Résolution des problèmes liés aux joints mécaniques : identification et prévention des défaillances courantes

Les joints mécaniques sont des composants essentiels des pompes et autres machines rotatives. Ils sont chargés de contenir les fluides et de s'assurer que l'équipement fonctionne de manière fiable. Ils sont conçus pour s'user progressivement au fil du temps et devront éventuellement être remplacés. Cependant, si un joint mécanique cesse de sceller prématurément, avant la maintenance programmée ou la fin de sa durée de vie prévue, cela est considéré comme un échec.

‍

De telles défaillances peuvent entraîner des fuites de liquide, des dommages à l'équipement et des temps d'arrêt coûteux pour des raisons de maintenance ou de réparation. Il convient de mentionner que de nombreuses défaillances des joints mécaniques dans les installations classiques sont causées par des problèmes autres que l'usure normale. Cela signifie que la plupart des défaillances prématurées des joints peuvent être évitées grâce à des pratiques appropriées.

‍

Les experts techniques de Sceaux vulcains ont identifié quatre raisons principales pour lesquelles un joint mécanique cesse de fonctionner :

1. Course à sec
   • 1.1 Fonctionnement à sec | Arrêt du clignotement
   • 1.2 Fonctionnement à sec | Eau pure ou désionisée
   • 1.3 Fonctionnement à sec | Contamination au glycol
   • 1.4 Fonctionnement à sec | Choc thermique de la céramique
2. Incompatibilité avec les élastomères
   • 2.1 Incompatibilité des élastomères | L'EPDM avec les produits pétroliers
   • 2.2 Incompatibilité des élastomères | FKM/Viton avec des substances ammoniacales
   • 2.3 Incompatibilité des élastomères | FKM/Viton avec des substances à base d'acétate et d'acrylate
3. Incompatibilité faciale
4. Surchauffe

‍

1. Course à sec

Le fonctionnement à sec se produit lorsqu'un joint mécanique fonctionne sans lubrification entre les faces primaires. Les faces restent en contact, ce qui génère de la chaleur et de l'usure et finit par provoquer des fuites lorsque la surface rodée est perdue.

Pourquoi cela se produit-il ?

• Pas de liquide au démarrage (pompe/poches d'air non amorcées).

• La surcompression du joint empêche la formation d'un espace de roulement.

• Perte de fluide en cours de fonctionnement due à une interruption du débit ou à une évaporation locale des faces chaudes.

Après une période de service normale, les faces présentent l'usure attendue (voir image de référence). S'ils ressemblent à ceci après une courte utilisation, cela signifie que le joint est en état de marche à sec.

Comment l'éviter ?

• Amorcez complètement la pompe avant le démarrage (remplie de liquide, pas de poches d'air).

• Maintenez un débit d'entrée continu et adéquat pour maintenir l'équilibre thermique et maintenir l'espace d'étanchéité.

• Réglez le joint à la bonne longueur utile pour la chambre d'étanchéité ; évitez toute compression excessive.

‍

1.1 Fonctionnement à sec | Arrêt du clignotement

Le « clignotement » est l'évaporation explosive du fluide dans l'espace d'étanchéité situé entre les faces du joint. Ce sont généralement des fluides volatils qui en sont la cause, mais cela peut également se produire lorsqu'un fluide à faible DP est suspendu dans un fluide à pression artérielle élevée, tel que de l'eau dans du pétrole. L'évaporation soudaine « fait éclater » les faces du joint et crée des cratères sur les faces du joint.

‍

1.2 Fonctionnement à sec | Eau pure ou désionisée

L'eau est un mauvais lubrifiant pour les surfaces des joints mécaniques. Sa petite taille de molécule, sa tension superficielle élevée, sa volatilité relative et ses fortes propriétés diélectriques réduisent la formation de film et augmentent le frottement frontal.

Quand est-ce que cela fonctionne mieux ?

