Brevet FR2617261A1 — publié le 19881230

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité constituant une garniture de retenue secondaire. De tels dispositifs trouvent une application dans le cas de pompes pour un fluide toxique ou dangereux par ailleurs, lorsqu'il faut éviter une fuite du fluide vers l'environnement. Dans l'environnement dangereux, le rotor de la pompe est entraîné de façon classique par un arbre rotatif dont l'extrémité menante est extérieure à cet environnement. Ainsi, l'arbre passe de cet environnement à une atmosphè- re ambiante normale, et il faut prévoir une barrière pour empêcher que du fluide dangereux ne s'échappe le long de l'arbre. Il est classique de monter un joint d'étan- ché-ité à face rotative, par exemple une garniture de type manchon à soufflet d'étanchéité, entre un arbre et son logement, le fluide dangereux existant d'un côté de la garniture d'étanchéité et constituant un lubrifiant pour les surfaces en regard des éléments du dispositif d'étan- chéité. La sécurité exige souvent que l'on prenne d'au- tres mesures, en particulier pour éviter que le fluide dangereux ne s'échappe, si le dispositif d'étanchéité à faces en regard en venait à présenter une panne ou à ne plus être efficace. Même quand le dispositif d'étan- chéité fonctionne normalement, il y a une fuite inévitable et faible de fluide passant par les surfaces en regard du dispositif d'étanchéité et il peut s'avérer ne pas être souhaitable que ce fluide arrive à passer à l'atmos- phère ambiante au voisinage de l'arbre, et il peut arri- ver que l'on doive l'enlever pour l'acheminer ou le faire parvenir ailleurs. Il convient de mentionner que, dans de nombreux cas de liquides dangereux, le liquide va s'évaporer s'il parvient à fuir et à parvenir à l'air libre. Une solution de ce problème consiste à fournir un second dispositif frontal ou extrême d'étanchéité, dont une face est rotative, à l'extérieur de celui qui est au contact de l'environnement dangereux, lequel devient ainsi le joint interne faisant partie de deux dispositifs entre lesquels il existe une chambre intermédiaire. Une telle installation d'étanchéité peut être appelée un sys- tème d'étanchéité à barrière. Dans les systèmes anté- rieurs, il est créé des orifices menant à la chambre in- termédiaire pour faire circuler dans la chambre un fluide inerte, constituant une barrière, et qui est destiné à la fois à enlever le fluide dangereux fuyant au-delà du joint interne et à lubrifier le second joint. Ce der- nier doit fonctionner sous une pression suffisante, entre ses faces, pour retenir ce liquide en circulation et il est ainsi soumis à une usure normale. Un système de joint d'étanchéité à barrière, de ce genre, exige un réservoir extérieur pour le fluide en circulation, un moyen pour évacuer le produit toxique devenu entraîné dans le fluide formant barrière et un moyen pour faire circuler le fluide formant barrière. Ce der- nier peut être situé dans l'installation de joint d'étan- chéité à entraîner par l'arbre rotatif. En outre, l'ins- tallation exige une certaine forme de détection de pres- O20 sion, qui décèle la variation de pression se produisant dans le fluide formant -barrière quand le joint primaire (interne) devient défaillant. Des exemples du système à joint d'étanchéité for- mant barrière, que l'on étudie ci-dessus (ce qui est éga- lement connu sous le nom de joints en tandem) sont cons- titués par la série 670 et -676 des joints en tandem of- ferts par EG and G Sealol Inc, de Cranston, Rhode Island, Etats-Unis d'Amérique, dans leur bulletion n 670/6B. L'installation à fluide formant barrière augmente nettement le coût de l'installation de la pompe et exige en soi surveillance et entretien. En raison de la néces- sité de lubrifier le second joint (externe), il a été nécessaire jusqu'à présent de prévoir un fluide en cir- culation comme fluide formant barrière. Une proposition constituant une variante a consisté à faire fonctionner le joint externe avec un léger inter- valle entre les faces, de sorte qu'elles ne soient pas, en fait, en contact lors de leur fonctionnement et qu'elles n'exigent donc pas la présence d'un lubrifiant. On évite également une usure en service normal. L'ensemble for- mant le joint externe est sensible à une accumulation de pression, dans la chambre intermédiaire, par suite d'une défaillance du joint interne ce qui a pour effet