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Fiche descriptive du sujet de thèse

Reproduction des conditions de contrainte des conduites sous pression d'hydrogène au moyen d'éprouvettes de traction à rainure de déformation plane (PSGT). par des éprouvettes de traction rainurées à déformation plane (PSGT) Reproduction des conditions de contrainte des conduites sous pression d'hydrogène au moyen d'éprouvettes de traction à rainure de déformation plane (PSGT). par des éprouvettes de traction rainurées à déformation plane (PSGT)

Reproduction des conditions de contrainte des conduites sous pression d'hydrogène au moyen d'éprouvettes de traction à rainure de déformation plane (PSGT). par des éprouvettes de traction rainurées à déformation plane (PSGT)

Mimicking the stress conditions of hydrogen pressurized pipes by plane strain grooved tensile (PSGT) specimens

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

LAIARINANDRASANA Lucien

Unité de recherche

Centre des Matériaux

Contact
Date de validité

09/12/2023

Site Webhttp://www.mat.minesparis.psl.eu/formation/doctorat/propositions-de-sujets-de-these/
Mots-clés

équipements sous pression, Hydrogène, DIC, PSGT

Pressurized pipes, Hydrogen, DIC, PSGT specimen

Résumé

Les tuyaux en plastique ont de nombreuses applications sur le marché actuel et leur utilisation ne cesse de croître. Ils sont largement utilisés pour le transport de l'eau destinée à la consommation humaine, de l'eau brute avant traitement, du drainage et de l'assainissement sous ou sans pression, et de l'eau à d'autres fins. L'ISO/TC 138 fournit un ensemble de normes qui spécifient les exigences relatives à un système de tuyauterie et à ses composants lorsqu'ils sont fabriqués à partir de tous les types de matériaux plastiques, y compris tous les types de plastiques renforcés.La norme ISO 4427-2:2019 [1] spécifie les exigences et les méthodes d'essai pour les systèmes de tuyauterie en polyéthylène (PE), notamment les conditions de charge d'essai pour déterminer la résistance hydrostatique à température ambiante et à haute température. Néanmoins, les méthodes d'essai et les caractéristiques de la géométrie tubulaire sont détaillées respectivement dans les normes ISO 1161-1:2006 [2] et ISO 1161-2:2006 [3]. La réponse à court terme et à long terme à la pression interne, qui est essentielle pour évaluer les propriétés et la durabilité
des tuyaux thermoplastiques enterrés et en surface, peut alors être déterminée. La méthode est adaptée aux essais eau dans l'eau, eau dans l'air et eau dans le liquide d'éprouvettes tubulaires extrudées et moulées par injection. Les éprouvettes tubulaires sont testées à l'aide d'embouts encastrés, transmettant un effet de profondeur à l'éprouvette, qui la fixent à l'assemblage d'essai en assurant l'étanchéité. En conséquence, une charge biaxiale est générée : une charge radiale et une charge axiale liées à la pression interne et à l'effet du bouchon d'extrémité [4, 5, 6, 7]. En effet, la méthode reproduit les mêmes conditions de chargement que celles rencontrées pendant la durée de vie de la canalisation ; cependant, elle n'est pas adaptée aux matériaux de moulage, aux résines expérimentales en cours de développement pour les canalisations ainsi qu'aux canalisations qui, en raison de leur grand diamètre, sont difficiles à tester.
La norme ISO 23228:2011 [8] a proposé la première méthode d'essai satisfaisante dans laquelle le matériau peut être exposé à des conditions de contrainte qui imitent les tuyaux à bouchons sous pression interne. Les conditions de contrainte sont reproduites par l'utilisation d'une géométrie plate ayant une section réduite entaillée appelée éprouvette 'plane strain groove tensile' (PSGT).
Ils produisent un état de contrainte biaxiale lorsqu'ils sont soumis à une charge uniaxiale, mais seulement si une condition de déformation plane est assurée sur la section minimale de l'entaille. La condition de déformation plane dans l'entaille est considérée comme le résultat de la différence entre l'épaisseur réduite de l'entaille et l'épaisseur non réduite de l'échantillon d'essai.

