Stress analysis of ASME B16.5 class 900 bolted flange joints subjected to bolt-up and pressure

Alarnous, Abdul Fattah (2023). Stress analysis of ASME B16.5 class 900 bolted flange joints subjected to bolt-up and pressure. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Bolted flange joint assemblies are used in many industries, mainly in oil, gas, and power generation facilities. The main role of a bolted flange manifests in connecting pipes, valves, and pressure equipment to ensure the pressurized substance flowing in the pipes. Although their usage may seem simple, bolted flanges are subjected to harsh conditions that may lead to leakage and environment damage. The high pressure and high temperature of the confined fluid inside the pipes can notably compromise human health, safety, and the environment. On the other hand, structural integrity and leakage tightness are two main criteria that must be taken into consideration to prevent catastrophic failure when designing bolted flange joints. At the design level, it is crucial to compare the analytical results to the ones obtained from the numerical finite element method. Finally, from the structural integrity standpoint, it is important to examine the stresses at the junctions since they are the weakest regions of the flange. This study focuses on the evaluation of the integrity and leakage tightness of some ASME B16.5 class 900 flanges when subjected to pressure.

This study investigated many parameters: the gasket contact stress, the bolt stress, the flange rotation, the radial displacement, and the distribution of the longitudinal and tangential stresses along the axial flange distance. It is to be noted that the welding neck type of flange and the spiral wound type of gasket are used to analyze all flange sizes. The flange is composed of the ring, hub, and shell that are connected at the two junctions. The welding neck flange (WNF) and the spiral wound gasket (SWG) are tightened to the recommended bolt stress of 50 ksi to prevent any possible leaks. Seven flanges of the size NPS 4, 8, 10, 14, 16, 20, and 24 of ASME B16.5 standard are modeled and simulated on ANSYS (finite element software) to obtain the results which are then compared to the analytical results to check the validity of the already developed analytical model.

Titre traduit

Analyse de contrainte des joints de brides boulonnés de classe 900 selon la norme ASME B16.5 soumis à l'assemblage des boulons et à la pression

Résumé traduit

Les assemblages à brides boulonnées munis de joints d’étanchéité sont largement utilisé dans les différentes industries, mais principalement dans les installations pétrolières, gazières et de production d'électricité. Le rôle principal d’une bride boulonnée consiste à connecter la tuyauterie et les vaisseaux sous pression entre eux. Malgré le fait que ses principaux domaines d'utilisation semblent simples, les brides boulonnées peuvent encore rencontrer de nombreux problèmes qui peuvent causer des dommages importants à l’environnement et aux humains. En effet, soumis à la haute pression et la haute température des fluides ces assemblages et tuyauteries, sont sujet à des fuites qui peuvent compromettre la sécurité et l’environnement.

Lors de la conception des brides, l'intégrité structurelle et l'étanchéité sont considérées comme les deux paramètres à considérer pour assurer leur bon fonctionnement. Au niveau de la conception du modèle, l'inspection des résultats analytiques est cruciale et est obtenue en les comparants aux résultats obtenus par la méthode des éléments finis. Enfin, il est essentiel de mentionner à quel point il est important d'examiner les contraintes au niveau des jonctions, car cela peut compromettre considérablement l'intégrité de la bride. Pour toutes ces raisons et paramètres, cette étude a été conçue dans le but d'évaluer l'intégrité de la bride et son étanchéité en appliquant la méthodologie à différentes tailles de brides boulonnées appartenant à la classe 900.

De nombreux paramètres ont été étudiés dans cette étude, notamment la contrainte de contact du joint d'étanchéité, la contrainte dans les boulons, la rotation de la bride, le déplacement radial et les contraintes longitudinales et tangentes le long de la distance axiale de la bride. À noter, la bride à collet soudé et le joint spiralé sont utilisés dans cette étude pour toutes les brides étudiées.

La forme de la bride est la même pour toutes les brides, composées de l'anneau, du moyeu et de la coque reliés aux jonctions. Ainsi, la bride à collet soudé (WNF) et le joint spiralé (SWG) sont assemblés en plaçant le joint entre les deux brides, puis en plaçant les boulons dans les trous avec un serrage approprié dans le but d'éviter toute fuite possible. Cependant, sept exemples sont utilisés tout au long de l'étude pour étudier l'influence de taille des brides et leur intégrité. Ainsi les brides NPS 4, 8, 10, 14, 16, 20 et 24 classe 900 de la norme ASME B16.5 sont modélisés et simulés sur ANSYS (logiciel d'éléments finis) pour obtenir les résultats lesquels sont ensuite comparés aux résultats analytiques pour vérifier la validité du modèle analytique développé précédemment.

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 121-126).
Mots-clés libres:	assemblages à brides boulonnées, intégrité des brides, étanchéité, contrainte de contact de la garniture d'étanchéité, contrainte des boulons, rotation des brides, déplacement radial, distribution des contraintes, bride à collerette soudée, garniture spiralée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	18 déc. 2023 19:38
Dernière modification:	18 déc. 2023 19:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3324

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