Caractérisation mécanique des tresses de valves à haute température

En retournant au but premier d’un joint d’étanchéité, il est possible de comprendre la raison principale de son existence et le rôle qu’il occupe dans un système pressurisé tel qu’une valve, un compresseur ou une pompe. Les différents types de joints d’étanchéité ont pour but d’empêcher et de réduire les fuites afin de protéger le public ainsi que l’environnement contre les produits circulant dans ces systèmes pressurisés. C’est la raison pour laquelle des compagnies produisent des produits permettant l’étanchéité des systèmes utilisés dans l’industrie autant alimentaire, chimique que nucléaire. Ils se doivent de vendre un produit respectant les normes établies telles que celles sur les émissions fugitives afin de protéger l’environnement et la santé des humains. Différents organismes gouvernementaux et mondiaux ont pour but de contrôler les produits et de fixer des normes afin de réduire les fuites dans les systèmes possédant des joints d’étanchéité. Après plusieurs lectures, les fuites sont catégorisées sous deux types. Le premier type de fuite est relatif aux émissions fugitives contrôlées qui sont dues aux fonctionnements de l’usine. Le deuxième type de fuite est relatif aux fuites non contrôlées provenant des systèmes pressurisés tels que les pompes, les valves ou tout autre type d’équipement ou machine. Il faut comprendre qu’un système contenant un fluide sous pression est susceptible à une fuite. Dans tous les cas, ces fuites sont possibles à réduire en maîtrisant et en contrôlant différents paramètres. Les fuites sont localisées dans les assemblages à brides boulonnées, de valve ou les presse-étoupes. Ces assemblages représentent le maillon le plus faible des systèmes pressurisés.

Dans le cas de cette étude, la partie pouvant causer des fuites est le presse-étoupe. Celui-ci est la partie de l’assemblage d’une valve contenant des garnitures de tresses servant à empêcher le fluide maintenu dans le système de sortir et ainsi causer des fuites. Par contre, autant dans la littérature que chez les fabricants ou les utilisateurs, aucune étude, aucune procédure ou même encore aucun papier ne présente une méthode rigoureuse qui détermine le type de matériau, le dimensionnement ou le nombre de tresses a utilisé et le serrage à appliquer en fonction des conditions d’opération et le type d’application. Il existe encore moins une procédure permettant de faire la conception d’un assemblage de type presse étoupe laquelle assure une étanchéité respectant les normes émises par les organismes protégeant l’environnement et la santé des humains tel que mentionné précédemment. Par contre, depuis quelques années, des études analytiques, numériques et expérimental ont été conduites afin d’évaluer les différentes propriétés mécaniques des garnitures de tresses à température ambiante incluant la prédiction de fuite liquides et gazeuses. Ces travaux ont servi à comprendre davantage le comportement des tresses et de caractériser certaines propriétés mécaniques à température ambiante. Malheureusement celles-ci ne sont suffisantes pour assurer un bon fonctionnement des tresses de valves des systèmes sous pression à haute pression et à haute température.

L’étude des propriétés mécaniques des garnitures de tresses à haute température est le but principal de ce travail de recherche. Très peu d’études à température élevée de l’ordre de 800°F ont porté sur les garnitures de tresses de presse-étoupes. Pour bien comprendre l’effet de chaque paramètre de la garniture sur le comportement de l’assemblage presse-étoupe, il faut entamer des études précises et séparés sur chacune des propriétés mécaniques de la garniture en fonction de la compression volumétrique et de la température d’essai. Ce travail de caractérisation est d’autant plus nécessaire depuis l’interdiction d’utilisation de l’amiante et l’introduction de nouveaux matériaux tel que le polytétrafluoroéthylène et le graphite. Afin de justifier l’utilisation des nouveaux matériaux et mettre sur papier les lectures observées, l’amiante était un matériau très exploité par les fabricants de joints d’étanchéité surtout les garnitures de tresses, car ce matériau possède de bonnes propriétés permettant l’étanchéité en plus de bien maintenir ces propriétés à haute température puisqu’il résiste aux températures élevées. Cependant, depuis quelques années, des recherches ont prouvées que l’amiante est cancérigène, et par conséquent les fabricants de joints d’étanchéité ont proposé d’autres matériaux qui peuvent assurer une bonne étanchéité telle que le graphite ou le polytétrafluoroéthylène connu sous l’acronyme PTFE ou sous la marque commerciale Teflon. Ces deux matériaux ont leurs avantages et leurs inconvénients par rapport à l’amiante.  L’étude de ces deux matériaux fait partie de l’objet de cette recherche laquelle est la caractérisation des propriétés mécaniques des tresses de valves à haute température.

Les valves

Le but premier d’une valve est de contrôler le débit d’un fluide liquide ou gazeux dans un système à basse ou haute pression. Il existe plusieurs méthodes afin de réguler le débit d’écoulement du fluide grâce aux différents types de valves disponibles. Tout d’abord, il existe le robinet à papillon qui consiste à tourner un clapet de 90 degrés qui sert d’ouverture et de fermeture . Ce type de valve ne permet pas un bon contrôle et d’ajustement du débit d’écoulement.

