Bagues de soutien : Prévention de l'extrusion dans les systèmes haute pression

Introduction aux anneaux de retenue

Les anneaux de retenue, également appelés anneaux anti-extrusion ou anneaux de support, sont des composants de précision conçus pour empêcher les joints toriques en élastomère et autres joints d'être extrudés dans l'écart de dégagement entre les surfaces d'accouplement sous des conditions de haute pression. Sans la protection d'un anneau de retenue, des pressions élevées du système poussent le matériau souple du joint élastomère dans l'espace entre le piston et le cylindre (ou la tige et le presse-étoupe), provoquant l'apparition d'un aspect caractéristique rongeant ou mâché qui conduit rapidement à la défaillance du joint et à des fuites du système.

L'extrusion est l'un des modes de défaillance les plus courants pour les joints toriques dans les systèmes hydrauliques et pneumatiques fonctionnant au-dessus de 1 500 psi (100 bar). À mesure que les pressions du système augmentent, les tolérances de l'écart de dégagement se resserrent et la nécessité d'une protection par anneau de retenue devient critique. Comprendre quand des anneaux de retenue sont nécessaires, comment sélectionner le type correct et les bonnes pratiques d'installation est une connaissance essentielle pour toute personne impliquée dans la conception ou la maintenance de systèmes d'étanchéité haute pression.

Quand les anneaux de retenue sont-ils nécessaires ?

La décision d'utiliser des anneaux de retenue dépend de la relation entre la pression du système, l'écart de dégagement, la dureté du joint torique et si l'application est statique ou dynamique. Les directives générales pour l'utilisation des anneaux de retenue incluent :

• En dessous de 1 500 psi (100 bar) : Les anneaux de retenue ne sont généralement pas requis pour des joints toriques standards 70 Shore A avec des jeux de dégagement normaux
• 1 500-3 000 psi (100-200 bar) : Un anneau de retenue simple recommandé du côté basse pression du joint torique
• 3 000-5 000 psi (200-350 bar) : Anneaux de retenue de chaque côté du joint torique recommandés pour les applications dynamiques
• Au-dessus de 5 000 psi (350 bar) : Anneaux de retenue des deux côtés requis ; envisager des composés de joint plus durs (90 Shore A) et des tolérances d'usinage plus strictes
• Une dureté plus élevée du joint torique (80-90 Shore A) augmente le seuil de pression avant que l'extrusion ne se produise
• Des jeux de dégagement plus importants réduisent le seuil de pression et augmentent la nécessité d'anneaux de retenue
• Les applications dynamiques ont des seuils d'extrusion plus bas que les applications statiques en raison des pics de pression et des variations d'écart lors des mouvements

Matériaux des anneaux de retenue

PTFE (Polytétrafluoroéthylène)

Le PTFE est le matériau de bague de soutien le plus utilisé en raison de sa combinaison de faible friction, d'inertie chimique et d'excellente stabilité dimensionnelle. Le PTFE vierge (non chargé) offre une compatibilité chimique universelle et une très faible friction mais présente un écoulement à froid (fluage) relativement important sous charge soutenue. Les compounds de PTFE chargés offrent des propriétés mécaniques améliorées :

• PTFE vierge : Résistance chimique universelle, friction la plus faible, adapté à la plupart des applications jusqu'à 5 000 psi
• PTFE chargé en verre (15-25 % fibres de verre) : Résistance à l'usure améliorée et réduction de l'écoulement à froid pour les applications dynamiques
• PTFE chargé en carbone : Résistance à l'usure et conductivité thermique renforcées pour l'étanchéité dynamique à haute vitesse
• PTFE chargé en bronze : Résistance maximale à l'usure et conductivité thermique pour vérins hydrauliques lourds
• PTFE chargé en PEEK : Résistance au fluage supérieure et résistance mécanique pour applications ultra-haute pression

Nylon (Polyamide)

Les bagues de soutien en nylon offrent une résistance mécanique supérieure et une meilleure résistance à l'extrusion que le PTFE à moindre coût. Le nylon est couramment utilisé dans les systèmes hydrauliques avec des fluides à base de pétrole où sa rigidité supérieure permet un pontage efficace des jeux. Cependant, le nylon a une résistance chimique limitée par rapport au PTFE et n'est pas adapté aux applications impliquant des produits chimiques agressifs ou des fluides hors de sa plage de compatibilité. Les bagues de soutien en nylon sont généralement utilisées dans des applications hydrauliques standard jusqu'à 7 000 psi.

