On doit ne pas perdre de vue dans notre combat contre la nocivité des antennes – relais de
Étude de la nocivité d'un défaut de type éraflure sur une conduite ...
Transcript of Étude de la nocivité d'un défaut de type éraflure sur une conduite ...
-
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d'un long travail approuv par le jury de soutenance et mis disposition de l'ensemble de la communaut universitaire largie. Il est soumis la proprit intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de rfrencement lors de lutilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pnale. Contact : [email protected]
LIENS Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
-
Laboratoire de Fiabilit Mcanique (LFM) Ecole Nationale dIngnieurs de Metz (ENIM)
Universit Paul Verlaine de Metz (UPVM)
THSE
Prsente par
Julien CAPELLE Pour obtenir le grade de
DOCTEUR
De lUniversit Paul Verlaine de Metz (Spcialit : Sciences de lIngnieur)
(Option : Gnie Mcanique)
tude de la nocivit dun dfaut de type raflure sur une conduite destine au transport de gaz naturel
soumise une pression dhydrogne
Soutenue Metz le 4 Novembre 2008
Composition du jury :
Z. AZARI Professeur des Universits Amiens Prsident
M. NAT ABDELAZIZ Professeur des Universits Lille Rapporteur
L. TALEB Professeur des Universits INSA de Rouen Rapporteur
Y. MATVIENKO Professeur lInstitut de Recherche de Gnie mcanique de Moscou (Russie)
Examinateur
I. DMYTRAKH Docteur lInstitut de Physique et Mcanique Karpenko de Lviv (Ukraine)
Examinateur
J. GILGERT Matre de Confrences ENIM Co directeur de thse
G. PLUVINAGE Professeur des Universits Metz Directeur de thse
R. BATISSE Docteur-Ingnieur Gaz de France-Suez Invit
-
REMERCIEMENTS
REMERCIEMENTS :
Ce travail a t ralis au sein du Laboratoire de Fiabilit Mcanique de lEcole
Nationale dIngnieurs de Metz, sous la direction de Messieurs PLUVINAGE et
GILGERT, respectivement Professeur des Universits lUniversit Paul Verlaine de
Metz, et Matre de Confrences lEcole Nationale dIngnieurs de Metz.
Je tiens leur exprimer toute ma gratitude et ma profonde reconnaissance pour avoir
accept lencadrement de ma thse. Ils ont su orienter et diriger mes recherches en me
laissant une complte autonomie et en me confiant la reprsentation du laboratoire lors des
runions du projet NaturalHy. Quils trouvent, ici, mes sincres remerciements.
Je remercie galement Messieurs NAT ABDELAZIZ et TALEB, Professeurs des
Universits l'Universit des Sciences et Technologies de Lille et lInstitut National des
Sciences Appliques de Rouen, davoir accept de rapporter ce travail.
Mes remerciements sadressent galement Monsieur AZARI, Professeur des
Universits lUniversit de Picardie, prsident du jury.
Messieurs MATVIENKO, Professeur lInstitut de Recherche de Gnie mcanique
de Moscou et DMYTRAKH, Docteur lInstitut de Physique et Mcanique Karpenko de
Lviv davoir accept dtre membre du jury.
Un grand merci aux techniciens de lcole et du laboratoire, tout particulirement
Monsieur BAKOWSKY, pour son soutien technique, sa disponibilit et sa bonne humeur.
Que tous mes collgues et amis du Laboratoire de Fiabilit Mcanique, en particulier
Guillaume, trouvent ici lexpression de mes remerciements, aussi bien pour lambiance
sympathique durant ces trois ans, que pour leurs disponibilits et leurs conseils.
Je remercie, enfin, lensemble du personnel de lEcole Nationale dIngnieurs de Metz,
que jai ctoy durant ces annes.
-
TABLE DES MATIERES
Table des matires
Remerciements
Liste des Figures
Liste des Tableaux
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Etude bibliographique 3
I] CONTROLER LA NOCIVITE DES DEFAUTS DANS LES
TUYAUX DE GAZ
4
I-1] Rseau de gazoducs europen 4
I-2] Matriau utilis 8
I-3] Sollicitation du rseau 9
I-4] Dfauts rencontrs 11
II] OUTIL DANALYSE : LA MECANIQUE DE LA RUPTURE
13
II-1] Analyse limite 13
II-2] Facteur dintensit de contrainte 15
II-3] Facteur dintensit de contrainte dentaille 17
II-4] Diagramme Intgrit Rupture (D.I.R.) 20
II-5] Diagramme Intgrit Rupture utilis pour des entailles 25
II-6] Amorage en fatigue 27
II-7] Loi de propagation sur des prouvettes CT normalise 30
II-8] Emission acoustique 32
II-8-1] Principe de fonctionnement 32
II-8-2] Acquisition des signaux 34
II-8-3] Dtection de lamorage de la fissure 36
-
TABLE DES MATIERES
III] INFLUENCE DE LHYDROGENE SUR LE CONTROLE DE LA
NOCIVITE
37
III-1] Lhydrogne 37
III-1-1] Les proprits physiques 38
III-1-2] Les diffrents modes dobtention 39
III-1-3] Domaines dutilisation 42
III-2] Affectation des proprits mcaniques 44
III-2-1] Limite dlasticit 44
III-2-2] Rsistance ultime 46
III-2-3] Essai de Charpy 46
III-2-4] La tnacit 47
III-3] Influence de lhydrogne sur la plasticit du matriau 49
III-3-1] Les forces de cohsions atomiques 49
III-3-2] Apparition et la propagation des fissures 51
III-3-3] Pigeage de lhydrogne par les dislocations 53
III-3-4] Diffusion interstitielle de latome dhydrogne 57
III-3-5] Hydrogne et triaxialit des contraintes 60
III-4] Quantification de la concentration dhydrogne 61
III-4-1] Modlisation de la concentration en hydrogne en fond
dentaille
61
III-4-2] Mesure des quantits dhydrogne absorbes par
lectrolyse
64
IV] PROBLEMATIQUE
67
IV-1] Projet Naturalhy 67
IV-2] Dfauts de type : raflures 68
IV-3] Qualification de la nocivit du dfaut 70
REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES DU CHAPITRE I 71
-
TABLE DES MATIERES
CHAPITRE II : Etude exprimentale 75
Introduction 76
I] ACIER ET MOYENS MIS EN OEUVRE 77
I-1] Acier utilis 77
I-1-1] Provenance et nuance de lacier 77
I-1-2] Proprits mcaniques et chimiques 78
I-1-3] Eprouvettes non-normalises Choix du types de sollicitations
obtenir
84
I-2] Matriel utilis 88
I-2-1] Machines de tests 88
I-2-2] Montages spcifiques 90
I-2-3] Capteurs et jauges 93
I-3] Obtention de lhydrogne pour les essais 97
I-3-1] Les diffrentes mthodes possibles 97
I-3-2] Le moyen retenu 98
II] ESSAIS STATIQUES : INFLUENCE DE LHYDROGENE SUR
LACIER API 5L X52
102
II-1] Limite dlasticit 102
II-1-1] Principe de lessai 102
II-1-2] Rsultats 104
II-2] Essais dclatement 106
II-2-1] Droulement de lessai 106
II-2-2] Rsultats 109
II-3] Essais de tnacit 115
II-3-1] Eprouvettes utilises 115
II-3-2] Facteur dintensit de contrainte dentaille lamorage : K,i 117
II-3-3] Facteur dintensit de contrainte critique lamorage : KIi 122
-
TABLE DES MATIERES
III] ESSAIS DE FATIGUE : INFLUENCE DE LHYDROGENE SUR
LACIER API 5L X52
125
III-1] Loi de propagation sur des prouvettes CT normalises 125
III-1-1] Ralisation de lessai 125
III-1-2] Rsultats 126
III-2] Amorage et tenue en fatigue 127
III-2-1] Droulement de lessai 127
III-2-2] Rsultats 128
IV] MODELISATION DUN TUYAU ENTAILLE SOUMIS A UNE
PRESSION INTERNE
132
IV-1] Modlisation Elments Finis du tuyau 132
IV-2] Calcul des contraintes quivalentes pour un tuyau entaill soumis
une pression interne
134
V] CONCLUSION PARTIELLE
137
REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES DU CHAPITRE II 138
-
TABLE DES MATIERES
CHAPITRE III : Nocivit des dfauts et perspectives davenir 140
I] QUALIFICATION DETERMINISTE DE LA NOCIVITE DES
DEFAUTS
141
I-1] Dfauts non voluant 141
I-1-1] Dfinition de ce type de dfaut 141
I-1-2] Application notre cas dtude 142
I-2] Dfauts voluant 144
I-2-1] Dfinition dun dfaut voluant 144
I-2-2] Application notre cas dtude 145
I-3] Validation du cas tudi dans le Diagramme Intgrit Rupture 146
II] DISCUSSION
148
II-1] Influence de la limite dlasticit sur la fragilisation hydrogne 148
II-1-1] Evolution de la tnacit en fonction de la limite dlasticit
lair
148
II-1-2] Evolution de la tnacit en fonction de la limite dlasticit
sous hydrogne
152
II-1-3] Conclusion 154
II-2] Triaxialit et concentration en hydrogne en tte du dfaut 155
II-2-1] Calcul de 155
II-2-2] Rpartition de la concentration en hydrogne 156
II-2-3] Rsultat 158
II-3] Comparaison du volume affect par lhydrogne et du volume
dlaboration du processus de rupture
160
II-4] Concentration dhydrogne absorbe lors dun chargement
lectrolytique
161
III] CONCLUSION PARTIELLE
165
REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES DU CHAPITRE III 166
CONCLUSION GENERALE 167
-
TABLE DES MATIERES
-
LISTE
DES FIGURES
-
LISTE DES FIGURES
Chapitre I :
Figure I-1 Rseau de transport du gaz en Europe 4
Figure I-2 Rseau de transport de gaz autres que le gaz naturel en Europe du
Nord (Octobre 2001)
5
Figure I-3 Rseaux pipelines dAir Liquide en Allemagne 6
Figure I-4 Centre de production dhydrogne de Teeside 7
Figure I-5 Rpartition des diffrentes nuances dacier composant le rseau
europen en 2004
8
Figure I-6 Evolution des nuances dacier dans le transport par pipelines 9
Figure I-7 Contraintes sexerant sur un pipeline 10
Figure I-8 Causes des ruptures de pipelines Canadiens en cours dexploitation 11
Figure I-9 Quelques dfauts rencontrs 12
Figure I-10 Caractristique gomtrique dun tube sous pression interne 14
Figure I-11 Mode I de rupture 15
Figure I-12 Schma dune fissure 15
Figure I-13 Diagramme schmatique de la contrainte locale 18
Figure I-14 Visualisation des contraintes sur diffrentes prouvettes 18
Figure I-15 Distribution des contraintes et du gradient de contraintes obtenus
par simulation en Elments Finis
19
Figure I-16 Distribution des contraintes et du gradient de contraintes obtenus
par simulation en Elments Finis
19
Figure I-17 Etats limites extrmes 21
Figure I-18 Diagramme Intgrit Rupture 24
Figure I-19 Dfinition du facteur de scurit dans un Diagramme Intgrit
Rupture
25
Figure I-20 Courbe de Whler 28
Figure I-21 Schmatisation des stades de propagation dune fissure de fatigue 31
Figure I-22 Principaux paramtres mesurs sur une salve acoustique 35
Figure I-23 Dtection de lamorage dune fissure 37
Figure I-24 Ford Focus utilisant une pile combustible 43
