Usure du Polytétrafluoroéthylène chargé :
approche par les débits de troisième corps solide.
Application aux segments de piston de compresseur.
par Laurent Mahé

Chapitre 1 Presentation du compresseur

Ce chapitre présente le principe de fonctionnement d'un compresseur à pistons, la configuration étudiée et l'état de l'art du point de vue des compressoristes. Ce chapitre résulte d'une étude bibliographique et d'une exploitation du savoir-faire du compressoriste.

1.1 Principe de fonctionnement

La variation de volume et la compression du gaz sont obtenues par le mouvement alternatif d'un piston à l'intérieur d'un cylindre, créé par un système bielle-manivelle. Un cycle comprend successivement la compression et le refoulement pendant la course aller, la détente et l'aspiration pendant la course retour.

1.1.1 Structure du compresseur

Le compresseur de cette étude (figure1.1) a une architecture "Flat-Twin" (cylindres horizontaux opposés deux à deux). La compression est multi-étagée avec un refroidissement intermédiaire. Le piston est à double-effet (avant et arrière) : il travaille sur ces deux faces en délimitant deux cellules de compression. Il est donc nécessaire d'utiliser une tige de piston au niveau de l'effet avant et d'articuler la bielle sur une crosse coulissant dans une glissière.

figure 1.1 compresseur multi-étagé à pistons double-effet

Les bielles sont reliées au vilebrequin par l'intermédiaire de paliers lubrifiés afin de constituer le système de transformation du mouvement rotatif en mouvement alternatif. Ce mécanisme est logé dans un bâti sur lequel sont fixés les cylindres par l'intermédiaire des entretoises, le vilebrequin étant supporté par des paliers situés dans le bâti. Il est nécessaire d'augmenter l'inertie du vilebrequin à l'aide d'un volant afin de vaincre l'irrégularité cyclique provoquer par le mouvement alternatif des pièces massives et par le cycle de compression {nun93}. Les éléments animés d'un mouvement alternatif (crosses, tiges et pistons) sont regroupés sous le terme de "masses alternatives ". Le mécanisme constitué des pistons, tiges de pistons, crosses, bielles, vilebrequin et du volant est appelé l'équipage mobile du compresseur (figure 1.2).

figure 1.2 équipage mobile du compresseur.

L'équipage mobile, les cylindres, les entretoises et le bâti constituent le compresseur, celui-ci est relié au moteur d'entraînement par l'intermédiaire d'un accouplement élastique et d'un système poulies-courroies. La chaîne cinématique de la machine est constituée du rotor du moteur, de la transmission moteur-compresseur et de l'équipage mobile du compresseur. La machine est constituée du compresseur, du moteur, de l'accouplement ainsi que de toute la chaudronnerie nécessaire au "process" (échangeurs thermiques, tuyauterie, ballons antipulsatoires..

figure 1.3 compresseur.

1.1.2 Fonction compression

La loi qui définit la variation de pression d'un gaz en fonction de son volume, au cours d'une compression ou d'une détente, dépend principalement de la nature physico-chimique du gaz et des conditions d'échange de chaleur avec l'extérieur, au cours de l'évolution considérée. Il existe les trois lois d'évolution suivantes : isotherme, adiabatique et polytropique (figure 1.4).

Dans la pratique industrielle, les compressions ou les détentes sont intermédiaires entre l'évolution isotherme et l'évolution adiabatique, la loi d'évolution est polytropique.

figure 1.4 diagramme théorique de compression {des88}.

1.1.3 Fonction aspiration-refoulement

Le remplissage de la cellule de compression et le refoulement du gaz à la fin de la compression se réalisent en faisant passer le gaz à travers un clapet automatique. Le gaz est aspiré, ou refoulé, à travers le clapet automatique qui laisse passer le gaz lorsque la pression en aval devient inférieure à la pression en amont et s'oppose au retour du gaz lorsque la pression en aval devient supérieure à la pression en amont.

