Il existe de nombreux types d'équipements nécessitant 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 des différences nécessitent des solutions différentes. Ce malentendu a donné lieu à des conflits, notamment l'invocation de l'American Petroleum Institute.
(API) 682 (norme relative aux garnitures mécaniques de pompe) pour la spécification des joints des agitateurs. Lorsqu'on compare les garnitures mécaniques des pompes et celles des agitateurs, on constate quelques différences évidentes. Par exemple, les pompes à porte-à-faux présentent des distances plus courtes (généralement mesurées en pouces) entre la roue et le palier radial que celles d'un agitateur à entrée supérieure classique (généralement mesurées en pieds).
Cette longue distance sans support entraîne une stabilité de la plateforme plus faible, avec un voile radial, un désalignement perpendiculaire et une excentricité plus importants que ceux des pompes. Ce voile accru de l'équipement pose des problèmes 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 situation pourrait être simple en augmentant les jeux entre les composants rotatifs et fixes, ainsi qu'en élargissant les surfaces de roulement des faces de la garniture. Comme on pouvait s'y attendre, les problèmes ne sont pas aussi simples. La charge latérale exercée sur la ou les turbines, où qu'elles se trouvent sur l'arbre du mélangeur, crée une déflexion qui se propage à travers la garniture jusqu'au premier point d'appui de l'arbre : le roulement radial du réducteur. En raison de la déflexion de l'arbre et du mouvement pendulaire, la déflexion n'est pas une fonction linéaire.
Cette déformation présente une composante radiale et une composante angulaire, créant un désalignement perpendiculaire au niveau de la garniture mécanique, susceptible de l'endommager. La déflexion peut être calculée en connaissant les caractéristiques clés de l'arbre et de sa charge. Par exemple, la norme API 682 stipule que la déflexion radiale de l'arbre au niveau des faces d'étanchéité d'une pompe doit être inférieure ou égale à 0,002 pouce (TIR) dans les conditions les plus sévères. Sur un mélangeur à entrée par le haut, les plages normales de TIR se situent entre 0,03 et 0,150 pouce. Une déflexion excessive de l'arbre peut entraîner des problèmes au niveau de la garniture mécanique, notamment une usure accrue des composants, le contact des composants rotatifs avec des composants fixes, le roulement et le pincement du joint torique dynamique (provoquant une rupture en spirale du joint torique ou un blocage des faces). Ces facteurs peuvent réduire la durée de vie de la garniture. En raison du mouvement excessif inhérent aux mélangeurs, les garnitures mécaniques peuvent présenter davantage de fuites que des joints similaires.joints de pompe, ce qui peut entraîner un retrait inutile du joint et/ou même des défaillances prématurées s'il n'est pas surveillé de près.
Dans certains cas, en étroite collaboration avec les fabricants d'équipements et en comprenant bien la conception de ces équipements, un roulement à éléments roulants peut être intégré aux cartouches d'étanchéité afin de limiter l'angularité des faces d'étanchéité et d'atténuer ces problèmes. Il est essentiel de veiller à utiliser le type de roulement approprié et de bien comprendre les charges potentielles, sans quoi le problème pourrait s'aggraver, voire se reproduire, avec l'ajout d'un roulement. Les fournisseurs de joints doivent collaborer étroitement avec les équipementiers et les fabricants de roulements pour garantir une conception appropriée.
Les applications de joints mélangeurs fonctionnent généralement à faible vitesse (5 à 300 tours par minute [tr/min]) et ne permettent pas d'utiliser certaines méthodes traditionnelles pour maintenir le fluide de barrage au frais. Par exemple, dans un Plan 53A pour joints doubles, la circulation du fluide de barrage est assurée par un dispositif de pompage interne, comme une vis de pompage axiale. Le problème est que ce dispositif de pompage dépend de la vitesse de l'équipement pour générer le débit, et les vitesses de mélange habituelles ne sont pas suffisantes pour générer des débits utiles. Heureusement, la chaleur générée par la face du joint n'est généralement pas à l'origine de l'élévation de la température du fluide de barrage dans un système.joint de mélangeurC'est la surchauffe due au procédé qui peut entraîner une augmentation de la température du fluide barrière et rendre les composants inférieurs du joint, notamment les faces et les élastomères, vulnérables aux températures élevées. Les composants inférieurs du joint, tels que les faces et les joints toriques, sont plus vulnérables en raison de leur proximité avec le procédé. Ce n'est pas la chaleur qui endommage directement les faces du joint, mais plutôt la viscosité réduite, et donc le pouvoir lubrifiant, du fluide barrière au niveau des faces inférieures du joint. Une mauvaise lubrification endommage les faces par contact. D'autres caractéristiques de conception peuvent être intégrées à la cartouche d'étanchéité pour maintenir les températures de barrière basses et 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 de barrage. Ces caractéristiques consistent en un système en boucle fermée, basse pression et faible débit, traversé par de l'eau de refroidissement, agissant comme un échangeur thermique intégré. Une autre méthode consiste à utiliser un tiroir de refroidissement dans la cartouche d'étanchéité, entre les composants inférieurs de la garniture et la surface de montage de l'équipement. Un 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, limitant ainsi le maintien de la chaleur. Un tiroir de refroidissement bien conçu peut prévenir les températures excessives susceptibles d'endommager l'équipement.faces d'étanchéitéet les élastomères. Le maintien thermique du procédé provoque une augmentation de la température du fluide barrière.
Ces deux caractéristiques de conception peuvent être utilisées conjointement ou individuellement pour contrôler les températures au niveau de la garniture mécanique. Bien souvent, les garnitures mécaniques des mélangeurs sont 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 et maîtrisent la norme API 682 en tant que spécification de garniture et ignorent certaines spécifications industrielles plus applicables à ces machines/garnitures. Les normes PIP (Process Industry Practices) et DIN (Deutsches Institut für Normung) sont deux normes industrielles plus adaptées à ces types de garnitures : les normes DIN 28138/28154 sont depuis longtemps spécifiées pour les fabricants 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 couramment appliquées, ce qui conduit à une grande variété de dimensions de chambre d'étanchéité, de tolérances d'usinage, de déflexion d'arbre, de conceptions de boîtes de vitesses, de dispositions de roulements, etc., qui varient d'un OEM à l'autre.
L'emplacement et le secteur d'activité de l'utilisateur détermineront en grande partie laquelle de ces spécifications serait la plus appropriée pour son site.garnitures mécaniques de mélangeur. Spécifier la norme API 682 pour un joint de mélangeur peut représenter une dépense et une complication inutiles. Bien qu'il soit possible d'intégrer un joint de base qualifié API 682 dans une configuration de mélangeur, cette approche entraîne généralement des compromis, tant en termes de conformité à la norme API 682 que d'adéquation de la conception aux applications de mélangeur. L'image 3 présente les différences entre un joint API 682 de catégorie 1 et un joint mécanique de mélangeur classique.
Date de publication : 26 octobre 2023