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Quelles sont les causes de défaillance des joints toriques ? Guide succinct des modes de défaillance des joints toriques

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles des joints toriques sont défaillants, ce guide concis propose des informations sur les modes de défaillance les plus courants (il existe des modes de défaillance supplémentaires qui ne sont pas traités ici).

Chez Precision Polymer Engineering, nous avons passé des décennies à développer des matériaux élastomères innovants capables de résister aux environnements d’étanchéité les plus difficiles.Si vous souhaitez obtenir une assistance supplémentaire, veuillez contacter nos experts en étanchéité qui seront heureux de vous aider à diagnostiquer le problème et de vous suggérer de possibles solutions.

Modes courants de défaillance des joints toriques

Abrasion

Abrasion O-ring failureIndications visuelles : Les surfaces du joint torique qui frottent l’une sur l’autre sont égratignées et usées de manière excessive. Il peut y avoir des lacérations plus profondes et une rupture à certains endroits.

Cause: Phénomène courant des applications dynamiques, l'abrasion se produit en cas de contact répété entre la surface du joint torique et le boîtier, ce qui produit une friction excessive entre les deux. Une mauvaise lubrification ou finition de la pièce métallique peut augmenter ce risque, car des contaminants abrasifs peuvent pénétrer dans le système d’étanchéité.

Solution : En garantissant ’une bonne lubrification du système d’étanchéité, PPE peut proposer une gamme de matériaux d’étanchéité pour joint torique ayant une résistance à l’abrasion améliorée. Nos ingénieurs peuvent aussi vous conseiller sur la bonne finition de surface de la pièce métallique. La pénétration de contaminants peut être réduite grâce à l’utilisation de joints racleurs.

Attaque chimique

Chemical attack O-ring failureIndications visuelles : En fonction du milieu chimique à rendre étanche, le joint torique peut présenter des signes comme des cloques, des fissures, une augmentation de la dureté ou une décoloration.

Cause : Certains produits chimiques réagissent avec certains élastomères. Ce phénomène se traduit le plus souvent par une augmentation de la densité de réticulation, entraînant la formation d’un matériau dur et fragile avec une diminution de sa capacité à fournir une force de réaction.  Une scission en chaîne est également possible, ce qui entraîne une réduction de la force.  La densité de réticulation peut parfois être réduite et le matériau devient alors collant et plus mou tout en perdant sa forme et son intégrité d’origine.

Solution :  Le bon choix de matériau élastomère est vital pour garantir une compatibilité du joint avec l’environnement de l’application.  L’attaque chimique est accélérée à hautes températures et lorsque les joints élastomères sont soumis à des contraintes en raison, par exemple, d’un étirage ou d’une compression excessifs et de conditions mécaniques.  Les ingénieurs de PPE peuvent vous recommander le matériau d’étanchéité le plus approprié en se basant sur les paramètres de votre application.  Pour obtenir la meilleure résistance chimique avec une bonne capacité à haute température, renseignez-vous sur nos perfluoroélastomères Perlast® (FFKM).  Vérifiez la compatibilité chimique des principaux types de matériaux élastomères à l’aide de notre guide en ligne.

Gonflement chimique

Chemical swell O-ring failureIndications visuelles : Le joint torique semble plus grand que ses dimensions d’origine. Ce phénomène peut affecter tout le joint ou uniquement des zones localisées exposées au milieu chimique.

Cause :  Le gonflement est provoqué par la pénétration du fluide dans l’élastomère, en raison d’une similarité chimique entre le composé et le fluide.  L’augmentation du volume du joint peut conduire à un remplissage et à l’extrusion du presse-étoupe et à une perte d’étanchéité.  Le gonflement chimique peut également entraîner une perte des propriétés physiques telles que la résistance à la traction.

