Contraintes d'utilisation

La simplicité d'utilisation et le prix bas des joints toriques ont fait de ce type de joint l'un des plus utilisés dans l'industrie d'aujourd'hui. Pour cette raison, plusieurs mélanges ont été étudiés et mis au point afin de répondre aux conditions d'utilisation les plus différentes. Dans ce paragraphe, on analyse les principales contraintes chimico-physiques auxquelles les joints toriques sont soumis. Pour pouvoir estimer la qualité du comportement d'un mélange en particulier, une fois que les contraintes d'utilisation sont attribuées, il faut fixer certains paramètres à analyser. L'étanchéité à joint torique est liée aux caractéristiques élastiques du matériel, donc tous les facteurs qui peuvent intervenir afin de modifier cette propriété, influencent le comportement du joint torique. Même le coefficient de dilatation thermique et la perméabilité aux gaz peuvent jouer un rôle important dans l'effet d'étanchéité et dans la durée du joint.
Compression Set
Un des paramètres principal dans l'évaluation des joints toriques est sans aucun doute le "Compression Set", c'est à dire la déformation permanente à compression vérifiable après l'utilisation. Le Compression Set est défini comme valeur pourcentage de déformation permanente par rapport au diamètre original de l'anneau et est influencé par les conditions de fonctionnement auxquelles le joint torique est soumit, en particulier par toutes ces actions qui interviennent pour modifier de manière permanente l'élasticité du mélange. Il existe différentes règles au niveau national et international pour l'évaluation du Compression Set des différents mélanges qui se trouvent dans le commerce. Le principe sur lequel ils se basent est l'exécution d'un test avec des déformations programmées durant les essais et des conditions du milieu ambiant pré-fixées pour évaluer le retour élastique à la fin de l'essai. La valeur pourcentage du Compression Set s'obtient par l'expression suivante:

Cs = (hi – hf) / (hi – hc) %

Où hi est la valeur initiale de la hauteur de l'échantillon, hc la valeur de la hauteur de l'échantillon comprimé et hf la hauteur finale après le retour élastique (figure 3.10).
Hauteur de la section d'un échantillon à chute, avant, pendant et après le test de Compression Set Figure 3.10
Hauteur de la section d'un échantillon à chute, avant, pendant et après le test de Compression Set
Le facteur principal qui influence le comportement élastique des élastomères est le vieillissement, étant donné qu'il comporte des modifications de la structure moléculaire du matériel et donc une détérioration des propriétés élastiques.

La valeur du Compression Set est liée aux conditions de fonctionnement. Pour avoir des informations précises sur la qualité d'un mélange en particulier, il est nécessaire de la vérifier directement avec des tests qui proposent à nouveau les valeurs de pression, température et typologie de fluide à contact, les plus proches de la réalité.

Une bonne valeur de Compression Set, basse valeur pourcentage, indique une bonne durée dans le temps de l'étanchéité aussi bien statique que dynamique. En cas d'application statique, la perte d'élasticité réduit la capacité du joint torique à absorber les variations de pression du système sans pertes. Dans les applications à étanchéité dynamique, le frottement et la conséquente augmentation de température du mélange peuvent accélérer le vieillissement et donc l'aggravation du Compression Set (augmentation de la valeur pourcentage).

Sur la figure 3.11 on reporte de manière indicative le comportement du Compression Set dans le joint torique avec 4 mélanges différents, soumis au test de compression avec variation du diamètre nominal de la section ds de 25%, sur joint torique avec diamètre nominal ds = 5.30 mm, pour des cycles d'une durée de 70 heures à différentes températures.
Mélanges testés Figure 3.11
Les mélanges testés sont: courbe 1) FPM, courbe 2) MVQ, courbe 3) ACM, courbe 4) NBR.
Le graphique démontre comment, la température qui influence le vieillissement du matériel, influence également la valeur du Compression Set, et comment les différents mélanges peuvent être plus ou moins appropriés à l'utilisation à de hautes températures.

