Un joint mécanique est un dispositif de précision qui empêche le fluide de fuir hors d'une pompe le long de l'arbre tournant, en utilisant deux faces ultra-plates (l'une tournante, l'autre fixe) pressées l'une contre l'autre avec un mince film lubrifiant entre elles.
Choisir le mauvais type et vous obtenez des fuites chroniques, des pannes répétées et des démontages imprévus de la pompe; choisir le bon et un joint peut fonctionner pendant des années sans qu'on y pense à nouveau.
Tout joint mécanique à contact axial repose sur la même paire de base: une face tournante fixée à l'arbre (ou au manchon) et une face fixe fixée au presse-étoupe ou à la chambre d'étanchéité de la pompe.
Des ressorts ou un soufflet maintiennent les deux faces rectifiées en contact avec une force légère et contrôlée. Un film microscopiquement mince du fluide du procédé se forme entre les faces et lubrifie le contact de frottement.
Sans ce film, les faces fonctionnent à sec, génèrent rapidement de la chaleur et peuvent se fissurer ou se vitrifier en quelques minutes. C'est pourquoi l'absence de lubrification des faces est considérée comme la cause racine la plus fréquente de défaillance des joints sur le terrain.
L'étanchéité secondaire (un joint torique, un segment en coin ou un soufflet) ferme l'espace entre la face tournante et l'arbre, et doit se déplacer légèrement à mesure que les faces primaires s'usent, ce qui est précisément l'endroit où les conceptions à poussoir et sans poussoir divergent.
Dans un joint à poussoir, des ressorts poussent en continu l'ensemble de la face tournante vers l'avant au fur et à mesure de l'usure des faces, et un joint secondaire glissant (O-ring ou segment) coulisse le long de l'arbre ou du manchon pour suivre ce mouvement.
Cette étanchéité secondaire glissante est simple et peu coûteuse, mais elle peut se coincer sur un arbre rayé ou piqué, et des fluides abrasifs peuvent bourrer l'interface glissante (un problème parfois appelé blocage ou fretting).
Un joint sans poussoir, ou à soufflet, remplace l'étanchéité secondaire glissante par un soufflet métallique ou élastomère qui fléchit comme un accordéon pour compenser l'usure des faces. Le soufflet assure à la fois la charge de rappel et l'étanchéité secondaire, il n'y a donc pas de composant glissant en contact avec l'arbre.
Cela rend les joints à soufflet plus tolérants aux imperfections d'arbre et aux incidents de fonctionnement à sec, au prix d'un coût unitaire plus élevé.
Un joint simple, appelé dans l'API 682 Arrangement 1, a un joint par cartouche exposé directement au fluide de procédé, qui assure également sa lubrification et son refroidissement.
C'est la configuration la plus simple et la moins coûteuse et elle convient aux fluides non dangereux, non toxiques qui présentent une lubrification raisonnable et une marge suffisante au-dessus de leur pression de vapeur pour éviter le flash aux faces.
La plupart des services pompant de l'eau, des produits chimiques doux et des applications industrielles générales utilisent des joints simples.
Lorsque le fluide de procédé est dangereux, toxique, abrasif ou un mauvais lubrifiant, un joint simple ne suffit pas, et un second joint est ajouté. L'API 682 définit deux arrangements à double joint qui sont souvent confondus :
| Arrangement | Nom courant | Pression du fluide de barrière/tampon | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Arrangement 2 | Joint en tandem | Fluide tampon à une PRESSION INFÉRIEURE à celle de la chambre d'étanchéité | Contention de secours ; le joint extérieur sert de filet de sécurité si le joint intérieur lâche |
| Arrangement 3 | Joint double (pressurisé) | Fluide de barrière à une PRESSION SUPÉRIEURE à celle de la chambre d'étanchéité | Service zéro émission pour fluides toxiques, inflammables ou non lubrifiants ; le fluide de barrière, pas le fluide de procédé, lubrifie les deux joints |
Dans un vrai joint double, le fluide de barrière pressurisé signifie aussi que le fluide de procédé ne peut jamais fuir vers l'atmosphère en fonctionnement normal, puisque tout chemin de fuite irait du fluide de barrière (à pression plus élevée) vers l'intérieur. Les deux arrangements peuvent être montés face-à-dos, dos-à-dos ou face-à-face selon l'orientation des deux cartouches de joint.
