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MT POM - 02335_A_F - Rév. 2 19/04/2005

I - FONCTION DES GARNITURES ET PRINCIPAUX TYPES ..................................................... 1

1 - Rôle d’une garniture d’étanchéité................................................................................................. 12 - Principaux types de garnitures d’étanchéité - Critères de choix .................................................. 2

II - LES GARNITURES À TRESSE................................................................................................. 2

1 - Description d’une garniture type ................................................................................................. 22 - Principe de fonctionnement.......................................................................................................... 33 - Avantages et inconvénients d’une garniture à tresses................................................................. 5

III - LES GARNITURES MÉCANIQUES .......................................................................................... 6

1 - Principe de fonctionnement.......................................................................................................... 62 - Les circuits auxiliaires .................................................................................................................. 8

ANNEXE

Planche n°1 : Exemple de garniture à tressesPlanche n°2 : Exemple de garniture mécaniquePlanche n°3 : Garniture mécanique simplePlanche n°4 : Garniture mécanique double - Disposition dos à dosPlanche n°5 : Garniture mécanique double - Dispositif tamdem

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FONCTIONNEMENT DES GARNITURES D'ÉTANCHÉITÉ

Risques et Précautions liés au Matériel

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Ce document comporte 14 pages

Ingénieurs enSécurité Industrielle

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I - FONCTION DES GARNITURES ET PRINCIPAUX TYPES

Les garnitures d’étanchéité étudiées dans ce chapitre peuvent être installées aussi bien sur les pompescentrifuges, que sur les pompes volumétriques rotatives. Toutefois, les exemples cités à titre d’illustration serapporteront essentiellement aux pompes centrifuges.

1 - RÔLE D’UNE GARNITURE D’ÉTANCHÉITÉ

Le fonctionnement d’une pompe centrifuge implique que l’on fasse tourner une roue à une certainevitesse dans le corps de pompe où circule le liquide véhiculé. La mise en rotation de la roue se fait parun arbre qui traverse le corps de pompe et qui est lié mécaniquement à la machine d'entraînement.

Dans le cas général, le liquide pompé se trouve dans le corps de pompe à une pression supérieure àla pression atmosphérique et risque donc de fuir le long de l’arbre vers l’atmosphère ou les corps depalier.

Il est nécessaire de réduire cette fuite à une valeur nulle ou quasi nulle pour les raisons évidentes desécurité et d’environnement.

En outre, même dans le cas de pompage des produits froids, sans valeur, et non dangereux (eau parexemple), une fuite correspond à une perte de rendement, la pompe ayant cédé initialement del’énergie au liquide de fuite.

Dans le cas d’aspiration sous-vide, le problème peut être inverse, c’est-à-dire qu’on peut être amené àempêcher toute entrée d’air dans le corps de pompe et le procédé : l’entrée d’air diminue, l’efficacitéde la pompe, voire (fait désamorcer et l’entrée d’air dans les capacités et conduites constituegénéralement un risque majeur).

L’organe qui assure l’étanchéité autour de l’arbre est appelé garniture d’étanchéité. Si la pompe a 1ou 2 roues en porte à faux, la pompe sera équipée d’une seule garniture d’étanchéité. Si la pompe estéquipée de 2 paliers extérieurs placés de part et d’autre du corps de pompe, il faudra deux garnituresd’étanchéité.

La figure ci-dessous montre la position d’une garniture d’étanchéité dans une pompe à roue en porte àfaux.

D T

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A

Garniture d'étanchéitéCorps de pompe

Roue

Liquide sous pression

Corps de garniture

Fuite possible à étancher

Corps de palierArbre

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2 - PRINCIPAUX TYPES DE GARNITURES D’ÉTANCHÉITÉ - CRITÈRES DE CHOIX

Il existe deux familles de garnitures d'étanchéité :

- les garnitures à tresses (ou garniture presse-étoupe). On comprime ici des anneauxd’étanchéité (tresses) le long de l’arbre pour réduire la fuite. Celle-ci ne doit jamais êtrenulle.

- les garnitures mécaniques ou l’étanchéité est réalisée par contact entre une pièce fixe etune pièce mobile solidaire de l’arbre. Les deux faces en contact doivent avoir un excellentétat de surface. La fuite obtenue est alors très faible. Ces garnitures tendent à remplacertotalement les garnitures à tresses

Elles ont connu des améliorations technologiques importantes grâce à l’apparition denouveaux matériaux (carbures de silicium en particulier), à une meilleure compréhension deleur fonctionnement et aujourd’hui il n’y a guère de service de pompage aussi dur soit-il(pression, température, nature du fluide) pour lequel on ne trouve pas une garnituremécanique adaptée.

