Comment sélectionner des joints pour les brides
Créé le 09.26
Dans les systèmes de pipelines et les connexions d'équipement, les joints d'étanchéité sont des composants essentiels garantissant la performance d'étanchéité. La rationalité de leur sélection affecte directement la sécurité, la stabilité et l'économie du fonctionnement du système. Une sélection inappropriée des joints peut entraîner des fuites de milieu, la corrosion des équipements, le gaspillage d'énergie, et même de graves accidents de sécurité tels que des incendies et des explosions. En partant des considérations fondamentales pour la sélection des joints d'étanchéité, cet article développera la méthode de sélection scientifique en décomposant quatre dimensions clés : la pression et la température de fonctionnement, la compatibilité chimique, l'état de surface de la bride et la charge des boulons, fournissant des conseils pratiques pour le personnel d'ingénierie et technique.
I. Considérations essentielles pour la sélection des joints d'étanchéité de bride
La sélection des joints de bride doit respecter les trois principes de "l'adaptabilité, la stabilité et la sécurité". Avant la sélection formelle, les 4 prérequis de base suivants doivent être pris en compte pour éviter les écarts de sélection causés par des omissions préliminaires :
1. Prioriser la clarification des caractéristiques du milieu : Il est nécessaire de d'abord confirmer le type de milieu (par exemple, gaz, liquide, vapeur, fluide corrosif), la concentration, la pureté et s'il contient des impuretés particulaires que la bride transmet ou contacte. Par exemple, les brides transmettant des acides forts ont des exigences radicalement différentes en matière de résistance à la corrosion des joints par rapport à celles transmettant de l'eau ordinaire. Négliger les caractéristiques du milieu entraînera rapidement une défaillance du joint même si d'autres paramètres correspondent.
2、Ancrer les conditions limites de fonctionnement du système : Obtenez la pression de fonctionnement nominale, la pression maximale instantanée et la température de fonctionnement à long terme, ainsi que la plage de fluctuation de température extrême du système où se trouve la bride, plutôt que de se référer uniquement aux valeurs nominales conçues. Par exemple, les pipelines de vapeur à haute température peuvent connaître des conditions de "hausse et de baisse soudaines de température", nécessitant que les joints répondent à la fois à la stabilité à haute température et à la résistance aux chocs thermiques.
3、Faire correspondre les paramètres de base des brides et des boulons : Confirmer le type de bride (par exemple, bride à glissement, bride à col soudé, bride à soudo-collé), la forme de la surface d'étanchéité (par exemple, face plate, face surélevée, face mâle-femelle, face à rainure et languette), ainsi que le matériau du boulon, la spécification et les exigences de couple de pré-serrage. Différentes formes de surfaces d'étanchéité correspondent à des joints d'étanchéité de structures différentes (par exemple, les faces à rainure et languette nécessitent des joints sans anneaux de positionnement), et la charge des boulons affecte directement la quantité de compression et l'effet d'étanchéité des joints.
4、Se conformer aux normes industrielles et de sécurité : S'assurer que les joints sélectionnés répondent aux spécifications industrielles pertinentes (par exemple, GB/T 9126 pour l'industrie pétrochimique, HG/T 20606 pour l'industrie chimique, et ASME B16.20 pour les normes internationales). En particulier dans les scénarios impliquant des médias inflammables, explosifs, toxiques ou nocifs, les joints doivent passer des tests d'étanchéité et des certifications de sécurité pour éviter les risques cachés dus à la non-conformité aux normes.
II. Méthode de sélection scientifique pour les joints d'étanchéité à bride : Décomposition de quatre dimensions clés
La sélection des joints de bride doit se concentrer sur "l'adaptation aux conditions de travail". Grâce à l'analyse de la pression et de la température de fonctionnement, de la compatibilité chimique, de l'état de surface de la bride et de la charge des boulons un par un, un appariement précis peut être réalisé.
(1) Étape 1 : Déterminer la catégorie générale du matériau du joint en fonction de la pression et de la température de fonctionnement.
La pression et la température de fonctionnement sont des facteurs clés déterminant le matériau du joint, et ensemble, ils forment la "limite de base" pour la sélection du joint. Les joints de différents matériaux présentent des différences significatives dans leur tolérance au sein de la plage de pression-température (P-T), nécessitant un appariement strict :
1、Conditions de basse pression et de basse température
(pression ≤ 1,6 MPa, température ≤ 100 ℃):
Adapté aux scénarios de transmission de médias tels que l'eau, l'air et la vapeur à basse pression. Des joints non métalliques sont recommandés, y compris des joints en caoutchouc naturel (bonne élasticité, faible coût), des joints en caoutchouc nitrile (meilleure résistance à l'huile que le caoutchouc naturel) et des joints en caoutchouc amiante (progressivement restreints, avec des joints en fibre sans amiante comme alternatives). Ces joints sont faciles à installer, mais il convient de veiller à ne pas dépasser la limite supérieure de température, ce qui pourrait entraîner un vieillissement et un durcissement.
