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Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 1 Partie 5 : La Fonction Techn

Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 1 Partie 5 : La Fonction Technique de Base ÉTANCHÉITÉ ÉTANCHÉITÉ 1. Introduction Les dispositifs d’étanchéité séparent deux espaces de manière qu’aucun liquide ou gaz ne puisse passer de l’un à l’autre. La notion d’étanchéité est très relative car l’étanchéité Dynamique absolue n’existe pas (notion de durée) ; c’est un idéal vers lequel tend la technique. L’industrie moderne manipule de nos jours beaucoup de produits dangereux (toxiques, inflammables, polluants, radioactifs) qui nécessitent une connaissance beaucoup plus précise des fuites. Le souci d’éviter la pollution de l’environnement et de protéger les personnes conduit à quantifier ces fuites et à leur fixer des limites. En reprenant l’arbre de classification (Chapitre 4.31), nous pouvons décrire l’ensemble des étanchéités. Remarque : on pourrait continuer ce type d’arbre par la forme des surfaces associées Directe Surfaces rodées et complémentaires Pâte à joint Semi-Directe Graisse Statique Indirecte Joint d'étanchéité Permanente Soudage Étanchéité Directe Surfaces glacées Semi-Directe Volume de fluide interposée (fluide de barrage) Dynamique Indirecte Joints, Garnitures mécaniques Permanente N'existe pas Pour l’étanchéité dynamique, il est possible de compléter cet arbre en y incluant pour les 3 types existants, la notion de mouvement relatif entre les surfaces (rotation ou translation) et la position de l’étanchéité (radiale ou axiale). L’étanchéité est un domaine en continuelle évolution, ceci exige une grande expérience : les exemples fournis ne montrent que les techniques courantes utilisées et associées aux principes fondamentaux. Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 2 2. Définition d’une fuite, Techniques de recherche d’une fuite 2.1 Définition d’un débit de fuite Un débit de fuite peut s’exprimer de deux façons : - Débit massique M° f - Débit volumique V° f La fuite effective devra être inférieure à une valeur maximale autorisée par les normes et règlements en vigueur soit : - M° f < M° f admissible - V° f < V° f admissible Malheureusement il est plus facile de fixer un débit limite que de déterminer un débit de fuite : ceci amène les deux grandes difficultés suivantes : - Le constructeur ne dispose d’aucune donnée fiable qui détermine une relation entre la fuite et la conception (ou le choix) des dispositifs d’étanchéité. - La mesure des petites fuites est, très souvent, pratiquement impossible. 2.2 Recherche des fuites La recherche de fuites est plus complexe qu’il n’y paraît. Pour un liquide, la vérification visuelle au niveau des joints et (ou) raccords permet de constater que les parties extérieures restent sèches. Toutefois, une petite fuite de liquide volatile peut passer inaperçue. Pour un gaz, le problème est plus ardu, hormis pour la grosse fuite qui se détecte à l’ouie. La recherche de fuite, dans le cas d’une petite fuite de gaz, s’opère en deux temps : - Vérification de l’étanchéité. - Localisation des fuites. Contrôle de l’étanchéité : Un gaz occupe le volume Vo à la pression atmosphérique pa et à la Température To .comprimons le dans une enceinte de Volume Ve initialement à la pression atmosphérique. Après égalisation des températures, sa pression devient : Po = Ve + Vo pa Ve Supposons qu’il existe un débit de fuite V ° fo défini dans l’état initial. Le volume de gaz encore contenu dans le récipient est alors Vo - V ° fo t .Si la température du gaz varie au cours du temps (variations climatiques par exemple), et devienne T = To+ΔT , la nouvelle pression dans l’enceinte devient : P = Ve + Vo - V ° fo t To + ΔT pa Ve To Ce résultat montre que la pression p dépend de la température T et de la pression po (conditions climatiques variables) et peut varier au cours du temps comme le montre le diagramme suivant : Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 3 Pression Temps Po Valeur moyenne 0 Figure 1 : Évolution temporelle de la pression dans une enceinte avec fuite Cette méthode ne permet de mettre en évidence des fuites minimes surtout sur des grosses installations : problèmes de dilatation des enceintes, variations de pression et de température et durée des mesures pour observer la pente moyenne des mesures effectuées. On abaisse le seuil de détection d’une fuite en utilisant un montage différentiel (cf Figure 2). On place un petit récipient de référence étanche et rigide à l’intérieur du réservoir principal et on mesure la différence de pression entre les deux volumes. Réservoir P , T , Ve Pr , T Récipient de Référence Delta P + - Manomètre Différentiel Figure 2 : Mesure différentielle des variations de pression On supposera que la température dans le récipient soit toujours en équilibre avec celle qui règne dans le réservoir, le manomètre indique : ΔP = __V ° fo t  1 + ΔT pa Ve+Vo  To  Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 4 Le manomètre indique une diminution de pression seulement si l’enceinte fuit, on s’affranchit des variations de température et de pression du milieu extérieur. Pour les grandes enceintes (1000m3 et plus), la température du gaz n’est pas homogène, donc il sera nécessaire de prendre plusieurs mesures en différents points du volume. 