1.1.4 Fonction étanchéité

La compression à double-effet nécessite la présence d'une garniture d'étanchéité au niveau de la tige de piston pour assurer le fonctionnement de l'effet avant, et de segments d'étanchéité sur le piston afin de séparer les deux effets. Lorsque le contact entre les segments d'étanchéité et le cylindre est lubrifié avec un film d'huile, ils ne s'usent pas et assurent les fonctions portance du poids propre du piston et étanchéité. Dans la compression exempte d'huile, ces fonctions sont découplées, la portance est assurée par des segments porteurs.

1.1.5 Fonction transfert thermique

Cette fonction se scinde en trois points : le réchauffage du gaz à l'aspiration, le refroidissement de la cellule de compression et le refroidissement inter-étages.

• Réchauffage du gaz à l'aspiration

  Avant d'entrer dans la cellule de compression, le gaz doit traverser une conduite d'admission et un clapet qui sont généralement à une température supérieure à la température d'aspiration. Il en résulte un premier échauffement du gaz par convection.

• Refroidissement de la cellule de compression

  Le gaz comprimé dans la cellule de compression échange de la chaleur avec la paroi interne par convection. Cet échange de chaleur n'est pas constant sur un cycle. Il varie principalement en fonction de la vitesse du gaz, de la surface d'échange, de la température du gaz, de la température de la paroi et de la nature physico-chimique du gaz. Dans la réalité, la surface d'échange étant faible, l'écart de température entre le gaz et la paroi interne restant inférieur à 70°C (la température de la paroi interne est maintenue constante grâce à une circulation de liquide de refroidissement à travers un double chemisage dans le cylindre), l'influence de l'échange de chaleur reste faible et l'évolution reste très proche de l'évolution adiabatique.

  Différents modes de transfert de chaleur entre le gaz et les parois internes sont mis en jeu durant un cycle complet : la conduction, la convection et le rayonnement. La température du gaz dans le cylindre restant assez faible (inférieure à 180°C) et les surfaces d'échanges étant petites, le transfert de chaleur par rayonnement est négligeable. Le mode de conduction est également négligeable, la conductivité des gaz comprimés étant très faible devant celle des matériaux du cylindre et du piston.

• Refroidissement inter-étages

  Il est nécessaire de fractionner la compression avec un refroidissement du gaz entre chaque étage, afin de limiter les températures des composants et d'obtenir un meilleur rendement énergétique.

1.2 Configuration étudiée

Cette étude porte sur le segment porteur du premier étage basse pression d'un compresseur d'air atmosphérique. L'air aspiré est donc à la température et à la pression atmosphérique. Le piston est en aluminium (figure 1.5), les segments sont en PTFE chargé et le cylindre en fonte. Le piston est en deux parties. Il y a 2 segments d'étanchéité et un segment porteur (figure 1.6). Les segments d'étanchéité sont ouverts avec une coupe oblique. Le segment porteur est monobloc et est fretté sur le piston. Les garnitures d'étanchéité entre la tige et l'entretoise sont des tresses en carbone/kevlar/PTFE placées dans un presse-étoupe.

figure 1.5 piston avec sa segmentation.

figure1.6 types de segments.

Les différents paramètres de fonctionnement sont :

• Vitesse de rotation du vilebrequin Vc: 400 à 1000 tr/min,
• Vitesse moyenne piston Vmoy: 1,6 à 3,9 m/s,
• Vitesse maximum piston Vmax: 2,6 à 6,4 m/s,
• Accélération maximum gmax : 128 à 802 m/s²,
• Pression d'aspiration Pasp: pression atmosphérique,
• Pression de refoulement relative Pref: 0,5.10^5 à 3,3.10^5 Pa,
• Température d'aspiration Tasp: température atmosphérique,
• Course du piston : 120 mm,
• Diamètre du cylindre : 250 mm,
• Diamètre du piston : 246,5 mm, item Diamètre de la tige : 32 mm,
• Masse du piston + 1/2 tige : 17 kg.