II - LES GARNITURES À TRESSES

1 - DESCRIPTION D’UNE GARNITURE TYPE

La figure ci-dessous représente une coupe de principe d’une garniture à tresses (ou “presse-étoupe”).

La planche de la page 6 montre la coupe complète d’un exemple de garniture réelle.

Clavettes (T)

Roue (T)

Bague de fond (F)

Anneaux (ou tresses) (F)

Corps de garniture (F)

Fouloir (F)

Goujons de serrage (F)

Lanterne d'arrosage (F)

Conduite d'arrosage (F)

(F) Piéces fixes

(T) Piéces tournantes

Chemise d'arbre (T)

D T

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A

Coupe de principe d’une garniture à tresse

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On distingue sur la figure ci-dessus les pièces essentielles de la garniture, c’est-à-dire :

- les pièces fixes qui sont

• les anneaux d’étanchéité, ou tresses, réalisés en matériaux déformables,• le fouloir ou chapeau qui comprime les tresses• la lanterne d’arrosage qui permet le refroidissement et la lubrification de la garniture,• le corps de garniture, ou boite à garniture, ou boite à étoupe

- les pièces mobiles en rotation

• l’arbre• la chemise d’arbre, solidaire de l’arbre, et sur laquelle viennent frotter les tresses

2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le fouloir exerce sur les anneaux, ou tresses, une force de compression parallèle à l’axe de la pompe.Les anneaux, bloqués en translation par la forme du corps de garniture, subissent par conséquent uneexpansion radiale perpendiculaire à l’action du fouloir; Ils sont donc appliqués à la fois sur l’arbre (ousa chemise) et sur le corps de garniture, comme figuré ci-après.

Pression axiale éxercée par le fouloir

Expansion radiale qui crée une pression sur l'arbreAnneaux (fixes)

Liquide àétancher

Corps de garniture

Fouloir

Arbre

D T

1174

A

Compression des anneaux

Les anneaux ainsi écrasés s’opposent à la fuite de liquide qui peut se produire entre l’arbre et lesanneaux, ou bien entre les anneaux et le corps de garniture.

Le frottement de l’arbre sur les anneaux dégage une quantité de chaleur importante qui doit êtreévacuée pour la bonne tenue de la garniture. Il est donc nécessaire de maintenir une certainecirculation de liquide entre l’arbre et les anneaux.

Sur des pompes de petites dimensions de type “non-industriel” on laisse simplement fuir un peu deproduit en évitant de trop serrer le presse-étoupe. La pression à étancher étant voisine de la pressiond’aspiration, ce système ne peut pas fonctionner dans la plupart des cas, la pression d’aspiration étanttrop proche de la pression atmosphérique (voire inférieure).

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Généralement, la réfrigération est assurée par la circulation d’un liquide d’arrosage (flushing) qui estdistribué à l’intérieur de la garniture par une lanterne. Le liquide d’arrosage est le plus souvent leproduit pompé lui-même qui, selon le cas, peut être :

- filtré s’il risque de contenir des particules solides amenant une destruction de la garniturepar abrasion

- refroidi si le produit pompé est à une température incompatible avec la bonne tenue destresses

Pour certaines utilisations on peut être amené à réaliser l’arrosage de la garniture par un liquideauxiliaire appelé selon les usines : “flushing, arrosage” ou “Seal-oil”. C’est le cas, par exemple,lorsqu’on a à étancher des produits lourds et visqueux, il peut s’avérer nécessaire d’assurer l’arrosagede la garniture par un produit plus fluide.

Le liquide introduit dans la lanterne fuit dans deux directions :

- de la lanterne vers l’intérieur de la pompe

- de la lanterne vers l’extérieur. Cette fuite, que l’on doit réduire, ne doit pas être nulle ce quiconduirait à une destruction rapide des anneaux extérieurs. Ceci d’autant plus que l’onconstate que les anneaux extérieurs sont plus fortement comprimés sur l’arbre que lesanneaux intérieurs.

Anneaux intérieurs Anneaux extérieurs

Fouloir

LanterneArrosage

ArbreLiquide àétancher

Corps de garniture

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D T

1174

B

Répartition des fuites le long de l’arbre

La figure ci-dessus montre les deux fuites possibles :

➀ Fuite vers l’intérieur de la pompe : refroidit et “lubrifie” les anneaux intérieurs

� Fuite vers l’extérieur de la pompe : refroidit et “lubrifie” les anneaux extérieurs. Cette fuitedoit être faible mais non nulle : goutte à goutte, mince filet.