Figure I-25 Pile combustible 43
Figure I-26 Photo dun bus fonctionnant lhydrogne 43
-
LISTE DES FIGURES
Figure I-27 Photo dun bus fonctionnant lhydrogne 43
Figure I-28 A380 et A2 44
Figure I-29 Lavion hypersonique lhydrogne 44
Figure I-30 Courbe de traction dun acier X52 45
Figure I-31 Courbes intgrale J-a pour des aciers haute et trs haute limite
d'lasticit
47
Figure I-32 Courbes intgrale J- a dans diverses atmosphres 48
Figure I-33 Mcanisme de propagation d'une fissure par clivage 50
Figure I-34 Rsultat de lprouvette 1 52
Figure I-35 Rsultat de lprouvette 2 52
Figure I-36 Images obtenues par microscopie photolectrochimique dun
chantillon dacier X46 charg en hydrogne, pour diffrents
moments de flexion appliqus
55
Figure I-37 Image de rupture intergranulaire dun chantillon dacier P420M,
en corrosion sous contraintes
56
Figure I-38 Image obtenue par microscopie photolectrochimique de la zone
proche dune fissure (acier X46 charg en H2)
56
Figure I-39 Evolution du courant photolectrique le long de la ligne AB de
lchantillon figure I-39
57
Figure I-40 Etapes de diffusion de lhydrogne dans le rseau cristallin 57
Figure I-41 Eprouvette de chargement/dchargement en hydrogne 64
Figure I-42 Cellule de chargement lectro-chimique 65
Figure I-43 Exemple de dchargement dhydrogne sous potentiel anodique 66
Figure I-44 Catastrophe de Ghislenghien en 2004 69
Figure I-45 Catastrophe de Ghislenghien en 2004 69
-
LISTE DES FIGURES
Chapitre II :
Figure II-1 Procd de fabrication dun tuyau 77
Figure II-2 Sens longitudinal et circonfrentiel du tuyau 78
Figure II-3 Eprouvettes de traction 79
Figure II-4 Comparaison des diffrents essais de traction 81
Figure II-5 Analyse longitudinale 83
Figure II-6 Analyse circonfrentielle 83
Figure II-7 Analyse longitudinale 84
Figure II-8 Analyse circonfrentielle 84
Figure II-9 Eprouvette courbe tuyau 219mm 85
Figure II-10 Eprouvette courbe tuyau 610mm 85
Figure II-11 Simulation dune flexion 4 points sur une prouvette courbe
219mm
86
Figure II-12 Zoom sur le point dapplication de la charge 87
Figure II-13 Schma de lentaille 87
Figure II-14 Machine de traction/compression INSTRON 1341 88
Figure II-15 Machine de traction/compression INSTRON 5585H 89
Figure II-16 Montage de flexion 3 points lair 90
Figure II-17 Montage de flexion 3 points sous hydrogne 91
Figure II-18 Cellule de chargement lectrolytique 92
Figure II-19 Montage pour prouvettes CT 93
Figure II-20 Capteurs VS 150-M 94
Figure II-21 Capteurs Pico Z 94
Figure II-22 Principe de dtection des vnements acoustiques 95
Figure II-23 Exemple de localisation des activits acoustiques sur lprouvette
Tuile Romaine
95
Figure II-24 Capteurs lames 96
Figure II-25 Jauge de propagation de fissure 96
Figure II-26 Electrode de travail 99
Figure II-27 Cycle appliqu pour lobtention de la courbe de polarisation 99
Figure II-28 Courbe de polarisation de lacier API 5L X52 100
Figure II-29 Cellule dlectrolyse 101
-
LISTE DES FIGURES
Figure II-30 Eprouvette de traction pour le chargement en hydrogne
lectrolytique
103
Figure II-31 Rsultats des essais de traction 105
Figure II-32 Gomtrie du tuyau et de lentaille 106
Figure II-33 Montage utilis pour lclatement sous pression des tuyaux 107
Figure II-34 Schma de linstallation 108
Figure II-35 Cycle de monte en pression 106
Figure II-36 Gomtrie du meulage interne 106
Figure II-37 Vues des surfaces internes et externes de lentaille 110
Figure II-38 Comparaison de la dformation rsiduelle (a), et de louverture de
lentaille des tuyaux aprs clatements sous mthane et H2 (b)
111
Figure II-39 Surface interne au bord de la zone de rupture 112
Figure II-40 Microfissures source de lamorage de la rupture 112
Figure II-41 Facis de rupture de lintrieure du tuyau 113
Figure II-42 Facis de rupture sous lentaille, pour le test sous mthane.
(les flches reprsentent la direction de la rupture)
113
Figure II-43 Facis de rupture sous lentaille pour le test sous hydrogne 114
Figure II-44 Eprouvette Tuile Romaine (sens dextraction et dimension) 115
Figure II-45 Eprouvette CT (sens dextraction et dimension) 115
Figure II-46 Dtection de lamorage par mission acoustique 118
Figure II-47 Maillage de lprouvette et de lentaille 119
Figure II-48 Conditions aux limites utilises 119
Figure II-49 Distance et contrainte effective 120
Figure II-50 Evolution de la tnacit sous hydrogne, pour le tuyau 610mm 121
Figure II-51 Courbe charge-ouverture dentaille dune prouvette CT 123
Figure II-52 Eprouvette CT quipe dune jauge de propagation de fissure 125
Figure II-53 Vitesse de propagation dans lacier API 5L X52 126
Figure II-54 Dtection de lamorage de la fissure de fatigue (essai 1 sous
hydrogne)
129
Figure II-55 Courbes de Whler pour le tuyau 610mm 129
Figure II-56 Influence de lhydrogne sur la dure de vie en fatigue 130
Figure II-57 Courbes de Whler pour le tuyau 219mm 131
Figure II-58 Conditions aux limites de la modlisation 133
-
LISTE DES FIGURES
Figure II-59 Maillage du tuyau et gomtrie de lentaille 134
Figure II-60 Distribution et gradient de contrainte au niveau du ligament sous
lentaille
135
Figure II-61 Evolution de la contrainte circonfrentielle en fonction de la
pression applique
136
-
LISTE DES FIGURES
Chapitre III :
Figure III-1 Point limite de propagation dans le DIRM 142
Figure III-2 Rgressions linaires permettant le calcul du seuil de propagation 143
Figure III-3 Zone dans laquelle le dfaut est considr comme non voluant 144
Figure III-4 Dplacement du point de fonctionnement lors de lvolution du
dfaut
145
Figure III-5 Evolution du dfaut dans le Diagramme Intgrit Rupture
Modifi
146
Figure III-6 Evolution du point de fonctionnement 148
Figure III-7 Micrographie dans la section transversale des tuyaux (x500) 149
Figure III-8 Courbes de traction pour les 3 aciers lair 150
Figure III-9 Evolution de la tnacit en fonction de la limite dlasticit 151
Figure III-10 Courbes de traction aprs chargement en hydrogne
lectrolytique pour les aciers haute limite dlasticit
152
Figure III-11 Evolution de la tnacit aprs chargement en hydrogne
lectrolytique en fonction de la limite dlasticit
154
Figure III-12 Evolution de la triaxialit le long du ligament pour le tube
entaill
155
Figure III-13 Evolution de la triaxialit le long du ligament pour une Tuile
Romaine
156
Figure III-14 Principe de lanalyse 157
Figure III-15 Modlisation de la mise sous pression 158
Figure III-16 Evolution de la concentration en hydrogne dans lpaisseur du
tube
158
Figure III-17 Evolution de la concentration en hydrogne le long du ligament
sous lentaille
159
Figure III-18 Concentration en hydrogne et distribution des contraintes le
long du ligament sous lentaille
160
Figure III-19 Quantit dhydrogne cre et absorbe par les aciers 161
Figure III-20 Evolution de la concentration en hydrogne en fonction du temps
de chargement
162
Figure III-21 Efficacit du chargement 163
-
LISTE
DES TABLEAUX
-
LISTE DES TABLEAUX
Chapitre I :
Tableau I-1 Equations proposes pour le Diagramme Intgrit Rupture 22
Tableau I-2 Equations de la Ligne Intgrit Rupture pour un matriau ayant une
courbe contrainte dformation continue
23
Tableau I-3 Principaux facteurs influenant le taux dmission acoustique dun
matriau
33
Tableau I-4 Donnes caractristiques sur lhydrogne 38
Tableau I-5 Caractristiques de diffrents aciers et conditions dutilisation 47
Tableau I-6 Caractristiques de diffrents aciers et conditions dutilisation 48
Chapitre II :
Tableau II-1 Composition chimique des deux tuyaux (proportion massique en %) 78
Tableau II-2 Dimensions des prouvettes de traction 79
Tableau II-3 Proprits mcaniques des deux tuyaux 81
Tableau II-4 Coefficient de la loi de Ludwik 82
Tableau II-5 Prparation des chantillons avant observation micrographique 82
Tableau II-6 Dimensions de lentaille 88
Tableau II-7 Composition chimique de la solution NS4 99
Tableau II-8 Diffrentes tapes ncessaires la ralisation dun essai de traction 104
Tableau II-9 Influence de lhydrogne sur les proprits de traction de lacier X52 105
Tableau II-10 Dimensions des prouvettes CT et TR 116
Tableau II-11 Facteur dIntensit de Contraintes dentaille lamorage, pour
lacier API 5L X52
120
Tableau II-12 Influence de lhydrogne sur la tnacit du tuyau de diamtre
219mm
122
Tableau II-13 Influence de lhydrogne sur la tnacit (KIi) du tuyau de diamtre
610mm
124
Tableau II-14 Paramtres de la loi de Paris 127
Tableau II-15 Valeurs des paramtres de la loi de Basquin (tuyau 610mm) 130
Tableau II-16 Rcapitulatifs des grandeurs obtenues la suite de la modlisation
en EF
135
-
LISTE DES TABLEAUX
Chapitre III :
Tableau III-1 Seuil de propagation de fissure 143
Tableau III-2 Rcapitulatifs des valeurs de Sr et K,r 146
Tableau III-3 Influence de lhydrogne sur les coefficients de scurit et de
sret
147
Tableau III-4
Composition chimique des deux aciers haute limite dlasticit
(proportion massique en %)
149
Tableau III-5 Proprits mcaniques des 3 nuances daciers 150
Tableau III-6 Tnacit des 3 nuances daciers 151
Tableau III-7 Proprits mcaniques aprs chargement en hydrogne
lectrolytique des aciers haute limite dlasticit
153
Tableau III-8 Tnacit aprs chargement en hydrogne lectrolytique des aciers
haute limite dlasticit
153
Tableau III-9 Loi dvolution de la concentration en hydrogne 163
-
INTRODUCTION
GENERALE
-
INTRODUCTION GENERALE
1/169
Les demandes nergtiques mondiales ne cessent de saccrotre, avec le dveloppement
trs rapide de pays trs gourmand, comme la Chine, lInde, ou encore les pays dAmrique
du Sud. Mais les stocks dnergies fossiles disponibles ne sont pas inpuisables. De plus,
leur utilisation nest pas sans effet sur lquilibre cologique de notre plante. Il est donc
primordial de contrler au mieux notre consommation et de chercher se dtacher de ce
type dnergie.
