Principe d'étanchéité des soupapes

Il existe de nombreux types de vannes, mais leur fonction de base reste la même : autoriser ou interrompre le passage d’un fluide. De ce fait, l’étanchéité des vannes devient un problème crucial.

Pour garantir une coupure efficace du flux de fluide par la vanne et éviter les fuites, il est essentiel de s'assurer de l'intégrité de son joint. Les fuites peuvent avoir de nombreuses causes, notamment une conception structurelle inadéquate, des surfaces de contact d'étanchéité défectueuses, des fixations desserrées, un mauvais ajustement entre le corps et le couvercle de la vanne, etc. Tous ces problèmes peuvent compromettre l'étanchéité de la vanne et, par conséquent, provoquer des fuites.technologie d'étanchéité des soupapesIl s'agit d'une technologie importante liée aux performances et à la qualité des vannes, qui nécessite des recherches systématiques et approfondies.

Depuis l'invention des vannes, leurs technologies d'étanchéité ont connu un développement considérable. À ce jour, ces technologies reposent principalement sur deux grands axes : l'étanchéité statique et l'étanchéité dynamique.

L'expression « joint statique » désigne généralement l'étanchéité entre deux surfaces immobiles. Ce type de joint est principalement réalisé à l'aide de joints d'étanchéité.

Le terme « joint dynamique » désigne principalementl'étanchéité de la tige de soupapeCe système empêche les fuites du fluide contenu dans la vanne lors du mouvement de la tige. Le principal dispositif d'étanchéité dynamique est le presse-étoupe.

1. Joint statique

L'étanchéité statique désigne la formation d'un joint entre deux sections fixes, et cette étanchéité est principalement assurée par des joints. Il existe de nombreux types de rondelles. Parmi les plus courantes, on trouve les rondelles plates, les rondelles toriques, les rondelles enroulées, les rondelles de forme spéciale, les rondelles ondulées et les rondelles bobinées. Chaque type peut être subdivisé selon les matériaux utilisés.
①Rondelle plateLes rondelles plates sont des rondelles plates placées à plat entre deux surfaces fixes. Selon les matériaux utilisés, on distingue généralement les rondelles plates en plastique, en caoutchouc, en métal et composites. Chaque matériau a son propre domaine d'application.
2. Joint torique. Un joint torique est un joint dont la section transversale a la forme d'un O. Grâce à cette forme, il possède un effet auto-serrant, ce qui lui confère une meilleure étanchéité qu'un joint plat.
③ Rondelles incluses. Un joint enrobé est un joint constitué d'un matériau enveloppant un autre. Ce type de joint présente généralement une bonne élasticité et améliore l'étanchéité. ④ Rondelles de forme spéciale. Les rondelles de forme spéciale sont des joints de forme irrégulière, notamment les rondelles ovales, en losange, dentelées, à queue d'aronde, etc. Ces rondelles sont généralement autobloquantes et sont principalement utilisées dans les vannes haute et moyenne pression.
⑤ Rondelle ondulée. Les joints ondulés sont des joints de forme ondulée. Ils sont généralement composés d'une combinaison de matériaux métalliques et non métalliques. Ils se caractérisent généralement par une faible force de pression et une bonne étanchéité.
⑥ Enrouler la rondelle. Les joints enroulés sont des joints formés par l'enroulement serré de fines bandes métalliques et non métalliques. Ce type de joint présente une bonne élasticité et d'excellentes propriétés d'étanchéité. Les matériaux utilisés pour la fabrication des joints se répartissent principalement en trois catégories : les matériaux métalliques, les matériaux non métalliques et les matériaux composites. De manière générale, les matériaux métalliques offrent une résistance élevée et une bonne tenue aux températures élevées. Parmi les matériaux métalliques couramment utilisés, on trouve le cuivre, l'aluminium et l'acier. Il existe de nombreux types de matériaux non métalliques, notamment les produits en plastique, en caoutchouc, en amiante et en chanvre. Ces matériaux non métalliques sont largement utilisés et peuvent être sélectionnés en fonction des besoins spécifiques. Il existe également de nombreux types de matériaux composites, tels que les stratifiés et les panneaux composites, qui sont également sélectionnés en fonction des besoins spécifiques. Généralement, les rondelles ondulées et les rondelles enroulées en spirale sont les plus couramment utilisées.

2. Joint dynamique

L'étanchéité dynamique désigne un joint qui empêche les fuites du fluide circulant dans la vanne lors du mouvement de la tige. Il s'agit d'un problème d'étanchéité lié au mouvement relatif. La principale méthode d'étanchéité est le presse-étoupe. Il existe deux types principaux de presse-étoupes : à gorge et à écrou de compression. Le presse-étoupe à gorge est actuellement le plus répandu. De manière générale, on distingue deux types de presse-étoupes : combiné et monobloc. Malgré leurs différences, ils comportent tous deux des boulons de compression. Le presse-étoupe à écrou de compression est généralement utilisé pour les petites vannes. Du fait de sa petite taille, la force de compression est limitée.
Dans la boîte à garniture, la garniture étant en contact direct avec la tige de la vanne, elle doit assurer une bonne étanchéité, un faible coefficient de frottement, s'adapter à la pression et à la température du fluide et résister à la corrosion. Les garnitures couramment utilisées comprennent les joints toriques en caoutchouc, les tresses en polytétrafluoroéthylène, les garnitures en amiante et les garnitures moulées en plastique. Chaque garniture a ses propres conditions et domaines d'application et doit être sélectionnée en fonction des besoins spécifiques. L'étanchéité ayant pour but d'empêcher les fuites, le principe d'étanchéité des vannes est également étudié sous cet angle. Deux facteurs principaux sont à l'origine des fuites : le jeu entre les joints et la différence de pression de part et d'autre de ces joints. Le principe d'étanchéité des vannes est analysé selon quatre aspects : l'étanchéité aux liquides, l'étanchéité aux gaz, le principe d'étanchéité des canaux de fuite et le principe d'étanchéité des joints.

