilisés dans les compresseurs centrifuges comprennent principalement les quatre structures suivantes :
Le joint à simple face est principalement utilisé pour les gaz non dangereux, c'est-à-dire dans les situations où une fuite mineure du gaz médian dans l'atmosphère est autorisée. Le gaz utilisé pour l'étanchéité est le gaz de traitement lui-même. Ce type de joint est couramment utilisé dans les unités importées du pays, telles que les compresseurs de dioxyde de carbone.
Le joint sec tandem pour gaz est une structure d'étanchéité à haute fiabilité opérationnelle, généralement appliquée là où une fuite mineure du gaz médian dans l'atmosphère est autorisée. Il est largement utilisé dans les unités introduites des entreprises pétrochimiques.
Un joint sec tandem peut être considéré comme deux ou plusieurs ensembles de joints secs connectés dans la même direction, bout à bout. Comme pour la structure à face unique, le gaz d'étanchéité est le gaz de traitement lui-même. En général, on utilise une structure à deux étages où le premier étage (joint primaire) supporte la totalité de la charge et l'autre étage sert de joint de secours sans perte de charge.
Le gaz de traitement qui s'échappe du joint primaire est introduit dans une torche pour y être brûlé. Une très petite quantité de gaz de traitement non brûlé s'échappe par le joint secondaire et est évacuée en toute sécurité.
En cas de défaillance du joint primaire, le joint secondaire agit comme un joint de sécurité auxiliaire, empêchant une fuite massive du fluide dans l'atmosphère.
Lorsque les fuites du fluide de traitement dans l'atmosphère ne sont pas autorisées, ni les fuites de gaz tampon dans le fluide de traitement, un joint labyrinthe intermédiaire peut être ajouté entre les deux étages d'une structure en tandem.
Cette structure est utilisée pour les gaz inflammables, explosifs et dangereux, sans fuite externe. Les exemples incluent les compresseurs de H2, les compresseurs de gaz naturel à haute teneur en H2S, les compresseurs d'éthylène, de propylène et d'ammoniac.
Outre le gaz de traitement, cette structure nécessite également un circuit d'azote supplémentaire comme gaz d'étanchéité pour le joint secondaire. Le gaz de traitement qui s'échappe du joint primaire est entièrement introduit dans une torchère pour être brûlé par de l'azote.
Tous les gaz qui s'échappent dans l'atmosphère à travers le joint secondaire sont de l'azote. En cas de défaillance du joint primaire, le joint secondaire sert également de joint de sécurité auxiliaire. Cette structure est relativement complexe, mais en raison de sa grande fiabilité, elle est devenue la configuration standard des joints d'arbre des compresseurs centrifuges à moyenne et haute pression.
Le joint à double face équivaut à deux joints à simple face disposés face à face, partageant parfois une bague rotative. Il convient aux conditions sans systèmes de torche, où une fuite mineure de gaz d'étanchéité dans le fluide de traitement est autorisée. L'introduction d'azote gazeux entre les deux jeux de joints constitue un système de blocage fiable.
La pression de l'azote gazeux est contrôlée de manière à toujours maintenir un niveau légèrement supérieur à la pression du gaz de traitement (0,2-0,3 MPa), ce qui garantit que la direction de la fuite de gaz est toujours orientée vers le fluide de traitement et l'atmosphère, empêchant ainsi le gaz de traitement de s'échapper dans l'atmosphère. La structure d'étanchéité à double face est principalement utilisée pour les gaz toxiques, inflammables et explosifs à basse pression.
Les joints d'étanchéité à gaz sec fonctionnent avec des faces sans contact pendant le fonctionnement, mais un bref contact se produit pendant les phases de démarrage et d'arrêt, ce qui nécessite l'utilisation de matériaux résistants à l'usure pour les surfaces d'accouplement.
Les matériaux utilisés pour les paires de frottement dans les joints à gaz secs sont généralement des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique, à module élastique élevé, à résistance à la traction, à conductivité thermique et à dureté, tels que le SiC ou le carbure cémenté pour la face dure, et le graphite imprégné ou le SiC pour la face molle. Les rainures dynamiques sont généralement usinées sur la surface de l'anneau dynamique.
Étant donné que la structure des joints à gaz secs n'est pas très différente de celle des joints mécaniques conventionnels, la conception des joints à gaz secs se concentre principalement sur les paramètres de la forme des rainures sur les faces du joint. Les fondements théoriques des joints à gaz secs reposent sur les principes des paliers de butée à rainure en spirale, en adhérant à l'équation de Reynolds et aux équations de Navier-Stokes.
Notre société utilise la méthode des éléments finis pour les calculs numériques, avec un logiciel propriétaire développé en interne pour calculer la distribution de la pression du film de gaz sur la surface d'étanchéité à rainures en spirale, afin de déterminer la capacité de charge, la rigidité du film de gaz et le taux de fuite de gaz du joint d'étanchéité à gaz sec.
La stabilité et la fiabilité du fonctionnement des joints à gaz sec dépendent de la rigidité du film de gaz sur la surface d'étanchéité. L'impact des paramètres du processus et des paramètres structurels de la rainure spirale sur les performances du joint se reflète principalement dans leur effet sur la rigidité du film de gaz ; plus la rigidité est grande, meilleure est la stabilité du joint.
Outre la rigidité du film de gaz, notre société se concentre également sur le taux de fuite du joint, en visant le rapport rigidité-fuite le plus élevé possible. Cela signifie que le joint possède à la fois une rigidité élevée et un faible taux de fuite. Seuls les joints pour gaz secs présentant un rapport rigidité-fuite maximal et une rigidité importante du film gazeux peuvent garantir un fonctionnement idéal, stable et à long terme.