Le passage lnergie nuclaire est une premire tape. Le dveloppement des nergies
vertes bases sur le solaire, lolien et lhydrolectrique, en est une seconde. Mais leurs
capacits de production ne sont pas suffisantes. Lhydrogne est pressenti, comme tant un
moyen de substitution, long terme, nous pouvons en disposer en trs grandes quantits.
Pour le transport de gaz sur des grandes distances, le recourt un rseau de tuyaux est
un des moyens les plus couramment retenu. Mais, ces tuyaux sont souvent lobjet
dagressions de diverses sortes. Lagression mcanique par un objet extrieur est lune
dentre elles. Elle se traduit le plus souvent par une raflure ou une griffure du tuyau. En
assimilant ce dfaut une entaille, nous pouvons recourir une analyse des risques base
sur la mcanique de la rupture dentaille.
Cette tude sinscrit dans le cadre du projet europen de recherche NaturalHy. Ce
programme doit permettre de valider un concept utilisant le rseau de transport/distribution
europen de Gaz Naturel, pour transporter/distribuer un mlange gazeux dhydrogne et de
Gaz Naturel.
Ce manuscrit est divis en trois chapitres.
Dans le premier chapitre, nous introduisons les diffrentes notions de la mcanique de
la rupture ncessaires cette tude. Nous y rassemblons, galement, lensemble des
informations collectes sur lhydrogne et son comportement vis--vis des aciers. La
problmatique et le cadre de ltude y sont enfin prsents.
Le second chapitre sattache la dfinition de lacier API 5L X52 constituant le tuyau
en notre possession. Diffrentes proprits mcaniques de cet acier sont dtermines,
-
INTRODUCTION GENERALE
2/169
lair dans un premier temps, puis sous hydrogne. Lexplication du droulement des
diffrents essais raliss, ainsi que le dpouillement et lanalyse des rsultats, seront
prsents. Cette partie quantifie les effets de lhydrogne sur le principal acier de notre
tude. De plus, une modlisation par lments finis dun tuyau entaill soumis une
pression interne est prsente. Ce modle permet dobtenir la valeur du Facteur dIntensit
de Contraintes dentaille, ncessaire dans lutilisation du Diagramme Intgrit Rupture
modifi.
Le dernier chapitre est ddi, dans sa premire partie, lanalyse dterministe de cette
tude. Elle sera ralise en couplant le Diagramme Intgrit Rupture et le SINTAP pour les
adapter notre problme : les entailles. La seconde partie est une perspective quant aux
nouveaux matriaux qui pourraient tre intgrs dans le rseau de transport/distribution de
gaz en Europe. Deux aciers de plus haute limite dlasticit sont tudis, lAPI 5L X70 et
lAPI 5L X100.
-
CHAPITRE I
Etude bibliographique
Leau dcompose en ses lments constitutifs [], et dcompose, sans
doute, par llectricit, [] sera devenue alors une force puissante et maniable,
car toutes les grandes dcouvertes, par une loi inexplicable, semblent concorder
et se complter au mme moment.
Oui, mes amis, je crois que leau sera un jour employe comme combustible,
que lhydrogne et loxygne, qui la constituent, utiliss isolment ou
simultanment, fourniront une source de chaleur et de lumire inpuisables et
dune intensit que la houille ne saurait avoir. Un jour, les soutes des steamers
et les tenders des locomotives, au lieu de charbon, seront chargs de ces deux
gaz comprims, qui brleront dans les foyers avec une norme puissance
calorifique.
Lle Mystrieuse (1874) Jules Vernes (1828-1905)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
4/169
I] CONTROLER LA NOCIVITE DES DEFAUTS DANS LES TUYAUX DE GAZ
I-1] Rseau de gazoducs europen
Figure I-1 : Rseau de transport du gaz en Europe [1].
La distance grandissante entre les sites dextraction des matires premires gazeuses et
le lieu o elles sont transformes, stockes, mais aussi utilises, rend de plus en plus
frquent lutilisation de gazoducs. Depuis les annes 1960, les socits gazires ouest-
europennes exploitent des quantits croissantes de gaz naturel provenant de diffrents
pays. Pour ce faire, un dense rseau de transport, denviron 185 000 km de conduites, a t
construit, figure I-1. Le rseau interconnect europen, en dveloppement constant, stend
de la mer du Nord et de la Baltique jusqu la Mditerrane, et de lAtlantique lEurope
de lEst et la Sibrie. Il permet dexploiter les rserves provenant de gisements disperss,
de diversifier les voies de transport et dchanger du gaz au niveau international, en cas de
difficults de livraisons ventuelles.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
5/169
Le rseau de transport de lhydrogne est, quant lui, nettement moins dvelopp,
figure I-2. Il est environ 180 fois moins important, et il est surtout compos de petites
portions.
Figure I-2 : Rseau de transport de gaz autres que le GN en Europe du Nord (Octobre 2001) [2].
Rseaux du Nord de la France, de la Belgique et des Pays-Bas :
Air Liquide exploite depuis 1966 plusieurs pipelines dans le Nord de la France, la
Belgique et les Pays-Bas. Le rseau Nord est constitu de deux branches.
La premire relie la station dAir Liquide de Waziers (France), la station dAir
Liquide dIsbergues (France) et aux stations situes prs de Zeebrugge et Anvers
(Belgique). Une des sources dhydrogne est lusine dammoniac de Grande Paroisse, S.A.
Waziers.
La seconde partie dbute prs de Maubeuge (France) et se poursuit vers une station
prs de Charleroi (Belgique). Cette ligne est connecte la premire partie du rseau dans
la rgion dAnvers et se prolonge aux Pays-Bas, jusquau port de Rotterdam/Rozenburg.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
6/169
Aux Pays-Bas, dans la rgion de lEuropoort, Air Products exploite un pipeline
dhydrogne de 50 km de long.
Les autres rseaux en France:
Le rseau Est en France est consist dune portion de 33 km, allant de la station
dhydrogne dAir Liquide de Carling vers lusine Solvay de Sarralbe. Lhydrogne est
obtenu partir du craquage de lthylne effectu par Atofina Carling.
Le rseau Centre-Est, une ligne de 57 km de la station dAir Liquide Feyzin, est
aliment partir de lusine Rhodia de Belle-Etoile.
Le rseau Sud-Est dAir Liquide, long de 42 km, relie Lavera Fos sur Mer.
Lhydrogne est issu des usines dlectrolyse chloro-alcaline de Fos et Lavera du groupe
TotalFinaElf.
Rseaux situs en Allemagne :
Figure I-3 : Rseaux pipelines dAir Liquide en Allemagne [3].
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
7/169
En 1993, la socit BOC Limited a acquis un ensemble dans la Ruhr comprenant, un
pipeline, une usine de vaporeformage et une station de remplissage dtenus par la socit
Hls AG depuis 1938. La longueur totale de ce pipeline est de 240 km. Quatorze sites de
production sont connects au pipeline, dont quatre pourvoyeurs dhydrogne ainsi que trois
stations de remplissage. Ce rseau est exploit par Air Liquide depuis 1998, qui a rachet
les activits du groupe BOC au Benelux et en Allemagne.
Rseaux situs en Grande Bretagne :
Le site ptrochimique de Teeside, figure I-4, possde plusieurs units de production
dhydrogne alimentant diverses raffineries par pipeline. Air Products y possde un
pipeline de 5 km de long. Depuis septembre 2000, BOC est en contrat avec Huntsman
Petrochemicals (groupe ptrochimique) pour lui fournir 32000 t/an dhydrogne de grande
purete. Lusine de production dhydrogne est en fonctionnement depuis mars 2004. Elle
fournira par pipeline les usines Huntsman de Wilton et de Teesside Nord pendant 15 ans.
Figure I-4 : Centre de production dhydrogne de Teeside [4].
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
8/169
Dautres rseaux europens :
Dautres rseaux de distribution existent par ailleurs. Nous pouvons citer, par exemple
six pipelines, de 3 km de long chacun, se trouvant en Sude ou en Italie.