Solution : Passez à un matériau d’étanchéité en élastomère qui présente une résistance prouvée au milieu chimique.  Les experts PPE en étanchéité peuvent vous aider à identifier un matériau qui procure une performance d’étanchéité durable dans le milieu chimique de votre application. Vérifiez la compatibilité chimique des principaux types de matériaux élastomères à l’aide de notre guide en ligne.
 

Déformation rémanente après compression

Compression set O-ring failureIndications visuelles : La section transversale du joint torique devient moins circulaire et présente des surfaces aplaties qui ont pris la forme de la rainure ou du presse-étoupe.  Le joint torique présente une « prise » permanente, ce qui signifie qu’il est incapable de reprendre sa forme d’origine après suppression des contraintes de déformation.  La « prise » est quantifiée comme étant un pourcentage de perte en compression par rapport à la compression d’origine appliquée.

Cause :  Des changements physiques et chimiques peuvent se produire sur un élastomère à des températures élevées et ils se traduisent par cet état.  La densité de réticulation peut augmenter, ce qui entraîne une perte d’élasticité du joint torique et de sa capacité à reprendre sa forme d’origine, il s'agit d'un changement chimique permanent.  Il est possible que les contraintes introduites dans les joints à des températures élevées ne puissent pas se relâcher lorsque la température baisse. On parle alors de prise à froid, cette prise est réversible par réchauffement.  La réduction de la section transversale entraîne une diminution de la force d’étanchéité et augmente le risque de fuite dans les systèmes où se produisent des cycles thermiques et de pression. D’autres causes incluent une mauvaise conception du presse-étoupe, un gonflement du volume en raison du fluide du système et de la vulcanisation incomplète du joint pendant la production.  

Solution : Le choix de matériaux élastomères ayant une faible déformation rémanente après compression et/ou des capacités à température élevée aide à prolonger la durée de vie du joint.  La conception du presse-étoupe doit être également vérifiée pour s’assurer que le joint torique n’est pas comprimé excessivement avec l’application d’une trop forte compression.   La prise à froid peut être réduite en utilisant une structure polymère plus flexible, ce qui se traduit par une température de transition vitreuse plus basse.

Extrusion et grignotage

Extrusion O-ring failureIndications visuelles:  Les bords du joint torique du côté basse pression sont grignotés, ébréchés ou frisés en apparence.   .un rabotage peut se produire dans les cas sévères et la surface du joint torique semble être décollée.

Cause : Des contraintes élevées, souvent généralement dues à de hautes pressions, repoussent le matériau dans un espace de dégagement, ce processus est souvent appelé extrusion. Des impulsions de forte pression peuvent provoquer l’ouverture et la fermeture de l'espace de dégagement des franges d’accouplement. Cette situation peut entraîner le piégeage du joint torique entre les bords tranchants des surfaces d’accouplement, entraînant une dégradation physique de la surface du joint souvent appelée grignotage.

Solution : Un matériau de joint plus dur peut améliorer la situation, ainsi que l’utilisation de dispositifs anti-extrusion pour réduire efficacement les espaces de dégagement. Votre expert PPE en étanchéité peut également vous conseiller sur l’installation de joints toriques et de dispositifs anti-extrusion de taille adaptée à votre application, en réduisant vos espaces de dégagement et en minimisant le risque d’extrusion et de grignotage.

Décompression explosive

Explosive decompression O-ring failureIndications visuelles : La surface du joint peut être boursouflée, fissurée, craquelée avec des fentes profondes ou être complètement déchirée dans les pires des cas.

Cause :  Lorsque des joints en élastomères sont exposés à des gaz à haute pression à des températures élevées pendant une période prolongée, le composé polymère absorbe du gaz.  Lorsque la pression externe est réduite, le gaz dissout dans le matériau sort de la solution pour former des microbulles.  Lorsque le gaz se dilate, il se dégage du matériau. Une défaillance se produit si la vitesse de décompression et de dilatation est élevée. Le gaz piégé dans le joint se dilate au-delà de la capacité du matériau à contenir les bulles de gaz.

