L'occurrence en service commercial de fissures macroscopiques dans certains disques de frein TGV a pu être reliée au type de garniture utilisé. L'objectif de cette thèse est de comprendre cette relation, d'identifier les paramètres d'influence et de proposer des voies d'amélioration pour la conception de garnitures à risque de fissuration réduit. Le comportement thermique de quatre couples disque-garnitures est d'abord analysé par le biais d'une campagne expérimentale de freinage originale. Elle met en évidence différents types de localisations thermiques et permet d'identifier des signatures thermiques caractéristiques des garnitures. Le lien entre localisations thermiques et risques de fissuration est ensuite établi à l'aide d'une modélisation thermomécanique. Des indicateurs tenant compte des caractéristiques spatiales et temporelles des localisations thermiques ainsi que des niveaux de température atteints sont proposés. Ils permettent de classer les garnitures testées dans un graphe de " criticité ". Enfin, une étude d'influence des caractéristiques mécaniques et thermiques des garnitures sur les localisations engendrées permet de dégager des préconisations et des voies d'amélioration pour la conception de nouvelles garnitures. La caractérisation expérimentale du comportement de deux nouvelles garnitures, l'une s'approchant le plus des préconisations faites, l'autre s'en éloignant fortement, montre la pertinence de l'approche développée et la validité des préconisations

L’occurrence en service commercial de fissures macroscopiques dans certains disques de frein TGV a pu être reliée au type de garniture utilisé. L’objectif de cette thèse est de comprendre cette relation, d’identifier les paramètres d’influence et de proposer des voies d’amélioration pour la conception de garnitures à risque de fissuration réduit. Le comportement thermique de quatre couples disque-garnitures est d’abord analysé par le biais d’une campagne expérimentale de freinage originale. Elle met en évidence différents types de localisations thermiques et permet d’identifier des signatures thermiques caractéristiques des garnitures. Le lien entre localisations thermiques et risques de fissuration est ensuite établi à l’aide d’une modélisation thermomécanique. Des indicateurs tenant compte des caractéristiques spatiales et temporelles des localisations thermiques ainsi que des niveaux de température atteints sont proposés. Ils permettent de classer les garnitures testées dans un graphe de « criticité ». Enfin, une étude d’influence des caractéristiques mécaniques et thermiques des garnitures sur les localisations engendrées permet de dégager des préconisations et des voies d’amélioration pour la conception de nouvelles garnitures. La caractérisation expérimentale du comportement de deux nouvelles garnitures, l’une s’approchant le plus des préconisations faites, l’autre s’en éloignant fortement, montre la pertinence de l’approche développée et la validité des préconisations / The occurrence of macroscopic cracks in some TGV brake discs in commercial service has been linked to the pad type used. The objective of this thesis is to understand this relationship, to identify sensitive parameters and to propose guidelines to the design of pads reducing the risk of cracking.The thermal behavior of four disc-pad couples is first analyzed through an original experimental campaign of braking. It highlights various types of thermal localisations and enables to identify thermal signatures characteristic of the various pads. The relationship between thermal localisation and risk of cracking is then determined using thermomechanical modeling. Some indicators taking into account spatial and temporal characteristics of thermal localisations and temperature levels achieved are proposed. They enable to classify the tested pads in a graph of "criticity". Finally, a study of the influence of mechanical and thermal properties of pads on the thermal localisations occurrence enables to propose guidelines and improving ways for the design of new pads. An experimental characterization of the behavior of two new pads, one very close to the given recommendations, the other strongly away from them, shows the relevance of the approach and the validity of the present recommendations

L'impact des émissions fugitives sur l'environnement est un enjeu capital pour les industries. Ainsi, de nombreuses réglementations et normes sont établies afin de prévenir des risques et limiter leurs impacts. L'une des sources majeures de ces émissions provient de la robinetterie industrielle. Dans ce domaine, l'un des systèmes les plus communs est le presse-garniture. Dans le secteur de l'Energie, l'étanchéité peut être garantie sur les éléments mobiles par un empilement de bagues en Graphite Expansé Matricé (GEM); matériau relativement souple, plébiscité pour ses caractéristiques et ayant une structure macroscopique particulière. Ces travaux de thèse s'intéressent à la compréhension du comportement mécanique complexe des solutions d'étanchéité de type GEM. L'objectif est de déterminer le comportement mécanique de ces garnitures afin de prédire leur étanchéité. Dans le but de caractériser ce comportement, diverses campagnes d'essais sont menées sur des joints en situation. Ainsi, sur la base d'un montage existant et d'un dispositif développé spécifiquement pour cette étude, la caractérisation de ce type de joints est effectuée via des essais de compression charge-décharge