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


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,


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.


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.


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].


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].


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.


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


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.


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%


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.


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.


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


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


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)


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.


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.


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.


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


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


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].


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)


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)


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)


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 , ).


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,


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


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)


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 :


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.


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


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].


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.


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),


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.


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.


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].


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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)


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.


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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


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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


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batteries des voitures, figure I-24, et bus dis cologique, figures I-26

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Étude de la nocivité d'un défaut de type éraflure sur une conduite