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Apr 02, 2023

Surmonter les défis d'étanchéité

Enregistrer pour lire la liste Hydrocarbon Engineering, jeudi 28 avril 2016 11:30

L'étanchéité à des températures élevées (généralement 400 °C et plus) est difficile car les matériaux standard, tels que le graphite expansé, ne peuvent pas fonctionner de manière fiable pendant de longues périodes dans de telles conditions. Cela entraîne une défaillance du joint boulonné et une fuite. Jusqu'à présent, des compromis ont dû être faits avec la sélection des matériaux, ce qui a un effet néfaste sur les performances de fuite d'un joint boulonné au fil du temps à des températures élevées.

Graphique montrant la comparaison entre Thermiculite et le graphite inhibé et standard. Notez que bien que l'oxydation soit légèrement retardée pour le graphite inhibé, il se dégrade toujours, alors que la thermiculite n'est pas affectée au fil du temps.

Les processus à haute température sont observés dans de nombreuses industries, notamment le pétrole et le gaz, le traitement chimique et la production d'électricité. Les applications spécifiques incluent le craquage catalytique fluide, la production d'engrais au nitrate d'ammonium, la production d'éthylène, les systèmes de torche, les turbines à vapeur et à gaz, les systèmes d'échappement et, plus récemment, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les systèmes d'énergie solaire thermique à concentration utilisant des fluides caloporteurs à sels fondus. Les sels fondus fonctionnent à des températures élevées et sont chimiquement agressifs, ce qui ajoute un défi supplémentaire à l'étanchéité.

Un joint enroulé en spirale de style chaud avec du mica sur l'OD et l'ID. Notez la perte de graphite de la spirale due à l'oxydation même avec la «barrière» de mica. La fuite du joint a entraîné l'arrêt d'une usine de dioxyde de titane.

Traditionnellement, les options disponibles pour les utilisateurs de joints consistaient à utiliser du graphite ou du mica, ou une combinaison des deux matériaux dans le but de compenser leurs faiblesses inhérentes. Alors que le graphite scelle bien à température ambiante, car il s'agit d'un matériau organique, à des températures modérées à élevées, le carbone s'oxyde et, avec le temps, le joint perd son intégrité et ses performances diminuent. Cela peut se produire étonnamment rapidement, même à des températures modérées, et s'accélère à mesure que les températures augmentent. Même lorsque le graphite est traité avec des produits chimiques inhibiteurs d'oxygène, leur effet n'est que temporaire.

Le graphite est du carbone, et le carbone s'oxyde et provoque la dégradation du joint. Dans les cas les plus extrêmes, le graphite est complètement oxydé, ce qui entraîne une perte totale de confinement – ​​cela peut être catastrophique.

Comparaison des taux de fuite entre le joint spiralé en mica (bleu) et le joint spiralé Thermiculite 835 (orange). Même à des contraintes de surface très élevées, le joint en mica subit des fuites appréciables.

Une option alternative qui a été utilisée pour retarder le début de l'oxydation du graphite consiste à protéger le joint à l'aide d'une barrière. Le mica présente une excellente résistance thermique, mais comme il est poreux, il ne fonctionne pas bien comme joint.

Cela signifie que, bien qu'en théorie le mica offre une résistance thermique et protège l'élément d'étanchéité en graphite, en réalité il ne fournit pas une étanchéité efficace aux gaz, et donc le graphite est toujours attaqué et finalement ces joints de style à haute température de fonctionnement (HOT) échouent.

Dans certaines applications à très haute température, ou lorsque le graphite est chimiquement incompatible ou favorise la corrosion, les entreprises ont tenté d'utiliser uniquement du mica, mais ces joints ne fournissent pas une étanchéité adéquate et ne peuvent donc pas être considérés comme une option viable. D'autres technologies ont été essayées, telles que les matériaux hydrophobes à base de talc, mais alors que ceux-ci prétendent offrir de bonnes performances, de graves défaillances en service ont été enregistrées en raison du fait que le matériau n'offre pas une intégrité fiable à long terme.

