Comprendre les défauts d'étanchéité dans les machines tournantes
Définition : Que sont les défauts d’étanchéité ?
Défauts d'étanchéité Les dommages, l'usure ou les défaillances des composants d'étanchéité qui empêchent les fuites de lubrifiant et empêchent les contaminants de pénétrer dans les machines tournantes. Les types de joints courants comprennent les joints à lèvre (joints radiaux d'arbre), les joints mécaniques à face, les joints labyrinthe et les joints toriques. Les défauts de joints se manifestent par des fuites d'huile ou de graisse, des infiltrations de saletés et d'humidité, une augmentation des frottements et de l'échauffement, et, dans certains cas, une contribution à vibration par frottement ou en créant des instabilités.
Bien que les joints puissent sembler être des composants mineurs, leur défaillance a de graves conséquences : la perte de lubrification entraîne une défaillance rapide des roulements, la pénétration de la contamination s'accélère porter, et dans les équipements de traitement (pompes), une défaillance des joints peut entraîner une perte de produit, une contamination de l'environnement ou des risques pour la sécurité.
Types de joints courants et leurs défauts
1. Joints à lèvre (joints d'arbre radiaux)
Joints élastomères à lèvre flexible en contact avec l'arbre rotatif :
Défauts courants
- Tenue des lèvres : Le frottement use le matériau de la lèvre, ce qui finit par perdre le contact d'étanchéité.
- Durcissement : La chaleur ou le vieillissement durcit l'élastomère, la lèvre perd sa flexibilité et sa conformabilité
- Craquage: Fissures sur les lèvres dues à l'âge, aux produits chimiques ou à un usage excessif faux-rond de l'arbre
- Déchirure des lèvres : Dommages causés par l'installation, les défauts de l'arbre ou les vibrations excessives
- Perte du ressort de la jarretière : Le ressort maintenant le contact des lèvres se casse ou tombe
Symptômes
- Fuite d'huile ou de graisse aux points de sortie de l'arbre
- Entrée de contamination (saleté visible dans la zone de roulement)
- Augmentation de la température du roulement due à la perte de lubrifiant
- Augmentation des vibrations des roulements due à la contamination
2. Joints mécaniques faciaux
Utilisé dans les pompes et les applications haute pression :
Défauts courants
- Tenue du visage : Les faces d'accouplement s'usent, augmentant les fuites
- Dommages au visage : Rayures, éclats, fissures thermiques sur les faces d'étanchéité
- Défaillance du joint torique : Les joints secondaires se détériorent
- Défaillance du ressort : Les ressorts assurant une pression frontale se brisent ou s'affaiblissent
- Cokéfaction/Dépôts : Accumulation de matière empêchant un contact correct avec le visage
Symptômes
- Fuite visible au niveau du joint
- Émission de vapeur ou de vapeur (en cas d'étanchéité de fluides chauds)
- Bruit strident dû au contact du visage
- Température de scellage élevée
- Vibration due à l'instabilité du contact avec le visage
3. Sceaux du labyrinthe
Joints sans contact dans les turbines et les compresseurs :
Défauts courants
- Usure des dents : Dents du labyrinthe usées ou cassées à cause des frottements
- Augmentation du dégagement : L'usure ou la croissance thermique augmente le jeu, réduisant ainsi l'efficacité de l'étanchéité
- Frottements : Le contact dû à des vibrations excessives ou à un mouvement de l'arbre endommage les dents
- Dépôts : Accumulation de carbone ou de tartre affectant les jeux
Symptômes
- Augmentation des fuites (débit mesurable ou perte de pression)
- Réduction de l'efficacité (fuite interne)
- Vibrations dues aux frottements (peuvent déclencher tourbillon de vapeur dans certains cas)
- Preuve de contact (marques d'usure, décoloration due à la chaleur)
4. Joints toriques et joints statiques
