Garnitures mécaniques en carbure de tungstène pour pompes à vide : lubrification et contrôle thermique

faces d'étanchéité mécanique en carbure de tungstène sont utilisées dans les équipements rotatifs exigeants car elles combinent une résistance élevée à l'usure, une résistance à la compression, une stabilité dimensionnelle et une résistance utile aux chocs mécaniques.

Ces propriétés peuvent s'avérer précieuses dans les pompes à vide à anneau liquide et autres systèmes de vide de process manipulant de l'eau contaminée, du condensat, des solvants, des vapeurs corrosives, des particules fines ou des conditions de fonctionnement fluctuantes.

Cependant, une surface d'étanchéité rigide ne garantit pas automatiquement une étanchéité sous vide fiable.

Sous vide, le joint peut subir des infiltrations d'air, une inversion de la différence de pression, une alimentation en liquide instable, une vaporisation au niveau des faces et une dissipation thermique limitée. Ces conditions peuvent perturber le film lubrifiant microscopique entre les faces rotatives et fixes.

Lorsque ce film devient instable, le frottement augmente, les faces chauffent de manière inégale et la planéité peut se modifier. Il peut en résulter des rayures, des fissures thermiques, une usure du carbone, des ébréchures de carbure, des dommages à l'élastomère ou une perte de performance sous vide.

carbure de tungstène Elle protège la surface de travail contre l'usure. La lubrification et la régulation thermique déterminent si cette surface peut assurer une étanchéité mécanique stable.

Identifiez d'abord le type de pompe à vide

Les systèmes d'étanchéité d'arbre varient d'une pompe à vide à l'autre. Le produit, le matériau et le plan d'assistance appropriés dépendent du type de machine.

Type de pompe à vide	Environnement d'étanchéité typique	Pertinence de Joint mécanique en carbure de tungstène Visages
Pompe à vide à anneau liquide	Environnement interne humide utilisant de l'eau, un solvant, de l'huile ou un autre liquide de fonctionnement compatible	Les garnitures d'arbre mécaniques sont couramment disponibles ; le carbure de tungstène peut être choisi pour les services abrasifs, contaminés ou soumis à des contraintes mécaniques importantes.
Pompe à vide de process avec chambre à joint d'arbre humide	Les faces d'étanchéité sont lubrifiées par le liquide de procédé, le condensat, le liquide de rinçage, le fluide tampon ou le fluide barrière.	Les surfaces en carbure peuvent convenir lorsque le liquide fourni assure une lubrification, un refroidissement et une compatibilité chimique adéquats.
pompe à vide à vis sèche ou à griffe sèche	Aucun liquide d'étanchéité dans la chambre de compression ; les zones d'arbre peuvent utiliser un gaz de purge, des joints à lèvres, des labyrinthes ou d'autres dispositifs.	Il ne faut pas supposer qu'un joint d'étanchéité à face en carbure conventionnel fonctionnant à l'huile soit utilisé ; le fabricant de la pompe doit définir la conception réelle du joint d'arbre.
Pompe à vide à palettes rotatives lubrifiée à l'huile	L'huile est utilisée dans le mécanisme de pompage ; l'étanchéité de l'arbre peut être assurée par des joints à lèvres ou des joints rotatifs spéciaux.	Les joints d'étanchéité à faces en carbure de tungstène sont spécifiques à une application plutôt qu'universellement utilisés.
Système de scellage sous vide à gaz sec ou sans contact	Un film de gaz artificiel sépare les faces pendant le fonctionnement	Géométrie de face et philosophie de contrôle différentes ; non équivalent à un joint mécanique en carbure à contact standard

Les garnitures mécaniques sont essentielles à la technologie des anneaux liquides. Cela ne signifie pas pour autant que toutes les pompes à vis sèche, à spirale, à griffes ou à palettes rotatives utilisent le même système d'étanchéité.

L'anneau liquide et le film d'étanchéité mécanique sont liés, mais pas identiques.

