Comment les progrès des matériaux ont amélioré les joints et augmenté la durée de vie des joints

Aaron Larsson

La plupart des gens ne pensent probablement pas très souvent aux joints. Pourtant, ils profitent des avantages offerts par les joints chaque jour de leur vie. De l'électricité qu'ils utilisent - produite par des centrales électriques qui ont littéralement installé des milliers de joints - aux voitures qu'ils conduisent et à l'eau courante dans laquelle ils boivent et se baignent, les joints soutiennent presque tous les aspects de la vie moderne.

Le terme joint peut être défini comme un matériau ou une combinaison de matériaux serrés entre deux pièces séparables d'un joint mécanique, tel qu'une vanne ou une bride de tuyau. Sa fonction est de créer un joint entre les pièces et de maintenir le joint pendant une période prolongée. Franchement, sans joints, la plupart des équipements ne pourraient pas fonctionner, du moins pas longtemps. Chaque système contenant un liquide ou un gaz nécessite des joints, et les joints sont l'un des principaux produits utilisés pour maintenir les fluides à l'intérieur et les contaminants à l'extérieur.

Dans le livre Gaskets and Gasketed Joints, édité par John H. Bickford et publié en 1998 par CRC Press (une empreinte de Taylor & Francis Group), Daniel E. Czernik a fourni un bref historique des joints. Il a écrit: "Les joints ont été utilisés depuis l'avènement de la révolution industrielle jusqu'à la période des moteurs à vapeur et depuis le début de l'évolution du moteur à combustion interne. Depuis l'avènement du moteur à combustion interne, presque tous les matériaux imaginables, d'extrêmement dur à extrêmement doux, a été (et est toujours) utilisé pour les joints, y compris le cuir, le papier, le métal, le liège, le caoutchouc, l'éponge et le plastique. "

Au milieu des années 1800, le développement de la vulcanisation a permis au caoutchouc de devenir un matériau de joint courant. Au début des années 1900 (Figure 1), la prolifération de l'utilisation de l'amiante dans les produits de tous types s'est étendue aux joints, car le matériau était très résistant à la chaleur, à l'usure, aux alcalis et aux acides, ainsi qu'à une grande flexibilité - toutes des propriétés souhaitables pour des systèmes d'étanchéité durables.

Czernik a raconté une anecdote intéressante dans son histoire des joints. Il a expliqué que la défaillance des joints, en particulier des joints de culasse de moteur, était souvent la cause des voitures de course qui ne terminaient pas l'Indianapolis 500 dans les années 1920 et 1930. "Après quelques centaines de kilomètres, la piste est devenue si glissante à cause de la fuite d'huile que les conducteurs ont eu l'impression de rouler sur du verglas", a-t-il écrit.

Aujourd'hui, les joints de moteur sont extrêmement fiables. De nombreux propriétaires d'automobiles n'ont jamais connu de défaillance du joint de culasse, certains après des décennies de conduite. En fait, il n'est pas rare qu'un moteur diesel à usage intensif dans un semi-tracteur parcoure plus d'un million de kilomètres avant de nécessiter un remplacement du joint de culasse. Sur la base d'un fonctionnement impressionnant comme celui-ci, il est évident que des années de recherche et de développement ont porté leurs fruits dans de bien meilleurs joints.

Czernik a noté que le liège était l'un des premiers matériaux utilisés dans les joints. Au fil des ans, le liège a été combiné avec des polymères pour créer des composites offrant de meilleures étanchéités. Le papier est un autre matériau couramment utilisé dans les joints. Les fibres utilisées dans les joints en papier sont généralement de la cellulose. Au fil du temps, les fabricants ont amélioré les joints en papier en saturant les fibres de glycérine et de colle animale, en traitant le mélange avec du formaldéhyde et en le séchant dans un four. Le produit, connu sous le nom de "fibre traitée", est encore largement utilisé aujourd'hui.

Jörg Latte, un autre contributeur de Gaskets and Gasketed Joints, a écrit dans le livre : « Les joints plats pour l'industrie au sens moderne ont été inventés par l'ingénieur autrichien Richard Klinger il y a environ 100 ans [voir encadré], à base d'amiante et de caoutchouc. En raison de leur succès, ces premiers produits ont attiré de nombreux imitateurs, et bientôt de nombreux matériaux de différentes qualités étaient disponibles.

