Comment le fonctionnement à sec endommage les faces d'étanchéité en carbure – et quelles combinaisons de matériaux résistent le mieux ?

Quand les gens voient unbague d'étanchéité en carbure de tungstène , ils s'attendent naturellement à ce qu'il survive à presque tout.

Ce matériau est extrêmement dur, indéformable et très résistant à l'usure abrasive. Le carbure de silicium jouit d'une excellente réputation pour les joints mécaniques utilisés en milieux corrosifs et abrasifs.

Cependant, ces deux matériaux peuvent être rapidement endommagés lorsqu'un joint mécanique lubrifié par liquide fonctionne sans suffisamment de liquide à ses faces.

La raison est simple : la dureté ne remplace pas la lubrification.

En fonctionnement normal, les faces d'étanchéité rotatives et fixes sont séparées par un film de fluide microscopique. Ce film réduit le frottement, évacue la chaleur et permet aux faces de fonctionner avec une fuite contrôlée.

En fonctionnement à sec, le film lubrifiant devient trop mince, instable, voire inexistant. Le contact direct augmente, la chaleur de frottement s'accroît et le contact entre les surfaces peut passer d'un fonctionnement stable à des dommages thermiques et mécaniques.

Chez Langsun Carbide, nous ne nous contentons donc pas de demander :

« Quel matériau de façade est le plus dur ? »

Nous demandons :

« Quel couple de matériaux génère le moins de frottement dommageable, reste géométriquement stable et offre une voie réaliste pour évacuer la chaleur lorsque la lubrification est interrompue ? »

Tout d'abord, définissez ce que signifie « répétition à blanc ».

Le terme « fonctionnement à sec » est utilisé pour désigner plusieurs conditions de fonctionnement différentes. Elles ne doivent pas être considérées comme équivalentes.

Condition	Ce qui se produit	Risque typique
Perte partielle de lubrification	Il reste du liquide, mais le film est instable ou interrompu par du gaz, une vaporisation instantanée, une mauvaise circulation ou un niveau de liquide trop bas.	Frottement mixte, cycles de température, contact intermittent et usure accélérée
brève marche à sec accidentelle	Les faces d'étanchéité perdent temporairement leur film liquide lors du démarrage, de l'arrêt, de l'amorçage ou d'une perturbation du processus.	Chauffage rapide, rayures, déformation de la face, usure du carbone et fuites après l'événement
Fonctionnement à sec intermittent répété	La perte de lubrification se produit de manière répétée au cours des cycles de production normaux	Dommages thermiques cumulatifs, perte progressive de planéité, fissuration et durée de vie des joints réduite
Joint d'étanchéité à sec spécialement conçu à cet effet	Le joint est conçu pour fonctionner avec des faces de contact en présence de gaz ou de vapeur, généralement grâce à l'utilisation de carbone autolubrifiant et d'une charge contrôlée sur les faces.	Les performances dépendent d'un faible frottement, d'une vitesse adaptée, d'une pression faciale adéquate, d'un refroidissement approprié et de matériaux homologués.
Joint d'étanchéité à gaz sec sans contact	Des rainures usinées génèrent un film de gaz qui sépare les faces pendant le fonctionnement.	Nécessite une conception de joint d'étanchéité, une alimentation en gaz propre, des commandes et une plage de fonctionnement entièrement différentes.

Un matériau ayant fait ses preuves dans un joint d'étanchéité pour mélangeur à sec fonctionnant à basse vitesse ne doit pas être automatiquement approuvé pour une pompe de process à haute vitesse. Le diamètre de la face d'étanchéité, la pression, la vitesse, le rapport d'équilibrage, la charge, le transfert de chaleur et la géométrie du joint influencent tous le résultat.

Qu’est-ce qui provoque le dessèchement d’un joint mécanique ?

Le fonctionnement à sec ne se limite pas à un corps de pompe vide. Les causes fréquentes sont les suivantes :

● La pompe démarre avant d'être complètement amorcée.

● De l'air reste emprisonné dans la chambre d'étanchéité

● La conduite d'aspiration admet l'air

● Le niveau du liquide descend en dessous de l'aspiration de la pompe

● Une conduite de chasse d'eau ou de recirculation se bloque.

● Le produit s'évapore ou bout au niveau des faces de scellage

● La cavitation ou l'entraînement de gaz interrompt le film liquide

● Un système barrière-fluide perd de la pression ou de la circulation

● Un produit cristallisant ou polymérisant bloque les orifices d'étanchéité

● Des vannes ou un séquencement de démarrage incorrects isolent le joint du liquide

● L'équipement se vide pendant l'arrêt, mais redémarre avant que la chambre d'étanchéité ne se remplisse à nouveau.