Solution : L’augmentation du temps de décompression et la réduction de la température réduisent automatiquement le risque de dégâts dus à une décompression explosive (DE) ainsi que le choix d’un matériau résistant à la décompression explosive.  PPE est un leader de l’industrie dans le développement de joints et joints toriques en élastomère résistants à la DE – conformément aux normes internationales NACE TM0187, TOTAL GS EP PVV 142 Annexe 8, NORSOK M710 Annexe B et ISO 23936-2 Annexe B ainsi que dans l’amélioration de la sécurité et de l’efficacité opérationnelle.

Dégâts au moment de l’installation

Installation damage O-ring failureIndications visuelles : Des dégâts causés au joint pendant l’installation prennent souvent la forme d'une découpe et d'une entaille, localisée de manière spécifique et à la forme précise, à la surface du joint, tous les dommages étant limités à la surface du joint torique.

Cause : Les dégâts au moment de l’installation peuvent prendre un large éventail de formes, allant du « biseautage » du joint avec des composants métalliques aux dommages causés par une installation négligée de joints sales, tordus ou mal lubrifiés. Un dimensionnement incorrect du joint de l’application est également un facteur significatif de dommages liés à l’installation.

Solution : Le soin porté à l'’installation des joints toriques est la clé du problème. Le fait de couvrir les bords et les taraudages tranchants à l’aide d’un ruban adhésif ou de gaines protectrices empêche d'avoir des entailles à la surface. Le fait de s’assurer que le matériel dispose de chanfreins d’entrée adaptés avec une lubrification adaptée facilite l’installation du matériel.

Dégazage

outgassed o-ringsIndications visuelles : Le joint ne présente généralement aucun changement visible. Dans les cas extrêmes, une contraction peut se produire.

Cause: Des ingrédients de la formulation de l’élastomère peuvent être libérés (volatilisés) dans des conditions sous vide. Ces constituants proviennent de la formulation de l’élastomère, des produits de décomposition des ingrédients ou d’autres gaz qui sont piégés dans la matrice du polymère pendant le processus de moulage;  Dans les applications de semi-conducteurs, des molécules provenant du dégazage peuvent contaminer le processus des plaquettes. Dans des applications industrielles, cette situation peut avoir un effet sur les performances du vide.

Solution: Les matériaux formulés avec des polymères purs et sans ingrédient volatile (par ex. des plastifiants, des cires, etc.) présentent un dégazage plus faible. L’utilisation de matériaux correspondants à la bonne température pour l’application aide également à maintenir le dégazage à un niveau minimum.

Dégradation par un plasma

Plasma degradation O-ring failureIndications visuelles : Un marqueur clé est une perte de matière régulière à la surface de la pièce qui est en contact avec le plasma. Dans certains cas, des résidus de poudre à la surface du joint et une décoloration peuvent également être observés en fonction du type de renfort du matériau.

Cause : Les plasmas sont composés de gaz et/ou de radicaux ionisés de très haute énergie qui attaquent le squelette organique du matériau et forment de petites molécules ou particules. La gravure se fait par bombardement d’ions avec une attaque chimique.

Solution : Avec une exposition à long terme au plasma, les dommages du joint sont inévitables. La compatibilité chimique du matériau peut aider à résister aux dommages plus longtemps, améliorant la durée de vie du joint et réduisant l’impact des arrêts des équipements. Renseignez-vous auprès de votre expert PPE en étanchéité sur les matériaux Perlast®, Nanofluor® et Kimura® qui procurent une résistance au plasma comparable ou supérieure à celle de nombreux types de FFKM très purs.

Défaillance en spirale

Sprial O-ring failureIndications visuelles : Le joint présente un motif en spirale sur la circonférence extérieure, avec des entailles profondes de la surface du joint à des angles de 45° où les niveaux de contraintes les plus élevés sont apparents.