2.3 Localisation des fuites On découvre les plus petites fuites en revêtant les soudures, joints et endroits critiques avec un liquide pour y déceler les fuites de gaz (apparition de bulles). Une autre méthode consiste à introduire un traceur (gaz type fréon ou hélium) dans le système puis en promenant le long des endroits critiques, une sonde aspirante reliée à un spectrographe de masse : méthode praticable uniquement dans les endroits aérés où le traceur ne peut s’accumuler. 3. Étanchéité statique 3.1 Limitation des fuites Une étanchéité est dite statique lorsque les pièces en contact sont immobiles l’une par rapport à l’autre. Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour réaliser cette étanchéité (CF arbre de classification). La première consiste à plaquer deux surfaces de géométrie complémentaires l’une sur l’autre. Ces deux surfaces pressées l’une contre l’autre se touchent en général par l’intermédiaire de leurs aspérités (notion de rugosité des surfaces en contact), ainsi le fluide peut communiquer d’un espace à l’autre. On peut modéliser cet espace par une fente d’épaisseur équivalente h (dont la valeur sera bien entendu déduite de la rugosité moyenne des pièces en contact) dans laquelle l’écoulement est généralement laminaire. Dans le cas d’un fluide incompressible, en négligeant la pression dynamique due à la vitesse, le débit volumique résulte de la loi de Poiseuille (Voir cours de Mécanique des fluides LA 313 et LA 336). Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 5 Figure 3 : Modélisation des fuites de pièces en contact 3.2 Étanchéité directe En pressant fortement deux surfaces métalliques l’une contre l’autre, leurs aspérités s’écrasent et les îlots de contact s’élargissent jusqu’à réaliser une bonne étanchéité même à de fortes pressions : les déformations locales des matériaux des surfaces en contact permettent le maintien de cette étanchéité jusqu’à des pressions élevées (2500 bars cf figure 4). Figure 4 : Bride DILO : (a) ensemble ; (b) détail du joint 3.3 Étanchéité indirecte Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 6 Principes : Un joint interposé entre deux pièces doit : - remplir entièrement les dépressions entre les aspérités, - supporter la pression et la température de service, - résister à l’agression chimique des fluides à étancher. Pour obtenir une étanchéité correcte, il faut que : - le matériau du joint présente un comportement plastique (cf figure 5), - le matériau soit tendre (élastomère, fibres agglomérées, cuivre recuit, aluminium, fer doux), - la surface de contact soit étroite afin de pouvoir comprimer le joint avec une pression convenable. L’épaisseur des joints diminue avec le temps (plastification du matériau, fluage). On peut limiter le fluage latéral du joint en l’emprisonnant dans une gorge. Lors du démontage d’ un ensemble mécanique, il faut absolument remplacer l’ancien joint car celui ci s’est généralement durci et ne peut plus s’adapter aux surfaces. Pour des joints en caoutchouc et élastomères, il faut s’assurer que les surfaces en contact soient polies. Figure 5 : Joint d’étanchéité Forces mises en œuvre pour garantir une étanchéité : Le montage de joints plats (cf exemple ci-dessus) entre deux brides implique généralement un serrage par boulons. Celui ci doit respecter les contraintes suivantes : Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 7 - Force de serrage nécessaire pour la force d’étanchéité en fonction de la décharge des boulons due à la pression P2 – P1. - Échauffement différentiel de la bride et des boulons d’où une différence de température entre les brides et les boulons impliquant une dilatation relative des deux (en général, augmentation du serrage du joint puis retour à un état d’équilibre). - Si les surfaces géométriques doivent être très précises (plan de joint des carters de Boites de Vitesses automobiles), le joint ne pourra garantir cette géométrie : on remplace alors le joint par un liquide badigeonné sur les surfaces avant montage, remplissant tous les micro-interstices. - Au cours du temps, il sera souvent nécessaire de resserrer les boulons (fluage du uploads/Geographie/ ae-gm-etancheite-light-pdf.pdf