Un joint en cartouche est livré préassemblé sur son propre manchon et son propre presse-étoupe en une seule unité, avec la compression des ressorts et la position des faces déjà réglées en usine.
Cela élimine les mesures délicates sur le terrain (compression des ressorts, réglage face-épaulement) qu'exige un joint composé, et supprime une source majeure d'erreur d'installation. Les joints en cartouche permettent également aux équipes de maintenance de remplacer une unité complète, prête à fonctionner, lors d'une réparation, réduisant le temps d'arrêt de la pompe.
Pour cette raison, la plupart des joints simples, en tandem et doubles vendus aujourd'hui pour les pompes industrielles sont fournis en version cartouche.
Pour les équipes qui suivent le temps moyen entre pannes des équipements tournants, la standardisation sur les cartouches est l'une des victoires les plus simples disponibles, en complément d'une bonne pratique d' alignement d'arbre .
La plupart des défaillances de joints mécaniques se ramènent à un petit ensemble de causes racines plutôt qu'à une usure aléatoire des faces :
Parce que l'état du joint et le comportement de la pompe sont étroitement liés, détecter le symptôme en amont (augmentation des vibrations, développement d'un défaut de palier, ou restriction à l'aspiration) avant qu'il ne mette le joint à rude épreuve est généralement moins coûteux que de remplacer le joint après sa rupture.
Un choix de joint viable suit le fluide, pas la page du catalogue :
Rien de tout cela ne remplace l'observation du comportement réel du joint et de la pompe en service. Les programmes de maintenance prédictive qui ne surveillent que les vibrations ou la température peuvent tout de même manquer une suintement lent jusqu'à ce qu'il provoque l'inondation de la chambre.
Fabrico lit l'état des machines et l'OEE directement depuis la ligne avec de la vision par ordinateur qui détecte les fuites, les gouttes et les états de fonctionnement anormaux que les capteurs seuls manquent, et lorsqu'il détecte une perte en développement il génère automatiquement un ordre de travail pour l'équipe de maintenance avant que la défaillance n'escalade.
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La garniture repose sur des anneaux tressés comprimés autour de l'arbre qui fuient toujours une petite quantité contrôlée pour rester lubrifiés et refroidis. Un joint mécanique utilise deux faces plates rectifiées et est conçu pour fuir beaucoup moins, bien qu'il ait toujours besoin d'un mince film de fluide entre les faces pour survivre.
Souvent oui, si la chambre d'étanchéité et le presse-étoupe peuvent accepter une cartouche plus large et si un système d'alimentation en fluide de barrière peut être ajouté, mais cela dépend des dimensions spécifiques de la chambre d'étanchéité de la pompe et c'est un travail à faire confirmer par le fabricant du joint ou un répareur expérimenté.
Vous payez pour le manchon, le presse-étoupe et la compression des ressorts réglée en usine en une seule unité pré-testée, ce qui élimine les erreurs d'assemblage sur le terrain et accélère les changements. Sur des pompes critiques ou difficiles d'accès, le risque d'installation réduit et la baisse du temps d'arrêt justifient généralement le coût supplémentaire.
Les défaillances en début de vie sont généralement liées à l'installation : compression de ressort incorrecte, une face éraflée ou contaminée lors du montage, un élastomère incompatible avec le fluide, ou une pompe fonctionnant à sec ou en butée brièvement pendant la mise en service avant que la ligne de rinçage n'ait été vérifiée.
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