I-2] Matriaux utiliss
Les distances de canalisations, toujours plus importantes et un souci de rentabilit, ont
pouss les compagnies gazires changer les nuances daciers et augmenter
simultanment le diamtre des tuyaux, et les pressions internes. Cest pour cela que le
rseau europen est compos dune dizaine de nuances diffrentes (Grade A, Grade B,
X42, X46, X52, X56, X60, X65, X70, X80,) [5], tout en sachant que 3 de ces nuances
reprsentent environ 70% de la diversit de ce rseau, savoir : Grade B, X52 et X60,
figure I-5.
3%20%
8%
4%
25% 1%
23%
7%
9%
Grade A
Grade B
X42
X46
X52
X56
X60
X65
X70
Figure I-5 : Rpartition des diffrentes nuances dacier composant le rseau europen en 2004 [5].
Les prouvettes qui serviront pour nos essais, sont issues de deux morceaux de tuyau
de diamtre et dpaisseur diffrentes. Ils sont utiliss, dans le transport de gaz naturel par
Gaz de France et dautres compagnies europennes. Le tuyau 1, provient dun tronon de
gazoduc mis en service dans les annes 50. Il est donc reprsentatif du rseau de transport
europen actuel. Le tuyau 2 na jamais t mis en fonction.
La nuance dacier, dans laquelle est fabrique ces tuyaux, suit la norme de lAmericain
Petroleum Institut : API 5L X52.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
9/169
X42/46
X52NX52TM
X56-N
X60-N
X60-TM
X65-TM
X70-TM
X80-TM
X100-TM
X120-TM
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Annes
Lim
ite d
'la
sti
cit
(
MP
a)
Gaz Naturel Hydrogne
Figure I-6 : Evolution des nuances dacier dans le transport par pipelines [6].
La figure I-6 montre la ligne de conduite des fabricants de pipelines. Les tuyaux de
faible diamtre et de limite dlasticit moyenne ne sont plus dactualit, on leur prfre
des tuyaux de plus grand diamtre et surtout de plus haute limite dlasticit.
I-3] Sollicitation du rseau
Le contenu du gazoduc est sous pression. Cette pression constitue une source de
contrainte sexerant sur la paroi de la conduite. Le sol, autour du pipeline, peut bouger et
constitue une autre source de contrainte. Les procds de fabrication des conduites, tel le
soudage, peuvent introduire galement des contraintes rsiduelles.
Dans une conduite, les contraintes sexercent dans deux directions, figure I-7,
circonfrentiellement (contrainte dite circonfrentielle) et longitudinalement (contrainte
dite longitudinale ou axiale).
Les fissures de fatigue se forment de faon perpendiculaire la direction de la
contrainte principale de traction. Nous trouvons, le plus souvent, des fissures
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
10/169
longitudinales car les contraintes circonfrentielles sont les plus leves; elles sont situes
dans les zones de concentrations de contrainte axiale leve.
Figure I-7 : Contraintes sexerant sur un pipeline [7].
Les diffrentes sources de contraintes circonfrentielles sont :
La pression interne de service est la composante de contrainte la plus
importante,
La fabrication de la conduite induit des contraintes rsiduelles,
La pression interne, sexerant sur une conduite ovalise, donne une contrainte
de flexion,
Au niveau des soudures, ou associe des stries, des piqres de corrosion,
des raflures, nous avons naissance de concentration de contraintes,
Les tassements et glissements de terrain induisent des contraintes secondaires,
Les changements de tempratures le long de laxe du gazoduc.
Pour les sources des contraintes longitudinales, nous trouvons :
La pression interne de service donne une contrainte pouvant atteindre le tiers,
voire la moiti de la contrainte circonfrentielle,
Les glissements de terrain et tassements de sol,
La variation de temprature le long de laxe du gazoduc.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
11/169
Conclusion quant au choix de lprouvette et de la sollicitation utiliser :
La contrainte circonfrentielle, due la pression interne, est la plus importante. Le
tuyau, de forte courbure et de faible paisseur, engendre une difficult supplmentaire.
Nous avons donc dcid de raliser nos essais sur des prouvettes courbes, issues
directement dun tuyau de gazoducs.
Lessai de flexion sera utilis, pour simuler au mieux laction de la pression interne dans le
tuyau. Ltude, mene au sein du laboratoire [8], a permis de choisir parmi les diffrents
types de modlisation, le meilleur compromis possible : flexion 4 points, flexion 3 points
(sur des parties entires ou non danneau) et flexion avec encastrement des extrmits de
lprouvette (sur une partie danneau).
I-4] Dfauts rencontrs
Figure I-8 : Causes des ruptures de pipelines Canadiens en cours dexploitation [7].
Les causes des dfaillances des gazoducs sont de diverses natures, figure I-8. Elles
peuvent se manifester soit par une rupture, soit par une fuite dans la conduite. Les dfauts
lorigine de ces dfaillances, figure I-9, peuvent tre classs suivant 4 grandes catgories :
o Les dfauts de corrosion, causs par des piqres de corrosion ou par des
fissurations de corrosion sous contrainte ;
Fissuration par corrosion sous contrainte
17%Causes gologique (glissements de
terrain,)19%
Dommages par contact (contact avec un
matriel de terrassement,..)
23%
Autres16%
Corrosion gnrale25%
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
12/169
o Les dfauts de type raflure,
o Les dfauts de type enfoncement,
o Les dfauts dans les soudures, les plus courants tant les manques de
pntration.
La plupart de ces dfaillances sont causes par des piqres de corrosion ou par des
fissurations de corrosion sous contrainte, mais il existe galement des problmes lis aux
dfauts. Les mouvements de terrain (glissements du sol, tremblement de terre,) peuvent
aussi tre la cause de dommage sur les gazoducs enterrs. Les exploitants de gazoducs
tudient ces problmes depuis longtemps et possdent une bonne connaissance des
mthodes permettant de les grer. En Europe, on relve essentiellement des dfauts lis
aux agressions mcaniques extrieures (70%), et la corrosion (30%).
a) Eraflures
b) Cratres de corrosion
c) Manque de pntration dans les soudures
d) Enfoncement
Figure I-9 : Quelques dfauts rencontrs.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
13/169
Mais, il ne faut pas ngliger les agressions mcaniques extrieures, figure I-8. En effet,
il arrive que les gazoducs soient endommags ou perfors accidentellement lors de travaux
dexcavation par des engins de chantier. Les problmes damorage des fissures en fatigue
et les ruptures, manant de concentrations de contraintes, sont lorigine de plus de 90%
des ruptures en service. La prsence dune discontinuit gomtrique, telle une entaille,
provoque laffaiblissement de la rsistance la rupture du gazoduc. Elle rduit la section
du tuyau, en le rendant plus sensible la pression de service et aux efforts causs par les
mouvements des sols ; ensuite leffet damplification locale de la contrainte accrot
exponentiellement la nocivit de ce dfaut.
Notre tude vise caractriser certaines proprits mcaniques des aciers constituants
les gazoducs en prsence dentaille. Ce type de dfaut correspond ce qui peut tre fait
lors dun contact avec un engin de chantier.
II] OUTIL DANALYSE : LA MECANIQUE DE LA RUPTURE
II-1] Analyse limite
Les premiers articles traitant de la thorie de lanalyse limite remontent la fin des
annes 1930. Elle constitue une branche de la thorie de la plasticit lie un
comportement lastique parfaitement plastique [9]. Un peu plus tard, dans le milieu des
annes 50, est apparu un grand nombre de solutions analytiques pour dterminer la charge
ultime, de poutres et de coques, conduisant des valeurs plus ralistes de la capacit
rsister la ruine plastique. Cela a conduit progressivement une conception du
dimensionnement base sur ltat limite plutt que sur la notion de contrainte admissible.
Lintroduction de la mcanique linaire de la rupture, dans les mmes annes [10], a
conduit considrer principalement le risque de rupture fragile gouvern par la contrainte
globale, en apparente opposition avec la thorie de la ruine plastique gouverne par la
contrainte nominale.
Au milieu des annes 70, Dowling et Towley [11], montrent que les thories de
lanalyse limite et de la mcanique de la rupture sont les bases dune nouvelle approche de
la mcanique de la rupture, dveloppe dans la mthode des deux critres qui a servi de
base la mthode des diagrammes intgrit rupture.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
14/169
Lide nouvelle, dveloppe dans la mthode des deux critres, consiste envisager
une interaction entre les deux mcanismes de sorte que la charge ultime soit infrieure
celle donne par lanalyse limite, mais suprieure celle de la mcanique lastique de
rupture.
La charge ultime peut tre considre comme le critre de base de la rupture,
condition de ne pas tre considre simultanment comme un paramtre de tnacit.
Rcemment, lintroduction de la notion de contrainte de rfrence, pour le traitement du
fluage et des corps fissurs, est de nature clarifier le dbat. La figure I-10 donne un
exemple de calcul dun tube soumis une pression interne.
Figure I-10 : Caractristique gomtrique dun tube sous pression interne.
0=
+rdr
drr
(I-1)
erR= (I-2)
Avec comme conditions aux limites : pRr
=)( int (I-3)
et 0)( =extRr (I-4)
Donc :
=
int
ln.R
Rp ext (I-5)
ou t
pR .int si t
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
15/169
Le calcul de la contrainte circonfrentielle dun tuyau soumis une pression interne
sera utilis dans le Diagramme Intgrit Rupture Modifi, prsent dans ce chapitre. Il
permettra dobtenir la contrainte de rfrence, sans dfaut, dans notre cas dtude.
Il existe un grand nombre de codes de calculs (amricain, europen, nationaux, ) qui
permettent dobtenir la valeur de la pression limite associe des dfauts de type cratres
de corrosion. Les principaux codes sont : ASME B31 G [12], ASME B31 G modifi, DNV
RP-F101 [13], les formules de CHOI [14], les formules de BATELLE [15], BS7910
(British Standard) [16],
II-2] Facteur dIntensit de Contraintes
On peut obtenir une formulation conservative du critre de rupture en considrant le
matriau comme lastique linaire, et en analysant le champ des contraintes la pointe
dune fissure. Cette fissure est une discontinuit prsentant un rayon nul son extrmit ou
une acuit infinie. Cette analyse est base sur une rsolution par des mthodes classiques
de llasticit. Nous considrons, dans ce qui suit une fissure, figure I-12, dont louverture
se fait dans un plan normal la direction du chargement (mode I de rupture), figure I-11.
Figure I-11 : Mode I de rupture. Figure I-12 : Schma dune fissure.
