Comment spécifier les bagues d'étanchéité en carbure de tungstène pour les garnitures mécaniques : Guide technique pour les fabricants d'équipements d'origine (OEM) de pompes et de compresseurs

Pourquoi la planéité de la face inférieure à 0,0005 mm détermine la durée de vie de votre joint

Lorsque j'ai commencé à travailler avec des fabricants de pompes en 2011, j'ai vu un lot entier de garnitures mécaniques tomber en panne en moins de 2 000 heures de fonctionnement, bien en deçà de la durée de vie prévue de 8 000 heures. Après avoir ouvert les bagues d'étanchéité défectueuses, le problème était immédiatement visible : carbure de tungstène Les faces présentaient un motif distinctif de « chevauchement de chien », ce qui signifie qu'un bord de la face supportait toute la charge tandis que la face opposée se déformait légèrement sous la pression.

La cause profonde n'était pas la qualité des matériaux, c'était… spécifications de planéité du visageLes faces des bagues d'étanchéité étaient rectifiées avec une tolérance jugée acceptable de 0,001 mm, alors que l'application exigeait une précision inférieure à 0,0005 mm. Je vais vous expliquer précisément pourquoi cette valeur est si importante.

Le mécanisme d'effondrement du film fluide

Les garnitures mécaniques des pompes centrifuges dépendent d'un film fluide hydrodynamique — une fine couche de fluide de procédé emprisonnée entre les deux faces d'étanchéité rotatives, assurant la lubrification et empêchant le contact direct. Ce film est généralement 0,001 à 0,003 mm d'épaisseurLorsque les faces des bagues d'étanchéité s'écartent de la planéité de plus que l'épaisseur du film fluide, un contact direct entre les faces se produit dans les zones déviées, générant de la chaleur et du frottement localisés.

Parce que le carbure de tungstène a un coefficient de dilatation thermique d'environ 4,5 × 10⁻⁶/°CMême un chauffage modéré crée des contraintes différentielles sur la surface de contact. Lors de cycles thermiques répétés — auxquels toute pompe est soumise au démarrage et à l'arrêt —, cela provoque des microfissures le long du périmètre de la surface. La défaillance se propage plus rapidement que prévu par la plupart des ingénieurs, car le film lubrifiant ne peut jamais se reformer complètement une fois que les surfaces sont usées de manière irrégulière.

Selon les Norme ASTM F37 pour les matériaux de surface d'étanchéitéL'épaisseur du film fluide dans une garniture mécanique équilibrée fonctionnant à une pression de 10 bars se situe généralement entre 0,001 et 0,002 mm. Cela correspond à un écart de planéité de 0,0005 mm consomme déjà 25 à 50 % du jeu du film fluide disponible avant même de prendre en compte toute variation de pression ou distorsion thermique.

Mesure de la planéité en usine : à quoi ressemblent réellement les chiffres

Dans l'usine de production de Langsun Carbide, chaque bague d'étanchéité passe par notre vérification de la planéité basée sur l'interférométrie Processus avant expédition. En 2025, nous avons mesuré 523 lots de production de bagues d'étanchéité en carbure de tungstène (WC) des nuances YG6, YG8, YG13 et YG15. Résultats :

• Spécification cible : Écart de planéité
• Moyenne réelle : 0,00038 mm — mesuré dans des conditions contrôlées de 20 ± 2 °C et de 50 ± 5 % d'humidité relative
• Taux de réussite (≤0,0005 mm) : 96,4 % de toutes les bagues de production étaient conformes aux spécifications
• Distribution hors spécifications : 2,1 % dépassaient 0,0005 mm mais restaient inférieurs à 0,001 mm ; 1,5 % dépassaient 0,001 mm et ont été mis au rebut.

Ces mesures sont prises à l'aide d'un Interféromètre de Zygo avec une résolution de 0,0001 mm (0,1 micromètre) — bien au-delà de ce que l'œil nu peut détecter. Si vous spécifiez des joints toriques pour une pompe critique conforme à la norme API 610, demander des données d'interférométrie à votre fournisseur n'est pas une option ; c'est une obligation. Tout fournisseur incapable de fournir ces données navigue à vue en matière de planéité.

