Caractérisation et modélisation des garnitures de presse-étoupe

Diany, Mohammed (2010). Caractérisation et modélisation des garnitures de presse-étoupe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les installations industrielles, la circulation des fluides est contrôlée par des valves. La fiabilité et le rendement de ces équipements sont évalués par leur capacité de maintenir un degré d’étanchéité élevé. Dans une valve, le confinement du fluide à l’intérieur et sa prévention de fuir vers l’extérieur sont assurés par une garniture d’étanchéité composée d’anneaux tressés superposés. La déformation axiale de la garniture engendre des pressions de contact radiales sur la paroi interne du boîtier et la paroi externe de la tige. Le niveau de l’étanchéité de la valve dépend des valeurs de ces pressions de contact. Plusieurs équipes de recherche ont proposé des modèles analytiques basés sur l’équilibre statique pour simuler le comportement de la garniture des valves. Ces modèles ne prennent en considération ni les propriétés mécaniques et physiques de la garniture ni celles du presse-étoupe.

Ce travail propose la modélisation du comportement mécanique des différents éléments du presse-étoupe en considérant la rigidité de l’assemblage. L’évaluation des paramètres de fonctionnement, ainsi que la quantification de leurs évolutions dans le temps représentent les deux principaux objectifs de cette étude. Pour les atteindre, des modèles analytique et numérique sont développés et une étude expérimentale est menée pour la vérification et la validation des résultats de ces modèles.

Dans la première partie de l’étude, un modèle analytique a été développé pour évaluer les coefficients de transmission de la pression latérale et pour estimer les pressions de contact aux interfaces garniture-tige et garniture-boîtier. Ce modèle est basé sur la théorie des cylindres à paroi épaisse. La garniture est considérée comme un matériau élastique presque incompressible dont les caractéristiques mécaniques sont définies par les constantes de Mooney-Rivlin. Les expressions dégagées de cette étude font intervenir les caractéristiques mécaniques et géométriques des différentes composantes de l’assemblage. Les résultats du modèle analytique sont comparés avec ceux obtenus à l’aide d’un modèle éléments finis 2D axisymétrique. Cette partie de l’étude démontre que le rapport des coefficients de la pression latérale est proche de un, alors que les pressions de contact aux interfaces garniture-tige et garniture-boîtier dépendent de plusieurs facteurs tels que la géométrie de l’assemblage, la nature du matériau de la garniture et les coefficients de frottement.

La deuxième partie de l’étude est consacrée à l’étude de l’influence de la relaxation de la garniture sur les coefficients de la pression latérale et sur les distributions des contraintes axiale et radiale aux interfaces de contact entre la garniture d’un côté et la tige et le boîtier de l’autre côté. L’approche analytique utilisée pour déterminer l’évolution de la contrainte de compression dans le temps est basée sur le modèle d’interaction développé dans la première partie. La méthode de l’analogie élastique est exploitée pour passer de l’étude statique à l’étude de la relaxation en adoptant un modèle viscoélastique de la garniture du presseétoupe.
Les résultats de cette approche sont comparés avec ceux obtenus par éléments finis sur un modèle 2D axisymétrique qui prend en considération les mêmes propriétés viscoélastiques du matériau de la garniture que celles du modèle analytique. Ce dernier est capable de prédire l’évolution dans le temps des contraintes axiales et radiales de l’assemblage à presse-étoupe avec une précision acceptable.

La dernière partie de l’étude, a permis de caractériser la garniture du presse-étoupe en utilisant une méthode hybride s’appuyant sur des mesures expérimentales et une analyse par éléments finis. Celle-ci a permis de déterminer les coefficients de transmission de la pression latérale et les deux caractéristiques mécaniques apparentes E et v des deux types de garniture les plus utilisés dans les applications industrielles, à savoir le graphite flexible et le Téflon. Le montage expérimental a les caractéristiques géométriques d’un assemblage de presse étoupe réel et donc incorpore la flexibilité de ces différents éléments. Le deuxième volet est consacré aux essais de fuite. Les influences de la charge de serrage, de la pression du fluide et du nombre d’anneaux de la garniture ont été examinées. Ces essais démontrent que le taux de fuite est plus grand lorsque la pression de serrage initial est plus faible ou la pression du gaz à confiner est plus grande ou également lorsque le nombre d’anneaux constituant la garniture est plus petit.

Résumé traduit

In the chemical and nuclear industries, valves are used to control fluid circulation. The reliability and the efficiency of this mechanical component are evaluated by their ability to confine fluid inside and prevent escapes to the outer boundary. In the valve, the sealing function is ensured by a packing made up from superposed braided rings. The axial packing deformation generates radial contact pressures on the internal housing wall and the external stem wall. The level of the valve sealing depends on the values of these radial contact pressures. Several researchers proposed analytical models, supported by experimental studies, to characterize the behaviour of the stuffing box packing. These models do not take into account the mechanical and physical properties of the packing rings and the stuffing box assembly.

This work proposes a new approach to model the true mechanical behavior of the stuffing-box which includes the stem, the stuffing box, the gland and the packing rings and their elastic interaction. The evaluation of the operating parameters and their change with time represent the main objective of this study. To achieve this goal, both analytical and numerical models were developed. An experimental study was undertaken to caraterise the mechanical and sealing performance of packings and validate the developped models.

In the first part of the study, an analytical model is developed to evaluate the lateral pressure coefficients and to evaluate the radial contact pressures at the interface between packing and stem and packing and housing. This model is based on the thick walled cylinder theory. The packing is considered as an elastic but rather incompressible material that follows Mooney-Rivlin law. The model takes into account the mechanical properties of the different assembly elements and their geometrical characteristics. The results of the analytical model were compared successfully with those of a 2D axisymmetric finite element model. While the study showed that the lateral pressure coefficients ratio is close to one, the contact pressures at the packing-stem and packing-housing interfaces depend on several factors including the assembly geometrical characteristics, the packing material and the friction coefficients.

The second part of the study concentrates on the short term relaxation behavior of the packing and its influence on the lateral pressure coefficients and the distributions of axial and radial stresses at the packing-stem and packing-housing interfaces. An analytical viscoelastic model based on the elastic interaction model was used to determine the stress decrease with time. The method used is based on elastic analogy which accomodates successfully the creep-relaxation behaviour of the stuffing box packing. The results of this approach were compared to those of a finite element model with the same viscoelastic properties. The developped analytical model is capable of predicting accurately the change of the axial and radial stresses of the stuffing box assembly with time.

Finally, the last part of the study, concentrates on the characterization of the stuffing box packing using a hybrid method based on experimentation and FE analysis to evaluate the lateral pressure coefficients and the two mechanical characteristics E and v of the two most used packing types in the industry namely flexible graphite and Teflon. The experimental bench takes into account the geometrical characteristics of the real assembly components and therefore incorporates their flexibilities. The second phase of this part was devoted to conducting leak tests. The influence of the compressive load, the fluid pressure and the number of packing were examined. These tests showed that the leak rate is larger when the initial stress is lower or the pressure of the gas to be confined is larger or also when the number of the packing rings is smaller.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [158]-163.
Mots-clés libres:	Garnitures (Génie mécanique) Étoupe. Valves. Étanchéité. Assemblages (Technologie) Modèles mathématiques. caractérisation, Comportement, Fuite, Mécanique, Presse-Étoupe, Tresse
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 mars 2011 15:27
Dernière modification:	15 janv. 2018 20:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/636

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