Une pompe à vide à anneau liquide utilise un fluide caloporteur contenu dans le boîtier pour former des chambres de compression et sceller les espaces gazeux. Ce fluide absorbe également la chaleur générée lors de la compression du gaz.

La garniture mécanique d'arbre fonctionne au point de passage de l'arbre rotatif à travers le carter fixe. Ses faces nécessitent des conditions de lubrification et de refroidissement contrôlées.

Selon la conception de la pompe, les faces d'étanchéité peuvent recevoir :

● Autorinçage par la pompe

● chasse d'eau externe propre

● Liquide de procédé compatible

● Fluide tampon dans un agencement à double joint non pressurisé

● Fluide barrière sous pression dans un double joint mécanique

● Une alimentation en gaz conçue dans un joint lubrifié au gaz spécialement conçu à cet effet

La présence de liquide de fonctionnement à l'intérieur de la pompe ne garantit pas qu'une quantité suffisante de liquide propre et froid atteigne les faces d'étanchéité mécanique. Les passages internes peuvent se boucher, des contaminants peuvent atteindre les faces d'étanchéité, ou les conditions de pression peuvent empêcher une circulation fiable.

Comment le vide modifie les conditions de fonctionnement de la face d'étanchéité

1. Le sens de la fuite peut s'inverser.

Dans une pompe à pression positive, le fluide de process a généralement tendance à fuir vers l'extérieur. En fonctionnement sous vide, la pression atmosphérique extérieure à la pompe peut être supérieure à la pression à l'intérieur de la chambre d'étanchéité.

Il peut en résulter une tendance aux fuites d'air vers l'intérieur.

Même en l'absence de fuites de liquide visibles au niveau de la pompe, une entrée d'air peut :

● Réduire le vide réalisable

● Augmenter la charge de gaz sur la pompe

● Introduire de l'oxygène dans un processus sensible à l'oxygène

● Perturber la récupération ou le séchage du solvant

● Perturber le film protecteur de la surface d'étanchéité

● Créer des bulles ou de la mousse dans le liquide de scellement

La charge sur la face d'étanchéité, l'orientation du joint secondaire et la conception de la cartouche doivent donc tolérer la direction réelle de la pression, y compris les conditions de démarrage, d'arrêt, de veille et de perturbation du processus.

2. Une basse pression peut favoriser la vaporisation

Un liquide peut rester stable dans un réservoir d'alimentation mais se vaporiser localement si la pression au niveau des joints d'étanchéité chute suffisamment.

Un réchauffement local, une réduction de pression ou un entraînement de gaz peuvent créer :

● Solin partiel

● Poches de gaz

● Un film biphasique instable

● contact sec intermittent

● Bruit et vibrations

Il convient donc d'évaluer un fluide d'étanchéité en fonction de sa pression de vapeur à la température et à la pression réelles de la face d'étanchéité, et non pas simplement en fonction de sa viscosité à température ambiante.

3. L'air et les gaz absorbent moins de chaleur que les liquides.

Si l'interface de surface passe d'un film liquide stable à un gaz ou une vapeur, sa capacité à évacuer la chaleur diminue généralement. La chaleur de frottement peut alors rester concentrée dans les anneaux.

Les joints d'étanchéité à sec ou lubrifiés au gaz, conçus spécifiquement à cet effet, gèrent cette situation grâce à des matériaux spéciaux, une géométrie de face adaptée, une charge spécifique et une alimentation en gaz adaptée. Un joint d'étanchéité standard fonctionnant à l'huile ne possède pas automatiquement ces propriétés du simple fait d'être installé sur une pompe à vide.