La valeur du Compression Set n'est pas liée seulement aux conditions de fonctionnement par un mélange. En effet, en soumettant un joint torique avec un mélange identique, à un test de compression avec les mêmes conditions de température, mais de dimensions différentes, on a pu constater que certains mélanges présentent des comportements élastiques liés non seulement aux conditions de fonctionnement mais également à la forme géométrique dans lesquelles ils sont modelés. Dans les figures qui suivent, on reporte les résultats que nous avons obtenu en soumettant un joint torique avec des mélanges différents et avec deux dimensions différentes à un examen.
Mélange NBR Figure 3.12
Mélange NBR (acrylo-nitrile butadiène) avec dureté 70° shore, courbe A ds = 1,8 mm , courbe B ds = 7 mm
Mélange MVQ Figure 3.13
Mélange MVQ (silicone) avec dureté 70° shore, courbe A ds = 1,8 mm , courbe B ds = 7 mm
Le test a été effectué sur les joints toriques en imposant aux différents échantillons des écrasements de départ différents, et gardant la température constante pour des cycles d'essai de 70 heures.
Les résultats obtenus démontrent comment les joints toriques avec mélange MVQ sont sujets à une valeur très élevée de Compression Set, mais que cette valeur ne ressent en aucune manière des différentes dimensions des échantillons testés. Le comportement des joints toriques avec mélange NBR est différent puisque l'élasticité est influencée par la valeur du diamètre de la section.
La dureté des mélanges
Si l'élasticité est la propriété qui rend le mélange approprié aux applications d'étanchéité, la valeur de sa dureté (c'est à dire la valeur de la résistance qui s'oppose à la pénétration d'objets plus durs) définit pour quelles situations de contrainte elle est indiquée.
En effet, l'utilisation de mélanges plus ou moins durs est rigoureusement lié aux valeurs de pression qui sont faites sur l'élément. Les mélanges souples ont un bon effet d'étanchéité statique et adhérent facilement aux rugosités de la superficie d'étanchéité, mais ils peuvent être sujets à extrusion si les valeurs de pression sont élevées. De plus, en présence de mouvement relatif entre le joint torique et les superficies d'étanchéité (cas d'étanchéité dynamique), le frottement produit par un mélange souple est plus grand que celui dû à un mélange plus dur, et la conséquente dégradation des propriétés d'étanchéité est plus rapide.
Le vieillissement
Ainsi que nous l'avons exposé dans le paragraphe qui concerne le Compression Set, le procédé de vieillissement de l'élastomère a une grande influence sur les capacités d'étanchéité des joints toriques. Par le terme vieillissement, on indique la perte des caractéristiques physiques et chimiques des élastomères qui est provoquée par plusieurs facteurs externes comme par exemple la température, les actions mécaniques ou l'atmosphère en contact avec l'élastomère.

Les chaînes moléculaires qui composent le mélange sont modifiées par le vieillissement, ainsi que les liaisons, modifiant par conséquent le comportement du matériel. La modification aux liaisons part de la superficie externe, exposée aux agents externes, et avec le temps elle se propage en profondeur.

En entrant dans le détail, nous pouvons dire que les caractéristiques des élastomères dépendent du type de liaison qui se forme entre les molécules qui le compose, et que pour obtenir des liaisons particulières, il faut ajouter des éléments chimiques au matériel base, appelés charges qui interviennent dans la formation des liaisons moléculaires, donnant ainsi au mélange les caractéristiques voulues. Dans les paragraphes suivants, nous examinerons quelques conditions de travail ainsi que leurs effets sur les joints toriques, en rappelant que dans de nombreuses situations, en plus des contraintes directes sur les mélanges, elles en accélère le procédé de vieillissement, considérant également le fait que dans les applications réelles, beaucoup de contraintes agissent de manière concomitante , augmentant ainsi les effets négatifs sur les capacités d'étanchéité des joints toriques.

