Garnitures mécaniques KSB : Une étanchéité parfaite ? 3/4

Les garnitures mécaniques - une étanchéité parfaite

Cette semaine, découvrez le dernier article de la série sur les garnitures mécaniques avec Géraldine Houis. Focus sur l’étanchéité des pompes et la possibilité d’obtenir une étanchéité parfaite grâce aux garnitures mécaniques.

étanchéité de la pompe se fait au niveau des faces d´étanchéité, sur quelques millimètres à peine. Pour la plupart des garnitures mécaniques, cette zone de contact est lubrifiée grâce à un mince film, entretenu par la rotation, qui provient soit du fluide véhiculé soit d´une source externe (cas d´une garniture double pressurisée). Il est possible qu´il y ait un écoulement minime de ce film hors des faces de frottement : le produit de fuite.

Il est nécessaire de toujours avoir un film liquide entre les faces et cela représente un défi technique : il faut ainsi maintenir un interstice précis entre les faces, suffisamment grand afin de permettre à une quantité suffisante de lubrifiant de circuler entre les faces sans que celles-ci ne laissent passer un volume trop élevé de produit de fuite mais suffisamment petit pour empêcher des contaminants de pénétrer entre les faces et risquer d’endommager la garniture elle-même.

Cet interstice est maintenu à l’aide de ressorts et de la force hydraulique qui pousse les faces d´étanchéité l’une contre l’autre, tandis que la pression du film liquide entre elles a l’effet inverse en les repoussant l’une de l’autre. Sans la pression qui les repousse l’une de l’autre, les deux faces seraient en contact direct, donc en fonctionnement à sec, ce qui entraînerait rapidement une défaillance complète de la garniture mécanique à cause de l´échauffement et de l´usure des faces. Sans la pression du fluide véhiculé et la force des ressorts qui poussent les faces l’une contre l’autre, celles-ci seraient trop éloignées et le volume de produit de fuite serait trop important.

En plus de ce défi technique, un autre phénomène est à prendre en compte. En effet, le frottement au niveau du film entraîne un échauffement des faces, du film lui-même et du fluide environnant. Afin d´accroître la longévité des faces, le film doit toujours être stable et liquide : aucune évaporation ne doit avoir lieu. Si une évaporation a lieu sur une partie de la zone de contact, il s’agit à nouveau d´un cas de fonctionnement à sec. De plus, dans la zone de contact d´une garniture simple, la pression P1>P2 se réduit au niveau des faces d´étanchéité jusqu’à atteindre la pression atmosphérique P2 à la sortie. La température doit donc être suffisamment basse afin de garantir l´état liquide du lubrifiant. Voir figure 1.

 

Chambre d'étanchéité - phénomène de fonctionnement à sec

Figure 1: Schéma du phénomène de fonctionnement à sec dans le cas de l’évaporation du film lubrifiant pour une garniture simple.

Ainsi, chaque corps pur possède une courbe de vaporisation propre (voir figure 2) et il faut s’assurer que les conditions d´opération permettent au fluide servant de lubrifiant d´être sous forme liquide. Par exemple, l’eau s’évapore à 100°C à pression atmosphérique (1 bar), il faut donc réduire la température de l´eau suffisamment pour qu´elle soit sous forme liquide jusqu’à l´autre extrémité de la zone de contact. 

Courbe de vaporisation pou l'eau et l'alcool

Exemple de courbe de vaporisation pour l’eau et l’alcool

La nécessité de lubrification est la raison pour laquelle il n´est pas possible avec une seule garniture de proposer une étanchéité parfaite. Cependant, contrairement à la technique du presse-étoupe, le volume de produit de fuite sur une garniture mécanique peut être suffisamment faible pour ne pas être détectable à l’œil nu : Il est possible que le produit de fuite s’évapore instantanément lorsqu’il atteint l’atmosphère ou que seulement quelques gouttes ne s´échappent de la zone de contact des faces d’étanchéité. Cette quantité de produit de fuite varie en fonction des conditions, selon la durée de vie de la garniture et selon le design.

Ainsi, c´est même donc plutôt bon signe d´avoir une légère fuite : quelques gouttes qui s´écoulent sur un laps de temps acceptable prouvent que la garniture est bien lubrifiée et garantissent une longue durée de vie !

Si le fluide manipulé ne permet pas de fuite vers l´atmosphère (dangerosité, cristallisation, encrassement, etc.), les garnitures mécaniques doubles non pressurisées et pressurisées sont une solution à envisager.

Dans le cas d´une garniture double non pressurisée (P2<P1), le produit de fuite (film lubrifiant provenant du fluide véhiculé) ne s´écoule pas directement vers l´atmosphère mais vers un fluide apporté via système auxiliaire. Cela permet d´éviter les cas de cristallisation, d´encrassement etc.

Dans le cas d´une garniture double pressurisée, le film lubrifiant est un fluide provenant d´un système auxiliaire ayant une pression P2 plus élevée que la pression du fluide véhiculé P1. Le produit de fuite est donc constitué du fluide provenant du système auxiliaire. De cette façon, nous obtenons une étanchéité parfaite dans le sens où le produit véhiculé ne peut pas sortir de la pompe. En revanche, il faut que la contamination du produit véhiculé par le produit de fuite soit tolérée.