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Assemblage à brides boulonnées
Matériaux du joint
Pour les assemblages à brides boulonnées, il existe une variété de matériaux de joints d’étanchéité. En effet, on retrouve des joints métalliques, souvent composés de plusieurs matériaux comme l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre, de même que des joints plats, pour lesquels les matériaux de base les plus couramment utilisés sont les fibres d’amiante, organiques, aramides, carbone et autres. Il est à noter que le graphite flexible et le téflon sont les substitues modernes de l’amiante. L’étanchéité avec les joints élastomères s’obtient sans aucun apport de graisse. Auparavant, les joints non métalliques comme les joints en feuilles d’amiante étaient les plus employés pour assurer l’étanchéité des assemblages à brides boulonnées. Néanmoins, comme ces matériaux comportent des risques pour la santé, leur utilisation a été abandonnée dans l’industrie, ce qui a poussé les industriels à les remplacer par des matériaux alternatifs afin de continuer à assurer l’étanchéité des assemblages à brides boulonnées, tout en préservant la santé des employés. Bien entendu, ces nouveaux matériaux exigent de nouvelles procédures d’essai et des ajustements au niveau des normes de calculs. De ce fait, les organismes de normalisations à travers le monde (EN, ASTM, ISO, ASME, BS, JIS) sont en train d’ajuster leurs procédures d’essai et de calcul suivant la caractérisation et l’utilisation des nouveaux matériaux de joints d’étanchéité.
Pour les joints non métalliques, on fait souvent appel à deux matériaux de remplacement ayant une bonne fiabilité en matière d’étanchéité dans les assemblages à brides boulonnées. Le premier type concerne le joint en PTFE, matériau stable chimiquement et ayant donc une meilleure résistance à l’humidité et aux fluides agressifs, tout en possédant de bonnes propriétés mécaniques. Cependant, sa résistance au fluage-relaxation est limitée ; ce qui le rend vulnérable à l’éclatement due à l’extrusion provoquée par la pression. En deuxième lieu, on retrouve les joints en graphite, idéaux pour des applications à haute température et à haute pression, et qui offrent une meilleure résistance au fluage.
Pour assurer une bonne étanchéité des assemblages à brides boulonnées sous de hautes températures et en raison de la nécessité d’éliminer les matériaux perméables et dégazant, les industriels du joint ont été amenés à produire des joints métalliques. L’étanchéité des assemblages à brides avec joints métalliques est assurée grâce à la déformation plastique du joint. Il existe deux modes de déformation du joint métallique : la déformation par écrasement, dans laquelle le joint est écrasé entre deux brides planes et la déformation par pénétration, obtenue par l’action conjuguée de deux arrêtes portées par deux brides symétriques (CNRS).Ces joints peuvent être fabriqués à partir d’un seul métal ou d’un matériau composite constitué par une lame en acier de bonne élasticité afin d’assurer la résistance et la résilience du joint. Il est aussi possible de les combiner à différents revêtements (aluminium, argent, nickel,…) pour qu’ils résistent à la corrosion et épousent les irrégularités inévitables du joint et des brides (CETIM, 1998).
Comportement thermo-mécanique d’un assemblage à brides boulonnées muni de joint d’étanchéité Dans le but de mieux cerner la fonction d’étanchéité des brides boulonnées munies de joints d’étanchéité, de nombreuses études ont porté sur le comportement des joints vis-à-vis de plusieurs paramètres tels que la variation de la contrainte à travers la largeur des joints à la suite du changement de la température de l’assemblage, la variation de la pression interne du fluide, ainsi que le fluage et la relaxation des joints. Ces études de nature expérimentale, analytique et numérique ont été menées par plusieurs chercheurs afin d’analyser le comportement mécanique et thermique des joints d’étanchéité. Parmi les études les plus généralisées ayant mis l’accent sur l’aspect thermique, on trouve les études menées par Bouzid (1994; Bouzid et Chaaban, 1997), Nechache et al. (2007; 2008) où il détaille l’effet du fluage des différents éléments de l’assemblage à brides boulonnées sur la redistribution des charges et le niveau de l’étanchéité.