Latte a suggéré que le grand nombre d'options disponibles créait de la confusion, ce qui a conduit certains inventeurs à rechercher "un joint universel adapté à toutes les applications". Cependant, Latte a expliqué: "De tels joints n'existent pas et ne peuvent pas exister." Au contraire, il a suggéré que l'objectif de développer un joint universel ne peut être atteint que marginalement en augmentant les plages d'application des matériaux de joint.

"Un ingénieur industriel et un utilisateur de joints doivent toujours devenir des joints médiocres - il n'y a qu'une sélection correcte ou incorrecte d'un joint pour une application donnée, car de nombreux autres paramètres jouent un rôle dans cette affaire."

Le magazine POWER couvre les nouvelles technologies et rend compte des meilleures pratiques de l'industrie de l'énergie depuis 140 ans. Fondée en 1882, la publication a publié d'innombrables articles techniques sur des sujets de tous types, y compris des articles axés sur les joints. Bien que des cas puissent être trouvés à partir de nombreux numéros dans les archives de POWER, voici quelques exemples tirés d'articles publiés il y a plus de 110 ans.

Dans le numéro du 11 juin 1912 de POWER, le "Devo Gasket" (Figure 2) figurait dans un court article. Le joint a été fabriqué par Goetze Gasket & Packing Co., à Brunswick, New Jersey. L'article expliquait que le joint était destiné aux hautes et basses pressions, ainsi qu'à la vapeur surchauffée. Il consistait en "un joint en acier ondulé entièrement noyé dans un revêtement en amiante, qui est entièrement graphité. Le joint a une épaisseur de 1/8 de pouce, mais il peut être comprimé à 1/16". L'article continuait: "Étant profondément ondulé, ce joint formera un joint étanche à la vapeur même lorsque la surface de la bride est inhabituellement rugueuse." De manière quelque peu surprenante, des joints de conception similaire existent encore aujourd'hui.

Dans un article publié dans le numéro du 13 février 1912 de POWER, le sujet de la coupe et de l'installation appropriées des joints a été abordé. "Les deux principaux points concernant un bon travail d'emballage sont la coupe de l'emballage et sa mise en place", a écrit Scott Norton de Springfield, Ohio.

En ce qui concerne la découpe de la garniture en tôle, Norton a expliqué: «Il est correct de placer la garniture contre la bride et de la taper légèrement avec le marteau pour le marquer, mais en aucun cas de frapper suffisamment fort pour couper le joint; utilisez le couteau pour cela, car le marteau le déchire. Pour gagner du temps, les hommes coupent parfois les trous de boulon avec l'extrémité en panne du marteau du machiniste.

L'article explique en outre: "Il est tout aussi important que de couper le joint et de le mettre en place est de monter les boulons avec les écrous." Norton a écrit : « Il suffit de regarder un ingénieur de première classe monter sur les boulons de la culasse de son moteur ou de son coffre à vapeur lors de leur remplacement. Notez avec quelle prudence il les monte tous, petit à petit, en accordant une attention particulière à chacun à tour de rôle lorsque la tâche est presque terminée. sorties aux trous de boulons.

Une dernière leçon partagée dans l'article concernait le coût. L'article dit: "La partie la moins chère d'un joint est son coût d'origine; l'installer est la partie la plus chère." La chose la plus surprenante est peut-être que ces leçons résonnent encore aujourd'hui, plus de 110 ans après avoir été publiées dans les pages du magazine POWER. Cela montre simplement que les bonnes pratiques d'ingénierie sont intemporelles.

Czernik a expliqué que la fabrication de joints en papier a connu une "révolution majeure" après la Seconde Guerre mondiale avec l'introduction du processus d'ajout de batteur (BA). "Dans ce processus, les élastomères, les fibres et les charges sont mélangés avec de l'eau dans une bouillie. La bouillie est ensuite déposée sur un tapis roulant et l'eau est évacuée. Après chauffage, le revêtement BA est prêt à être transformé en joints", écrit-il.

