De nombreux types d'équipements nécessitent l'étanchéité d'un arbre rotatif traversant un carter fixe. Les pompes et les mélangeurs (ou agitateurs) en sont deux exemples courants.
Les principes d'étanchéité des différents équipements sont similaires, mais certaines différences exigent des solutions distinctes. Ce malentendu a engendré des conflits, notamment lors de l'invocation de l'American Petroleum Institute.
La norme API 682 (norme relative aux garnitures mécaniques de pompes) est utilisée pour spécifier les garnitures destinées aux mélangeurs. Lorsqu'on compare les garnitures mécaniques pour pompes et mélangeurs, plusieurs différences notables existent entre les deux catégories. Par exemple, les pompes à roue en porte-à-faux présentent des distances plus courtes (généralement mesurées en pouces) entre la roue et le palier radial que les mélangeurs à entrée supérieure (généralement mesurées en pieds).
Cette grande distance sans support engendre une plateforme moins stable, présentant un faux-rond radial, un désalignement perpendiculaire et une excentricité supérieurs à ceux des pompes. L'augmentation du faux-rond de l'équipement pose des défis de conception pour les garnitures mécaniques. Que se passerait-il si la déflexion de l'arbre était purement radiale ? Concevoir une garniture adaptée à cette condition serait simple en augmentant les jeux entre les composants rotatifs et fixes et en élargissant les surfaces de contact de la garniture. Comme prévu, la réalité est plus complexe. La charge latérale sur la ou les roues, quelle que soit leur position sur l'arbre du mélangeur, induit une déflexion qui se propage à travers la garniture jusqu'au premier point d'appui de l'arbre : le palier radial du réducteur. En raison de la déflexion de l'arbre et du mouvement pendulaire, la déflexion n'est pas linéaire.
Ce phénomène comporte une composante radiale et une composante angulaire, créant un défaut d'alignement perpendiculaire au niveau du joint et susceptible d'entraîner des problèmes pour la garniture mécanique. La flèche peut être calculée si les caractéristiques principales de l'arbre et de sa charge sont connues. Par exemple, la norme API 682 stipule que la flèche radiale de l'arbre au niveau des faces d'étanchéité d'une pompe doit être inférieure ou égale à 0,05 mm (0,002 pouce) de lecture indiquée totale (TIR) dans les conditions les plus sévères. Sur un mélangeur à entrée supérieure, les valeurs normales se situent entre 0,76 et 3,81 mm (0,03 et 0,150 pouce) de TIR. Parmi les problèmes pouvant survenir au niveau de la garniture mécanique en raison d'une flèche excessive de l'arbre, on peut citer l'usure accrue des composants du joint, le contact des composants rotatifs avec les composants fixes (entraînant des dommages), ainsi que le roulement et le pincement du joint torique dynamique (provoquant une rupture en spirale du joint torique ou un blocage des faces d'étanchéité). Tous ces problèmes peuvent réduire la durée de vie du joint. En raison des mouvements excessifs inhérents aux mélangeurs, les garnitures mécaniques peuvent présenter davantage de fuites que des garnitures similaires.joints de pompe, ce qui peut entraîner un retrait inutile du joint et/ou même des défaillances prématurées si la surveillance n'est pas étroite.
Dans certains cas, une collaboration étroite avec les fabricants d'équipements et une bonne compréhension de la conception de ces derniers permettent d'intégrer un roulement à billes dans les cartouches d'étanchéité afin de limiter l'angularité au niveau des faces d'étanchéité et d'atténuer ces problèmes. Il est essentiel de choisir le type de roulement approprié et de bien comprendre les charges potentielles qu'il supporte, faute de quoi l'ajout d'un roulement pourrait aggraver le problème initial, voire en créer un nouveau. Les fournisseurs de joints d'étanchéité doivent collaborer étroitement avec le constructeur d'origine et les fabricants de roulements pour garantir une conception optimale.
