Joints à gaz vs joints pressurisés humides
Aug 22, 2025
Joints à gaz vs joints pressurisés humidesFace à des réglementations environnementales de plus en plus strictes, la technologie d'étanchéité au gaz demeure essentielle pour garantir un fonctionnement sûr, fiable et durable des pompes, mélangeurs et équipements rotatifs. La lubrification des extrémités par gaz sec offre des avantages considérables, garantissant une grande pureté du produit et zéro émission. Cette technologie a permis de réduire efficacement les émissions dangereuses au fil des ans. On estime qu'au cours des 31 dernières années, environ 105 000 joints d'étanchéité au gaz sans contact ont été vendus, avec une durée de vie moyenne de six ans. Cela représente une économie potentielle d'environ 123,4 kg (272,2 millions de livres) de rejets toxiques grâce à la technologie zéro émission. La technologie de contrôle de disponibilité maximale (MACT) est un outil essentiel pour atteindre ces objectifs. Le California Air Quality Management Department (AQMD) estime les émissions annuelles des pompes de procédés chimiques et de raffinage à 432 livres, tandis que les dernières données de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) suggèrent jusqu'à 2 200 livres par pompe. Dès 1993, cette technologie a permis d'économiser 500 dollars par joint (pour un coût d'électricité de 6 cents par kilowattheure). Aujourd'hui, avec des coûts énergétiques atteignant 10 à 16 cents par kilowattheure, les économies d'énergie annuelles par joint atteignent 1 350 dollars. Figure 1 Comparaison de la consommation d'énergie entre les joints à gaz et les joints humides Figure 2. Motif typique de surface de rainure en spirale et gradient de pression généré par les rainures Différents dispositifs d'étanchéité sont actuellement disponibles pour réduire les émissions. Voici un classement de leur capacité à contrôler les émissions des équipements rotatifs, classé du meilleur au pire :● Joint d'étanchéité à gaz double pression sans contact● Joint liquide à double pression● Double joint sans pression avec joint barrière liquide● Double joint sans pression avec joint barrière à contact/sans contact à sec● Joint simple avec manchon● Joint unique● Joint de remplissage L'évolution de la technologie d'étanchéité dans le pompage des fluides Les premières pompes à fluide Des garnitures en fibres recouvertes de cire ou de graphite ont été utilisées pour colmater les fuites de l'arbre, mais cette méthode générait de la chaleur et réduisait la durée de vie. Des lanternes perforées ont été introduites pour améliorer la lubrification et le refroidissement. Une bonne lubrification prolonge efficacement la durée de vie des surfaces de glissement. Ces limitations ont conduit au développement de joints d'arbre mécaniques, qui nécessitent une lubrification efficace. Les progrès en tribologie et en ingénierie des fluides ont permis d'optimiser encore davantage les systèmes de lubrification des joints. Les fabricants ont conçu des structures de faces d'extrémité résistantes à la pression et à l'usure, dont certaines utilisent même la déformation pour améliorer la lubrification et réduire l'usure. Les faces d'étanchéité rectifiées et polies offrent une excellente résistance à la pression, au frottement et à l'usure. La lubrification liquide des faces d'étanchéité est largement adoptée en raison de sa stabilité sous haute pression, de sa résistance à la chaleur et de sa compatibilité avec les fluides de traitement. Le développement de la technologie des rainures en spirale Le professeur néerlandais de tribologie Evert Muijderman a été le pionnier de l'utilisation d'un motif de rainures répétitives dans les ultracentrifugeuses. Cette technologie a ensuite évolué vers les garnitures mécaniques et a été utilisée pour la première fois dans les pompes il y a plus de 30 ans. La fonction sans contact est assurée par un motif sur une surface d'étanchéité. Lors de la rotation de l'arbre, ce motif sépare les surfaces d'étanchéité, éliminant ainsi les frottements. Un gaz inerte (tel que l'azote) est utilisé comme gaz de barrage, à une pression de 20 à 30 psi supérieure à la pression du procédé, ce qui permet d'obtenir des émissions nulles. Les rainures hélicoïdales sont généralement des rainures logarithmiques en spirale usinées dans une surface d'étanchéité (généralement fabriquée dans un matériau plus dur). Lors de la rotation de l'arbre, le gaz est aspiré dans la rainure, comprimé par cisaillement visqueux, puis se dilate au niveau du barrage d'étanchéité, créant un espace de séparation de plusieurs microns entre les deux surfaces d'étanchéité. L'effet de pression statique pendant les temps d'arrêt contribue à minimiser les dommages à la surface d'étanchéité. Les premiers joints à