Les caoutchoucs BA comprennent les nitriles, les styrènes, les acryliques, les fluorocarbures et autres. Czernik a noté que les mélanges de caoutchoucs sont courants. "Par la suite, les joints composites incorporant des matériaux de revêtement à ajout de batteur et un noyau de renfort en acier perforé ou plein sont devenus les produits dominants pour sceller diverses applications de joint de moteur", a-t-il écrit.

Après qu'il soit devenu largement reconnu que l'amiante augmente le risque de plusieurs maladies graves, notamment l'asbestose, le mésothéliome et le cancer du poumon, de nombreux gouvernements ont commencé à restreindre son utilisation. Selon le Secrétariat international de l'interdiction de l'amiante, 67 pays ont désormais interdit l'amiante, y compris tous les pays de l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE), à l'exception du Costa Rica, du Mexique et des États-Unis. Même la Chine a interdit l'amiante.

En raison des restrictions, de nombreux fabricants de matériaux ont travaillé sérieusement pour développer des alternatives à l'amiante. Avec une richesse de ressources derrière eux, ils ont largement réussi. Aujourd'hui, il existe des matériaux compressés sans amiante qui sont constitués de fibres sans amiante, telles que la fibre de verre ou les fibres d'aramide, combinées avec du caoutchouc. Cette formulation s'est avérée avoir de très bonnes performances de température et de pression, et sert souvent de remplacement approprié pour les matériaux contenant de l'amiante.

Il existe des dizaines de matériaux de joints différents disponibles pour répondre aux spécifications de conception technique pour presque tous les systèmes de centrales électriques. Voici quelques-uns des grands types de joints qui existent :

■ Matériaux en caoutchouc spongieux à cellules fermées.■ Comprimé sans amiante.■ Liège.■ Isolation électrique.■ Protection contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radioélectriques (RFI).■ Feutre.■ Fibre.■ Graphite flexible.■ Mousse.■ Matériaux haute température.■ Alliage métallique.

Parmi les matériaux courants et les noms de produits utilisés dans certains des types de joints énumérés ci-dessus, on trouve : Butyle, Cellulose, Chomerics, Cloth-In serted, Elastomers, EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère), Graphite flexible, Formex, HDPE (Polyéthylène haute densité), Hitex, Hypalon, Latex, LDPE (Polyéthylène basse densité), Mylar, Néoprène, Nitrile, Nomex, Nylon, Phénolique, Polyester, Polyuréthane, PTFE (polytétrafluoroéthylène), PVC (chlorure de polyvinyle), silicone, UHMW (poids moléculaire ultra élevé), uréthane, vinyle, viton, feutre de laine et autres.

Selon Latte, les propriétés les plus importantes pour les matériaux d'étanchéité sont :

■ Capacité de charge.■ Étanchéité.■ Comportement élastique d'un matériau d'étanchéité.■ Capacité de résistance chimique contre les fluides.

Latte a noté que la résistance à la traction d'un matériau "n'est pas d'une importance particulière pour des considérations de qualité, car aucune force de traction n'est généralement exercée sur un joint, uniquement des forces de pression". Néanmoins, il a suggéré que la détermination de la résistance à la traction est importante à des fins de production car "c'est une méthode simple et rapide pour démontrer la stabilité et la reproductibilité de la production. D'autres méthodes, à part la détermination de la compressibilité et de la récupération, sont trop longues et coûteuses pour être utilisées pour contrôler la qualité de la production", a écrit Latte.

Lorsqu'il s'agit de choisir le meilleur matériau de joint à utiliser dans une application donnée, il est souvent préférable de consulter un expert. Plusieurs facteurs doivent être évalués pour s'assurer que le matériau choisi est approprié à l'usage prévu. Certaines des considérations clés sont les suivantes :

■ Température. Quelle plage de température doit-il supporter ?■ Pression. Quelle plage de pression doit-il supporter ?■ Média. À quels fluides ou matériaux sera-t-il exposé? Sont-ils abrasifs ou corrosifs ?■ Exposition aux ultraviolets et à l'ozone. Sera-t-il exposé à la lumière du soleil et à l'ozone ?■ Normes du produit. Est-il soumis à des exigences de produit spécifiques à l'industrie ? A-t-il besoin de propriétés de blindage EMI ?■ Normes de l'industrie. Est-il soumis à d'autres normes spécifiques à l'industrie ?

