Essais de caractérisation mécanique du presse-étoup

Essais de caractérisation mécanique du presse-étoup

INTRODUCTION

L’une des préoccupations internationales actuelles est la protection de l’environnement contre les émissions industrielles produites par les industries chimiques, pétrochimiques et nucléaires. Cette inquiétude a donné naissance à plusieurs organismes et institutions gouvernementales aux niveaux nationaux et internationaux pour contrôler et réguler la production des émissions fugitives. Environnement Canada, le Comité Air Issue de l’Alliance Canada de la Technologie du Pétrole (PTAC) et l’agence Américaine de protection de l’environnement (EPA) sont des organismes gouvernementaux qui régissent les normes en matière de protection de l’environnement. Les émissions industrielles sont classées en deux catégories. La première catégorie englobe les émissions contrôlées qui sont dégagées lors de la production. Ces émissions sont contrôlables puisqu’elles dépendent de l’amélioration du procédé industriel de production. La deuxième catégorie est les émissions fugitives non contrôlées qui sont produites par les fuites dans les équipements industriels et en particulier les conduites et réservoirs sous-pression, les valves et les compresseurs. Pour évaluer l’ampleur des fuites, on cite l’exemple de l’étude que la compagnie BP Chemicals de Middlesex en Angleterre a menée pour réduire les fuites de ses installations de 50% entre 1990 et 1997 (Barrie K., 1995). L’étude a permis de chiffrer une perte annuelle de 18000 tonnes en produits. Les investigations ont indiqué que dans une raffinerie pétrochimique typique, les émissions au niveau des tiges de valves pourraient atteindre jusqu’à 70% des émissions fugitives produites par les procédés.
En général, les installations utilisant les équipements mécaniques pressurisés sont en permanence sujettes à des fuites d’intensités variables. Quand ces fuites dépassent des limites acceptables, elles peuvent provoquer des accidents, des arrêts d’unités de production qui engendrent donc des pertes économiques considérables. Les valves font partie de ce type de composantes mécaniques dont la partie la plus sensible est la garniture du presse-étoupe. Le comportement mécanique d’un assemblage presse-étoupe et les paramètres influençant son étanchéité n’ont pas fait l’objet d’études poussées. En effet, il n’existe d’ailleurs aucune procédure de conception pour le choix et le dimensionnement des différents éléments d’un assemblage presse-étoupe.
Un assemblage presse-étoupe est défini comme étant l’ensemble des éléments d’une valve qui empêche le fluide confiné à l’intérieur de ne pas s’échapper vers l’extérieur et donc assure son étanchéité. Il est l’élément névralgique de la valve et représente un des maillons les plus faibles d’un système pressurisé. Un mauvais choix ou une mauvaise utilisation de ses éléments peut causer des fuites inacceptables. C’est pourquoi la connaissance du comportement des différents éléments du presse-étoupe est essentielle pour répondre aux exigences des normes de protection, de la santé et de la sécurité. En effet, ces exigences sont devenues une préoccupation mondiale suite aux nombreuses émissions fugitives, ayant causé en plus des accidents et des explosions, la contamination de l’environnement dans plusieurs pays.
Le presse-étoupe est constitué de la tige, du boîtier, du fouloir et de la garniture qui est l’élément le plus critique de l’assemblage. Historiquement, l’amiante était le matériau de premier choix de la garniture de presse-étoupe servant à étancher le fluide confiné et ainsi éliminer les fuites vers l’atmosphère. Ce matériau, autrefois trouvé en abondance était utilisé pour l’isolation et les applications à haute température. Ainsi, l’amiante a des propriétés intéressantes telles que l’étanchéité et par conséquent, elle a été très convoitée par les fabricants des joints d’étanchéité depuis plusieurs décennies. Au cours de ces longues années, une expérience inégalée a été établie par les fabricants et les utilisateurs de ce matériau. Plus récemment, avec la tendance d’abandonner l’utilisation des fibres d’amiante, à cause de leur effet cancérigène, une nouvelle génération de produits de remplacement sans-amiante tels que le graphite et le téflon a été développée par les fabricants des joints d’étanchéité. Cet état de fait a généré un bouleversement sans précédent des normes relatives à la caractérisation, l’utilisation et la fabrication des nouveaux matériaux et bâtir par la suite une expérience comparable à celle accumulée par l’utilisation de l’amiante.