et cyclique. La base de données qui en résulte permet le développement d'un modèle numérique apte à décrire le comportement complexe de ces systèmes presse-garnitures. Ce modèle phénoménologique de type Hyperélasto-Hystérésis (HH) correspond à une loi additive en contrainte avec une contribution hyperélastique et une contribution hystérétique. La comparaison des réponses expérimentales et numériques du joint, dans le cadre de l'étude d'un seul joint mais également pour des empilements, est discutée. / The impact of fugitive emissions leakage rate on the environment is an essential issue for industries. Therefore, many regulations and standards are created to prevent risks and to limit their impacts. One of these major sources of fugitive emissions comes from industrial valves. In the Valve Industrie, the tightness of stem are often ensured by stuffing box seal. In the energy sector, the tightness could be ensure with compression packing which is manufactured in exfoliated graphite; which is a relatively flexible material, endorsed for its characteristics and having a particular macroscopic structure. The aim of this study is to improve the knowledge of the complex mechanical behaviour of compression packing in exfoliated graphite. The aim is to determinate the mechanical behaviour of these packings in order to predict their tightness. To characterize this behaviour, various test campaigns are conducted on seals in situation. Thus, based on an existing apparatus and a device developed specifically for this study, the characterization of this kind of packing is performed through loading-unloading and cyclic compression tests. A numerical model which is able to describe a complexe mechanical behaviour of compression packing, is performed thanks to resulting database. This Hyperelasto-Hysteresis phenomenological model corresponds to an additive decomposition in stress with an hyperelastic contribution and an hysteretic contribution. The comparison of the experimental and numerical responses of the seal, as part of the study a single seal but also of a packing, is discussed.

Ce document présente une synthèse d'une dizaine de recherches sur les garnitures mécaniques. Ce sont des composant d'étanchéité dynamique pour arbres tournants. L'interface de l'étanchéité met en jeu de nombreux phénomènes physiques qui interagissent. Une analyse de ces différents effets et interactions est proposée

Les vibrations des systèmes de forage pétrolier sont à l'origine de nombreux dysfonctionnements (ruptures des tiges par une fatigue accélérée, réduction des performances, endommagement des outils de mesures, endommagement des parois du puits, etc.). Face à la complexité des puits forés aujourd'hui, la maîtrise des vibrations des systèmes de forage est plus que jamais un enjeu majeur dans la réussite économique d'un projet pétrolier. Durant l'opération de forage, les tiges en rotation entrent en interaction avec les parois du puits (tubage et/ou formation) et encaissent dans certains cas des vibrations sévères. On distingue généralement trois modes de vibrations suivant le plan de leur occurrence : axiales, latérales et de torsion. Nous ne nous intéressons dans ce mémoire qu'aux vibrations latérales des tiges de forage. Si les vibrations latérales ont fait l'objet de nombreuses études dans le passé, il reste néanmoins des axes d'amélioration possible, tant sur la compréhension des phénomènes (contact garniture-puits par exemple) que sur la recherche de méthodes numériques permettant de réduire les temps de calcul. Dans le cadre de cette thèse, un modèle a été développé pour étudier les vibrations latérales des garnitures de forage dans des forages à trajectoires complexes. Ce modèle permet de prédire les vibrations latérales des tiges pour des paramètres opératoires donnés (vitesse de rotation, poids sur l'outil de forage). Un modèle numérique en éléments finis a été développé pour résoudre les équations du mouvement et analyser ainsi la sensibilité des vibrations aux paramètres opératoires du forage en particulier la vitesse de rotation et l'effort axial dans les tiges. Le modèle permet en outre d'analyser la réponse dynamique d'une garniture en cours du forage (conception). En outre, cette étude a permis de mieux élucider le phénomène sévère de précession des tiges (whirling), très nuisible à l'intégrité mécanique des systèmes de forage. Un nouveau banc d'essais a été mis au point par le Centre de Géosciences de Mines ParisTech pour reproduire les vibrations latérales, mieux comprendre le phénomène du whirling et valider les résultats numériques du modèle. Par ailleurs, des mesures dynamiques en surfaces et en fond de puits au cours de forages réels ont été analysées afin de mettre en évidence les vibrations latérales les plus sévères et en particulier le whirling. Ces données de terrain ont permis de comparer les fréquences propres du système mesurées et celles fournies par le modèle numérique. / Drillstring vibrations are commonly observed during oil & gas well drilling operations. Vibrations are a major cause of drilling tools dysfunction (drillstring breaking because of fatigue, reduced drilling efficiency, measurement-while-drilling tools failure, damaging of drill bits, etc.). Because of the increasing complexity of oil & gas wells drilled nowadays, operators need to mitigate efficiently the drillstring vibrations in order to successfully achieve the drilling process. During the drilling operation, rotating