- Rémanence de compression : Déformation permanente due à une compression soutenue
- Attaque chimique : Fluides incompatibles dégradant l'élastomère
- Extrusion: Joint torique expulsé de la rainure sous la pression
- Dommages thermiques : Vieillissement thermique, durcissement, fissuration
Causes de défaillance des joints
Usure normale
- Les joints de contact ont une durée de vie limitée en raison de l'usure par frottement
- Durée de vie typique du joint à lèvre : 5 000 à 20 000 heures de fonctionnement
- Durée de vie de la garniture mécanique : 10 000 à 50 000 heures selon l'application
- Le taux d'usure dépend de la surface de l'arbre, de la vitesse et de la lubrification
Dommages à l'installation
- Lèvre du joint coupée ou endommagée lors de l'installation
- Le joint n'est pas correctement installé dans le boîtier
- Défauts de surface de l'arbre déchirant la lèvre du joint
- Contamination lors de l'assemblage
Conditions de fonctionnement
- Faux-rond excessif de l'arbre : Excentricité de l'arbre ou vibration dépassant la capacité du joint
- Haute température : Dégradation des matériaux élastomères
- Incompatibilité chimique : Fluides de procédé attaquant les matériaux d'étanchéité
- Environnement abrasif : Particules endommageant les faces des joints
- Fonctionnement à sec : Perte de lubrification du joint provoquant une usure rapide
Problèmes mécaniques
- Vibrations excessives provenant déséquilibrer ou désalignement
- Défauts de l'arbre (rayures, rayures) endommageant les lèvres du joint
- Défaillance du roulement permettant un mouvement excessif de l'arbre
- Croissance thermique affectant l'ajustement du joint
Détection des défauts d'étanchéité
Indicateurs visuels
- Fuite: Huile, graisse ou fluide de traitement visible à l'emplacement du joint
- Coloration : Décoloration autour du joint due à une infiltration
- Égouttage: Accumulation de fuites actives sous l'équipement
- Brumisation : Pulvérisation fine provenant d'une fuite du joint haute pression
Indicateurs opérationnels
- Perte de lubrifiant : Besoin fréquent d'ajouter de l'huile ou de la graisse
- Contamination: Saleté ou humidité dans les échantillons de lubrifiant
- Problèmes de roulement : Usure prématurée des roulements due à une contamination ou à une perte de lubrifiant
- Augmentation de la température : Échauffement des roulements dû à une lubrification inadéquate
Effets des vibrations
- Les frottements des joints peuvent créer des vibrations induites par la friction
- Composants haute fréquence provenant du contact du joint
- Dans les cas graves, vibrations sous-synchrones dues à l'instabilité du joint
- Effets secondaires : vibrations des roulements dues à la contamination ou à la perte de lubrification
Conséquences d'une défaillance du joint
Effets immédiats
- Perte de lubrifiant nécessitant un réapprovisionnement fréquent
- Entrée de contamination dégradant le lubrifiant restant
- Perte de produit ou rejet dans l'environnement (scellés de processus)
- Risques pour la sécurité liés aux sols glissants ou à la libération de matières toxiques
Dommages secondaires
- Défaillance du roulement : Une lubrification inadéquate ou une contamination détruit les roulements
- Usure accélérée : La contamination abrasive accélère toute usure
- Corrosion: L'infiltration d'humidité provoque la rouille et la corrosion
- Dommages au couplage : Le spray lubrifiant contamine les éléments d'accouplement élastomères
Prévention et entretien
Sélection appropriée
- Sélectionnez le type de joint approprié à l'application (pression, température, vitesse, compatibilité chimique)
- Utiliser la taille et les spécifications de joint correctes
- Tenir compte des exigences de finition de la surface de l'arbre (généralement < 0,8 µm Ra pour les joints à lèvre)
- Adapter l'élastomère au fluide et à la température (Nitrile, Viton, PTFE, etc.)
