Comment choisir et installer une garniture tressée : évaluation des conditions de service et maîtrise des fuites sur les arbres de pompe et les tiges de vanne

Qu’est-ce qu’une garniture tressée : pourquoi peut-elle être utilisée à la fois sur un arbre de pompe et une tige de vanne, avec toutefois une logique de fonctionnement différente

Sur site, une question revient souvent lors des opérations de maintenance : une fuite goutte à goutte de la garniture d’un arbre de pompe et une fuite externe de la garniture d’une tige de vanne peuvent toutes deux être décrites comme une « fuite de garniture », mais elles ne doivent pas être traitées selon la même méthode. L’arbre de pompe effectue généralement un mouvement de rotation continue ; la garniture doit donc supporter l’échauffement dû au frottement, le glissement sur la surface de l’arbre et les problèmes de lubrification en fonctionnement. La tige de vanne peut quant à elle effectuer un mouvement axial alternatif, une rotation ou des manœuvres fréquentes ; outre l’étanchéité, il faut également tenir compte de la capacité de la garniture à suivre le mouvement et de l’effort de manœuvre de la tige.

Une garniture tressée est un matériau souple, constitué de brins tressés et rempli dans une boîte à garniture ou une chambre d’étanchéité. Après son installation, le fouloir comprime la garniture dans le sens radial, de sorte qu’elle épouse à la fois la surface de l’arbre ou de la tige et la paroi de la boîte à garniture, limitant ainsi les fuites du fluide vers l’extérieur à travers les interstices. Il ne s’agit pas d’un joint entièrement rigide qui obstrue complètement le passage, mais d’un système qui fonctionne grâce à l’association de la structure du matériau, de l’état de compression et d’une lubrification appropriée. La sélection d’une garniture ne doit donc pas se limiter à la section ou au nom du matériau ; il faut d’abord confirmer le type de mouvement de l’équipement, le fluide et les conditions de fonctionnement.

Cet article traite principalement des fuites externes au niveau de la boîte à garniture : par exemple, une fuite goutte à goutte autour d’un arbre de pompe ou un suintement de la tige de vanne vers l’extérieur au niveau du fouloir. Si, après la fermeture de la vanne, le fluide continue de passer par le siège, il s’agit d’une fuite interne au niveau de l’organe de fermeture ou du siège, qui ne peut pas être directement imputée à la garniture. Lors du diagnostic, il faut d’abord déterminer l’emplacement de la fuite, puis examiner la garniture, le fouloir, la boîte à garniture et l’état de surface de l’arbre ou de la tige ; confondre les fuites internes et externes conduit souvent à remplacer le matériau ou à régler le fouloir sans traiter la cause réelle du problème.

Comment la garniture tressée assure l’étanchéité : relation entre compression radiale, effet de labyrinthe et lubrification

Une fois installée dans la boîte à garniture, la garniture tressée ne se contente pas de « boucher » l’interstice avec un bloc de matériau. La force axiale exercée par le fouloir provoque une déformation radiale de la garniture tressée, qui s’adapte à l’arbre, à la tige de vanne et à la paroi intérieure de la boîte à garniture pour former un contact d’étanchéité continu. De petits passages peuvent subsister entre la garniture et l’arbre ou la tige, mais le fluide doit emprunter plusieurs chemins sinueux ; sa pression diminue progressivement sous l’effet de laminages successifs. C’est ce que l’on appelle communément l’effet de labyrinthe.

La compression radiale de la garniture tressée n’est pas meilleure lorsqu’elle est excessive

La garniture tressée a également besoin d’une lubrification appropriée pour réduire le frottement et l’élévation de température. Sur un arbre de pompe en rotation continue, une compression excessive augmente la résistance au mouvement de l’arbre et empêche la chaleur de frottement de se dissiper rapidement. Sur une tige de vanne à mouvement axial ou rotatif, une compression excessive peut alourdir la manœuvre et accélérer l’usure de la surface de la tige. À l’inverse, une compression insuffisante laisse un chemin de fuite. L’objectif après l’installation n’est donc pas de rechercher une absence absolue de « goutte à goutte », mais de trouver un équilibre entre l’étanchéité, l’élévation de température, l’effort de manœuvre et la durée de vie de la garniture, dans les limites acceptables pour l’équipement.