drillstrings are in interaction with the well borehole (casing and/or rock) which may lead to severe vibrations. Different vibrations modes occur simultaneously while drilling, we identify mainly three modes: axial, torsional and lateral. This work deals only with lateral vibrations. Literature survey papers show numerous experimental and numerical studies carried out on drillstring dynamics. The developed models don't take into account sufficiently the complex drillstring-borehole interactions or the efficient numerical methods needed to reduce the computation time. A new drillstring dynamics model has been developed within this thesis in order to compute the lateral vibrations of drillstrings in a complex well trajectory. Given the operating parameters (rotary speed, weight on bit) the model predicts the dynamics response of the drillstring in terms of lateral vibrations. A finite element model has been implemented to solve for the equations of motion of the dynamics model and study the dependence of the lateral vibrations on some operating parameters of the system, mainly the rotary speed and the axial load on the drillstrings. The finite element model can be used to compute and enhance the dynamic response of a given drillstring configuration for design issues. Besides, the model can be used to understand some dynamic phenomena encountered while drilling (post-analysis). Moreover, this study was useful to better understand the “whirling” phenomenon which is very harmful for the drilling system components. A new lateral vibrations simulator was built at Mines ParisTech in order to understand the whirling phenomenon and validate the numerical results provided by the dynamics model. Surface and downhole fieldmeasurements have been analyzed in order to understand the occurrence of whirling. The eigenfrequencies evaluated from the field data have been found very close to those provided by the dynamics model.

L'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et expérimentale, vers une meilleure compréhension des différents effets induits par la texturation de surface dans un contact lubrifié. Le but ultime est de proposer un motif de texture qui permette de réduire le frottement et le niveau de fuite d'une garniture mécanique. L'étude bibliographique a permis d'identifier les différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la lubrification en présence de textures, les phénomènes physiques interagissant avec les textures et les différentes méthodes utilisées pour leur mise en forme. Une étude théorique utilisant un modèle conservatif basé sur l'équation de Reynolds est ensuite présentée. Dans la première partie de cette étude, les faces de frottement sont supposées parfaitement parallèles et les effets thermoélastiques sont négligés. Dans la seconde partie, les échanges de chaleur avec les anneaux et les déformations thermoélastiques sont pris en compte. Une étude paramétrique a permis de mieux comprendre l'influence des paramètres géométriques des textures, des défauts de formes et des déformations thermoélastiques des faces sur le fonctionnement de la garniture. En outre, cette étude a permis de définir une texture capable d'améliorer significativement les performances d'une garniture mécanique. Des essais expérimentaux ont ensuite été réalisés avec une garniture mécanique texturée et une garniture mécanique non texturée. Des mesures de couple de frottement et des relevés de température effectués par thermographie infrarouge ont montré que l'utilisation des textures permet de réduire de manière significative la température et le couple de frottement par rapport à une garniture à surfaces lisses. Enfin, une comparaison théorie/expérimentation a permis de valider le modèle développé qui prédit de façon correcte le comportement de la garniture texturée. / The main objective of this thesis is to lead, through a theoretical and experimental study, to a better understanding of the various effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The ultimate goal is to provide a texture pattern that reduces friction and leakage of a mechanical seal. The literature review identified different theoretical and experimental works performed on lubrication in the presence of textures, physical phenomena interacting with textures and the different methods used for their manufacturing. A theoretical study using a conservative model based on Reynolds equation is then presented. In the first part of this study, the friction surfaces are assumed perfectly parallel and thermoelastic effects are neglected. ln the second part, heat transfer to the rings and thermoelastic deformations are taken into account. A parametric study then allows bettering our understanding of the influence of geometrical parameters of textures, defects and thermoelastic deformations of the faces on the performance of a mechanical seal. In addition, this study has identified a texture capable of significantly improving the performance of a mechanical seal. Experimental tests were then carried out with bath textured and untextured mechanical seals. Friction torque measurements and temperature measurements achieved by means of infrared thermography have shown that the use of textures allows to significantly reduce heat and friction torque compared with a seal with smooth surfaces. Finally, a comparison theory/experiment validated the developed model that predicts correctly the behavior of the textured mechanical seal.

