Comment fonctionnent les garnitures mécaniques ?

Les garnitures mécaniques sont des dispositifs utilisés pour empêcher les fuites de fluide des composants rotatifs ou alternatifs des machines, tels que les pompes, les compresseurs et les mélangeurs. Elles se composent généralement de deux éléments principaux : une partie fixe (souvent appelée face fixe) et une partie tournante (appelée face tournante). Ces deux faces d'étanchéité, ainsi qu'un certain nombre de dispositifs d'étanchéité tels que des joints et des orings, assurent l'étanchéité du fluide de traitement à l'intérieur de la chambre d'étanchéité d'un équipement rotatif, comme illustré ci-dessous.

Voici comment fonctionnent généralement les garnitures mécaniques :

Conception de la face de la garniture mécanique

Surfaces en contact: Au cœur d'une garniture mécanique se trouvent deux surfaces planes ou légèrement incurvées appelées faces d'étanchéité. L'une de ces faces est fixée à l'élément stationnaire de la machine (généralement le corps de pompe), tandis que l'autre est attachée à l'élément rotatif de la machine (généralement l'arbre en rotation). Ces faces entrent en contact par contre-rotation l'une avec l'autre pendant le fonctionnement.

Étanchéité primaire: Lorsque la machine fonctionne, l'arbre en rotation fait tourner une face du joint tandis que l'autre reste immobile. Le contact étroit entre les deux faces crée une barrière qui empêche le fluide de s'échapper de l'équipement ou de la machine en rotation. Ces faces de la garniture sont appelées garniture primaire de la mer mécanique, comme illustré ci-dessous.

Film fluide

La qualité du film fluide entre les faces contrarotatives de la garniture est LE facteur le plus important dans la conception d'une garniture mécanique.

Dans la conception d'une garniture mécanique simple, le film fluide est constitué du fluide de traitement.

Dans la conception d'une double garniture mécanique, le film fluide comprend le fluide de traitement (dans une application de fluide tampon non pressurisé API Plan 52), ou le fluide de barrière secondaire (dans une application de fluide de barrière pressurisé API Plan 53).

Si le film de fluide est trop important, les faces d'étanchéité fuient, comme illustré ci-dessous.

Si le film de fluide est trop PETIT, les faces d'étanchéité s'échauffent, s'usent et s'endommagent. Il en résulte également des fuites au niveau des faces d'étanchéité, comme illustré ci-dessous.

La taille idéale et optimisée du film de fluide est donc essentielle à la réussite de la conception des garnitures mécaniques et à leur longévité.

Quelle est la taille optimale du film de fluide dans une garniture mécanique ?

La taille du film de fluide dans une garniture mécanique peut varier en fonction de plusieurs facteurs, notamment la conception de la garniture, les conditions de fonctionnement et l'application spécifique. En résumé, le film fluide fait généralement référence à la fine couche de fluide entre les faces de la garniture qui contribue à minimiser le frottement, à dissiper la chaleur et à constituer une barrière contre les fuites.

L'épaisseur du film fluide peut varier de quelques micromètres (microns) à plusieurs centaines de micromètres (microns), en fonction de plusieurs facteurs. Un micromètre est une unité de longueur mesurant un millionième de mètre ou un millième de millimètre (0,001 mm). Ainsi, 3 microns représentent 0,003 mm (0,00012"). C'est assez peu si l'on considère que le diamètre d'un cheveu humain est généralement compris entre 50 et 100 microns.

Les facteurs qui influencent l'épaisseur du film de fluide d'une garniture mécanique sont les suivants ;

Vitesse de fonctionnement: des vitesses plus élevées peuvent conduire à des films de fluide plus fins en raison de l'augmentation des forces de cisaillement sur le fluide.

Finition de la surface: La douceur et l'état de surface des faces du joint peuvent influer sur l'épaisseur du film de fluide. Des finitions plus fines entraînent souvent des films de fluide plus minces.

Propriétés du fluide: La viscosité et les propriétés lubrifiantes du fluide utilisé dans le joint peuvent influencer l'épaisseur du film de fluide. Les fluides à viscosité plus élevée peuvent donner lieu à des films plus épais.

Conditions de fonctionnement: La température, la pression et d'autres facteurs environnementaux peuvent également affecter l'épaisseur du film de fluide.

En règle générale, l'épaisseur du film de fluide est soigneusement conçue et contrôlée pour garantir les performances optimales de la garniture mécanique, en équilibrant le besoin de lubrification et de dissipation de la chaleur avec l'exigence d'une étanchéité efficace et d'une fuite minimale.

Autres éléments de la garniture mécanique

Étanchéité secondaire : Outre les surfaces d'étanchéité primaires, les garnitures mécaniques intègrent des éléments d'étanchéité secondaires pour améliorer l'efficacité de l'étanchéité. Il peut s'agir de joints toriques, de joints en élastomère ou d'autres types d'éléments d'étanchéité dynamiques ou statiques. Ces joints secondaires contribuent à maintenir l'intégrité de la garniture en empêchant les fuites par les interstices entre les surfaces d'étanchéité primaires.

Lubrification et refroidissement : Pour réduire le frottement et l'usure entre les faces de la garniture, ainsi que pour dissiper la chaleur générée pendant le fonctionnement, les garnitures mécaniques ont souvent besoin d'être lubrifiées et refroidies. Cela peut être réalisé par l'utilisation d'un fluide de barrage ou d'un système de support de garniture qui fournit un fluide compatible aux faces de la garniture.

Ressort ou soufflet : Dans de nombreuses garnitures mécaniques, un mécanisme à ressort ou à soufflet est incorporé pour maintenir la force de contact nécessaire entre les faces de la garniture. Cela permet à la garniture de rester efficace dans des conditions de fonctionnement variables, y compris les changements de température et de pression.

Systèmes de rinçage et de barrière : Dans certaines applications, en particulier celles impliquant des fluides dangereux ou abrasifs, les garnitures mécaniques peuvent être équipées de systèmes de rinçage ou de barrière. Ces systèmes offrent une protection supplémentaire en fournissant un fluide ou un gaz propre aux faces de la garniture, ce qui permet d'éviter la contamination du produit et de prolonger la durée de vie de la garniture.

Globalement, les garnitures mécaniques fonctionnent en maintenant une interface étanche et contrôlée entre les composants rotatifs et stationnaires, empêchant efficacement les fuites de fluide et garantissant l'intégrité et l'efficacité des machines rotatives dans diverses applications industrielles.

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