Bien qu'il existe plusieurs raisons pour lesquelles un joint peut devoir être remplacé, la plus courante est après qu'un système ou un composant a été démonté pour la maintenance. C'est alors qu'il est essentiel d'avoir un fournisseur fiable qui peut fournir le joint dont vous avez besoin, quand vous en avez besoin. Lamons est une entreprise qui fournit des joints à l'industrie de l'énergie depuis 75 ans. La société a été fondée en 1947 par WA Lamons et distribue depuis lors des joints de qualité aux industries du pétrole, du gaz et de la pétrochimie. Lamons a également soutenu des clients dans les secteurs de l'armée américaine, des pâtes et papiers, de l'alimentation et des boissons, de l'eau et des eaux usées, de la production d'électricité et de la pharmacie.

Basée à Houston, au Texas, Lamons est devenue l'un des plus grands fabricants privés de joints, de joints, de boulons et de flexibles au monde. Sa croissance a été en partie alimentée par des acquisitions. En 1985, Lamons a acquis Richard Gasket Company, et quelques années plus tard, en 1988, elle a repris Packing and Gasket Engineering. La société a acheté Industrial Bolt and Gasket, une société basée à Beaumont, au Texas, en 1997. En 2010, Lamons a acquis South Texas Bolt and Fitting, ce qui a fait de la société l'un des fabricants de fixations spécialisées les plus compétents au monde.

IsoTek a été acheté en 2012, ce qui a ajouté des joints d'isolation, des manchons et des rondelles au portefeuille de produits de l'entreprise. Avec l'ajout de flexibles en 2016, Lamons a réalisé sa vision de leader mondial des marchés des solutions d'étanchéité et de fixation de sécurité. En 2019, Lamons est devenu membre de la famille First Reserve, l'une des principales sociétés mondiales d'investissement en capital-investissement exclusivement axée sur l'énergie.

Lamons possède une usine de fabrication à Houston d'une superficie totale de 300 000 pieds carrés, qui comprend un ajout de 64 000 pieds carrés (Figure 4) construit pendant la pandémie de COVID, et une autre installation de 30 000 pieds carrés à Denver, Colorado, spécifiquement dédiée à la gamme de produits d'étanchéité et d'isolation IsoTek de l'entreprise.

« Un point crucial de notre succès est survenu lorsque nous avons décidé de créer une expérience à guichet unique pour nos clients », a déclaré Kris Beezley, vice-président directeur du développement stratégique des affaires chez Lamons. "Plutôt que de produire uniquement des joints, nous avons élargi notre offre de produits pour inclure des fixations standard et spécialisées, ainsi que des assemblages de flexibles, ce qui nous a permis de fournir des solutions complètes à nos clients."

Au cours des sept dernières décennies, Lamons s'est enorgueillie de l'amélioration continue et de l'innovation pour mieux servir ses clients et ses industries. L'une des pierres angulaires de cet objectif a été sa philosophie d'un support client supérieur dans le monde entier avec des succursales en Amérique du Nord, en Europe et en Asie qui fournissent des produits de qualité avec un service plus rapide et une livraison à temps.

Le PDG de Lamons, Marc Roberts, a suggéré que l'accent mis par l'entreprise sur le service aux clients est ce qui distingue vraiment l'entreprise des autres fournisseurs (Figure 5). Il a noté que les raffineries et les usines pétrochimiques pourraient perdre des millions de dollars de revenus si une unité devait être maintenue hors ligne même pendant une courte période parce qu'elle attend la livraison d'un joint à 20 $ ou d'un boulon à 5 $. Il sait qu'il en va de même pour les centrales électriques.

"Ce sur quoi nous nous sommes vraiment concentrés, c'est d'augmenter nos niveaux de service, de sorte que nous soyons là 24h/24, 7j/7, n'importe quel jour de la semaine, que ce soit un jour férié ou non, peu importe pour nous. Nous nous assurons que nos clients resteront en ligne et que notre produit ne sera pas l'obstacle à la raison pour laquelle ils ont un problème de temps d'arrêt", a déclaré Roberts.

Beezley a déclaré que l'un des mots à la mode dont il a entendu parler récemment est "glocal", combinant mondial et local. S'il sait qu'il y a des avantages à gagner à travailler avec un fournisseur mondial, ce qu'est Lamons, il y a aussi des avantages à tirer des entreprises avec une touche locale qui offrent un service personnalisé.

