Amélioration d’un banc d’essai de presse-étoupe et essais préliminaires de fluage à haute température des garnitures d’étanchéité en graphite expansé

Maillé, Carl (2021). Amélioration d’un banc d’essai de presse-étoupe et essais préliminaires de fluage à haute température des garnitures d’étanchéité en graphite expansé. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le presse-étoupe est un dispositif qui est utilisé pour plusieurs applications. L’utilisation la plus courante est sur les pompes et sur les vannes industrielles. Son rôle principal est de prévenir les fuites d’un milieu vers un autre. C’est pourquoi, la conception de cet assemblage est très importante afin de maximiser l’étanchéité sans pour autant restreindre le mouvement aux parties amovibles des valves et des pompes. Toutes les pièces du presse-étoupe sont importantes, mais les garnitures et le poussoir sont intrinsèquement liées à l’étanchéité du presse-étoupe. Le poussoir est la pièce qui applique une pression sur l’ensemble des garnitures. Cette pression verticale est ensuite transmise dans les garnitures qui vont ensuite la transformer en une pression de contact latérale. Ce sont cette pression transmise et cette pression de contact latérale qui rendent le presse-étoupe étanche.

Il y a environs 70 ans, l’utilisation de l’amiante dans la confection des tresses de valves était grandement répandue. Depuis les recherches en santé ont démontrées que l’amiante est cancérigène et son utilisation est dorénavant interdite. C’est pourquoi, la recherche sur les tresses mécaniques ainsi que les manufacturiers ont dû se pencher sur d’autres alternatives. À ce jour, bien que la recherche ait bien avancé, il existe peu de documentation afin d’assister les ingénieurs à l’étape de la conception des presse-étoupes. Afin d’assurer l’étanchéité des presseétoupes, il existe quelques normes. Toutefois, ces normes s’appliquent pour l’assemblage complet du presse-étoupe et n’aide pas tout à fait lors de la conception.

Dans le but d’enrichir la documentation disponible, les recherches passées ont davantage porté sur l’étude des propriété mécaniques des tresses et puis sur le reste des pièces d’un presseétoupe. La grande majorité de ces études ne considéraient pas l’effet de la température bien que ce paramètre possède une influence majeure quant à l’étanchéité d’un système. L’inclusion de la température dans les recherches à venir est inévitable et nécessaire afin de représenter le comportement réel des tresses mécaniques.

La première étape de ce projet est de modifier et ajuster les instruments de prise de mesure d’un banc d’essai reproduisant le comportement d’un presse-étoupe industriel. La mesure de l’écrasement vertical des tresses est la mesure la plus importante puisqu’elle permet d’observer le fluage. C’est pourquoi, ce capteur doit être le plus précis possible. Les précédents capteurs sont remplacés par deux nouveaux extensomètres et le dispositif d’attache a été modifié. Le deuxième paramètre d’importance dans ce projet est la température de chauffage. C’est pourquoi l’isolation du système de chauffage ainsi que tous les thermocouples sont testé voire remplacés afin de pouvoir contrôler le chauffage avec précision. De plus, la disposition du thermocouple de contrôle est modifiée afin de limiter les écarts de températures dans le four et assurer une répétabilité entre les tests.

La deuxième étape est d’amasser des données de fluage à haute température avec des garnitures d’étanchéité en graphite expansé. Au total, 12 tests sont réalisés afin de récolter des données à quatre différentes températures, soit 75°F, 200°F, 400°F et 600°F. Ces tests permettent aussi de valider le bon fonctionnement du banc d’essai et des appareils de mesure à la suite des diverses modifications réalisées.

Les données récoltées lors de ce projet sont utilisées à deux fins. D’abord, sur le logiciel MATLAB, un modèle analytique du fluage des tresses est obtenu. Ce modèle est intéressant puisque qu’il s’agit de la première étape avant de passer à l’utilisation de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) pour étudier le comportement des tresses. L’autre utilité des données récoltées est de revenir sur des observations retenues à la suite de précédentes recherches. Le dégazage est le phénomène en question; où à haute température les garnitures d’étanchéité ne s’écraseraient plus, mais serait plutôt sujette à un gonflement. Toutefois, aucun gonflement n’a été observé lors de la phase expérimentale.

Titre traduit

Improvement of a Stuffing Box Test Bench and Preliminary Creep Tests at High Temperature of Flexible Graphite Packings

Résumé traduit

A stuffing box is a sealing device which is used for several applications. The most common use is for pumps and industrial valves. Its main role is to prevent leakage from one medium to another. Therefore, the design of this assembly is very important to maximize the sealing efficiency without impairing the necessary movement in both pump and industrial valves. All the parts in a stuffing box are important, but the packings and the gland are intrinsically linked to the sealing efficiency of the stuffing box. The gland function is to apply and maintain a constant pressure on the stack of packing rings. This axial pressure is then transmitted into every packing contained in the stuffing box which will then transpose it into a lateral contact pressure along the housing and the shaft. Maintaining that contact pressure at both interfaces is the key parameter to maximize the overall sealing efficiency of the stuffing box.

Around 70 years ago, the use of asbestos in the manufacture of valve braids was widespread. Since then, health research has shown that asbestos is carcinogenic, and its use is now prohibited. Therefore, manufacturers and research laboratories had to develop new alternatives. Although research has progressed well, there is still little documentation available to assist engineers in the design of stuffing boxes. The few standards on which engineers can rely on are dedicated to the qualification of valves from a quality control standing point. However, these standards apply for the complete assembly of the stuffing box and do not help in the design of the individual parts of the assembly such as packings.

To extend the documentation available to engineers, past research has focused on studying the mechanical properties of braids as well as the rest of the assembly of the stuffing box. Most of these studies did not consider the effect of high temperatures although this parameter has a major influence on the tightness of a system. The inclusion of temperature in future research is inevitable and necessary to represent the actual behavior of mechanical braids.

The first step of this project is to modify and adjust the measuring instruments of a test bench that reproduce the real behavior of an industrial stuffing box. The measurement of the axial force and displacement of the braids is the most important measurement since it is directly linked to the measurement of the creep behavior. Therefore, this sensor must be as precise as possible. The previous sensors are replaced by two new extensometers and the attachment device has been modified. The second parameter of importance in this project is the heating system. Therefore, the thermal shields of the heater was slightly modified and all thermocouples were replaced to improve the control of the heating. In addition, the position of the control thermocouple is modified to limit the temperature differences inside the oven insure repeatability.

The second step is to collect high temperature creep data of expanded graphite gaskets. A total of 12 tests are performed to collect data at four different temperatures, i.e., 75°F, 200°F, 400°F and 600°F. These tests also make it possible to validate the proper functioning of the test bench and of all the new measuring devices that have been installed.

The data collected during this project is used for two purposes. First, on the MATLAB software, an analytical braid creep model is obtained. This model is interesting since it is the first step before moving on to using computer aided design (CAD) software to study braid mechanical behavior. The other use of the data collected is to revisit observations made in previous research. Degassing is the phenomenon in question; where at high temperature the gaskets would no longer be compressed, but rather would be prone to expanding. However, during this project, no expansion has been observed during the experimental phase.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 97-98).
Mots-clés libres:	fluage volumique, tresse de valve, haute température, modélisation analytique, presse-étoupe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 févr. 2022 18:39
Dernière modification:	04 févr. 2022 18:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2867

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