Les composant des contraintes peuvent tre prsentes comme la somme de termes
singuliers et rguliers [17] :
( ) zyxjiFfa
Kijij
f
Iij
,,, , 2
=+=
(I-7)
2a
y
x 0
af
xx
yy
xy
yx
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
16/169
Les origines des systmes de coordonnes cylindriques (r,,z) et cartsiennes (x,y,z)
sont situes la pointe de la fissure. Laxe z concide avec le fond de la fissure, et laxe y
est normal au plan de la fissure ; af est la distance de la pointe dune fissure ; fij() est
fonction uniquement de langle ; Fij est la somme des membres rguliers dfinissants
ltat de contraintes du corps sous laction des charges lointaines, autrement dit, dans les
endroits o on peut ngliger linfluence de la concentration des contraintes provoque par
la prsence de la fissure.
En raison de lexistence dune singularit en 1/ af, donne par le premier terme de la
relation (I-7), quand on sapproche de la pointe de la fissure (af 0), ce terme devient
prpondrant.
( )
ij
f
Iij
fa
K
2= (I-8)
La relation (I-8) dcrit ltat local des contraintes la pointe de la fissure, sige du
processus de rupture. Pour cette raison, elle prsente un grand intrt pour la thorie de la
rupture fragile. Cest sur cette relation quest fond le critre le plus important de la
mcanique linaire de rupture, quation I-9. On peut constater, dans la relation (I-8), que
pour nimporte quel point repr par ses coordonnes relatives la pointe de la fissure, les
valeurs des composantes de ltat local de contraintes sont dfinies par le seul paramtre
KI, appel Facteur dIntensit de Contraintes. Il est alors naturel de faire lhypothse que la
rupture se produira lorsque le paramtre KI atteindra un niveau critique KIc, caractristique
du matriau donn. La condition de la rsistance lamorage dune rupture scrit :
IcIKK < (I-9)
Le critre de rupture snonce :
IcIKK (I-10)
Dans le cas le plus gnral, la valeur du Facteur dIntensit des Contraintes, dpendant
de la gomtrie de la structure fissure et du systme de charges, scrit laide de la
relation :
( )WaI FaK /.= (I-11)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
17/169
O est la contrainte douverture ; a est la demi-longueur de fissure ; F(a/W) une
fonction non dimensionnelle prenant en considration linfluence des frontires libres de la
structure.
En particulier, dans le cas dune plaque de largeur infinie et soumise une traction ,
pour une fissure traversante de longueur 2a, nous avons la valeur particulire F(a/W) = 1. Le
calcul des valeurs du Facteur dIntensit de Contraintes KI, dans le cas le plus gnral, est
ralis avec des mthodes numriques ou des mthodes simplifies.
Dans le critre de rupture, prsent dans lquation (I-10), la grandeur KIc est une
caractristique du matriau appele Facteur dIntensit de Contraintes critique. Elle se
dtermine sur des prouvettes assurant la condition de dformations planes en pointe de la
fissure, au moment critique. Cette condition conduit une valeur minimale donc
conservative de la tnacit. La grandeur KIc caractrise la valeur minimale de la capacit
du matriau de rsister au dveloppement de la rupture fragile ; les autres valeurs sont
appeles Kc.
II-3] Facteur dIntensit de Contraintes dentaille
Limpact dune raflure sur un tuyau de gaz peut tre dtermin, en simulant ce dfaut
par une entaille gomtrie connue. Cette tude sappuie sur lun des concepts de la
mcanique de la rupture dentaille : la mthode volumtrique. Cette mthode, semi-locale,
permet dtudier des problmes en fatigue et en rupture en sappuyant sur la mthode des
Elments Finis [18], [ 19].
Plusieurs approches ont t dveloppes [20], celle prsente ci-dessous est spcifique
au Laboratoire de Fiabilit Mcanique.
Principe :
Dans le cas dun comportement lastique, en prsence dune entaille, nous avons
une concentration locale du champ des contraintes, qui trouve son maximum au fond
dentaille, figure I.13.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
18/169
Figure I-13 : Diagramme schmatique de la contrainte locale [21].
Cependant, dans le cas dun comportement lasto-plastique, nous considrons que la
contrainte maximale nest plus en fond dentaille mais une certaine distance de celui-ci,
figure I-14.
Figure I-14 : Visualisation des contraintes sur diffrentes prouvettes.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
19/169
La mthode volumtrique implique un volume dlaboration du processus
dendommagement de la structure en mode lasto-plastique. Ce volume peut tre ramen
la dfinition de son diamtre Xeff grce sa gomtrie.
Cette mthode permet de calculer la valeur de la distance effective : xeff, et la valeur de
la contrainte effective : eff.
Ces deux paramtres sont dfinis partir dun diagramme obtenu par un calcul utilisant
une modlisation par lments finis, figures I-15 et I-16.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2
Distance le long du ligament sous l'entaille (mm)
xx (
MP
a)
I IIIII
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Distance le long du ligament sous l'entaille (mm)
xx (
MP
a)
-1,50
-0,50
0,50
1,50
2,50
3,50
4,50
Gra
die
nt
de c
on
tra
inte
s(m
m-1
)
Distribution de la contrainte
Gradient de contrainte
Distance Effective
Figures I-15 et I-16 : Distribution des contraintes et du gradient de contraintes obtenus par
simulation en Elments Finis.
La contrainte lastoplastique (contrainte douverture en fatigue) et le gradient des
contraintes sont prsents dans ce diagramme. Trois zones particulires peuvent tre
distingues :
Zone I : la contrainte lastoplastique en fond dentaille augmente jusqu la
contrainte maximale max. On remarque que la contrainte nest pas maximale en
fond dentaille, mais une distance xmax.
Zone II : la contrainte lastoplastique diminue jusqu la distance effective xeff, qui
correspond au minimum du gradient des contraintes.
Zone III : lvolution de la contrainte lastoplastique a un comportement linaire,
dans un diagramme bi-logarithmique.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
20/169
La contrainte douverture en fatigue et la distance effective sont toutes deux
dtermines par un calcul aux Elments Finis. La contrainte effective est calcule de la
manire suivante :
(I-12)
O : (I-13)
On obtient : (I-14)
Avec :
eff contrainte effective,
effx distance effective, selon la mthode volumtrique,
yy contrainte douverture en fatigue,
gradient des contraintes,
( )x fonction poids qui ne dpend ni du chargement appliqu, ni de la gomtrie
mais qui dpend du comportement du matriau.
La connaissance de la contrainte et de la distance effectives, permet dobtenir le
Facteur dIntensit de Contraintes dentaille critique : K,c.
effeffcXK 2, = (I-15)
II-4] Diagramme Intgrit Rupture (D.I.R.)
Dans cette tude, nous avons fait le choix dutiliser une approche dterministe, qui fait
appelle la procdure SINTAP (Structural INTegrity Assessment Procedure for european
industry) dans un D.I.R. (Diagramme Intgrit Rupture).
=effX
yy
eff
effdxxx
X0
)1).((1
( ) xx = 1
=effX
yy
eff
effdxxx
X0
)1).((1
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
21/169
La procdure SINTAP, base sur le principe de la mcanique de la rupture, a pour
objectif ltude des structures contenant des dfauts, connus ou postuls, en dterminant :
la tolrance dun dfaut dans une structure,
si ce dfaut connu est acceptable,
(ou augmentant) la dure de vie dune structure,
La cause dune rupture.
La philosophie de lapproche se traduit par le fait que la qualit des donnes se reflte
dans la sophistication et lexactitude des rsultats. Pour cela, il existe plusieurs niveaux
danalyse, de plus en plus complexes, qui permettent selon les donnes dobtenir un
rsultat prcis. Le niveau le plus bas permet dobtenir le rsultat le plus conservatif.
Toute rupture lasto-plastique est caractrise par un point dans un diagramme que lon
nomme Diagramme Intgrit Rupture. Lensemble des points se place sur une courbe
dinterpolation entre deux tats limites, figure I-17 : la rupture fragile ( 0;1 == rr Sk ) et la
ruine plastique ( 1;0 == rr Sk ), o rk est la tnacit non dimensionnelle et rS la
contrainte non dimensionnelle.
0
1
0 1 Sr
Kr
Figure I-17 : Etats limites extrmes.
Rupture Fragile
Ruine Plastique
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
22/169
Linterpolation entre ces 2 tats limites se fait au moyen dune courbe reprsentant la
courbe limite de rupture appele : Ligne Intgrit Rupture. De nombreuses courbes
dinterpolation ont t proposes. Le tableau I-1 prsente quelques quations
reprsentatives.
Irwin
21 0
*
c
g
c
g
c
aK
=
21
2r
r
SK =
Dugdale
=
e
c
g
eD
R
Lna
RK
2cos
1.8
2*
=
2cos
1.
8
1
2r
r
SLn
K
Newmann aKc
NN .*
= rNr SmK = 1
R6 effc
gc aK =*
+
=
665.0
27.03.0.14.01
rS
rr eSK
Tangent
Stress ( )
+
=
+1
0
2
0
*.
nc
g
c
gc
gc WaFaK
12 +
+
=n
rr
rr
SS
SK
EPRI ( ) ( )
1
,
2*
..0
+
+
=
n
Lnapl
LaelJ P
PEJ
P
PEJK 12 +
+
=n
rnre
rr
SHSH
SK
NUREG
0744
( )
2
0
2
*
1
.
=
c
g
c
g
c
F
Fa
K Wa
2
2
1
r
r
S
FK
=
RCC-MR 16. Aelpl KJJ =
+
==
ref
refe
ref
ref
ref
c
r
E
RE
AK
..2
.
11
2
Tableau I-1: Equations proposes pour le Diagramme Intgrit Rupture [22].
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
23/169
La procdure SINTAP, pour un niveau danalyse standard (niveau 1), ncessite
seulement la connaissance de la tnacit du matriau et ses principales caractristiques
mcaniques (limite dlasticit et limite la rupture). Ces diffrents paramtres sont relis
au travers de lquation suivante I-16 :
)(r
Sfr
k = (I-16)
Pour utiliser le Diagramme Intgrit Rupture, il est ncessaire de tracer un point de
fonctionnement du matriau de coordonnes ( rS ; rk ), calcul partir des conditions de
chargement, du type de dfaut et des proprits du matriau. Ce point peut ensuite tre
compar avec la Ligne Intgrit Rupture. Si le point se trouve au dessus de la courbe, cela
signifie que la structure sest rompue en dpassant les conditions limites.