Les paramètres structurels des rainures en spirale affectant la rigidité du film de gaz comprennent la profondeur de la rainure, l'angle de la spirale, le nombre de rainures, le rapport entre la largeur de la rainure et la largeur du déversoir, et le rapport entre la longueur de la rainure et la longueur du barrage, ce qui nécessite une optimisation à l'aide d'un logiciel spécialisé. Les paramètres du procédé qui affectent la rigidité du film de gaz sont les suivants :
Pour garantir la fiabilité du fonctionnement des garnitures à gaz sec, chaque ensemble est équipé d'un système de surveillance et de contrôle adapté. Ce système maintient le fonctionnement du joint dans son état de conception optimal. En cas de défaillance du joint, le système déclenche rapidement une alarme, ce qui permet au personnel de maintenance de résoudre rapidement le problème.
Nous présentons ici un système typique de garniture sèche à gaz tandem.
Le schéma ci-dessous illustre le système. Dans des conditions normales, un flux de gaz est prélevé à la sortie de l'unité, passant par deux étapes de filtration (avec une précision de 3μm), ce qui permet d'obtenir un gaz sec et propre. Ce gaz sert de tampon pour le joint d'étanchéité à gaz sec, entrant dans la chambre d'étanchéité.
La pression est contrôlée pour être légèrement supérieure à la pression du gaz de procédé de référence pendant les opérations normales (typiquement 50KPa), ce qui empêche les impuretés telles que la poussière et l'huile de condensation dans le gaz de procédé non raffiné de pénétrer dans la face du joint, ce qui pourrait nuire à la performance du joint à gaz sec. Le système utilise un transmetteur de pression différentielle pour mesurer la différence de pression entre le gaz tampon et le gaz de référence.
Le signal commande une vanne de régulation pneumatique à membrane située à l'entrée du gaz tampon, ajustant la pression d'entrée pour maintenir une pression différentielle constante avec le gaz de référence. La majeure partie du gaz tampon entrant dans la chambre d'étanchéité retourne dans le gaz de traitement à travers un joint labyrinthe.
Une petite partie s'échappe par le joint de gaz sec du premier étage, appelée gaz de fuite du premier étage. La majeure partie de ce gaz est brûlée en toute sécurité dans une torchère.
Un film gazeux stable, essentiel pour un fonctionnement idéal à long terme, ne peut se former que sous une pression différentielle adéquate. Le système y parvient en installant une vanne d'étranglement à la sortie du gaz de fuite du premier étage, en ajustant l'ouverture de la vanne pour générer la contre-pression appropriée. Cette vanne sert également à limiter les fuites en cas de défaillance du joint du premier étage.
En outre, de l'azote est introduit comme gaz isolant à travers un filtre et un réducteur de pression dans un joint labyrinthe ultérieur. Sa pression est légèrement supérieure à la pression de l'huile de la boîte de roulement (généralement la pression atmosphérique), ce qui crée un système d'étanchéité fiable.
Cela garantit que l'huile de lubrification provenant de la boîte à roulements ne pénètre pas dans le joint à gaz sec et empêche les gaz de processus résiduels de contaminer l'huile de lubrification dans la zone des roulements.
Une partie du gaz d'isolation pénètre dans la boîte à roulements, tandis que le reste se mélange à la petite quantité de gaz de traitement qui n'a pas été brûlée à partir du gaz de fuite de la première étape, appelé gaz de fuite de la deuxième étape. Ce dernier peut être évacué en toute sécurité dans l'atmosphère en tant que gaz inoffensif pour l'environnement.
La principale méthode pour déterminer si le joint fonctionne correctement consiste à surveiller le gaz de fuite du premier étage. En cas d'anomalie, la pression et le débit du joint de gaz sec du premier étage augmentent de manière significative.
S'il atteint une valeur d'alarme élevée prédéterminée, un transmetteur de pression envoie un signal à la salle de contrôle, déclenchant un signal d'alarme. Les opérateurs sont ainsi avertis qu'ils doivent vérifier si la pression du système de contrôle se situe dans la plage prévue.
Lorsque la quantité de fuite de gaz atteint une valeur d'alarme extrêmement élevée, cela indique que le joint d'étanchéité au gaz sec est défaillant, ce qui déclenche un arrêt du système afin d'éviter tout dommage à l'équipement.
Les joints pour gaz secs sont des composants de haute précision qui nécessitent une attention particulière lors de l'installation, du démontage et de l'utilisation. Les précautions suivantes sont généralement conseillées :
Les joints secs pour gaz, conçus pour une large gamme d'applications, ne nécessitent généralement pas d'entretien dans des conditions normales.
Cependant, il est essentiel de surveiller quotidiennement les fuites du joint. Une augmentation des fuites peut indiquer une défaillance potentielle du joint, et il convient de prêter attention aux aspects suivants :
Après des recherches et des essais approfondis, les joints secs pour gaz ont été largement adoptés dans les applications industrielles. Les exigences croissantes de l'industrie moderne en matière d'efficacité énergétique, de réduction de la consommation et de protection de l'environnement ont fait de la fiabilité, des fuites minimales, de la longévité et du fonctionnement stable des joints d'arbre des compresseurs centrifuges, qui transportent de grands volumes de gaz dangereux, une nécessité.
Comparées aux garnitures mécaniques conventionnelles à contact, les garnitures sèches à gaz offrent des avantages incomparables : une durée de vie plus longue, aucune fuite de fluide et des coûts de maintenance plus faibles. Ces avantages correspondent aux objectifs recherchés par les différents types de joints d'arbre.
Les joints d'étanchéité pour gaz secs peuvent être installés et appliqués avec succès aux compresseurs centrifuges, aux pompes centrifuges, aux réacteurs et à d'autres équipements, à condition que les deux conditions suivantes soient remplies :
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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