Soutenance mémoire
MODÈLES NUMÉRIQUES PAR ÉLÉMENTS FINIS
Les joints d’étanchéité
Un joint est destiné à créer et à maintenir une étanchéité statique entre deux brides fixes qui raccordent différents éléments mécaniques dans des installations renfermant une variété de fluides. Les brides peuvent présenter des imperfections mineures (alignement ou excentricité, cavités, stries, déformations et ondulations superficielles) que le joint doit surmonter. L’étanchéité est assurée par l’action d’un effort sur la surface du joint. Ce dernier étant comprimé, épouse les imperfections des brides et s’introduit dans les irrégularités des faces de contact. La combinaison de la pression de contact entre le joint et les brides avec la densification du matériau composant le joint bloque tout chemin de fuite potentiel. Finalement, la sélection du joint d’étanchéité est basée sur :
-la compatibilité chimique avec le milieu du service;
-la température et la pression de service;
-les variations des conditions de service;
-le type d’assemblage concerné;
-le coût (bien que le coût d’un joint est de peu d’importance comparé au coût d’immobilisation ou à des considérations de sécurité).
Par ailleurs, le joint doit avoir une reprise élastique suffisante pour résister au déchargement dû à la pression et au fluage dans des conditions de services normales. Il existe une grande variété de matériaux intéressants pour fabriquer des joints d’étanchéité à base de fibres, matériaux métalliques et métalloplastiques. On distingue : les caoutchoucs butyles, polyéthylène chlorosulphoné, propylenediene éthylène (EPDM), fluoroélastomère, caoutchouc naturel (NR), néoprène, nitrile, silicone, butadiène styrène, aramide, amiante, fibre de carbone, cellulose, verre, fibre minérale artificielle, graphite souple, mica, Téflon, Acier au carbone, titane, acier inoxydable austénitique, alliage 600 (inconel 600), aluminium, cuivre, etc.
Interaction mécanique et flexibilité
Le système en sa totalité, fonctionne comme un ensemble de ressorts reliés entre eux. Les boulons sont étirés et les autres composants de l’assemblage sont comprimés. L’ensemble des composants présente une réponse élastique au fur et à mesure qu’on serre les écrous bien qu’il puisse exister une certaine déformation plastique dans les filets.
Ces derniers se trouvent arrachés si les forces axiales appliquées sur les boulons dépassent leur résistance au cisaillement. Les filets jouent un rôle majeur dans le blocage de l’assemblage et on doit veiller à préserver leur intégrité. Les fixations sont plus efficaces à l’intérieur de leur région élastique dans laquelle aucune déformation permanente des boulons n’est produite. Ils doivent avoir tous les mêmes modules d’élasticité afin d’assurer une distribution uniforme des efforts sur le joint d’étanchéité.
Méthode d’analyse des brides à faces surélevées selon le code ASME
Le code de calcul des assemblages boulonnés de l’ASME se base sur la théorie de plaques minces et la théorie des poutres sur fondation élastique pour la conception des brides à faces surélevées. Le code commence en première étape par calculer la charge requise sur les boulons. Il tient compte des deux conditions suivantes :
-condition d’assise du joint : c’est la détermination de la charge initiale pour asseoir le joint d’étanchéité. Elle dépend des propriétés physiques du joint, de la surface de contact et de la section des boulons.
-conditions opératoires : ce sont les conditions requises pour résister à la force hydrostatique et assurer le maintien de la pression sur le joint lors de la mise en service de la pression interne du fluide.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITÉRATURE ET CALCULS PRÉLIMINAIRES
1.1 Description des assemblages à brides boulonnées
1.1.1 Sommaire sur les caractéristiques des assemblages à brides boulonnées
1.1.2 Classification des assemblages et différents types de brides
1.1.3 Les joints d’étanchéité
1.1.4 État de surface des brides et des joints
1.1.5 Interaction mécanique et flexibilité
1.2 Méthode d’analyse des brides à faces surélevées selon le code ASME
1.2.1 Charges sur les boulons pour le serrage initial
1.2.2 Charges sur les boulons dans les conditions opératoires
1.2.3 Approche du code ASME pour le dimensionnement des brides
CHAPITRE 2 MÉTHODES EXISTANTES D’ANALYSE DES BRIDES À FACE PLATE
2.1 Brides munies de joint pleine face
2.1.1 Contributions principales
2.1.2 Modèle proposé par Blach
2.1.2.1 Géométrie de la bride
2.1.2.2 Forces et moments appliqués sur la bride
2.1.2.3 Hypothèse et approches
2.2 Brides ayant un contact métal-métal au-delà du cercle des boulons
2.2.1 Contributions principales
2.2.2 Modèle proposé par le code ASME
2.2.2.1 Mode de contact entre les brides
2.2.2.2 Hypothèses et approches
2.3 Objectifs
CHAPITRE 3 NOUVEAUX MODÈLES ANALYTIQUES PROPOSÉS
3.1 Brides munies de joint pleine face
3.1.1 Modèle analytique proposé
3.1.2 Calcul des rigidités
3.1.2.1 Rigidité des brides
3.1.2.2 Rigidité du joint
3.1.2.3 Rigidité des boulons
3.1.3 Analyse de flexibilité
3.2 Brides ayant un contact métal-métal au-delà du cercle des boulons
3.2.1 Modèles analytiques proposés
3.2.1.1 Modélisation de la bride en poutre continue
3.2.1.2 Modélisation de la bride en plaque trouée
CHAPITRE 4 MODÈLES NUMÉRIQUES PAR ÉLÉMENTS FINIS
4.1 Introduction
4.2 Brides munies de joint pleine face
4.2.1 Modélisation géométrique
4.2.2 Définition des matériaux
4.2.3 Configuration du maillage et choix des éléments
4.2.4 Interaction mécanique entre les éléments
4.2.5 Conditions aux frontières
4.2.5.1 Pré-serrage des boulons
4.2.5.2 Pression interne et pression hydrostatique
4.2.6 Modèles étudiés
4.2.7 Interprétations des résultats numériques
4.2.7.1 Vérification du modèle
4.2.7.2 Présentations et interprétations des résultats numériques
4.3 Brides ayant un contact métal-métal au-delà du cercle des boulons
CHAPITRE 5 ANALYSES DES RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
5.1 Brides munies de joint pleine face
5.2 Brides ayant un contact métal-métal au-delà du cercle des boulons
CONCLUSION GÉNÉRALE
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