Plastic pipes have many applications in today's marketplace and its use continues to grow. They are widely used for carrying water for human consumption, raw water prior to treatment, drainage and sewerage under and without pressure, and water for other purposes. ISO/TC 138 provides a set of standards that specify the requirements for a piping system and its components when made from all types of plastic materials, including all types of reinforced plastics.
ISO 4427-2:2019 [1] specifies the requirements and the testing methods for polyethylene-made (PE) piping systems, within these the testing loading conditions for determining the hydrostatic strength at room and high temperature. Nevertheless, the testing methods and the characteristics of the tubular-shaped geometry are detailed respectively in ISO 1161-1:2006 [2] and ISO 1161-2:2006 [3]. The short-term and long-term response to internal pressure, which are essential for assessing the properties and durability of buried and above-ground thermoplastics pipes, can then be determined. The method is adapted for water-in-water, water-in-air, and water-in-liquid tests of both extruded and injection-moulded tubular test pieces. The tubular pieces are tested using embedded end-caps, transmitting a deep-effect to the piece, which fix the specimen to the testing assembly ensuring watertightness. As a consequence, a biaxial loading is generated: A radial and an axial loading linked correspondingly with the internal pressure and with the effect of the end-cap [4, 5, 6, 7]. Indeed, the method reproduces the same loading conditions as the ones found during the pipeline lifetime; however, it is not adapted for moulding materials, experimental resins being developed for pipes as well as for those pipes, which due to their large diameter, are difficult to test.
ISO 23228:2011 [8] proposed the first satisfactory testing method in which the material can be exposed to stress conditions that mimic internally pressurized end-capped pipes. The stress conditions are reproduced by the use of a plaque geometry having a grooved reduced section called plane strain grooved tensile (PSGT) specimens. They produce a biaxial state of stress when subjected to uni-axial loading, but only if a plane-strain condition is ensured on the groove
minimal section. The plane strain condition in the groove is said to be the result of the difference between the reduced thickness of the groove and the unreduced thickness of the test specimen.

Contexte

Two previous DMS projects:
2019–2020 – EDF : Expérimentation et modélisation du comportement mécanique de zones soudées de tuyauteries PEHD sous pression interne
2020–2021 – EDF : Caractérisation et simulation de l'état de contrainte dans la paroi d'une tuyauterie PEHD soumise à de la pression interne et à un tassement post-sismique shown the capabilities of the PSGT geometries to mimic internally pressurized pipes under monotonic increasing or constant-in-time loading at both room and high temperature. The shape ratio, i.e. ratio between the width and the reduced thickness, were equal to 20 and 25, respectively for widths equal to 80 mm and 100 mm. CMAT has developed testing facilities with a hydrogen environment (ANR Messiah industrial chair) and is positioning itself as a key centre in understanding the potential deteriorating effects on the properties and durability of the materials used to the conveyance of this fluid. In order to position the CMAT as a referent in the study of the durability of plastic pipes for the conveyance of hydrogen at a laboratory scale, it is proposed to study the mechanical response of PSGT geometries under loading in a hydrogen environment. Considering the limitations of the hydrogen-environmental chamber, the study considers using mini-PSGT specimens with equivalent shape ratios as the ones used in previous studies but with smaller dimensions.The feasibility of using mini-PSGT geometries to mimic internally pressurized pipes will be firstly verified by following the width contraction by a Digital Image Correlation (DIC) camera during monotonic tensile and creep loading at room and high temperature, without the hydrogen environmental chamber. Once, the optimised geometry found, the mechanical response and
durability of PSGT specimens under the effect of hydrogen will be studied. Then, two scientific objectives are considered:
- Propose an experimental protocol to mimic the stress conditions on internally pressurized end-capped pipes by using mini-PSGT specimens with integration of the hydrogen ageing effects
- Develop a simulation model allowing the prediction of the global and local response of the geometry in order to extrapolate the results for the durability of thermoplastics pipes.

Encadrement

Directeur de thèse : L. Laiarinandrasana
Co-Directeur de thèse: C. Ovalle

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :




Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):




Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Résultat attendu

- Experimental data at two scales:
– Macroscopic: experimental data from instrumented tensile and creep tests with and without an hydrogen environment
– Microscopic: SEM observations
- FE modelling taking into account global and local response
- Application to durability criteria of buried and above-ground thermoplastics pipes

Références

[1] Iso/tc 138, plastics piping systems for water supply, and for drainage and sewerage under pressure – polyethylene (pe) – part 2: Pipes, 4427-2:2019, 2019.
[2] Iso/tc 138, thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids - determination of the resistance to internal pressure - part 1: General method, 1167-1:2006, 2006.
[3] Iso/tc 138, thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids - determination of the resistance to internal pressure - part 2: Preparation of pipe test pieces, 1167-2:2006, 2006.
[4] E Procter. Pressure vessel proof tests and bs 5500. Strain, 24(4):143–145, 1988.
[5] M.E. Tuttle, M. Semeliss, and R. Wong. The elastic and yield behavior of polyethylene tubes subjected to biaxial loadings. Experimental Mechanics, 32:1–10, 1992.
[6] Z. W. Guan and J. C. Boot. Creep analysis of polymeric pipes under internal pressure. Polymer Engineering & Science, 41(6):955–961, 2001.
[7] P. Mertiny and F. Ellyin. Joining of fiber-reinforced polymer tubes for high-pressure applications. Polymer Composites, 27(1):99–109, 2006.
[8] Iso/tc 138, thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids – determination of the stress-rupture resistance of moulding materials using plain strain groovedtensile (psgt) specimens, 23228:2011(e), 2011.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=50879

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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