Définitions générales des assemblages à brides boulonnées

Modélisation numérique

Objectif de l’étude Cette étude est réalisée à l’aide du logiciel ANSYS. Elle consiste à simuler le comportement d’un assemblage à brides boulonnées avec joint soumis à une force de serrage et à une pression interne de fonctionnement et étudier l’effet d’une part de la flexibilité de la bride sur la distribution radiale de la contrainte sur le joint et d’autre part l’influence de la valeur de la largeur du joint sur la non uniformité de la distribution radiale de cette contrainte. On présente, dans ce chapitre seulement le modèle.
Définition du modèle Dans cette étude par éléments finis, les mêmes brides utilisées dans le banc d’essais sont modélisées et qui sont de type NPS 4 class 600 lb. Étant donné que l’assemblage et le chargement ne sont ni dans un plan m axisymétriques, il est essentiel de réaliser un modèle d’éléments finis en trois dimensions (3D). Cependant, on peut subdiviser l’assemblage en plusieurs secteurs qui ont la même géométrie et qui supportent les mêmes charges et donc ont le même comportement. Dans les coordonnées cylindriques, l’assemblage est divisé en huit secteurs identiques limités par un angle de 360/n _boulons = 45° et contenant un boulon. De plus, l’assemblage admet un plan de symétrie horizontal passant par le plan médian du joint d’étanchéité. Donc l’assemblage est modélisé par un secteur de 1/8 d’une bride, munie de la moitié d’un joint et d’un boulon. Les conditions aux frontières reflètent les plans de symétrie et reproduit le plus fidèlement possible le comportement réel de l’assemblage en sa totalité. Le modèle réalisé est constitué en trois éléments distincts : la bride, le boulon et le joint d’étanchéité (figure 14).
Types d’éléments utilisés
Bride et boulon La bride et le boulon sont modélisés à l’aide d’éléments 3D solide possédant 8 nœuds (Ansys type SOLID45) et trois degrés de liberté de déplacement. Le matériau est un acier (E= 30×106 psi, v= 0,3).
Joint d’étanchéité Le joint d’étanchéité est modélisé par un élément spécial d’interface 3D avec 8 nœuds (Ansys type 192). Cet élément est défini par la courbe de comportement réel du joint (l’écrasement en fonction de la pression de contact appliquée). Cette courbe définie le comportement non linéaire du joint. La partie de décharge de cette courbe n’est pas utilisée puisque la force hydrostatique, générée par l’effet de fond, est négligée. Étant donné que le modèle ne comporte que la moitié du joint, lors de la définition de la courbe du comportement physique du joint, les valeurs de l’écrasement du joint sont divisées par deux. Il faut noter que le logiciel ne fait aucun lissage de la courbe de comportement, mais interpole linéairement entre les points. Donc il est important de définir suffisamment de points pour mieux se rapprocher du comportement réel du joint.
Chargement du modèle L’assemblage à brides boulonnées est soumis à deux types de chargement : un chargement initial, le serrage des boulons, et la pression interne de fonctionnement. La force de serrage est appliquée sous forme de pression sur la section inférieure du boulon. L’application de la pression interne induit normalement une force longitudinale, appelée effet de fond. Dans le montage réel, cette force est négligeable. Par conséquent, dans l’étude par éléments finis, on s’intéresse seulement à l’étape de serrage des boulons et on suppose que l’état de contrainte sur le joint est constant.
Conditions aux frontières Les conditions aux frontières sont définies au niveau des plans limitant notre modèle. Ils limitent le déplacement des nœuds des plans de symétries dans une ou plusieurs directions. Pour notre modèle, on a défini deux plans de symétrie longitudinaux (perpendiculaire au plan défini par le joint) et un plan horizontal de symétrie (perpendiculaire à l’axe longitudinal de la bride et passant par la mi-épaisseur du joint). Suivant ces trois plans, tous les degrés de libertés des nœuds sont bloqués (ux, uy = rotation et Uz).Lors du serrage des boulons, la surface inférieure des boulons doit rester horizontale et donc tous les nœuds doivent avoir le même déplacement vertical. Ceci est réalisé par un couplage, en direction verticale, de ces nœuds. Après le chargement initial, la charge dans les boulons ne restera pas la même. Elle variera en fonction de la pression de fonctionnement. Donc, lors de la simulation numérique, on doit prendre en considération cet effet. La solution est de maintenir le déplacement vertical des nœuds de la surface inférieure du boulon, généré dans 1′ étape de serrage, lors de l’application de la pression.
Types de joint utilisés Au cours de cette étude, on utilise quatre types de joint : joint en feuille de graphite expansé de marque G2 (noté FG), joint en fibres d’amiante compressées de marque Garlock 8748 (noté CAF), joint métallique de type spiralé de marque Flexicarb (noté SW) et joint en feuille métallique ondulé recouvert de graphite de marque Graphonic (noté CMS).Ces joints sont caractérisés par leurs courbes de comportement non linéaire.