La chaîne des dommages causés par le fonctionnement à sec

Une défaillance lors d'un fonctionnement à sec se développe généralement en chaîne plutôt que comme un événement isolé.

1. Le film fluide devient trop mince ou disparaît.

2. Une plus grande partie de la charge frontale est supportée par contact direct avec la surface.

3. Friction et élévation locale de la température.

4. Les faces rotatives et fixes chauffent à des vitesses différentes.

5. La planéité et la répartition des contacts commencent à changer.

6. Les points hauts supportent une charge plus importante et génèrent une chaleur supplémentaire.

7. Des rayures, des fissures, une usure ou un transfert de matière se développent.

8. Les fuites augmentent après le retour du liquide.

Comment le fonctionnement à sec endommage les faces d'étanchéité en carbure

1. La chaleur de frottement augmente rapidement

En fonctionnement normal, le film liquide évacue la chaleur de l'interface de glissement. Lorsque ce film disparaît, l'énergie de frottement se concentre davantage au niveau des surfaces de contact.

La température locale de la surface peut devenir beaucoup plus élevée que celle du liquide, du presse-étoupe ou du support métallique environnants. Ceci crée des gradients thermiques à travers la bague d'étanchéité.

2. Les faces se confondent ou se déforment

Un chauffage irrégulier peut modifier la forme de la surface d'étanchéité. Le contact peut se concentrer près du diamètre intérieur, du diamètre extérieur ou sur quelques points hauts localisés.

Une surface peut avoir passé avec succès le contrôle de planéité avant installation et se déformer malgré tout en cours d'utilisation. Une fois le liquide de retour, la paire déformée peut fuir car le contact initial est rompu.

3. Développement du marquage et du transfert de matière

Le contact direct peut polir, rayer ou rendre rugueuse la piste d'étanchéité. Une surface dure peut couper ou surchauffer une surface d'appui plus tendre. Des particules d'usure peuvent alors circuler entre les surfaces et aggraver l'abrasion.

4. Les faces en carbure peuvent se fissurer ou s'ébrécher.

carbure de tungstène Le carbure de silicium résiste à l'usure, mais les deux restent sensibles aux contraintes thermiques excessives, aux charges sur les bords et aux variations rapides de température.

Une face chaude soudainement inondée de liquide plus froid peut subir un choc thermique. Des dommages existants sur les bords, des contraintes de montage, la porosité ou une charge inégale sur la face peuvent accroître le risque de fissuration.

5. Les faces en carbone peuvent s'user, se glacer, se cloquer ou se fracturer.

Le graphite de carbone est choisi notamment pour ses propriétés de frottement favorables et son pouvoir autolubrifiant. Il reste cependant sensible aux températures élevées prolongées.

En fonction de la qualité du carbone, de l'imprégnation, du fluide, de la température et de la charge, le fonctionnement à sec peut produire :

● Rapid Face Wear

● Une piste de contact polie ou glacée

● Poussière de carbone

● Fissures ou dommages aux bords

● Apparition de cloques ou de dommages internes dans les grades imprégnés sensibles

6. Les joints secondaires et les pièces métalliques peuvent également être endommagés.

La chaleur générée au niveau des faces peut se propager aux joints toriques, soufflets, ressorts, dispositifs de retenue et supports métalliques. Les élastomères peuvent durcir, gonfler, perdre leur élasticité ou subir des dommages permanents par compression.

Un joint peut donc continuer à fuir après le rodage des faces si des composants secondaires endommagés par la chaleur sont réutilisés.

7. Les dommages peuvent rester cachés jusqu'au redémarrage.

Un bref fonctionnement à sec peut ne pas provoquer de fuite visible immédiate. Le joint peut refroidir, se remplir à nouveau et paraître normal.

Des fuites peuvent apparaître ultérieurement à mesure que les fissures se propagent, que l'usure du carbone se poursuit, que la planéité se détériore ou que les dommages thermiques modifient la charge de la face.

Quelles combinaisons de matériaux résistent le mieux aux essais à sec ?

Il n'existe pas de classement universel applicable à toutes les pressions, vitesses, diamètres de face, températures et durées. Le tableau comparatif suivant constitue un guide de sélection pratique pour les joints d'étanchéité industriels conventionnels.