Les travaux de Marchand (1991) ont aussi contribué activement à l’analyse du comportement des joints d’étanchéité des assemblages à brides boulonnées soumis à haute température. Dans cette étude, il met en évidence l’effet du vieillissement et la dégradation due à l’exposition à la température sur la performance d’étanchéité des joints plats en élastomère. Des corrélations ont été établies entre la perte de poids du joint et le changement de certaines propriétés importantes, telles que la relaxation de la contrainte de compression, le changement d’épaisseur, la résistance à la traction et l’étanchéité. Aussi, une méthode basée sur le paramètre de vieillissement Ap a été proposée afin de déterminer à long terme la température maximale d’exposition des joints d’étanchéité à base de fibres à ne pas dépasser pour avoir un certain taux de dégradation.
Il importe également de mentionner l’étude de Brown et al. (2002), qui traite de la variation de la charge des boulons sur le joint d’étanchéité en fonction du temps, lorsque les assemblages boulonnés sont soumis à un chargement thermique transitoire. Dans leurs travaux, les chercheurs ont présenté une méthode analytique décrivant l’évolution de la contrainte sur le joint en fonction de la température et du temps, de même que son impact sur la performance du joint. Le modèle analytique développé est validé par des tests expérimentaux et des analyses par éléments finis. L’approche analytique déployée dans cette étude permet entre autre de déterminer les cas extrêmes d’exploitation du joint. Plus récemment encore, on trouve les travaux de Abid (2006), qui a analysé la résistance du joint et sa capacité d’étanchéité sous l’effet combiné de la pression interne du fluide et d’un régime permanent de la température d’un assemblage à brides boulonnées. Cette étude présente une approche par éléments finis 3D non linéaires.
La défaillance en étanchéité des brides boulonnées est beaucoup plus prononcée avec la présence d’un chargement thermique, car les composantes les constituants se dilatent de manière différente. L’auteur a conclu aussi que l’assemblage testé était efficace pour une pression inférieure à 8 MPa si la température ne dépasse pas 100 °C. Pour un bon fonctionnement de l’assemblage en matière d’étanchéité, il est nécessaire de considérer la pression et la température simultanément. En effet le diagramme pression température des différentes classes de brides stipule qu’à mesure que la température d’opération augmente, la pression d’opération doit diminuer.
Dans les travaux d’Abid et al. (2007), les auteurs ont constaté que le fait de choisir un joint en tenant compte uniquement de sa pression interne est insuffisant, parce que le comportement des divers éléments de la bride boulonnée sous l’effet de l’augmentation de la température est différent, en raison de l’écart entre les coefficients d’expansion thermique de ces éléments. La charge sur le joint d’étanchéité est donc affectée à la suite des variations de la température à court terme (Bouzid et Nechache, 2005a; 2005b). Cependant, il est important de mentionner que la température a pour effet de diminuer la porosité du matériau de joint et la viscosité du fluide; ce qui altère le taux de fuite. Concernant l’approche mécanique, les travaux de Mathan et al. (2008) et Murali Krishna et al. (2007) développent une analyse par éléments finis tridimensionnels de l’effet de la flexion externe des brides sur le comportement non linéaire des joints, et par conséquent sur leur performance d’étanchéité. Dans les travaux de Murali Krishna et al. (2007), trois types de joints métalliques spiralés ont été utilisés pour déterminer leurs performances d’étanchéité. Dans cette étude, ils notent la présence d’une distribution non uniforme des contraintes à travers la portée des joints. Plus encore, les auteurs constatent que les brides boulonnées fuient à cause de la rotation de la bride, même si celle-ci est faible (de l’ordre de 0,3°).
