Que se passe-t-il lorsque vous boulonnez un joint en caoutchouc entre deux brides métalliques ? La force de serrage initiale crée un joint et le caoutchouc comble les irrégularités de surface sur les faces de la bride. Avec le temps, cependant, la tension du boulon diminue – même si les fixations ne sont pas visiblement déserrées. Cette réduction de la force de serrage est causée par la relaxation du boulon, un phénomène qui se produit lorsqu’un joint est soumis à une charge constante.
Pour les ingénieurs, il est important de comprendre comment la relaxation de la serrure affecte la performance à long terme du joint. Si la relaxation de la serrure devient excessive, des fuites de fluide et des mouvements du joint peuvent survenir. Cet article d’Elasto Proxy examine la relaxation de la serrure, il explique pourquoi elle se produit, il explore les facteurs qui l’influencent et il examine quelques exemples pratiques.
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Qu’est-ce que la relaxation des boulons ?
La relaxation du boulon est la réduction progressive de la contrainte de compression à l’intérieur d’un joint boulonné. C’est pourquoi on l’appelle parfois relaxation de contrainte ou perte de charge. Peu importe comment on l’appelle, la relaxation du boulon se produit avec le temps et sous une contrainte constante – un étirement ou une déformation qui se produit lorsqu’une force externe est appliquée.
Le métal s’étire aussi. Quand un boulon est serré, il s’étire légèrement pour exercer une force de serrage continue sur le joint. Pour sa part, le joint pousse en arrière sur les brides qui pressent contre lui – tout comme un ressort métallique. Contrairement au métal, cependant, le caoutchouc présente un comportement visco-élastique. Cela signifie qu’il est à la fois visqueux (fluide) et élastique (solide) lorsqu’il est comprimé.
Lorsqu’un joint en caoutchouc est comprimé, il y a une réponse élastique immédiate. Le joint se comprime instantanément et génère une contrainte d’étanchéité initiale. Avec le temps, cependant, il y a un écoulement visqueux retardé. Les chaînes moléculaires à l’intérieur du caoutchouc se réalignent lentement pour soulager le stress interne causé par la compression.
Concrètement, qu’est-ce que cela signifie ? À mesure que le caoutchouc cède à une charge continue, l’épaisseur physique du joint diminue. Ce n’est généralement pas une grande quantité, mais c’est tout de même assez important. À mesure que le joint s’amincit, la serrure étirée se contracte et la tension diminue. En d’autres mots, une relaxation du boulon s’est produite.
Pourquoi la relaxation des boulons est-elle si importante ?
Les joints en caoutchouc doivent maintenir une contrainte minimale du joint afin de préserver un joint étanche contre la pression différentielle, la dynamique des fluides et l’exposition environnementale.
Si la quantité de relâchement du boulon est trop grande, le joint fait face à plusieurs modes de rupture distincts :
- Fuites de fluide et de gaz : Si la pression interne du système est supérieure à la contrainte minimale du joint, le médium contournera le joint.
- Perte de couple de la bride : Les fixations perdent leur précharge, ce qui les rend plus susceptibles de reculer sous les vibrations.
- Coûts d’entretien accrus : Les joints qui décompressent trop nécessitent un retorquage fréquent. Cela augmente les coûts d’entretien de même que le risque de trop de compression du joint.
Facteurs-clés qui influencent la relaxation des boulons.
Quatre facteurs influencent la relaxation des boulons dans les joints en caoutchouc.
Température
La température est le principal accélérateur de la relaxation des boulons.
- Hautes températures : Une chaleur excessive peut faire perdre ses propriétés au caoutchouc. Un composé qui conserve 80% de sa force d’étanchéité à 23 °C peut perdre 50% ou plus de sa force initiale à 100 °C.
- Basses températures : Les températures froides font durcir et rétrécir le caoutchouc. La contraction thermique d’un joint en caoutchouc peut entraîner une chute soudaine de la force de serrage.
Géométrie et épaisseur du joint
La section transversale d’un joint affecte son taux de fluage – c’est-à-dire la déformation lente et permanente d’un matériau solide au fil du temps lorsqu’il est soumis à une charge ou une contrainte constante.
- Joints plus épais : Ils scellent les brides inégales mais subissent un frottement visqueux. Comparativement aux joints plus minces, ils bénéficient d’une plus grande relaxation absolue des boulons.
- Joints non confinés c. joints confinés : Les joints plats comprimés entre des brides plates se relâchent plus rapidement que les joints d’étanchéité (comme les joints toriques) placés dans des rainures entièrement confinées.