Exigences de lubrification pour Joint en carbure de tungstène Visages

Un joint mécanique à contact repose généralement sur un film de fluide microscopique entre les faces. Ce film remplit trois fonctions essentielles :

● Réduit le contact direct avec les aspérités

● Élimine la chaleur de friction

● Permet une charge frontale stable et une fuite contrôlée

Propriétés des lubrifiants à examiner

Le liquide alimentant une garniture mécanique de pompe à vide doit être évalué selon les critères suivants :

● Viscosité à la température de fonctionnement

● Lubricité

● Pression de vapeur

● Tendance à l'ébullition ou à la vaporisation instantanée sous vide

● Compatibilité chimique avec le liant WC, le carbone, les élastomères et les pièces métalliques

● teneur en matières solides

● Tendance à cristalliser, polymériser, se coker ou laisser des dépôts

● Capacité thermique et capacité à éliminer la chaleur du visage

Pourquoi une chasse d'eau excessive n'est pas automatiquement meilleure

Un rinçage insuffisant peut entraîner des problèmes de chaleur et de contamination, mais un rinçage excessif ou sous une pression incorrecte peut également être nocif.

Il se peut que :

● Surcharger le processus ou le système de séparation

● Contaminer le produit

● Modifier les performances du système de vide

● Augmenter la consommation d'énergie

● Créer une différence de pression indésirable au niveau du joint

La pression de rinçage, la température, le débit et l'emplacement d'injection doivent être conformes à la conception approuvée par le fabricant d'origine de la pompe et du joint mécanique.

Contrôle thermique : d'où provient la chaleur ?

La température du joint mécanique est influencée par bien plus que la température du gaz pompé ou du liquide de fonctionnement.

Les sources de chaleur peuvent inclure :

● Frottement entre les faces d'étanchéité

● Cisaillement visqueux du film lubrifiant

● Compression du gaz à l'intérieur de la pompe à vide

● Liquide de fonctionnement chaud recirculé

● température ambiante élevée

● Problèmes de roulement ou d'alignement

● Contact avec le visage causé par les vibrations

● Passages de refroidissement ou d'évacuation d'eau obstrués

Dans une pompe à vide à anneau liquide, le fluide de travail absorbe la chaleur de compression. Si ce fluide devient trop chaud, sa pression de vapeur augmente et les performances de vide peuvent se dégrader. Les performances de l'anneau liquide sont fortement influencées par la température du fluide de travail ; de nombreuses courbes de performance sont établies avec une eau d'étanchéité relativement froide.

Un liquide de fonctionnement chaud peut donc engendrer deux problèmes liés :

1. Performances de la pompe à vide réduites

2. Marge thermique réduite au niveau du joint mécanique

Comment une température excessive endommage le joint

Distorsion du visage

Les bagues rotatives et fixes peuvent chauffer à des vitesses différentes. Une température inégale peut entraîner une conicité ou une déformation des faces d'étanchéité, concentrant le contact près du diamètre intérieur, du diamètre extérieur ou sur des points hauts isolés.

Une bague peut satisfaire aux exigences de planéité à température ambiante et pourtant perdre sa forme de fonctionnement correcte après une déformation thermique.

Perte du film liquide

Une température de surface plus élevée peut réduire la viscosité du liquide et rapprocher le fluide de sa vaporisation. Sous vide, cela peut engendrer un film gaz-liquide instable et un contact direct intermittent.

Usure ou glaçage du carbone

Dans un couple carbone/carbure de tungstène, la face en carbone est souvent la plus tolérante et volontairement sacrificielle. Une température excessive peut néanmoins provoquer une usure rapide, un glaçage, des cloques sur les nuances sensibles ou des dommages aux arêtes.

Fissuration thermique et écaillage du carbure

Le carbure de tungstène résiste à l'usure et à la compression, mais la chaleur localisée, les chocs thermiques, les contraintes de montage ou un contact inégal peuvent provoquer des microfissures ou un écaillage des bords.

Dommages au joint secondaire

Les joints toriques, les soufflets, les cales, les joints d'étanchéité et les adhésifs peuvent perdre leur élasticité ou leur stabilité chimique avant que la bague en carbure ne subisse des dommages visibles.

Méthodes pratiques de contrôle de la température des joints

1. Maintenir une circulation stable du fluide d'étanchéité.Vérifiez le débit, la pression, la température et la direction plutôt que de supposer qu'une vanne ouverte garantit une circulation efficace.

