Les joints d'étanchéité à double piston pour pompes de surpression, dérivés de la technologie des joints d'étanchéité pour compresseurs, sont de plus en plus répandus dans le secteur des joints d'arbre. Ces joints garantissent l'absence de rejet du liquide pompé dans l'atmosphère, réduisent la résistance au frottement sur l'arbre de la pompe et fonctionnent avec un système de support simplifié. Ces avantages permettent de réduire le coût global du cycle de vie de la solution.
Ces joints fonctionnent grâce à l'introduction d'une source externe de gaz sous pression entre les surfaces d'étanchéité interne et externe. La topographie particulière de la surface d'étanchéité exerce une pression supplémentaire sur le gaz barrière, provoquant la séparation des surfaces et leur mise en suspension dans le film de gaz. Les pertes par frottement sont minimes puisque les surfaces d'étanchéité ne sont plus en contact. Le gaz barrière traverse la membrane à faible débit, s'évaporant sous forme de fuites, principalement à travers les surfaces d'étanchéité externes. Les résidus s'infiltrent dans la chambre d'étanchéité et sont finalement évacués par le flux de procédé.
Tous les joints hermétiques doubles nécessitent un fluide sous pression (liquide ou gaz) entre les surfaces interne et externe du joint mécanique. Un système de support est nécessaire pour acheminer ce fluide jusqu'au joint. À l'inverse, dans un joint double sous pression lubrifié par liquide, le fluide barrière circule du réservoir à travers le joint mécanique, où il lubrifie les surfaces d'étanchéité, absorbe la chaleur, puis retourne au réservoir pour dissiper la chaleur absorbée. Ces systèmes de support de joints doubles sous pression sont complexes. Les charges thermiques augmentent avec la pression et la température du procédé et peuvent engendrer des problèmes de fiabilité si elles ne sont pas correctement calculées et réglées.
Le système de support à double joint d'air comprimé est compact, ne nécessite pas d'eau de refroidissement et requiert peu d'entretien. De plus, lorsqu'une source fiable de gaz de protection est disponible, sa fiabilité est indépendante de la pression et de la température du procédé.
En raison de l'adoption croissante des joints d'étanchéité à double pression pour pompes sur le marché, l'American Petroleum Institute (API) a ajouté le programme 74 dans le cadre de la publication de la deuxième édition de l'API 682.
Un système de support de programme (Plan 74) est généralement composé d'un ensemble de manomètres et de vannes montés sur panneau. Ce système purge le gaz barrière, régule la pression en aval et mesure la pression et le débit de gaz vers les garnitures mécaniques. En suivant le parcours du gaz barrière à travers le panneau Plan 74, le premier élément est le clapet anti-retour. Celui-ci permet d'isoler l'alimentation en gaz barrière de la garniture pour le remplacement de l'élément filtrant ou la maintenance de la pompe. Le gaz barrière traverse ensuite un filtre coalescent de 2 à 3 micromètres (µm) qui retient les liquides et les particules susceptibles d'endommager la topographie de la surface de la garniture, créant ainsi un film de gaz à sa surface. Viennent ensuite un régulateur de pression et un manomètre permettant de régler la pression d'alimentation en gaz barrière de la garniture mécanique.
Les joints d'étanchéité à double pompe à gaz nécessitent que la pression d'alimentation en gaz barrière soit égale ou supérieure à une pression différentielle minimale par rapport à la pression maximale dans la chambre d'étanchéité. Cette chute de pression minimale varie selon le fabricant et le type de joint, mais est généralement d'environ 30 livres par pouce carré (psi). Le pressostat permet de détecter tout problème de pression d'alimentation en gaz barrière et de déclencher une alarme si la pression descend en dessous de la valeur minimale.
Le fonctionnement du joint est contrôlé par le débit de gaz barrière, mesuré à l'aide d'un débitmètre. Tout écart par rapport aux débits de gaz barrière indiqués par les fabricants de joints mécaniques révèle une baisse des performances d'étanchéité. Cette baisse de débit peut être due à la rotation de la pompe ou à une migration de fluide vers la face du joint (provenant d'un gaz barrière ou d'un fluide de procédé contaminés).