Les ruptures des garnitures de forage sont des évènements très coûteux pour l'industrie pétrolière. Dans notre travail, nous nous sommes intéressés aux connexions vissées de la garniture subissant des chargements cycliques pouvant apparaître durant une opération de forage.<br />L'objectif de ce travail est donc d'élaborer une méthodologie de dimensionnement en fatigue qui se base sur une approche multi-échelle :<br />• l'échelle de la garniture de forage dédiée aux calculs de l'historique du chargement (tension, flexion et torsion),<br />• l'échelle de la connexion vissée dédiée à la détermination des cycles du champ de contraintes macroscopiques,<br />• l'échelle du grain de métal dédiée au problème de fatigue.<br />À cause d'un temps de calcul conséquent, l'emploi de la méthode des Éléments Finis ne permet pas d'estimer quasi instantanément l'endommagement subit au niveau des connexions vissées durant le processus de forage. Afin de palier cet inconvénient, une solution élastique semi-analytique du champ de contraintes macroscopiques a donc été développée.<br />Enfin des essais expérimentaux ont été conduits sur des connexions vissées à échelle réduite et ces résultats sont comparés aux prédictions faites avec une extension du critère de Dang Van au domaine de l'endurance limitée. Les résultats montrent que les phénomènes de fatigue dans une connexion vissée sont induits par les facteurs de concentrations de contraintes et que l'application d'un critère local de fatigue donne des estimations de durées de vie trop conservatives. Une étude numérique à l'échelle cristalline a donc été menée afin d'expliquer ces observations et une correction est apportée afin d'améliorer les prédictions de durée de vie.

Depuis plus de 150 ans, le presse-garnitures (ou presse-étoupes) est le moyen le plus simple de réaliser l’étanchéité d’un robinet tout en permettant le mouvement de la tige pour ouvrir/fermer le robinet. C’est aussi la principale cause de fuites sur un robinet. Malgré l’utilisation de garnitures en graphite expansé qui réduit de manière significative le nombre de fuites, des problèmes comme l’augmentation de l’effort de manœuvre de la tige y ont été aussi associés. L’amélioration de l’étanchéité tout en réduisant l’effort de manœuvre de la tige est constamment recherchée sur un presse-garnitures de robinet afin d’optimiser industriellement. Pour atteindre cet objectif, le presse-garnitures est au cœur des études scientifiques et industrielles depuis 1957. Toutes les études identifiées dans la littérature ne permettent pas de maîtriser l’étanchéité et l’effort de manœuvre puisqu’elles ne prennent pas en compte le troisième corps présent dans le contact tige-garnitures lors des manœuvres de la tige. Les travaux de cette thèse proposent alors d’étudier le comportement tribologique du contact tige-garnitures. La démarche adoptée nécessite d’identifier les conditions de contact, ce qui est difficile par une instrumentation directe. Il faut donc reconstituer ces conditions par le couplage entre une approche expérimentale et une approche numérique. L’approche expérimentale est utilisée pour reproduire les conditions du contact tige-garnitures sur un banc d’essai simulant le fonctionnement d’un robinet à l’échelle 1:1. Afin d’améliorer la compréhension du comportement tribologique, des caractérisations tribologiques ont été réalisées sur la tige et les garnitures en graphite expansé après essai. Ainsi, elles ont permis de définir le circuit tribologique du contact tige-garnitures, qui contrôle à la fois l’étanchéité autour de la tige et l’effort de manœuvre. En effet, les débits du troisième corps contrôlent l’étanchéité tandis que le mécanisme d’accommodation de vitesse du troisième corps par cisaillement contrôle l’effort de manœuvre. Afin de compléter l’analyse expérimentale précédente, une approche numérique a été utilisée par l’intermédiaire d’un modèle par éléments finis. Le modèle permet d’évaluer la qualité d’étanchéité d’un presse-garnitures, vis-à-vis de la pression du fluide à étancher. De plus, l’influence du frottement aux interfaces tige-garnitures et boîte-garnitures sur l’étanchéité et l’effort de manœuvre est mise en évidence par l’intermédiaire d’une étude de sensibilité. Les travaux de cette thèse permettent l’appréciation de l’importance de