Comment la pression nominale de la pompe influence l'exigence de planéité

La stabilité du film lubrifiant varie considérablement avec la pression. Lors de nos essais en usine, lorsque nous avons mis sous pression un banc d'essai de garniture mécanique de 5 à 25 bars, l'épaisseur minimale du film lubrifiant a diminué d'environ 38%À 25 bars, le film de fluide dans une configuration de joint standard API 610 s'amincit à environ 0,0012 mm, ce qui signifie qu'un écart de planéité de 0,0005 mm représente désormais près de 42 % de l'épaisseur du film plutôt que la plage de 25 à 50 % à pression atmosphérique.

Voilà pourquoi pompes multicellulaires haute pression Exigez des tolérances de planéité plus strictes que pour les pompes monoblocs. Si vous travaillez à une pression supérieure à 20 bars, insistez sur planéité de 0,0003 mm Conformément à votre cahier des charges, et non à une précision de 0,0005 mm, le surcoût d'une rectification de haute qualité est négligeable comparé au coût d'une défaillance imprévue d'étanchéité dans un environnement de traitement par pipeline.

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Adaptation de la dureté — Choisir la nuance de carbure adaptée à votre fluide de refroidissement

L'adéquation de la dureté est la deuxième variable que les ingénieurs des équipementiers sous-estiment systématiquement. Le carbure de tungstène se décline en plusieurs qualités, définies par leur teneur en cobalt (Co) comme liant, et chaque qualité présente un compromis différent entre dureté et ténacité. Choisir une qualité inadaptée à votre fluide spécifique accélère l'usure de la surface d'étanchéité et réduit considérablement le MTBF (temps moyen entre les pannes).

Comprendre les désignations de grade WC

Les nuances de carbure de tungstène les plus couramment utilisées dans les bagues d'étanchéité mécaniques sont les suivantes : Système de classification ISO 513:

• YG6 : Liant à 6 % de cobalt — dureté maximale (~1 700 HV), ténacité minimale — idéal pour les fluides propres et peu abrasifs comme les hydrocarbures raffinés et les condensats
• YG8 : Liant à 8 % de cobalt — dureté d'environ 1 550 HV, ténacité nettement supérieure à celle du YG6 — notre nuance la plus polyvalente pour l'eau, les boues légères et les eaux produites par l'industrie pétrolière et gazière
• YG13 : Liant à 13 % de cobalt — dureté d'environ 1 400 HV, haute ténacité à la rupture — supporte bien les suspensions de particules légères et les cycles thermiques.
• YG15 : Liant à 15 % de cobalt — dureté d'environ 1 300 HV, ténacité maximale — utilisé dans les boues épaisses, l'exploitation minière et les milieux très abrasifs où la résistance à la rupture prime sur la dureté brute

La règle de base que je donne à chaque nouveau client est la suivante : Réduire la teneur en cobalt pour des fluides plus propres, l'augmenter pour les applications abrasives ou soumises à des cycles thermiques.Le YG6, utilisé dans une pompe à boues, s'écaillera. Le YG15, utilisé dans un joint d'étanchéité pour hydrocarbures, s'usera prématurément. Choisissez la nuance de YG15 adaptée à l'application.

Différence de dureté entre les faces en contact

Voici le principe que la plupart des rapports d'analyse des défaillances d'étanchéité interprètent mal : La dureté absolue de chaque joint torique importe moins que la différence de dureté entre les deux surfaces de contact..

Lorsque le carbure de tungstène (1 400–1 700 HV) est mis en contact avec du carbure de silicium (2 100–2 200 HV), la face en SiC usera préférentiellement la face opposée en WC, car le carbure de tungstène est plus tendre. On appelle ce phénomène… « Problème d'usure des parties souples » Dans nos discussions techniques, il est dit que la face la plus dure « plane » des rainures microscopiques dans la face la plus tendre, et une fois formées, ces rainures agissent comme des concentrateurs de contraintes qui accélèrent la propagation des fissures lors des cycles thermiques.

Un appariement optimal de la dureté permet de maintenir le différentiel à 200–400 CVChez Langsun Carbide, lorsque nous fournissons des jeux de bagues d'étanchéité appariées pour les applications critiques, nous spécifions que les deux bagues sont de même nuance (tolérance de ±50 HV sur la dureté mesurée). Ceci élimine totalement la différence et assure une usure uniforme sur les deux faces, prolongeant ainsi la durée de vie du joint en moyenne de 31% dans nos données de tests internes de 2024-2025.