La Ligne Intgrit Rupture se dfinie selon les diffrents critres, tableau I-2.
Equations Dfinitions
rS 1 )]exp(7.03.0[)5.01( )( 62/12 rrr SSSf ++=
]6.0);/(001.0min[e
RE=
E est le module dYoung en MPa
Re est la limite dlasticit en MPa
Max
rr SS 1
NN
rr SfSf2/)1()1()( =
N = 0.3[1-( Re/Rm)]
Rm est la rsistance mcanique en
MPa
)/1(5.0max er RRS m+=
rS > max
rS ( ) 0 =rSf
Tableau I-2 : Equations de la Ligne Intgrit Rupture pour un matriau ayant une courbe contrainte
dformation continue.
Ces critres sont valables dans notre cas puisque notre matriau possde une courbe
containte-dformation continue.
Dans le Diagramme Intgrit Rupture, les paramtres rK et rS sont dfinis de la
manire suivante :
y
g
rS
= (I-17) et
IC
Ir
K
KK = (I-18)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
24/169
ICIgKetK , ,
y sont respectivement :
la contrainte globale,
la rsistance quivalente (ou contrainte lcoulement),
le Facteur dIntensit de Contraintes,
le Facteur dIntensit de Contraintes Critique.
La figure I-18 donne la forme du Diagramme Intgrit Rupture.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Sr
Kr
Zone de Rupture
Zone de scurit
Figure I-18 : Diagramme Intgrit Rupture.
Dans un Diagramme Intgrit Rupture, les facteurs de scurit sont dfinis par :
La charge :
AO
BOf
s ""
applique chargerupture laproduit qui charge
, ==
La taille du dfaut :
OA
ODf
as==
considre dfaut de taillelimitedfaut de taille
,
(I-19)
(I-20)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
25/169
Le facteur dintensit de contraintes :
AO
COf
ks ''
considre contrainte de intensitd' facteurlimite contrainte de intensitd' facteur
, ==
Les facteurs de scurit, permettent de tracer une zone de scurit dans le Diagramme
Intgrit Rupture, et de vrifier si le point de fonctionnement exprimental A, figure I-19,
appartient bien cette zone.
II-5] Diagramme Intgrit Rupture utilis pour des entailles
Le code de procdure SINTAP, explicit prcdemment, a t tabli pour des dfauts
de type fissure. Or, lobjectif principal de notre tude porte sur la caractrisation de dfauts
obtenus lors de contacts avec des engins dexcavation, par exemple. Ces dfauts sont de
type entailles. Nous avons donc dcid dadapter ce code de procdure notre besoin.
Les paramtres du Diagramme Intgrit-Rupture Modifi (D.I.R.M.) sont les suivant :
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Sr
Kr
O
O
A
C
B
D
O
Niveau de scurit
Niveau de sret
Figure I-19 : Dfinition du facteur de scurit dans un Diagramme Intgrit Rupture.
(I-21)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
26/169
c
app
r K
KK
,
,
,
= (I-22)
0
=r
S (I-23)
20me
RR += (I-24)
Avec :
app
K , : le Facteur dIntensit de Contraintes dentaille appliqu, obtenu en utilisant
la mthode volumtrique explicite au paragraphe II-3,
c
K , : Facteur dIntensit de Contraintes dentaille critique, obtenu sur une
prouvette tuile romaine, voir le paragraphe II-3-2 du chapitre II,
: Contrainte circonfrentielle,
0 : Limite dcoulement conventionnelle,
e
R : Limite dlasticit,
m
R : Rsistance ultime.
Il est toutefois important de souligner que la tnacit obtenue par le biais du Facteur
dIntensit de Contraintes dentaille critique est dpendante du rayon dentaille utilis. Le
fait davoir un paramtre r
K , , sans dimension, permet dutiliser les mmes courbes
dintgrit rupture quelque soit le rayon dentaille.
Dans notre Diagramme Intgrit-Rupture Modifi, la Ligne Intgrit Rupture et le
cfficient de scurit gardent les mmes dfinitions qunonces prcdemment.
Tout point de fonctionnement, dans ce Diagramme Intgrit Rupture Modifi, sera
reprsent par un couple de coordonnes : (Sr ; rK , ).
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
27/169
II-6] Amorage en fatigue
Lorsquun matriau est soumis, un grand nombre de fois, des amplitudes de
contraintes cycliques, pour des niveaux de contrainte bien infrieurs sa limite dlasticit,
un endommagement par fatigue peut apparatre. Il est donc indispensable de connatre sa
courbe de tenue en fatigue.
Universellement connue, la courbe de Whler, appele galement courbe dendurance,
est la plus ancienne et la seule qui permet de visualiser la tenue dune pice mcanique ou
dun matriau dans le domaine de fatigue. Elle renseigne sur la dure de vie, exprime en
nombre de cycles rupture NR (porte en abscisse), et sur lamplitude de la contrainte
applicable (porte en ordonne). Cette courbe est dtermine partir dune srie
dprouvettes, soumises un effort priodique (diffrent pour chaque prouvette)
damplitude maximale et de frquence constante.
Lessai se termine une fois lprouvette rompue. On relve alors le nombre de cycles
rupture : NR. A chaque prouvette correspond un point dans le repre (, NR).
Daprs la Figure I-20, la rupture est atteinte aprs un nombre de cycles qui crot quand
la contrainte dcrot. Les rsultats des essais de fatigue sont rpartis de faon statistique, de
telle sorte que lon puisse dfinir des courbes correspondant des isoprobabilits de
rupture donnes selon lamplitude de contrainte et le nombre de cycles.
Les essais classiques de dtermination dune courbe de Whler donnent une
information globale sur lendurance dun matriau : amorage dune fissure de fatigue et sa
propagation jusqu la rupture, mais sans en donner les dures. Cette courbe peut
gnralement tre dcompose en trois zones distinctes, figure I-20 :
Zone I : Zone de fatigue oligocyclique, qui correspond aux contraintes les plus
leves, suprieures la limite dlasticit Re du matriau. La rupture survient aprs
un faible nombre de cycles variant gnralement de de cycle environ 103 105
cycles. Dans cette zone, nous observons, trs rapidement, une dformation
plastique importante suivie dune rupture de lprouvette,
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
28/169
Zone II : Zone de fatigue ou dendurance limite, o la rupture est atteinte aprs un
nombre limit de cycles, nombre qui crot lorsque la contrainte dcrot (compris
entre 105 107 cycles environ). Cette zone peut tre considre comme linaire en
chelle semi-logarithmique,
Zone III : Zone dendurance illimite ou zone de scurit, sous faible contrainte,
pour laquelle la rupture ne se produit quaprs un nombre donn de cycles (107 et
mme 108), suprieur la dure de vie envisage pour la structure.
Figure I-20 : Courbe de Whler.
Dans de nombreux cas, nous obtenons une branche asymptotique horizontale la
courbe de Whler : lasymptote est appele limite dendurance ou limite de fatigue et est
note D. Par contre, dans certains cas, par exemple lorsquil y a simultanment fatigue et
corrosion, il ne semble pas y avoir dasymptote horizontale. On dfinit alors une limite
conventionnelle dendurance comme la valeur de la contrainte maximale qui nengendre
pas de rupture avant un nombre de cycles fix (par exemple 107 cycles).
I
II
III
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
29/169
Dans certains cas, les courbes de Whler peuvent tre reprsentes en fonction dautres
paramtres :
Le nombre de cycles lamorage dfini partir de la cration dune fissure de
dimensions dtectables.
Des essais sur prouvettes entailles. La limite dendurance diminue alors en
fonction de la svrit de lentaille (lorsque le facteur de concentration de
contrainte augmente).
La notion de limite dendurance est relative et non absolue, puisque sa dfinition
dpend du problme trait, par exemple, les limites dendurance en traction et en torsion
alternes sont diffrentes.
Diverses expressions ont t proposes depuis les deux sicles derniers pour rendre
compte de la forme de la courbe de Whler. La plus ancienne expression, propose par
Whler en 1870, scrit :
WWR
baLogN = (I.25)
o aw et bw sont des constantes dtermines exprimentalement.
Basquin a propos en 1910 une relation de la forme :
LogbaLogNbbR
= (I.26)
Ce qui, sous une autre forme, scrit :
CteANb
b
R
b
== (I.27)
Dans ces relations, on assimilent la zone II une droite (endurance limite) qui ne tend
pas vers une limite D lorsque NR augmente pour dcrire la zone III. Pour rendre compte de
la courbure et de lasymptote horizontale (limite dendurance), Stromeyer, a propos en
1914, une autre expression :
( )DssR
LogbaLogN (I.28)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
30/169
ou encore :
( ) MN nDR
= (I.29)
avec n gnralement compris entre 1 et 2.
Bastenaire, a propos en 1971, lexpression :
( )( ) ( )[ ] CBN DADR
=+
exp (I.30)
Les constantes A, B et C sont dtermines exprimentalement.
II-7] Loi de propagation sur des prouvettes CT normalises
Dans le but de prvoir la rupture des pices mcaniques sollicites en fatigue, de
nombreuses tudes ont permis dtablir des lois empiriques de fissuration. Ces modles,
reposant parfois sur des hypothses grossires, tentent de retrouver et dexpliciter le
comportement en fatigue des fissures.
Les paramtres qui rentrent en considration dans ces lois de fissuration peuvent tre
classs selon deux grandes catgories :
Les paramtres intrinsques qui dpendent du matriau : module de Young,
limite dlasticit, proprits cycliques et tat mtallographique du matriau,
Les paramtres lis aux conditions dessai (indpendamment du matriau
considr) : temprature, frquence, environnement, gomtrie de lprouvette,
sollicitations imposes, etc.
Il est cependant important de remarquer, que linfluence de la seconde catgorie,
dpend du matriau analys et de son tat.