2、Conditions de pression moyenne et de température moyenne
(pression : 1,6-10MPa, température : 100-350℃) :
Applicable aux pipelines de processus dans les industries pétrochimique et chimique. Les joints semi-métalliques sont recommandés, tels que les joints métalliques revêtus (coque métallique + matériau de cœur non métallique, avec à la fois performance d'étanchéité et résistance à la température) et les joints à spirale (enroulés avec des bandes métalliques et des bandes non métalliques, avec une excellente compression et résilience, ce qui en fait le "choix universel" pour des conditions de pression moyenne). Remarque : Le matériau de la bande métallique dans les joints à spirale (par exemple, acier inoxydable 304, acier inoxydable 316L) doit être confirmé davantage en fonction de la corrosion du milieu.
3、Conditions de haute pression et haute température
(pression ≥ 10MPa, température ≥ 350℃):
Convient pour les pipelines de vapeur à haute pression, les réacteurs d'hydrogénation, les échangeurs de chaleur à haute température, etc. Des joints entièrement métalliques sont requis, tels que des joints métalliques dentelés (réalisant l'étanchéité par compression dentelée, adaptés aux brides à face mâle-femelle) et des joints en anneau métallique (par exemple, joints octogonaux, ovales, adaptés aux brides à languette et rainure, avec des performances d'étanchéité extrêmement fortes mais des exigences élevées pour la précision de la surface d'étanchéité de la bride). Les joints entièrement métalliques doivent correspondre au matériau de la bride (par exemple, brides en acier au carbone avec joints en acier au carbone, brides en acier inoxydable avec joints en acier inoxydable) pour éviter la corrosion électrochimique.
Notes clés :
- L'effet synergique de la pression et de la température doit être considéré simultanément. Par exemple, un certain joint peut résister à 300℃ sous une pression de 2MPa, mais peut ne résister qu'à 250℃ sous 5MPa. La courbe P-T fournie par le fabricant du joint doit être consultée au lieu de juger sur la base d'un seul paramètre.
- Pour des scénarios avec des fluctuations de température extrêmes (par exemple, une chute de température soudaine ≥ 100℃), des matériaux ayant une bonne résistance aux chocs thermiques doivent être sélectionnés, tels que des joints en graphite flexible enroulés en spirale (le graphite a une résistance à haute température et un faible coefficient d'expansion thermique), afin de prévenir les défaillances d'étanchéité des joints dues à l'expansion et à la contraction thermiques.
(2) Étape 2 : Éliminer les matériaux inappropriés par la vérification de la compatibilité chimique
La compatibilité chimique est cruciale pour garantir le fonctionnement stable à long terme des joints. Si un joint réagit chimiquement avec le milieu (par exemple, corrosion, gonflement, dégradation), cela réduira non seulement la performance d'étanchéité du joint, mais peut également contaminer le milieu ou produire des substances nocives. Les méthodes de vérification sont les suivantes :
1、Clarifiez les "facteurs de corrosion" du milieu :
Tout d'abord, analysez les propriétés chimiques du milieu : s'il est acide (par exemple, acide chlorhydrique, acide sulfurique), alcalin (par exemple, hydroxyde de sodium, eau ammoniacale), oxydant (par exemple, acide nitrique, gaz chlore), réducteur (par exemple, sulfure d'hydrogène, hydrogène), ou s'il contient des solvants (par exemple, méthanol, éthanol) ou des huiles (par exemple, pétrole brut, huile de lubrification). Par exemple : les joints en acier au carbone ordinaires (sujets à la corrosion) doivent être évités pour les milieux acides, et des matériaux résistants à la corrosion tels que l'acier inoxydable 316L et Hastelloy doivent être sélectionnés ; les joints en caoutchouc naturel (sujets au gonflement) doivent être évités pour les milieux huileux, et des joints en caoutchouc nitrile ou en caoutchouc fluoré doivent être choisis.
2、Référez-vous aux "tableaux de compatibilité" et aux données expérimentales :
Les fabricants de joints fournissent généralement des "tableaux de compatibilité des matériaux et des milieux", indiquant les niveaux de tolérance des différents matériaux dans des milieux spécifiques (par exemple, "excellent, bon, médiocre"). Pour des milieux spéciaux (par exemple, des milieux hautement corrosifs, des milieux de haute pureté), demandez des rapports de tests de compatibilité de tiers auprès du fabricant ou effectuez des tests simulés à petite échelle des conditions de travail (par exemple, test d'immersion : immergez l'échantillon de joint dans le milieu et observez s'il y a des changements de poids, déformation, dissolution, etc. après 72 heures).