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Note d'expert de Chang Wu : « J'ai eu un client OEM qui insistait pour utiliser nos segments YG8 avec ses sièges fixes en carbure de silicium. L'application consistait à produire de l'eau à faible teneur en sable. En moins de six mois, une défaillance d'étanchéité est apparue. Nous avons remplacé les sièges fixes en SiC par des segments YG13 et le problème a disparu. La différence de dureté corrodait fortement le YG8, même dans des conditions d'utilisation relativement douces. L'appariement des duretés n'est pas intuitif : le principe « plus dur, c'est mieux » ne tient plus du tout lorsque les deux faces ne sont pas appariées. »

Sélection de la qualité par type de fluide

Voici le cadre de décision que nous utilisons en interne pour la sélection des grades — partagé ici avec nos clients afin qu'ils puissent spécifier en toute confiance :

• Hydrocarbures raffinés (essence, diesel, condensat) : YG6 — service impeccable, dureté maximale gagnante
• Eau produite, pétrole brut, pétrole brut léger : YG8 — dureté et ténacité équilibrées, supporte les variations mineures de la teneur en eau.
• Hydrocarbure à teneur en sable  YG13 — une robustesse accrue résiste à l'abrasion due à l'impact de particules
• Boues minières, eaux chargées de sable, traitement du minerai : Utilisez des bagues d'étanchéité en YG15 ou en SiC plutôt qu'en WC — cette application dépasse les limites d'usure pratiques du WC.
• Service de cyclage thermique (récupération de pétrole assistée par la vapeur) : YG13 minimum — vous avez besoin d'une ténacité à la rupture à haute température

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Analyse des tolérances OEM pour les joints d'étanchéité des pompes centrifuges

C’est dans cette section que la plupart des spécifications d’approvisionnement des équipementiers échouent, non pas parce que l’analyse des tolérances est complexe, mais parce que personne ne le fait réellementJ'ai examiné les spécifications d'approvisionnement de plus de 30 fabricants de pompes au cours des 15 dernières années, et moins de 20 % incluaient un calcul d'accumulation des tolérances indiquant les composants réels contribuant à cette accumulation.

Permettez-moi de vous exposer la méthodologie.

Les quatre contributeurs aux piles de tolérance des plans d'API

Lors de l'assemblage d'une pompe centrifuge, quatre éléments mécaniques contribuent à définir le jeu effectif disponible pour le fonctionnement des faces d'étanchéité mécanique :

• Déflexion de l'arbre sous charge hydraulique : Lorsque la roue génère de la pression, l'arbre se courbe légèrement vers la chambre d'étanchéité. Pour une pompe API 610 à 6 étages fonctionnant à la hauteur manométrique maximale nominale, la flèche de l'arbre au niveau de l'étanchéité peut atteindre ±0,03 mmLes pompes à un seul étage voient généralement 0,01 à 0,015 mm.
• Tolérance d'alésage du logement : L'alésage de la chambre d'étanchéité est usiné selon une tolérance H7 — généralement ±0,02 mm pour un diamètre d'alésage de 100 mm. Cette tolérance influe directement sur la position de l'alésage de la bague d'étanchéité fixe.
• Faux-rond de la face de la chambre d'étanchéité : Par Spécification API 610, le faux-rond de la face de la chambre d'étanchéité est limité à TIR de 0,015 mm (Lecture totale indiquée) pour les pompes standard et 0,008 mm pour les compresseurs à engrenages intégrés haute vitesse. Ceci incline directement la bague d'étanchéité fixe par rapport à la bague rotative.
• Différentiel de croissance thermique : Le carbure de tungstène a un coefficient de dilatation thermique d'environ 4,5 × 10⁻⁶/°C, tandis que l'arbre en acier 4140 mesure environ 11,7 × 10⁻⁶/°CLors d'une élévation de température de 100 °C entre le démarrage à froid et la température de fonctionnement, l'arbre se dilate beaucoup plus que la bague d'étanchéité en carbure de tungstène, modifiant ainsi la position axiale de la face d'étanchéité rotative.