prendre en compte l’influence du troisième corps dans un contact. Dans le cas d’un presse-garnitures, le troisième corps dans le contact tige-garnitures modifie des conditions de contact et celles-ci influent à leur tour l’étanchéité autour de la tige et l’effort de manœuvre. / For over 150 years, compression packing has been the simplest method of sealing a valve while allowing movement of the stem to move to open or close the valve. It is also the major source of valve leakage. Despite the use of flexible graphite packing, which reduces significantly the number of valve leakage incidents, it leads to other problems such as the increasing force required to cycle the stem. Improvement in quality of sealing while decreasing force required to cycle the stem is required in a valve compression packing in order to optimize the industrial system. To achieve this objective, compression packing has been a topic of scientific and industrial research since 1957. All published research does not allow to control the sealing quality and the force required the cycle the stem as it takes no account of the third body in the stem-packing contact while the stem moves. Thus, the work of this thesis designed to investigate the tribological behaviour of the stem-packing contact. The chosen approach requires identification of the contact conditions, which is practically impossible using local measurement. Hence, the contact conditions should be reconstructed using a coupled experimental and numerical investigation. The experimental investigation is carried out on a test rig, which simulates a full-scale operated valve to reproduce the conditions of the stem-packing contact. In order to improve the understanding of the tribological behaviour, the tribological characterization is made of the stem and the flexible graphite packing after the test. Hence, they helped to define the tribological circuit of the stem-packing contact, which controls both the sealing quality around the stem and the force required to cycle the stem. Indeed, the third body flow controls the sealing quality while the third body velocity shearing mode controls the force required to cycle the stem. In order to complete the experimental analysis, numerical investigation is carried out using a finite element model. The model allows to evaluate the sealing quality of a compression packing, with the regards to the fluid pressure. In addition, the influence of friction at the stem-packing and housing-packing interfaces is highlighted through a parametric analysis. The work in this thesis helps to raise awareness about the importance of taking into account the influence of the third body in a contact. In the case of compression packing, the third body changes the contact conditions which in turn, influence the sealing quality around the stem and the force required to cycle the stem

Réussir le forage d'un puits pétrolier le plus rapidement possible et à moindre coût est devenu un défi continu pour les professionnels du secteur. Pour relever ce défi, un bon dimensionnement des installations de forage s'impose. La meilleure prédiction des pertes liées aux frottements entre la garniture de forage et les parois du puits, notamment pour les puits à trajectoires fortement déviées, est un atout majeur pour ce dimensionnement. <br/>Les modèles usuels de prédiction des frottements montrent certaines insuffisances lorsque la trajectoire du puits se complexifie. Un nouveau modèle de calcul de frottements dans les puits de forage à trajectoires complexes a été développé et validé. Ce modèle utilise une méthode tridimensionnelle de reconstitution de la trajectoire intégrant à la fois la courbure et la torsion géométrique. Contrairement aux modèles classiques, qui supposent simplement que la garniture repose par gravité sur la paroi basse du trou de forage et qui négligent souvent la rigidité des tiges, le nouveau modèle rigide calcule la vraie déformée de la garniture de forage à l'intérieur du trou via un algorithme itératif de contact unilatéral. En outre, pour un gain important du temps de calcul, le modèle se base sur une intégration numérique directe des équations d'équilibre local sans avoir recours à la méthode des éléments finis.