de déplacer les faces du joint externe, et à les mettre en contact d'étanchéité. Un tel agencement, tout en assu- rant l'existence d'un joint auxiliaire d'étanchéité en cas de fuite majeure, doit, de façon inhérente, être moins efficace qu'un joint externe constamment actif pour éviter que du fluide dangereux ne fuie vers l'atmosphère pendant un fonctionnement normal. Il est rare qu'un joint devienne instantanément défaillant. Une défaillance s'établit pro- gressivement et, pendant ce temps, il peut y avoir une forte fuite vers l'atmosphère avant que les faces du joint secondaire ne se rapprochent étroitement. Un système de joint d'étanchement formant retenue secondaire, dans lequel le joint secondaire est continuel- lement actif comme joint mais dans lequel la quantité, et ainsi le prix de revient de l'équipement auxiliaire associé à une installation de fluide formant barrière, du type esquissé ci-dessus, pourraient être réduits, serait avantageux. La présente invention permet de fournir un système de joint constituant une retenue secondaire, ayant des joints primaire et secondaire, dans lequel le joint secondaire fonctionne avec les faces d'étanchéité en con- tact afin de garantir une étanchéité en continu) mais l'ensemble fonctionnant à sec, c'est-à-dire sans fourni- ture de lubrifiant. Selon la présente invention, il est fourni un sys- tème d'étanchéité à retenue secondaire pour un dispositif placé dans un environnement dangereux, qui est entraîné par un arbre rotatif s'étendant hors de l'environnement à travers un corps formant logement, le système comprenant un agencement de joint primaire agissant, entre l'arbre et le logement, pour empêcher que du fluide dangereux ne s'échappe de son environnement, et un agencement de joint d'étanchéité secondaire agissant entre l'arbre rota- tif et le corps formant logement, et qui est séparé de l'agencement de joint primaire d'étanchéité par une cham- bre intermédiaire, l'agencement de joint d'étanchéité secondaire servant à éviter que toute fuite, audelà de l'agencement de joint d'étanchéité primaire, ne s'échappe vers l'atmosphère ambiante, l'agencement d'étanchéité secondaire comprenant des faces correspondantes d'étan- chéité fournissant un joint rotatif d'étanchéité, système caractérisé en ce que les faces d'étanchéité de 1' agencement de joint secondaire d'étanchéité fonctionnent à sec et en ce que la chambre intermédiaire comprend un orifice d'évacuation d'o le fluide ou la vapeur dangereux ou dangereuse est entraîné(e),par la pression due à l'existence de cette fuite, au-delà de l'agencement de joint d'étanchéité primaire. On va maintenant décrire un système de joint d'étan- chéité avec retenue secondaire, selon la présente inven- tion, en référence au dessin d'accompagnement sur lequel la figure unique (figure 1) est une coupe schématique longitudinale partielle de la chambre intermédiaire et de l'agencement de joint d'étanchéité secondaire, l'agen- cement de joint primaire d'étanchéité n'étant pas repré- senté. Sur la figure, on voit qu'un arbre 10> entraîné en rotation s'étend entre un rotor de pompe (non représenté), situé vers la gauche, et une source d'énergie (non repré- sentée) située à droite. Le rotor sert à pomper un fluide dangereux qui s'évapore à l'air. L'arbre 10 sort de l'en- vironnement dangereux par un corps ou logement, dont une partie 12 est représentée. Un agencement de joint pri- maire d'étanchéité (non représenté) est monté entre le logement et l'arbre vers la gauche de la figure pour constituer un joint d'étanchéité s'opposant à une fuite du fluide dangereux le long de l'arbre de la pompe. L'agencement d'étanchéité primaire est de façon classique un joint rotatif d'étanchéité du type à (manchon) à souf- flet, le soufflet étant fixé sur l'arbre de manière à tourner avec lui et ayant une surface externe en contact avec le fluide dangereux, l'agencement comprenant une bague fixe d'étanchéité, fixée au logement à l'extérieur du soufflet et qui coopère avec ce soufflet. De tels agen- cements d'étanchéité sont entièrement classiques dans leur structure, leur construction et leur fonctionnement, et ils ne seront pas décrits plus en détail ici. Le bulle- tin n' 670/6B précité constitue un exemple d'une telle construction. Toute fuite éventuelle s'étendant au-delà du joint primaire d'étanchéité passe entre l'arbre et son logement, comme indiqué par une flèche