Calcul de la pile de tolérance totale

Dans le pire des cas, Pompe API 610 multicellulaire fonctionnant à 25 bars :

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En utilisant Racine carrée de la somme des carrés (RSS) combinaison : √(0,03² + 0,02² + 0,015² + 0,05²) = ±0,063 mm

Pour un pompe à un étage avec des charges hydrauliques plus faibles et un différentiel de dilatation thermique plus faible :

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Les conséquences pour votre Tolérance de profondeur de la gorge du joint torique Il est clair que pour les pompes multicellulaires, il faut spécifier les profondeurs de rainure qui permettent d'accueillir une Empilement de ±0,063 mmSi la tolérance de profondeur de la gorge de votre bague n'est que de ±0,03 mm, vous dépassez déjà votre marge de tolérance avant même l'assemblage du joint. Nous collaborons régulièrement avec nos clients pour élargir la tolérance de la gorge ou spécifier des plaques de presse-étoupe réglables permettant de compenser l'accumulation de matière lors de l'installation.

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Choix des matériaux : faces d’étanchéité en carbure de tungstène, carbure de silicium ou carbone

Le WC n'est pas toujours la solution idéale, et un bon fournisseur technique devrait le dire clairement. Voici une comparaison objective des trois matériaux les plus courants pour les faces d'étanchéité mécanique :

Carbure de tungstène (WC)

Avantages :Dureté exceptionnelle (1 400 à 1 700 HV), excellente inertie chimique, conductivité thermique élevée (environ 85 à 110 W/m·K pour les nuances standard), taux de corrosion quasi nul dans la plupart des environnements pétroliers et gaziers, base de fabrication bien établie à l'échelle mondiale.Inconvénients :Peut se fissurer sous l'effet d'un choc thermique si la nuance utilisée est mal adaptée ; nécessite une correspondance précise de la dureté avec la face d'accouplement ; coût plus élevé que le carbone dans les applications à grand volume ; certaines nuances sont sensibles à la dissolution des carbures dans les environnements fortement acides (concentration de HCl > 10 % à température élevée).Idéal pour :Pompes haute pression (supérieures à 15 bars), service de traitement des eaux produites par l'industrie pétrolière et gazière, traitement des hydrocarbures, applications de cyclage thermique, boues à abrasion modérée.

Carbure de silicium (SiC)

Avantages :Dureté supérieure (2 100–2 200 HV), excellente pour les services abrasifs, conductivité thermique exceptionnelle (environ 120–200 W/m·K pour le SiC lié par réaction), les qualités auto-frittées offrent une bonne inertie chimique.Inconvénients :Risque de rupture fragile sous choc mécanique ; plus cher que le WC dans la plupart des configurations ; la face la plus dure use la face opposée plus tendre si la différence de dureté est ignorée ; variété de nuances limitée par rapport au WC.Idéal pour :Pompes à boues abrasives, service en eau de mer, applications où la résistance à l'usure domine la ténacité à la rupture, applications à haute température supérieures à 350 °C.

Carbone (Graphite)

Avantages :Autolubrifiant (la structure en treillis de graphite assure une lubrification intrinsèque), coefficient de frottement très faible, fonctionnement silencieux, absorbe les particules sans se gripper, coût le plus bas des trois matériaux.Inconvénients :Faible dureté (~80–200 HB), taux d'usure élevé en service abrasif, se dégrade dans les environnements oxydants au-dessus de 500 °C, ne convient pas au fonctionnement à sec.Idéal pour :Joints basse pression (

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Recommandation de spécification : Pour une pompe à eau de production standard utilisée dans l'industrie pétrolière et gazière, fonctionnant à une pression de 10 à 20 bars avec une teneur en sable modérée ( Bague rotative WC YG8 contre bague fixe WC YG8 — Une dureté identique élimine le problème d'usure différentielle. Pour les pompes de relevage d'eau de mer avec une charge de sable plus élevée, il convient de considérer SiC contre SiC ou SiC en rotation contre WC YG15 stationnaire utiliser la ténacité à la rupture du WC là où la dureté du SiC résiste à l'abrasion.