Les valves

Fonctionnement des valves

Les valves sont des composantes mécaniques qui règlent le débit de l’écoulement ou la pression du fluide dans les systèmes d’écoulement des fluides avec ou sans pression. Cette fonction est effectuée en ajustant la position du membre de fermeture dans la valve, appelé obturateur. Cet ajustement peut être réalisé manuellement ou automatiquement.
Une valve est composée, en général, d’une enveloppe, qui représente l’interface fluideambiance extérieure, d’un obturateur, qui actionne le passage du fluide, d’un système de raccordement à la tuyauterie et d’un système de commande de l’obturateur. La valve peut être utilisée soit pour l’ouverture et la fermeture ou pour le réglage du débit du fluide. Dans le premier cas, la valeur du débit du fluide est moins importante, par contre dans le deuxième cas cette valeur est primordiale.
Les qualités recherchées lors du choix d’une valve sont : la bonne fiabilité, l’interchangeabilité, la facilité de commande et de mise en place, le faible encombrement et la facilité de maintenance. Les principaux critères de choix des valves sont : la fonction à assurer, la nature du fluide, la température du fluide, la pression de service et les conditions de manœuvre.

Différentes familles de valves

La commande de l’obturateur s’effectue par trois types de mouvements : – Mouvement circulaire (tige tournante); – Mouvement linéaire (tige montante); – Mouvement hélicoïdal (tige tournante et montante). En fonction du déplacement de l’obturateur, les valves sont classées suivant deux grandes familles :
– Valves à déplacement linéaire de l’obturateur : (figure 1.1) o Déplacement perpendiculaire au fluide : Vanne murale; Vanne à guillotine; Vanne à membrane;
Vanne à lunette; Vanne à manchon. o Déplacement parallèle au fluide : Soupape de sûreté; Valve à piston; …. – Valves à déplacement angulaire de l’obturateur : (figure 1.2) Vanne papillon; Vanne à tournant sphérique; Vanne à tournant cylindrique ou conique.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Les valves
1.2.1 Fonctionnement des valves
1.2.2 Différentes familles de valves
1.2.3 Étanchéité des valves
1.3 La garniture à tresses
1.4 Revue bibliographique
1.4.1 Introduction
1.4.2 Modèles analytiques
1.4.2.1 Comportement général de la garniture
1.4.2.2 Relaxation de la garniture
1.4.3 Études expérimentales
1.4.3.1 Introduction
1.4.3.2 Essais de caractérisation mécanique du presse-étoup
1.4.3.3 Détermination des caractéristiques viscoélastiques des garnitures à tresses
1.4.3.4 Essais de fuite
1.4.4 Analyses par éléments finis
1.4.5 Conclusions
1.4.6 Objectifs de la thèse
CHAPITRE 2 ANALYTICAL EVALUATION OF STRESSES AND DISPLACEMENTS OF STUFFING-BOX PACKING BASED ON A FLEXIBILITY ANALYSIS
2.1 Introduction
2.2 Background
2.3 Analytical model
2.4 Finite element model
2.5 Results and discussions
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 SHORT TERM RELAXATION MODELING OF VALVE STEM PACKINGS
3.1 Introduction
3.2 Background
3.3 Analytical model
3.4 Finite Elements Model
3.5 Results and discussions
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 AN EXPERIMENTAL-NUMERICAL PROCEDURE FOR STUFFING BOX PACKING CHARACTERIZATION AND LEAK TESTS
4.1 Introduction
4.2 Packing test bench
4.3 Packing characterization procedure
4.3.1 Finite element model study
4.3.2 Calculation approach
4.4 Results and discussions
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 ÉTUDE EXPÉRIMENTALE
5.1 Introduction
5.2 Description du banc d’essais
5.2.1 Montage du presse-étoupe
5.2.2 Circuit de pressurisatio
5.2.3 Circuit de mesure des fuites
5.2.4 Bloc mesure, acquisition et contrôle
5.3 Programme des essais
5.4 Résultats des essais
5.4.1 Essais de compression
5.4.2 Essais de fuite
5.4.2.1 Comparaison du comportement du graphite flexible et du Téflon
5.4.2.2 Déformations tangentielles du boîtier
5.4.2.3 Effet du nombre d’anneaux de la garniture
5.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I INTERFACES DU PROGRAMME LABVIEW
ANNEXE II MODÈLES DE L’ÉTUDE PAR ÉLÉMENTS FINIS
ANNEXE III PROGRAMMES ANSYS
BIBLIOGRAPHIE