Étude de l’effet de la valeur de la largeur du joint N sur le comportement de l’assemblage

  Jusqu’à maintenant on a examiné les effets de la valeur de la force de serrage, de l’épaisseur de la bride et du type de matériau du joint sur la distribution radiale de la contrainte appliquée sur le joint d’étanchéité et sur la rotation des brides. Ce paragraphe porte sur l’étude de l’effet de la valeur de la largeur d’assise du joint N sur la distribution radiale de la contrainte du joint et sur les valeurs maximale et minimale de la contrainte de contact en fonction de la flexibilité de la bride et des contraintes moyennes appliquées sur le joint. En 2000, EL Rich [27] a étudié l’influence de la largeur du joint sur la distribution radiale de la contrainte du joint. Il a comparé deux largeurs (12,7 et 20,3 mm) (0,5 et 0,8po) et il a conclu que plus le joint est large plus la non uniformité de la distribution de la contrainte est plus significative et celle-ci est plus prononcée avec les contraintes élevées. Dans notre étude, on se propose de déterminer les limites de cette influence en se basant sur un modèle approximatif. Pour atteindre cet objectif, on utilise la même bride, soit la NPS 4 600 lb dont l’épaisseur prend les valeurs de 38,1 25,4 19,0 et 1,27 mm (1,5 1,0 0,75 et 0,5 po) avec les quatre types de joint (FG, CAF, CMS et SW).

NOUVELLES APPROCHES DE CALCUL DE LA LARGEUR EFFECTIVE DU JOINT

  La procédure de calcul de la largeur effective du joint, proposée par le code ASME, n’intègre pas tous les facteurs qui définissent le comportement de l’assemblage. En effet, le code propose une formule empirique qui donne la largeur effective en fonction seulement de la largeur d’assise N. Il ne prend pas en considération l’effet de la rotation des brides. La largeur effective est introduite normalement pour prendre en considération la non uniformité de la distribution radiale de la contrainte sur le joint due à la rotation des brides. Cette dernière dépend de la géométrie de l’assemblage, du type de joint et des charges extérieures. Donc la largeur effective du joint doit être calculée en fonction de tous ces paramètres, en particulier en fonction de la largeur d’assise du joint, de la contrainte moyenne appliquée sur le joint, de la flexibilité de l’assemblage et du type de joint.

