Elastic interaction in bolted flange joints during hot bolting and disassembly

Tofighi, Ali (2025). Elastic interaction in bolted flange joints during hot bolting and disassembly. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Bolted flange joints are critical structural components used in a wide range of industrial applications, including petrochemical facilities, oil and gas pipelines, and power plants. Despite their apparent simplicity, the mechanical behavior of these joints under complex loading and service conditions remains a key concern in both design and post-construction maintenance. One particularly sensitive procedure while the system remains under operating pressure is the removal or replacement of bolts commonly known as hot bolting. Although often treated as a routine operation, improper handling during bolt untightening can lead to catastrophic outcomes, including loss of gasket compression, flange separation, bolt overstressing, or even system failure.

This thesis presents a comprehensive investigation into the elastic interaction of bolted flange joints during the untightening process. Emphasis is placed on understanding how the removal of individual bolts influences the stress redistribution in the remaining bolts, the deformation of the gasket, and the contact pressure exerted on the gasket. A finite element modeling (FEM) approach is adopted to simulate the mechanical response of ASME B16.5 Class 900 welding neck flanges equipped with spiral wound gaskets, under bolt preload conditions. The FEM simulations, conducted using ANSYS, examine key parameters such as bolt stress evolution, vertical displacement, and gasket contact stress during different bolt removal sequences.

The experimental results are validated against analytical and FEM models to ensure the reliability of the numerical and analytical predictions and compared with experimental results. By characterizing the interaction behavior during bolt unloading, this study provides critical insights into the thresholds beyond which joint integrity and leak tightness may be compromised. Furthermore, it explores the conditions under which controlled hot bolting procedures can be safely executed without requiring additional clamping tools provided that elastic stress redistributions are well-understood and managed within acceptable safety margins. The findings of this work contribute to enhanced design recommendations, improved safety protocols, and more efficient maintenance strategies for bolted flange assemblies in high-risk operational settings.

Titre traduit

L’interaction élastique dans les assemblages à brides boulonnées lors du "hot bolting" et du desserrage

Résumé traduit

Les assemblages à brides boulonnées sont des composants structurels essentiels utilisés dans un large éventail d'applications industrielles, notamment dans les installations pétrochimiques, les pipelines de pétrole et de gaz, ainsi que les centrales électriques. Malgré leur apparente simplicité, le comportement mécanique de ces assemblages sous des conditions de charge et de service complexes demeure une préoccupation majeure tant dans la phase de conception que dans l'entretien après la mise en service. Une procédure particulièrement délicate lorsque le système reste sous pression est le démontage ou le remplacement de boulons, communément appelé "hot bolting". Bien que souvent considéré comme une opération de routine, un desserrage mal exécuté peut entraîner des conséquences catastrophiques, telles que la perte de compression du joint, la séparation de la bride, la surtension des boulons, voire la défaillance du système.

Cette thèse présente une étude approfondie de l'interaction élastique des assemblages à brides boulonnées lors du processus de desserrage. L'accent est mis sur la compréhension de l'effet du retrait d’un ou plusieurs boulons sur la redistribution des contraintes dans les boulons restants, la déformation du joint d’étanchéité et la pression de contact exercée sur ce dernier. Une approche par modélisation par éléments finis (MEF) est adoptée pour simuler la réponse mécanique de brides à col soudé de classe 900 selon la norme ASME B16.5, équipées de joints spiralés métalloplastiques, sous précontrainte des boulons. Les simulations MEF, réalisées avec ANSYS, examinent des paramètres clés tels que l’évolution des contraintes dans les boulons, les déplacements verticaux et les contraintes de contact sur le joint pour différentes séquences de retrait des boulons.

Les résultats expérimentaux sont validés par des modèles analytiques et numériques afin de garantir la fiabilité des prédictions. En caractérisant le comportement d'interaction durant le desserrage des boulons, cette étude fournit des éléments critiques sur les seuils à partir desquels l'intégrité de l'assemblage et l'étanchéité peuvent être compromises. Elle explore également les conditions dans lesquelles les procédures de "hot bolting" peuvent être exécutées en toute sécurité, sans recourir à des dispositifs de serrage supplémentaires, à condition que la redistribution élastique des contraintes soit bien comprise et maintenue dans des marges de sécurité acceptables. Les conclusions de ce travail contribuent à l’amélioration des recommandations de conception, des protocoles de sécurité, et des stratégies de maintenance pour les assemblages à brides dans des environnements à haut risque.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscriped-based 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 77-78).
Mots-clés libres:	assemblages à brides boulonnées, interaction élastique, "hot bolting", desserrage des boulons, contrainte de contact sur le joint, intégrité des brides, modélisation par éléments finis, ASME B16.5, sécurité de maintenance, fiabilité post construction
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	22 déc. 2025 16:19
Dernière modification:	22 déc. 2025 16:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3758

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