Évaluer la compression correcte de la garniture à partir de l’état de fonctionnement

Lors de la mise en service, il faut observer simultanément l’évolution de la fuite, l’élévation de température du fouloir, le mouvement de l’arbre ou de la tige de vanne, ainsi que la marge de réglage restante. Si la température augmente nettement après la mise en marche, si le mouvement devient plus difficile ou si la fuite s’aggrave rapidement, il ne faut pas se contenter de continuer à serrer le fouloir ; il convient de réexaminer la lubrification, la section de la garniture, la disposition des coupes et le montage des anneaux, la surface de l’arbre ou de la tige et l’état de la boîte à garniture. L’étanchéité par garniture tressée repose sur l’action conjointe du matériau, de la structure et de l’installation ; augmenter uniquement la force de compression ne remplace généralement pas la recherche de la cause fondamentale.

Quels paramètres de fonctionnement examiner en premier pour choisir une garniture tressée : fluide, température, pression, particules et mode de mouvement

La première étape du choix d’une garniture tressée n’est pas de sélectionner par expérience un matériau parmi le PTFE, le graphite ou l’aramide, mais d’établir d’abord une fiche des conditions de fonctionnement. Une même section, utilisée sur une pompe d’eau claire, une pompe à boues chargées en particules et une vanne vapeur, est soumise à des niveaux différents de frottement, d’échauffement, d’attaque chimique et de risque d’extrusion. En l’absence de paramètres essentiels, une recommandation fiable ne peut généralement pas reposer uniquement sur le terme « garniture tressée » ou sur une simple liste de dimensions et de prix.

Que doit consigner la fiche des conditions de fonctionnement de la garniture tressée

• Équipement et mode de mouvement : préciser s’il s’agit d’un arbre de pompe ou d’une tige de vanne, d’une rotation continue ou d’un mouvement alternatif, ainsi que la vitesse de rotation, la fréquence d’actionnement et la présence éventuelle d’arrêts et de redémarrages fréquents.
• Informations sur le fluide : consigner le nom du fluide, sa concentration, sa viscosité, son caractère acide ou alcalin, la présence éventuelle de particules solides, ainsi que les exigences en matière de maîtrise des fuites et de la contamination.
• Température et pression : fournir les valeurs normales, les valeurs de pointe et les fluctuations possibles lors des démarrages et des arrêts ; pour la vapeur, l’eau à haute température et les conditions similaires, préciser également les cycles thermiques.
• Dimensions de la structure : fournir le diamètre de l’arbre ou de la tige de vanne, la largeur et la profondeur du boîtier de garniture, la section de la garniture tressée, le type de presse-étoupe, ainsi que la présence éventuelle de dispositifs de refroidissement, de rinçage ou de lubrification.
• Défaillances actuellement observées : consigner l’emplacement des fuites et leur évolution, l’élévation de température en fonctionnement, l’effort d’actionnement de la tige de vanne, la forme de l’usure de la garniture tressée, ainsi que la présence éventuelle de rayures, de piqûres de corrosion, de flexion ou d’excentration sur l’arbre ou la tige.

Par exemple, pour une boue abrasive, il convient d’évaluer en priorité la résistance à l’usure, la résistance mécanique et la résistance à l’extrusion ; pour un fluide chimique, il faut d’abord vérifier la concentration, la température et la compatibilité ; pour l’eau à haute température ou la vapeur, il faut également tenir compte de la conduction thermique et du réglage du presse-étoupe après fonctionnement. Ces éléments indiquent seulement une orientation de sélection et ne constituent pas une conclusion fixe indépendante des données du fournisseur. Lors de l’achat, il convient de fournir cette fiche des conditions de fonctionnement avec les dimensions du boîtier de garniture et les défaillances déjà observées.