1.3 Etat de l'art des connaissances sur la segmentation

En considérant les problèmes de frottement et d'usure provoqués par le fonctionnement des segments sans lubrification fluide, il est nécessaire de préciser les motivations qui ont conduit à proscrire l'utilisation de lubrifiants fluides : températures de services élevées entraînant une désagrégation du lubrifiant ou son élimination par combustion, milieu corrosif détruisant le lubrifiant, contamination du système par le lubrifiant (propreté des aliments, boissons, produits pharmaceutiques et chimiques), impossibilité d'accès au système pour une addition de lubrifiant, risque d'explosion du lubrifiant. Dans notre cas, l'air comprimé doit être propre car il est utilisé pour souffler des bouteilles de boissons en PET.

Dans ce qui suit un état de l'art des connaissances sur la segmentation sera fait à partir du savoir-faire et de l'expérience du compressoriste et de ces fournisseurs, et des publications spécifiques aux segments de piston sans lubrification fluide {fuc80, har66, hil96, lew68, lew89, pia81, tab75 ,tho85 ,wan90, wil99}. L'étude bibliographique des phénomènes physiques mis en jeu dans un contact segment/cylindre sera abordée plus loin, le but étant ici de présenter les outils dont dispose le compressoriste pour concevoir un contact avec une durée de vie maximale.

1.3.1 Matériaux

Les matériaux utilisés pour les segments sans lubrification fluide sont pratiquement sans exception non-métalliques. Ceci est dû à la tendance des métaux à se souder dans ce type de conditions de frottement. Dans la catégorie des matériaux non-métalliques, les plus couramment utilisés pour ce type d'application sont les polymères, les carbones et les céramiques.

Les polymères constituent le groupe le plus important et le plus diversifié. Ceci est dû en partie à leur grande facilité de fabrication, à leur faible coût et à l'importance de la gamme de propriétés possibles. Les plus utilisés sont les polyamide-imides, les sulfures de polyphenylènes, les aramides et les polytétrafluoroéthylènes chargés. Pour la fabrication de segments, la famille des polymères la plus répandue est celle du PTFE chargé qui présente des caractéristiques de faible frottement, des taux d'usure faibles, et offre une souplesse de conception. L'éventail des températures convenables à ces matériaux va de -17°C à 232°C.

L'addition de charges au PTFE est nécessaire pour limiter l'usure. Le rôle de ces charges n'est pas totalement compris, mais leur présence est nécessaire pour obtenir des taux d'usure faibles. Le choix du type de charges est basé sur les conditions de service de l'application prévue. Le PTFE est chargé avec différents matériaux qui sont par exemple le verre, le carbone, et le bronze.
Les surfaces frottantes antagonistes sont par exemple de la fonte grise, ou de l'acier au carbone courant.

Les données trouvées sur l'usure de ces matériaux dans la littérature ne sont pas uniformes, l'information qui peut en être tirée est que tel matériau donne des résultats bons ou mauvais pour une application donnée. Les compressoristes et les fabricants de segments disposent tous de tables où à telle application correspond tel matériau.

1.3.2 Variables à considérer

Température

Le choix des matériaux doit être effectué en tenant compte de tous les paramètres de l'application prévue. La considération initiale est normalement la température, ce qui réduit automatiquement la liste des matériaux possibles.

La température du système ou la température volumétrique est importante, mais c'est la température de l'interface qui est critique car elle affecte l'usure, et celle-ci peut être supérieure ou inférieure à la température du système. Elle peut être supérieure en raison de l'apport thermique provoqué par le frottement. Elle peut être inférieure si l'interface est refroidie efficacement.

Dans la pratique, il faut supposer que la température de l'interface sera supérieure à celle du système, qui est considérée comme la température de refoulement. Une méthode empirique consiste à prévoir une température d'interface d'environ 20 % supérieure à celle du système.

Une fois la catégorie de matériaux choisie sur cette base, d'autres conditions de fonctionnement sont prises en considération. Les autres variables principales comprennent la pression, la vitesse et le mode de fonctionnement, le milieu à rendre étanche, et le matériau et la finition du cylindre. Tous ces facteurs affectant l'usure doivent être traités ou compensés sous peine de ne pas obtenir un fonctionnement satisfaisant.