A, pour parve- nir à une chambre 13 ménagée dans le logement. La pour- suite de la progression de tout fluide dangereux quel- conque, ou de la vapeur résultante, de la chambre 13 vers l'atmosphère ambiante B est empêchée par un agencement de joint d'étanchéité secondaire ou externe, qui agit O20 entre la partie 12A terminale externe du logement et l'arbre 10. Ainsi, la chambre 13 a une position intermé- diaire entre les deux agencements d'étanchéité et elle est destinée à emprisonner tout produit éventuel d'une fuite. L'agencement d'étanchement secondaire comprend un joint 14 métallique fixe d'étanchéité, extrême, à manchon en soufflet, qui est fixé à la partie 12A du logement en ayant sa surface interne en contact avec l'atmosphère ambiante B. Le joint à soufflet comporte une partie rapportée 14a à face annulaire d'étanchéité disposée vers l'inté- rieur, qui vient au contact d'une face 16a correspondante d'étanchéité d'une bagẻ 16 d'étanchéité fixée à l'arbre de façon à pouvoir tourner avec celui-ci. Une inter- face d'étanchéité existe ainsi en X, l'intérieur du souf- flet étant en contact avec l'atmosphère ambiante B. L'agencement à soufflet, et son montage sur le logement ainsi que la fixation de la bague 16 sur l'arbre, sont réalisés de façon classique et n'ont pas besoin d'être plus amplement décrits. L'interface d'étanchéité en X est étudiée plus en détail ci-après. Le joint secondaire est en activité constante pour isoler la chambre 13 de l'atmosphère ambiante B. La va- peur de fluide dangereux, qui apparaît dans la chambre 13 après une fuite au-delà du joint primaire, est évacuée de la chambre 13 par un orifice 18 d'évent, ménagé dans le logement et qui relie la chambre à un agencement externe d'évacuation et de surveillance. On note ici qu'il suffit d'un seul orifice pour effectuer cette évacuation, contrairement à l'exigence de deux orifices dans des installations antérieures de joint avec barrière, pour permettre au fluide formant barrière de circuler dans la chambre intermédiaire et de constituer un lubrifiant du joint externe. L'agencement extérieur d'évacuation et de surveil- lance comprend un solénoide 20 disposé à l'air libre et sensible à la pression, qui joue le rôle d'un distribu- teur ou commutateur pneumatique sensible à la pression et à travers lequel la vapeur évacuée en empruntant l'ori- fice 18,passe pour se diriger vers une plaque 22 perforée d'un orifice, comme indiqué par une flèche Y, vers une cheminée de brûlage en torchère ou un dispositif d'évacua- tion approprié au fluide ou à la vapeur évacué(e). Le dispositif 20 sensible à la pression est alimenté en de l'air comprimé, comme indiqué par une flèche Z et, lors- que la pression excède à l'orifice 18 une valeur de sécu- rité prédéterminée, le dispositif 20 relie l'alimentation Z en air comprimé à une sirène 24 à air. De préférence, un indicateur 26 visuel de pression est relié entre le commutateur/distributeur 20 et la sirène 24, et il est placé en un état d'alarme visible par l'air comprimé. Si, comme illustré sur la figure, une valve 28 d'arrêt, à fonctionnement manuel, est placée dans le circuit d'ali- mentation en air de la sirène, elle doit être montée après 26 1726 1 l'indicateur 26,de façon que, même quand on ferme la sirène, l'indicateur demeure actif tant que la pression de vapeur en excès est décelée. Le dispositif 20 pourrait, en variante, être sensi- bhie au débit d'écoulement de la vapeur éliminée. L'agencement d'élimination vers l'extérieur et de surveillance, qui vient d'être décrit, n'exige pas la présence d'un réservoir pour le fluide formant barrière ni la présence d'une pompe pour faire circuler le fluide, comme cela est requis par l'installation classique plus complexe à fluide formant barrière. Si l'on revient au fonctionnement du joint externe 14, 16, on constate qu'il est nécessaire que les faces correspondantes d'étanchéité, indiquées en X, fonction- nent essentiellement à sec. Pour faciliter un tel fonc- tionnement, le joint externe à soufflet est à la fois équilibré et légèrement chargé. L'équilibre est réalisé par rapport à la pression externe, et l'on peut obtenir de façon connue un équilibre à 70/30. Le chargement est étudié plus amplement ci-après. Il a été trouvé que l'on peut obtenir un comportement satisfaisant de fonctionne- ment à sec, dans ces circonstances, en réalisant l'une des faces du joint d'étanchéité en