Brevet FR2560334A1 — publié le 19850830

L'étanchéité des vannes est un élément important de sécurité, d'une façon générale, mais tout particulièrement dans les circuits de vapeur à haute pression et dans l'industrie nucléaire. Cette étanchéité est le plus souvent obtenue au moyen de bagues formées par des tresses à base d'amiante chimiquement pure, intimement mélangée à du graphite, ou des bagues à base de graphite expansé. On obtient ainsi une bonne étanchéité de ces vannes et même des durées de service pouvant atteindre, voire dépasser, deux ans. Toutefois lorsqu'il s'agit de vannes de régulation dont les mouvements sont fréquents, rapides et d'amplitude variable, la présence de bagues de graphite.expansé se traduit par un frottement relativement important sur la tige qui provoque un accroissement de l'effort nécessaire pour la manoeuvre, mais peut même etre suffisamment important pour provoquer des arrachements du graphite de la bague et des transferts du graphite sur la tige. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en permettant la réalisation d'une garniture d'étanchéité dont la composition soit telle qu'elle présente une véritable fiabilité d'étanchéité tout en ayant un bon coefficient de frottement et un transfert négligeable. Cette invention a en effet pour objet une garniture d'étanchéité à base d'un mélange intime d'environ 80 à 97% de graphite expansé et d'environ 3 à 20% d'une poudre très fine d'un matériau lubrifiant compatible avec le graphite et ayant un bon comportement thermique à une température supérieure à 2500C. La poudre lubrifiante est choisie parmi les bisulfures de molybdène et de tungstène, les nitrures de bore, de sélénium ou de tungstène, les carbures de silicium, les tungstates d'argent ainsi que d'autres sels ou oxydes métalliques et le polytétrafluoréthylène, ces produits pouvant être pris seuls ou en mélange. Le mélange intime peut être formé à différents stades de l'élaboration de la garniture. Par exemple, la poudre de lubrifiant peut être mélangée à du graphite expansé à l'état de poudre avant toute compression. Le graphite de base est un graphite naturel ayant des particules de l'ordre de 10 à 400 microns. Ce graphite, qui a préalablement subi une expansion thermique, est mélangé intimement avec une poudre de lubrifiant ayant une granulométrie compatible, c'est-à-dire présentant des particules de l'ordre de 0,5 à 5 microns. On obtient ainsi un mélange extrêmement homogène qui est ensuite comprimé pour former un ruban susceptible de constituer une bague d'étanchéité. Par exemple, le mélange homogène de poudre est comprimé en plusieurs étapes pour former d'abord une plaque, une bague ou un ruban, permettant d'obtenir la bague d' étanchéité. Selon une variante, le mélange intime est effectué à partir d'un élément de graphite expansé ayant déjà reçu la forme d'une plaque ou, de préférence, d'un ruban. Dans ce cas, la poudre de lubrifiant est répartie sur la surface du ruban qui est replié sur lui-même et comprimé pour constituer un produit homogène. Le ruban peut ensuite être conformé pour constituer la bague d'étanchéité désirée. Dans ce cas comme dans le précédent, la garniture obtenue présente un excellent coefficient de frottement et une grande stabilité de structure, de sorte que les transferts de graphite de la tige des vannes de régulation sont pratiquement supprimes. Les exemples suivants feront d'ailleurs ressortir ces caractéristiques. Exemple 1 Une poudre fine de graphite expansé Carbone Lorraine de pureté 99,7%, de densité apparente 2g/l précondensée à 140 g/l, et ayant des particules de l'ordre de 10 à 400 microns,a été mélangée à une poudre fine de résine de poly tétrafluoréthylène (PTFE) du type de la poudre 6N de Dupont de Nemours ayant des particules de 3 à 5 microns et une densité réelle de 2,1 dans un mélangeur de type Turbula, la poudre de graphite représentant 80% en poids du mélange fini, tandis que la poudre de PTFE en représentait 20%. Après 10 minutes