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Prédire les fuites dans les garnitures d’étanchéité - Par : Ali Salah Omar Aweimer, Hakim A. Bouzid, Mehdi Kazeminia,

Prédire les fuites dans les garnitures d’étanchéité


Ali Salah Omar Aweimer
Ali Salah Omar Aweimer Profil de l'auteur(e)
Ali Salah Omar Aweimer détient un doctorat du Département de génie mécanique de l’ÉTS, à Montréal, depuis 2019.
Programme : Génie mécanique 

Hakim A. Bouzid
Hakim A. Bouzid Profil de l'auteur(e)
Hakim A. Bouzid est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS et Fellow de l’ASME. Il est directeur du Laboratoire d’Étanchéité Statique et Dynamique de l’ÉTS et président de la division Pressure Vessel and Piping de l’ASME.
Programme : Génie mécanique 

Mehdi Kazeminia
Mehdi Kazeminia Profil de l'auteur(e)
Mehdi Kazeminia est directeur général de Boost BOM. Il a obtenu un doctorat au Département de génie mécanique de l’ÉTS, à Montréal, en 2017.
Programme : Génie mécanique 

Vannes industrielles

Achetée sur Istock. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Prédire le taux de fuite dans les garnitures d’étanchéité vise à répondre aux récentes préoccupations quant aux émissions fugitives, mais s’avère une tâche difficile. Cette recherche présente une étude sur la capacité de la modélisation analytique à prédire les taux de fuite des garnitures d’étanchéité en graphite souple. Une nouvelle méthodologie fondée sur la caractérisation expérimentale des paramètres d’étanchéité d’un matériau en graphite souple a été utilisée pour prédire le taux de fuite sous différentes conditions de fonctionnement. Les modèles analytiques testés sont le modèle de diffusion, le modèle capillaire et le modèle d’Ergun. Nous avons comparé les taux de fuite prévus de différents gaz (hélium, azote et argon) à l’aide de mesures expérimentales sous différentes conditions d’essai. Mots-clés : Bagues d’étanchéité, fuites, modèles de diffusion, capillaire et d’Ergun.

Réduire les émissions fugitives dans l’environnement

Les préoccupations à l’échelle mondiale des polluants dangereux rejetés dans l’atmosphère et à leurs impacts sur l’environnement, la santé et la sécurité entraînent l’imposition de réglementations plus strictes sur les émissions fugitives. Ces dernières années, afin d’améliorer les performances des équipements industriels conformément à ces réglementations, des programmes de recherche expérimentale, numérique et théorique sur les garnitures d’étanchéité des tiges et des boitiers de vanne ont vu le jour en Amérique du Nord, en Europe et au Japon. Parmi les plus récents programmes, on retrouve la caractérisation des taux de fuite de gaz dans les joints d’étanchéité boulonnés à température ambiante. L’élaboration d’une approche pratique pour prédire les fuites dans les presse-étoupes à température ambiante représente une contribution majeure.

Cause principale de fuites : la garniture d’étanchéité

Dans le presse-étoupe, la garniture doit maintenir un seuil de pression contact pendant le fonctionnement de la vanne. Afin d’améliorer les performances d’étanchéité des presse-étoupes, il faut étudier leur comportement de fuite, notamment les facteurs qui contribuent aux fuites et leur niveau d’influence. L’objectif de ce travail est d’élaborer une méthodologie pour prédire de façon analytique les taux de fuite à travers les garnitures d’étanchéité sous différentes conditions de fonctionnement, soit la pression du fluide, la compression de la tresse et le type de fluide.

La plupart des vannes sont munies de garnitures d’étanchéité pour empêcher les fuites au niveau de la tige. La garniture de la vanne doit être comprimée adéquatement pour empêcher les fuites de fluide et minimiser les dommages infligés à la tige. Si une garniture d’étanchéité n’est pas assez comprimée, une fuite se produit, entraînant un risque pour la sécurité; si elle est trop serrée, elle entrave le mouvement de la tige et peut l’endommager. De plus, 60 % des émissions fugitives des appareils sous pression proviennent de fuites de vannes (Bayreuther, 2012). Il existe peu de modèles analytiques simulant l’écoulement des gaz à travers les joints d’étanchéité, cependant les modèles capillaires considérant l’écoulement du premier et du second ordres ont été développés récemment (Bouzid et Aweimer, 2019). Les résultats montrent que ces modèles d’écoulement permettent une bonne prédiction des fuites, le modèle du deuxième ordre se  rapprochant davantage des données expérimentales.  