une matière carbonée dure et l'autre face en du carbure de silicium qui est encore plus dur. Plus particulièrement, on a obtenu un joint satisfaisant fonctionnant à sec avec la face 16a rotative d'étanchéité constituée par du carbure de sili- cium lié par réaction et la partie rapportée 14a, formant face d'étanchéité, constituée par un carbone dur à charge de résine. Les essais effectués jusqu'à présent indiquent que plus la partie rapportée 14a est dure et mieux cela vaut. La combinaison de matières que l'on vient de décrire offre un certain nombre d'avantages. Le carbure de sili- cium est à la fois dur, résistant à l'usure et résistant à la corrosion. La face 16a doit avoir été travaillée pour présenter une finition très plane. De préférence, elle est rodée de manière à obtenir un caractère de pla- néité meilleur qu'une légère bande d'hélium (0,29"um; 11,6 x 10- pouces). La face de la partie 14a insérée ou rapportée est de même rodée. Cependant, la combinaison du carbone dur avec le carbure de silicium plus dur a pour résultat que la face de carbone subit un auto-rodage de sorte qu'au cours d'une période initiale de rodage, elle épouse rapidement la forme de la face du carbure de silicium. Le carbone se polit de lui-même et il polit également la face en carbure de silicium. En pratique, il a été trouvé que le carbone cité subit très peu d'usure, en particulier à la faible charge mécanique du joint externe d'étanchéité qui est proposée. Un autre facteur influant sur le fonctionnement de l'interface d'étanchéité fonctionnant à sec est la charge mécanique. Comme déjà décrit, on utilise un élément 14 d'étanchéité en forme de soufflet pour soutenir la partie 14a insérée ou rapportée. Si la'présence d'un tel élément apparaîtra facilement à l'homme du métier, il y a lieu de noter qu'il faut ajuster le joint avec une charge mécanique nettement inférieure à la charge usuelle que l'on appliquerait dans le cas d'un joint secondaire du genre illustré dans le bulletin précité n 670/6B et inférieure à la charge appliquée dans les joints à souf- flet utilisés dans des applications à grande vitesse et faible pression. L'interface, faiblement chargée, d'étan- chéité et les matériaux durs des faces du joint externe permettent un fonctionnement à sec avec faible frottement. Cela garantit à la fois une faible usure et un faible dégagement de chaleur. Lors du fonctionnement du joint de retenue secon- daire décrit, et si le joint primaire commence à fuir, le joint secondaire doit éviter que de la vapeur ou du liquide ne s'échappe vers l'atmosphère ambiante, en agissant pendant une période suffisante pour permettre au système de sur- veillance d'émettre une alarme et de laisser effectuer la fermeture ou l'arrêt de la pompe. Ainsi, le joint est 26 1726 1 destiné à assurer sa protection pendant une période limi- tée de temps. Il n'est pas prévu que le joint secondaire combatte,-pendant une période prolongée, les conséquen- ces d'une défaillance du joint primaire. - En somme, si la mise en contact du joint secondaire de retenue, décrit cidessus, implique inévitablement de l'usure au cours du temps et si cela consomme de l'énergie en dégageant de la chaleur, ces facteurs sont considérés comme acceptables dans les conditions décri- tes et ils assurent des avantages importants. Il existe une étanchéité positive à toutes les pressions; une con- tamination ne peut empêcher un rapprochement des faces comme cela pourrait se produire dans un joint secondaire. dans lequel les faces ne sont pas normalement en contact; et l'on élimine une réponse transitoire, cette réponse étant constituée par des effets transitoires se produi- sant lors du rapprochement de fermeture des faces d'un joint dont les faces ne sont normalement pas en contact mutuel. La figure 1 illustre également une modification que l'on peut utiliser dans certaines installations spé- cifiques. Pour certains liquides dangereux, la pratique consiste à appliquer une pression supplémentaire du côté interne du joint primaire, an faisant circuler le liquide au voisinage du joint primaire. On peut considérer comme souhaitable de traiter le joint secondaire de la même façon que le joint primaire en cas de défaillance de ce dernier, c'est-àdire lorsque le joint secondaire est mis en action comme constituant le seul joint isolant efficacement le liquide dangereux de l'atmosphère am- biante B. Par conséquent, la