De plus en plus, les températures de process augmentent et les opérateurs cherchent à allonger les intervalles de maintenance. Cela nécessite des matériaux de joint capables de résister à ces températures élevées, tout en offrant une fiabilité à long terme. La sécurité est essentielle et il est donc primordial de choisir une solution éprouvée et fiable.

Pour résoudre ces problèmes, Flexitallic a développé un nouveau matériau qui a les mêmes caractéristiques d'étanchéité que le graphite mais la résistance thermique du mica. Le matériau s'appelle Thermiculite® et est né de la demande des industries pour un matériau de joint qui peut fonctionner à des températures plus élevées pendant de plus longues périodes tout en maintenant l'intégrité du joint.

Thermiculite atteint cette performance grâce à l'utilisation et à la fabrication innovantes de vermiculite traitée de manière unique. En combinant de la vermiculite exfoliée thermiquement et chimiquement spécialement préparée, la structure des plaques de cristal en Thermiculite assure une étanchéité au gaz même dans les conditions de traitement les plus extrêmes.

Les techniques de fabrication innovantes qui ont été développées signifient que les joints Thermiculite peuvent être proposés sous de nombreuses formes différentes - feuille, spirale et Kammprofile, ainsi que le nouveau joint Change™. Cela signifie que la sélection d'une technologie de matériau sur un site est parfaitement réalisable.

Change est un joint d'échangeur de chaleur à enroulement métallique hautement résistant qui offre l'étanchéité la plus dynamique. Plus important encore, Change fonctionne sans faute 60% plus longtemps que les autres échangeurs de chaleur, les joints enroulés en spirale CGI, les joints à double enveloppe, en métal ondulé ou kammprofile.

L'une des innovations les plus importantes dans l'industrie de l'étanchéité depuis la création du joint spiralé par Flexitallic il y a plus de 100 ans, Change a été introduit en réponse directe aux problèmes à long terme des échangeurs de chaleur des clients. Subissant plusieurs cycles contenant des plages extrêmes de température et de pression, les échangeurs de chaleur étaient sujets à un entretien régulier et à des temps d'arrêt en raison du remplacement des joints incapables de fonctionner dans ces conditions difficiles.

Le joint Change breveté est fabriqué à l'aide d'un équipement exclusif et présente un profil en spirale métallique cinq fois plus épais que les joints standard. En utilisant un processus de soudage au laser unique qui pénètre complètement à travers l'enroulement, aucune bague intérieure ou extérieure n'est nécessaire. Les capacités du joint ont été prouvées par une série d'études, y compris des tests de cisaillement radial (RAST), des cycles thermiques prolongés de la coque, des tests de fuite et de compression, qui ont tous donné des résultats très positifs.

Par exemple, au cours d'un test de pression par rapport à un cycle thermique de 24 jours et 24 cycles à 302 °C reproduisant les conditions de l'industrie, Change n'a perdu que 1,5 PSI, surpassant tous les autres joints testés d'au moins neuf jours. Les tests de compression ont révélé que, sur la base de son niveau élevé d'énergie stockée, Change récupère presque cinq fois mieux que Kammprofile et les joints à double enveloppe.

Image au microscope électronique à balayage de la structure de plaque flexible très mince de Thermiculite, qui fournit un joint étanche aux gaz résistant sur une large plage de températures.

Un essai de cisaillement radial, développé à l'origine par PVRC/ASME avec l'École Polytechnique de l'Université de Montréal, a été entrepris pour simuler la dilatation et la contraction différentielles des brides d'échangeur de chaleur. Le test est réalisé sur 100 cycles thermiques avec une pression d'azote à 40 bar et un test d'étanchéité tous les 20 cycles.

