Comprendre les défauts d'étanchéité dans les machines tournantes
Défauts d'étanchéité il s'agit des dommages, de l'usure ou des défaillances pures et simples qui affectent les composants d'étanchéité chargés de retenir le lubrifiant à l'intérieur et d'empêcher les contaminants de pénétrer dans les machines tournantes. Les principales catégories sont les joints à lèvre (joints radiaux d'arbre), les joints mécaniques à face, les joints à labyrinthe et les joints toriques ; leurs défaillances se traduisent par des fuites d'huile ou de graisse, la pénétration de saletés et d'humidité, une augmentation du frottement et de l'échauffement, et — dans certains cas — une contribution à Vibrations en raison de frottements ou d'instabilités liées aux fluides. Les joints peuvent sembler être des pièces mineures, mais leur défaillance entraîne de graves conséquences : la perte de lubrification conduit à une défaillance du roulement, la contamination s'accélère porter, et sur les pompes de process, une garniture défectueuse peut entraîner une perte de produit, un rejet dans l'environnement ou un réel risque pour la sécurité.
1. Pourquoi les phoques sont plus importants qu'il n'y paraît
Un joint constitue la limite du système de lubrification et, sur les machines de production, la limite du confinement. Comme il est petit et peu coûteux par rapport au rotor ou aux roulements qu’il protège, on a tendance à le négliger ; pourtant, une grande partie des défaillances de roulements ne proviennent pas du roulement lui-même, mais du joint censé le protéger. Considérer l’état des joints comme faisant partie intégrante de surveillance de l'état... plutôt que comme un consommable à remplacer dès qu'il fuit, constitue l'un des moyens les plus économiques d'améliorer la fiabilité.
2. Les principaux types de sceaux et leurs défauts
Joints à lèvre (joints d'étanchéité radiaux pour arbres)
Joints en élastomère dotés d'une lèvre souple qui vient en contact avec l'arbre en rotation.
Common defects:
- Lip wear: La friction use progressivement le matériau de la lèvre jusqu'à ce que le contact d'étanchéité soit rompu.
- Durcissement : La chaleur ou le vieillissement durcissent l'élastomère, ce qui prive la lèvre de sa souplesse et de sa capacité d'adaptation.
- Craquage: Des fissures apparaissent sur les lèvres en raison de l'âge, de l'exposition à des produits chimiques ou d'une faux-rond de l'arbre.
- Lip tearing: les dommages résultant d'une installation mal effectuée, de défauts de l'arbre ou de vibrations excessives.
- Perte du ressort à spirale : le petit ressort qui maintient le contact avec la lèvre se casse ou se détache.
Symptômes: une fuite d'huile ou de graisse au niveau de la sortie de l'arbre, une contamination visible au niveau des roulements, une augmentation de la température des roulements due à la perte de lubrifiant, ainsi qu'une augmentation des vibrations des roulements à mesure que la contamination s'installe.
Joints d'étanchéité mécaniques
Utilisé dans les pompes et les applications à haute pression, avec deux faces rodées avec précision qui frottent l'une contre l'autre.
Common defects:
- Face wear: les surfaces de contact s'usent et les fuites s'aggravent.
- Face damage: rayures, éclats ou fissures thermiques sur les surfaces d'étanchéité.
- O-ring failure: les joints secondaires s'usent.
- Spring failure: les ressorts qui exercent une pression sur le visage se cassent ou s'affaiblissent.
- Cokéfaction et dépôts : L'accumulation de matière empêche un contact correct avec le visage.
Symptômes: fuites visibles au niveau du joint, émission de vapeur lors du scellement de fluides chauds, grincement au niveau du contact entre les faces, température élevée du joint et vibrations dues à l'instabilité du contact entre les faces.
Labyrinth Seals
Joints sans contact largement utilisés dans les turbines et les compresseurs.
Common defects:
- Tooth wear: dents du labyrinthe usées ou cassées par frottement.
- Augmentation de la garde au sol : L'usure ou la dilatation thermique augmente l'écart et réduit l'efficacité de l'étanchéité.