Le procédé de vieillissement du matériel commence pratiquement tout de suite, c'est à dire à partir du moment où le joint torique est réalisé et mis en contact avec l'air et la lumière. Pour remédier à cet inconvénient, il est utile de maintenir une légère couche de lubrifiant autour de l'anneau et ne pas l'exposer à la lumière, sauf pour la durée nécessaire pour les phases de montage.
Température de fonctionnement
Un élément très important dans le choix d'un joint torique, est la température à laquelle il devra travailler. Les élastomères ont différentes réponses aux contraintes de température, mais en général, il en dérive une variation de l'élasticité, de manière particulière, à basses températures, les mélanges ont tendance à perdre l'élasticité diminuant de cette manière la capacité à effectuer l'étanchéité, alors que, à de hautes températures, le matériel a tendance à devenir plus fluide, en adhérant mieux aux superficies, mais résultant plus facile à l'extrusion par effet de la pression ou du mouvement en cas d'étanchéité dynamique.
Une autre cause de mauvais fonctionnement de l'étanchéité à joint torique peut être liée au coefficient de dilatation thermique des mélanges, qui d'habitude est vraiment différent de celui du matériel même qui constitue son logement; ceci comporte que les dilatations et les contractions des matériaux dues aux écarts de températures peuvent être très différents. Dans le cas de températures élevées, le mélange a tendance à s'étendre, et à occuper tout le logement, en provo quant dans les applications dynamiques une augmentation du frottement qui n'est pas voulu. Dans le cas de basses températures, la contraction du matériel entraîne une diminution de l'écrasement du diamètre de la section qui peut diminuer jusqu'à compromettre l'étanchéité. Dans la figure 3.14 on reporte un exemple de l'effet de la température sur un joint torique avec mélange NBR avec un degré de dureté de 80° shore soumis à un test pour l'évaluation du Compression Set et de la dureté à différentes températures.
Effet de la température sur un joint torique avec mélange NBR Figure 3.14
Pour ces raisons, il est important dans le choix d'un joint torique de considérer la température de fonctionnement et faire le plan des logements, en évaluant attentivement les variations de volumes que ces températures comportent.
Fluides a contact
La simplicité d'utilisation des joints toriques les rend utilisables dans les secteurs les plus différents où l'étanchéité est demandée. C'est pour cela que le joint torique peut être à contact avec des liquides, des vapeurs et des gaz de la nature la plus différente, et son comportement en est influencé dans la mesure où ces fluides inter-agissent avec le mélange qui le constitue. A contact avec un fluide, le mélange peut avoir différents comportements.

Le fluide peut pénétrer dans le mélange avec pour résultat d'en augmenter le volume:
  • nous pouvons avoir une modification du comportement élastique lié à la présence de sacs à l'intérieur de la structure moléculaire du mélange avec comportement élastique différent;
  • nous pouvons avoir une modification de la structure moléculaire par la rupture de vieilles liaisons et la création de nouvelles liaisons avec les ingrédients pénétrés à l'intérieur du mélange.
Le fluide provoque une diminution du volume:
  • le fluide agit comme solvant sur certains ingrédients du mélange, désintégrant les liaisons et éloignant ces substances dissoutes.
Le fluide ne provoque pas de variations de volume remarquables:
  • certains ingrédients du mélange sont dissous et éloignés, et remplacés par une quantité égale de fluide qui peut se lier aux molécules du mélange en les modifiant, ou bien en y restant à l'intérieur et en y formant des sacs.
Dans le dernier cas exposé ci-dessus, le joint torique peut ne pas être modifié dans l'aspect, mais présenter des caractéristiques élastiques complètement différentes de celles d'origine. La variation des caractéristiques chimico-physiques du mélange du joint torique due à l'action des fluides peut entraîner la perte des capacités d'étanchéité; la valeur de la température de fonctionnement a une grande influence sur le comportement agressif des fluides. Il est donc très important de considérer les fluides à contact avec le joint torique pour pouvoir individualiser le mélange qui résiste le mieux à leur agression.