de fonctionnement du mélangeur, le mélange a été soigneusement contrôlé quant à son homogé néité et à la bonne répartition du PTFE dans le graphite, grâce à des examens de microscopie optique X500. Le résultat s'est montré satisfaisant. I1 a alors été possible d'utiliser la poudre pour préparer une bague d'étanchéité. Dans ce but, on a introduit une certaine quantité de mélange dans l'espace annulaire compris entre un premier tube ayant un diamètre intérieur de 30 mm, et un second tube ayant un diamètre extérieur de 18 mm, et cela sur une hauteur de 250 mm. Le mélange ainsi introduit a subi plusieurs compressions jusqu'à l'obtention d'une bague de 6 mm de hauteur. L'opération a été ensuite répétée avec des proportions différentes du graphite et du PTFE. Les bagues obtenues ont été testées en frottement sur des vannes. On a alors constaté que pour des pressions de ser 2 rage de 400 daN/cm2, l'optimum frottement/tenue en tempé- rature/reprise élastique est obtenu avec un mélange comportant de 3 à 12% de PTFE et 97 à 88% de graphite. En comparant les essais ainsi réalisés à des essais analogues effectués sur des bagues en graphite pur, on observe qu'un empilage de six bagues ayant une hauteur libre de 35 mm et comportant 10% de PTFE donne un effort 2 de frottement par unite de surface de 30 daN/cm , tandis qu'un empilage analogue de bagues en graphite pur utilisé dans les mêmes conditions donne un effort de frottement de 52 daN/cm2. L'amélioration obtenue est donc d'environ 40%. I1 est également apparu au cours de l'expérimentation qu'outre la chute de l'effort nécessaire à la manoeuvre de la tige qui vient d'être indiquée, on obtient un meilleur glissement des bagues dans la bote du presse étoupe, ce qui permet une stabilisation beaucoup plus rapide du couple de serrage. Exemple 2 On a préparé, d'une manière analogue à ce qui a été décrit à l'exemple 1, un mélange ternaire comportant 90% de poudre de graphite expansé Carbone Lorraine, 5% de PTFE et 5% de MoS2, les poudres de graphite et de PTFE étant analogues à celles de l'exemple précédent. La poudre de bisulfure de molybdène avait des particules de l'ordre de 0,5 à 2,5 microns. Ces poudres ont été mélan- gées dans un mélangeur de type Turbula jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène et à une bbnne répartition du PTFE et du MoS2 dans le graphite. Le mélange obtenu a ensuite été comprimé en plusieurs étapes jusqu'à l'obtention d'une bague d'étan chéité. Des essais en frottement ont permis de constater que pour une pression de serrage de 400 daN/cm2 les ef 2 2 forts de frottement par cm étaient de 43 daN/cm alors qu'avec des bagues en graphite pur dans les mêmes conditions de serrage, les efforts de frottement par unité de surface sont de 52 daN. L'amélioration obtenue est donc de 17%. Exemple 3 Dans cet exemple le mélange de produit lubrifiant a été effectué à un stade intermédiaire de la fabrication du graphite expansé. En effet, on a d'abord formé un ruban semi-densifié en graphite pur, puis une dispersion de PTFE a été projetée sur la surface de ce ruban de façon à imprégner le graphite, la proportion de PTFE étant de 10% du produit total. Le ruban ainsi imprégne a alors été enroulé sur lui-même en spirale, puis comprimé pour former la bague d'étanchéité. On constate que, lors de cette compression, le PTFE se répartit de manière pratiquement homogène dans le graphite et que la bague obtenue présente une bonne répartition des deux éléments qui la constitue. Des essais en frottement comparatifs ont montré que pour une pression de serrage de 400 daN/cm2 les efforts de frottement par unité de surface étaient de 40 daN/cm2 pour la bague d'étanchéité selon l'invention, alors qu'avec une bague en graphite pur les efforts de frotte 2 ment sont de 47 daN/cm2 soit une amélioration de l'ordre de 15%. Un ruban préparé de la même manière, mais imprégné avec une dispersion de PTFE dans une proportion de 20% du produit total, a permis d'obtenir des résultats