rainures hélicoïdales étaient des rainures unidirectionnelles pratiquées sur le diamètre extérieur d'une face d'extrémité fixe. Les vitesses des pompes de process étant bien inférieures à celles des turbocompresseurs (seulement 1 200 à 3 600 tr/min), des matériaux plus résistants, des rainures de conception avancée, ainsi que des charges de ressort et un frottement des joints toriques réduits sont nécessaires pour améliorer l'efficacité de la séparation des faces d'étanchéité. Application de la technologie des rainures en spirale En 1992, un fabricant de polymères a mis en œuvre avec succès un joint d'étanchéité à gaz sec sans contact dans une pompe, protégeant ainsi efficacement la pureté du produit et l'environnement. Depuis 30 ans, cette technologie est largement utilisée dans des équipements tels que les pompes, les mélangeurs, les ventilateurs et les soufflantes, fonctionnant sous une large plage de vitesses, de pressions, de températures et de charges solides. La figure 3 montre le premier joint sans contact à double pression installé dans un pompe centrifuge à gros alésage. La figure 4 illustre un joint d'étanchéité sans contact pour gaz, adapté aux alésages standards ANSI et DIN, doté d'une bague d'accouplement rainurée en spirale et d'un gaz de barrage inerte. La figure 5 illustre la même configuration de joint avec l'ajout d'un drain pour des conditions de procédé jusqu'à 30 % de charge en solides. Figure 3 : Le premier joint à double pression sans contact installé sur une pompe de process, vers 1992 Figure 4 : Joint lubrifié au gaz, sans contact, pour une cavité d'étanchéité à alésage standard Figure 5 : Cavité d'étanchéité standard lubrifiée au gaz, sans contact Cette technologie a ensuite été étendue aux mélangeurs et aux conteneurs, largement utilisés dans les industries pharmaceutique, agroalimentaire et pétrochimique pour garantir la pureté des produits. Les concepteurs ont également développé des rainures en spirale sur la bague primaire en carbone pour s'adapter aux conditions de faible vitesse et de faux-rond important de l'arbre, obtenant ainsi une portance hydrodynamique et hydrostatique. Vingt ans plus tard, les conceptions des joints ont été améliorées pour répondre aux exigences des pressions plus élevées et des procédés chargés en solides. La figure 7 présente un nouveau joint conçu pour les pompes ANSI de gros calibre, offrant une meilleure gestion des solides et des performances accrues. Le dernier développement concerne un joint à gaz adapté aux températures élevées (jusqu'à 425 °C). Le joint à soufflet métallique, illustré à la figure 8, assure la force du ressort, absorbe les déplacements axiaux et transmet efficacement le couple. Le soufflet agit comme un élément d'étanchéité dynamique, permettant diverses combinaisons de joints secondaires. Ce joint est doté d'un équilibrage de pression et d'un fonctionnement en marche arrière pour éviter toute fuite accidentelle de fluides de procédé. Figure 6 : Mélangeur sans contact lubrifié au gaz Figure 7 : Joint lubrifié au gaz, sans contact, pour matériaux solides et haute pression Figure 8 : Joint lubrifié au gaz, sans contact, pour service à haute température Application de la technologie des rainures en spirale Dans toutes les configurations de double garniture pressurisée, la pression du fluide de barrage est supérieure à la pression du procédé à sceller. La garniture à double gaz se distingue des autres configurations de garniture pressurisée par le fait qu'elle ne repose pas sur la circulation du fluide entre les garnitures, mais sur une source de gaz inerte externe pour pressuriser la chambre de la garniture. Selon la norme API 682, quatrième édition, le plan de tuyauterie correspondant à ce type de garniture est le plan de tuyauterie 74. La figure 9 présente un schéma de principe de ce plan. Figure 9 Plan de tuyauterie API 74 - API 682 Quatrième édition Le système d'étanchéité fonctionne en permettant au fluide de circuler d'une zone haute pression vers une zone basse pression. Les garnitures mécaniques minimisent les fuites au niveau des faces d'étanchéité et des joints toriques, tout en maintenant un faible espace pour éviter la surchauffe. Cet espace permet au fluide haute pression de s'écouler vers l'atmosphère. Les garnitures à barrière de gaz sec utilisent un gaz inerte régulé (comme l'azote) à une pression de 30 à 50 psi supérieure à la pression du procédé pour assurer l'étanchéité. L'azote est le gaz de barrage le plus couramment utilisé en raison de sa compatibilité et de son prix abordable. Il est généralement fourni par une conduite d'azote sous pression ou par une bouteille d'azote, mais cette méthode est moins fiable. Si la pression d'azote est insuffisante, un surpresseur peut être utilisé. Le