Caractérisation et modélisation des garnitures de presse-étoupe

• Main Author: Diany, Mohammed
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2010
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/636/1/DIANY_Mohammed.pdf; http://espace.etsmtl.ca/636/2/DIANY_Mohammed%2Dweb.pdf

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 � 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.