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Prédiction des fuites gazeuses et des fuites liquides dans les joints d’étanchéité micro et nano-poreux

Authors
Publisher
École de technologie supérieure
Publication Date
Disciplines
  • Physics

Abstract

Le joint d'étanchéité constitue l'élément névralgique de tout assemblage mécanique pressurisé. Un mauvais choix ou tout simplement l’utilisation non appropriée d'un joint d'étanchéité peut engendrer des fuites inacceptables ou des infiltrations d'agents contaminateurs pouvant être potentiellement dangereux pour les êtres humains et l'environnement. L'objectif de ces travaux de recherche consiste en la prédiction analytique des fuites gazeuses et des fuites liquides dans les joints d’étanchéité utilisés dans les assemblages à brides boulonnées. Après avoir étudié la nature de l'écoulement des fluides à travers les milieux poreux, tels que les joints d'étanchéité, notre attention se portera essentiellement sur la prédiction des fuites dans les assemblages à brides boulonnées pour plusieurs fluides, dont le comportement en étanchéité avec un fluide de référence (l’hélium) connu. Un banc d’essai expérimental a été réalisé afin d’analyser l’effet thermique, en plus de l’effet mécanique sur le régime d’écoulement des joints. La contribution scientifique présentée dans ce rapport se scinde en trois parties. La première a pour objectif de proposer un modèle analytique capable de prédire les fuites de différents gaz en fonction d’un gaz de référence, tout en se basant sur l’identification de la structure interne du joint d’étanchéité. À partir de ce modèle analytique, une approche théorique a été adoptée dans le but de calculer les paramètres de porosité du joint, tels que le nombre et la taille des chemins de fuites. Nous avons défini les conditions limites nécessaires à l’établissement d’un modèle basé sur un régime d’écoulement glissant du premier ordre et à l’exploitation théorique de ce modèle. Pour ce faire, des tests ont été effectués grâce à un banc d’essai illustrant fidèlement un assemblage de brides boulonnées, piloté par un programme développé à l’aide du logiciel Labview. Les études effectuées pour la prédiction des fuites à travers le joint d’étanchéité se sont limitées aux gaz. Dans la deuxième partie, notre objectif consiste à prédire le taux de fuite, en portant une attention particulière aux liquides. Cette prédiction se fonde sur des mesures expérimentales de micro écoulements gazeux. Nous proposons ici une modélisation analytique pour prédire de débit de fuite, à partir de la théorie de Navier-Stokes. Le développement d’une technique de mesure de fuites dans le cas des fuites liquides a été nécessaire pour réussir cette section de l’analyse. Dans la dernière partie de cette étude, le défi était d’étendre et de valider l’applicabilité du modèle théorique basé sur un régime d’écoulement glissant et sur la prédiction des fuites gazeuses à travers les joints d’étanchéités, tout en considérant le changement de porosité du joint et de la viscosité du fluide sur le niveau d’étanchéité à la suite de l’augmentation de la température. L’approche analytique a été utilisée pour caractériser la structure interne du joint d’étanchéité développé dans la première partie de cette étude. Plusieurs essais préliminaires ont été effectués afin d’acquérir une meilleure compréhension de l’écoulement à travers un milieu poreux et à partir de différents processus intervenant lors d’une mesure de fuite. La maîtrise parfaite de l’ensemble de la chaîne des mesures assure la qualité de nos résultats de mesures. C’est pourquoi une méthodologie particulière d’essais a été adoptée pour chaque partie de l’étude, afin de réussir les tests. La démarche expérimentale a permis d’une part de valider les résultats théoriques, et d’autre part d’éclaircir le phénomène d’étanchéité maximale adopté par le joint lorsque celui-ci est soumis à un niveau de contrainte élevé. Ce phénomène est communément appelé "Tightness hardening". À partir du modèle obtenu, nous avons été en mesure de dégager une analyse plus détaillée dans le but de caractériser l’étanchéité d’un joint en fonction de la différence de pression, de la température et de la contrainte sur le joint, tout en modélisant la structure du joint soit par un réseau de capillaires rectilignes ou un ensemble de couches annulaires.

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