Le rôle de la protection des paliers dans la fiabilité des pompes

Choisir entre joints sans contact et joints à contact pour prolonger leur durée de vie utile

Par Neil Hoehle

Les voitures des années 1970 avaient des odomètres qui arrivés à 160 000 km repartaient de zéro. La raison en était simple : Pour un voiture, 160 000 km était un exploit majeur à la fin des années 1970, et il n’était pas nécessaire d’enregistrer le kilométrage au-delà de ce point. Par rapport à aujourd’hui la probabilité qu’une voiture dure plus de 160 000 km était faible. À l’époque, la garantie d’une voiture neuve n’était généralement que de 12 mois ou 19 000 km. Aujourd’hui, atteindre 160 000 km n’est plus un exploit et de nombreuses voitures ont même des garanties qui couvrent cette distance. Les équipements tournants industriels, en particulier les pompes industrielles, ont subi une transformation similaire, voire spectaculaire. Alors que les garanties de 90 jours et la remise en état annuelle des pompes étaient autrefois monnaie courante, les utilisateurs comptent aujourd’hui sur un délai moyen entre deux réparations de cinq ans ou plus. L’application pratique de la science de la fiabilité a rendu cela possible, et l’attention portée à la durée de vie des paliers en particulier a largement contribué à cette nouvelle réalité.

Étant donné que la défaillance des paliers équivaut à la défaillance de l’équipement, la protection des paliers est un point essentiel de toute conversation concernant la fiabilité des équipements tournants industriels. Les joints de palier offrent principalement une protection contre deux causes majeures de défaillance : l’infiltration de contaminants et la perte de lubrifiant. Le choix et la conception appropriés des joints de palier ont un impact significatif sur la fiabilité des pompes. Une connaissance et une compréhension de base des joints de paliers est donc un sujet essentiel pour tout professionnel en termes de fiabilité des équipements tournants.

Avec ou sans contact ?

Il existe essentiellement deux grandes catégories de joints de paliers : joint à contact et joint sans contact. Les joints à contact dépendent uniquement du contact pour remplir leurs fonctions d’étanchéité. S’il n’y a pas de contact, il n’y a pas d’étanchéité. À l’inverse, les joints sans contact ne dépendent pas du contact pour remplir leurs fonctions d’étanchéité. Cela ne veut pas dire que la conception des joints sans contact ne permet jamais aux composants de se toucher (par exemple, lors de l’installation ou du réglage), mais plutôt que le contact n’est pas une condition nécessaire à leur bon fonctionnement. Pour un joint sans contact, le contact n’est pas le mécanisme par lequel le joint remplit sa fonction.

Joints à contact

Les joints à contact sont généralement divisés en joints à lèvre et en joints magnétiques. Les joints à lèvre désignent en gros toute conception qui utilise un élément de contact élastomère, généralement circonférentiel. Cet élément de contact statique est pressé contre l’arbre, souvent à l’aide d’un ressort, pour assurer un contact positif. L’élément de contact élastomère est souvent retenu par un boîtier métallique qui est pressé dans le logement du palier autour de l’arbre. Le principal avantage des joints à lèvre consiste en leur faible coût. Ils sont également facilement disponibles dans presque toutes les tailles requises. Les principaux inconvénients sont la courte durée de vie due à l’usure, et le contact dynamique avec l’arbre peut provoquer l’usure et l’endommagement de l’arbre.

Les joints magnétiques sont des garnitures mécaniques optiquement plates, essentiellement simples et non équilibrées, qui utilisent l’attraction magnétique pour charger les faces, contrairement aux ressorts mécaniques. Les faces sont généralement composées de différents matériaux tels que le carbone et l’acier inoxydable ou d’autres métaux. Le principal avantage des joints magnétiques par rapport aux joints à lèvre est qu’ils n’endommagent pas l’arbre puisque tout contact dynamique se produit à l’intérieur du joint et entre les deux faces. Les joints magnétiques coûtent beaucoup plus chers que les joints à lèvre.

Les deux types de joints à contact ont l’avantage de pouvoir rendre étanches des pressions positives ou des niveaux statiques (c’est-à-dire des niveaux hauts) de lubrifiant. Leur inconvénient commun est que les joints à contact sont des dispositifs de frottement qui s’usent et tombent en panne à un moment donné. Il est impossible de prédire quand une défaillance du joint de contact se produira ou quelle sera la durée de vie d’un joint particulier. Alors que les joints à face magnétique sont censés offrir une plus grande espérance de vie que les joints à lèvre, l’espérance de vie réelle de l’un ou l’autre type de joint à contact est encore largement inconnue.