Calcul des températures : Le compressoriste évalue les températures moyennes, après stabilisation, du cylindre à la paroi interne Tp, du piston Tpist, de la segmentation Tseg et de la surface frottante Tsf à l'aide de formules empiriques dont les paramètres sont la température d'aspiration Tasp et de refoulement Tref. Ces formules sont les suivantes (températures en °C) :

(1.1) Tp = ( Tasp + Tref ) / 2 + 10°C

(1.2) Tpist = ( Tasp + 2 Tref ) / 3

(1.3) Tseg = Tpist

(1.4) Tsf = Tpist + 30 à 40°C

Pression

La pression comme la température est un facteur limitant dans le choix des matériaux. L'augmentation de la pression réduit le nombre de matériaux candidats. D'une façon générale, l'augmentation de la température ou de la vitesse doit se traduire par une diminution de la pression admise.

Vitesse

En général, la vitesse de référence correspond à la vitesse moyenne du piston. Toutefois, il est également important de prendre en considération les effets de la longueur de la course et du nombre de tours par minute, car chacun affecte l'inertie, l'échange thermique et le nombre de démarrages et d'arrêts d'un segment par unité de temps.

Bien que la vitesse soit également un facteur limitant, son rôle n'est pas clairement défini comme la température et la pression. Le motif de la panne associée à une vitesse excessive est principalement une dégradation de la matière résultant d'un échauffement provoqué par le frottement. Il est possible de prolonger la durée de fonctionnement ou même d'éviter une panne catastrophique en augmentant le refroidissement de la surface de contact. Des techniques telles que le refroidissement par l'air ou par l'eau, ou l'augmentation du débit de réfrigérant existant peuvent être utilisées pour l'obtenir. Si la chaleur peut être absorbée à une vitesse suffisante, la vitesse admise peut être augmentée. Il existe toutefois des limites.

Milieu de fonctionnement

Les gaz comprimés peuvent être corrosifs et comporter des éléments abrasifs entraînés. Lorsque la corrosion pose un problème, il faut choisir les matériaux en conséquence. Les impuretés dans le système devront être éliminées par une filtration appropriée. Outre ces facteurs la nature de l'atmosphère et son point de rosée peuvent avoir un effet dramatique sur la longévité des segments.

Diverses études montrent que l'atmosphère et le point de rosée sont critiques pour la résistance à l'usure des PTFE chargés. Par conséquent, il faut apporter une attention toute particulière aux milieux de fonctionnement lors du choix des matériaux pour les segments et le cylindre.

Cylindres

Le choix des matériaux composant le cylindre est beaucoup plus limité que pour le segment car lors du choix du matériau qui constituera la surface de contact, il faut tenir compte non seulement de l'usure et de la compatibilité des matériaux en contact, mais également de la dureté, de la résistance à la corrosion, de la fatigue et de la conductivité thermique. Parfois le choix est tellement réduit qu'il s'avère nécessaire de revêtir ou d'enduire la surface de contact afin d'obtenir une situation compatible à faible usure. Un couple de matériaux est dit incompatible lorsqu'ils sont susceptibles de former des solutions solides augmentant ainsi les risques de grippage, par exemple le fer et l'aluminium.

Les principaux candidats pour les surfaces en contact avec les segments sont les fontes et les aciers trempés. Lorsque d'autres matériaux tels que les aciers inoxydables doivent être utilisés, une surface chromée ou nitrurée fournie la compatibilité nécessaire.

Outre la compatibilité, il est important d'avoir une finition de surface uniforme dans un éventail prescrit sur la surface de contact. Avec les segments en PTFE, l'éventail préconisé est de Ra = 0,15 à 0,40 micro-m basé sur des essais en laboratoire, mais un éventail de Ra = 0,25 à 0,50 micro-m a donné de bons résultats en exploitation. Les expériences en exploitation avec des finitions Ra inférieures à 0,15 micro-m ou supérieures à 0,50 micro-m ont révélé des taux d'usure élevés qui ont été ramenés dans les normes en prenant les finitions de surface préconisées.