Un des modles phnomnologiques, des plus connu et des plus utilis, reste le modle
dvelopp par Paris et Erdogan [23] en 1963. Les auteurs proposent dexprimer
laccroissement de la longueur ou de la surface de fissure (mm/cycle) en fonction de la
notion de Facteur dIntensit de Contraintes K (en MPam), dveloppe dans la thorie
dIrwin [24]. Ce modle est de ce fait uniquement destin aux matriaux fragiles. Tant que
la plasticit reste confine, le calcul de K est acceptable et le modle est valid. Lquation
qui rgit ce modle, est :
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
31/169
( )mKCdN
da= (I.31)
Avec :
minmax KKK = (I.32)
O C et m sont des coefficients caractristiques du matriau tudi. Ils sont obtenus par
le biais dessais de traction sollicitation cyclique raliss sur des prouvettes CT
normalises. Pour des matriaux mtalliques courants, la valeur de m est comprise entre 2
et 5. Kmax et Kmin, sont respectivement, la valeur maximale et minimale du Facteur
dIntensit de Contraintes.
La relation propose par Paris et Erdogan [23], permet un calcul simple de prdiction
du temps de propagation, mais ne tient pas compte de linfluence des paramtres
intrinsques et extrinsques prsents prcdemment. De plus, elle ne donne aucun
renseignement sur le comportement de la fissure dans le domaine de la rupture (cf. figure I-
21, Zone III) ou au niveau du seuil de non fissuration (cf. figure I-21, Zone I). Dans la zone
I, cette relation surestime la vitesse de propagation relle, et dans la zone III, elle en donne
une valeur beaucoup trop faible.
Figure I-21 : Schmatisation des stades de propagation dune fissure de fatigue.
Il est important de souligner quun certain nombre dauteurs ont montr lintrt de ces
deux tats limites.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
32/169
Ltat limite nomm KS, figure I-21, correspond au seuil en dea duquel, la
propagation de la fissure ne pourra se faire. Dans la norme Afnor [25], ce seuil peut tre
dfini comme tant la valeur asymptotique de K pour laquelle da/dN tend vers 0. Il est
conventionnellement obtenu comme tant la valeur de K qui correspond une vitesse de
propagation de fissure de 10-7 mm/cycle.
II-8] Emission acoustique
II-8-1] Principe de fonctionnement
La technique de dtection par mission acoustique est essentiellement utilise pour
ltude des phnomnes physiques et des mcanismes dendommagement du matriau,
mais galement comme mthode de contrle non destructif (CND). Selon lAssociation
Franaise de NORmalisation (AFNOR) [26], le phnomne dmission acoustique
correspond un phnomne de libration dnergie lastique sous forme dondes lastique
transitoires au sein dun matriau ayant des processus dynamiques de dformation.
Il sagit donc dune mthode passive denregistrement volumique dune forme de
rponse dun matriau face une sollicitation mcanique. Cette technique est non
directionnelle, les sources missives irradient leur nergie dans toutes les directions. De
plus, lmission acoustique est sensible la croissance et la multiplication des dfauts et
aux changements dans le matriau plutt qu la prsence de dfauts statiques. La dtection
ne peut donc se faire quau moment mme o seffectue le relchement des contraintes
donnant naissance lmission acoustique.
La technique de lmission acoustique consiste dtecter, en temps rel, des ondes
pour en extraire des informations sur le comportement du matriau. On distingue
communment lmission acoustique continue de lmission acoustique discrte par salves
(ou pulses). Lmission discrte est constitue de signaux transitoires alatoires de fortes
nergies et de courte dure. Lmission acoustique continue correspond laugmentation
ponctuelle dun bruit de fond qui sapparente, par exemple, aux mouvements des
dislocations dans un mtal lors des dformations plastiques [27].
Ce type dmission est trs peu utilis. Lavantage des vnements discrets rside dans
le fait quils puissent tre spars les uns des autres, contrairement aux vnements
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
33/169
continus. Les sources dmission acoustique sont lies des phnomnes irrversibles. On
compte parmi ces phnomnes physiques :
Dformation plastique, mouvement de dislocations, maclage, glissement aux
joints de grains, formation des bandes de Piobert-Luders, rupture dinclusion ou
de composs intermtalliques, transformation de phase,
Amorage et propagation de fissures,
Fragilisation par hydrogne,
Corrosion,
Rupture microscopique et macroscopique dans les matriaux composites,
Frottement,
Impacts (mtalliques,),
Fuites (de liquide ou de gaz), cavitation, bullition,
Bruits extrieurs des essais (mise en place de montage, groupe hydraulique
des machines dessai, environnement, etc.).
Daprs Touya [28], les principaux facteurs, influenant le taux dmission acoustique
dun matriau, peuvent tre rpertoris de la manire suivante, tableau I-3.
Facteurs favorisant les signaux de :
Grande Amplitude Faible Amplitude
Forte limite dlasticit Faible limite dlasticit
Transformation martensitique Transformation par phase de diffusion
Anisotropie Isotropie
Htrognit Homognit
Epaisseur importante Epaisseur faible
Taille de grain leve Structure grains fins
Tendance former des macles Maclage trs difficile
Rupture par clivage Dformation par cisaillement
Propagation de fissure Dformation plastique uniforme
Temprature basse Temprature leve
Vitesse de sollicitation leve Vitesse de sollicitation faible
Grande dformation Petite dformation
Tableau I-3 : Principaux facteurs influenant le taux dmission acoustique dun matriau [28].
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
34/169
II-8-2] Acquisition des signaux
La transformation des ondes mcaniques, la surface dun matriau, en signaux
dmission acoustique, est gnralement ralise par lutilisation de capteurs de nature
pizolectrique. Ces derniers sont placs en surface du matriau tudi, le couplage tant
assur le plus souvent par lutilisation dun gel silicone. Le couplage amliore la
transmission des ondes entre la surface tudie et le capteur. Le signal dtect est ensuite
amplifi, chantillonn puis stock pour un traitement futur.
Deux grandes familles de capteurs sont utilises en mission acoustique. Les premiers
possdent une bande passante rgulire, dans une zone tendue de frquences allant
jusquau MHz, sont appels : large bande . Ils prsentent lavantage de peu modifier la
forme relle du signale, mais possdent, comparativement au second, une plus faible
sensibilit. Les seconds, dits rsonnant , ont une bande passante moins large et un pic de
rponse aux alentours dune frquence dfinie. Cette caractristique entrane
inexorablement une modification de lallure des signaux, ainsi que de leur contenu
frquentiel. Cependant, ils sont beaucoup plus sensibles et permettent une dtection des
signaux de plus faible frquence.
Le choix du capteur est donc trs important, pour ladapter linformation souhaite.
Pour un signal obtenu dans une salve dmission discrte, plusieurs informations
peuvent tre extraites.
Tout dabord, nous nous plaons dans lhypothse o chaque salve correspond un
vnement physique (obtenu dans le matriau considr) et o la forme de la salve est
directement lie aux caractristiques de cet vnement.
Il est important de relever tous les paramtres pouvant caractriser un type de signal
dans le but didentifier les diffrents mcanismes mis en jeu. Dans la figure I-22, sont
annots les principaux paramtres exploitables. La plupart de ces paramtres sont dfinis
par rapport un seuil dacquisition. Plusieurs mthodes existent pour fixer ce seuil. La plus
couramment employe tant le rglage un niveau lgrement suprieur la valeur du
bruit de fond.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
35/169
Figure I-22 : Principaux paramtres mesurs sur une salve acoustique.
Les paramtres classiquement enregistrs en temps rel sont les suivants :
Le temps : temps darrive en jour/heure/minute/seconde, par rapport au dbut
de lessai,
Le nombre de coups ou le nombre dalternance : nombre de franchissement du
seuil par le signal,
La dure : temps qui spare le premier et le dernier dpassement du seuil par le
signal (unit s),
Le temps de monte : temps qui spare le premier dpassement de seuil et le
coup damplitude maximale (unit s),
Lamplitude : amplitude maximale enregistre pendant la salve (unit dB),
Lnergie : nergie totale dlivre par le capteur (unit dnergie : ue)
( )=D
tEAdtVE
0
2 (I.33)
O V(t) est la valeur instantane de lamplitude de la salve et D sa dure,
La frquence moyenne : rapport entre le nombre de coups et la dure (unit
kHz),
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
36/169
Average Signal Level (ASL) : tension efficace calcule et compresse de
manire logarithmique. LASL bnficie dune grande dynamique, et est
reprsentative du bruit de fond (prcision 1 dB),
Rooth Mean Square (RMS) : tension efficace linaire. Cette valeur mesure
galement le bruit de fond et prsente une grande prcision (200 V), mais une
dynamique restreinte.
II-8-3] Dtection de lamorage de la fissure
Pendant la phase de propagation de fissure, Smith [29] a montr que les ruptures et/ou
les dcohsions des inclusions, taient la source principale dmission acoustique. En effet,
les inclusions sont gnralement trs fragiles et donc rompent assez facilement. Ceci est
rvl par lexamen de la surface fissure au Microscope Electronique Balayage
(M.E.B.). Smith [29] y montre lexistence dun nombre dinclusions rompues le long de la
surface. Il remarque que le nombre dvnements acoustiques enregistrs est plus grand
que le nombre dinclusions rompues.
Ce phnomne peut tre expliqu de deux manires :
Une inclusion peut se rompre en plusieurs fois et produire donc plus dun
vnement acoustique,
Une observation surfacique est insuffisante pour compter le nombre
dinclusions rompues, de part et dautre de la fissure.
Lors dune propagation de fissure obtenue, par coalescence de microfissures, nous
remarquons le niveau assez faible dnergie. Il est donc assez difficile de corrler mission
acoustique et vitesse de propagation de fissure.
Lamorage de la fissure, par contre, est beaucoup plus facile dtecter lors dessais de
rupture statique, figure I-23 correspondant un essai de flexion 3 points sur une prouvette
Tuile Romaine (le principe de lessai est explicit au paragraphe II-3-2 du chapitre II). Cet
amorage est caractris par un pic dnergie se dgageant trs nettement lors de
lenregistrement.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
37/169
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Temps (s)
Ch
arg
e (k
N)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
En
erg
ie (
ue)
Figure I-23 : Dtection de lamorage dune fissure.
III] INFLUENCE DE LHYDROGENE SUR LE CONTROLE DE LA NOCIVITE
DES DEFAUTS
III-1] Lhydrogne
L'hydrogne est l'atome le plus simple de lunivers, et galement le plus abondant,
(75 % en masse et 95 % en nombre d'atomes). On le trouve en grande quantit dans les
toiles et les plantes gazeuses, mais reste trs rare dans l'atmosphre terrestre : environ
1 ppm en volume. Son noyau ne contient qu'une seule particule : un proton. Autour de ce
noyau, un seul lectron tourne.