- Frottements : les vibrations excessives ou les mouvements de l'arbre peuvent endommager les dents.
- Dépôts : Les dépôts de calamine ou de tartre modifient les jeux.
Symptômes: une augmentation des fuites, mesurable en termes de débit ou de perte de pression, une baisse de rendement due aux fuites internes, des vibrations causées par des frottements qui peuvent, dans certains cas, entraîner tourbillon de vapeur, ainsi que des traces matérielles de contact, telles que des marques d'usure ou une décoloration due à la chaleur.
Joints toriques et joints statiques
- Déformation rémanente après compression : déformation permanente due à une compression prolongée.
- Attaque chimique : Les fluides incompatibles détériorent l'élastomère.
- Extrusion : sous l'effet de la pression, le joint torique est expulsé de sa rainure.
- Dommages thermiques : vieillissement thermique, durcissement et fissuration.
3. Causes de défaillance des joints
Usure normale
- Les joints de contact ont une durée de vie limitée, qui dépend de l'usure due au frottement.
- La durée de vie typique d'un joint à lèvre est d'environ 5 000 à 20 000 heures de fonctionnement.
- La durée de vie d'une garniture mécanique est généralement comprise entre 10 000 et 50 000 heures, selon l'application.
- Le taux d'usure dépend de l'état de surface de l'arbre, de la vitesse et de la lubrification.
Dommages à l'installation
- Le bord du joint est coupé ou endommagé lors du montage.
- Le joint n'est pas correctement positionné dans son logement.
- Les défauts à la surface de l'arbre déchirent la lèvre du joint.
- La contamination se produit lors du montage.
Conditions de fonctionnement
- Faux-rond excessif de l'arbre : excentricité ou des vibrations dépassant les capacités du joint.
- Haute température : altère les matériaux élastomères.
- Incompatibilité chimique : les fluides de process attaquent le matériau du joint.
- Environnement abrasif : les particules endommagent les surfaces d'étanchéité.
- Dry running: Une perte de lubrification au niveau du joint entraîne une usure rapide.
Problèmes mécaniques
- Vibrations excessives provenant déséquilibrer ou désalignement.
- Défauts de l'arbre telles que des rayures ou des éraflures qui abîment le bord d'étanchéité.
- Défaillance d'un roulement entraînant un mouvement excessif de l'arbre.
- Une dilatation thermique qui compromet l'étanchéité du joint.
4. Détection des défauts des joints
Indicateurs visuels
- Fuite: présence d'huile, de graisse ou de fluide de process au niveau du joint.
- Coloration : décoloration autour du joint due à des infiltrations.
- Égouttage: accumulation active de fuites sous l'équipement.
- Brumisation : un fin jet provenant d'une fuite au niveau d'un joint sous haute pression.
Indicateurs opérationnels
- Lubricant loss: un besoin récurrent de faire l'appoint d'huile ou de graisse.
- Contamination : de la saleté ou de l'humidité dans oil-analysis samples.
- Problèmes de roulements : Usure prématurée des roulements due à une contamination ou à une perte de lubrifiant
- Élévation de la température : surchauffe des roulements due à une lubrification insuffisante.
Effets des vibrations
- Le frottement des joints peut générer des vibrations dues à la friction.
- Les composantes à haute fréquence résultent du contact entre les joints.
- Dans les cas graves, sous-synchrone Les vibrations sont dues à l'instabilité du joint.
- Parmi les effets secondaires, on peut citer les vibrations des roulements dues à la contamination ou à un manque de lubrification.
Les vibrations sont subtiles et de large bande plutôt que concentrées sur une seule ligne bien définie ; c'est pourquoi il est particulièrement utile de les comparer à celles d'un appareil en bon état ligne de base on a spectre: une augmentation progressive dans la bande haute fréquence ou subsynchrone, plutôt qu'un pic à 1×, constitue la signature caractéristique liée au joint.