Pour les produits inflammables on adopte un fouloir spécial dans lequel on peut injecter un liquide dedilution et de refroidissement, généralement de l’eau. C’est le “quench”. Lorsqu’on veut contrôler labonne marche du presse-étoupe, il faut arrêter le quench un court instant afin de s’assurer que la fuitede produit n’est pas trop importante mais qu’il y a un goutte à goutte.

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3 - AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS D’UNE GARNITURE À TRESSES

On reconnaît généralement aux garnitures à tresses les caractéristiques suivantes.

Avantages :

- coût faible de réparation et d’achat- facilité de remplacement des anneaux- détérioration lente de la garniture

Inconvénients :

- étanchéité incomplète car une fuite légère est indispensable d’où consommation de produitet d’énergie

- entretien assez fréquent- montage et confection des anneaux délicats- puissance importante dissipée par frottement (1 à 10 kW suivant la taille)

Malgré ces inconvénients, les presses-étoupes sont encore utilisés pour des produits peu coûteux etnon polluants comme l’eau froide, ou temporairement pour des usages où la mise au point d’unegarniture mécanique est difficile ou encore pour des services bien spéciaux comme les pompes d’eauincendie (pas de risque de panne brutale).

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III - LES GARNITURES MÉCANIQUES

1 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le schéma de principe d'une garniture mécanique est représenté ci-dessous :

Corps de garniture (F)

Arbre (T)

Ressort (T)

Coupelle (T)

Joint de coupelle (T)Film de liquide

Grain (F)

Joint de grain (F)

Ergot d'immobilisation du grain (F)

Chapeau (F)Joint de chapeau (F)

Liquide d'arrosage (flushing)

D T

523

A

Le liquide sous-pression de la pompe est arrêté par la surface de contact entre les deux piècesessentielles constituant une garniture :

- la première est fixe, c'est le grain qui est en appui contre le chapeau de la garniture parl'intermédiaire d'un joint statique d'étanchéité (joint de grain). Ce grain, le plus souvent encarbone, est immobilisé en rotation par un ergot

- la seconde est tournante avec l'arbre, c'est la coupelle qui est entraînée en rotation par unressort solidaire de l'arbre. La force exercée par le ressort permet de maintenir une pressionsur la surface de contact entre grain et coupelle. Un joint de coupelle a pour but d'évitertoute fuite le long de l'arbre

Le montage des deux pièces principales sur des joints toriques leur confère la souplesse suffisantepour s'auto-aligner en fonctionnement.

Le contact entre grain et coupelle doit être lubrifié par un film de liquide. Ce film est renouvelé trèslentement, ce qui correspond à un débit de fuite très faible de l'ordre de quelques cm3/jour parexemple. Parallèlement le système mis en place doit prévoir l'évacuation de la quantité de chaleurdégagée par le frottement pour éviter, en particulier, la vaporisation du film qui conduirait à ladestruction immédiate de la garniture.

En pratique, la réfrigération de la garniture mécanique d'étanchéité s'effectue essentiellement par unecirculation de liquide. Celui-ci peut être :

- soit le liquide pompé lui-même prélevé au refoulement de la pompe (auto-flushing)

- soit un liquide extérieur (flushing extérieur ou externe) compatible avec le produit pompé

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Axe de rotation

Force capillaire

Force centrifuge

D T

1287

A

Du maintien du film dépend la tenue de la garniture mécanique. Citons les principauxfacteurs :

- la planéité rigoureuse des faces- une géométrie des éléments constitutifs de la pompe qui assure le parallélisme des faces et

leur concentricité- un équilibre des forces auxquelles est soumise la bague mobile qui donne une force de

fermeture (ou, ramenée à la surface de contact, une pression de fermeture)

• suffisante pour éviter la fuite• suffisamment faible pour éviter la disparition du film ou l’échauffement excessif

- un équilibre thermique qui permette l’évacuation de la chaleur produite aux faces sansvaporisation du film

- l’absence de particule entre les faces- l’absence de vibration importante

Notons au passage qu’un maintien sûr du film conduit à une fuite qui pourra ne pas être négligeablepour les grandes dimensions. Pour les pompes courantes de raffinerie et d’usine chimique, la fuite estau maximum de quelques centimètres cubes à l’heure, ce pourquoi elle n’est pas visible. Il fautcependant rester conscient que le mode de fonctionnement d’une étanchéité dynamique entraînetoujours un compromis entre des valeurs acceptables pour la fuite d’un côté, la rapidité d’usure del’autre.