Quels risques examiner selon qu’il s’agit d’une garniture tressée en PTFE, en graphite, en aramide ou en fibre de carbone

Le choix d’une garniture tressée ne doit pas reposer uniquement sur la « température maximale admissible ». Il faut d’abord confirmer le fluide, la température, la pression, le mode de mouvement et l’état de l’arbre ou de la tige, puis effectuer la sélection en fonction des caractéristiques du matériau. La classification ci-dessous correspond à des orientations d’évaluation typiques et ne constitue pas une norme industrielle universelle ; il faut finalement vérifier les données du produit concerné et le tableau de compatibilité avec le fluide.

Garniture tressée en PTFE : examiner la compatibilité chimique, le faible frottement et les contraintes liées à la contamination

Les garnitures tressées à base de PTFE sont généralement évaluées en fonction de leur résistance chimique, de leur autolubrification et des exigences de faible contamination ; elles conviennent aux fluides chimiques ou aux applications sensibles à la contamination. Toutefois, la concentration, la température, la pression et la structure de renforcement peuvent toutes modifier les limites d’utilisation ; il ne faut pas conclure uniquement à partir de l’expression « résistant à la corrosion ».

Garnitures tressées en graphite, en aramide et en fibre de carbone : vérifier respectivement les risques thermiques, d’usure et de résistance mécanique

• Garniture tressée en graphite : vérifier en priorité la température élevée, les cycles thermiques, la compatibilité avec le fluide et le risque d’usure de l’arbre ou de la tige. Le graphite contribue généralement à la résistance aux hautes températures et à la réduction du frottement, mais les performances varient fortement selon la structure de tressage, le mode de renforcement et les conditions d’utilisation ; en présence de fluides oxydants, à vitesse linéaire élevée ou lorsque l’état de surface de l’arbre est médiocre, il ne faut pas se baser uniquement sur la valeur de température maximale annoncée.
• Garniture tressée en aramide : examiner principalement la résistance à l’usure, la résistance à l’extrusion et la résistance mécanique ; elle constitue souvent une option à évaluer pour les fluides chargés en particules ou les conditions fortement abrasives. Toutefois, l’aramide est relativement dur : en cas de frottement direct à grande vitesse contre l’arbre ou la tige, de serrage excessif ou de lubrification insuffisante, il peut accroître l’usure de la chemise d’arbre ou de la tige de vanne. Il faut donc également vérifier le mode de mouvement, l’état de surface et le niveau de serrage.
• Garniture tressée en fibre de carbone : elle est généralement évaluée en fonction des besoins de résistance à la température, de faible frottement, de conductivité thermique ou de résistance à l’usure, mais ses performances dépendent du type de fibre de carbone, de la structure de tressage, du matériau d’imprégnation et de la combinaison utilisée. Pour une application sur un arbre de pompe ou une tige de vanne, il faut vérifier la compatibilité avec le fluide, la vitesse de rotation ou la fréquence d’actionnement, la pression, ainsi que les risques éventuels de corrosion électrochimique ou d’usure de l’arbre ou de la tige.

Différences de sélection entre les garnitures tressées pour pompes et pour vannes : arbre en rotation, tige de vanne en mouvement alternatif et actionnements fréquents

Bien qu’il s’agisse dans les deux cas d’une fuite externe au niveau de la boîte à garniture, les conditions de mouvement auxquelles sont soumises la garniture d’arbre de pompe et la garniture de tige de vanne ne sont pas les mêmes. L’arbre de pompe tourne généralement en continu, et le frottement entre la garniture et sa surface produit constamment de la chaleur. Il faut donc vérifier en priorité la vitesse de rotation, la lubrification, l’état de surface de l’arbre ainsi que l’élévation de température en fonctionnement. La tige de vanne peut quant à elle effectuer un mouvement alternatif, une rotation ou des mouvements intermittents. Outre l’étanchéité, il faut également tenir compte du faible frottement de la garniture, de sa capacité de suivi et de l’effort de manœuvre de la vanne.