Pratiques d'installation
- Nettoyer toutes les surfaces avant l'installation
- Utilisez des outils d'installation appropriés (des tournevis à joint, pas des marteaux)
- Lubrifier les lèvres du joint avant l'installation
- Protéger la lèvre du joint lors du glissement sur l'arbre (utiliser un manchon d'installation)
- Vérifier l'équerrage et la bonne assise du joint
pratiques opérationnelles
- Maintenir une bonne équilibre et l'alignement (réduire le mouvement et les vibrations de l'arbre)
- Contrôler les températures de fonctionnement dans les limites de la plage d'étanchéité
- Assurer une lubrification adéquate jusqu'au joint
- Éviter de contaminer la zone d'étanchéité avec des matériaux incompatibles
Remplacement préventif
- Remplacez les joints lors de l'entretien programmé (n'attendez pas la panne)
- Intervalles de remplacement typiques : 2 à 5 ans ou selon les recommandations du fabricant
- Remplacez toujours les joints lors de l'ouverture des boîtiers de roulement
- Conservez les kits de joints dans l'inventaire des pièces de rechange
Considérations particulières
Équipement à fortes vibrations
- Un mouvement excessif de l'arbre endommage rapidement les joints
- Il faut s'attaquer aux causes profondes des vibrations pour obtenir une durée de vie acceptable des joints
- Envisagez des joints robustes ou à ressort pour les applications à fortes vibrations
Environnements extrêmes
- Haute température : Utiliser des élastomères haute température ou des joints mécaniques
- Abrasif: Manchons d'arbre de protection, joints d'expulsion pour exclure les particules
- Corrosif: Matériaux résistants aux produits chimiques, surfaces revêtues
- Vide: Joints spéciaux à faible dégazage
Dépannage des problèmes de joint
Défaillance prématurée du joint
Domaines d'investigation :
- Vérifier l'état de surface de l'arbre (rugosité, rayures, corrosion)
- Vérifiez le faux-rond de l'arbre (un faux-rond excessif détruit rapidement les joints)
- Mesurer les niveaux de vibrations (des vibrations élevées réduisent la durée de vie du joint)
- Vérifier la température de fonctionnement dans les limites de la plage d'étanchéité
- Vérifier l'incompatibilité chimique
- Examiner les pratiques d'installation
- Vérifiez le type et la taille du joint corrects pour l'application
Fuite persistante
Causes possibles et solutions :
- Dommages à l'arbre : Rainure usée dans l'arbre au niveau du joint → réparer l'arbre ou utiliser un manchon de réparation
- Faux-rond excessif : Excentricité de l'arbre → corriger le faux-rond ou utiliser un joint de plus grande capacité
- Mauvaise orientation du joint : Joint installé à l'envers → réinstaller correctement
- Lèvre du joint endommagée : Dommages à l'installation → remplacer et utiliser la technique appropriée
- Pression incorrecte : Pression dépassant la valeur nominale du joint → utiliser un joint à pression nominale ou réduire la pression
Problèmes de vibrations liés aux joints
Frottement et instabilité des joints
- Les joints de contact peuvent créer un frottement collant-glissant
- Peut contribuer à des vibrations ou des bavardages à basse fréquence
- Joints fonctionnant à sec particulièrement sujets aux vibrations de frottement
- Les joints sans contact (labyrinthe) peuvent créer des instabilités aérodynamiques
Joint frotté
- Un mouvement excessif de l'arbre provoque un contact dur entre le joint et l'arbre
- Génère de la chaleur et endommage rapidement le joint
- Peut créer arc thermique du chauffage asymétrique
- Peut produire des vibrations et du bruit à haute fréquence
Impact sur la fiabilité des machines
Intégrité du système de lubrification
- Les joints sont une limite critique du système de lubrification
- La défaillance du joint entraîne une perte de lubrifiant et une pénétration de contamination
- Entraîne une détérioration rapide des roulements
- Peut entraîner une panne complète de la machine
Protection de l'environnement
- Les joints empêchent les fuites de fluides de procédé (pompes, compresseurs)
- Une défaillance peut entraîner une contamination de l’environnement
- Préoccupations en matière de sécurité concernant les matériaux toxiques ou inflammables
- Problèmes de conformité réglementaire
Technologies d'étanchéité modernes
Conceptions avancées
- Joints multi-lèvres : Plusieurs lèvres d'étanchéité pour la redondance
- Joints d'expulseur : L'action centrifuge exclut les contaminants
- Joints magnétiques : Fluide magnétique scellé par un champ magnétique
- Joints à gaz secs : Joints sans contact pour compresseurs à grande vitesse
- Joints de cartouche : Unités pré-assemblées simplifiant l'installation
Surveillance de l'état
- Systèmes de détection de fuites de joints
- Surveillance du débit du fluide de rinçage (garnitures mécaniques)
- Surveillance de la température au niveau du joint
- Surveillance des vibrations détectant les problèmes liés aux joints
Les défauts de joints, souvent négligés par rapport aux problèmes de roulements ou de rotors, ont un impact critique sur la fiabilité des machines. Un choix, une installation et un remplacement préventif appropriés des joints, combinés à la prise en compte des causes profondes de défaillance prématurée (vibrations, faux-rond, contamination), garantissent que les joints remplissent leurs fonctions essentielles de rétention de la lubrification et d'exclusion de la contamination tout au long de leur durée de vie.
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