encore améliorés. Exemple 4 Au lieu de fabriquer directement la garniture d'étanchéité comme dans les exemples 1 et 2, on a d'abord fabriqué un ruban susceptible d'être conservé, transporté ou autre, pendant un temps variable, avant d'être transformé en bague d'étanchéité. Le ruban a été réalisé à partir d'un mélange homogène de poudre de graphite expansé et de poudre de PTFE dans les mêmes proportions qu'à l'exemple 1 Ce mélange a été précomprimé puis calandréen plusieurs étapes pour former une bande de 200 mm de large, 600 mm de long et 0,5 mm d'épaisseur, avec une densité apparente de 0,7. La bande a ensuite été recoupée en un ruban de 18 mm de large, qui a été enroulé en spirale autour d'un noyau metallique de 18 mm de diamètre et comprimé dans un moule à une pression de 350 daN/cm2 pour former une bague d'étan chéité ayant une hauteur de 6 mm, un diamètre extérieur de 30 mm et un diamètre intérieur de 18 mm. Plusieurs bagues ainsi réalisées ont été empilées et soumises aux mêmes essais comparatifs que celles des exemples précédents et ont montré, comme elles, des caractéristiques nettement améliorées. Les tableaux ci-dessous résument les résultats des essais, le tableau 1 correspondant à des garnitures formées selon les exemples 1 et 2, tandis que le tableau 2 correspond à des garnitures réalisées selon les exemples 3 et 4. TABLEAU 1 (exemples 1 et 2) Effort de frottement par cm de surface frottante daN/cm2 Pression de serrage 2 Graphite Graphite poudre + en daN/cm poudre 5% PTFE 8% PTFE 10% PTFE 12% PTFE 5% MoS2 seule . 5% PTFE 100 20 17 13 13 12 14 200 31 26 22 20 18 ' 25 300 44 35 33 25 22,5 35 400 52 43 37 30 27 43 500 56 49 43 35 30 50 TABLEAU 2 (exemples 3 et 4) 2 2 Pression de Effort de rotteaent par cm de surface frottante daN/cm serrage en Graphite 5% Graphite + daN/cm seul 5t PTFE 1 10% PTFE 20 PTFE daN/cm2 seul 100 13 12 11 8 200 25 22 20 16 300 36 32 31 24 400 47 43 40 31,5 500 62 56 53 39 Tous les essais ont été effectués au moyen d'une machine qui simule un presse-étoupe de vanne, cette machine étant du type de celle représentée schématiquement en coupe verticale sur la figure annexée. Une telle machine comporte, sur un bati 1, un boîtier 2 traversé par un alesage central 4 dont une partie élargie forme un logement pour les bagues d'étanchéité 6. Dans le mode de réalisation préféré représenté, les bagues testées sont au nombre de six. Elles sont serrées contre le fond de leur logement par un fouloir cylindrique 8 qui fait saillie à l'extérieur du boîtier 2 et est pressé contre les bagues 6 par une plaque 10 montée sur des tirants verticaux 12. De préférence, les tirants 12 sont au nombre de trois et sont régulièrement répartis autour du boîtier 2. En outre, un capteur d'efforts 14 est interposé entre le fouloir 8 et la plaque 10 et relié à un dispositif non représenté, de mesure de l'effort de serrage exercé sur les bagues 6. Dans l'alésage 4 est montée une tige 16 qui simule la tige de la vanne. Cette tige 16 se prolonge sur toute la longueur du fouloir 8 et traverse la plaque 10 pour être reliée à une traverse 18, mobile en mouvement alternatif vertical sur des montants 20 du bâti de la machine. Une cellule 22, interposée entre la tige 16 et la traverse 18, est reliée à un dispositif, non représenté, de mesure de l'ef fort de manoeuvre et d'affichage de l'effort de frottement résultant. Dans une telle machine, l'effort nécessaire pour la compression des bagues 6 placées dans le boîtier 2 est suivi en continu grâce au capteur d'effort 14 et enregistré immédiatement. Une manoeuvre de la tige 16 peut être effectuée en même temps, ce qui permet de contrôler la stabilisation du serrage. On constate ainsi qu'avec les bagues réalisées selon l'invention la stabilisation de ce serrage est plus rapide grâce au meilleur glissement des anneaux dans le boîtier. Quand ce serrage est stabilisé, la tige 16 est à nouveau manoeuvrée de façon à permettre la mesure de l'effort nécessaire à son déplacement. La hauteur