Association des matériaux	Direction de marche à sec	Là où c'est le plus défendable	Principale limitation
Graphite de carbone / carbure de tungstène	Généralement tolérant aux brèves et accidentelles marches à sec lorsqu'il est correctement conçu	Fluides sales, vibrations, chocs mécaniques, abrasion modérée et lubrification mixte	Le carbone peut s'user rapidement en cas d'utilisation intensive de solides ou de fonctionnement prolongé à sec.
graphite de carbone / carbure de silicium	Largement utilisé dans les joints d'étanchéité à contact sec et à faible lubrification conçus spécifiquement à cet effet.	Service propre ou chimiquement agressif où la résistance à la corrosion et le transfert de chaleur sont importants	Le SiC nécessite une protection contre les chocs et un support insuffisant ; le carbone reste la face limitant l'usure
carbure de silicium / carbure de silicium	Ne présumez pas que les grades conventionnels sont capables de fonctionner à sec.	Liquides abrasifs et corrosifs à lubrification stable ; des variantes techniques spécifiques peuvent améliorer la tolérance aux situations d’urgence	Un contact direct entre deux surfaces dures peut générer une chaleur dommageable si le film liquide s'effondre.
Carbure de tungstène / carbure de tungstène	Généralement, priorité plus faible lorsqu'il existe un risque crédible de simulation à blanc.	Abrasion sévère et contraintes mécaniques, en présence d'un liquide ou d'un film barrière fiable.	Absence de surface en carbone autolubrifiante ; la chaleur de frottement doit être strictement contrôlée.
Carbure de tungstène / carbure de silicium	Spécifique à l'application ; ne doit pas être sélectionné pour un essai à blanc sans validation du constructeur.	Applications pour des conditions d'usure sévères où l'association de revêtements durs mixtes a fait ses preuves sous lubrification stable	Des comportements thermiques et mécaniques différents peuvent créer un schéma de contact imprévisible lors de la perte de lubrification.

Meilleure direction d'appariement selon le scénario opérationnel

Scénario opérationnel	Direction préférée	Raison
Démarrages à sec brefs et occasionnels en eau propre	Carbone/SiC ou carbone/WC	Le carbone offre un comportement de friction plus tolérant qu'une paire de surfaces dures conventionnelle.
bref fonctionnement à sec suivi de vibrations ou de chocs mécaniques	Carbone/WC	Le WC est mécaniquement robuste, tandis que le carbone réduit le frottement entre surfaces dures.
bref fonctionnement à sec en milieu chimique corrosif	Carbone/SiC, sous réserve de compatibilité avec la qualité du carbone	Le SiC offre une large résistance à la corrosion et une surface de contact dure et stable.
Boue abrasive avec barrière fiable ou rinçage	WC/WC, SiC/SiC ou WC/SiC, selon l'approbation du fabricant d'origine du joint.	Les surfaces dures résistent aux corps solides, mais la lubrification doit rester fiable.
Fluide abrasif et interruptions de lubrification répétées	Système traité au diamant ou double joint repensé	Le carbone conventionnel peut s'user au contact de solides, tandis que les paires dur-dur conventionnelles peuvent surchauffer.
Fonctionnement répété à faible lubrification	Technologie de surface d'étanchéité traitée au diamant ou micro-usinée	Une friction réduite et une meilleure gestion de la chaleur permettent de résoudre le problème fondamental du fonctionnement.
service de mélangeur ou de réacteur à sec continu	Joint d'étanchéité à sec en carbone/face dure conçu à cet effet	La charge frontale, la vitesse, la géométrie, le refroidissement et les matériaux sont conçus conjointement.
Service continu de gaz sec à grande vitesse	Joint d'étanchéité à gaz sans contact conçu à cet effet	Un film de gaz sépare les faces ; il ne s'agit pas d'un joint liquide de contact conventionnel

Je ne crois pas que la meilleure association de lames soit toujours celle qui présente le moins d'usure lors d'un fonctionnement parfaitement lubrifié.

Si le processus subit occasionnellement une perte de lubrification, un accouplement qui s'use légèrement plus vite dans des conditions normales mais évite les fissures thermiques soudaines peut offrir une durée de vie plus fiable.

C’est pourquoi le carbone en contact avec une surface dure demeure si important. Le carbone peut constituer l’élément d’usure prévu, mais il peut aussi rendre le contact plus tolérant lorsque le film fluide devient instable.

Le choix entre carbone/WC et carbone/SiC doit tenir compte du risque secondaire prédominant :

● Choisircarbone/WClorsque les vibrations, les chocs, les fluides sales ou les dommages mécaniques méritent une attention particulière.

● Choisircarbone/SiClorsque la résistance à la corrosion et une surface de contact dure et chimiquement stable méritent plus d'importance.

● Choisissez visages durs sur durslorsque l'abrasion sévère l'exige et que le système d'étanchéité peut maintenir une lubrification fiable.