Garniture d’arbre de pompe : vérifier d’abord l’échauffement dû au frottement et l’état de surface de l’arbre

La garniture destinée aux pompes ne doit pas être choisie uniquement en fonction de sa section ou de sa classe de résistance à la température. Dans les applications utilisant des boues contenant des particules solides, il faut généralement évaluer en priorité la résistance à l’usure, la résistance mécanique et la résistance à l’extrusion. Toutefois, si la garniture est trop dure ou trop serrée, elle peut accentuer l’usure de la chemise d’arbre et l’échauffement. Après l’installation, il convient de surveiller les fuites, l’élévation de température et la marge de réglage du fouloir ; un serrage continu ne doit pas remplacer le contrôle de l’arbre, de la boîte à garniture et de l’état de lubrification.

Garniture de tige de vanne : examiner simultanément le faible frottement, la capacité de suivi et l’effort de manœuvre

La garniture de vanne doit rester en contact avec la tige pendant ses mouvements. Dans les applications avec des manœuvres fréquentes ou des vannes de régulation, une compression excessive peut alourdir le mouvement de la tige, voire gêner la manœuvre. À l’inverse, si la capacité de suivi de la garniture est insuffisante, une fuite externe peut apparaître après les mouvements. Pour les fluides chimiques ou les applications à faible risque de contamination, il faut d’abord vérifier la compatibilité des matériaux et les limites de contamination. Pour l’eau chaude, la vapeur et les applications similaires, l’évaluation doit également prendre en compte la conduction thermique, les variations de température et la capacité de réglage du fouloir. Ces orientations ne constituent qu’un point de départ pour la sélection ; le choix final doit toujours s’appuyer sur les données du produit concerné et sur le manuel de l’équipement.

Par conséquent, il ne convient pas d’utiliser par défaut la même garniture pour un arbre de pompe et une tige de vanne. Lors de l’achat, il faut au minimum fournir le type d’équipement, les dimensions de l’arbre ou de la tige de vanne, les dimensions de la boîte à garniture, le fluide et sa concentration, la température, la pression, la vitesse de rotation ou la fréquence des mouvements, la présence éventuelle de particules ainsi que les modes de défaillance observés. Si l’arbre ou la tige présente déjà des rayures, des piqûres de corrosion, une flexion ou une excentration, le simple remplacement de la garniture ne suffira pas nécessairement à éliminer la fuite.

Procédure d’installation de la garniture : démontage de l’ancienne garniture, nettoyage, découpe des anneaux, décalage des joints, remplissage et réglage du fouloir

L’installation d’une garniture ne doit pas commencer par l’introduction de la nouvelle garniture. Elle doit commencer par l’arrêt sécurisé de l’équipement, l’isolement du fluide et la décompression des pressions résiduelles. Il ne faut pas démonter directement le fouloir lorsque l’arbre de pompe ou la tige de vanne est encore en mouvement, en montée en température ou sous pression. La qualité de l’installation dépend généralement de l’état de la boîte à garniture et de l’arbre ou de la tige, ainsi que de la répartition des efforts du fouloir, et pas uniquement du matériau de la garniture.

Démontage de l’ancienne garniture et contrôle de la boîte à garniture

Pour retirer l’ancienne garniture, utiliser un outil d’extraction approprié afin d’éviter de rayer la tige de vanne, l’arbre de pompe et le logement de garniture. Éliminer autant que possible les résidus de garniture, les dépôts durcis et les matières adhérentes ; si une ancienne garniture subsiste au fond, la nouvelle garniture risque de ne pas être comprimée uniformément. Après le nettoyage, vérifier que l’arbre ou la tige ne présente pas de stries, de piqûres de corrosion, d’ovalisation, de flexion ou d’excentration. Vérifier également si la paroi intérieure de la boîte à garniture présente de la corrosion, des bavures ou des dommages localisés. Si la surface de l’arbre ou de la tige est déjà endommagée, le simple remplacement de la garniture ne suffira pas nécessairement à éliminer la fuite externe.