3、Méfiez-vous des "réactions chimiques cachées" :
Certains médias peuvent se décomposer ou subir des "réactions cachées" avec le matériau du joint sous haute température et pression. Par exemple : la vapeur d'eau à haute température peut réagir avec des additifs dans certains joints non métalliques pour générer des impuretés. Par conséquent, même s'ils sont compatibles à température ambiante, la stabilité sous haute température et pression doit toujours être confirmée.
(3) Étape 3 : Évaluer l'état de la surface de la bride et assortir la structure et la compressibilité du joint
La planéité, la rugosité et l'état de dommage de la surface d'étanchéité de la bride affectent directement l'effet de compression et d'ajustement du joint. Même si le matériau du joint est approprié, des fuites se produiront si la surface de la bride présente des rayures, des bosses ou une rugosité incohérente. Les 3 points suivants doivent être mis en avant :
1、Rugosité de surface de la bride (Ra) :
Différents types de joints ont des exigences différentes en matière de rugosité :
- Non-métalliques joints (par exemple, joints en caoutchouc, joints sans amiante) : La surface de la bride doit être relativement lisse, avec une rugosité de Ra ≤ 3,2 μm (pour éviter que la surface rugueuse ne raye le joint ou ne provoque des fuites en raison de jeux excessifs).
- Semi-métalliques joints (par exemple, joints enroulés en spirale) : Une rugosité modérée est requise, avec Ra = 1,6-6,3 μm (une surface trop lisse peut faire glisser le joint, tandis qu'une surface trop rugueuse peut endommager la couche d'étanchéité de surface du joint).
- Garnitures entièrement métalliques (par exemple, garnitures à dents, garnitures en anneau) : La surface de la bride nécessite un usinage de haute précision, avec une rugosité de Ra ≤ 1,6 μm (pour garantir un ajustement métallique à métallique étanche et éviter les défaillances d'étanchéité dues à des surfaces inégales).
Si la rugosité de la surface de la bride est incohérente, un meulage est nécessaire (les brides adaptées aux joints non métalliques doivent être meulées avec du papier de verre fin, tandis que les brides adaptées aux joints entièrement métalliques doivent être traitées avec des meuleuses de précision).
1、Inspection de l'endommagement de la surface de la bride :
Avant l'installation, inspectez visuellement ou utilisez des jauges de profondeur pour vérifier si la surface d'étanchéité de la bride présente des rayures (réparation requise si la profondeur > 0,2 mm), des bosses (remplissage requis si la surface > 5 mm²) ou des déformations (correction requise si l'écart de planéité > 0,1 mm/m). Les rayures mineures peuvent être réparées par polissage ; si les dommages sont graves, la bride doit être remplacée avant d'installer le joint.
2、Correspondance des formes de surface d'étanchéité des brides :
La structure du joint doit strictement correspondre à la forme de la surface d'étanchéité de la bride :
- Flat Face (FF) brides : S'adaptent aux joints non métalliques (par exemple, joints plats). Notez que le diamètre extérieur du joint doit couvrir les trous de boulon de la bride pour éviter les fuites de milieu par les trous de boulon.
- Surface surélevée (RF) brides : S'adaptent aux joints semi-métalliques (par exemple, joints enroulés en spirale, joints métalliques) ou aux joints non métalliques épais. Le diamètre intérieur du joint doit être cohérent avec le diamètre intérieur de la bride pour éviter le "rétrécissement" qui provoque la rétention du milieu.
- Flasques mâle-femelle (MFM) et à rainure et languette (TG) : S'adaptent aux joints semi-métalliques ou aux joints entièrement métalliques (par exemple, joints enroulés spiralés avec anneaux de positionnement, joints à anneau métallique). La structure mâle-femelle / à rainure et languette est utilisée pour le positionnement afin d'éviter le déplacement du joint, ce qui est particulièrement adapté aux conditions de haute pression.
(4) Étape 4 : Calculez la charge des boulons pour garantir que le joint atteigne la quantité de compression optimale
La charge de boulon est la "source d'énergie" pour atteindre l'étanchéité du joint. Une force de pré-serrage de boulon insuffisante empêchera le joint d'être complètement comprimé, entraînant un mauvais ajustement de la surface d'étanchéité ; une force de pré-serrage excessive provoquera une surcompression du joint (les joints non métalliques peuvent être écrasés, tandis que les joints métalliques peuvent subir une déformation plastique), perdant ainsi leur résilience et entraînant facilement des fuites lorsque la pression du système fluctue par la suite. Les étapes spécifiques de l'opération sont les suivantes :
1、Déterminez la "charge de scellement minimale" requise pour le joint : Les fabricants de joints fournissent généralement deux paramètres clés : "facteur de joint (m)" et "pression spécifique de pré-serrage minimale (y)" (voir ASME B16.5 ou GB/T 9126) :
- Minimum charge de pré-serrage (Fp) : La charge garantissant que le joint s'adapte parfaitement sans pression de milieu, calculée par la formule : Fp = y × A (A est la surface d'étanchéité effective du joint, qui doit être calculée en fonction de la taille du joint).