La bonne marche de la garniture suppose que ce liquide soit :

- propre, c'est-à-dire non chargé en particules solides qui dégraderaient rapidement lessurfaces de contact. Cela peu exiger la présence d'un filtre ou d'un séparateur typecyclone sur le circuit de liquide

- suffisamment froid pour assurer une température de fonctionnement correcte pour lagarniture. Si la température de disponibilité du liquide est trop élevée, on prévoit unéchangeur placé à côté de la pompe pour le réfrigérer.

Par ailleurs, dans les cas les plus difficiles : pompes très chaudes par exemple, le refroidissement dela garniture est complété par une réfrigération de la chambre du corps de garniture à l'aide d'unfluide auxiliaire eau ou vapeur. Sur certains produits lourds et chauds, on se contente même de cerefroidissement externe à la vapeur sans circulation de liquide d'arrosage. Ces garnitures particulièresdites "cul de sac" ne peuvent être utilisées que lorsqu’il n’y a aucun risque de vaporisation.

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2 - LES CIRCUITS AUXILIAIRES

• Circulation (ou flushing)

Dans tous les cas où le liquide pompé est dans des conditions de température-pression très éloignéesde la vaporisation, il n’est pas nécessaire d’évacuer les calories et beaucoup des circulations qui sontinstallées sont inutiles dans les garnitures modernes (faces étroites, couple de friction carbure desillicium-carbone) qui ne peuvent élever la température que de quelques degrés.

Lorsque l’échauffement doit être limité et/ou s’il faut augmenter la pression, on établit une circulation

- soit du refoulement vers la boite à garniture- soit de la boite à garniture vers l’aspiration lorsque les niveaux de pression le permettent, on

évite ainsi d’envoyer les particules en suspension entre les faces- soit au moyen d’un liquide externe propre et froid, solution courante pour les produits très

chargés de solides en suspension.

• Quench

Une garniture fuit de quelques centimètres cubes à l’heure. Cette petite fuite va provoquer, suivant lanature du produit et sa température, dépôts de particules, coke, polymères, gommes, cristaux, givragede l’humidité atmosphérique au contact de l’air.

Le quench sert à isoler de l’atmosphèreet de plus apporte un refroidissement etun nettoyage de la fuite. On utilise del’eau déminéralisée à très faible débit.Pour les produits pétroliers lourds quioccasionnent des dépôts de coke, onutilise de la vapeur détendue à 0,2-0,5bar relatif. Pour isoler simplement del’atmosphère (cas des GPL) on peutmettre de l’azote.

La limitation de la pression du quench à0,5 bar, outre qu’elle limite le débit, évitele décollement du grain fixe qui détruiraitla garniture.

EntréeQuench

Chapeau dela garniture

Chambrecirculaire

Chemise

Sortie égouttures

Coupelle GrainD

T 1

187

B

• Liquide tampon

Pour les garnitures doubles en tandem, le fluide auxiliaire est contenu dans un réservoir sans pressionplacé environ 2,5 m au-dessus de la pompe et muni d'un évent. La circulation se fait le plus souventpar thermosiphon mais on ajoute parfois un dispositif de pompage.

Les garnitures doubles dos à dos nécessitent un fluide à une pression supérieure de 2 à 5 bars à celledu liquide pompé. Le réservoir, toujours placé en hauteur peut être pressurisé par de l’azote ou par lerefoulement de la pompe à travers une bouteille à membrane. On peut aussi disposer pour de grossesinstallations d’un circuit de liquide auxiliaire avec pompes.

Le liquide tampon utilisé peut être de l’eau glycolée (ou eau + antigel), du fluide pour transmission, unehuile quelconque. Dans le cas du froid on utilise du méthanol ou de l’iso-octane.

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HuileAr

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EXEMPLE DE GARNITURE À TRESSES

D T 2215 C

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ArrosageQuench

Chapeau

Bague de laminage

Grain

Arbre

CoupelleRessort

Chemise de montage Joint de chemise

Bague de fond

Circulation duliquide d'arrosage

Chambre de réfrigération

D T

1184

C

Chambre de réfrigérationdu corps de garniture

Corps de garniture

Circulation de liquided'arrosage

Chemise

Chapeau

Ergot

Arbre

Corps de paliers

Corps de pompe

Roue

Grain CoupelleRessort

Bague demontage

Vis pointeauBaguede fond

ASPIRATION

REFOULEMENT

— Planche n° 2 —

EXEMPLE DE GARNITURE MÉCANIQUE

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GARNITURE MÉCANIQUE DOUBLE— Disposition dos à dos —

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FONCTIONNEMENT DESGARNITURES D'ÉTANCHÉITÉ