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Paramètres de jointsY.Birembaut – A.HuchetPage 1
Journée Technique AFIAP – 22 Mai 2007 - ETANCHEITE DES ASSEMBLAGES NON PERMANENTS
● La caractérisation des joints pour l'étanchéité des assemblages à brides
Y.Birembaut – A.HuchetCETIM
Pôle d'activité Technologies de L'étanchéité
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Journée Technique AFIAP – 22 Mai 2007 - ETANCHEITE DES ASSEMBLAGES NON PERMANENTS
Des paramètres de joint pour l’EN1591-1
● La nouvelle norme européenne EN 1591-1 de calcul des assemblages à brides avec joint d'étanchéité fait appel à de nouveaux paramètres de joints très différents des traditionnels coefficients m et y de la méthode Taylor Forge. Ces paramètres définissent
♦ Des caractéristiques mécaniques (module d‘élasticité, charge maximale admissible, coefficient de fluage)
♦ Des caractéristiques étanchéité (étanchéité à l'assise, étanchéité en service)
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Journée Technique AFIAP – 22 Mai 2007 - ETANCHEITE DES ASSEMBLAGES NON PERMANENTS
Des paramètres de joint pour l’EN1591-1
● Ces paramètres étant nouveaux il a fallu définir des procédures d'essais pour les évaluer.
● Le CEN TC74 WG8 a donc élaboré une norme d'essais EN 13555 qui a été expérimentée et modifiée dans le cadre d'un projet européen PERL auquel ont participé♦ la profession (Commission Chaudronnerie Tuyauterie
Tôlerie du CETIM)♦ Le pôle TDE et le MPA Stuttgart ♦ les principaux fournisseurs de joints européens♦ ASE coordinateur du projet
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Des paramètres de joint pour l’EN1591-1
● Les essais réalisés dans ce cadre ont servi de base à la norme EN 1591-2 qui définit les valeurs standards des paramètres pour les principaux types de joints utilisés dans l'industrie des appareils à pression.
● Nous présentons la norme EN 13555 et explicitons l’utilisation de l'EN 1591-2
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Norme EN 13555
● Titre:
Paramètres de joints et modes opératoires d’essai relatifs aux règles de calcul des assemblages à brides circulaires avec joint
♦ Avril 2005
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Norme prEN 1591-2
● Titre:Brides et leurs assemblages – Règles de calcul des assemblages à brides circulaires avec joints – Partie 2 : Paramètres de joints♦ Avril 2006 (enquète probatoire)
● Cette norme devrait être officialisée en 2007
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Paramètres « mécaniques »
● Qsmax, contrainte maximale admissible par le joint avant destruction
● Eg, module sécant de décompression du joint
● Pqr, coefficient de fluage/relaxation du joint
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Paramètres « mécaniques »
● Qmin (L) : contrainte minimale à appliquer sur le joint àl'assise pour obtenir la classe d'étanchéité L requise àla pression de service
● Qsmin (L) : contrainte minimale à assurer sur le joint en condition de service pour garantir le maintien de la classe d'étanchéité L requise à la pression de service
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Les moyens d’essais
● Les joints sont testés entre plateaux rigides considérés comme indéformables
● Les plateaux sont comprimés sous presse
● Le fluide de test est l'hélium.
● La mesure du taux fuite est réalisée avec un spectromètre de masse hélium. Elle permet la mesure de la fuite globale du joint
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Les moyens d’essais CETIM
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Les dimensions des joints
La norme précise deux dimensions de joints pour les essais
Désignation Face surélevée joint de la bride
DN40 PN 40 EN 1092-1 EN 1514-1 à 7
NPS 4 Class 300 EN 1759-1 EN 12560-1 à 7
Les dimensions les plus utilisées sont les dimensions des brides PN.
L'épaisseur standard des joints pour la caractérisation est de 2 mm
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Coefficient Qsmax
● Ce facteur représente la contrainte maximale admissible sur le joint :♦ A la température ambiante à l’assise.♦ A la température de service.
● Pour déterminer la contrainte maximale admissible sur le joint on comprime le joint en cyclant l'effort de serrage appliqué et on mesure l'évolution de l'écrasement du joint.
● Un brusque changement de pente de la courbe indique la valeur de Qsmax. La valeur la plus significative est celle obtenue en température.
● En général quand la température d'essai augmente, la valeur de Qsmax diminue.
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Exemple de destruction d’un joint
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Exemple de destruction d’un joint
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Con
trai
nte
/ Str
ess
(MP
a)
Compression - Reprise Elastique / Compression - Recovery
Epaisseur / Thickness (mm)
Joint Graphite
DN40 / PN40 : 49 x 92 mmProcédure: prEN 13555
Température ambiante
Destruction du joint
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Coefficient PQR
● Pqr est le paramètre caractéristique du fluage relaxation du joint. Il est calculé a partir de la contrainte appliquée sur le joint au serrage Qi et au serrage résiduel en service Qr: ♦ Pqr = Qr / Qi.
● Dans la norme l'essai de fluage relaxation dure 4h. L'essai pour obtenir Pqr est un essai de fluage relaxation pour lequel on simule lors de l'essai une rigidité de bride de 500 KN/mm (typique d’une bride PN), 1000 KN/mm, ou 1500 KN/mm (typique d’une bride class).
