Vallet, Christophe (2008) Liquid leakage through a rough contact: application to the internal sealing of valves. PhD thesis Mécanique, TREFLE, ENSAM 2008ENAM0030 p.145.
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Abstract
Internal sealing of valves used in nuclear power plants is performed by direct contact between metallic surfaces. In this context, this work deals with the study of liquid leakage through a tight contact between two rough surfaces. Two approaches were followed in parallel\hspace{-1mm}: a theoretical/numerical one and an experimental one. Models developed here allow to predict leakage as a function of tightening starting from non-deformed textures of contacting surfaces. Surface deformation is first computed with a semi-analytical elasto-perfectly plastic model. Liquid flow is then solved through the resulting aperture field. Models for characterizing and synthesizing roughness were also developed from fractal theory, providing a complete numerical tool for leakage predictions. From these models, a correlation between surface textures and sealing efficiency was established. Moreover, leak-rate measurement were carried out to test the model performance. Direct comparisons between experimental results and simulations showed that predictions over-estimate the leak-rates, especially when tightening is high. A detailed analysis of the whole calculation procedure showed that deviations mainly originate from the deformation model. Improvement of the predictive tool might require the consideration of material heterogeneity at the constitutive grains.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| PhD Supervisor: | Puiggali, Jean-Rodolphe |
| Date: | 21 November 2008 |
| Board of examiners: | Frene, Jean and Lubrecht, Ton and Roux, Stéphane and Montmitonnet, Pierre and Puiggali, Jean-Rodolphe and Lasseux, Didier and Rit, Jean-François and Sainsot, Philippe and Zahouani, Hassan |
| Ecole Doctorale: | ED 432 ECOLE DOCTORALE SCIENCES DES METIERS DE L'INGENIEUR |
| Discipline: | Mécanique |
| Collection (Fonds): | Arts et Métiers ParisTech (ENSAM) |
| Institution: | ENSAM |
| Department: | TREFLE |
| Subjects: | 5. Fluid Mechanics and Energy 4. Materials Science, Mechanics and Mechanical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Static seal, étanchéité statique, Single-phase leakage, Fuite monophasique, Rough contact, Contact rugueux, Self-affine fractal surface, Surface fractale auto-affine, Up-scaling, Changement d'échelle, Transport properties, Propriétés de transport |
| ID Code: | 4539 |
| Deposited By: | Christophe Vallet |
| Deposited On: | 23 March 2009 |
Table of content
1 Introduction 1
1.1 Problématique - 1
1.2 Cadre d'étude - 3
1.3 Approche du problème - 4
2 Modèles de contact et d’écoulements 7
2.1 Modèle de contact - 7
2.1.1 Bibliographie - 7
2.1.2 Modèle semi-analytique - 9
2.2 Modèles d’écoulements - 11
2.2.1 Ecoulement visqueux - 12
2.2.2 Diffusion - 18
2.2.3 Propriétés de transport - 20
2.2.4 Forme discrète du problème de fermeture - 23
2.3 Organigramme de calcul - 23
3 Etude des états de surface 25
3.1 Etude bibliographique du rodage - 25
3.2 Analyse des surfaces rodées - 29
3.2.1 Analyse des états de surface - 29
3.2.2 Analyse fractale d’une surface rodée et d’une surface sablée - 34
3.3 Simulation de surfaces auto-affines et validation des outils fractals - 39
3.3.1 Simulation de surfaces auto-affines - 39
3.3.2 Validation de l’utilisation de surfaces auto-affines simulées - 41
3.4 Applications - 48
3.4.1 Influence des paramètres d’échantillonnage L et 48
3.4.2 Influence des hautes fréquences de la texture sur les propriétés du contact 58
3.4.3 Influence des paramètres de rugosité Ra et Df sur K - 63
3.5 Bilan de l’étude des états de surface - 64
4 Détermination expérimentale de la transmissivité K 67
4.1 Dispositif expérimental - 67
4.1.1 Principe du dispositif - 67
4.1.2 Mesures par chromatographie en phase gazeuse - 70
4.1.3 Estimation de K à partir de la mesure du débit - 72
4.2 Résultats expérimentaux - 73
4.2.1 Description des éprouvettes testées - 73
4.2.2 Protocole expérimental - 74
4.2.3 Transmissivités des éprouvettes 1 et 2 en 42CD4 c´ementé - 77
4.2.4 Transmissivit´es de l’éprouvette 3, revêtue en Stellite - 80
4.2.5 Vérification du caractère monophasique de la fuite - 83
5 Calcul prédictif de K et confrontation avec les mesures 85
5.1 Calculs `a l’´echelle d’un ´el´ement représentatif - 86
5.1.1 Analyse des états de surface des éprouvettes testées - 86
5.1.2 Confrontations sur l’éprouvette 2 (42CD4) - 87
5.1.3 Confrontations sur l’éprouvette 3 (Stellite) - 88
5.1.4 Bilan des principales hypothèses - 89
5.2 Propriétés mécaniques des surfaces - 93
5.2.1 Mesure de la dureté et du module d’Young par micro-indentation - 93
5.2.2 Résultats des mesures - 94
5.3 Validation du modèle de Reynolds - 95
5.3.1 Hypothèse d’écoulement rampant - 95
5.3.2 Approximation de Reynolds - 97
5.3.3 Influence des conditions aux limites sur K - 98
5.4 Effet des défauts macroscopiques - 99
5.4.1 Mesures des défauts macroscopiques par palpage m´ecanique - 100
5.4.2 Calcul de K sur l’ensemble de la portée - 101
5.4.3 Influence des défauts macroscopiques sur l’estimation de K - 104
5.5 ´Etude du mod`ele de déformation - 106
5.5.1 Mod´elisation du contact par ´el´ements finis sous Code Aster - 106
5.5.2 Comparaison entre le modèle semi-analytique et Code Aster - 111
5.5.3 Influence de plim sur l’estimation de K (modèle semi-analytique) - 112
5.5.4 Influence de la loi de comportement sur l’estimation de K (Code Aster) . 114
5.5.5 Effets des déformations élastiques sur la transmissivité K (Code Aster) . 115
6 Conclusions et perspectives 119
A Calcul d’incertitude sur la détermination de K 123
Références bibliographiques 129
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