Modélisation d'une vanne à tournant sphérique munie d'un joint de polymère viscoélastique

L'entreprise VELAN-Inc., qui est l'un des principaux fabricants mondiaux de robinetterie industrielle, a su rester compétitive grâce à une amélioration constante de ses produits. Les vannes d'étanchéité sont des éléments d'une installation qui doivent être robustes spécialement dans des domaines de pointe tels que le nucléaire ou la chimie. Les joints qui servent à l'étanchéité sont les éléments susceptibles de se détériorer au cours du temps. Ces joints sont pour la plupart faits en matériaux polymères et ont un comportement viscoélastique ce qui les rend sensibles au fluage. Une vanne en particulier dite à tournant sphérique a été étudiée et selon les conditions d'utilisation, trois matériaux sont proposés pour les joints d'étanchéité de la vanne étudiée (le PTFE, le TFM ou le PEEK). VELAN avait préalablement développé un modèle éléments finis élastique de cette vanne, cependant, ce modèle ne prenait pas en compte le caractère viscoélastique des matériaux constituant les joints et aucune simulation de l'évolution des joints dans le temps n'était donc possible. VELAN souhaitait donc développer un nouveau modèle éléments finis capable de mieux prédire le comportement des joints dans le temps et notamment la sensibilité au fluage. L'hypothèse d'utiliser un modèle viscoélastique linéaire a été prise pour décrire le comportement des matériaux des joints. Le développement de ce modèle nécessitait la connaissance de la loi de comportement de chacun des matériaux qui a été déterminée par des essais de fluage en compression, ces essais étant le mode de chargement le plus représentatif de la sollicitation réelle d'un joint. Un banc d'essai de fluage en compression a été développé de façon à pouvoir obtenir les propriétés viscoélastiques des matériaux. Des essais ont été effectués sous différents niveaux de contrainte pendant une durée d'une semaine. Ces données expérimentales obtenues ont montré que le PTFE et le TFM n'avaient pas un comportement viscoélastique linéaire. Cependant, les données de chaque essai de fluage ont ensuite été approximées par un modèle viscoélastique linéaire. Des essais complémentaires de traction et de compression ont entre autres permis de déterminer le coefficient de Poisson. Les paramètres de la loi de comportement de chaque matériau ainsi identifiés ont ensuite été entrés sous la forme requise par le logiciel éléments finis utilisé. Le modèle éléments finis de la vanne a été développé en s'appuyant sur les plans de la géométrie des différentes pièces. Les résultats des simulations ont ensuite été comparés avec des données expérimentales provenant d'essais que VELAN avait préalablement effectués sur des

Abstract

The VELAN-Inc. Company, which is a leading global manufacturer of industrial valves, has remained competitive through continuous improvement of its products. The valves are elements of a plant that must be especially strong in advanced fields such as nuclear or chemical. Seals used in valves are elements likely to deteriorate over time. These seals are mostly made of polymer materials and have a viscoelastic behavior which makes them susceptible to creep. A particular valve called ball valve was studied and depending on the conditions of use, three materials are proposed for the seals (PTFE, TFM or PEEK). VELAN had previously developed an elastic finite element model of this valve, however, this model does not take into account the viscoelastic nature of the materials of the seals and no simulation of the evolution of seals over time was therefore possible. VELAN therefore wished to develop a new finite element model that can better predict the behavior of seals over time and in particular the sensitivity to creep. The hypothesis of using a linear viscoelastic model was taken to describe the behavior of seal materials. The development of this model required the knowledge of the behavior law of each material that we determined by creep tests in compression. These tests are the method of loading the most representative of the actual solicitation of a seal. A creep device in compression has been developed to obtain the viscoelastic properties of materials. Tests under different stress levels were conducted during a period of one week. These experimental data have shown that PTFE and TFM did not have a linear viscoelastic behavior. However, data from each creep test was approximated by a linear viscoelastic model. Additional tensile and compressive tests helped us determine the Poisson ratio. The parameters of the behavior of each material previously identified were then entered as required by the finite element analysis software used. The finite element model of the valve has been developed based on the plans of the geometry of the different parts. The simulation results were compared with experimental data from tests that VELAN had previously performed on seals mounted in the valve. The correlation between the model and testing is not as good as expected because there is an initial deflection difference between the simulations and tests. Moreover, the elastic return of the seal is greatly overestimated by about a factor of two in the simulations. However, many factors explain these differences. Plasticity was involved in the seals at the pressure used for testing but, plasticity is not taken into account in the model. Moreover, seals and samples may