Cause : La défaillance en spirale d’un joint torique se produit pendant un mouvement dynamique alternatif, lors de son installation ou de son utilisation. De nombreux facteurs ont une influence sur le niveau de défaillance en spirale, notamment, sans être exhaustifs, une irrégularité des finitions de surface, une mauvaise lubrification, une friction, des erreurs d’installation et des composants excentriques.

Solution : L’utilisation d’un matériau de joint torique plus dur est un bon point de départ pour empêcher une défaillance en spirale. Vous pouvez également envisager un profil de joint différent, grâce à des joints en X (joints quadrilobes) et des joints en D de PPE dont la résistance à la défaillance en spirale a été prouvée sans réduction de la performance du joint.  Si un joint à haute pression est requis, le joint en T procure une solution d’étanchéité robuste avec des anneaux anti-extrusion complémentaires. Les joints en X, les joints en D et les joints en T peuvent généralement s’adapter à des rainures/presse-étoupe de joint toriques existants.

Dégradation thermique

Thermal degradation O-ring failureIndications visuelles : Il peut exister des cas de fissures radiales sur les surfaces qui supportent les températures les plus élevées. Si le matériau d’étanchéité est sujet au ramollissement lorsque la température augmente, la surface peut également devenir plus brillante à certains endroits. Une dégradation thermique est souvent accompagnée d’une déformation rémanente après compression.

Cause : La température de l’application a dépassé la température maximale du matériau d’étanchéité sélectionné ou il y eu un cycle de température excessive.  Des températures élevées peuvent augmenter la densité de réticulation dans les élastomères entraînant une augmentation de la dureté et du module, ce qui les rend moins élastiques.

Solution :  Le choix d’un matériau élastomère à haute température est la solution évidente.  PPE peut procurer une étanchéité à haute température fiable jusqu’à +325 °C avec sa gamme de perfluoroélastomères Perlast® (FFKM).

Extrusion thermique

Thermal extrusion O-ring failureIndications visuelles : Il existe des signes évidents de « prise » sur les joints toriques dont le profil n’est plus arrondi.  Il y a un bord « frisé » en apparence sur deux côtés ou zones opposés de « grignotage » où des sections de surface de joint torique ont été endommagées. Dans les applications à haute pression, l’extrusion ou le grignotage peut être évité du côté soumis à la haute pression et uniquement visible du côté soumis à une basse pression. Le joint torique prend souvent la forme de la rainure.

Cause :  Le coefficient de dilatation thermique (CDT) d’un élastomère est généralement bien plus élevé que celui du matériel environnant.  Cela signifie que le volume de l’élastomère à hautes températures augmentera bien plus que celui du matériel l’environnant; par conséquent, les joints toriques peuvent remplir la rainure et ensuite s’extruder dans les espaces de dégagement à haute températures.

Solution :  La conception d’une rainure ou d’un presse-étoupe doit être optimisée de telle sorte qu’il y a suffisamment d’espace pour accueillir le volume supplémentaire du joint à hautes températures et pour éviter le « remplissage du presse-étoupe » - voir notre guide en ligne dimensions des rainures ou du matériel

Dégradation par UV

Indications visuelles : Les premiers signes visibles sur les surfaces exposées des joints toriques sont la décoloration, menant, lors d’une exposition excessive des matériaux, à une fissuration ultérieure et, dans des cas extrêmes, à une désintégration.

Cause: L’exposition d’un matériau élastomère à la lumière ultraviolette peut avoir un effet destructeur. La lumière UV a une longueur d’onde courte, elle a donc une énergie élevée qui peut interagir avec la structure moléculaire du côté exposé de l’élastomère. Ceci conduit généralement à un clivage des chaînes polymère et provoque des craquelures sur la surface, entraînant des fuites et une défaillance prématurée.

Solution: Les matériaux noirs résistent généralement mieux aux dommages causés par les UV que les matériaux d’autres couleurs, les matériaux fluorés sont également plus résistants.  Concernant les procédés UV utilisés dans les procédures de stérilisation et la fabrication de semi-conducteurs, contactez PPE pour recevoir des recommandations sur les matériaux.

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