L'eau qui contient des sels inorganiques dissous (électrolytes) ou des additifs intentionnels a un pouvoir lubrifiant amélioré. L'eau propre/potable contient généralement suffisamment d'électrolytes naturellement dissous pour améliorer les performances d'étanchéité.

Quand il fonctionne mal

• Eau ultrapure : une fois les électrolytes éliminés, le pouvoir lubrifiant diminue, de même que la conductivité électrique (≤ 0,20 μS/cm, selon la pureté).

• Additifs à base de glycol : l'utilisation d'éthylène ou de propylène glycol comme additif réduit les performances dans le secteur de l'eau pure.

Conductivité typique (indicateur de la teneur en électrolyte)

• Eau de pluie : ~0,30 μS/cm

• Eau de source ou du réseau : ~80 μS/cm ou plus.

• Eau ultrapure : ≤ 0,20 μS/cm.

L'eau pure elle-même ne conduit pas l'électricité ; la conductivité provient des électrolytes dissous.

Risques liés à l'eau ultrapure

Un faible pouvoir lubrifiant augmente la tendance à :

• Cavitation au niveau des faces du joint.

• Éclat pour laisser place à la vapeur sur les surfaces primaires chaudes.

• Perte du film d'étanchéité → fonctionnement à sec intermittent, chaleur, usure et fuites.

Comment améliorer la fiabilité (service ≤ 0,20 μS/cm)

• Choisissez des paires de faces autolubrifiantes à basse température : carbone imprégné d'antimoine (rotatif) ou carbure de silicium (pur ou lié par réaction).

Grades Vulcan Seals : VCA1 contre VSS1 ou VSR1.

• Si du carbure de tungstène est nécessaire, utilisez le Vulcan VTN7, dont le liant résiste à la corrosion électrolytique observée avec les grades de liants NI/co courants dans les applications en eau pure.

‍

1.3 Fonctionnement à sec | Contamination au glycol

Les mélanges à haute teneur en glycol (≈ 35 % ou plus d'éthylène/propylène glycol) se comportent mal au niveau des faces du joint et peuvent en réduire la fiabilité.

Pourquoi la fiabilité diminue-t-elle ?

• Le chauffage local du visage fait évaporer l'eau, augmentant ainsi la concentration locale de glycol.

• Le glycol concentré commence à polymériser.

• Le polymère se dépose sur les faces, ce qui réduit la planéité et limite le débit de fluide.

Que vas-tu voir ?

• Dépôts ressemblant à un film ou à un vernis sur les faces et dans la chambre.

• Perte de planéité de la face, hausse des températures et augmentation des fuites, souvent en début de service.

Comment améliorer la fiabilité ?

• Utilisez des paires de faces dures et dures : les deux faces sont en céramique ou en carbure.

• Réalisez une face, de préférence la face fixe la plus large, avec une finition légèrement plus rugueuse pour favoriser une lubrification stable.

• Choisissez la céramique ou le carbure de silicium poreux pour les surfaces résistantes aux dépôts.

• Pour ≥ 50 % de glycol, utilisez une face rotative tranchante pour réduire la surface de dépôt et augmenter le chargement de l'unité.

‍

1.4 Fonctionnement à sec | Choc thermique de la céramique

La céramique d'alumine est un isolant électrique et thermique puissant, mais sa résistance aux changements rapides de température est limitée. Un changement soudain de milieu (par exemple, 80 °C → 20 °C) crée de forts gradients thermiques dans la céramique. La contrainte qui en résulte provoque la fissuration de l'alumine.

Que vas-tu voir ?

• Des fissures ou des éclats visibles sur le visage

• Apparition rapide des fuites après le changement de température

Comment l'éviter ?

• Évitez les rinçages soudains de liquide froid ou chaud sur les faces du joint.

• Augmentez graduellement la température pendant les cycles de démarrage, d'arrêt et de nettoyage.

• Stabilisez les plans de rinçage : préchauffez ou tempérez le rinçage à une température proche de la température de process.

