The prediction of liquid leak rates through packing seals

Bathaei, Seyed Amir Hossein (2021). The prediction of liquid leak rates through packing seals. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Packing rings are the most sensitive member of packed stuffing boxes in pressurized mechanical assemblies such as valves and pumps. Their ability in dealing with pressure and temperature are not well established, making their long-term use in valves and compressors unpredictable. The wrong choice of the material, number of packing rings, incorrect installation and fluid incompatibility can lead to leakage failure and cause hazards to human and environment.

Leakage of fluids (gas or liquid) in the nuclear or petrochemical industries often occurs in carrier lines, valves, and compressors. Such a situation can cause high risk and have drastic consequences on human health and safety and the environment. In these industries, accident reports indicate that fluid leakage is often related to valves. The sealing of valves is insured by packed stuffing boxes that requires a special attention by researchers in this field. The porous nature of packing rings is an open path for leakage. Unfortunately, the lack of standard tests and design procedures of stuffing box packings of valves is alarming and has been the subject of recent studies.

In practice, a small amount of research has been conducted on fluid flow through packing rings, some of which cover numerical and analytical leakage predictions. There is definitely a need of experimental research in this field. In fact, the results of experimental tests can validate and confirm the accuracy of the predicted results and determine the robustness of the analytical and numerical models. In this research, a test rig was used to simulate the actual conditions of a valve packed stuffing box and lead us to simulate the leakage behavior at room temperature. This test rig was designed to measure gas or liquid leakage through packing rings under different compressive loads and fluid pressure. Different leakage measurement methods were used depending on the amount of leakage obtained with flexible graphite-based packing.

This work aims at predicting leak rate through stuffing box packing rings; This is achieved by validation of the predictions with the experimental test results. In fact, the experimental tests have been performed to validate the analytical model and benefit the various industries with the results obtained under different operating conditions. Practically, the many parameters affecting leakage of packing rings have render the comparisons difficult to make. However, some parameters considered simultaneously have produced results close to reality. This work is based explicitly on the validation of a fluid flow analytical model based on several experimental leak measurements. The study on the packing ring materials starts with the determination their porosity parameters with a reference gas used in the developed fluid flow models to predict leak rates. Nitrogen gas was used as a reference gas to determine the pore size and their number in the packing ring porous structure.

Finally, according to the findings, leakage through packing rings can be controlled and reduced, and its prediction is possible using the validated analytical models.

Titre traduit

La prédiction des taux de fuite liquide à travers les garnitures d'étanchéité

Résumé traduit

Les garnitures d’étanchéité sont les éléments les plus sensibles dans les assemblages mécaniques sous pression. Leur comportement sous l’effet du chargement et de la pression d’un fluide est très différent d’un matériau a un autre ; ce qui rend leur conception dans les presse-étoupe des vannes et les compresseurs très compliqués. Le mauvais choix de matériau et le nombre de bagues d'étanchéité dans la conception ou une installation incorrecte peuvent entraîner des fuites dans le système ; ce qui peut mener à des incidents graves pour les installations et les humains.

Les fuites de fluides (gaz ou liquide) provenant des conduites et réservoirs sous pression dans les installations nucléaire ou pétrochimique peuvent avoir des conséquences désastreuses pour les humains et l’environnement. Dans les rapports d’incidents survenus dans les installations industrielles, la plupart des fuites signalées sont liées aux vannes. Par conséquent, l'étanchéité des vannes et principalement les bagues d'étanchéité, est un sujet important qui nécessite une attention particulière. Le manque de normes appropriées dans ce domaine est criant. La nature poreuse des bagues de garniture peut être un chemin de fuites à moins que la taille des pores soit contrôlée et que la relation avec la nature du fluide soit établie. Malheureusement, le manque d’étude sur les garnitures de presse-étoupe des vannes est flagrant ; ce qui a suscité un intérêt en recherche dans ce domaine ces dernières années.

Jusqu’à présent, très peu de recherches ont été effectuées sur l’écoulement des fluides à travers les bagues de garniture, dont certaines ont été effectuées dans le cadre d’analyses numérique et analytique. Le besoin en recherche expérimentale dans ce domaine se fait sentir. En fait, les résultats des tests expérimentaux peuvent servir de validation et de confirmation des modèles analytiques et numériques. Dans le cadre de cette étude, un banc d'essai de fuite a été utilisé pour simuler les conditions réelles d’un assemblage presse-étoupe d'une vanne et nous conduire à des résultats proches de la réalité à température ambiante. Ce banc d'essai a été conçu pour mesurer la quantité de fuite de gaz ou de liquide à travers les bagues de garniture sous différentes charges de compression et pression de fluide. Différentes méthodes de mesure de fuite ont été utilisées en fonction de la quantité de fuite obtenue avec des garnitures en graphite expansée.

Ce travail vise à prédire le taux de fuite à travers les bagues d’étanchéité des presse-étoupes ; ce que les nombreux tests expérimentaux ont pu confirmer. En effet, ces tests ont été réalisés afin de valider le modèle d’écoulement et faire bénéficier les diverses industries des résultats obtenus en fonction des paramètres d’opération. En pratique, les nombreux paramètres affectant la fuite des bagues de garniture rendent les comparaisons difficiles. Cependant, la considération de certains paramètres simultanément peut produire des résultats proches de la réalité. Ce travail s'appuie explicitement sur la validation d’un modèle d’écoulement de liquide à l’aide de mesures expérimentales de petites fuites produites par un système de détection fait maison. L’étude des matériaux de l'anneau de garniture est concentrée sur la détermination de leurs paramètres de porosité lesquels sont utilisés dans des modèles analytiques d'écoulement de fluide développés pour prédire les taux de fuite. L'azote gazeux a été utilisé comme gaz de référence pour décrire la taille des pores et leur nombre existant dans le matériau poreux des garnitures d’étanchéité.

Enfin, selon les résultats de cette étude, les fuites à travers les bagues d’étanchéité peuvent être contrôlées et réduites, et leur prédiction est possible grâce au modèle analytique suggéré.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 66-72).
Mots-clés libres:	anneaux de garniture, milieu poreux, fuite, expérimentation, modélisation analytique et numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	26 janv. 2022 15:25
Dernière modification:	23 août 2022 13:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2855

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