Description du banc d'essai TECT

Description du banc d’essai TECT

Historique de la procédure des tests d’éclatement à chaud (HOBT)

Depuis plusieurs décennies, de nombreuses recherches ont visé l’analyse des caractéristiques des joints à base de PTFE dans les conditions de service. Leur but était de déterminer la marge sécuritaire pour prévenir l’éclatement des joints pendant les conditions préalables au démarrage et à l’arrêt du fonctionnement des assemblages sous pression. Cette partie de la littérature expose un résumé décrivant les études ayant utilisé la procédure des tests d’éclatement à chaud des joints à base de PTFE. Dans ce contexte, une présentation sera effectuée, par ordre chronologique, en vue de mettre en évidence les travaux les plus importants. La technologie d’étanchéité a connu un développement considérable depuis les années 1990. Avec l’apparition des normes exigeant la protection de l’environnement, des règles sévères ont été imposées aux entreprises concernées, allant de la restriction des émissions fugitives émises par des installations thermiques, pétrochimiques et nucléaires, à l’interdiction des joints à base d’amiante.

Toutes les conditions ont alors été réunies pour donner naissance à des travaux de recherches servant à la caractérisation des joints à base de PTFE, qui ont contribué à la conception des brides boulonnées. Dans leur projet de qualification des joints en PTFE, Payne et al. (1990) ont présenté une procédure qui sert à déterminer la marge de sécurité par des mesures indirectes, en se basant sur la mesure du fluage-relaxation. Keyood (1992) a présenté un nouveau protocole visant à déterminer le facteur de sécurité afin d’éviter l’éclatement du joint, en se basant sur des mesures directes. Les méthodes antérieures utilisées pour tester le matériau du joint sont insuffisantes et ne reflètent pas les conditions de service réel. Ainsi, Brian et Winter (1993) ont élaboré une enquête énumérant les nouvelles méthodes développées par différents organismes nordaméricains et européens.

En 1995, les résultats des essais réalisés au laboratoire TTRL (Tightness Testing and Research Laboratory) de l’école polytechnique de Montréal ont été présentés dans le rapport du projet de qualification du joint en PTFE (PTFE-GQP). Ces résultats ont permis de développer la nouvelle procédure, nommée « Test d’éclatement à chaud » HOBT (Hot Blow out Test), qui sert à mesurer la contrainte et la température de service, appelés « paramètres de réserve ». Birembaut et al. (1997) ont présenté une comparaison entre les normes et procédures nordaméricaines et européennes existantes. Savage (1999) a mené une étude sur la caractérisation des joints à base de PTFE, fondée sur l’éclatement à chaud et dont le but était de vérifier les hypothèses du projet PTFE-GQP et de valider des mesures de la température de réserve de certains joints selon la procédure d’éclatement à chaud (HOBT).

Derenne et al. (1999), dans leur étude portant sur la mesure de la relaxation et du taux de fuite à court terme, ont utilisé deux procédures, HOBT1 et HOBT2, inspirées de la procédure originale. Le principe de la première méthode consiste à chauffer, sans pressuriser, le système jusqu’à la température cible, qui sera maintenue pendant une heure, et ensuite d’effectuer une pressurisation qui augmente graduellement jusqu’à l’éclatement du joint. Dans la deuxième méthode, le principe de fonctionnement est de chauffer sous une pression constante. En 2001, Bouzid et al. ont mentionné, dans leurs études servant à prédire la température de réserve sous l’opération de joints en téflon, que l’épaisseur et la charge ont un effet majeur sur le coefficient d’expansion thermique et qu’une relaxation additionnelle de la charge est causée par la différence de dilatation thermique entre le joint et les brides provoquant son éclatement. La figure 1.1 montre les étapes de la procédure d’éclatement à chaud (HOBT).

Études numériques

La conception des brides boulonnées nécessitant l’analyse par éléments finis correspond à un autre domaine où ces données s’avèrent d’une importance capitale. En effet, les concepteurs utilisent souvent des données disponibles qui ne sont pas nécessairement représentatives de la situation réelle. L’utilisation de la méthode des éléments finis s’est largement développée, au point de devenir un outil essentiel de validation des mesures et des résultats expérimentaux. Les joints d’étanchéité jouent un rôle important dans le maintien du niveau d’étanchéité requis pour les assemblages à brides boulonnées. La structure non linéaire de ces joints conduit à une distribution non uniforme des contraintes de contact. Dans ce contexte, Krishna et al. (2007) ont démontré, dans une analyse en trois dimensions par éléments finis, l’effet de la répartition des contraintes de contact sur les performances d’étanchéité, même si la rotation des brides se trouve bien en dessous de la norme spécifiée par l’appendice S du code des réservoirs sous pression de l’ASME.

Hwang et al. (1994) ont aussi réalisé une analyse comparative entre un modèle d’éléments finis en 2D et un modèle d’éléments finis en 3D, à partir d’une bride boulonnée à haute pression. L’examen comprend une comparaison entre les deux modèles au niveau du chargement axisymétrique en 2D et en 3D. Fukuoka et al. (2002) ont produit une approche numérique visant une plus large utilisation de la technique de préchauffage des boulons, afin d’élucider le mécanisme de serrage. Les effets de la résistance thermique de contact existant autour d’un joint boulonné ont également été pris en compte, en vue de l’obtention d’une meilleure précision dans les analyses numériques. Pour étudier la résistance du joint et la capacité d’étanchéité sous pression interne et à différentes charges combinées, un modèle d’analyse comparative en trois dimensions non linéaires par éléments finis a été proposé par Abid et al. (2009), afin d’étudier le comportement des assemblages à brides avec et sans joints d’étanchéité, de même que leurs performances. Ce modèle a également été utilisé dans le but de déterminer les conditions de fonctionnement dans les assemblages à brides pour différentes températures et pressions internes.