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Protocole d'inspection de la qualité : ce que tout responsable des achats doit vérifier

Lorsque vous recevez une livraison de tungstène Joints d'étanchéité en carbureMettre en œuvre un protocole d'inspection rigoureux avant l'installation vous évite de découvrir des problèmes lors de la mise en service, moment où ils surviennent le plus mal. Conformément à notre système qualité (certifié ISO 9001:2015 et vérifié annuellement par SGS), voici ce que votre inspection doit couvrir :

Étape 1 : Vérification dimensionnelle

Mesurer le Largeur du diamètre extérieur, du diamètre intérieur et de la face Utilisez un micromètre d'une précision de 0,001 mm. Comparez la mesure aux spécifications de votre dessin. Pour la largeur de la face, mesurez au minimum : 4 points (0°, 90°, 180°, 270°) et consigner toute variation. La tolérance sur la largeur de la face est généralement de 100 °C. ±0,015 mm pour les bagues rectifiées avec précision.

Étape 2 : Vérification de la planéité

Si vous avez accès à un plan optique (généralement un interféromètre à lumière monochromatique de 150 mm ou 200 mm), placez la bague d'étanchéité face contre la surface optique plane et éclairez-la avec une lumière monochromatique au sodium (longueur d'onde 589 nm). Comptez les franges d'interférence sur le diamètre de la face. Chaque frange complète représente 0,00029 mm déviation de planéité. Un maximum de 1,5 bandes sur un diamètre de face de 100 mm, cela équivaut à notre spécification de 0,0005 mm.

Si vous ne disposez pas d'une lame optique, demandez celle du fournisseur. rapport de test d'interférométrie — Tout fournisseur réputé produit ce document pour chaque lot, et il doit indiquer le lieu de mesure, le modèle de l'équipement et les conditions ambiantes.

Étape 3 : Mesure de l’état de surface

Mesure rugosité de surface Ra sur la face du joint à l'aide d'un profilomètre. L'objectif est Ra 0,1–0,2 micromètres Pour les faces d'étanchéité hydrodynamiques, la surface doit être suffisamment lisse pour permettre la formation d'un film lubrifiant, sans toutefois être polie au point d'empêcher le fluide de mouiller correctement la surface. Une rugosité excessive (Ra

Étape 4 : Inspection visuelle et par ressuage

Inspectez la face du joint à un grossissement de 10× pour détecter toute anomalie. éclats, fissures ou arrachements (zones où le liant cobalt s'est détaché de la matrice en carbure). Tout éclat de bord supérieur à 0,3 mm de profondeur doit être rejeté. Pour les applications à haute criticité (vannes de tête de puits de pétrole et de gaz, pompes d'alimentation de réacteurs), veuillez demander Inspection par ressuage selon la norme ASTM E165 aussi.

Étape 5 : Vérification de la dureté

Vérifiez le niveau des toilettes à l'aide d'un testeur de dureté Vickers (Charge : 30 kgf pour la dureté globale, 1 kgf pour la dureté superficielle). Pour YG8, la plage attendue est : 1 480–1 620 HV30Notez l'emplacement de votre mesure — la dureté de surface peut différer de la dureté du volume en raison des contraintes résiduelles de rectification.

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Normes internationales et conformité pour l'approvisionnement en bagues d'étanchéité

Pour les achats mondiaux de composants d'étanchéité mécanique chez les équipementiers, plusieurs normes régissent ces composants. Veiller à ce que votre cahier des charges d'approvisionnement soit conforme aux normes dès le départ évite des modifications coûteuses lors de l'audit de votre chaîne d'approvisionnement par l'équipe qualité de votre client.

• API 610 : Pompes centrifuges pour l'industrie pétrolière, pétrochimique et gazière — régit les dimensions de la chambre d'étanchéité, les limites de faux-rond et les exigences d'essai
• API 682 : Systèmes d'étanchéité d'arbre pour pompes centrifuges et rotatives — définit la catégorisation des joints (catégorie 1/2/3) et les exigences minimales de performance
• ASTM B887 : Méthode d'essai normalisée pour la dureté par indentation des matériaux durs issus de la métallurgie des poudres (P/M)
• ISO 9001:2015 : Systèmes de gestion de la qualité — votre fournisseur doit posséder une certification en cours de validité délivrée par un organisme certificateur accrédité (SGS, Bureau Veritas, DNV GL ou TÜV).
• ASME B16.5 : Pour les logements de joints à brides — dimensions et valeurs nominales de pression/température
• NACE MR0175 / ISO 15156 : Exigences de compatibilité des matériaux pour les applications contenant du H₂S dans l'industrie pétrolière et gazière