CONCLUSION

  Les assemblages à brides boulonnées munies de joints d’étanchéité sont couramment utilisés dans le milieu industriel et essentiellement dans les installations à risque majeur qui véhiculent toutes sortes de gaz et liquides. Une bonne conception de ces assemblages permet, entre autres, de réduire des dépenses et d’assurer une grande sécurité pour les installations et pour les opérateurs.Pour arriver à mieux réaliser cette conception optimale, des codes de calculs sont implantés pour aider les industriels à atteindre leur objectif. Ces codes doivent prendre en considération le comportement des différentes composantes du système tout en restant simples et ainsi déterminer facilement les conditions optimales de fonctionnement. Le présent travail propose une nouvelle approche pour calculer la largeur effective du joint d’étanchéité qui est introduite dans le code ASME pour prendre en considération l’effet de la non-uniformité de la distribution radiale de la contrainte de contact due à la rotation des brides. Cette nouvelle approche contribuera certainement, si elle est introduite dans le code, à l’amélioration de la procédure actuelle de la conception des assemblages à brides boulonnées. Pour ce faire, une investigation a été menée pour étudier l’influence de tous les paramètres du système sur la variation de la surface de contact entre la bride et le joint d’étanchéité et sur la distribution radiale de la contrainte de contact sur le joint. Deux méthodes (analytique et numérique) ont été adoptées en parallèle, en plus des résultats d’une étude expérimentale du laboratoire d’étanchéité TTRL, pour étudier l’effet de la contrainte moyenne, de la flexibilité des brides, du type de joint et de la largeur réelle de contact du joint sur la largeur effective du joint.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Généralité 
1.2 Définitions générales des assemblages à brides boulonnées
1.3 But de l’étude 
CHAPITRE 2 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1 Introduction
2.2 Vue générale sur les méthodes de calculs des assemblages à brides boulonnées 
2.2.1 Méthode Taylor Forge- Code ASME
2.2.2 Procédure Alternative du Code ASME
2.2.3 Code Européen EN-1591-1
2.3 Analyse par éléments finis
2.4 Distribution radiale de la contrainte sur le joint 
2.5 La largeur effective du joint d’étanchéité 
2.6 Conclusion 
CHAPITRE 3 NOTION DE LA LARGEUR EFFECTIVE DANS LE CODE ASME 
3.1 Introduction 
3.2 Méthode actuelle du code ASME 
3.3 Méthode alternative 
3.4 Conclusion 
CHAPITRE 4 ÉTUDE EXPÉRIMENTALE 
4.1 Introduction 
4.2 Description des bancs d’essai 
4.2.1 Banc d’essai ROTT
4.2.2 Banc d’essai à brides flexibles
4.3 Programmes des essais 
4.4 Présentation des résultats 
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 MODÉLISATION ANALYTIQUE ET NUMÉRIQUE
5.1 Introduction
5.2 Modélisation Analytique
5.2.1 Principe de l’approche
5.2.2 Calcul de la rotation des brides
5.2.3 Calcul de la contrainte maximale
5.2.4 Détermination de la position de la réaction sur le joint
5.2.4.1 Distribution uniforme
5.2.4.2 Distribution linéaire
5.2.4.3 Distribution linéaire décalée
5.3 Modélisation numérique 
5.3.1 Objectif de 1′ étude
5.3.2 Définition du modèle
5.3.3 Types d’éléments utilisés
5.3.3.1 Bride et boulon
5.3.3.2 Joint d’étanchéité
5.3.4 Chargement du modèle
5.3.5 Conditions aux frontières
5.3.6 Types de joint utilisés
CHAPITRE 6 COMPARAISON DES RÉSULTATS DE LA MODÉLISATION ANALYTIQUE ET NUMÉRIQUE 
6.1 Introduction
6.2 Résultats de l’approche analytique
6.3 Résultats de 1′ étude pas éléments finis 
6.3.1 Validation du modèle
6.3.2 Distribution radiale de la contrainte sur le joint
6.3.2.1 Effet de la contrainte moyenne
6.3.2.2 Effet du type de joint
6.3.2.3 Effet de l’épaisseur des brides
6.3.3 Rotation de la bride
6.3.4 Étude de 1′ effet de la valeur de la largeur du joint N sur le comportement de 1′ assemblage
6.3.4.1 Distribution radiale de la contrainte
6.3.4.2 Contraintes maximale et minimale
6.4 Comparaison des deux approche
6.5 Conclusion
CHAPITRE 7 NOUVELLES APPROCHES DE CALCUL DE LA LARGEUR EFFECTIVE DU JOINT
7.1 Généralité
7.2 Première approche
7.2.1 Joint en Amiante
7 .2.2 Joint en graphite
7 .2.3 Extension de la première approche
7.3 Deuxième Approche
7.4 Comparaison des deux approches
7.5 Effet de la largeur d’assise du joint sur la largeur effective 
7.6 Synthèse générale
7 .6.1 Introduction
7 .6.2 Modèle du code ASME
7 .6.3 Modèle approché du rapport des largeurs du joint
CONCLUSION

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