Évaluer les alternatives aux joints en carbone

Les opérateurs doivent étudier les avantages et les inconvénients de chaque option pour déterminer celle qui convient le mieux à leurs applications.

Par Peter Zanini

Les opérateurs de turbines à vapeur à usage général ont longtemps fait état des lacunes des joints d’étanchéité conventionnels en carbone. L’un des inconvénients est l’usure de l’alésage interne de la bague, qui augmente progressivement l’écartement entre l’arbre et des fuites de vapeur et nécessite un remplacement régulier – souvent jusqu’à quatre fois par an. Malgré leurs inconvénients, les bagues de carbone restent la norme en matière d’étanchéité des turbines à vapeur à usage général. Comme les bagues de carbone sont simples à installer et que leur coût de remplacement est inférieur à 1 000 dollars pour un jeu complet, le coût de maintien de l’étanchéité avec des anneaux de carbone peut sembler modeste.

Cependant, l’usure et la rupture potentielle des bagues de carbone entraînent des coûts supplémentaires, notamment une consommation d’eau plus élevée en raison des pertes de vapeur et de la dégradation des performances des paliers due à la contamination de l’huile et des températures de fonctionnement plus élevées.

Pour les opérateurs qui souhaitent réduire les fuites de vapeur et accroître la fiabilité de leurs équipements, deux principales alternatives aux bagues de carbone sont disponibles sur le marché : les garnitures mécaniques et le joint-balai flottant.

Garnitures mécaniques

Les garnitures mécaniques utilisées dans les turbines à vapeur à usage général sont un produit dérivé des garnitures de gaz sec. Un profil unique – des rainures en spirale sur l’une des faces d’étanchéité – aspire la vapeur, ce qui crée un barrage de pression qui pousse les faces d’étanchéité rotatives et fixes légèrement séparées pour obtenir une interface d’étanchéité sans contact et à film. Les fuites qui en résultent sont extrêmement faibles et mesurables en parties par million.

De conception nettement différente des bagues de carbone classiques, la garniture mécanique nécessite d’importantes modifications de la configuration existante du boîtier à presse-étoupe d’une turbine. Sur les turbines à vapeur où le caisson de vapeur et les boîtiers à presse-étoupe sont des composants individuels, l’ensemble de la garniture mécanique peut être boulonné à chaque extrémité de la chambre de vapeur à la place des boîtiers de presse-étoupe à bague en carbone. Sur les turbines où la chambre de vapeur et les boîtiers à presse-étoupe sont d’un seul tenant, un usinage important est nécessaire pour adapter les garnitures mécaniques.

En plus des modifications du boîtier à presse-étoupe, l’arbre de la turbine peut nécessiter une modification pour fixer l’ensemble tournant de la garniture mécanique. Le réglage final de la garniture mécanique nécessite un alignement minutieux avec le rotor et le carter pour assurer une étanchéité correcte entre les faces d’étanchéité rotative et fixe.

Le coût du matériel pour un jeu de garnitures mécaniques destiné à remplacer les boîtiers à presse-étoupe d’entrée et d’échappement peut varier de 20 000 à 30 000 dollars. En termes de coûts de matériel, d’installation et d’arrêt technique, une mise à niveau des garnitures mécaniques peut facilement coûter plus de la moitié du prix d’une nouvelle turbine.

La durée de vie d’une garniture mécanique dépend directement de la qualité de la vapeur. Les garnitures mécaniques fonctionnent mieux dans des conditions de vapeur sèche, avec un cycle de fonctionnement continu pour réduire la formation de condensat. Dans un tel environnement, même les impuretés de la vapeur se cristalliseront avec le temps au niveau du barrage de pression, ce qui augmentera la séparation des faces et les fuites.

Les cycles de fonctionnement intermittents peuvent favoriser la formation de condensat dans les conduites de vapeur, les caissons de vapeur et les boîtiers à presse-étoupe lorsque la turbine est au repos.

Bien que les opérateurs puissent souffler le condensat du système avant le démarrage, le condensat résiduel peut être problématique pour la garniture mécanique. La transformation du condensat en gaz, que l’on peut assimiler à une petite explosion, peut endommager gravement les faces d’étanchéité.

Joints-balais flottants

Le deuxième candidat pour le remplacement des bagues de carbone est un joint-balai flottant (FBS). Un FBS combine un joint en carbone et une technologie de joint-balai, encastré dans une bande d’acier inoxydable légère. Cette technologie est conçue pour résister à l’évaporation du condensat tout en offrant un taux de fuite plus faible et plus stable.

En tant que joint flottant, le FBS tend à être plus tolérant aux vibrations, aux défaillances de paliers et aux déplacements radiaux que les autres options. Le joint-balai fait office joint d’arbre primaire et fait face à la vapeur haute pression. Il assure une réduction immédiate de la pression tandis que ses brins filtrent les contaminants de la vapeur, protégeant ainsi les bagues de carbone en aval. La bague de carbone du FBS assure une étanchéité de face contre la paroi du presse-étoupe ou la plaque de séparation en aval.

Conçu pour s’adapter au même espace qu’une bague de carbone, le FBS est une solution de remplacement instantanée. Le joint est divisé en deux parties (sécables) avec deux segments maintenus ensemble par un ressort jarretière. Son assemblage auto-centré peut éliminer la nécessité d’une procédure d’alignement dans certaines applications.

Les opérateurs formés au remplacement des bagues en carbone peuvent remplacer une bague en carbone par un FBS, qui ne comporte que deux segments contre trois pour la bague en carbone.

Une mise à niveau complète de la turbine à vapeur vers la technologie FBS ne coûtant pas plus de la moitié, voire du quart, du coût du matériel et de l’installation des garnitures mécaniques, un FBS peut être une option plus économique pour de nombreux opérateurs.

Une usine doit évaluer quel candidat au remplacement de la bague de carbone répond à tous les critères requis : adéquation aux conditions de fonctionnement, notamment la qualité de la vapeur et le cycle de fonctionnement ; réduction suffisante des pertes de vapeur ; fiabilité améliorée ; et faibles coûts d’investissement et de maintenance.

À propos de l’auteur :

Peter Zanini est le directeur du développement commercial et de la gamme de produits pour joints-balais chez Inpro/Seal et sa société mère, Waukesha Bearings Corporation. Il est titulaire d’une licence en génie mécanique de l’Institut polytechnique de Worcester. Zanini peut être joint au 860-673-4096 ou à pzanini@waukbearing.com.