Causes de défaillance du joint d'étanchéité

1. procédures d'installation

• Dommages liés au stockage : vieillissement (chaleur, lumière du soleil ou rayonnement) ; déformation (support insuffisant, charges lourdes).
• Dommages dus au frottement : roulement ou torsion non uniforme, ou abrasion par glissement non lubrifié.
• Défauts de coupe dus aux arêtes vives : conicité insuffisante dans les angles, arêtes vives dans les orifices, rainures d’étanchéité, etc.
• Manque de lubrification.
• Présence de saleté.
• Utilisation d'outils d'installation incorrects.

2. Facteurs opérationnels

• Définition inadéquate de la tâche : Composition des fluides, conditions normales de travail ou conditions transitoires.
• Décollement du joint dû à un enroulement localisé lors de variations de pression.
• Extrusion due à la dilatation du joint (gonflement, thermique, décompression explosive) ou à la compression.
• Des temps de décompression trop courts entraînent la formation d'ampoules.
• Usure et déchirure dues à une lubrification insuffisante.
• Dommages causés par l'usure dus aux fluctuations de pression.

3. Durée de vie

En fonctionnement normal, la durée de vie d'un joint polymère est limitée par le vieillissement et l'usure. La température, les pressions de service, le nombre de cycles (rotations, glissements, contraintes mécaniques) et l'environnement influent sur sa durée de vie totale. Le vieillissement peut être un phénomène physique, comme une déformation permanente, ou résulter d'une réaction chimique avec des substances présentes dans l'environnement. L'usure peut être causée par le frottement du joint contre une autre surface dans les applications dynamiques, ou par de fortes fluctuations de pression dans les applications statiques. La résistance à l'usure augmente généralement avec la dureté du matériau du joint. La corrosion des pièces métalliques et le manque de lubrification de la surface accélèrent l'usure.

4. Température minimale et maximale

L'étanchéité des élastomères diminue fortement en dessous des températures recommandées, en raison d'une perte d'élasticité. Leurs propriétés à basse température sont cruciales pour le choix des joints élastomères destinés aux applications sous-marines en eaux froides. À haute température, un vieillissement accéléré se produit. La température maximale d'utilisation des élastomères se situe entre 100 et 300 °C. Ceux qui fonctionnent autour de 300 °C présentent généralement une faible résistance mécanique et une faible résistance à l'usure. Lors de la conception du joint, il est impératif de prévoir un jeu pour permettre la dilatation de l'élastomère due à l'augmentation de température (la dilatation thermique des matériaux d'étanchéité est environ dix fois supérieure à celle des aciers).

5. Pression

La pression exercée sur le joint peut entraîner une déformation permanente (déformation rémanente). Cette déformation rémanente doit être limitée afin de garantir l'étanchéité. Un autre problème pouvant survenir à haute pression est le gonflement (10 à 50 %) du volume de l'élastomère par absorption des fluides de puits environnants. Un gonflement limité est acceptable si la conception du joint l'a prévu.

6. différentiels de pression

L'élastomère doit présenter une excellente résistance à l'extrusion en cas de différentiel de pression important au niveau du joint. L'extrusion est la cause la plus fréquente de défaillance des joints haute pression à haute température. La résistance à l'extrusion d'un joint peut être améliorée en augmentant sa dureté. Les joints plus durs nécessitent des forces de serrage et d'assemblage plus importantes pour une étanchéité efficace. L'espace d'étanchéité doit être aussi réduit que possible, ce qui impose des tolérances serrées lors de la fabrication.

7. cycles de pression

Les cycles de pression peuvent entraîner la dégradation de l'élastomère par décompression explosive. L'importance des dommages dépend de la composition des gaz présents sur le matériau d'étanchéité et de la vitesse de variation de la pression. Les élastomères plus homogènes (par exemple, le Viton) résistent mieux à la décompression explosive que ceux (comme le Kalrez et l'Aflas) qui contiennent généralement de nombreuses petites cavités. La décompression se produit principalement dans les applications à injection de gaz. En cas de cycles de pression, un presse-étoupe étanche est préférable car il limite le gonflement du joint lors de la décompression. Cette exigence est toutefois incompatible avec la nécessité de prévoir un espace pour la dilatation thermique et le gonflement du joint. Dans les applications dynamiques, un presse-étoupe étanche peut entraîner l'usure ou le grippage de l'élastomère.

8. Applications dynamiques

Dans les applications dynamiques, le frottement du joint avec l'arbre rotatif ou alternatif (coulissant) peut entraîner l'usure ou l'extrusion de l'élastomère. Avec un arbre coulissant, un roulement du joint peut également se produire, ce qui peut facilement l'endommager. La combinaison de hautes pressions et d'une application dynamique constitue une situation exigeante. Afin d'améliorer la résistance à l'extrusion d'un joint, sa dureté est souvent augmentée. Une dureté plus élevée implique également des forces d'ajustement et d'assemblage plus importantes, ce qui engendre des forces de frottement plus élevées. Dans les applications dynamiques, le gonflement du joint doit être limité à 10-20 %, car il entraîne une augmentation des forces de frottement et de l'usure de l'élastomère. Une propriété importante pour les applications dynamiques est une résilience élevée, c'est-à-dire la capacité à rester en contact avec une surface en mouvement.

9. Conception du siège d'étanchéité

La conception du joint doit permettre un gonflement de l'élastomère de 10 à 60 % dans l'huile et le gaz. Un espace insuffisant entraînera l'extrusion du joint. La taille du jeu d'extrusion est un autre paramètre important. À haute pression, seuls des jeux d'extrusion très faibles sont tolérés, ce qui impose des tolérances serrées. Dans certains cas, des bagues anti-extrusion peuvent être utilisées. La conception du siège doit également tenir compte des exigences d'installation du joint. Lors de l'installation, l'allongement élastique ne doit pas entraîner de déformation permanente et l'élastomère ne doit pas être endommagé par des angles vifs. Il est important de noter que les joints à presse-étoupe sont intrinsèquement sûrs, car le joint n'est pas étiré lors de l'installation, contrairement aux joints à piston. En revanche, les joints à presse-étoupe sont plus difficiles à fabriquer et leur accès pour le nettoyage et le remplacement du joint est plus complexe.

10. Compatibilité avec les hydrocarbures, le CO2 et le H2S

La pénétration d'hydrocarbures, de CO₂ et de H₂S dans l'élastomère provoque un gonflement. Ce gonflement dû aux hydrocarbures augmente avec la pression, la température et la teneur en composés aromatiques. L'augmentation de volume réversible s'accompagne d'un ramollissement progressif du matériau. Le gonflement dû aux gaz tels que H₂S, CO₂ et O₂ augmente avec la pression et diminue légèrement avec la température. Les variations de pression après gonflement du joint peuvent entraîner des dommages par décompression. Le H₂S réagit avec certains polymères, provoquant une réticulation et, par conséquent, un durcissement irréversible du matériau du joint. La détérioration des élastomères lors des essais d'étanchéité (et probablement aussi en service) est généralement moindre que lors des essais d'immersion, probablement grâce à la protection offerte par la cavité du joint contre les attaques chimiques.

11. Compatibilité avec les produits chimiques de traitement des puits et les inhibiteurs de corrosion

Les inhibiteurs de corrosion (contenant des amines) et les fluides de traitement de complétion sont très agressifs pour les élastomères. Compte tenu de la composition complexe de ces produits, il est conseillé de déterminer la résistance de l'élastomère par des essais.

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