Souvent, suite à de tels incidents, les surfaces d'étanchéité s'endommagent, entraînant une augmentation du débit de gaz barrière. Des surpressions dans la pompe ou une perte partielle de pression du gaz barrière peuvent également endommager la surface d'étanchéité. Des alarmes de débit élevé permettent de déterminer le moment opportun pour intervenir et corriger un débit de gaz excessif. Le seuil de déclenchement de cette alarme se situe généralement entre 10 et 100 fois le débit normal de gaz barrière ; il n'est généralement pas défini par le fabricant de la garniture mécanique, mais dépend de la marge de fuite de gaz admissible par la pompe.
On utilise traditionnellement des débitmètres à section variable, et il est fréquent de connecter en série des débitmètres à faible et à forte plage de mesure. Un détecteur de débit élevé peut alors être installé sur le débitmètre à forte plage pour déclencher une alarme de débit élevé. Les débitmètres à section variable ne peuvent être étalonnés que pour certains gaz, à certaines températures et pressions. En cas de variations de température entre l'été et l'hiver, le débit affiché n'est pas une valeur précise, mais reste proche de la valeur réelle.
Avec la publication de la 4e édition de la norme API 682, les mesures de débit et de pression sont passées de l'analogique au numérique avec affichage local. Les débitmètres numériques peuvent être utilisés comme débitmètres à section variable, convertissant la position du flotteur en signaux numériques, ou comme débitmètres massiques, convertissant automatiquement le débit massique en débit volumique. La particularité des transmetteurs de débit massique est qu'ils fournissent des sorties compensées en pression et en température afin de garantir le débit réel dans des conditions atmosphériques normales. Leur principal inconvénient est leur coût, plus élevé que celui des débitmètres à section variable.
L'utilisation d'un transmetteur de débit pose problème car il est difficile de trouver un modèle capable de mesurer le débit de gaz barrière en fonctionnement normal et aux seuils d'alarme de débit élevé. Les capteurs de débit possèdent des valeurs maximales et minimales mesurables avec précision. Entre un débit nul et la valeur minimale, la mesure peut être imprécise. De plus, pour un modèle de transducteur donné, le débit minimal augmente avec le débit maximal.
Une solution consiste à utiliser deux transmetteurs (un basse fréquence et un haute fréquence), mais cette option est coûteuse. La seconde méthode consiste à utiliser un capteur de débit pour la plage de débit de fonctionnement normale et un pressostat de débit élevé associé à un débitmètre analogique à grande plage de mesure. Le dernier élément traversé par le gaz barrière est le clapet anti-retour avant sa sortie du panneau et son raccordement au joint mécanique. Ce dispositif est indispensable pour empêcher le reflux du liquide pompé dans le panneau et l'endommagement de l'instrument en cas de perturbations anormales du processus.
Le clapet anti-retour doit avoir une faible pression d'ouverture. Un mauvais choix ou un débit de gaz barrière insuffisant au niveau du joint d'étanchéité de la pompe à double pression peuvent entraîner des pulsations du débit de gaz barrière dues à l'ouverture et à la fermeture du clapet anti-retour.
L'azote industriel est généralement utilisé comme gaz barrière car il est facilement disponible, inerte et ne provoque aucune réaction chimique indésirable dans le liquide pompé. D'autres gaz inertes, comme l'argon, peuvent également être utilisés. Lorsque la pression de gaz de protection requise est supérieure à celle de l'azote industriel, un surpresseur permet d'augmenter la pression et de stocker le gaz haute pression dans un réservoir raccordé à l'entrée du panneau Plan 74. L'utilisation de bouteilles d'azote est généralement déconseillée car elle nécessite un remplacement constant des bouteilles vides par des bouteilles pleines. En cas de détérioration de l'étanchéité, la bouteille peut être vidée rapidement, ce qui entraîne l'arrêt de la pompe et prévient ainsi d'autres dommages et la défaillance de la garniture mécanique.
