Les bagues d'étanchéité en carbure sont généralement fabriquées en carbure WC-Ni. Grâce à sa dureté élevée, sa résistance à la flexion, son excellente résistance à l'usure, sa ténacité et sa rigidité, il n'émet pas de rayonnement sous irradiation neutronique. Par conséquent, il peut être utilisé pour l'étanchéité mécanique dans des conditions impliquant des températures et des pressions élevées, des vitesses de rotation élevées, des milieux corrosifs, des milieux chargés de particules solides et des environnements radioactifs. Le carbure WC-Ni a trouvé de nombreuses applications dans des domaines tels que les joints d'essieux dans les systèmes de transmission de véhicules, les transmissions à changement de vitesse sous charge, les pompes spécialisées pour conditions difficiles, les joints rotatifs d'avions, les industries pétrochimiques et l'étanchéité du nucléaire.

Nous avons constaté qu'après environ 80 heures de fonctionnement, de nombreuses fissures apparaissaient à la surface des bagues d'étanchéité. Leur utilisation prolongée pourrait entraîner une défaillance des joints et des pertes économiques importantes. Il est donc nécessaire de procéder à une analyse des dommages et à une évaluation de la sécurité pour résoudre ce problème.

 

Matériel et méthodes d'essai

Matériel de test

Les éprouvettes ont été prélevées sur la bague d'étanchéité en carbure WC-Ni, désignée YWN8. Son diamètre intérieur est de 277 mm, son diamètre extérieur de 302 mm et son épaisseur de 20 mm, comme illustré à la figure 1. Le matériau principal de la bague d'étanchéité est le carbure WC-Ni, avec une fraction massique de WC de 89% et une fraction massique de Ni de 11%. Les propriétés mécaniques du carbure WC-Ni sont présentées dans le tableau 1.

Méthode d'essai

La figure 1(a) présente une vue en coupe de la bague d'étanchéité endommagée, qui présente neuf ensembles de structures de barrages à rainures. Comme indiqué par les repères 1 à 9 sur la figure 1(b), l'essai est organisé selon la répartition des zones de barrages à rainures dans la bague d'étanchéité, en les divisant en neuf groupes. Ces neuf groupes sont ensuite subdivisés en 18 zones plus petites. Une observation au microscope a révélé que six de ces zones présentaient des fissures superficielles : 2-2, 3-2, 4-2, 5-2, 6-2 et 7-2, tandis que les autres ne présentaient aucune fissure superficielle.

Pour l'analyse, le test a sélectionné les zones de la bague d'étanchéité endommagée où des fissures apparaissaient sur la surface d'étanchéité. Les étapes suivantes ont consisté en des tests de contraintes résiduelles de surface, une analyse microscopique de la microstructure de la bague d'étanchéité endommagée et l'identification des causes de l'apparition de fissures à sa surface.

 

Résultats et analyses

Analyse microscopique de la zone endommagée

D'après les observations microscopiques, la zone endommagée 6-2 présentait le plus grand nombre de fissures. Comme le montre la figure 2, la morphologie MEB de l'échantillon de la zone endommagée 6-2 révèle la présence de cinq fissures au total. Ces fissures se situent à la jonction entre le déversoir de la rainure et la barricade de la bague d'étanchéité. Chaque fissure présente une tendance à l'expansion sur toute sa longueur.

Analyse à l'aide d'un interféromètre à lumière blanche

L'analyse MEB mentionnée ci-dessus a révélé que, malgré un volume de fissure important, sa profondeur était relativement faible. Afin d'étudier plus en détail les caractéristiques des dommages subis par la bague d'étanchéité pendant son fonctionnement, des tests et analyses par interférométrie à lumière blanche (interféromètre à lumière blanche 3D Bruker Contour GT) ont été réalisés sur la zone endommagée de la bague d'étanchéité.

Les figures 3 et 4 illustrent respectivement la morphologie tridimensionnelle à l'emplacement de la plus grande fissure et le profil bidimensionnel du point le plus profond de la fissure dans la zone endommagée 6-2. Les résultats révèlent que la rugosité de la zone du déversoir de la rainure est d'environ 0,672 μm, celle de la zone de la barricade d'environ 0,294 μm et la différence de hauteur entre les zones du déversoir de la rainure et de la barricade d'environ 2,43 μm. La largeur maximale de la fissure est d'environ 126,4 μm, avec une longueur maximale d'environ 2,75 mm. Lors des essais, la profondeur maximale de la fissure s'est avérée être d'environ 58,84 μm, tandis que les profondeurs des autres zones de fissure étaient relativement plus faibles.

