Prediction of gas and liquid leak rates in compression packing at room temperature

Aweimer, Ali Salah Omar (2019). Prediction of gas and liquid leak rates in compression packing at room temperature. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Packing rings are the most sensitive element in pressurized mechanical assemblies such as valves and compressors. An incorrect choice or improper procedure of packing ring installation could affect the sealing performance and lead the system to leak. Moreover, leakage from valves can be potentially harmful to humans and the environment. Among the equipment requiring sealing compliance in the petrochemical industry, valves are reported as being the number one component that has leakage problems. Very often, the compression packing is the main element to blame. Unfortunately, the situation is made worse with the lack of a standard procedure for the design of packed stuffing boxes and standard test procedures for compression packing rings.

In practice, there are only few experimental, theoretical and numerical studies that are conducted to characterise the flow through packing rings to be able to predict gas and liquid leak rates in valves at room and elevated temperatures. From this standpoint, the need to design a new test rig to test packing rings is essential to be able to predict leakage and reduce fugitive emissions to a minimum level.

Therefore, the objective of this work is to carry out experimental tests on different types of packing rings to be able to characterise their sealing properties for the purpose of developing suitable theoretical models to predict their gaseous and liquid leakage. The work focuses specifically on experimental leak measurements of few packing ring materials to characterise their porosity parameters in order to be used in the developed theoretical fluid flow models to predict the leak rates. Leaks through the porous packing material are also simulated through numerical approaches using Ansys CFX. A comparison between the developed analytical models and the experimental and numerical approaches was conducted to validate their accuracy.

The methodology of this work is to measure initially the leaks through different packing ring materials using the pressure rise and the mass spectrometry leak detection techniques under different conditions of gland stress and fluid pressure. A referenced gas such as helium is first used to characterise the pores size and their number. The developed analytical models based on Navier–Stokes equations are then used to predict the gaseous and liquid leaks in the wide range of 10-1 to 10-6 mg/s. Different molecule size of gas such as Argon, Nitrogen and air and liquids such as water and Kerosene are tested in the experiment to verify the developed analytical models. Finally, a special numerical model developed in Ansys CFX software is used to support the analytical models. A comparison of these approaches has allowed us to state that the prediction of leakage through packing rings is possible and can be conducted with reasonable accuracy.

Finally, the control of leakage in packed stuffing boxes, using accurate prediction models, can improve the reliability of valves, increase the level of production, reduce maintenance costs and minimize fugitive emissions.

Titre traduit

Prédiction des taux de fuite de gaz et de liquides dans les garnitures d’étanchéité à température ambiante

Résumé traduit

Le joint d'étanchéité est l'élément clé de tout assemblage mécanique pressurisé. Un mauvais choix ou tout simplement l’utilisation non appropriée d'un joint d'étanchéité peut engendrer des fuites intolérables ou des infiltrations de contaminateurs potentiellement dangereux pour l’humain ou l'environnement. À la suite des nouvelles réglementations sur les émissions, de même que de nombreux incidents dus aux fuites, il devient impératif de développer de nouvelles méthodes de conception de joints d’étanchéité pour les équipements pressurisés, en se basant notamment sur la fuite maximale à tolérer. L’écoulement d’un fluide à travers les joints d’étanchéité a été étudié intensivement par plusieurs chercheurs lesquels ont élaboré des modèles théoriques et numériques pour prédire les fuites. Néanmoins, très peu d’études ont portés sur les fuites à travers les garnitures de valves et de presse-étoupes. En effet, même si la majorité des problèmes de fuites signalés par les industriels sont engendrés par les valves et les pompes qui utilisent des garnitures de presse-étoupes très peu de travaux existent dans la littérature. Par ailleurs, il n’existe malheureusement pas de norme de conception de presse-étoupes et les procédures d’essais se focalisent sur la control de la qualité sans donner d’importance à la performance. Les bancs d’essai existant pour tester les garnitures ne sont pas assez sophistiqués pour permettre de caractériser les matériaux et obtenir les propriétés mécaniques. Donc il convient de développer des montages instrumentés afin de pouvoir implémenter des modèles appropriés pour la prédiction des fuites à travers les garnitures de presse-étoupes.

L’objectif principal de ce projet de doctorat est donc la prédiction des fuites laquelle sera valider par des essais expérimentaux sur plusieurs types de garnitures de presse-étoupes à différentes pressions de fluide et plusieurs niveaux de compression des garnitures. On s’intéressera spécifiquement aux mesures expérimentales de fuites de gaz et de liquides et au développement de nouvelles approches théoriques pour les prédire. On simulera, aussi, les fuites à travers les joints d'étanchéité en utilisant des approches numériques. La comparaison des trois approches (expérimentale, théorique et numérique) permettra de valider nos résultats et de fournir à l’industrie spécialisée des guides concernant la conception des presse-étoupes.

La méthodologie utilisée pour atteindre nos objectifs est donnée par les éléments suivants. Les fuites seront mesurées dans un premier temps à l’aide de plusieurs techniques développées spécifiquement dans le cadre de ce projet. Plusieurs modèles analytiques basés sur l’écoulement des fluides à travers les milieux poreux tels que les joints d’étanchéité seront développés par la suite en utilisant la base de données expérimentale ainsi produite. Les modèles numériques par la méthode des éléments finis seront élaborés en parallèle sur le module CFX du logiciel ANSYS. Enfin, la comparaison de ces différentes approches entre-elles permet la validation de notre approche théorique qui à son tour pourrait aider les industriels à développer des nouveaux produits d’étanchéité.

Il s’ensuit que la maitrise des fuites à l’aide de modèles de prédiction fidèles permet d’améliorer la fiabilité et la sécurité des assemblages pressurisés, d’augmenter le niveau de la production et minimiser les temps d’immobilisation et de réduire les frais de maintenance et de prévention. Enfin ce projet rentre dans le cadre de la réduction des émissions fugitives et la diminution du risque d'accident induit dans les installations industrielles des produits chimiques et raffinerie de pétrole.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 181-190).
Mots-clés libres:	valve avec presse-étoupe, micro et nano fluides dans les milieux poreux, expérimentale, théorique et numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 nov. 2019 20:36
Dernière modification:	17 févr. 2020 16:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2375

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