The effect of bolt spacing on the tightness behavior of bolted flange joints

Do, Tan Dan (2012). The effect of bolt spacing on the tightness behavior of bolted flange joints. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Bolted flange joints form a part of pressure vessels and piping components, and are used extensively in the chemical, petrochemical and nuclear power industries. They are simple structures and offer the possibility of disassembly, making them attractive for connecting pressurized equipment and piping. In addition of being prone to leakage, they often require maintenance while in operation, in which case the bolts are either retightened, as in hot torquing, or untightened for replacement. Although such maintenance work prevents costly shutdowns, it can nevertheless expose the operator to a potential risk because altering the bolt load can produce a gasket load unbalance, which results in a local gasket contact stress drop below a critical value, causing a major leak, and putting the operator’s life at risk.

This proposal addresses flange deflection variation as it investigates the flange contact stress level unbalance around the flange when the bolts are subjected to a load alteration during operation. This study may serve to help limit the degree of load increase in hot torquing or the maximum number of bolts to be replaced at a time, and to identify the flanges whose bolts cannot be replaced while they are in operation.

The objective of this study is to determine a theoretical approach for identifying and analyzing the effects of initial bolt-up and pressurization on the bolted flange joints, in order to obtain a solution for bolt spacing calculation, according to different gasket contact stress variation levels. Our research breaks down into three parts. The first part, an analytical method based on the theory of circular beams resting on a linear elastic foundation, is developed to predict the circumferential distribution of gasket contact stresses. Finite element model of symmetry bolted flange joints is created for use in evaluating the analysis. Then, as a second step of this research, an approach based on the theory of a ring on a non-linear elastic foundation behavior is applied in order to get more accurate results than linear model solution. This part is applied to non-linear solution and then validated by finite element analysis. In the third part, a linear regression model is developed to propose bolt spacing calculation procedures for bolted flange joint connections. In industrial practice, this work should help in designing, maintaining and operating technical pressure vessels and piping systems.

Titre traduit

L'effet de l'espacement des boulons sur l'étanchéité des assemblages à brides boulonnées

Résumé traduit

Les assemblages à brides boulonnées munis de joints d’étanchéité sont les systèmes de raccordement les plus répandus entre les différents éléments des réservoirs sous pression. Ils sont largement utilisés dans l'industrie chimique, pétrochimique et nucléaire. Ce sont des structures simples et des assemblages démontables. Ce qui les rend plus attractifs pour connecter des équipements sous pression et la tuyauterie. En plus des risques de fuite, ils ont besoin de maintenance en cours de fonctionnement au cas où les boulons doivent être resserrés ou dévissés pour être remplacés. Bien que les arrêts de fonctionnement coûteux soient à éviter, l’entretien en fonctionnement expose l'opérateur à un risque potentiel, car le desserrement d’un boulon peut produire un déséquilibre de la contrainte de compression sur le joint d’étanchéité entraînant un contact local du joint d’étanchéité en dessous d’une certaine valeur critique, provoquant une fuite majeure et de ce fait pouvant mettre en péril la vie de l'opérateur.

Cette proposition aborde la question de la variation de la déflexion du rebord de la bride afin d'enquêter sur le déséquilibre de la contrainte de compression dans le joint lorsque les boulons sont soumis à une modification de charge en fonctionnement. Cette étude peut être utilisée pour aider à limiter l'augmentation de la charge de serrage ou le nombre maximum de boulons qui doivent être remplacés en même temps et identifier les boulons qui ne peuvent pas être remplacés en service.

L'objectif de cette étude est de développer une approche théorique pour identifier et analyser les effets de la charge précontrainte et de la pression sur les assemblages à brides boulonnées afin d’obtenir l'espacement optimal entre les boulons en fonction de la variation de la contrainte de compression sur le joint d’étanchéité. Notre recherche comprend trois parties. La première partie qui est une méthode analytique basée sur la théorie de la poutre circulaire reposant sur une fondation élastique linéaire, sera développée pour prédire la distribution circonférentielle de la contrainte de compression sur le joint d’étanchéité. Des modèles éléments finis de brides boulonnées symétriques seront créés pour valider cette analyse. Une comparaison des résultats d'études antérieures est nécessaire pour valider la solution analytique linéaire. Ensuite, la deuxième étape de cette recherche consiste en une approche qui a été construite à partir de la théorie de l'anneau sur le comportement d’une fondation non linéaire élastique, permettant d’obtenir des résultats plus précis. La solution non-linéaire doit être validée avec une analyse par la méthode des éléments finis. Dans la troisième partie, un modèle de régression linéaire pour des brides boulonnées sera proposé pour une procédure de calcul d’espacement de boulons. Ce travail aidera les services techniques sur la conception, la maintenance et l'exploitation des réservoirs sous pression et systèmes de tuyauterie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis by articles presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. [213]-215.
Mots-clés libres:	Assemblages à boulons. Boulons Espacement. Étanchéité. Évaluation du risque. Fiabilité. Bride, Maintenance, Resserrage, Serrage, Service, Assemblages à brides boulonnées.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Codirecteur:	Codirecteur Dao, Thien-My
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 mars 2012 14:40
Dernière modification:	15 janv. 2018 20:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/964

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