Prédictions des fuites et mesures expérimentales

L’hélium a été utilisé comme gaz de référence pour déterminer les paramètres de porosité inhérents aux modèles analytiques permettant de prédire les fuites des gaz.

fuite d’azote par la garniture d’étanchéité

Figure 1 : Comparaison des taux de fuite de l’azote à 7 et à 14 MPa de compression de la tresse.

fuite d’azote par la garniture d’étanchéité

Figure 2 : Comparaison des taux de fuite de l’azote à 28 et à 41 MPa de compression de la tresse.

fuite d’azote par la garniture d’étanchéité

Figure 3 : Comparaison des taux de fuite de l’argon à 7 et à 14 MPa de compression de la tresse.

fuite d’azote par la garniture d’étanchéité

Figure 4 : Comparaison des taux de fuite de l’argon à 28 et à 41 MPa de compression de la tresse.

Les paramètres de porosité, soit le diamètre et le nombre de capillaires obtenus par ajustement de la courbe de données, servent à prédire le taux de fuite d’autres types de gaz et en particulier l’azote et l’argon dans le cas présent.

En général, les prédictions théoriques de fuite sont légèrement supérieures aux mesures expérimentales selon la pression du gaz et le niveau de compression des bagues d’étanchéité.

Les figures 1 et 2 présentent les résultats de l’azote à des compression des garnitures de 7, 14, 28 et 41 MPa et une pression de gaz se situant entre 0,4 et 2,8 MPa. Il est démontré que le modèle capillaire prédit mieux les fuites que les modèles de diffusion et d’Ergun avec ce dernier étant le moins précis. Les figures 3 et 4 présentent les résultats de l’argon sous les mêmes conditions. Bien que tous les modèles prédisent des taux de fuite avec une marge d’erreur acceptable, le modèle capillaire se conforme mieux aux données expérimentales pour toutes les valeurs de pression de l’argon.

Conclusion

Du point de vue industriel, le bien-fondé de cette recherche est établi : les garnitures d’étanchéité de vannes sont essentielles pour minimiser les fuites, afin de réduire les émissions fugitives et de se conformer aux contraintes légales afférentes. Une procédure normalisée de conception des presse-étoupes doit être mise en œuvre dès maintenant afin d’assurer le respect des réglementations environnementales. De nombreux types de vannes à haute pression sont employés dans les centrales nucléaires et les usines pétrochimiques. Toute fuite du système d’étanchéité de vannes peut provoquer des accidents, des arrêts, des dommages à l’environnement et des risques pour la santé.

Cette étude confirme la pertinence de la modélisation des milieux poreux afin de prédire les fuites des gaz dans les bagues de garniture en graphite souple des presse-étoupes. En général, les prédictions analytiques corroborent les données expérimentales. Toutefois, le modèle capillaire donne les meilleurs résultats sur les quatre ordres de grandeur de taux de fuite se situant entre 0,0001 et 1 mg/s.

Information supplémentaire

Pour plus d’informations sur cette recherche, lire l’article suivant : Aweimer, A.S.O., Bouzid, A.B. & Kazeminia M. 2019. “Predicting leak rate through valve stem packing in nuclear applications”. Journal of Nuclear Engineering and Radiation Science.  Jan 2019, 5(1): 011009 (7 pages).

Ali Salah Omar Aweimer

Profil de l'auteur(e)

Ali Salah Omar Aweimer détient un doctorat du Département de génie mécanique de l’ÉTS, à Montréal, depuis 2019.

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Hakim A. Bouzid

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Hakim A. Bouzid est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS et Fellow de l’ASME. Il est directeur du Laboratoire d’Étanchéité Statique et Dynamique de l’ÉTS et président de la division Pressure Vessel and Piping de l’ASME.

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Mehdi Kazeminia

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Mehdi Kazeminia est directeur général de Boost BOM. Il a obtenu un doctorat au Département de génie mécanique de l’ÉTS, à Montréal, en 2017.

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