Parmi les travaux récents s’intéressant au comportement de nature thermomécanique des joints d’étanchéité, on trouve les travaux de Sawa et al. (2004), (2007). Dans ce dernier, la distribution des contraintes de contact sur des joints pour différents assemblages a été calculée par la méthode des éléments finis sous température élevée et à différentes pressions internes. Dans le premier article, les auteurs utilisent un joint spiralé, alors que dans le second, le joint est en graphite. La fuite a été estimée à partir de la distribution des contraintes de contact sur le joint, obtenue par une analyse par éléments finis. Les recherches susmentionnées, mettent l’accent sur l’importance d’une étude plus approfondie des joints d’étanchéité. En effet, l’évaluation de la quantité du fluide traversant le joint est un souci majeur des concepteurs de brides. À ce jour, il n’existe que très peu de modèles fiables pour la prédiction de fuites. Cependant, une étude sur les micro-écoulements est d’une importance primordiale afin de permettre une meilleure maîtrise des phénomènes de fuites des joints d’étanchéité, et aussi de définir les différents régimes d’écoulement qui y sont associés.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Assemblage à brides boulonnées
1.3 Fuites dans les assemblages à brides boulonnées
1.4 Joint d’étanchéité
1.4.1 Notion de porosité
1.4.2 Technologie des joints d’étanchéité
1.4.2.1 Types de joint
1.4.2.2 Matériaux du joint
1.4.3 Comportement thermo-mécanique d’un assemblage à brides boulonnées muni de joint d’étanchéité
1.5 Modélisation numériques et analytiques des micro-écoulements
1.6 Prédiction de fuite dans les joints d’étanchéité
1.7 Procédures expérimentales de caractérisation d’étanchéité d’un joint
1.8 Régimes d’écoulement à travers un joint d’étanchéité
1.8.1 Régime d’écoulement laminaire
1.8.2 Régime d’écoulement moléculaire
1.8.3 Régime d’écoulement intermédiaire
1.9 Taux de fuites des liquides
1.10 Conclusion
1.11 Objectif de la thèse
CHAPITRE 2 MONTAGES EXPÉRIMENTAUX
2.1 Introduction
2.2 Joints testés
2.3 Fluides utilisés
2.4 Banc d’essai ROTT
2.5 Banc d’essai UGR
2.6 Mesure de la fuite
2.6.1 Mesure de fuite par débitmètre
2.6.2 Mesure de fuites par variation de pression
2.6.2.1 Montée de pression
2.6.2.2 Chute de pression
2.6.3 Mesure de fuites par spectromètre de masse
2.6.4 Mesure de fuites liquides
2.7 Système d’acquisition et de contrôle des données
2.8 Plan expérimental
2.8.1 Procédure d’essai
2.8.2 Calibration du spectromètre RGA 300
2.8.3 Compensation de la température des bancs d’essais
2.9 Méthodes recommandées pour les mesures de fuites
2.10 Conclusion
CHAPITRE 3 CORRELATION OF GASEOUS MASS LEAK RATES THROUGH MICRO AND NANO-POROUS GASKETS
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Analytical Modeling
3.4.1 Capillary model (model 1)
3.4.2 Annular model (model 2)
3.4.3 Exploitation of theoretical models
3.5 Experimental set-up
3.6 Results and discussion
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 LIQUID LEAK PREDICTIONS IN MICRO AND NANO-POROUS GASKETS
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Analytical modeling
4.4.1 Governing equations
4.4.2 Liquid leak ratio
4.4.3 Measurement of volumetric flow rate
4.5 Experimental set-up
4.6 Results and discussion
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5 PREDICTION OF LEAK RATES THROUGH POROUS GASKET AT HIGH TEMPERATURE
5.1 Résumé
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Theoretical approach
5.5 Experimental setup and test preparation
5.6 Results and discussion
5.7 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I APPROCHE THÉORIQUE : ÉCOULEMENT GAZEUX ET LIQUIDE
ANNEXE II INTERFACES DU PROGRAMME LABVIEW : BANC D’ESSAI ROTT ET UGR
BIBLIOGRAPHIE
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