Autres matériaux

• PEEK (Polyetheretherketone) : Matériau haut de gamme pour applications à pression et température extrêmes
• Acétal (Delrin/POM) : Bonne stabilité dimensionnelle et usinabilité pour applications à pression modérée
• Cuir : Matériau traditionnel de bague de soutien encore utilisé dans certains conceptions anciennes de vérins hydrauliques
• Bagues de soutien en élastomère : Bagues de soutien plus souples pour applications basse pression ou comme éléments de support secondaires

Types et configurations de bagues de soutien

Bagues de soutien pleines (continues)

Les anneaux de retenue pleins sont usinés ou moulés en anneaux complets sans aucune fente ni coupure. Ils offrent la capacité maximale de franchissement d'espace et sont le choix privilégié pour les applications à très haute pression. Toutefois, les anneaux de retenue pleins ne peuvent être installés que par l'extrémité d'un arbre ou d'un piston, ce qui limite leur utilisation aux applications dont la conception permet une installation par l'extrémité. Les anneaux pleins doivent être dimensionnés avec précision au diamètre de la gorge, car ils ne peuvent ni se dilater ni se contracter pour faciliter l'assemblage.

Anneaux de retenue spiralés (enroulés)

Les anneaux de retenue spiralés sont fabriqués en enroulant une bande plate de PTFE ou d'un autre matériau en une spirale à plusieurs tours qui peut être agrandie pour l'installation dans des gorges internes ou comprimée pour l'installation sur des arbres. La construction en spirale permet l'installation sans démontage, ce qui les rend idéaux pour la maintenance sur site et les applications où les anneaux pleins ne peuvent pas être installés. Les anneaux spiralés comportent généralement deux à quatre tours de matériau, offrant un franchissement d'espace efficace avec la flexibilité d'une installation expansible.

Anneaux de retenue fendus (coupés)

Les anneaux de retenue fendus sont des anneaux pleins présentant une unique coupe (fente) qui permet de les ouvrir pour les installer autour d'un arbre ou dans un alésage. La fente doit être correctement orientée par rapport à tout orifice de pression ou toute caractéristique susceptible de provoquer l'ouverture de la fente et permettre l'extrusion. Les anneaux fendus sont plus simples et moins coûteux que les anneaux spiralés, mais offrent une efficacité moindre de franchissement d'espace au niveau de la fente. Ils conviennent aux applications à pression modérée où la fente peut être positionnée à l'écart de la zone de pression la plus élevée.

Configuration et orientation de la fente

La fente des anneaux fendus et spiralés doit être correctement configurée et orientée pour une prévention efficace de l'extrusion. Pour les anneaux fendus, la fente est typiquement coupée à angle droit (coupe en biseau droit) ou à angle diagonal (coupe en écharpe). Les coupes en écharpe offrent une meilleure couverture de la fente que les coupes en biseau droit en créant un joint chevauchant. Les anneaux spiralés offrent intrinsèquement une couverture de chevauchement grâce à leur construction à plusieurs tours, éliminant la faiblesse liée à la fente ponctuelle des anneaux fendus.

Lors de l'installation d'anneaux de secours fendus, l'espace doit être positionné en haut de la gorge (position 12 heures) dans les applications de vérins horizontaux, ou tourné de 90 degrés par rapport à tout orifice de pression ou caractéristique pouvant provoquer des pics de pression localisés au niveau de l'espace. Dans les applications où deux anneaux de secours sont utilisés (un de chaque côté du joint torique), les espaces doivent être décalés de 180 degrés afin de garantir qu'aucun point circonférentiel unique n'ait des espaces sur les deux anneaux simultanément.

Installation et dimensionnement

Les anneaux de secours doivent être correctement dimensionnés et installés pour assurer une prévention efficace de l'extrusion sans interférer avec la fonction du joint torique. L'anneau de secours est installé dans la gorge du joint torique du côté basse pression du joint (le côté éloigné de la pression du système). La section transversale combinée du joint torique et de l'anneau de secours doit s'adapter à la gorge sans compression excessive du joint torique, ce qui augmenterait la friction et accélérerait l'usure. Les guides de conception de gorge standard des fabricants de joints toriques fournissent les dimensions de gorge recommandées pour les combinaisons joint torique plus anneau de secours.

• L'anneau de secours doit combler l'espace entre le joint torique et la paroi de la gorge du côté basse pression
• La largeur de la gorge doit être augmentée par rapport à la largeur standard de gorge de joint torique pour accueillir l'épaisseur de l'anneau de secours
• Pour les installations à double anneau de secours, la largeur de la gorge doit permettre d'accueillir les deux anneaux de secours plus le joint torique
• Le diamètre intérieur de l'anneau de secours doit correspondre étroitement au diamètre du fond de gorge pour minimiser tout jeu résiduel

Tereefek Solutions : fournisseur d'anneaux de secours

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