La norme ISO 6072 définit l'Indice de Compatibilité (ECI), afin de pouvoir confronter le comportement des différents mélanges à contact avec les fluides. Le paramètre ECI fixe sur une échelle de valeurs, la variation de volume subie par un élastomère à contact avec un fluide. Notre bureau technique peut vous conseiller sur le meilleur mélange par rapport au fluide à contenir.
Contraintes mécaniques
Dans ce paragraphe, nous examinerons certaines contraintes mécaniques auxquelles le joint torique est sujet durant son utilisation, et l'effet possible que ces contraintes peuvent avoir sur les capacités d'étanchéité de l'accouplement.
Forces de compression
Ainsi que nous l'avons répété plusieurs fois, l'étanchéité à joint torique s'obtient grâce à la compression de l'anneau dans un logement obtenu dans ce but. La force d'écrasement liée à d'autres facteurs qui rendent le mélange fragile, peut provoquer la rupture des liaisons moléculaires présentes avec des conséquences sur les caractéristiques du joint torique. La rupture des liaisons peut provoquer une variation de l'élasticité de l'élastomère et il peut y avoir également un comportement différent au contact avec les fluides présents dans le système, modifiant ainsi la structure moléculaire. Mais, la rupture de la structure moléculaire peut aussi provoquer un vieillissement précoce du mélange.
Frottement dans les applications dynamiques
Dans les applications à étanchéité dynamique, un facteur très important qui influence la qualité de l'étanchéité et du joint est la force de frottement. L'exacte évaluation du phénomène est très complexe puisqu'il y a beaucoup de facteurs en jeu qui ont une influence réciproque et qui peuvent difficilement être contrôlés. Maintenir bas le frottement entre les parties permet de mieux faire fonctionner l'installation, mais peut signifier une augmentation des pertes causée par la réduction de l'adhérence du joint torique aux superficies d'étanchéité. Dans un premier temps, nous pouvons dire que la valeur du coefficient de frottement entre deux éléments qui peuvent être le joint torique et la superficie d'étanchéité n'est pas constante, mais dépend de la vitesse.
Sur la figure 3.15 on représente le cours indicatif du coefficient de frottement par rapport à la vitesse de mouvement (ce cours est contrôlable dans la plupart des cas).
Cours indicatif du coefficient de frottement par rapport à la vitesse de mouvement Figure 3.15
Le frottement de premier détachement est la force qu'il faut vaincre pour mettre le corps en mouvement, et cette force est supérieure à celle qui est ensuite opposée au mouvement; après le détachement, lorsque la vitesse augmente, la valeur du coefficient de frottement ƒ diminue jusqu'à ce que la vitesse atteigne la valeur limite de la vitesse de translation, vitesse à laquelle la valeur de ƒ est minimum.

A des vitesses supérieures à la vitesse de translation, le coefficient de frottement recommence à augmenter. Tout en gardant le cours approximatif de la figure 3.15 la valeur coefficient de frottement ƒ peut varier remarquablement par rapport aux conditions de fonctionnement. Surtout la dureté du mélange du joint torique, la pression de pré-chargement qui le pousse contre les parois d'étanchéité et la présence de lubrifiant. En particulier, la fonction de lubrifiant peut être effectuée par le fluide qui se trouve dans le circuit, qui, formant un léger film entre les parois et les joints, contribue à abaisser le coefficient de frottement. La présence de rugosités et d'imperfections sur la superficie d'étanchéité peuvent augmenter l'effet abrasif, mais peuvent également provoquer la formation de sacs de fluide maintenant ainsi une bonne lubrification: le fait que l'un de ces deux effets soit dominant est lié aux dimensions des irrégularités et à la dureté du mélange.