système de contrôle doit réguler la pression, filtrer le gaz de barrage et surveiller la pression et le débit afin d'éviter toute surpression. En raison de l'espace extrêmement réduit entre les faces d'étanchéité, le gaz doit être filtré à moins de 1 micron. Un débitmètre surveille le débit de gaz, tandis que le panneau API Plan 74 est équipé d'un transmetteur pour surveiller en continu l'état du joint. Le paramètre clé est la pression du gaz de barrage fournie au joint. Avantages des joints à gaz pour les utilisateurs finaux Malgré les nombreux avantages des joints à gaz dans les équipements de pompage, le choix entre les configurations de joints doubles pressurisés humides et secs suscite encore des malentendus. Les joints pressurisés humides utilisent un fluide barrière liquide (tel que les plans API 53A/B/C et 54) pour la lubrification et le refroidissement, tandis que les joints pressurisés secs utilisent du gaz et nécessitent un préconditionnement minimal. Comparaison des coûtsLe coût de base des cassettes d'étanchéité humides et sèches est similaire. Les joints humides nécessitent de l'azote, un fluide propre, un câblage électrique, de l'eau de refroidissement et l'alimentation de la pompe et du ventilateur ; les joints secs, quant à eux, dépendent principalement de l'azote et des connexions électriques ; si une pressurisation est nécessaire, ils ne nécessitent que l'alimentation du surpresseur d'azote. Compatibilité des fluides barrièresLes joints humides ont des exigences de compatibilité plus élevées avec les fluides barrières liquides, ce qui peut affecter la qualité du procédé. Les joints secs utilisent de l'azote inerte, ce qui ne pose généralement pas de problèmes de compatibilité. Surveillance et maintenance du systèmeLes joints humides nécessitent un remplissage régulier en fluide de barrage et l'entretien de l'échangeur thermique. Les joints secs nécessitent une surveillance de la pression de barrage et une source d'azote de secours pour garantir la fiabilité du système. Bien que les débits de gaz élevés avec les joints secs nécessitent une étude, un fonctionnement continu est généralement acceptable tant que la pression de barrage reste stable. Consommation d'énergie et contrôle de la chaleurComparés aux joints à gaz, les joints humides consomment plus d'énergie et génèrent plus de chaleur. Ils présentent également des élévations de température et une consommation énergétique plus faibles. Selon les statistiques, les joints humides consomment environ 1 300 kWh d'électricité et rejettent 2 tonnes de dioxyde de carbone (CO₂) par an, tandis que les joints secs ne consomment que 350 kWh et rejettent 0,54 tonne de CO₂. Au cours des 31 dernières années, environ 105 000 joints à gaz ont été installés dans le monde, avec une durée de vie moyenne de six ans par système, ce qui a permis de réaliser des économies d'énergie cumulées de 8,6 millions de kWh, soit l'équivalent de la consommation électrique totale des habitants de Houston, au Texas. Flexibilité d'installationLes systèmes d'étanchéité à gaz éliminent la nécessité d'une circulation complexe des fluides, offrant une plus grande flexibilité dans l'emplacement d'installation des instruments de contrôle et de surveillance. En revanche, les joints humides nécessitent une installation plus proche de l'équipement afin de réduire les pertes de charge dans les tuyauteries. Cette flexibilité est particulièrement utile dans les projets de modernisation des équipements, facilitant ainsi la maintenance et les réparations. Comparée aux joints de contact traditionnels lubrifiés par liquide, la technologie des joints secs à gaz sans contact réduit considérablement les émissions fugitives des pompes de process, économisant ainsi des milliers de tonnes de déchets toxiques et éliminant le besoin d'eau de refroidissement. De plus, cette technologie réduit les pertes de puissance parasites, améliorant considérablement l'efficacité énergétique et permettant d'économiser environ 2 tonnes de CO₂ par pompe et par an. De plus, l'amélioration du temps moyen entre les réparations (MTBR) et la fiabilité des équipements offrent des avantages significatifs en termes de coûts d'exploitation. La technologie des joints lubrifiés au gaz sec sans contact demeure une solution idéale pour atteindre les objectifs de réduction des émissions et améliorer la fiabilité des équipements. Comme pour toute technologie avancée, son application doit être scientifiquement fondée et adaptée aux conditions locales. Une sélection et une mise en œuvre judicieuses de cette technologie améliorent non seulement les performances des équipements, mais offrent également des avantages économiques et environnementaux significatifs.
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