Type de matériau et méthode de durcissement
Différents matériaux en caoutchouc fonctionnent différemment sous des charges de compression à long terme. Leur comportement dépend de la structure moléculaire du caoutchouc, mais aussi du système de durcissement utilisé. Le durcissement est le processus par lequel un caoutchouc obtient ses propriétés finales lors de la fabrication du matériau.
- Silicone : Résistance exceptionnelle à la relaxation des boulons à des températures extrêmes (-60°C à +200°C). Il maintient une force d’étanchéité constante bien après que les autres caoutchoucs se sont relâchés.
- EPDM : Excellente rétention de charge dans les environnements ambiants, aquatiques et avec vapeur. L’EPDM durci au peroxyde offre des taux de relaxation nettement plus faibles que l’EPDM durci au soufre.
- Nitrile (NBR) : Bonne résistance au pétrole et aux carburants, mais présente une relaxation des contraintes modérée à élevée au fil du temps – surtout à des températures supérieures à 100 °C.
- Néoprène : Performance de relaxation modérée. Adapté aux applications générales nécessitant de faibles forces de serrage, mais sujet au fluage sous des charges statiques élevées.
- Fluorosilicone : Rétention supérieure de la force à long terme à haute température et dans des environnements chimiques agressifs.
Rigidité des fixations et élasticité des joints
L’élasticité du joint lui-même joue aussi un rôle important.
- Les longs boulons flexibles stockent plus d’énergie élastique et compensent mieux les petites quantités de fluage.
- Les brides rigides empêchent une répartition non uniforme de la charge (rotation de la bride), ce qui concentre la contrainte sur le bord extérieur du joint et accélère le fluage localisé.
Exemples pratiques en ingénierie
Choisir le bon matériau et la conception des joints nécessite d’équilibrer la relaxation des contraintes avec les médias et les températures. Considérez les scénarios suivants :
Enclos extérieurs pour équipement lourd
- Défi : De grandes charnières et loquets de porte exercent une pression statique sur un joint périphérique en EPDM exposé aux variations saisonnières de température (de -40°C à +70°C) et aux vibrations.
- Solution : Une mousse EPDM durcie au peroxyde ou un profilé à double duromètre. La réticulation au peroxyde stabilise le réseau polymère, réduisant la relaxation du boulon et du loquet au fil des années d’altération.
Conduit HVAC industriel à haute température / échangeur de chaleur
- Défi : Les joints à brides fonctionnant à 180°C perdent continuellement le couple du boulon, ce qui fait que de l’air chaud s’échappe à travers le joint.
- Solution : Remplacer les joints plats standard en NBR ou en néoprène par un profilé en silicone de haute qualité. Le silicone maintient une forte contrainte d’étanchéité à des températures élevées. Le NBR subit une relaxation rapide des contraintes.
Couvercle du réservoir de l’unité de puissance hydraulique
- Défi : Un réservoir de liquide rempli d’huile utilisant un joint plat épais en néoprène subit des infiltrations de fluide près du milieu de la portée entre les boulons.
- Solution : Le joint épais permettait un excès de fluage, entraînant un relâchement localisé des boulons et une déviation des brides. Le passage à un joint en fluoro-silicone plus mince avec des brides plus rigides restaure la force uniforme des articulations et élimine la fuite.
Stratégies de conception pour minimiser la relaxation des boulons
Considérez les stratégies de conception suivantes pour minimiser le relâchement du boulon :
- Utilisez des élastomères durcis au peroxyde : Lorsque possible, spécifiez les composés durcis au peroxyde plutôt que les options durcis au soufre.
- Minimisez l’épaisseur du joint : Utilisez le profilé le plus mince possible qui peut tout de même tolérer la planéité des brides.
- Optimisez l’étirement des fixations : Concevez des joints avec des rapports longueur/diamètre de boulon adéquats ou utilisez des rondelles à ressort/Belleville pour absorber de légères réductions d’épaisseur.
- Suivez les séquences des joints toriques appropriées : Boulons de joints toriques en étages croisés pour assurer une répartition uniforme des contraintes initiales sur le profilé du joint.
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La relaxation des boulons est un facteur crucial pour la performance d’étanchéité à long terme. Le joint torique initial du boulon scelle un joint dès le premier jour, mais c’est la relaxation à faible stress qui maintient le joint scellé au fil du temps. Si vous concevez un joint, rappelez-vous qu’Elasto Proxy effectue des revues de conception et aide au choix des matériaux. Nous ne sommes pas seulement un fabricant de joints. Nous sommes aussi un partenaire de fabrication à valeur ajoutée.
