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Characterization and Modelling of Packed-stuffing Boxes

Kazeminia, Mehdi (2017). Characterization and Modelling of Packed-stuffing Boxes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The global concern of the climate and environmental changes and the increase of greenhouse gases has led to the adoption of strict regulations on fugitive emissions. The industrial sector contributes significantly to the production of fugitive emissions. Aaccording to the Environmental Protection Agency (EPA), 60% of emissions from equipment devices are attributed to valves. As a result, standard organizations such as ISO and API developed new standard test procedures to qualify the sealing performance of valves. However, there remains lack of However, there remains lack of standard design procedure for stuffing-box valves and selection of proper materials to improve their sealing performance. The main objective of this thesis is to introduce a procedure to characterize sealing performance and develop a standard design procedure for stuffing-box valves.

In order to fulfill these objectives, theoretical models supported by a series of experimental tests were constructed to characterize the sealing performance and evaluate the integrity of stuffing-boxes. The experimental investigations were carried out on a test bench equipped with high accuracy instrumentation to practically simulate real applications and to record the sealing behavior of the systems. Packing rings made of flexible graphite (which were used as a sealant), various levels of compression stress, and three different fluids (helium, argon and nitrogen) were applied in the test plan. The theoretical model for mechanical integrity was a combination of theories; thick cylinders (Lame) and the theory for beams on elastic foundations. Furthermore, three different approaches (Modified Darcy, concentric cylinders and capillary models) were used to characterize the porosity and its influence on the sealing performance of packing rings.

The results, when considering the significant agreement between the theory and test measurements, proved the reliability of the proposed procedures for the characterization of mechanical integrity and sealing performance of stuffing-boxes valves. The results also demonstrated that an open and tapered angle on the internal wall of the housing is useful in improving the sealing performance of a stuffing-box.

Titre traduit

Caractérisation et modélisation des presse-étoupes

Résumé traduit

Le souci global des changements climatiques et environnementaux et de la réduction des gaz à effet de serre a mené à l’implémentation des réglementations strictes concernant les émissions fugitives. Le secteur industriel contribue massivement à la production des émissions fugitives. Selon l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA), 60 % de ces émissions proviennent des valves. Ainsi, certaines organisations comme l’ISO et l’API ont commencé au début des années ‘90 le développement d’un code de standards pour qualifier l’étanchéité des valves. Cependant, il manque toujours une procédure de conception standardisée pour les valves avec presse-étoupe et pour la sélection de matériels appropriés à l’amélioration de l’étanchéité. L’objectif principal de cette thèse est d’introduire une procédure permettant la caractérisation d’étanchéité et de développer une procédure de conception standard pour les valves avec presse-étoupe.

Pour réaliser ces objectifs, une série de modèles théoriques, appuyée par des études expérimentales, ont été élaborées pour caractériser l’étanchéité et les interactions entre les différents composants d’un presse-étoupe. Ces études expérimentales ont été effectuées sur un banc d’essai équipé avec des instruments de mesures standards et de haute précision pour faire des simulations pratiques d’applications réelles et pour rapporter les données concernant l’étanchéité des divers systèmes qui ont été utilisés. Des bagues de garnitures en graphite souple (qui ont servi de scellant), différents niveaux de compression et trois fluides (hélium, azote et argon) ont été appliqués dans le plan de contrôle. Le modèle théorique utilisé pour l’intégrité mécanique est une combinaison de deux théories ; le théorème cylindres épais de Lamé et la théorie de poutres sur fondations à gradient. En outre, trois approches différentes (la loi de Darcy modifiée, les cylindres concentriques et la pression capillaire) ont été utilisées pour caractériser l’étanchéité des bagues de garniture.

Les résultats, considérant l’accord significatif entre les théories et les mesures d’essaies, ont établi la fiabilité des procédures proposées pour la caractérisation de l’intégrité mécanique et de l’étanchéité des valves avec presse-étoupes. Également, les résultats témoignent aussi qu’un angle ouvert et conique au mur intérieur du boîtier permet d’améliorer l’étanchéité d’un presse-étoupe.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy" Bibliographie : pages 175-184.
Mots-clés libres: Étoupe Modèles mathématiques. Étoupe Conception et construction. Étanchéité Appareils et matériel . Étoupe Expériences. Garnitures (Génie mécanique). valve avec presse-étoupe, micro et nano fluides dans les milieux poreux, modèle constitutif
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel Hakim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 avr. 2017 17:49
Dernière modification: 20 avr. 2017 17:49
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1869

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