SYSTÈME DE CHAUFFAGE DU GAZ SEC D’ÉTANCHÉITÉ

Les joints à gaz sec ont vraiment gagné en popularité au cours des 20 dernières années. Il s’agit du système d’étanchéité de choix pour les compresseurs centrifuges de gaz de processus, qui remplace de plus en plus les joints de remplissage d’huile traditionnellement complexes. On estime que près de 80 % des compresseurs centrifuges pour gaz de processus fabriqués aujourd’hui sont équipés de joints à gaz sec, ce qui implique l’acceptation par les utilisateurs de cette technologie relativement nouvelle. 

L’un des facteurs qui joue un rôle dans la popularité croissante du joint à gaz sec est le système de chauffage et de conditionnement du gaz d’étanchéité. Le système garantit que le gaz d’étanchéité est chauffé à une température qui élimine l’humidité et qu’il est conditionné selon des spécifications exemptes de contaminants. Cela permet d’améliorer la longévité et la fiabilité du joint. La contamination est un problème majeur dans la défaillance des joints à gaz sec. Il s’agit donc d’une priorité lors de la conception du système d’étanchéité du compresseur. 

Qu’est-ce qu’un joint à gaz sec ?

Les compresseurs centrifuges qui compriment du gaz de procédé comme le méthane ou le gaz naturel dans un rôle d’appoint ou pour toute compression de gaz de procédé, ont besoin d’un système d’étanchéité pour empêcher le gaz de s’échapper le long de l’arbre dans l’atmosphère. L’étanchéité le long de l’arbre est essentielle car certains de ces gaz de procédé sont inflammables, corrosifs, toxiques et leur fuite dans l’atmosphère contribue au réchauffement de la planète. 

Dans un compresseur multi-étagé avec une configuration de type poutre, il est nécessaire d’avoir deux joints, un à chaque extrémité. Alors que dans une configuration « en porte-à-faux », un seul joint de type cartouche est nécessaire.

Les joints à gaz sec sont essentiellement semblables aux joints mécaniques humides, mais avec une différence fondamentale. Ils ont des rainures de gaz peu profondes qui génèrent une force de levage aérodynamique. Cela crée un « film » de gaz entre la face tournante et la face fixe. 

Un autre élément important du joint est l’élément d’étanchéité secondaire. Il peut s’agir d’un joint torique ou d’un joint d’étanchéité rempli de PTFE. Lorsque le compresseur tourne, ou lorsqu’une pression est appliquée, la force maintient les faces du joint ensemble. Les joints à gaz sec, en revanche, utilisent une conception avec des rainures sur la face. Cela génère la force de levage. Il n’y a donc pas de contact entre le joint tournant et la face fixe et il y a un espace de 3 µm à 5 µm entre les deux faces. Les rainures sur la face du joint peuvent être en forme de spirale. Mais, généralement, le motif et l’emplacement dépendent du fournisseur du joint et varient selon les modèles. 

Avantages des joints à gaz sec

Le plus grand avantage du gaz sec est l’élimination de l’huile d’étanchéité qui est nécessaire dans l’application du joint à gaz humide. Ce système est un assemblage complexe dans une configuration autonome et devient plus compliqué lorsqu’il fait partie du système d’étanchéité et de lubrification du compresseur centrifuge de gaz de traitement. 

Avec les joints à gaz humide, l’huile d’étanchéité, qui était également utilisée pour lubrifier les roulements du compresseur, se retrouvait dans le flux de gaz ; cela entraînait un processus d’élimination coûteux pour le système de séparation de cette huile qui devait être installé en aval du compresseur centrifuge. Bien que la perte nette d’huile soit moindre, le joint perd du gaz à la fois sous forme de gaz dans l’huile (dilution liquide) et de fuite de gaz dans l’environnement. 

Limites du système de joint à gaz sec

L’une des limites d’un système d’étanchéité à gaz sec est sa dépendance vis-à-vis du gaz tampon, généralement de l’azote. Ce dernier garantit le bon fonctionnement des joints, d’où l’importance d’une alimentation fiable en gaz tampon. Une interruption de l’alimentation, même de courte durée, peut endommager les joints. Techniquement, un joint peut fonctionner sous une pression différentielle nulle, mais les fabricants préfèrent une pression différentielle faible. 

Une autre limite est l’approvisionnement en gaz tampon propre, exempt d’humidité et de contaminants. Les joints à gaz sec typiques ont une configuration en tandem où le premier joint est le joint primaire et un second agit comme joint secondaire ou de secours. La fourniture d’un gaz de haute pureté est une condition préalable au fonctionnement fiable de ces joints. Le gaz tampon doit être conditionné pour éliminer les impuretés et chauffé pour empêcher l’humidité de pénétrer dans le joint, ainsi que pour empêcher la condensation lorsque le gaz tampon pénètre dans le joint. Si le gaz se condense, la pression dans le joint est perdue et le gaz de traitement peut s’échapper.

Chauffage du gaz d’étanchéité

Le chauffage du gaz d’étanchéité est important pour maintenir la fiabilité du joint. Ceci est généralement réalisé par un thermoplongeur avec soit un chauffage direct par circulation, soit un chauffage indirect par thermoplongeur immergé dans le bain d’huile ou la coulée d’aluminium avec la bobine de traitement. 

Ces thermoplongeurs peuvent fonctionner à des tensions allant jusqu’à 690 V et à une puissance < 50 KW. Pour la sécurité de fonctionnement et l’utilisation dans un environnement explosif, ils sont dotés des certifications CSA C/US, ATEX, IECEX, UL et EAC. Toutes les pièces en contact avec le fluide sont généralement fabriquées en acier inoxydable 304 pour les chauffages indirects. Bien que d’autres métallurgies (Inconel, SS 316) soient disponibles pour une application directe. 

En raison de la capacité des thermoplongeurs électriques à contrôler la température avec précision, un élément de détection de température intégré à la sortie permet de contrôler la température par une boucle de rétroaction.

Une analyse du point de rosée du gaz d’étanchéité est nécessaire si le gaz d’étanchéité est un mélange de gaz. Il est important de maintenir la marge du point de rosée dans les plages de fonctionnement, en particulier avant le démarrage, lorsque le compresseur est froid. Le gaz d’étanchéité passe par le thermoplongeur électrique. Là, il est chauffé à une température maintenant la marge du point de rosée.

Une fois chauffée, la tuyauterie du gaz d’étanchéité est également tracée à la chaleur et isolée afin que la perte de chaleur soit minimale dans la tuyauterie. 

Conclusion

Les avantages des joints à gaz sec dépassent leurs limites et, en présence d’un système de chauffage et de conditionnement fiable avec des thermoplongeurs électriques, la plupart des limites peuvent être surmontées. Aujourd’hui, les joints à gaz sec sont davantage privilégiés pour les nouvelles installations et pour la modernisation des anciens compresseurs centrifuges de gaz de processus. En effet, la consommation d’huile des joints de gaz humide est plus élevée, ce qui peut également entraîner l’intrusion d’huile dans le flux de gaz de processus, d’où des programmes de maintenance préventive coûteux et la possibilité d’éliminer simplement les circuits complexes d’huile de lubrification et d’étanchéité.