• Choisissez judicieusement les matériaux : lorsque de fréquentes variations de température sont attendues, optez pour des céramiques/carbures présentant une plus grande tolérance aux chocs thermiques que l'alumine.

2. Incompatibilité avec les élastomères

Les composants en élastomère (joints toriques, soufflets) peuvent tomber en panne en raison d'une dégradation chimique/thermique ou de contraintes mécaniques pendant le fonctionnement ou l'installation.

Pourquoi cela se produit-il ?

• Incompatibilité chimique : le fluide attaque le polymère → gonflement, rétrécissement, ramollissement, fragilisation ou extraction des additifs.

• Surtempérature : la chaleur du système, ou un pic de chaleur local au niveau des faces, dépasse la valeur nominale de l'élastomère.

• Abus mécaniques : charges de couple, phénomènes transitoires de démarrage/arrêt ou endommagement de l'installation (par exemple, à cause de tournevis).

• Verrouillage du vide au redémarrage : lorsqu'une pompe s'arrête, un vide peut se former entre les faces. Au redémarrage, si l'aspirateur ne se brise pas proprement, en particulier avec des joints à soufflet complets sans poussoir, des fluides visqueux et des finitions de surface identiques, le couple est transmis par le soufflet, le tordant et le déchirant.

Que vas-tu voir ?

• Dommages chimiques : gonflement/rétrécissement, fissures, formation de cloques, surfaces collantes ou calcaires, perte d'élasticité, fuites.

• Dommages causés par la chaleur : joints toriques durs/cassants, résistance à la compression, glaçage/décoloration.

• Dommages mécaniques : entailles, coupures, déchirures en spirale/torsion dans le soufflet ; fuite immédiatement après le redémarrage.

Le meilleur moyen d'éviter ces problèmes est d'adapter le matériau au milieu et au pH, plus précisément :

o Vérifiez à l'aide d'un tableau de compatibilité chimique avant la sélection.

o Utilisez de l'EPDM pour l'acide acrylique ; évitez le FKM en milieu alcalin fort.

Réduisez les problèmes liés au couple de redémarrage et à l'aspiration :

• Fournir une finition différentielle (légèrement plus rugueuse), en particulier sur la face fixe la plus large.

• Utilisez des procédures de ventilation, de rinçage ou de démarrage qui interrompent l'aspirateur facial.

• En service visqueux, envisagez des modèles moins sujets aux charges de torsion ou ajoutez des dispositifs anti-rotation.

Contrôles rapides

• Si une défaillance est soupçonnée, mesurez la dureté et inspectez la surface pour détecter tout changement ; notez le pH de service (un simple test décisif peut indiquer l'exposition).

• Comparez les résultats à ceux du dernier événement de démarrage/arrêt. Une déchirure après une courte course indique souvent un redémarrage de la torsion plutôt que l'âge chimique.

‍

2.1 Incompatibilité des élastomères | L'EPDM avec les produits pétroliers

L'EPDM est non compatible avec des liquides organiques à longue chaîne : carburants pétroliers, huiles/graisses lubrifiantes et huiles/graisses végétales ou autres huiles et graisses naturelles. Le contact provoque l'absorption du solvant, de sorte que le caoutchouc gonfle et adoucit.

La perte de rigidité nuit à l'étanchéité, en particulier pour joints secondaires moulés (soufflets, diaphragmes) qui reposent sur l'intégrité de la forme pour fonctionner.

Que vas-tu voir ?

• Remarquable gonflement du volume et un toucher plus doux et plus souple

• Perte de stabilité dimensionnelle (soufflets gonflés, diaphragmes déformés)

• Force d'étanchéité réduite → des pleurs ou des fuites

• Après avoir été retirées du liquide, les pièces peuvent récupérer partiellement, mais l'ajustement et les propriétés peuvent ne pas revenir à leur état d'origine.

Comment l'éviter

• N'utilisez pas d'EPDM avec des hydrocarbures, des huiles/graisses minérales ou des huiles/graisses naturelles.