Les applications de joints mélangeurs fonctionnent généralement à basse vitesse (5 à 300 tours par minute [tr/min]) et ne peuvent pas recourir à certaines méthodes traditionnelles de refroidissement des fluides barrières. Par exemple, dans un joint double de type Plan 53A, la circulation du fluide barrière est assurée par un système de pompage interne, tel qu'une vis de pompage axiale. Le problème est que ce système de pompage dépend de la vitesse de l'équipement pour générer le débit, or les vitesses de mélange classiques sont insuffisantes pour obtenir des débits utiles. Heureusement, la chaleur générée par la surface d'étanchéité n'est généralement pas la cause de l'élévation de température du fluide barrière.joint de mélangeurL'échauffement dû au procédé peut entraîner une augmentation de la température du fluide barrière et fragiliser les composants inférieurs du joint, tels que les faces d'étanchéité et les élastomères. Ces composants, comme les faces d'étanchéité et les joints toriques, sont plus vulnérables en raison de leur proximité avec le procédé. Ce n'est pas la chaleur elle-même qui endommage directement les faces d'étanchéité, mais plutôt la viscosité réduite, et par conséquent le pouvoir lubrifiant, du fluide barrière à ces endroits. Un manque de lubrification provoque des dommages aux faces par contact. D'autres caractéristiques de conception peuvent être intégrées à la cartouche d'étanchéité afin de maintenir une température basse du fluide barrière et de protéger les composants du joint.
Les garnitures mécaniques pour mélangeurs peuvent être conçues avec des serpentins ou des chemises de refroidissement internes en contact direct avec le fluide barrière. Ces dispositifs forment un système en circuit fermé, basse pression et faible débit, dans lequel circule de l'eau de refroidissement qui agit comme un échangeur de chaleur intégré. Une autre méthode consiste à utiliser un tiroir de refroidissement dans la cartouche de garniture, entre les composants inférieurs de la garniture et la surface de montage de l'équipement. Ce tiroir de refroidissement est une cavité traversée par de l'eau de refroidissement basse pression, créant ainsi une barrière isolante entre la garniture et la cuve afin de limiter l'échauffement. Un tiroir de refroidissement correctement conçu permet d'éviter les surchauffes susceptibles d'endommager la garniture.faces de scellageet les élastomères. L'échauffement dû au procédé entraîne une hausse de la température du fluide barrière.
Ces deux caractéristiques de conception peuvent être utilisées conjointement ou séparément pour contribuer à la maîtrise des températures au niveau de la garniture mécanique. Fréquemment, les garnitures mécaniques pour mélangeurs sont spécifiées comme étant conformes à la norme API 682, 4e édition, catégorie 1, même si ces machines ne répondent pas aux exigences de conception des normes API 610/682 sur les plans fonctionnel, dimensionnel et/ou mécanique. Cela peut s'expliquer par le fait que les utilisateurs finaux connaissent bien la norme API 682 en tant que spécification de garniture et ignorent certaines spécifications industrielles plus adaptées à ces machines et garnitures. Les normes PIP (Process Industry Practices) et DIN (Deutsches Institut für Normung) sont deux normes industrielles plus appropriées pour ce type de garnitures : les normes DIN 28138/28154 sont spécifiées depuis longtemps pour les fabricants d'équipements d'origine (OEM) de mélangeurs en Europe, et la norme PIP RESM003 est devenue une exigence de spécification pour les garnitures mécaniques des équipements de mélange. En dehors de ces spécifications, il n'existe pas de normes industrielles communément appliquées, ce qui conduit à une grande variété de dimensions de chambres d'étanchéité, de tolérances d'usinage, de déflexion d'arbre, de conceptions de boîtes de vitesses, de configurations de roulements, etc., qui varient d'un fabricant d'équipement d'origine (OEM) à l'autre.
La localisation et le secteur d'activité de l'utilisateur détermineront en grande partie laquelle de ces spécifications sera la plus appropriée pour son site.joints mécaniques de mélangeurSpécifier la norme API 682 pour un joint de mélangeur peut engendrer des coûts et des complications inutiles. Bien qu'il soit possible d'intégrer un joint de base conforme à la norme API 682 dans une configuration de mélangeur, cette approche conduit généralement à des compromis, tant en termes de conformité à la norme API 682 que d'adéquation de la conception aux applications de mélange. L'image 3 présente une liste des différences entre un joint de catégorie 1 API 682 et un joint mécanique de mélangeur classique.
Date de publication : 26 octobre 2023