5. Conséquences d'une défaillance du joint
Effets immédiats
- Une perte de lubrifiant nécessitant des appoints fréquents.
- La pénétration de contaminants qui altère le lubrifiant restant.
- Fuite de produit ou rejet dans l'environnement au niveau des joints d'étanchéité.
- Risques pour la sécurité liés aux sols glissants ou à la libération de matières toxiques
Dommages secondaires
- Défaillance d'un roulement : Une lubrification inadéquate ou une contamination détruit les roulements
- Usure accélérée : La présence de particules abrasives accélère l'usure partout.
- Corrosion: La pénétration d'humidité provoque la rouille et la corrosion.
- Couplage damage: Le spray lubrifiant contamine les éléments d'accouplement élastomères
6. Prévention et entretien
Sélection appropriée
- Choisissez un type de joint adapté à l'application — en fonction de la pression, de la température, de la vitesse et de l'environnement chimique.
- Utilisez un joint de la taille et des caractéristiques appropriées.
- Respecter les exigences relatives à la finition de surface de l'arbre, généralement inférieure à 0,8 µm Ra pour les joints à lèvre.
- Choisissez l'élastomère en fonction du fluide et de la température (nitrile, Viton, PTFE, etc.).
Pratiques d'installation
- Nettoyez toutes les surfaces avant le montage.
- Utilisez des outils d'installation adaptés : des tournevis à embout, jamais de marteaux.
- Lubrifiez les lèvres du joint avant le montage.
- Protégez la lèvre en la faisant glisser sur l'arbre à l'aide d'un manchon de montage.
- Vérifiez que les pièces sont bien d'équerre et correctement positionnées.
pratiques opérationnelles
- Maintenir une bonne équilibre et alignement afin de réduire les mouvements et les vibrations de l'arbre.
- Veillez à ce que les températures de fonctionnement restent dans les limites spécifiées pour le joint.
- Assurez-vous que le lubrifiant parvienne bien jusqu'au joint.
- Éviter de contaminer la zone d'étanchéité avec des matériaux incompatibles
Remplacement préventif
- Remplacez les joints lors des opérations d'entretien programmées plutôt que d'attendre qu'ils tombent en panne.
- En général, il convient de les remplacer tous les deux à cinq ans, ou selon les recommandations du fabricant.
- Il faut toujours installer des joints neufs lors de l'ouverture d'un boîtier de roulement.
- Veillez à toujours avoir des kits de joints en stock.
7. Considérations particulières
Équipement à fortes vibrations
- Un mouvement excessif de l'arbre use rapidement les joints.
- Il est indispensable de s'attaquer aux causes profondes des vibrations pour garantir une durée de vie acceptable des joints.
- Les joints renforcés ou à ressort sont particulièrement adaptés aux applications soumises à de fortes vibrations.
Environnements extrêmes
- Haute température : Utiliser des élastomères haute température ou des joints mécaniques
- Abrasif: installer des manchons de protection et des joints d'étanchéité sur l'arbre afin d'empêcher la pénétration de particules.
- Corrosif: utiliser des matériaux résistants aux produits chimiques et des surfaces revêtues.
- Vide: utiliser des joints spéciaux à faible dégagement gazeux.
8. Dépannage des problèmes liés aux joints
Défaillance prématurée du joint
Domaines de recherche :
- Vérifier l'état de la surface de l'arbre : rugosité, rayures, corrosion.
- Vérifiez le faux-rond de l'arbre, car un faux-rond excessif use rapidement les joints.
- Mesurez les niveaux de vibrations, car des vibrations importantes réduisent la durée de vie des joints.
- Vérifiez que la température de fonctionnement se situe dans les limites spécifiées pour le joint.
- Vérifiez s'il existe des incompatibilités chimiques.
- Examinez les méthodes d'installation utilisées.
- Vérifiez que le type et la taille du joint sont adaptés à l'application.
Fuite persistante
Causes possibles et solutions :
- Dommages à l'arbre : une rainure usée au niveau du joint → réparer l'arbre ou installer 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 : le joint est mal placé → remettez-le en place correctement.