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Essai Pqr
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000
10
20
30
40
50
60
70
Ecrasement/Deflection(mm) Contrainte/Stress (appliquée-applied)(MPa) Température(°C)
Ecra
sem
ent /
Def
lect
ion
(mm
)
Comportement Mécanique / Mechanical Behavior
Sg (MPa) - Tem
p (°C) - Pr (bar)
Temps / Time (s)
Joint PTFE
Dimensions : Joint/Gasket : 49,27 x 91,72 x 1,96Procédure : prEN13555 (2004)
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Essai Pqr
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Con
trai
nte
/ Str
ess
(MPa
)
Compression - Reprise Elastique / Compression - Recovery
Ecrasement / Deflection (mm)
Joint PTFE
Dimensions : Joint/Gasket : 49,27 x 91,72 x 1,96Procédure : prEN13555 (2004)
Qi =60 MPa
Qr =55 MPa
Ag = 4175,54 mm2
C = 500 000 N/mm
PQR = 0,91
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Présentation de Qsmax et Pqr dans EN 1591-2
1-10-102-1, 2mm0,42 (60)60225°C
1-10-102-1, 2mm0,5 (60)60175°C
1-10-102-1, 2mm0,89 (60)60Ambiante
Code du jointPqr(500 KN/mm)
QsmaxTempérature
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Module d’élasticité du joint en décompression Eg
● Le module d’élasticité est calculé à partir de la reprise élastique du joint entre l'application de l'effort initial de compression et de décompression jusqu'au tiers de l'effort de serrage initial.
● Le module Eg est calculé♦ pour différents niveaux de serrage au cours d'un cycle de
compression – décompression.
♦ Pour 3 niveaux de température
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0
25
50
75
100
125
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 200000
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Contrainte/Stress (appliquée-applied)(MPa) Température(°C)
08/11/01
Joint graphite / Graphite gasket
Dimensions : Joint/Gasket : 49,08 x 92,05 x 1,9914BCQT2
Sg (M
Pa)
Qsmax and Eo K1 parameters
Temp (°C
)
Temps / Time (s)
ε
Qi
Essai Eg
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Courbe caractéristique d’un essai Eg
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
2,5 3 3,5 4 4,5 5
Con
trai
nte
/ Str
ess
(MPa
)
Compression - Reprise Elastique / Compression - Recovery
Epaisseur / Thickness (mm)
Dimensions : Joint/Gasket : 55,48 x 72,5 x 4,57CEN TEST
Température ambianteRoom Temperature
Joint spiralé avec anneau extérieur
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Présentation de Eg dans EN 1591-2 (Spiralé graphite avec anneau extérieur)
11529151176147120
9943102914714100
7835687436438060814694289260
--256350
40943359215840
--197530
22992904185420
Contrainte
3-3-100-1 4,5mm3-3-100-1 4,5mm3-3-100-1 4,5mmCode joint
450°C300°CAmbianteTempérature
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● Définition de Qmin(L) :Niveau minimal de contrainte requis à l’assemblage pour la classe d’étanchéité L requise à la pression p du fluide
● Définition de QSmin(L) :Niveau minimal de contrainte requis en service (au desserrage) pour la classe d’étanchéité L requise àla pression p du fluide
Les paramètres d’étanchéitéQmin(L) et Qsmin (L)
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Classes d’étanchéité L
● Les classes d’étanchéité L sont définies comme le taux de fuite en Hélium exprimé en mg.s-1.m-1 (par unité de circonférence moyenne du joint)
L1 = 1 mg.s-1.m-1 => T2 (Std)L 0.1 = 0.1 mg.s-1.m-1
L 0.01 = 0.01 mg.s-1.m-1 => T3 (Haute)
● La pression de référence est de 40 bar. La norme préconise aussi des essais à 10 et 80 bar
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Procédure d’essai à 40 bar
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Procédure d’essai à 80 bar
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Evaluation de Qmin(L) et Qsmin(L)
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0 50 100 150 200 250 300 350
Fuite
(mg/
(s.m
))
Fuite vs Contrainte / Leak vs stress
Contrainte (MPa)
Leak
(mg/
(s.m
))
Stress (MPa)
Joint Graphite
49 x 92 x 2,3Procédure : prEN13555
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Les joints (EN1591-2, EN13555….)
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0 50 100 150 200 250 300 350
Fuite
(mg/
(s.m
))
Fuite vs Contrainte / Leak vs stress
Contrainte (MPa)
Leak
(mg/
(s.m
))
Stress (MPa)
Joint Graphite
49 x 92 x 2,3Procédure : prEN13555
L 0,001
L 0,00001
L 0,0001
L 0,01
L 0,1
L 1
L 0,000001
Sa1
Sa4
Sa3
Sa2
Sa5
Sa6
Qsmin (L 0,0001 ; Sa5)
Qsmin (L 0,00001 ; Sa6)
Qmin (L 0,0001)
Qmin (L 0,00001)
Qmin (L 0,01)
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Exemple pour un joint graphite expansé (suivant courbe précédente)
31.4> Qsmax20010-5
1060.812710-4
101082.110-3
1010101048.310-2
10101010102110-1
1010101010101010-0
Qsmin(L) MPaCode Joint
32016080604020Qa (MPa)
Qmin(L) MPa
L (mg/sm)
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Exemple pour un joint graphite expansé
> Qsmax
1-5-101-120010-5
951-5-101-113910-4
1238,71-5-101-18410-3
101010101-5-101-14110-2
1010101010101-5-101-115,510-1
1010101010101-5-101-11010-0
Qsmin(L) MPaCode Joint
16010080604020Qa (MPa)
Qmin(L) MPa
L (mg/sm)
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Conclusion
● La méthode de calcul EN1591-1 permet un dimensionnement de l’assemblage en prenant en compte le paramètre étanchéité comme critère de défaillance
● La norme prEN 1591-2 fournit des valeurs des paramètres de joints requis par l’EN 1591-1 à partir d’essais réalisés selon l’EN13555
● Cette norme n’est toutefois toujours pas finalisée. Les utilisateurs de l’EN1591-1 peuvent donc s’adresser aux fabricants de joints ou au CETIM pour avoir les valeurs des paramètres de joints
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