Joints sans contact

Les joints sans contact peuvent être divisés en trois catégories distinctes : les joints à fente, les labyrinthes traditionnels ou les labyrinthes composés, souvent appelés joints labyrinthes. Les joints à interstice, ou à jeu, offrent au mieux une protection minimale, car ils reposent uniquement sur un interstice ou un faible écartement comme mécanisme d’étanchéité pour bloquer tout ce qui est plus grand que l’interstice. Les labyrinthes classiques ont ajouté un chemin difficile dans la conception du joint d’étanchéité de l’interstice pour empêcher encore plus le passage à travers le joint. Les joints labyrinthes classiques sont généralement unidirectionnels et ne constituent donc pas des options pratiques pour les joints de paliers où l’exclusion des contaminants et la rétention de lubrifiant sont nécessaires. Les joints d’interstice et labyrinthes sont peu coûteux.

Joints labyrinthes

À la fin des années 1970, la conception du labyrinthe composé a été introduite dans l’industrie. Les joints à labyrinthe composés utilisent des composants statiques et dynamiques pour retenir le lubrifiant et rejeter toute contamination. Le concepteur de ces joints labyrinthes a inventé la phrase « Isolateurs de palier» pour les différencier des joints labyrinthes plus traditionnels. Ce terme est d’usage courant depuis lors. Les joints labyrinthes à paliers sont des joints sans contact, et ont donc une durée de vie illimitée. Comme ils ne tombent pas en panne dans des circonstances normales, ils sont rarement à l’origine des arrêts non planifiés d’équipements. Étant un joint sans contact, les joints labyrinthes ne sont pas le bon choix lorsqu’une pression, comme un niveau statique de lubrifiant, doit être fermée hermétiquement ou lorsqu’un logement de palier peut être submergé. Cependant, ils représentent presque toujours le meilleur choix pour éviter les éclaboussures de lubrifiant et la contamination. Les joints labyrinthes sont plus chers que les joints à lèvre, les joints à interstice ou les simples labyrinthes, bien qu’ils soient également moins chers que les joints à contact magnétique.

Dire que l’application courante des joints labyrinthes sur les corps de palier des pompes est une idée géniale tiendrait de l’euphémisme. Les pompes fonctionnent au sein de systèmes de composants connexes, et la défaillance de certains éléments critiques seulement peut entraîner l’effondrement d’un système entier. Les défaillances des joints d’étanchéité des paliers peuvent provoquer et provoquent effectivement des pannes de systèmes de pompage. La demande de fiabilité et d’espérance de vie ayant augmenté en flèche au cours des dernières décennies, les joints à lèvre ne pouvaient tout simplement pas répondre aux attentes des clients. L’utilisation de joints labyrinthes sans contact et sans usure a été fondamentale pour atteindre le temps moyen entre deux réparations exigé dans l’industrie aujourd’hui.

Le choix du joint, comme la plupart des décisions d’ingénierie, est un compromis. Si les joints à contact assurent, comme leur nom l’indique, un contact positif et donc une étanchéité efficace contre les niveaux hauts et la pression, ils ont une durée de vie limitée. Ils finiront par tomber en panne un jour, à un moment impossible à déterminer, et il existe un nombre incalculable de facteurs qui peuvent contribuer à limiter la durée de vie des joints à contact. Lorsqu’ils tombent en panne, une réparation de l’équipement entier ne se fera pas attendre. À l’inverse, les joints labyrinthes sans contact ne tombent pas en panne et contribuent rarement à réduire la fiabilité globale de l’équipement. En fait, ils augmentent la fiabilité en éliminant le joint du logement du palier comme point de défaillance. Pour cette raison, les joints labyrinthes sont un choix courant et par défaut pour les équipements tournants industriels, en particulier les pompes industrielles. Au cours des décennies qui ont suivi la célébration des 100 000 miles parcourus par les voitures, la disponibilité et l’application généralisée des joints labyrinthes ont eu un impact majeur sur la fiabilité des équipements tournants. Sans la technologie des joints labyrinthes, l’intervalle actuel de cinq ans ou plus entre les réparations ne serait pas possible.