Étanchéité aux liquides

Les propriétés d'étanchéité des liquides sont déterminées par leur viscosité et leur tension superficielle. Lorsqu'un capillaire de vanne présentant une fuite est rempli de gaz, la tension superficielle peut repousser le liquide ou, au contraire, l'y introduire. Ceci crée un angle de tangence. Si cet angle est inférieur à 90°, du liquide est injecté dans le capillaire, provoquant une fuite. Cette fuite est due aux propriétés différentes du fluide utilisé. Des expériences réalisées avec différents fluides donneront des résultats différents dans les mêmes conditions. On peut utiliser de l'eau, de l'air ou du kérosène, etc. Lorsque l'angle de tangence est supérieur à 90°, une fuite se produit également. Ceci est lié à la présence d'un film de graisse ou de cire à la surface du métal. Une fois ces films dissous, les propriétés de la surface métallique changent, et le liquide, initialement repoussé, mouille la surface et provoque une fuite. Compte tenu de cette situation, et conformément à la formule de Poisson, l'objectif de prévenir ou de réduire les fuites peut être atteint en diminuant le diamètre du capillaire et en augmentant la viscosité du fluide.

Étanchéité au gaz

Selon la formule de Poisson, l'étanchéité d'un gaz est liée à la viscosité de ses molécules et au gaz lui-même. Les fuites sont inversement proportionnelles à la longueur du tube capillaire et à la viscosité du gaz, et directement proportionnelles au diamètre du tube capillaire et à la force motrice. Lorsque le diamètre du tube capillaire est égal au degré de liberté moyen des molécules de gaz, ces dernières s'écoulent dans le tube capillaire en bénéficiant d'une libre agitation thermique. Par conséquent, lors d'un test d'étanchéité de vanne, seul l'eau est nécessaire pour garantir l'étanchéité ; l'air, c'est-à-dire un gaz, ne permet pas d'obtenir une étanchéité optimale.

Même en réduisant le diamètre capillaire en dessous du niveau des molécules de gaz par déformation plastique, il est impossible d'empêcher le flux de gaz. En effet, les gaz peuvent toujours diffuser à travers les parois métalliques. Par conséquent, les tests avec des gaz doivent être plus rigoureux que ceux effectués avec des liquides.

Principe d'étanchéité du canal de fuite

L'étanchéité de la vanne repose sur deux éléments : l'irrégularité de la surface ondulée et la rugosité de l'ondulation entre les crêtes des vagues. La plupart des métaux disponibles dans notre pays présentant une faible élasticité, l'obtention d'une étanchéité optimale exige une force de compression supérieure à la limite d'élasticité du matériau. Par conséquent, lors de la conception de la vanne, les éléments d'étanchéité sont sélectionnés en fonction d'une différence de dureté. Sous l'effet de la pression, une déformation plastique partielle assure l'étanchéité.

Si la surface d'étanchéité est en métal, des aspérités irrégulières apparaîtront en premier. Au début, une faible charge suffit à provoquer une déformation plastique de ces aspérités. Lorsque la surface de contact augmente, la déformation plastique-élastique de la surface se transforme en irrégularités. À ce stade, une rugosité subsiste de part et d'autre du logement. Lorsqu'il est nécessaire d'appliquer une charge suffisante pour provoquer une déformation plastique importante du matériau sous-jacent et assurer un contact étroit entre les deux surfaces, ces aspérités résiduelles peuvent être comblées le long d'une ligne continue et dans le sens circonférentiel.

paire de joints de soupape

Le joint d'étanchéité de la soupape est constitué du siège et de l'obturateur qui assurent l'étanchéité lorsqu'ils entrent en contact. En service, la surface d'étanchéité métallique est facilement endommagée par les fluides entraînés, la corrosion, les particules d'usure, la cavitation et l'érosion. Si la taille des particules d'usure est inférieure à la rugosité de surface, la précision de cette dernière sera améliorée au lieu d'être détériorée lors du rodage. Dans le cas contraire, elle sera dégradée. Par conséquent, le choix des particules d'usure doit prendre en compte des facteurs tels que leur matériau, les conditions de fonctionnement, la lubrification et la corrosion de la surface d'étanchéité.

Tout comme pour les particules d'usure, le choix des joints d'étanchéité exige une analyse approfondie des différents facteurs influençant leurs performances afin de prévenir les fuites. Il est donc essentiel de privilégier des matériaux résistants à la corrosion, aux rayures et à l'érosion. À défaut, l'étanchéité sera fortement compromise.