"Les gens recherchent des fournisseurs localisés, et ils souhaitent que les fournisseurs s'engagent beaucoup plus à proposer des solutions créatives autour de choses comme l'inventaire géré par le fournisseur ou les programmes VMI, par exemple. Cela peut inclure la gestion des pièces de rechange en consignation ou la recherche d'un partenariat où nous gardons du matériel à portée de main pour aider les clients à être plus compétitifs", a expliqué Beezley.

Ce n'est un secret pour personne que les chaînes d'approvisionnement ont été remises en question ces dernières années, principalement en raison du COVID-19, mais aussi plus récemment en raison des sanctions imposées à la Russie à la suite de la guerre en Ukraine. "Beaucoup de matériel venait d'Europe de l'Est et de Chine", a déclaré Beezley. "Tout cela s'est en quelque sorte transformé ensemble, où, afin de suivre la demande, les entreprises ne peuvent pas continuer à avoir des délais de cinq ou six mois pour répondre à leurs demandes de production. Je pense que cela a déplacé ou poussé une grande partie de cette exigence vers le sous-traitant sur le marché de la chaîne d'approvisionnement, et je pense que c'est ce qui a rendu Lamons beaucoup plus pertinent en tant que fournisseur national pour le marché nord-américain de l'énergie éolienne, par exemple, et vraiment pour la production d'électricité en général."

"Nous fabriquons 78 % de tout ce que nous vendons dans le monde ici à Houston [Figure 6]", a déclaré Roberts à POWER. "Nous ne sommes pas un distributeur. Nous sommes un fabricant direct et vendons directement aux clients. En fait, nous vendons actuellement aux distributeurs."

"L'industrie a en quelque sorte pivoté ici", a déclaré Beezley. "Il y a quelques années, les gens recherchaient essentiellement le coût le plus bas. C'était la seule chose qui importait pour beaucoup de gens, ce qui les a conduits à des fournisseurs en Chine ou en Inde ou dans certains de ces endroits. Maintenant, cela n'a pas fait un total de 180, mais cela a commencé à aller dans une direction différente. Les gens paieront une prime pour un meilleur service client ou pour avoir des programmes de consignation ou VMI. Ce n'était pas vraiment sur la table il y a deux ans. "

Pour l'assistance et les services techniques, Lamons propose une gamme d'offres : solutions d'ingénierie personnalisées, solutions d'ingénierie inverse, pièces usinées spécialisées, usinage de prototypes, formation et assistance sur le terrain. La société utilise également un concept "Focused Factory" pour s'assurer que les commandes les plus urgentes soient exécutées le plus rapidement possible. Roberts a déclaré que le concept était utilisé par l'industrie automobile depuis des décennies.

Ce que Lamons a fait, c'est créer une équipe dédiée qui comprend des ouvriers de production (Figure 7), du personnel d'assistance, des membres de l'équipe de contrôle qualité et d'autres personnes nécessaires pour prendre une commande et produire rapidement un produit qui peut être expédié en quelques heures. Toutes les commandes ne sont pas traitées de cette façon, mais un certain pourcentage de commandes arrivent avec des stipulations indispensables maintenant, et ces demandes bénéficient de ce type de traitement royal. Roberts a déclaré que l'usine ciblée améliore la capacité de Lamons à "servir les clients quand ils en ont besoin, comment ils en ont besoin et où ils en ont besoin".

"Je pense que la plupart des fabricants typiques ont conservé le type d'approche premier entré, premier sorti. C'est comme, 'Vous me donnez un bon de commande, et vous obtiendrez ce que vous voulez quand je vous dirai que les matériaux sont prêts.' Et je pense que beaucoup de gens acceptent cela parce qu'ils pensent qu'ils n'ont pas le choix", a expliqué Beezley. "Mais notre mentalité est vraiment ce que j'appellerais Johnny-on-the-spot. Environ 35 à 37 % de notre activité est de 24 heures ou moins. Près de 55 % de notre activité est de 48 heures. exigences sensibles."

Lamons, l'un des principaux fournisseurs de joints et de joints personnalisés.