2. Refroidir le liquide recirculé si nécessaire.Un échangeur de chaleur ou un apport de liquide frais peut être nécessaire lorsque la chaleur de compression et les conditions ambiantes augmentent la température du liquide de fonctionnement.

3. Maintenir le fluide d'étanchéité à l'état liquide.Maintenir une marge de pression de vapeur adéquate au niveau des faces d'étanchéité.

4. Éliminer les contaminants.Une filtration, une séparation ou un rinçage externe peuvent être nécessaires lorsque du condensat, du tartre, des solides ou des résidus de procédé pénètrent dans le circuit.

5. Utilisez l'équilibrage frontal et le chargement corrects.Une force de fermeture excessive augmente le frottement ; une charge inadéquate ou une pression inverse peuvent déstabiliser les faces.

6. Surveiller les tendances de température.Une hausse de température peut permettre de déceler un écoulement bloqué, un refroidissement insuffisant, une augmentation des frottements, un défaut d'alignement ou une modification des conditions de processus avant que la fuite ne devienne importante.

Lorsqu'un acheteur demande une bague d'étanchéité en carbure de tungstène pour une pompe à vide, la première question ne devrait pas être : « Quel type de carbure est le plus dur ? »

Les premières questions devraient être :

● Qu'est-ce qui sépare et lubrifie les surfaces ?

● Ce fluide restera-t-il liquide sous vide ?

● Comment la chaleur est-elle évacuée ?

● L’air atmosphérique peut-il s’infiltrer vers l’intérieur ?

● La pression s'inverse-t-elle lors du démarrage ou de l'arrêt ?

● Des solides ou des condensats corrosifs sont-ils présents ?

● Quel composant est censé s'user en premier ?

Ce n'est qu'après avoir répondu à ces questions que le projet pourra aborder la question du WC-Co par rapport au WC-Ni, le pourcentage de liant, la taille des grains, la dureté, la ténacité, le rodage et les tolérances dimensionnelles.

Chez Langsun Carbide, nous fabriquonsbagues d'étanchéité en carbure de tungstèneconformément aux plans du client et aux conditions de fonctionnement documentées.

La bague en carbure constitue la surface résistante à l'usure. Le film lubrifiant et le système de régulation thermique assurent l'étanchéité.

Les joints mécaniques en carbure de tungstène peuvent offrir une forte résistance à l'usure, une stabilité dimensionnelle et une durabilité mécanique dans les pompes à vide à anneau liquide et autres systèmes de vide de process appropriés.

Leur fiabilité ne dépend pas uniquement de la dureté du carbure.

Le système complet doit contrôler :

● lubrification de la face d'étanchéité

● Chaleur de friction et de compression

● Température de fonctionnement du liquide

● Vaporisation de fluide sous vide

● Fuite d'air vers l'intérieur

● Inversion de pression

● Contamination par des solides et des produits chimiques

● Planéité de la face et contrainte de montage

PourJoints d'étanchéité sur mesure en carbure de tungstène pour pompes à videLangsun Carbide recommande de définir la technologie de la pompe, le fluide lubrifiant, la méthode de contrôle thermique, la direction de la pression, l'appariement des faces et l'historique des défaillances avant d'approuver la nuance de carbure.

L'objectif n'est pas simplement d'installer une surface d'étanchéité plus dure. Il s'agit de maintenir un film lubrifiant stable et une température contrôlée afin que les surfaces restent planes, compatibles et capables de protéger le système de vide pendant toute la durée de fonctionnement prévue.

Foire aux questions

Les garnitures mécaniques en carbure de tungstène conviennent-elles aux pompes à vide ?

Oui, notamment pour les pompes à anneau liquide et les pompes à vide pour procédés humides, où la contamination abrasive, les contraintes mécaniques ou la préservation de la géométrie rendent une surface dure souhaitable. Le choix final dépend du type de pompe, de l'appariement des surfaces, de la lubrification, de la régulation thermique, de la chimie du fluide et du sens de la pression.