- Charge de fonctionnement (Fm) : La charge empêchant le joint d'être poussé ouvert par la pression du milieu pendant le fonctionnement du système, calculée par la formule : Fm = m × P × A (P est la pression de fonctionnement du système).
La charge totale des boulons doit répondre à la fois à Fp et à Fm, c'est-à-dire que la charge totale des boulons F ≥ max (Fp, Fm).
2、Calculer le couple de pré-serrage des boulons :
Basé sur la charge totale des boulons F, combinée avec le matériau du boulon (par exemple, Q235, acier inoxydable 304), la spécification (par exemple, M16, M20) et la condition de lubrification (si de la graisse pour filets est appliquée), calculez le couple de pré-serrage en utilisant la formule : T = K × F × d (K est le coefficient de couple, généralement 0,12-0,2, déterminé par la méthode de traitement de surface du boulon ; d est le diamètre nominal du boulon).
Dans une opération réelle, une clé dynamométrique doit être utilisée pour serrer les boulons uniformément selon le couple calculé (en suivant la "méthode de serrage diagonale étape par étape" pour éviter la déformation de la bride), et le serrage basé sur l'expérience est strictement interdit.
3、Évitez la surcharge de charge des boulons :
Confirmez la charge maximale autorisée du boulon (calculée en fonction de la limite d'élasticité du matériau du boulon) et assurez-vous que la charge totale du boulon F ne dépasse pas 80 % de la charge maximale autorisée du boulon (une marge de sécurité est réservée pour prévenir la déformation ou la fracture par étirement du boulon). Si la charge du boulon est insuffisante, cela peut être résolu en augmentant le nombre de boulons ou en les remplaçant par des boulons à haute résistance ; si la charge du boulon est excessive, sélectionnez des joints avec des montants de compression plus importants (par exemple, des joints spiralés en graphite flexible) ou ajustez la taille du joint (augmentez la surface de scellement effective A pour réduire la charge requise).
III. Vérification et maintenance post-sélection : Assurer une performance d'étanchéité à long terme
Après avoir sélectionné le joint, une vérification de l'installation et un entretien postérieur sont nécessaires pour garantir davantage l'effet d'étanchéité :
1、Vérification de l'installation : Après avoir installé le joint, effectuez un test de pression (par exemple, test de pression à l'eau, test d'étanchéité à l'air), maintenez la pression à la pression de fonctionnement nominale pendant 30 minutes et observez s'il y a des fuites (de l'eau savonneuse peut être appliquée sur la surface d'étanchéité ; pas de bulles indique une qualification). En cas de fuite, vérifiez si le couple des boulons est suffisant, si le joint est mal aligné et si la surface de la bride est endommagée, puis retestez après avoir résolu les problèmes un par un.
2、Entretien régulier : Développez un cycle d'entretien des joints en fonction de la gravité des conditions de travail (par exemple, inspection tous les 1 à 2 ans pour des conditions de basse pression et de température normale, et tous les 3 à 6 mois pour des conditions de haute pression et de haute température). Concentrez-vous sur les éléments suivants :
- Que le joint présente un vieillissement, un durcissement ou des fissures (pour les joints non métalliques) ou de la corrosion, une déformation (pour les joints métalliques).
- Que les boulons soient desserrés (le resserrage peut être effectué avec une clé dynamométrique).
- S'il y a des signes de fuite de milieu (par exemple, résidu de milieu, taches de corrosion près de la surface d'étanchéité).
Si des signes de défaillance du joint sont détectés, remplacez-le en temps utile pour éviter d'aggraver la panne.
Conclusion
La sélection des joints de bride est un "projet systématique" qui nécessite une prise en compte complète des paramètres des conditions de travail, des caractéristiques du milieu et des conditions de la bride et des boulons. Une sélection précise peut être réalisée grâce au processus en quatre étapes de "détermination de la catégorie générale de matériau → vérification de la compatibilité chimique → correspondance de la surface de la bride → calcul de la charge des boulons". En même temps, la vérification de l'installation et l'entretien régulier après la sélection sont également indispensables. Ce n'est qu'en formant une boucle fermée de "sélection - installation - entretien" que l'on peut garantir le fonctionnement stable à long terme du système d'étanchéité de la bride, assurant ainsi la sécurité et l'efficacité de la production industrielle.