Par la suite, il y a le robinet à tiroir qui possède un clapet lequel monte et descend afin de moduler le débit d’écoulement du fluide. La position du clapet est contrôlée en tournant la tige qui le relie par une manivelle placée au-dessus du boitier de la valve. Ce type de valve permet une meilleure modulation du débit que la valve papillon.

Enfin, le robinet à tournant sphérique est aussi un type de valve très utilisée dans l’industrie. Elle ressemble beaucoup à la valve à papillon, puisqu’une simple rotation de 90 degrés ouvre et ferme la valve. Elle est munie d’une sphère percée suivant son diamètre permettant l’écoulement du fluide lorsque ce trou est enligné avec la tuyauterie. Pour fermer la valve, il suffit de tourner la sphère d’un quart de tour pour que le trou devient perpendiculaire au débit.

Fonctionnement d’un presse-étoupe 

Le presse-étoupe est un dispositif pour assurer ou réduire les fuites vers l’extérieur du système tout en permettant un mouvement rotatif ou en translation entre ces différents composants. Il est composé du boîtier de la valve qui est le plus grand composant de cet assemblage. Il possède une tige permettant le mouvement nécessaire pour l’ouverture et fermeture de la valve ou simplement le mouvement rotatif permanant dans une pompe. Le poussoir est le composant se déplaçant le long de l’axe de la tige et du boîtier lors du serrage initial. Enfin, la garniture de tresse est le composant permettant l’étanchéité du système. Il est fabriqué à partir d’un matériau mou et déformable tel que le graphite ou le polytétrafluoroéthylène connu sous le nom de PTFE. Elle est confiné entre le boîtier, la tige et comprimé par le poussoir dans la direction axiale. Les interfaces propices aux fuites externes entre le boîtier et la tresse et la tige et la tresse sont sujettes à des pressions de contact élevées pour bloquer les chemins de fuite. À ces fuites surfaciques s’ajoutent les fuites dues à la perméabilité du matériau lesquelles sont de moindre importance.

Études du module de compressibilité et du coefficient de Poisson 

Ces deux propriétés mécaniques sont souvent étudiées ensemble puisqu’elles sont requises dans la loi du comportement des matériaux. (Diany et Bouzid, 2011) ont développé une approche expérimentale numérique afin de déterminer le coefficient de Poisson ainsi que le module de compressibilité à température ambiante. Leurs travaux de recherche sont très intéressants et seront exploités lors de la réalisation de ce projet dont les objectifs sont similaires mais les essais seront réalisés à haute température. Pour une meilleure caractérisation du comportement de la tresse, une seule garniture de tresse est utilisée dans le montage. En prenant les données des essais ainsi que les résultats du modèle numérique, il est maintenant possible d’obtenir une bonne estimation des propriétés mécaniques de la garniture de tresse.

La méthode consiste à calibrer les déformations circonférentielles externes du boîtier de l’approche numérique avec celles obtenues expérimentalement pour évaluer la pression de contact. De cette façon, il sera possible d’obtenir le coefficient du coefficient de transmission latérale de la tresse. Dans le cas du banc d’essai, la force axiale de compression, le déplacement axial des tresses ainsi que les déformations circonférentielles à l’extérieur du boîtier sont enregistrés. Il faut comprendre qu’il s’agit d’un test de compression triaxial, puisque la tresse est confinée dans le boîtier, la tige et le poussoir. Ce test permettra d’obtenir les déformations externes du boîtier, d’en déduire les déformations internes pour ensuite obtenir le coefficient de pression de contact latérale .

Études du coefficient de pression latérale 

De nombreuses études portent sur le coefficient de pression latérale des garnitures de tresses, puisque c’est cette propriété mécanique qui assure l’étanchéité du système. Plus la tresse possède un faible coefficient de pression latérale, plus la pression transmise sur la paroi du boîtier sera faible. Un rappel concernant le coefficient de pression de contact peut être utile. Il s’agit du rapport entre la contrainte radiale et la contrainte axiale. Ainsi, il est important d’avoir un matériau composant la tresse pouvant avoir un coefficient supérieur à 0,5. Une étude sur la prédiction de la pression de contact basée sur la flexibilité a été faite par (Diany et Bouzid, 2009a). Cette recherche montre une approche analytique simplifiée utilisant la théorie des cylindres à paroi épaisse afin de déterminer les contraintes ainsi que les déplacements radiaux et axiaux des composantes dans l’assemblage presse étoupe. De plus, la pression de contact latérale est étudiée en prenant en compte la flexibilité de la tresse ainsi que les autres composants se retrouvant dans l’assemblage presse-étoupe. Le modèle analytique suppose que les tresses ainsi que le boîtier se comportent comme un cylindre à paroi épaisse. De plus, la tige est traitée comme un cylindre plein soumis à une compression radiale .

Afin de pouvoir résoudre le modèle analytique, un coefficient de Poisson de la tresse de graphite a été obtenu suite à des tests expérimentaux de compressibilité. De cette façon, lors de la comparaison des résultats avec le modèle numérique, il sera possible de comparer les coefficients de pression latérale. L’article présente les équations analytiques des contraintes, des déplacements et des pressions de contact latéral exercées par la tresse sur le boîtier et la tige. Finalement, grâce aux formules présentées, il est possible d’obtenir le coefficient de pression de contact latérale sous cette forme.