Contrairement aux systèmes à barrière liquide, les systèmes de support Plan 74 ne nécessitent pas de proximité immédiate avec les garnitures mécaniques. Seule la section allongée du tube de petit diamètre constitue un inconvénient. Une chute de pression entre le panneau Plan 74 et la garniture peut se produire dans la conduite lors de débits élevés (dégradation de la garniture), réduisant ainsi la pression de barrière disponible. Augmenter le diamètre de la conduite permet de résoudre ce problème. En règle générale, les panneaux Plan 74 sont montés sur un support à une hauteur permettant de contrôler les vannes et de lire les instruments. Le support peut être fixé sur la plaque de base de la pompe ou à proximité de celle-ci sans gêner son inspection et sa maintenance. Il convient d'éviter tout risque de trébuchement sur les conduites reliant les panneaux Plan 74 aux garnitures mécaniques.
Pour les pompes à paliers intermédiaires équipées de deux garnitures mécaniques (une à chaque extrémité), il est déconseillé d'utiliser un seul panneau et une sortie de gaz barrière distincte pour chaque garniture. La solution recommandée consiste à utiliser un panneau Plan 74 séparé pour chaque garniture, ou un panneau Plan 74 à deux sorties, chacune équipée de ses propres débitmètres et détecteurs de débit. Dans les régions aux hivers rigoureux, il peut être nécessaire d'hiverner les panneaux Plan 74. Cette précaution vise principalement à protéger les composants électriques du panneau, généralement en l'enfermant dans une armoire et en ajoutant des éléments chauffants.
Un phénomène intéressant est l'augmentation du débit de gaz barrière lorsque la température d'alimentation en gaz barrière diminue. Ce phénomène passe généralement inaperçu, mais peut devenir perceptible dans les régions aux hivers froids ou présentant d'importantes variations de température entre l'été et l'hiver. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'ajuster le seuil d'alarme de débit élevé afin d'éviter les fausses alarmes. Les conduits d'air des panneaux et les tuyaux de raccordement doivent être purgés avant la mise en service des panneaux Plan 74. La méthode la plus simple consiste à installer une vanne de purge au niveau ou à proximité du raccord du joint mécanique. En l'absence de vanne de purge, le système peut être purgé en déconnectant le tuyau du joint mécanique, puis en le reconnectant après purge.
Après avoir raccordé les panneaux Plan 74 aux joints et vérifié l'étanchéité de tous les raccords, le régulateur de pression peut être réglé à la pression de consigne de l'application. Le panneau doit alimenter le joint mécanique en gaz barrière sous pression avant le remplissage de la pompe avec le fluide de procédé. Les joints et panneaux Plan 74 sont prêts à fonctionner une fois les procédures de mise en service et de purge de la pompe terminées.
L'élément filtrant doit être inspecté après un mois de fonctionnement ou tous les six mois en l'absence de contamination. La fréquence de remplacement du filtre dépend de la pureté du gaz fourni, mais ne doit pas excéder trois ans.
Les débits de gaz barrière doivent être contrôlés et enregistrés lors des inspections de routine. Si les pulsations du débit d'air de la barrière, dues à l'ouverture et à la fermeture du clapet anti-retour, sont suffisamment importantes pour déclencher une alarme de débit élevé, il peut être nécessaire d'augmenter les seuils d'alarme afin d'éviter les fausses alarmes.
Une étape importante du démantèlement consiste à isoler et à dépressuriser le gaz de protection en dernier lieu. Commencez par isoler et dépressuriser le corps de pompe. Une fois la pompe hors d'usage, coupez l'alimentation en gaz de protection et purgez la tuyauterie reliant le panneau Plan 74 à la garniture mécanique. Purgez tout le fluide du système avant toute intervention de maintenance.
Les joints d'étanchéité à double pompe à pression associés aux systèmes de support Plan 74 offrent aux opérateurs une solution d'étanchéité d'arbre sans émission, un investissement initial plus faible (comparé aux joints avec systèmes de barrière liquide), un coût de cycle de vie réduit, un encombrement réduit du système de support et des exigences de service minimales.
Installée et exploitée conformément aux meilleures pratiques, cette solution de confinement peut garantir une fiabilité à long terme et accroître la disponibilité des équipements rotatifs.
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Mark Savage est chef de produit chez John Crane. Il est titulaire d'une licence en ingénierie de l'Université de Sydney, en Australie. Pour plus d'informations, consultez le site johncrane.com.
Date de publication : 8 septembre 2022