du garnissage , c'est-à-dire la hauteur résiduelle des bagues 6 après leur écrasement, étant connue ainsi que l'effort de frottement, il est possible de déterminer l'effort par une unité de surface du presse-étoupe. Dans tous les cas on a constaté une baisse notable de l'effort nécessaire pour manoeuvrer la tige grâce à l'utilisation de bagues selon l'invention. Par ailleurs, on constate également une stabilisation du graphite dans la bague et pratiquement la suppression du transfert du graphite sur la tige. Bien entendu, la proportion des constituants du ruban, de même que le choix de ceux-ci, est effectuée en fonction de l'application à laquelle celui-ci est destiné. Le ou les matériaux lubrifiants mélangés au graphite doivent toutefois toujours avoir, de préférence, un point de ramollissement élevé afin d'avoir un bon comportement thermique à une température supérieure à 2500C. En outre, un agent anti-corrosion peut avantageusement être ajouté au mélange de poudre, par exemple, sous la forme d'une anode consommable en zinc ou sel de zinc, ou sous la forme d'un composé chimique passivant. Le ruban obtenu peut être conformé de différentes manières pour réaliser des bagues d'étanchéité, mais dans tous les cas il permet d'obtenir une étanchéité extrêmement efficace et précise, tout particulièrement adaptée aux applications nucléaires et cela, même pendant une durée prolongée et lors de manoeuvres fréquentes. - REVENDICATIONS 1 - Garniture d'étanchéité, caractérisée en ce qu'elle est à base d'un mélange intime d'environ 80 à 97% de graphite expansé et environ 3 à 208 d'une poudre très fine d'au moins un matériau lubrifiant, compatible avec le graphite et ayant un bon comportement thermique à une température supérieure à 2500C. 2 - Garniture suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la poudre de matériau lubrifiant est choisie parmi le polytétrafluoréthylène, les bisulfures de molybdène, de tungstène, les nitrures de Bore, de selenium, de tungstène, les carbures de silicium, ainsi que d'autres sels ou oxydes métalliques, seuls ou en mélange. 3 - Garniture suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le matériau lubrifiant est du polytétrafluoréthylène. 4 - Garniture suivant l'une des revendications pre- cédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte de 3 à 12% de matériau lubrifiant. 5 - Garniture suivant l'une des revendications pré cédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un agent anti-corrosion. 6 - Garniture suivant l'une des revendications pré cédentes, caractérisée en ce qu'elle est préparée à partir de 80% à 97% de poudre de graphite expansé ayant des particules de 10 à 400 microns et 20 à 30% d'une poudre de matériau lubrifiant ayant des particules de l'ordre de 3 à 5 microns, mélangées en un ensemble parfaitement homogène qui est ensuite comprimé. 7 - Garniture suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est formée à partir d'un mélange de poudre de graphite expansé et de plusieurs poudres de matériau lubrifiant ayant des particules de l'ordre de 0,5 à 5 microns. 8 - Garniture suivant l'une des revendications i à 5 caractérisée en ce qu'elle est réalisée partir d'un ruban pré-comprimé de graphite pur qui a été imprégné par une solution de 10 à 20% de matériau lubrifiant, puis comprime. 9 - Ruban pour la formation d'une garniture d'étan chéité suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un mélange intime d'environ 80 à 97% de graphite expansé et environ 3 à 20% dBune poudre très fine d'au moins un matériau lubrifiant compatible avec le graphite et ayant un bon comportement thermique à une température supérieure à 250 C. 10 - Ruban suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la poudre de matériau lubrifiant est choisie parmi le polytétrafluoréthylène, les bisulfures de molybdène, de tungstène, les nitrures de Bore, de selenium, de tungstène, les carbures de silicium ainsi que d'autres sels ou oxydes metalliques, seuls ou en mélange.