Analyse de la composition chimique de la zone endommagée

Analyse par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS)

Sur la base de l'analyse morphologique microscopique des fissures mentionnées, la spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDS) a été utilisée pour analyser la composition chimique des points A, B et C (correspondant à la matrice de l'échantillon, à la zone de fissure et à la limite entre le déversoir à rainure et la barricade), comme indiqué sur la figure 2. Cette analyse visait à déterminer d'éventuels changements dans la composition du matériau. Les résultats sont présentés dans les figures 5 à 7.

On observe que la matrice de l'échantillon contient principalement du C, de l'O, du Ni et du W. Dans la zone fissurée, outre les quatre principaux éléments mentionnés précédemment, on trouve également des impuretés telles que du Cu, du Fe et du Ti. Ceci suggère que des transitions d'éléments se sont produites dans les pièces d'accouplement de la bague d'étanchéité pendant le service, entraînant la présence d'impuretés à sa surface. La teneur en oxygène dans la zone fissurée est significativement plus élevée que dans la matrice, ce qui indique la présence d'oxydes et l'apparition d'une usure par oxydation. De même, à la limite entre le déversoir à rainure et la barrière, outre les quatre principaux éléments de la matrice, on trouve des traces d'impuretés telles que du Ti, du Fe et du Zr. La situation d'endommagement est similaire à celle de la zone fissurée, avec la présence de phénomènes d'usure par oxydation.

Analyse par microanalyse par sonde électronique (EPMA)

Afin d'étudier plus en détail l'étendue des dommages causés à la bague d'étanchéité et les caractéristiques de la zone fissurée, ainsi que la répartition de la composition chimique dans cette zone, une microanalyse par sonde électronique (EPMA) a été utilisée pour analyser la surface de la zone fissurée dans le cadre illustré à la figure 8. Les résultats de l'analyse EDS mentionnés ci-dessus ont démontré qu'une usure oxydative s'était produite pendant l'utilisation de la bague d'étanchéité. Par conséquent, quatre éléments (C, W, Ni et O) ont été sélectionnés pour l'analyse de surface de l'échantillon par EPMA.

La figure 9 présente les résultats de l'analyse de surface EPMA de l'échantillon. On observe une répartition relativement plus élevée de C et d'O dans la zone fissurée que dans la matrice, tandis que la répartition de W y est relativement plus faible. En revanche, la répartition de Ni dans la zone fissurée ne présente pas de différences significatives par rapport à la matrice. On peut en déduire un faible niveau d'oxydation dans la zone fissurée, le principal produit d'oxydation étant l'oxyde de W.

Analyse des contraintes résiduelles de surface

Afin d'étudier la répartition des contraintes superficielles de la bague d'étanchéité après utilisation, un testeur de contraintes résiduelles à rayons X portable a été utilisé pour réaliser des essais de contraintes résiduelles sur toute la face d'extrémité d'une bague d'étanchéité C# neuve et d'une bague d'étanchéité D# (fissurée en surface) ayant servi pendant 80 heures. Les positions d'essai et leurs résultats sont présentés à la figure 10. On observe qu'une répartition inégale des contraintes résiduelles superficielles peut entraîner des fissures dans la bague d'étanchéité. En service, les contraintes résiduelles sont libérées par frottement, entraînant la formation de fissures et la défaillance de la bague d'étanchéité.

Comme le montre la figure 11, la contrainte résiduelle diminue progressivement le long de la direction radiale de la bague d'étanchéité, de la bague extérieure à la bague intérieure, passant directement à une contrainte de compression dans la zone de barrage. La valeur de contrainte à l'extrémité de la zone de barrage de la rainure est plus élevée qu'au début (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre le long de la bague d'étanchéité). Les fissures observées sont toutes situées à l'extrémité de la zone de barrage de la rainure, ce qui indique que la différence de contrainte entre le début et la fin de cette zone est relativement faible par rapport à la différence de contrainte entre les extrémités de l'arc. Cette différence de contrainte est insuffisante pour endommager la bague d'étanchéité.

 

 

 

 

Conclusion

(1) La majorité des fissures se situent à la jonction entre le déversoir de la rainure et la barricade de la bague d'étanchéité. La plupart des fissures sont réparties dans la zone de la barricade, où l'étendue des dommages est plus importante que dans la zone du déversoir de la rainure.

(2) Une usure oxydative s'est produite dans la zone endommagée de la bague d'étanchéité pendant l'utilisation, entraînant principalement la formation de produits d'oxyde de tungstène (W). L'oxydation est relativement légère.

(3) En raison d'une différence de contrainte importante entre le déversoir à rainure et les zones de barricade de la bague d'étanchéité, des dommages matériels sont susceptibles de se produire pendant le service, conduisant à l'apparition de fissures microscopiques.

(4) Les fissures sont relativement peu profondes et les dommages causés à la bague d'étanchéité sont mineurs. Cela n'aura pas d'impact immédiat sur la sécurité opérationnelle à court terme.