• Choisissez un élastomère compatible pour ces supports (par ex. NBR/HNBR, FKM, FFKM) en fonction de la température et de la chimie.

• Utilisation lubrifiants de montage compatibles (à base de silicone, par exemple) au lieu de graisses hydrocarbonées.

• Vérifiez toujours auprès d'un tableau de compatibilité chimique pour le fluide et les conditions exactes.

‍

2.2 Incompatibilité des élastomères | FKM/Viton avec des substances ammoniacales

FKM/Viton® est ne convient pas au service à pH élevé (alcalin). Il fonctionne bien dans pH bas (acide) fluides. L'EPDM est généralement préféré pour les produits alcalins aqueux médias.

Dans les compresseurs frigorifiques utilisant ammoniac (NH3), le réfrigérant se dissout dans huile lubrifiante, donnant à l'huile une caractère alcalin. Cet environnement dégrade les joints toriques en FKM.

Que vas-tu voir ?

• Kit de compression prématurée

• Fissuration de surface et séchage général

• Perte d'élasticité/de mémoire

• Fuite précoce

Choix de matériaux optimaux

• Milieux aqueux alcalins : utiliser de l'EPDM (pas pour les huiles).

• Milieux acides : utiliser FKM/Viton®.

• Huiles pour compresseurs de réfrigération contenant de l'ammoniac : utilisez du HNBR ou du chloroprène/néoprène.

• Évitez l'EPDM dans toute utilisation d'huile lubrifiante.
• Évitez le FKM dans les environnements à pH élevé.

Vérifiez toujours l'exactitude du liquide, de la température et de l'emballage de l'additif par rapport à un tableau de compatibilité chimique avant la sélection finale.

‍

2.3 Incompatibilité des élastomères | FKM/Viton avec des substances à base d'acétate et d'acrylate

Le FKM/Viton® est largement choisi pour sa résistance aux produits chimiques, mais il présente des lacunes importantes.

Non compatible. Rechercher d'autres options

• Acétates : acide acétique (y compris le vinaigre), acide peroxyacétique/peracétique, acétate d'éthyle, acétate de butyle et sels d'acétate (par exemple, sodium, plomb).

→ Utilisez de l'EPDM pour ces supports.

• Acrylates : acide acrylique, poly (acrylate de vinyle), acrylate de méthyl/éthyl/butyle.

→ Utilisez de l'EPDM.

• Méthacrylates : par exemple, méthacrylate de méthyle.

→ Utilisez du PTFE (non élastomère) ou du FFKM. Évitez l'EPDM et le FKM.

Que verrez-vous avec le FKM dans ces fluides ?

Gonflement et ramollissement, attaque ou fissuration de la surface, perte d'élasticité et de mémoire → fuite précoce.

• Adaptez l'élastomère à la chimie, à la concentration et à la température exactes.

• Vérifiez par rapport à un tableau de compatibilité chimique avant de finaliser la conception du joint.

‍

3. Incompatibilité faciale

Les faces des joints mécaniques peuvent en souffrir dommages physiques prématurés lorsque des particules dures pénètrent dans l'espace d'étanchéité, perturbant ainsi la planéité et le film lubrifiant. Une fois la planéité perdue, les faces entrent en contact → chaleur, usure et fuites.

Pourquoi cela se produit-il ?

• Présence d'abrasifs dans le fluide : du sable, des produits de corrosion ou des débris traversent l'espace et marquent les faces.

• Matériaux plus souples à risque : le carbone et l'acier se marquent facilement par rapport aux carbures (SiC/WC).

• Mauvais alignement : la face la plus dure « s'insère » dans la face la plus molle, ou les faces ne se suivent pas du tout (étirement, désalignement, vibrations, longueur de travail incorrecte) → pas de film d'équilibre stable.

Que vas-tu voir ?

• Égratignures ou éraflures, traces radiales, taches abrasées mates

• Usure progressive ou effilée sur la face la plus souple ; écaillage des bords

• Augmentation de la température de la face, augmentation du couple d'entraînement et augmentation des fuites

Comment éviter cela ?