La bride est de type languette et rainure, typique d'un échangeur de chaleur. La taille du joint est de 453 x 427 mm (épaisseur nominale de 3,2 mm). La bride inférieure est cyclée à 300°C et la bride supérieure est refroidie à l'eau, maximisant ainsi la croissance différentielle dans le système et générant un cisaillement radial d'environ 0,8 mm sur le joint. Cependant, la mesure clé est la relaxation du boulon car elle est considérée comme une mesure de la résistance du joint au cisaillement radial.

Le joint a survécu au test avec des dommages visibles négligeables et n'a montré qu'une relaxation de 15 % de la contrainte du boulon après 100 cycles. En comparaison, le deuxième meilleur rendement est le joint enroulé en spirale avec un relâchement du boulon d'environ 25 %. Le joint Change n'a présenté aucune fuite majeure lors du test, ce qui contraste fortement avec le joint de type gainé.

La meilleure preuve, cependant, provient d'applications réussies où Change fonctionne constamment dans des environnements difficiles. Par exemple, une application de raffinerie a vu Change fonctionner efficacement à travers des cycles allant de la température ambiante à 379 °C, ne rencontrant aucun problème à ce jour et surpassant tous les joints précédemment utilisés. Avant l'installation du joint de 63 pouces de diamètre et 510 PSI, la raffinerie aurait besoin de plusieurs remplacements de joints entre les arrêts majeurs après 28 cycles thermiques.

Change peut être fourni avec du PTFE, une charge de graphite et une variété de métaux, mais excelle dans les applications à haute température lorsqu'il est associé à Thermiculite.

Parce que la vermiculite est un silicate inorganique, le matériau Thermiculite possède une résistance exceptionnelle aux températures très élevées et aux produits chimiques agressifs. Il a également réussi le test de résistance au feu rigoureux API 6FB, ce qui le rend idéal pour les applications d'hydrocarbures. En raison des propriétés d'isolation électrique des matériaux, il est maintenant utilisé dans des applications où la corrosion caverneuse est un problème, telles que les applications pétrolières et gazières offshore et l'eau de mer.

Thermiculite offre une solution unique, remplaçant le besoin d'une gamme de matériaux, dont aucun n'offre une solution durable à la température. De réelles économies peuvent être réalisées en termes de réduction des coûts de maintenance, de réduction des temps d'arrêt, de rationalisation des stocks, de conformité aux émissions et bien sûr d'amélioration de la sécurité grâce à une meilleure intégrité des joints.

Thermiculite a été utilisé avec succès dans des milliers d'applications à travers l'industrie depuis 1997.

Une compagnie pétrolière publique a introduit des innovations de produits Flexitallic après avoir été confrontée à des problèmes de fuite dans un environnement à haute température et corrosif au sein de ses raffineries, ce qui peut avoir un impact sur la productivité et l'efficacité.

Les brides de tête des systèmes de chauffage des raffineries ont une pression de 7 bars et fonctionnent à des températures comprises entre 520 et 540°C. Auparavant, la société utilisait le Spiral Wound Gasket CG 304 avec une charge en graphite, ce qui était recommandé par le fabricant de l'équipement.

Cependant, cette combinaison de matériaux de joint, dans les conditions de service, a entraîné des fuites, ce qui a aggravé la corrosion dans le système de chauffage. Pour surmonter le problème, Flexitallic a recommandé l'anneau et l'enroulement CGI 316 de joints enroulés en spirale contenant une charge Thermiculite 835.

Le matériau de joint Thermiculite de Flexitallic a été développé pour être utilisé dans des applications de services critiques, de la cryogénie à des températures supérieures à 1000°C. En conséquence, l'utilisation du joint enroulé en spirale, combiné à la thermiculite, a éliminé les fuites du système, évitant ainsi de futurs problèmes de corrosion.

Écrit par Alex Lattimer, directeur de la gamme de produits, Flexitallic Ltd.

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