Contrôler les fuites des joints d'étanchéité sur un assemblage vissé
Les fuites de fluide sur les assemblages vissés contenant un joint d’étanchéité sont un problème fréquemment rencontré par les ingénieurs. L’ajout d’un joint d’étanchéité dans un assemblage pour prévenir les fuites n’est efficace que si le serrage est maîtrisé, précis et homogène sur l’ensemble des boulons. Pour les assemblages dont la conception n’est pas circonscrite par des normes, il est difficile d’établir le nombre et la répartition des boulons afin d’ assurer l’étanchéité.
Nous allons voir dans cet article les différentes solutions qui permettent de rendre un joint étanche lors de son serrage.La complexité des joints d’étanchéité est telle que des méthodes empiriques ont été développées pour déterminer leur performance et leurs caractéristiques de fonctionnement. Ces méthodes impliquent l’utilisation de facteurs pour estimer la force de serrage nécessaire pour permettre au joint d’être scellé efficacement.
Les facteurs de maintenance (m) et de rendement (y)
Il y a deux facteurs utilisés dans la conception des assemblages impliquant des joints d’étanchéité. Le facteur m, ou facteur de maintenance, est utilisé pour établir la force de serrage nécessaire pour assurer une étanchéité efficace lorsque le joint est soumis à une pression interne. Le facteur y, ou facteur de rendement, est utilisé pour déterminer la force de serrage qui doit être appliquée à un joint pour garantir qu’il se place correctement afin de fournir une étanchéité.
Les fabricants de joints d'étanchéité
Il faut noter qu’en plus des calculs, une grande expérience est nécessaire pour s’assurer qu’un joint est sans fuite. Les fabricants de joints d’étanchéité varient parfois les facteurs m et y pour s’adapter au milieu. Cela repose sur l’expérience que les milieux gazeux sont généralement plus difficiles à sceller que les fluides. L’augmentation des facteurs de cette manière permet de rendre l’approche valable à produire des résultats fiables là où autrement, elle échouerait. Il est recommandé de consulter les fabricants de joints d’étanchéité lors de la conception des assemblages pour s’assurer que tous ces facteurs sont pris en compte.
Règles de conception sur l’espacement maximal des boulons
Un autre problème courant est l’espacement inadéquat des boulons. Dans de nombreux assemblages, l’espacement des boulons est dicté par la pression du joint d’étanchéité à mi-distance entre les boulons. Si une pression insuffisante est appliquée au joint d’étanchéité dans ces régions, des fuites peuvent se produire. Des recherches sur ce sujet indiquent que la pression de serrage, dans les assemblages sans joints d’étanchéité, diminue rapidement à mesure que l’on s’éloigne du boulon. Dans ces assemblages, la pression devient nulle entre 1,8 et 3,6 fois le rayon du boulon, la valeur réelle dépendant des détails de l’assemblage. Avec un joint d’étanchéité, la pression diminue plus lentement. Cependant, pour surmonter ce problème, de nombreux codes de conception dictent un espacement maximal des boulons (qui varie en fonction de la taille des boulons).
Chaque joint a une résistance à l'écrasement spécifique
Un écrasement local du joint d’étanchéité peut se produire si la force de serrage générée par les boulons est excessive. Chaque joint d’étanchéité a une résistance à l’écrasement particulière. Si elle est dépassée, cela entraîne des fuites. La résistance à l’écrasement des joints d’étanchéité peut être obtenue auprès des fabricants de joints d’étanchéité. Par exemple, pour un joint en fibre d’amiante comprimée de qualité supérieure, la contrainte de surface maximale permise varie généralement de 60 MPa pour une épaisseur de 3 mm à 190 MPa pour une épaisseur de 0,5 mm. Si le joint d’étanchéité n’a pas une résistance à l’écrasement suffisante pour l’application, il est nécessaire de sélectionner un autre joint d’étanchéité ou de redessiner l’assemblage.
Respecter une séquence de serrage
Idéalement, tous les boulons de l’assemblage doivent être serrés simultanément, surtout lorsque des joints d’étanchéité sont utilisés. Si cela n’est pas possible, une séquence de serrage doit être spécifiée. L’absence d’une séquence de serrage ou si celle-ci est mal spécifiée entraînera une répartition inégale de la charge dans l’assemblage, augmentant ainsi les risques de défaillance.
Des séquences de serrage fiables existent. Si les boulons sont disposés en cercle, une séquence de serrage en croix est spécifiée. Pour des motifs de boulons non circulaires, une séquence en spirale commençant au centre est efficace.
Relaxation du matériau du joint d'étanchéité
Le fluage ou la relaxation du matériau du joint d’étanchéité peut poser un problème pratique. Cela est particulièrement important dans les assemblages soumis à des températures supérieures à 100 °C. La relaxation qui se produit avec les joints d’étanchéité est généralement bien plus grande que celle qui se produit dans les assemblages qui ne contiennent pas de tels matériaux souples. En raison de l’ampleur de la perte de force de serrage des boulons qui peut se produire avec les joints d’étanchéité, un programme de resserrage est souvent spécifié 24 heures ou plus après le serrage initial. Un tel programme peut impliquer le resserrage régulier des fixations pour surmonter les problèmes de relaxation.