Une surface idéale serait extrêmement dure et avec une structure microscopique fine type "peau d'orange". La surface de contact doit donc être sélectionnée sur la base de la compatibilité, mais elle doit avoir également la bonne finition de surface si un faible taux d'usure veut être obtenu.

Conclusion

Actuellement, les compressoristes prennent en compte ces principales variables opérationnelles afin d'obtenir une performance satisfaisante. Les limitations de température et de pression sont déterminées par les caractéristiques inhérentes aux matériaux. Les autres facteurs sont déterminés plus par les conditions de fonctionnement. Par ailleurs ces variables sont, dans une certaine mesure, interdépendantes. Une modification de l'une permet ou nécessite une modification des autres. Ne pas tenir compte de ces variables compromettra les chances d'un fonctionnement correct, tandis qu'une attention particulière à ces variables peut assurer un fonctionnement correct.

1.3.3 Facteurs d'études

Une attention particulière à la conception des segments peut augmenter sensiblement leur longévité. Une bonne conception devra tenir compte des caractéristiques particulières des matériaux ainsi que de leurs limitations, et incorporer des éléments d'études réduisant l'usure au minimum. La pratique courante dans la conception d'un mouvement alternatif sans lubrification fluide comprend le montage de segments porteurs qui soutiennent le piston et le séparent du cylindre, le piston et le cylindre étant fabriqués dans des matériaux souvent incompatibles. Les segments d'étanchéité doivent être étudiés pour subir les conditions de service, surtout les différentiels de pression, pour obtenir une longévité constante et raisonnable. En outre, la conception sera également influencée par une bonne étude des interactions de dilatation et de conductibilité thermique entre les matériaux métalliques et non-métalliques. Les segments porteurs sont donc utilisés pour soutenir le piston et réaliser les jeux entre le piston et le cylindre, les segments d'étanchéité assurant uniquement la fonction étanchéité.

La charge supportée par le segment porteur est habituellement calculée comme le poids du piston plus la moitié du poids de la tige. Différentes méthodes sont utilisées pour définir la largeur du segment porteur. Certains fabricants supposent que 90degre de la circonférence du segment porteur est effectivement en contact avec le cylindre, d'autres 120degre voire 180degre. La pression de contact admise dans l'industrie varie entre 3,4.10^4 Pa et 5,5.10^4 Pa.

L'un des soucis principaux de la conception des segments porteurs est qu'ils puissent être sollicités par la pression ce qui les transformeraient en segments d'étanchéité. Cette sollicitation ajoutée au poids du piston accélère l'usure du segment porteur. De plus, l'activation du segment porteur par la pression peut provoquer une détente des segments d'étanchéité et les faire sortir de leur gorge.

Pour éviter ceci beaucoup de fabricants incorporent des gorges de détente sur les segments porteurs. Deux types de segment porteur existent, les ouverts qui sont installés comme les segments d'étanchéité, et les monoblocs qui sont frettés sur le piston. Cette dernière configuration est conçue spécifiquement pour éviter son activation par la pression. Certains fabricants considèrent que les gorges de détente sont inutiles sur les segments porteurs monoblocs.

En raison des différents coefficients de dilatation thermique des matériaux de piston, de cylindre et de segment, le jeu piston/cylindre est défini de façon à tenir compte d'une dilatation suffisante du piston et du segment porteur. Les segments porteurs monoblocs présentent une épaisseur limite liée la fabrication et au montage, ceux-ci devant épouser parfaitement la gorge du piston en se rétractant.

La conductibilité thermique des matériaux de segments est un autre facteur à prendre en considération lors de l'étude d'une application sans lubrification fluide. Beaucoup de matériaux de segment d'utilisation courante ont une mauvaise conductibilité, il est donc indispensable de refroidir le cylindre afin d'évacuer la chaleur générée par le frottement à l'interface du contact segment/cylindre.