Découpe des anneaux, remplissage et réglage du fouloir

• Mesure et compatibilité : vérifier la largeur et la profondeur de la boîte à garniture ainsi que les dimensions de l’arbre ou de la tige, et confirmer que la section de la garniture correspond aux exigences du manuel de l’équipement et du fournisseur. Ne pas se baser uniquement sur les dimensions de l’ancienne garniture.
• Découpe régulière : mesurer et découper chaque anneau séparément. Les coupes doivent être planes et parfaitement jointives, sans ouverture évidente ni chevauchement local. Maintenir les anneaux découpés propres afin d’éviter toute contamination par du sable ou des copeaux métalliques.
• Installation anneau par anneau : enfoncer chaque anneau séparément dans la boîte à garniture, en veillant à ce que la garniture épouse le fond et les parois du logement. Les joints des anneaux adjacents doivent être décalés les uns par rapport aux autres ; la méthode de décalage doit respecter le manuel de l’équipement ou les exigences du fournisseur de la garniture.
• Compression uniforme : lors de l’installation du fouloir, serrer les éléments de fixation alternativement et uniformément afin d’éviter qu’un côté ne soit enfoncé jusqu’en butée avant l’autre. Le fouloir doit rester parallèle et conserver une marge de réglage pour la suite. Il ne faut pas considérer que serrer davantage réduit toujours les fuites.
• Essai et nouvelle vérification : après le démarrage, surveiller les fuites, l’élévation de température, l’effort de mouvement de l’arbre ou de la tige ainsi que la position du fouloir. Si la fuite augmente anormalement, si le mouvement devient plus dur ou si l’élévation de température est importante, arrêter l’équipement et contrôler le remplissage, la lubrification, la charge inégale du fouloir et l’état de l’arbre ou de la tige, plutôt que de continuer à serrer.

Comment diagnostiquer une fuite de garniture : de la répartition des efforts du fouloir à l’état de l’arbre ou de la tige et de la boîte à garniture

Le phénomène de fuite de garniture ne fournit qu’une orientation pour les contrôles prioritaires et ne permet pas à lui seul d’identifier une cause unique. Lors du diagnostic, il faut d’abord distinguer une fuite externe de la boîte à garniture d’une fuite interne au niveau du siège de vanne. Il faut ensuite tenir compte du fait que l’équipement fonctionne en rotation continue ou en mouvement alternatif, puis contrôler l’état du fouloir, de la garniture, de l’arbre ou de la tige et de la boîte à garniture.

Après le remplacement de la garniture tressée, la fuite persiste : vérifier d'abord l'état de base

Si une fuite externe persiste après l'installation d'une garniture tressée neuve, il ne faut pas immédiatement passer à un matériau plus coûteux ou « résistant à une température plus élevée ». Il convient de vérifier les traces, l'ovalisation, la déformation, l'excentricité et l'état de rugosité de surface de l'arbre ou de l'axe de pompe, ainsi que de confirmer les dimensions et la propreté de la boîte à garniture, la construction de la garniture tressée et la marge de réglage du presse-étoupe. Si l'arbre est déjà endommagé, le simple remplacement de la garniture tressée ne suffit souvent pas à éliminer la fuite.

Lors d'un achat ou d'une demande de devis auprès d'un fournisseur, il convient de fournir, outre la section de la garniture tressée, le type d'équipement, les dimensions de l'arbre ou de la tige de vanne, les dimensions de la boîte à garniture, le fluide et sa concentration, la température, la pression, la présence de particules, la vitesse de rotation ou la fréquence d'actionnement, ainsi que les symptômes de défaillance déjà observés. Demander au fournisseur de préciser la structure du matériau, les éléments justifiant sa compatibilité et les recommandations d'installation, puis vérifier ces informations à l'aide du manuel de l'équipement, des procédures de sécurité du site et des données spécifiques au produit.

FAQ sur les problèmes courants des garnitures tressées

L'évaluation d'une fuite de garniture tressée ne peut pas se limiter au nom du matériau. Il faut également tenir compte du mode de mouvement de l'arbre de pompe ou de la tige de vanne, de la compatibilité avec le fluide, de l'état de la boîte à garniture, de la répartition de l'effort du presse-étoupe et des exigences de sécurité sur site. Les questions ci-dessous correspondent aux principaux points abordés dans cet article concernant le choix, l'installation et le diagnostic des fuites externes.