Lors de l'émission de demandes de prix pour des bagues d'étanchéité en carbure de tungstène, exigez que votre fournisseur indique leur Numéro de certificat ISO 9001 et organisme émetteur et inclure un certificat de conformité par API 682 Annexe A Tout fournisseur incapable de fournir une documentation de qualité tierce ne maîtrise pas son processus de fabrication — et les bagues d'étanchéité en carbure ne sont pas un domaine où l'on peut faire des économies de bouts de chandelle sur les systèmes de qualité.

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Pourquoi les acheteurs en gros choisissent Langsun Carbide pour leurs commandes importantes de bagues d'étanchéité

Avec plus de 26 ans Langsun Carbide, entreprise spécialisée dans la fabrication de composants industriels en carbure de tungstène (fondée en 1998), opère 8 lignes de production avec Plus de 150 techniciens dans notre usine de Ningbo, en Chine, certifiée ISO 9001:2015. Voici ce que ces chiffres signifient pour vos achats :

• Capacité de production : Huit lignes de production capables de fabriquer plus de 50 000 jeux de bagues d’étanchéité par an : nous bénéficions d’une redondance de notre chaîne d’approvisionnement qu’aucun fabricant à ligne unique ne peut égaler.
• Cohérence des lots : Chaque lot de production est traçable jusqu'aux lots de matières premières spécifiques (origine de la poudre de WC, qualité du liant cobalt, granulométrie) — des certificats de matériaux sont fournis avec chaque expédition.
• Vérification de la qualité : 100 % des faces des bagues d'étanchéité font l'objet d'un contrôle interférométrique avant expédition ; des cartes de contrôle statistique des processus (SPC) sont disponibles sur demande pour les commandes en volume important.
• Niveaux de prix : Plus de 100 unités = remise de 5 à 8 % ; plus de 500 unités = remise de 12 à 15 % ; plus de 1 000 unités = remise de 18 à 22 % sur le prix de base, avec des délais de livraison respectifs de 15, 25 et 35 jours.
• Personnalisation : Des nuances non standard, des géométries d'anneaux personnalisées et des revêtements spéciaux (TiN, CrN) sont disponibles pour les commandes supérieures à 50 unités.

Nous desservons les industries pétrolières et gazières, minières, chimiques et agricoles à l'échelle mondiale, et notre équipe d'ingénieurs est disponible pour examiner vos plans et vous recommander une optimisation de la qualité avant le lancement de la production. Pour les partenaires OEM commandant plus de 1 000 unités par an, nous proposons accords-cadres annuels qui permettent de fixer les prix en fonction du volume et de garantir l'attribution des créneaux de production, éliminant ainsi l'anxiété liée à l'incertitude des délais qui perturbe les calendriers d'assemblage.

Si vous spécifiez des bagues d'étanchéité en carbure de tungstène pour votre prochain projet de pompe ou de compresseur et que vous souhaitez un fournisseur capable d'étayer ses affirmations de qualité par des données d'usine réelles, Contactez notre équipe d'exportationNous répondons aux demandes techniques sous 24 heures et pouvons fournir des échantillons d'anneaux pour vos tests de qualification.

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À propos de l'auteur : Chang Wu est responsable des ventes à l'exportation chez Langsun Carbide (Ningbo Langsun Tungsten Carbide Co., Ltd.) et possède plus de 15 ans d'expérience dans le domaine du tungstène. Pièces d'usure en carbure Langsun Carbide assure la fabrication et l'exportation de composants en carbure sur mesure pour les garnitures de soupapes, la protection contre l'usure des centrifugeuses, les bagues de pompes à boues et les joints d'étanchéité mécaniques. Certifiée ISO 9001:2015, l'entreprise dessert les industries pétrolières et gazières, minières, chimiques et agricoles à l'échelle mondiale. Suivez Langsun Carbide sur Facebook | Découvrez notre processus de production sur YouTube.