Structurally sound bolted joints often fail due to loss of tightness. This is because the clamping load is affected not only by the application of the internai fluid pressure but also by the amount of creep relaxation, thermal dégradation and différence in expansion of the joint members. Most signifîcant contributions o ver the years were put towards better stmctural integrity performance of the joint while no particular attention was paid to the complex behavior of the gasket. With working conditions becoming more and more sévère due to the rcquired increasing performance and efficiency demands, it is évident that bolted flanged joints require rigorous analysis for both structural integrity and leakage tightness.

This thesis présents a study of a new and accurate approach to the modeling and design of bolted flanged gasketed joints. The new proposed design model that our program "POLYFLG" is based on, encompasses most aspects of joint behavior in order to produce both structural integrity and effîcient sealing perfonnance within the defmed limits of the method used. The method is based on the elastic interactions of all the flanged joint éléments taking into account their flexibility and considers the change in joint élément dimensions during opération produced by température induced effects.

The work includes a detailed review of fhe literature on the design and analysis of bolted flanged joints. Also included is the development of a simple analytical model which is based on an extension of the Taylor-Forge approach to which flange rotation, nexibility of both the gasket and the bolts, friction between the gasket and flange and, when applicable, the stiffness ofthe end closure are incorporated. Thèse parameters have a strong influence on the gasket and boit stresses and have partly enabled us to résolve some ambiguities and to better understand the complex mechanical behavior of bolted flanged joints.

In addition, the proposée! model accounts for the short and the long term behavior by simulating the relaxation of the remaining load on the gasket after the application of the internai fluid pressure and température. The influence of the bolted joint stiffness on the relaxation of the gasket is clearly demonstrated. In général, the results obtamed by the proposée model compare well with those obtained experunentally, at room température, on real bolted flanged joints. In some cases comparisons are made using finite élément analyses.

Finally, an improved model capable oftaking into account most of the parameters involved and guiding the désigner towards a long tenu safe leak design have been developed. The proposée model has potential for becoming a design tool for leakage prediction.

La perte d'étanchéité est la défaillance la plus répandue dans les assemblages à brides boulonnées munies de joint d'étanchéité. La raison principale de cette défaillance est la diminution de la charge sur le joint due à l'application de la pression interne du fluide ainsi que le fluage, la relaxation, la dégradation et la différence de dilatation thermique. Pendant plusieurs années, le soucis majeur a été la performance des assemblages à brides du point de vue intégrité mécanique sans attacher d'intérêt particulier au comportement complexe du joint. Avec la sévérité accrue des conditions de fonctionnement pour des raisons de performance et de rendement, il est évident que les assemblages à brides nécessitent une analyse rigoureuse et doivent satisfaire les deux critères:​ la tenue mécanique et l'étanchéité.

Cette thèse présente une méthode d'analyse du comportement d'un assemblage à brides circulaires boulonnées soumis à différentes sollicitations. Une nouvelle approche d'analyse et de conception des brides boulonnées, incluant la plupart des aspects relatifs au comportement des éléments de l'assemblage et conduisant à une meilleure performance à l'étanchéité dans les limites clairement définies par la méthode utilisée, a été développée. Cette méthode sur laquelle est fondé le programme d'analyse "POLYFLG", est basée sur l'interaction élastique des différents composants de l'assemblage brides-joint-boulons, en considérant la rigidité ainsi que la variation des dimensions de chaque élément produit par les effets pré-cités induits thermiquement pendant opération.

On trouvera également dans cette thèse, une revue bibliographique détaillée sur les différentes approches utilisés dans la conception des brides boulonnées. L'analyse complète ainsi que le développement du modèle analytique basé sur une extension de la méthode de Taylor-Forge en considérant la rotation de la bride, la Hexibilité du joint et des boulons, le frottement entre le joint et la bride, seront présentés. L'introduction de ces paramètres, qui ont une grande influence sur les contraintes dans le joint et dans les boulons, nous a permis de clarifier certaines ambiguïtés et de mieux comprendre le comportement mécanique complexe d'un assemblage à brides.

De plus, on présente un modèle qui considère le comportement d'un assemblage à brides, aussi bien à court terme qu'à long terme, en sunulant l'effet de la relaxation dans le temps de la charge résiduelle sur le jouit, après application de la pression du fluide et, plus particulièrement, à haute température. L'influence de la rigidité de l'assemblage à brides boulonnées sur la relaxation du joint est démontrée. En général, à la température ambiante une très bonne corrélation existe entre les résultats obtenus par le modèle proposé et ceux obtenus expérimentalement sur des assemblages à brides boulonnées réels. Dans certains cas, lorsque les tests expérimentaux ne le permettent pas, on a eu recourt aux analyses numériques par la méthode éléments finis pour confirmer la validité des résultats.

Finalement, l'évaluation précise des contraintes résiduelles sur le joint s'avère nécessaire pour la prédiction des fuites. Un modèle capable de prendre en compte la plupart des paramètres impliqués et visant à garantir à long terme un degré d'étanchéité acceptable, a été développé. Le modèle proposé a la capacité d'être un outil de conception pour la prédiction des fuites.