Langsun Carbide fabrique les deuxbagues d'étanchéité en carbure de tungstèneetbagues d'étanchéité en carbure de siliciumUne recommandation fiable devrait expliquer quand l'un ou l'autre matériau n'est pas le bon choix.

Le matériau le plus résistant au fonctionnement à sec n'est pas universel. C'est la conception des surfaces de contact et des joints qui permet de générer une friction maîtrisable sous la pression, la vitesse, la température, la chimie et la durée réelles.

FAQ

Peut Joint en carbure de tungstène Les visages s'assèchent ?

Une face en carbure de tungstène peut tolérer une brève exposition à sec dans un montage correctement conçu, notamment avec un joint en graphite de carbone approprié. Il ne faut pas considérer que les joints lubrifiés classiques sont capables de fonctionner à sec en continu sans validation du constructeur.

Quel accouplement de faces conventionnel est le meilleur pour le fonctionnement à sec ?

Le graphite de carbone appliqué sur une surface dure est généralement plus tolérant qu'un couple dur-dur non modifié. Le composite carbone/WC est souvent privilégié pour les applications soumises à des contraintes mécaniques et à l'abrasion importantes, tandis que le composite carbone/SiC est souvent préféré pour les applications nécessitant une résistance à la corrosion et à l'utilisation de produits chimiques propres.

Le carbure de carbone/carbure de tungstène est-il meilleur que le carbure de carbone/carbure de silicium ?

Aucun des deux n'est universellement supérieur. Le carbone/WC peut être plus résistant aux vibrations, aux chocs ou aux fluides chargés de particules. Le carbone/SiC peut être plus résistant aux produits chimiques et à la gestion thermique.

Références

1. KSB, « Fonctionnement à sec ». La source définit le fonctionnement à sec complet et partiel et décrit la perte de refroidissement, de lubrification et d'action de centrage, avec des risques de surchauffe, d'abrasion, de grippage et de vibrations.

2. John Crane, « Solutions technologiques pour les faces d'étanchéité ». Cette source explique le rôle du film de fluide mince et identifie la lubrification limitée, le fonctionnement à sec intermittent et la forte génération de chaleur comme des défis en matière de fiabilité des faces d'étanchéité.

3. Flowserve, « Joint mélangeur VRA ». Le joint à contact à fonctionnement à sec spécialement conçu utilise une face rotative autolubrifiante en carbone ou en PTFE chargé avec des options de face stationnaire, y compris en carbure de tungstène.

4. EagleBurgmann, « SeccoMix 1-E32 ». Le joint de contact à fonctionnement à sec utilise une face de joint en carbone-graphite contre un siège en carbure de silicium dans une enveloppe de pression, de vitesse, de température et de charge définie.

5. John Crane, « Technologie Diamond Seal Face ». La source décrit des substrats en SiC traités au diamant et en WC sélectionnés pour des conditions abrasives, de faible lubrification, de fonctionnement à sec intermittent et de haute température.

6. Flowserve, « Joint de cartouche standard ISC2 ». La source décrit une technologie de gestion thermique, une tolérance améliorée au fonctionnement à sec et à la cavitation, une circulation de barrière et une option de face en diamant.

7. EagleBurgmann, « Joints stationnaires haute température Y14 et Y44 ». La source identifie des qualités de carbone spéciales et une faible pression frontale comme mesures de conception utilisées pour la capacité de fonctionnement à sec et la réduction de la génération de chaleur sur la face du joint.

8. John Crane, « Innovation dans les joints d'étanchéité à gaz sec pour la nouvelle économie de l'hydrogène ». La source décrit les bagues primaires à base de carbone comme tolérantes au frottement en raison des propriétés autolubrifiantes du carbone et note que les bagues d'accouplement en SiC ou WC peuvent bénéficier de revêtements spécialisés lors de contacts intermittents.

Auteur | Allen

Allen est directeur du marketing international chez NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Il possède plus de 5 ans d'expérience dans le domaine des pièces d'usure industrielles et Applications du carbure de tungstèneIl travaille avec des clients dans les secteurs du pétrole et du gaz, des vannes et du contrôle des débits, de la métallurgie, du traitement chimique, des pompes, du traitement de surface, des mines et du traitement des minéraux.

Il se concentre sur l'aide aux équipementiers, aux fabricants d'équipements, aux sociétés d'ingénierie et aux équipes d'approvisionnement pour choisir des pièces d'usure en carbure de tungstène fiables en fonction des conditions de travail réelles, des performances des matériaux, de la faisabilité de la fabrication et des exigences de contrôle de la qualité.

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