modification ou variante est destinée à transférer la circulation du côté interne du joint primaire au joint secondaire. A cette fin, la figure 1 montre en trait mixte la présence de deux orifices 30 et 32 supplémentaires con- duisant à la chambre intermédiaire 13 et jouant le rôle d'une entrée et d'une sortie, respectivement, pour le 1 0 liquide (éventuellement l'orifice 18 pourrait jouer le rôle d'orifice de sortie). La circulation normale vers la valve primaire s'étend sur un trajet P en passant par un distributeur 34, ou valve distributrice ou commuta- trice. Le distributeur 34 peut être commuté de façon à déconnecter le côté pompe du trajet primaire d'avec le joint primaire et pour assurer une connexion avec l'ori- fice 30 par un conduit 36. L'orifice 32 de sortie est relié à un distributeur 38, ou valve de connexion ou dis- tributrice, qui ferme normalement l'orifice,mais peut être ouvert pour relier l'orifice au côté S d'aspiration de la pompe de circulation. Comme indiqué par le trait 40 discontinu en tireté long, les deux distributeurs 34 et 38 sont commandés à partir du dispositif détecteur 20. En fonctionnement nor- mal, le trajet primaire P est parcouru et les deux orifices et 32 sont fermés. Le joint secondaire fonctionne à sec comme décrit ci-dessus. Lorsque le dispositif détec- teur réagit à une défaillance du joint primaire, ce dis- positif commute les distributeurs 34 et 38 pour interrom- pre le circuit passant dans le joint primaire et pour établir une circulation correspondante sur le côté interne du joint secondaire. L'enseignement de l'invention peut être appliqué de façon générale lorsqu'un arbre rotatif traverse un logement d'un côté duquel existe un fluide dangereux. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être-apportées au joint de retenue secondaire, décrit et représenté. 1 1 REVENDICATIONS 1. Système de joint de retenue secondaire pour un dispositif placé dans un environnement dangereux et qui est entraîné par un arbre (10) rotatif s'étendant hors de l'environnement en traversant un logement (12) ou corps, le système comprenant un agencement de joint primaire agissant entre l'arbre et le logement pour éviter que le fluide-dangereux ne sorte de son environnement, et un agencement de joint secondaire agissant entre l'arbre (10) rotatif et le logement (12), et séparé de l'agence- ment de joint primaire par une chambre (13) intermédiaire, l'agencement de joint secondaire servant à éviter que toute fuite au-delà de l'agencement de joint primaire ne s'échappe vers l'atmosphère ambiante, l'agencement (14, 16) de joint secondaire comprenant des faces (X) correspondantes d'étanchéité constituant un joint rotatif, système caractérisé en ce que les faces (X) d'étanchéité de l'agencement (14, 16) de joint secondaire fonction- nent à sec et en ce que la chambre (13) intermédiaire comprend un orifice (18) d'évacuation d'o le fluide ou la vapeur dangereux ou dangereuse est chassé(e) par la pres- sion due à sa fuite (A) au-delà de l'agencement de joint primaire. 2.. Système de joint de retenue secondaire, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une face d'étan- chéité de l'agencement de joint secondaire est constituée par un élément formé en un matériau à base de carbure de silicium et en ce que l'autre face d'étanchéité est constituée par un élément formé d'un matériau en carbone dur à charge de résine. 3. Système de joint d'étanchéité à rôle de retenue secondaire, selon la revendication 1, caractérise en ce qu'une face d'étanchéité est formée sur un matériau plus dur que le matériau comportant l'autre face d'étanchéité, au moins une face d'étanchéité étant rodée à une finition très plane, et le matériau comportant l'autre face d'étan- chéité ayant des caractéristiques d'auto-polissage et polissant l'autre face d'étanchéité. 4. Système de joint d'étanchéité pour retenue secon- daire selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que la charge mécanique sur l'interface d'étanchéité est inférieure à celle utilisée dans des applications normales de joints à soufflet. 5. Système de joint d'étanchéité pour retenue secon- daire selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'agencement de joints d'étanchéité secondaire comprend un joint (14) en forme de manchon à soufflet, fixé sur le logement (12)! et une bague (16) d'étanchéité qui coopère et qui est fixée sur l'arbre (10).