• Maintenez le liquide propre : installer des crépines ou des filtres ; rincer ou recirculer à partir d'une source propre ; purger les systèmes lors de la mise en service.

• Choisissez des surfaces plus résistantes pour un usage sale : préférez les paires dur-dur (par exemple, SiC-SiC ou WC—SiC) ou les grades de carbone protégés.

• Maintenez le cap : vérifiez le battement et l'alignement de l'arbre, corrigez le ressort et la compression et adaptez la largeur des faces ; évitez tout contact avec la face au démarrage.

• Contrôlez les conditions de fonctionnement : maintenez un débit/une pression de rinçage adéquats et évitez la cavitation ou les vibrations.

4. Surchauffe

Tous les élastomères ont des températures de service maximales. Les métaux le font aussi ; l'acier se dilate avec la chaleur. Dans les pièces mal ajustées (par exemple, les manches, les sièges, les bagues), le chauffage réduit la pression de contact et peut desserrer l'ajustement.

Pourquoi cela se produit-il ?

• Expansion thermique : à mesure que l'acier chauffe, l'alésage augmente et l'ajustement par interférence (pression) se détend.

• Limites des matériaux : les élastomères se ramollissent, durcissent ou durcissent lorsque leur température nominale est dépassée.

• Cyclisme/fluage : des cycles thermiques répétés peuvent réduire de façon permanente la pression d'ajustement.

Que vas-tu voir ?

• Manches ou sièges filés, marques de frottement frottées ou polies

• Désalignement soudain, bruit/vibration ou fuite

• Joints en élastomère durci, aplatis ou cassants

Gardez pièces en acier à ajustement interférentiel ≤ 200 °C pour maintenir l'intégrité de l'ajustement (à moins que cela ne soit vérifié par des calculs/des tests)

Comment l'éviter

• Température de régulation : limites de refroidissement, d'isolation et de fonctionnement qui maintiennent les pièces en dessous des valeurs nominales des matériaux.

• Conception adaptée à la chaleur : choisissez la classe d'ajustement et les interférences en fonction de la température maximale ; tenez compte de la dilatation différentielle.

• Ajoutez des dispositifs de retenue : clés, épingles, dispositifs anti-rotation ou adhésifs, le cas échéant.

• Choisissez les élastomères appropriés : vérifiez la qualité par rapport à la température de service ; évitez les pics de chaleur locaux sur les faces du joint.

• Inspectez régulièrement : vérifiez qu'il n'y a pas de frottement, de mouvement des pièces pressées et des élastomères vieillis à chaud (dureté/apparence).

‍

Restez à l'affût des défaillances des joints mécaniques, en vous assurant que vos systèmes restent exempts de fuites

Bien que les joints mécaniques soient de petits composants, ils ont un impact considérable sur les performances de votre équipement. Comprendre les causes profondes des défaillances des joints, qu'il s'agisse de fonctionnement à sec ou d'incompatibilité chimique, permet à votre équipe de prendre des mesures correctives avant que la défaillance ne se produise.

À Sceaux vulcains, nous sommes fiers non seulement de fournir des solutions d'étanchéité de haute qualité dans le monde entier, mais également d'être le partenaire technique de nos distributeurs, OEM et utilisateurs finaux. Notre équipe a rencontré et résolu des milliers de scénarios de défaillance des joints dans divers secteurs, et cette expertise est disponible pour vous aider à optimiser les performances de vos joints. Qu'il s'agisse de sélectionner des matériaux avancés qui résistent à l'usure ou de concevoir des systèmes de support d'étanchéité personnalisés, nous nous concentrons sur des solutions qui prolongent la durée de vie des joints et réduisent le coût total de possession.

Si vous avez des questions spécifiques ou souhaitez discuter de la manière dont nous pouvons relever vos défis particuliers en matière d'étanchéité, veuillez contacter L'équipe commerciale de Vulcan Seals.