<br/>La comparaison avec un modèle couramment utilisé dans l'industrie de forage, appelé modèle LISSE, a été effectuée sur plusieurs puits réels et théoriques. Il ressort de cette comparaison que le nouveau modèle vient palier plusieurs faiblesses du modèle LISSE dans le cas des trajectoires à géométrie complexe (surestimation des zones de contacts et des forces de contact en présence de micro-tortuosité, non sensibilité au signe du gradient d'azimut en présence de fort gauchissement, hypothèse de contact sur la paroi basse du trou pas toujours vérifiée). Par ailleurs, la confrontation avec les mesures du terrain pour la plupart des puits à géométrie bidimensionnelle ou faiblement tridimensionnelle avec des faibles dog legs (ne dépassant pas 2 à 3°/30 m) fournit généralement des concordances entre les résultats des deux types de modèles et les valeurs mesurées. En revanche, en présence de tortuosités et dog legs locaux le nouveau modèle fournit une meilleure prédiction des pertes en frottement.

Les garnitures mécaniques sont utilisées dans de multiples applications pour réaliser l'étanchéité autour d'arbres en rotation. Ces composants peuvent fonctionner efficacement pendant plusieurs années en conditions stables, mais leur durée de vie est significativement réduite lorsque les conditions varient. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et d’utiliser un banc d'essais et code de calcul pour étudier l'impact de pulsations de pression, d’inversions de pression et du chargement dynamique résultant sur les performances de garnitures mécaniques ayant des faces mésalignées et présentant des défauts de planéité.Le solveur fluide d'un modèle numérique de garnitures mécaniques a été étendu aux conditions transitoires. Un module résolvant la dynamique des forces et des moments a été ajouté afin de prédire le déplacement axial et les déplacements angulaires de la face montée de manière flexible. Afin de caractériser les performances de garnitures, un banc d'essais générant des pulses de pression a été instrumenté et des méthodes de mesure de perte de volume d'huile et d'entrée d'eau mises en place.Des garnitures mécaniques à faces parallèles puis mésalignées, fonctionnant sous pulsations et inversions de pression, ont été testées expérimentalement et simulées. Seules de très faibles augmentations d'eau dans l'huile ont été observées, sans augmentation au cours du temps, et sans fuite d'huile mesurable. Les faibles valeurs d'entrées d'eau sont dues à la faible épaisseur de film et à la courte durée des inversions de pression. Une garniture mécanique expérimentale à fort défaut de planéité a aussi été testée. Contrairement aux autres paramètres, le défaut de planéité semble augmenter significativement la fuite et promouvoir les entrées d'eau et pourrait ainsi être à l'origine de certaines défaillances. / Face seals are mechanical devices used to seal rotating shafts in numerous applications. While they can operate efficiently under steady conditions for years, they tend to fail prematurely when operating in severe, or rapidly varying conditions. The focus of this research work is the development and use of an experimental and a numerical method to investigate the impact of pressure pulses, pressure inversions and induced dynamic loading on the performance of mechanical face seals exhibiting face misalignment and waviness.The fluid solver of a state-of-the art face seal numerical model was extended to transient conditions and a module solving the dynamics for the axial and angular degrees of freedom of the flexibly-mounted stator added. A system-level experimental setup generating pressure pulses was instrumented and methods to characterise face seal performance in terms of oil volume loss and ingression of water outer-fluid selected and implemented.Face seals, with flat and misaligned faces, operating under pressure pulses and pressure inversions were experimentally tested and simulated. They show only slight increase of water in the oil, no increase over time, and no measurable oil leakage. The low water ingression is due to low film thickness combined with the short duration of pressure inversions. An exploratory face seal of high waviness was also experimentally tested. Contrary to the other parameters, the waviness appears to significantly increase the leakage and promote water ingression and could thus be at the origin of some seal failures.