Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

OVALLE-RODAS Cristian

LAIARINANDRASANA Lucien

Centre des Matériaux

30/04/2024

Canalisation sous pression, Polymères, Composites, Hydrogène, Vieillissement, Durabilité

Pressurised pipes, Polymers, Composites, Hydrogen, Ageing, Lifetime prediction

Afin de se positionner sur l'étude de la durabilité des tuyaux en plastique pour le transport de l'hydrogène, le CMAT propose ce sujet de thèse pour étudier la réponse mécanique et la durabilité d'éprouvettes PSGT (plane strain groove tensile) dans un environnement hydrogène. Compte tenu des limites de la chambre environnementale pour l'hydrogène, l'étude envisage l'utilisation d'éprouvettes mini-PSGT avec des rapports de forme équivalents à ceux utilisés dans les études précédentes, mais avec des dimensions plus petites. La faisabilité de l'utilisation de géométries mini-PSGT pour vérifier la représentativité des résultats par rapport aux tuyaux sous pression interne sera d'abord vérifiée en suivant la contraction de la largeur à l'aide d'une caméra à corrélation d'images numériques (DIC) lors d'une charge monotone de traction et de fluage à température ambiante et à haute température, sans la chambre environnementale à hydrogène. Une fois la géométrie optimisée, la réponse mécanique et la durabilité des échantillons de PSGT sous l'effet de l'hydrogène seront étudiées.

In order to position itself as a referent in the study of the durability of plastic pipes for transporting hydrogen, the CMAT is proposing this thesis subject to study the mechanical response and durability of PSGT specimens 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.

La décarbonation constitue un enjeu économique et sociétal d'envergure aujourd'hui. L'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie propre est certainement un des moyens permettant de réduire ou d'éliminer les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, sa mise en œuvre est confrontée à des défis scientifiques et techniques majeurs liés à son transport et à son stockage.
Les canalisations en composites thermoplastiques (TCP), déjà utilisées dans l'industrie pétrolière pour le transport du pétrole, constituent une solution proposée pour le transport du H2 dans ce projet. Ainsi, l'étude de l'interaction entre le H2 avec les matériaux polymères et composites en cours de service est l'objectif principal de cette thèse. A cette fin, la norme ISO/TC 138 fournit un ensemble de spécifications afin d'assurer l'intégrité et la durabilité de systèmes de tuyauteries et à leurs composants lorsqu'ils sont fabriqués à partir de tous les types de matériaux plastiques, y compris tous les types de plastiques renforcés.
Ainsi, 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. En outre, 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. Les éprouvettes tubulaires sont testées à l'aide d'embouts encastrés, transmettant un effet de fond à la paroi du tube. En conséquence, une charge biaxiale (radiale et axiale) est générée. Cependant, cette méthode 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.
A cette fin, la norme ISO 23228:2011[4] propose une méthode d'essai sur éprouvette de laboratoire reproduisant le chargement biaxial du matériau dans un tube avec effet de fond. Il s'agit d'une géométrie plate ayant une section réduite entaillée appelée éprouvette 'plane strain groove tensile' (PSGT).
Au CMAT, deux projets antérieurs et une publication[5]:
• 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
ont montré la capacité des géométries PSGT à imiter les tuyaux sous pression interne soumis à une charge monotone croissante ou constante dans le temps, à température ambiante et à haute température. Le rapport de forme, i.e. rapport entre la largeur et l'épaisseur réduite, était égal à 20 et 25, respectivement pour des largeurs égales à 80 mm et 100 mm.
De plus, le CMAT a développé des installations d'essais avec un environnement hydrogène (chaire industrielle ANR Messiah) et se positionne sur la thématique scientifique liée à l'interaction vieillissement-durabilité des matériaux métalliques utilisés pour le transport du H2.

Directeur de thèse: Cristian OVALLE-RODAS
Co-Directeur de thèse: Lucien LAIARINANDRASANA

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

• Base de données expérimentale à deux échelles:
◦ Macroscopique: données expérimentales provenant d'essais bien instrumentés de traction monotone et de fluage à l'air et sous environnement H2;
◦ Microscopique: Observations MEB de la microstructure: i) initial; ii) déformée; iii)rompue; et éventuellement par imagerie 3D (tomographie/laminographie) ex ou in-situ;
• Modélisation par éléments finis prenant en compte les mécanismes physiques de déformation, d'endommagement et de rupture;
• Prédiction de la durée de vie d'une canalisation sous pression avec prise en compte du vieillissement sous H2

• protocole expérimental pour imiter les conditions des contraintes sur les tuyaux à bouchons sous pression interne en utilisant des échantillons mini-PSGT avec l'intégration des effets du vieillissement de l'hydrogène;
• l'analyse des mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture au travers d'observations à l'échelle de la microstructure déformée voire rompue;
• développement d'un modèle de simulation permettant de prédire la réponse globale et locale de la géométrie afin d'extrapoler les résultats pour la durabilité des tuyaux en thermoplastique.

[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.
[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, 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, 2006.
[4] 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 grooved tensile (psgt) specimens, 2011.
[5] C. Ovalle, M. Broudin, and L. Laiarinandrasana. Plane–strain condition in plane–strain grooved tensile (psgt) specimens during traction and creep loading at room and high temperature. Strain, e12467.

Concours pour un contrat doctoral

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