Les applications dynamiques peuvent être divisées en deux typologies principales selon l'étanchéité: qu'elle soit de liquides ou de gaz.
a) Étancheite dynamique de liquides
En analysant cette application, on peut observer que le joint torique adhère avec une certaine force aux superficies d'étanchéité, que cette force est liée au volume de l'anneau par rapport aux dimensions de l'enclenche, et à la pression produite par le fluide. Il y a une force de frottement dépendante de ces paramètres qui s'oppose au mouvement entre les parties. Le liquide peut, comme nous l'avons déjà vu, former une pellicule lubrifiante à protection du joint torique.
La présence de frottement produit une certaine quantité de chaleur qui peut provoquer des variations du système:
  • la chaleur peut provoquer une variation du volume du joint torique et donc une variation de la force d'adhésion aux parois du logement;
  • en se réchauffant, le liquide peut changer sa viscosité et empêcher la formation du film lubrifiant avec la conséquente et rapide abrasion du joint torique;
  • l'élasticité de la zone du joint torique en contact avec la superficie d'étanchéité peut changer en facilitant l'extrusion;
  • l'agressivité du liquide par rapport au mélange peut augmenter et provoquer des altérations irréversibles.Les effets décrits ci-dessus sont seulement quelques uns de ceux qui peuvent interférer avec les capacités d'étanchéité provoqués par l'augmentation de la température.
Ces problèmes peuvent provoquer un procédé en chaîne qui porte jusqu'à ne pas pouvoir utiliser le joint torique.
On peut ajouter des additifs aux liquides du circuit afin de limiter les effets nuisibles du frottement.

On peut obtenir des indications dignes de foi sur le comportement pendant le fonctionnement seulement en soumettant les joints toriques à des tests.
b) Étanchéité dynamique de gaz
L'étanchéité dynamique en présence de force élastique d'un gaz présente des problèmes semblables à ceux que l'on a vu pour les applications avec liquides, mais il se différencie particulièrement par l'absence d'un fluide qui peut servir de lubrifiant. Dans des applications particulières telles que les applications en circuits pneumatiques, on peut, pour remédier à cet inconvénient, utiliser de l'air dans la quelle il y a en suspension une certaine quantité d'huile lubrifiant, qui, en se déposant sur le joint torique réduit le frottement. En tous les cas on peut utiliser des mélanges auto-lubrifiants pour diminuer le coefficient de frottement. Le problème le plus évident dans ce type d'application reste l'usure de l'anneau due au frottement; les imperfections des superficies d'étanchéité ont un effet encore plus nuisible à cause de la quantité insuffisante de lubrifiant qui arrive à s'interposer entre le joint torique et la superficie d'étanchéité.

Un autre facteur qui influence le frottement dans les applications de pneumatique et de manière plus générale avec les gaz, est la perméabilité aux gaz à laquelle les mélanges sont sujets. En effet, tous les élastomères sont perméables, de manière plus ou moins grande, aux gaz, et ceci provoque la formation de bulles à l'intérieur du mélange. La présence de ces bulles, en plus de provoquer la variation du volume de l'anneau et donc à augmenter la force avec laquelle il appuie sur les parois d'étanchéité, diminue la résistance à l'abrasion superficielle en rendant la composition du mélange pas uniforme; de plus un réchauffement obsédant lié au frottement peut provoquer l'explosion de ces bulles et la détérioration du joint torique.
Dans le paragraphe suivant, nous verrons rapidement l'origine et les effets de la perméabilité aux gaz.
Perméabilité au gaz
Dans les applications à étanchéité de gaz, les joints toriques forment une barrière entre deux zones à pression différente. Les caractéristiques des élastomères les rendent perméables aux gaz, et cette perméabilité dépend du type de gaz, de la température de fonctionnement et de la pression que le gaz a.
La perméabilité peut causer une perte de gaz qui passe d'une zone à pression plus grande à celle à pression plus petite, ceci à travers l'élastomère. Une certaine quantité de gaz s'arrête à l'intérieur du mélange en formant des bulles qui ont un effet sur le comportement élastique de l'anneau.
De plus, le contact direct du gaz avec la superficie externe du joint torique peut accélérer le procédé de vieillissement du mélange. On a fait l'expérience qui montre que: une couche d'huile lubrifiant sur la superficie du joint torique, en plus de préserver du vieillissement précoce, diminue la perméabilité du matériel, en diminuant par conséquent les pertes du système.
Sur le Tableau 3.2 on reporte les coefficients de perméabilité à certains gaz pour les mélanges les plus utilisés dans la production de joints toriques.

Pour plus de renseignements sur le comportement des joints toriques en présence des différents gaz, nous vous prions de bien vouloir contacter notre Bureau Technique.
Tableaux techniques
Joints toriques dans les systèmes d'étanchéité