La communaut scientifique sattache dire que c'est le premier lment form sur
terre. L'hydrogne aurait ainsi donn naissance tous les autres lments qui composent la
matire. La molcule d'hydrogne est compose de 2 atomes d'hydrogne. On l'appelle
parfois le di-hydrogne (H2). C'est le gaz le plus lger puisque 1 litre pse moins de 90
milligrammes.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
38/169
Il possde 3 isotopes, le Protium ( H1
1 , environ 99,98%, isotope stable), le Deuterium
( H2
1 , 0,015%, isotope stable) et le Tritium ( H3
1 ,un atome de Tritium pour 1018 atomes de
Protium, isotope radioactif).
III-1-1] Les proprits physiques
L'hydrogne ne se trouve dans l'atmosphre qu' l'tat de traces, il est donc gnr
partir des hydrocarbures (ptrole et ses drivs), et partir de l'eau, puisqu'il reprsente la
fraction la plus lgre de la molcule H2O.
L'hydrogne est un gaz incolore, inodore et sans saveur, extrmement inflammable, trs
lger, qui n'entretient pas la vie et ragit facilement en prsence d'autres substances
chimiques. Cest le plus petit des atomes. Son faible rayon atomique fait quil est du mme
ordre de grandeur que la taille des sites interstitiels dans un rseau mtallique. Il peut donc
se trouver facilement en solution dinsertion dans les mtaux usuels.
Quelques donnes caractristiques :
Poids molculaire 2,016 g/mol
Solubilit dans l'eau (1,013 bar et 0C) 0,0214 vol/vol
Concentration dans l'air 0,00005 % vol
Temprature d'auto inflammation 560 C
Masse volumique de la phase liquide (1,013 bar au point d'bullition) 70,973 kg/m3
Masse volumique du gaz (1,013 bar au point d'bullition) : 1,312 kg/m3
Masse volumique de la phase gazeuse (1,013 bar et 15C) 0,085 kg/m3
Point de fusion -259C
Point d'bullition (1,013 bar) -252,8C
Chaleur latente de vaporisation (1,013 bar au point d'bullition) 454,3 kJ/kg
Chaleur latente de fusion (1,013 bar, au point triple) 58,158 kJ/kg
Viscosit (1,013 bar et 15C) 0,0000865 Poise
Conductivit thermique (1,013 bar et 0C) 168,35 mW/(m.K)
Facteur de compressibilit (en phase gazeuse 1,013 bar et 15C) 1,001
Tableau I-4 : Donnes caractristiques sur lhydrogne [2].
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
39/169
III-1-2] Les diffrents modes dobtention
L'hydrogne est un gaz tellement lger qu'il ne peut pas tre retenu dans notre
atmosphre. Encore plus lger que l'hlium qui gonfle les ballons. Impossible donc de
trouver de l'hydrogne gazeux sur terre.
Et pourtant, latome d'hydrogne est le plus abondant dans lunivers. On le retrouve
partout, mais jamais tout seul. Il est toujours associ d'autres atomes.
Tout d'abord dans l'eau. La molcule d'eau est compose d'un atome d'oxygne et de
deux atomes d'hydrogne. Et de l'eau, on en trouve beaucoup : elle recouvre 70% de notre
terre et constitue plus de 60% de notre corps!
Ensuite dans les hydrocarbures, qui comme leur nom l'indique, sont forms de carbone
et d'hydrogne.
Llectrolyse de leau
La raction chimique, qui se produit lors de llectrolyse de leau, est la raction inverse
celle obtenue dans une pile. Il faut de l'eau trs pure (dionise) pour viter que les
impurets perturbent le fonctionnement de l'lectrolyse. Typiquement, la cellule
dlectrolyse est constitue de deux lectrodes (cathode et anode), d'un lectrolyte et un
gnrateur de courant. Llectrolyte peut tre une membrane polymre changeuse de
protons ou une membrane cramique conductrice dions oxygne.
Dans le cas d'une membrane changeuse de protons, nous avons les ractions suivantes:
A l'anode, l'eau se dissocie en oxygne et en protons. Les lectrons partent dans
le circuit.
H2O 2H+ + O2 + 2e
- (I-34)
A la cathode, les protons, passs travers la membrane, se recombinent avec les
lectrons pour donner l'hydrogne.
2H+ + 2e- H2 (I-35)
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
40/169
Sous lapport du courant, l'eau est dissocie en hydrogne et oxygne. Il est ncessaire
d'apporter de l'nergie lectrique, puisque l'enthalpie de dissociation de leau est de
285kJ/mol. Cela correspond un potentiel thorique de 1,481 V 25C, mais en pratique
nous sommes plutt entre 1,7 2,3 V.
Actuellement, des lectrolyseurs d'une puissance de 1 100 kW sont dvelopps. Le
principal inconvnient de cette mthode est sa dpendance lutilisation de lnergie
lectrique (dont la production est polluante). Il faudrait donc lui coupler de llectricit
provenant de source non polluante : solaire, olienne, ou hydrolectrique. Le cot de la
production par lectrolyse est lev, de lordre de 3 euros par kilogramme (avec un prix
moyen du kilowatt heure de 6 centimes deuros en France).
Le craquage de leau
Le nuclaire pourrait aussi permettre la production d'hydrogne. Depuis 5 ans, des
racteurs dits de 4me gnration sont l'tude. Plus srs, ils devront aussi permettre de
consommer moins de combustible nuclaire, produire moins de dchets mais galement
produire autre chose que de l'lectricit : de l'hydrogne ou de l'eau de mer dsale. On
parle de rendements de l'ordre de 50 %.
Peu de pays (10 en tout) travaillent actuellement sur cette technologie, nous citons la
France, les USA, le Japon, l'Argentine, le Brsil, Canada, Core du Sud, Afrique du Sud,
Suisse, Royaume-Uni. Il existe en tout 6 technologies : le racteur neutrons rapides
(R.N.R.) refroidi soit par du sodium liquide, soit par un alliage de plomb liquide, ou encore
par du gaz, le racteur refroidi avec de l'eau supercritique, le racteur gaz trs haute
temprature, et enfin le racteur sels fondus.
Le CEA a retenu en particulier le racteur gaz haute temprature, soit 1100C. Ce
haut niveau de temprature permet de dcomposer l'eau en hydrogne et en oxygne par
une raction catalyse. Le Japon et les USA s'intressent au systme refroidi au sodium.
Nanmoins, cette technologie ne serait commercialement disponible que vers 2030-2040.
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
41/169
Le reformage la vapeur
Le gaz naturel et le charbon, brls haute temprature, permettent dobtenir de
lhydrogne. Cette opration, appele reformage la vapeur, est toutefois polluante
puisquelle dgage du dioxyde de carbone, qui entre en compte dans leffet de serre.
Avec le gaz naturel, le cot de production revient en moyenne plus de 1 euro par
kilogramme dhydrogne, mais il augmente drastiquement lorsque lon prend en compte
les cots de stockage du dioxyde de carbone (par pigeage au fond des ocans ou dans les
cavits souterraine ayant servi lextraction du ptrole ou du gaz).
La biomasse
La biomasse (bois, cellulose, dchets, etc.) est quasiment illimite et renouvelable.
Plusieurs mthodes existent actuellement :
transformation en alcool (thanol, mthanol) ou mthane suivi de reformage,
pyrolyse et gazification de la biomasse suivies de reformage.
La fermentation de la biomasse permet de produire une solution alcoolise, dont on
pourra ensuite obtenir aprs distillation du mthanol ou de l'thanol. Un autre type de
fermentation (anarobie) permet d'obtenir du biogaz contenant essentiellement du mthane
et du CO2. Ceux ci peuvent tre ensuite reforms suivant les procds vus prcdemment.
Dans le cas de la gazification de la biomasse, on sche la biomasse, puis on la
thermolyse 600C. On la fait ragir vers 1000C avec de l'air ou de l'eau (reformage), et
on limine enfin les impurets. De l, on obtient un gaz riche en H2 et CO, que l'on peut
utiliser directement pour produire de l'lectricit, purifier pour en extraire H2, ou
transformer en mthanol. C'est un procd dont la mise au point pourrait mettre encore 5
8 ans.
Son cot de production est suprieur 2 euros par kilogramme.
Les produits organiques
La biophotolyse permet des organismes vivants (algues et bactries) de casser les
molcules deau en produisant de lhydrogne. Actuellement, les rendements ne sont pas
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
42/169
suffisamment levs. Toutefois, en modifiant le matriel gntique de certaines bactries, il
serait possible doptimiser leur rendement. Une autre voie vise intgrer ces capteurs
vivants sur des puces lectroniques, symbole dune convergence entre nanotechnologie et
biotechnologie.
III-1-3] Domaines dutilisation
Les toiles, ainsi que le soleil sont essentiellement composes d'hydrogne. Par une
raction de fusion entre deux atomes d'hydrogne, le soleil produit une trs grande quantit
d'nergie et se transforme en hlium. C'est cette nergie qui chauffe la terre.
De plus, lutilisation de lhydrogne nest pas si rcente que cela. Puisquil sert faire
dcoller des fuses depuis 1968, et quil tait dj employ dans les V1 allemand pendant
la Seconde Guerre Mondiale.
Le lanceur ARIANE emporte avec lui 150 tonnes d'hydrogne et d'oxygne liquide
pour faire fonctionner le moteur Vulcain 2. Leur rencontre produit une trs grande quantit
d'nergie qui propulse la fuse.
Lhydrogne est essentiellement utilis, de nos jours, dans les industries
chimiques pour la fabrication :
dengrais agricoles
(synthse de lammoniac : 3 H2 + N2 2NH3 (I-36)),
de rsines, de caoutchouc ou dautres produits pour la synthse chimique
(synthse du mthanol : H2 + CO CH3OH (I-37)),
du sucre basse calorie (Aspartam).
Dans 95% des cas [30], lhydrogne est fabriqu sur place et non transport du site de
production vers le site dutilisation.
Lutilisation plus grande chelle de cette nergie, contraint les fabricants avoir
recourt la distribution de lhydrogne par gazoducs, puisquil est dj utilis dans les
piles combustible, figure I-25, destines aux batteries de tlphones portables, aux
-
CHAPITRE I Etude bibliographique
43/169
batteries des voitures, figure I-24, et bus dis cologique, figures I-26