- Damaged lip: Dommages à l'installation → remplacer et utiliser la technique appropriée
- Pression incorrecte : pression supérieure à la pression nominale du joint → utiliser un joint adapté à la pression ou réduire la pression.
9. Problèmes de vibrations liés aux joints
Frottement et instabilité des joints
- Les joints de contact peuvent générer un frottement par à-coups.
- Peut contribuer à des vibrations ou des bavardages à basse fréquence
- Les joints à fonctionnement à sec sont particulièrement sensibles aux vibrations dues au frottement.
- Les joints sans contact (labyrinthe) peuvent créer des instabilités aérodynamiques
Joint frotté
- Un mouvement excessif de l'arbre provoque un contact brutal entre le joint et l'arbre.
- Ce contact génère de la chaleur et endommage rapidement le joint.
- Un chauffage asymétrique peut entraîner un arc thermique in the shaft.
- Il en résulte souvent des vibrations et des bruits à haute fréquence — un phénomène étroitement lié à la frottement du rotor.
10. Incidence sur la fiabilité des machines
Intégrité du système de lubrification
- Les joints constituent le point critique du système de lubrification.
- La défaillance du joint entraîne une perte de lubrifiant et une pénétration de contamination
- Il en résulte une détérioration rapide des roulements.
- Cela peut entraîner une panne totale de la machine.
Protection de l'environnement
- Les joints empêchent les fuites de fluide de process au niveau des pompes et des compresseurs.
- Une défaillance peut entraîner une contamination de l'environnement.
- Les substances toxiques ou inflammables soulèvent de graves problèmes de sécurité.
- Une fuite peut entraîner des problèmes de conformité réglementaire.
11. Technologies modernes d'étanchéité
Conceptions avancées
- Joints à lèvres multiples : plusieurs lèvres d'étanchéité pour assurer la redondance.
- Expeller seals: L'action centrifuge éjecte les impuretés loin du joint.
- Magnetic seals: un fluide magnétique maintenu en place par un champ magnétique.
- Dry-gas seals: Joints sans contact pour compresseurs à grande vitesse.
- Joints de cartouche : des modules préassemblés qui facilitent l'installation.
Surveillance de l'état
- Systèmes de détection des fuites au niveau des joints.
- Surveillance du débit du fluide de rinçage au niveau des garnitures mécaniques.
- Surveillance de la température au niveau du joint.
- Surveillance des vibrations pour détecter rapidement les problèmes liés aux joints.
12. L'application pratique du principe de vibration — et le Balanset-1A
La mesure la plus efficace qu'une équipe de maintenance puisse prendre pour prolonger la durée de vie des joints consiste à veiller à ce que l'arbre ne vibre pas. En effet, la plupart des défaillances prématurées des joints sont dues à des vibrations excessives de l'arbre causées par déséquilibrer, désalignement ou des roulements usés, le fait de s'attaquer à ces causes profondes permet de protéger le joint de manière bien plus fiable que de simplement remplacer ce dernier. Un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A permet à un technicien de vérifier sur place si les vibrations se situent dans une plage acceptable sévérité bande, et lorsqu'un déséquilibre est détecté, le corriger sur place en équilibrage des champs le rotor dans ses propres paliers — éliminant ainsi l'excitation même qui endommageait le joint. Associée à l'analyse de l'huile et à la surveillance de la température du joint, la mesure des vibrations permet d'établir le lien entre une fuite au niveau du joint et le défaut mécanique qui en est à l'origine.
Les défauts des joints, bien qu'ils soient souvent négligés au profit des problèmes liés aux roulements ou aux rotors, ont une incidence déterminante sur la fiabilité des machines. Un choix judicieux, une installation soignée et un remplacement préventif — associés à la résolution des causes profondes des défaillances prématurées, telles que les vibrations, le faux-rond et la contamination — permettent aux joints de remplir leurs fonctions essentielles de rétention du lubrifiant et de protection contre la contamination tout au long de leur durée de vie prévue.