La garniture mécanique d'une pompe à vide nécessite-t-elle une lubrification ?

Un joint mécanique classique à bain d'huile fonctionne ainsi. Ses faces sont généralement lubrifiées et évacuées par un film liquide microscopique. Les joints à sec et les joints lubrifiés au gaz, conçus spécifiquement à cet effet, utilisent des matériaux et une géométrie de faces différents.

L'anneau liquide lubrifie-t-il le joint mécanique ?

Certaines pompes peuvent assurer l'étanchéité par un système d'auto-nettoyage, mais pas automatiquement. D'autres modèles nécessitent un rinçage externe ou une double garniture mécanique avec un circuit hydraulique séparé.

Pourquoi un joint d'étanchéité sous vide peut-il laisser passer de l'air vers l'intérieur sans laisser passer de liquide vers l'extérieur ?

La pression atmosphérique extérieure à la pompe peut être supérieure à la pression dans la chambre d'étanchéité. Cela peut entraîner une aspiration d'air vers le côté vide à travers des faces endommagées, des joints secondaires ou des raccords du carter.

Faut-il utiliser du WC-Co ou du WC-Ni ?

Le WC-Co est largement utilisé lorsque la résistance à l'abrasion et la ténacité mécanique sont primordiales. Le WC-Ni ou un autre liant résistant à la corrosion peut être envisagé lorsque des condensats acides, des chlorures, des solvants ou d'autres produits chimiques menacent la phase liante.

Références

1. NASH, « Pompe à vide à anneau liquide 2BV6 ». Les informations sur le produit mentionnent des garnitures mécaniques à simple effet autonettoyantes ou à rinçage externe et des garnitures mécaniques à double effet avec rinçage externe.

2. NASH, « Technologie des pompes à vide à anneau liquide ». La source explique que le liquide de fonctionnement forme l'anneau liquide interne et crée les chambres de compression.

3. John Crane, « Systèmes de support de joints mécaniques ». La source identifie la lubrification, le refroidissement, l'évacuation de la chaleur, le contrôle de phase, l'exclusion des contaminants, le contrôle de la pression et la surveillance comme des fonctions des systèmes de support de joints.

4. John Crane, « Joint d'étanchéité modulaire humide ou sec type 7848W/D ». La source distingue un joint d'étanchéité humide conventionnel nécessitant une lubrification liquide externe d'une version à fonctionnement à sec spécialement conçue utilisant des matériaux spéciaux et une alimentation en gaz.

5. Busch Vacuum Solutions, « Technologie du vide pour les procédés chimiques et pharmaceutiques ». La source explique que le liquide de fonctionnement d'une pompe à vide à anneau liquide absorbe la chaleur de la compression et agit comme joint d'étanchéité interne.

6. EagleBurgmann, « Joints stationnaires haute température Y14, Y44 ». Les informations sur le produit indiquent les options de service sous vide et de matériau de face, notamment le graphite de carbone, le carbure de silicium et le carbure de tungstène.

7. CERATIZIT, « Carbure cémenté ». La source explique la phase dure WC et la structure du liant métallique et identifie la teneur en liant et la taille des grains WC comme principales variables des propriétés du carbure.

8. John Crane, « Plans de tuyauterie API 682 ». La source décrit les systèmes de rinçage comme des dispositifs à fluide contrôlé utilisés pour refroidir, lubrifier ou nettoyer les faces d'étanchéité mécanique.

9. Edwards Vacuum, « 7 erreurs de maintenance qui entraînent une défaillance prématurée des pompes à vide ». Cette source aborde la surveillance de la température, de la pression, de l'état de l'huile, de la ventilation et des limites de fonctionnement, et note que la surchauffe peut endommager les joints, les roulements et les composants internes.

Auteur | Allen

Allen est directeur du marketing international chez NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Fort de plus de 5 ans d'expérience dans les pièces d'usure industrielles et les applications du carbure de tungstène, il travaille avec des clients des 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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