L’assemblage brides-joints-boulons

L’assemblage à brides boulonnées présenté à la figure 2.4 comprend deux parties distinctes. Une partie inférieure, composée d’un socle et d’une bride du type à emmancher et à souder à face surélevée normalisée ANSI B16,5, de diamètre 0,076 m et de classe 667 N, qui est soudée à un noyau solide métallique. À l’intérieur de ce dernier, une cartouche chauffante générant jusqu’à 2 000 W de puissance est insérée. La partie supérieure inclut un tube de diamètre 0.08 m, soudé à une bride amovible du même type que la bride inférieure. L’ensemble des composantes du montage est constitué d’acier forgé SA 105. Deux trous sont percés sur les brides inférieure et supérieure, dans le but de faciliter l’insertion des thermocouples permettant le contrôle de la température du montage des brides, et par la suite la détermination de la température du joint. Le jeu radial entre le bloc inférieur (le noyau central) et supérieur forme quant à lui la chambre de pressurisation. Il est à noter que le volume interne du réservoir composé par les deux brides est réduit afin de minimiser la libération d’une grande énergie du gaz comprimé lors de l’éclatement du joint. L’utilisation d’une enceinte thermique amovible a pour fonction d’isoler thermiquement le montage afin de réduire la perte de chaleur.

Quatre boulons du type UNC 5/8-18 (in) ASTM A193 grade B16 sont spécialement usinés pour être fixés sur la bride inférieure, permettant le serrage du joint situé entre les brides inférieure et supérieure du montage (voir l’élément 3 sur la figure 2.4). Chaque boulon est percé au centre de façon à insérer et souder à un bout une tige du même matériau que le boulon, dans le but de mesurer l’allongement et d’en déduire la charge. La figure 2.5 représente l’ensemble boulon-tige, relié à un extensomètre à l’aide d’une tige en céramique insérée dans un tube du même matériau. La tension exercée sur le boulon au cours du serrage entraîne un allongement relatif entre le boulon et la tige, qui est mesuré par l’extensomètre; ce qui rend possible la déduction de la mesure de la tension sur les boulons.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 État de l’art sur les travaux antérieurs dans le domaine de l’étanchéité
1.2.1 Revue de la littérature sur la procédure d’éclatement à chaud (HOBT)
1.2.1.1 Historique de la procédure des tests d’éclatement à chaud (HOBT)
1.2.1.2 Études numériques
1.2.2 Revue de la littérature sur la mesure du coefficient d’expansion thermique
1.2.2.1 Le coefficient d’expansion thermique
1.2.2.2 Facteurs influençant le coefficient d’expansion thermique
1.2.3 Études du fluage-relaxation
1.2.4 Objectifs du projet
CHAPITRE 2 BANCS D’ESSAI EXPÉRIMENTAUX ET PROCÉDURES D’ESSAIS
2.1 Amélioration du banc d’essai HOBT
2.1.1 Généralité
2.1.2 Présentation du montage HOBT amélioré
2.1.3 L’amélioration apportée sur le banc d’essai HOBT
2.1.4 Description du montage HOBT
2.1.4.1 L’assemblage brides-joints-boulons
2.1.4.2 Système de pressurisation
2.1.4.3 Système de chauffage
2.1.4.4 Système d’acquisition de données
2.1.5 Caractéristiques techniques du montage
2.1.6 Fonctionnement du banc d’essai
2.2 Mesure du coefficient d’expansion thermique
2.2.1 Introduction
2.2.2 Description du banc d’essai TECT
2.2.3 Caractéristiques du montage TECT
2.2.4 Contexte général
2.2.5 Fonctionnement du montage TECT
2.3 Essais expérimentaux
2.3.1 Introduction
2.3.2 Essais sur le montage HOBT
2.3.2.1 Les différents joints testés
2.3.2.2 Programmes des tests
2.3.2.3 Procédure expérimentale
2.3.3 Les essais réalisés sur le montage TECT
2.3.3.1 Les différents joints testés
2.3.3.2 Description du programme d’essais
2.3.3.3 Procédure expérimentale TECT
2.4 Présentation des différents calculs du paramètre
2.4.1 Calcul de la perte de charge dans les boulons
2.4.2 Calcul du taux de compression du joint au serrage
2.4.3 Calcul du taux de fluage et de relaxation
2.4.4 Calcul du coefficient d’expansion thermique
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET ANALYSE
3.1 Introduction
3.2 Résultats des Tests TECT
3.2.1 Effet de la contrainte sur le joint
3.2.1.1 Joint rigide
3.2.1.2 Joint mou
3.2.2 Effet de la rigidité du matériau
3.2.3 Effet de la température
3.2.3.1 Joints rigides
3.2.3.2 Joints mous
3.2.4 Effet du nombre de cycles de chauffage
3.2.5 L’effet de la vitesse de chauffage
3.3 Résultats des essais HOBT
3.3.1 Les facteurs influençant les performances du joint
3.3.1.1 Effet de la contrainte initiale
3.3.1.2 Effet du nombre de cycles de chauffage-refroidissement
3.3.1.3 L’effet de la pression interne
3.3.1.4 L’effet du maintien de la température
3.3.2 Effet du type de joint
3.3.2.1 Joint métalloplastique
3.3.2.2 Joints mous
3.3.2.3 Joints rigides
3.3.3 Effet de l’épaisseur du joint
3.4 Analyse comparative des résultats avec les deux procédures HOBT et TECT
3.4.1 Taux d’écrasement du joint
3.4.2 Taux de fluage-relaxation
3.4.3 Le coefficient d’expansion thermique
3.4.4 La température de transition vitreuse
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES