Introduction :

 

D’après l'expérience des fabricants de joints, il est difficile de travailler sur les joints et leurs logements en même temps.

 

Cette nouvelle voie  fait suite à l'expérience de PXL SEALS sur les robinets sphériques. Ces équipements travaillent dans des conditions causant de fortes déformations de logements. Les contraintes alors subies par le joint créent des fuites.



Dans ce cas de figures, plusieurs questions se posent:

- Doit-on uniquement considérer la matière et la géométrie du joint ?

- Doit-on travailler sur le logement afin d’améliorer l’étanchéité ?

Nous avons donc pris en considération l’impact des déformations sur le logement dans le cas des robinets sphériques. Vous trouverez le détail de cette analyse ci-dessous.

1- Application

Quels sont l’application et le contexte ?

Un client mandate PXL SEALS pour une expertise afin de résoudre les problèmes de tourillons de robinets sphériques dans une centrale hydroélectrique (Alpes françaises).

Depuis la mise en service de la centrale, le client en question rencontre des problèmes d’étanchéité sur les tourillons des robinets sphériques. Il faut cependant savoir que cette centrale n’est pas un cas isolé.

PXL Seals s’est donc proposé de développer un nouveau joint afin de répondre aux problématiques du client qui a accepté de tester la solution sur tous ses groupes.

 

Figure 1: Spherical valve trunnion

 

2- Données d’entrée

Les conditions de fonctionnements sont les suivantes :

Application : Tourillon de robinet sphérique

Milieu : Eau de montagne (chargé en particule)

Pression de fonctionnement : 12 MPa

Mouvements : +/- 90° (rotation lente)

Année de mise en service : 1988

Diamètre des tourillons : 690mm

Diamètre du robinet : 1300mm

3- Problèmes rencontrés



Quels sont les types de fuites rencontrés ?

• Fuites sans endommagement du joint (extrusion du joint)


• Fuites causées par l’endommagement du joint

Comment une fuite peut-elle intervenir sans même endommager le joint en place ?

• A cause de la géométrie du joint


• A cause de la matière


• A cause du logement (dimension et positionnement)

L’étanchéité résulte de l’équation suivante :



étanchéité= joint_géométrie *  joint_matière* joint_logement

Considérant que l’étanchéité parfaite tend vers la valeur 1, si l’un des paramètres ci-dessus tend vers 0, le résultat de l’étanchéité va donc tendre vers 0.

Dans les solutions initiales, le paramètre logement n’a pas été considéré.

Comment avez-vous introduit le paramètre logement afin de résoudre l’étanchéité des tourillons de robinet sphérique ?

Un tourillon est une pièce circulaire. Nous conçevons les joints en prenant en compte les variations de sections. La variation de section peut varier en fonction des conditions de fonctionnements.

Lorsque le robinet est en position fermée, la sphère est poussée vers l’aval par la pression hydrostatique (120 bar réparti sur un diamètre de 1300mm dans notre cas).



Deux cas de figures sont alors possibles :

• Le corps de la vanne est rigide, ce qui n’implique pas de déformation des tourillons. Le déplacement est alors donné par les jeux fonctionnels.


• Le corps de vanne subit des déformations. La déformation est alors donnée par les jeux fonctionnels et de la valeur de la déformée de la vanne.

Dans certaines applications, la variation de section peut aller jusqu’à 1mm. Par exemple, pour une section de 15mm, le logement peut atteindre les 16mm à cause de la pression hydrostatique.

Le joint en position doit alors être suffisamment serrant afin d’assurer l’étanchéité à haute pression, tout en compensant la variation de section qui augmente avec la pression. Ce paramètre n’était pas considéré dans les solutions d’étanchéités initiales.

4- La solution :

Comment PXL SEALS a-t-il résolu le problème ?

La centrale à été conçue tôt dans les années 90. A cette époque, aucun calcul de déformation n'a été entrepris pour ce type d’application.

PXL SEALS  estimait les contraintes dans la vanne selon sa propre expérience.

Les hypothèses étaient de considérer une variation de section de 0 à 1mm pour une pression de 12 MPa.

PXL SEALS a donc conçu son joint selon les points suivants :

• Prendre en compte la géométrie du logement


• Changer la matière NBR par une solution en PU


• Faire évoluer le design du joint (chanfrein anti-extrusion, lèvres renforcées)

PXL SEALS a eu recours à la simulation numérique afin de visualiser au plus juste le comportement du joint.

En collaboration avec notre client, PXL SEALS est en train d’acquérir un retour d’expérience significatif grâce à :

• La mesure des déformations sous pression du robinet sphérique


• Une surveillance des fuites tous les 3 mois.

PXL SEALS a également développé un partenariat avec les fabricants de vannes afin de pouvoir mettre en place les relevés de mesures sur site.

Ces valeurs serviront à valider les modèles numériques pour la simulation FEA.

 

Figure 6: on-site measurement

Pour le futur, PXL SEALS veille à l’évolution de cette nouvelle solution.

Lorsque le retour d’expérience sera suffisant, la solution pourra alors être proposée à tous nos clients.

Tags : étanchéités, joints, joint, matière, géométrie, fabricants de joints