Page 1 La caractérisation des joints pour l'étanchéité des assemblages à brides CETIM Pôle d'activité Technologies de L'étanchéité
Des paramètres de joint pour l EN1591-1 Page 2 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)
Des paramètres de joint pour l EN1591-1 Page 3 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
Des paramètres de joint pour l EN1591-1 Page 4 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
Norme EN 13555 Page 5 Titre: et modes opératoires d essai relatifs aux règles de calcul des assemblages à brides circulaires avec joint Avril 2005
Norme pren 1591-2 Page 6 Titre: Brides et leurs assemblages Règles de calcul des assemblages à brides circulaires avec joints Partie 2 : Avril 2006 (enquète probatoire) Cette norme devrait être officialisée en 2007
Paramètres «mécaniques» Page 7 Q smax, contrainte maximale admissible par le joint avant destruction E g, module sécant de décompression du joint P qr, coefficient de fluage/relaxation du joint
Paramètres «mécaniques» Page 8 Qmin (L) : contrainte minimale à appliquer sur le joint à l'assise pour obtenir la classe d'étanchéité L requise à la 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
Les moyens d essais Page 9 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
Les moyens d essais CETIM Page
Les dimensions des joints Page 11 La norme précise deux dimensions de joints pour les essais Désignation Face surélevée joint de la bride DN40 PN 40 EN 92-1 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
Coefficient Q smax Page 12 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 Q smax. La valeur la plus significative est celle obtenue en température. En général quand la température d'essai augmente, la valeur de Qsmax diminue.
Exemple de destruction d un joint Page 13
Exemple de destruction d un joint Page 14 Joint Graphite DN40 / PN40 : 49 x 92 mm Compression - Reprise Elastique / Compression - Recovery Procédure: pren 13555 450 400 Température ambiante Contrainte / Stress (MPa) 350 300 250 200 150 0 50 Destruction du joint 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Epaisseur / Thickness (mm)
Coefficient P QR Page 15 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), 00 KN/mm, ou 1500 KN/mm (typique d une bride class).
Essai P qr Page 16 Joint PTFE Dimensions : Joint/Gasket : 49,27 x 91,72 x 1,96 Procédure : pren13555 (2004) Comportement Mécanique / Mechanical Behavior 0,50 70 Ecrasement / Deflection (mm) 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0, 0,05 60 50 40 30 20 Sg (MPa) - Temp ( C) - Pr (bar) 0,00 0 0 2000 4000 6000 8000 000 12000 14000 16000 18000 Temps / Time (s) Ecrasement/Deflection(mm) Contrainte/Stress (appliquée-applied)(mpa) Température( C)
Essai P qr Page 17 Joint PTFE Dimensions : Joint/Gasket : 49,27 x 91,72 x 1,96 Compression - Reprise Elastique Procédure : pren13555 (2004) / Compression - Recovery Contrainte / Stress (MPa) 70 60 50 40 30 20 Qi =60 MPa Qr =55 MPa P QR = 0,91 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Ecrasement / Deflection (mm) Ag = 4175,54 mm2 C = 500 000 N/mm
Présentation de Q smax et P qr dans EN 1591-2 Page 18 Température Qsmax Pqr (500 KN/mm) Code du joint Ambiante 60 0,89 (60) 1--2-1, 2mm 175 C 60 0,5 (60) 1--2-1, 2mm 225 C 60 0,42 (60) 1--2-1, 2mm
Module d élasticité du joint en décompression Eg Page 19 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
Essai Eg Page 20 oint graphite / Graphite gasket imensions : Joint/Gasket : 49,08 x 92,05 x 1,99 Qsmax and Eo K1 parameters 14BCQT2 08/11/01 Q i 125 500 450 0 400 350 75 300 Sg (MPa) 50 250 200 Temp ( C) 150 25 0 50 0 0 0 2000 4000 6000 8000 000 12000 14000 16000 18000 20000 Temps / Time (s) Contrainte/Stress (appliquée-applied)(mpa) Température( C) ε
Courbe caractéristique d un essai Eg Page 21 Dimensions : Joint/Gasket : 55,48 x 72,5 x 4,57 CEN TEST Joint spiralé avec anneau extérieur Compression - Reprise Elastique / Compression - Recovery 450 400 Température ambiante Room Temperature Contrainte / Stress (MPa) 350 300 250 200 150 0 50 0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Epaisseur / Thickness (mm)
Présentation de Eg dans EN 1591-2 (Spiralé graphite avec anneau extérieur) Page 22 Température Ambiante 300 C 450 C Code joint 3-3-0-1 4,5mm 3-3-0-1 4,5mm 3-3-0-1 4,5mm Contrainte 20 1854 2904 2299 30 1975 - - 40 2158 3359 4094 50 2563 - - 60 2892 4694 6081 80 3643 6874 7835 0 4714 291 9943 120 6147 15117 11529
Les paramètres d étanchéité Q min(l) et Q smin (L) Page 23 Définition de Q min(l) : Niveau minimal de contrainte requis à l assemblage pour la classe d étanchéité L requise à la pression p du fluide Définition de Q Smin(L) : Niveau minimal de contrainte requis en service (au desserrage) pour la classe d étanchéité L requise à la pression p du fluide
Classes d étanchéité L Page 24 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) L 1 = 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 et 80 bar
Procédure d essai à 40 bar Page 25
Procédure d essai à 80 bar Page 26
Evaluation de Q min(l) et Q smin(l) Page 27 Joint Graphite 49 x 92 x 2,3 Procédure : pren13555 Fuite vs Contrainte / Leak vs stress 1,E+00 1,E-01 Fuite (mg/(s.m)) Leak (mg/(s.m)) 1,E-02 1,E-03 1,E-04 1,E-05 1,E-06 0 50 0 150 200 250 300 350 Contrainte (MPa) Stress (MPa)
es joints (EN1591-2, EN13555.) Page 28 Joint Graphite 49 x 92 x 2,3 Procédure : pren13555 Fuite vs Contrainte / Leak vs stress 1,E+00 L 1 1,E-01 Sa1 L 0,1 Fuite (mg/(s.m)) Leak (mg/(s.m)) 1,E-02 1,E-03 1,E-04 Sa2 Q min (L 0,01) Sa3 Sa4 Q smin (L 0,0001 ; Sa5) Q min (L 0,0001) L 0,01 L 0,001 L 0,0001 1,E-05 Q smin (L 0,00001 ; Sa6) Sa5 Q min (L 0,00001) L 0,00001 Sa6 1,E-06 L 0,000001 0 50 0 150 200 250 300 350 Contrainte (MPa) Stress (MPa)
Exemple pour un joint graphite expansé (suivant courbe précédente) Page 29 L (mg/sm) Qmin(L) MPa Qa (MPa) 20 40 60 80 160 320 Code Joint Qsmin(L) MPa -0-1 21-2 48.3-3 82.1-4 127 60.8-5 200 > Qsmax 31.4
Exemple pour un joint graphite expansé Page 30 L (mg/sm) Qmin(L) MPa Qa (MPa) 20 40 60 80 0 160 Code Joint Qsmin(L) MPa -0 1-5-1-1 -1 15,5 1-5-1-1 -2 41 1-5-1-1 -3 84 1-5-1-1 38,7 12-4 139 1-5-1-1 95-5 200 1-5-1-1 > Qsmax
Conclusion Page 31 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