Le fonctionnement sans lubrification fluide nécessite la prévention de tout contact entre le piston et le cylindre. Ceci nécessite la conception de segments porteurs supportant la pression de contact et possédant des gorges de détente lorsqu'ils sont ouverts. La conception de segments d'étanchéité doit tenir compte du jeu important entre piston et cylindre ainsi que des températures et pressions de service. Des éléments tels que des chanfreins, des gorges d'équilibrage de la pression et le nombre de segments d'étanchéité sont utiles pour assurer une longévité suffisante.

1.3.4 Prévisions de l'usure

Divers auteurs {fuc80,lew68,wan90} ont proposé des moyens de prévision de la longévité des segments d'étanchéité dans les compresseurs.

L'un d'eux est l'utilisation de la théorie de Archard-Hirst qui indique que le volume d'usure (W en mm^3) est proportionnel à la pression de contact (P en MPa), la vitesse (V en mm/s) et le temps (t en s). Un coefficient d'usure K défini par l'équation : K = W / PVt peut être établi au moyen d'essais sur les PTFE chargés. Les valeurs K obtenues seraient reproductibles dans des limites spécifiées de pression, de vitesse et de température. Ces limites conviendraient à la plupart des compresseurs à un ou deux étages utilisant une pression d'entrée atmosphérique. L'expérience a montré que cette méthode est pessimiste et que les calculs en résultant donnent une longévité de segments bien inférieure à la réalité. Par ailleurs en exploitation, cette méthode ne donne pas de prévisions satisfaisantes.

Une autre méthode de prévision, se basant sur des études effectuées sur des compresseurs, montre l'influence de la température et de la géométrie du segment. Avec cette méthode la longévité des segments en PTFE est fonction de ( CKPV / N +T ). C est un facteur de compatibilité entre le milieu, le matériau du cylindre et le matériau du segment. K est un facteur de configuration du segment. P est la pression différentielle sur les segments (en Pa). V est la vitesse moyenne du piston (en m/s). N est le nombre de segments. T est la température du cylindre (en K).

Les moyens de prédictions présentés précédemment ne doivent pas suggérer que le contrôle de l'usure des segments sans lubrification fluide soit une science précise et bien définie. Au contraire, au mieux c'est un jugement calculé. La première étape dans la prévision d'un taux d'usure est la formulation d'hypothèses. Par la suite les calculs sont basés uniquement sur des paramètres qui ont été identifiés comme affectant l'usure et seulement dans la mesure où un rapport fonctionnel et quantifiable entre ces paramètres peut être établi. Dans la littérature, plus de 25 variables différentes ont été identifiées, mais seule une fraction de celles-ci est chiffrée dans des rapports prévisibles entre elle pour l'analyse de l'usure.

1.4 Conclusion

Actuellement il n'existe aucun moyen théorique fiable prédisant la durée de vie de la segmentation. Les compressoristes se basent sur leur expérience et celle de leurs fournisseurs pour choisir la segmentation pour une application donnée.

Pourtant, depuis la découverte du polytétrafluoroéthylène par R.J. Plunket (Du Pont de Nemours), de nombreuses études ont été menées sur son usure, qui peuvent se scinder en deux catégories d'investigations. D'une part, l'imagination des mécanismes d'usure à partir de l'observation des surfaces après ouverture du contact. Malgré la qualité des observations faites, elles ne permettent pas d'atteindre une vue dynamique des phénomènes. D'autre part, l'élaboration de lois d'usure reliant le volume usé à des paramètres mécaniques tels que la pression de contact et la vitesse de glissement, à partir d'essais sur des simulateurs. Ces lois sont malheureusement, le plus souvent, uniquement valides sur le simulateur utilisé.

Ces constats, applicables à l'ensemble des problèmes tribologiques avec troisième corps solide, ont conduit à l'élaboration d'une démarche tribologique ou l'ensemble du triplet tribologique (mécanisme, premiers corps, troisième corps) est pris en compte. Cette étude se base sur cette démarche et sur les outils conceptuels que sont les mécanismes d'accommodation de vitesses et le circuit tribologique. Le triplet tribologique est constitué du mécanisme (compresseur), des premiers corps (segment, cylindre) et du troisième corps. L'usure sera donc abordée en terme de débit de troisième corps.

Chapitre 2 Démarche