Le serrage au couple des joints d’étanchéité : à éviter dans toutes circonstances
La méthode la plus couramment utilisée pour le serrage contrôlé des assemblages boulonnés contenant des joints d’étanchéité consiste à serrer jusqu’à atteindre un couple spécifié. Cette méthode est généralement connue sous le nom de contrôle de couple de serrage. Spécifier le couple correct à utiliser dans une installation avec joint d’étanchéité peut poser problème. Les fuites dans de nombreux assemblages sont directement attribuables à une spécification de couple inadéquate et surtout à la difficulté d’obtenir la bonne tension de serrage avec la méthode au couple. Un couple de serrage insuffisant conduit directement à une force de serrage insuffisante ce qui amène irrémédiablement à une faiblesse du joint d’étanchéité.
La mesure de la tension de serrage pour atteindre une fiabilité du joint optimale
TRAXX recommande l’utilisation d’outils de serrage à la tension afin de maîtriser totalement l’opération de serrage et d’être sûr de la tension installée entre les pièces et au niveau du joint.
Une meilleure compréhension des problèmes potentiels lors de la conception des assemblages contenant des joints d’étanchéité, et une appréciation par les ingénieurs de l’importance de la force de serrage des boulons, permettront de prévenir les problèmes de fuite des joints d’étanchéité. La mesure précise de cette tension de serrage à l’aide d’un appareil de mesure de tension de serrage par ultrasons, comme le TRAXX-M2 est recommandée car elle permet d’obtenir un serrage homogène et d’atteindre une precision de 2% sur la tension de serrage.
Le facteur "m" du joint d'étanchéité
Si l’assemblage contenant un joint d’étanchéité doit sceller une pression interne, il doit toujours y avoir une force de serrage suffisante appliquée au joint d’étanchéité pour assurer une étanchéité sans fuite. Le facteur m (maintenance) est le facteur qui fournit la capacité de force de serrage supplémentaire dans les fixations de l’assemblage pour maintenir la pression d’étanchéité sur un joint d’étanchéité après qu’une pression interne soit appliquée à l’assemblage. C’est un multiple de la pression interne. C’est le rapport de la pression de contact du joint d’étanchéité à la pression contenue. Les valeurs du facteur « m » pour divers matériaux de joints d’étanchéité sont obtenues à partir de normes nationales et internationales pour les récipients sous pression. Les valeurs du facteur m peuvent varier de 0,5 pour le caoutchouc à 3,5 pour l’amiante (les valeurs varient en fonction de l’épaisseur et de la composition). Pour fournir une estimation de la force de serrage minimale des boulons requise pour les assemblages soumis à une pression interne, la formule suivante peut être utilisée avec prudence :
La formule suppose que la même taille et le même grade de boulon sont utilisés dans l’assemblage et que la répartition des boulons dans l’assemblage est correcte. Établir quel motif de boulon donne un assemblage solide est largement basé sur l’expérience.
Le facteur "y" du joint d'étanchéité
Pour qu’un assemblage sans fuite puisse être obtenu, il est nécessaire de placer correctement le joint d’étanchéité en appliquant une pression initiale minimale (dans des conditions de température atmosphérique sans la présence de pression interne). Cette contrainte de positionnement de conception a été appelée facteur y (yield), et c’est la contrainte requise pour déformer le joint d’étanchéité dans les irrégularités de la surface de l’assemblage. Elle est régie par la compressibilité du matériau du joint d’étanchéité. Les valeurs du facteur y sont données dans la norme BS 5500 pour divers matériaux de joints d’étanchéité. Pour déterminer la force de serrage minimale pour répondre à cette exigence, la formule suivante peut être utilisée :
La force de serrage minimale requise, afin de garantir que le joint d’étanchéité scelle efficacement l’assemblage, est la plus grande des deux valeurs entre les deux facteurs « m » et « y ».
Comment atteindre la force de serrage minimale ?
Pour atteindre la tension recommandée par les spécifications des joints d’étanchéité, TRAXX recommande la mesure en temps réelle de la force de serrage des boulons à l’aide d’un TRAXX-M2. En parallèle, TRAXX a développé le TMS (Tightening Managment Software).
Ce programme de serrage permet d’organiser et de maîtriser le serrage de vos turbines et plus généralement de tous vos assemblages constitués d’un ou plusieurs sous-ensembles de type couronne ou platine. Le TMS accompagne les opérateurs qui effectuent l’opération d’assemblage pas à pas en les aidant à définir un ordre de serrage, le nombre de passes nécessaires. Le TMS offre une représentation graphique du process d’assemblage.
De plus, une maîtrise précise du serrage à l’aide du TMS facilite les opérations de maintenance et les inspections régulières, contribuant ainsi à réduire les coûts et à minimiser les temps d’arrêt.
