etude et modélisation du comportement thermoélastique des cylindres composés et des systèmes à presse-étoupe

Abstract

Au cours de ces derniers siècles, l’environnement a connu une dégradation alarmante. Les activités industrielles, qui se sont explosées, occupent une place particulière dans la crise mondiale de l'environnement. L’industrie est vue comme étant la première au banc des accusés. Dès les années quatre-vingt le discours des entreprises a changé totalement et les initiatives en faveur de l'environnement se sont multipliées. Les émissions industrielles non contrôlées sont généralement produites par les fuites dans les équipements industriels et en particulier les conduites et les réservoirs sous-pression, les valves et les compresseurs. Des études faites par l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA), ont révélé que 60 % des émissions fugitives proviennent des valves. Par conséquent, des organisations comme l’ISO et l’API ont développé des codes de standardisation pour qualifier l’étanchéité des valves. Les équipements sous pression comptent parmi les équipements importants présents dans les installations industrielles. Ces équipements sont soumis à des pressions et des températures importantes. Les risques présentés par ces équipements proviennent de l’énergie (pression et température) du fluide qu’ils contiennent ainsi que les fuites dont ils sont exposés. Une attention particulière est accordée à ces équipements dont la défaillance peut engendrer une explosion, une implosion ou à la rupture d’éléments fragiles. Les cylindres sont exploités dans plusieurs domaines, ils sont considérés comme des structures servant à confiner les fluides sous pression. Ils sont utilisés dans les usines chimiques et les sites nucléaires, dans l'industrie pétrolière et gazière. Les valves sont aussi utilisées dans pratiquement tous les secteurs industriels et ils font partie des équipements pressurisés. Ils servent à contrôler la circulation des fluides. Le presse-étoupe est l’ancien moyen utilisé pour assurer l’étanchéité des valves tout en permettant le mouvement de la tige qui commande l’ouverture et la fermeture du système. La garniture du presse étoupe présente l’élément le plus fragile de l’ensemble car c’est la partie responsable des fuites. Afin d’améliorer l’étanchéité des valves, cet élément doit fonctionner dans les conditions les plus optimales. L’optimisation de l’étanchéité des valves passe par le maintien des valeurs des pressions de contact à des valeurs seuilles raisonnables. Ces pressions de contact radiales sur la paroi interne du boîtier et la paroi externe de la tige sont engendrées par la déformation axiale de la garniture. III Des équipes de recherche se sont penché sur l’étude dans ce volet. Ils ont proposé des modèles analytiques basés sur l’équilibre statique pour simuler le comportement de la garniture des valves. La modélisation du comportement mécanique des différents éléments du presse-étoupe en considérant la rigidité de l'assemblage est étudiée. Ainsi que l’évaluation des paramètres de fonctionnement, et la quantification de leurs évolutions dans le temps. La température est un paramètre important à considérer lors de l’étude du comportement des équipements pressurisés. L’objectif principal de cette thèse est, dans un premier temps, l’étude du comportement thermoélastique des cylindres et la distribution de la température dans des corps cylindriques sous différents types de conditions aux limites. Des études de cas de cylindres plein et creux sont détaillées. La deuxième partie traite le comportement des cylindres composés soumis au chargement thermomécanique. La dernière partie est consacrée à une simulation du comportement de l’assemblage de presse-étoupe sous l’effet de la température et de la pression de serrage. Les distributions des pressions de contact radiales et des déplacements axiaux sont discutées. Les résultats de cette étude montrent que la combinaison de l’expansion thermique de la garniture et la charge de serrage appliquée jouent un rôle important dans les performances d’étanchéité de l’assemblage de presse-étoupe. Le développement d’un modèle analytique et la réalisation d’essais aideront à mieux comprendre le comportement des tresses du presse-étoupe dans les conditions de chargement combiné thermique et mécanique.