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Prédiction des fuites gazeuses et des fuites liquides dans les joints d’étanchéité micro et nano-poreux

Grine, Lotfi (2012). Prédiction des fuites gazeuses et des fuites liquides dans les joints d’étanchéité micro et nano-poreux. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le joint d'étanchéité constitue l'élément névralgique de tout assemblage mécanique pressurisé. Un mauvais choix ou tout simplement l’utilisation non appropriée d'un joint d'étanchéité peut engendrer des fuites inacceptables ou des infiltrations d'agents contaminateurs pouvant être potentiellement dangereux pour les êtres humains et l'environnement. L'objectif de ces travaux de recherche consiste en la prédiction analytique des fuites gazeuses et des fuites liquides dans les joints d’étanchéité utilisés dans les assemblages à brides boulonnées. Après avoir étudié la nature de l'écoulement des fluides à travers les milieux poreux, tels que les joints d'étanchéité, notre attention se portera essentiellement sur la prédiction des fuites dans les assemblages à brides boulonnées pour plusieurs fluides, dont le comportement en étanchéité avec un fluide de référence (l’hélium) connu. Un banc d’essai expérimental a été réalisé afin d’analyser l’effet thermique, en plus de l’effet mécanique sur le régime d’écoulement des joints.

La contribution scientifique présentée dans ce rapport se scinde en trois parties. La première a pour objectif de proposer un modèle analytique capable de prédire les fuites de différents gaz en fonction d’un gaz de référence, tout en se basant sur l’identification de la structure interne du joint d’étanchéité. À partir de ce modèle analytique, une approche théorique a été adoptée dans le but de calculer les paramètres de porosité du joint, tels que le nombre et la taille des chemins de fuites. Nous avons défini les conditions limites nécessaires à l’établissement d’un modèle basé sur un régime d’écoulement glissant du premier ordre et à l’exploitation théorique de ce modèle. Pour ce faire, des tests ont été effectués grâce à un banc d’essai illustrant fidèlement un assemblage de brides boulonnées, piloté par un programme développé à l’aide du logiciel Labview. Les études effectuées pour la prédiction des fuites à travers le joint d’étanchéité se sont limitées aux gaz.

Dans la deuxième partie, notre objectif consiste à prédire le taux de fuite, en portant une attention particulière aux liquides. Cette prédiction se fonde sur des mesures expérimentales de micro écoulements gazeux. Nous proposons ici une modélisation analytique pour prédire de débit de fuite, à partir de la théorie de Navier-Stokes. Le développement d’une technique de mesure de fuites dans le cas des fuites liquides a été nécessaire pour réussir cette section de l’analyse.

Dans la dernière partie de cette étude, le défi était d’étendre et de valider l’applicabilité du modèle théorique basé sur un régime d’écoulement glissant et sur la prédiction des fuites gazeuses à travers les joints d’étanchéités, tout en considérant le changement de porosité du joint et de la viscosité du fluide sur le niveau d’étanchéité à la suite de l’augmentation de la température. L’approche analytique a été utilisée pour caractériser la structure interne du joint d’étanchéité développé dans la première partie de cette étude. Plusieurs essais préliminaires ont été effectués afin d’acquérir une meilleure compréhension de l’écoulement à travers un milieu poreux et à partir de différents processus intervenant lors d’une mesure de fuite.

La maîtrise parfaite de l’ensemble de la chaîne des mesures assure la qualité de nos résultats de mesures. C’est pourquoi une méthodologie particulière d’essais a été adoptée pour chaque partie de l’étude, afin de réussir les tests. La démarche expérimentale a permis d’une part de valider les résultats théoriques, et d’autre part d’éclaircir le phénomène d’étanchéité maximale adopté par le joint lorsque celui-ci est soumis à un niveau de contrainte élevé. Ce phénomène est communément appelé "Tightness hardening".

À partir du modèle obtenu, nous avons été en mesure de dégager une analyse plus détaillée dans le but de caractériser l’étanchéité d’un joint en fonction de la différence de pression, de la température et de la contrainte sur le joint, tout en modélisant la structure du joint soit par un réseau de capillaires rectilignes ou un ensemble de couches annulaires.

Titre traduit

Prediction of gaseous leak and liquids leak in gaskets micro and nano-porous

Résumé traduit

The gasket is the central element of any pressurized mechanical assembly. A bad choice or simply a misuse of a gasket can cause unacceptable leakage or seepage of contaminants that can potentially be dangerous to humans and the environment.

The objective of this research work is to predict gas leaks and liquid leaks through gaskets used in bolted joints. After studying the nature of fluid flow through gaskets considered as porous media, our attention was essentially focused on the prediction of leaks in a gasketed joint with several fluids, based on a known behavior with a reference fluid (helium). An experimental test rig was developed to study the flow regime due to the porosity change of the gasket as a result of mechanical and thermal loads. The scientific contributions presented in this report are divided into three parts. The first part of the study aims to propose an analytical model that predicts the leakage of various gases based on leakage measurements of a reference gas from which the porosity parameters of the gasket are deduced. Based on the analytical model and leakage measurements, the number and size of the leak paths are determined. Boundary conditions necessary to establish a model based on a slip flow regime of the first order theory have been adopted to exploit the analytical model. Tests are also performed using a test rig that accurately reproduces the real leakage behavior of a bolted flange joint assembly that runs under Labview programing.

The studies related to the prediction of leakage through porous gaskets have been limited to the use of gases as a fluid media. In the second part, emphasis will be put towards the prediction of leakage using liquids as a fluid media. The elaborated analytical model is based on the experimental measurements of micro-gas flows and the characterization of the internal structure. The analytical model for leakage predictions is based on the theory of Navier-Stokes equations. The development of a technique to measure leak rates down to 10-6 ml/s in the case of liquids was necessary to achieve this part of the study.

In the last part of this study, the challenge was to extend and validate the applicability of the theoretical model based on a slip flow regime to the prediction of gas leakage through the gaskets at high temperature. The change of fluid viscosity and the porosity parameters due to gasket deformation caused by temperature are some of the parameters to consider in the prediction. The same approach used to identify the internal structure of the gasket developed in the first part of this study was used. Preliminary tests were performed in order to gain a better understanding of the different processes involved in liquid leak measurements including the adaptation of the developed instrument.

The perfect control of the whole chain of instrumentation ensures the quality of the measurement results. Therefore, for each part of the study, a particular testing methodology was adopted in order to achieve successful tests. The experimental approach has allowed on the one hand the validation of the theoretical results and on the other hand the development of a small liquid leak measuring device. The resulting model has allowed a more detailed analysis to characterize the tightness behavior of a gasket as a function of a differential pressure, temperature and gasket stress, while considering the internal structure of the gasket as a system of straight capillary or a set of annular layers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [156]-165.
Mots-clés libres: Gaz. Fuite. Liquides. Joints d'étanchéité. Porosité. Mécanique des fluides. boulonné, bride, fuite, LABVIEW, modèle de prédiction de fuite, régimes d’écoulement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel Hakim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 15 févr. 2013 18:41
Dernière modification: 04 mars 2017 01:01
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1125

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