Analyse expérimentale et simulation thermomécanique du soudage bout à bout de tubes de polyéthylène

Le réseau de distribution du gaz naturel en France s’agrandit régulièrement. Actuellement, quelques 8900 communes sont desservies par un réseau dont la taille atteint environ 170000 km. Les premiers réseaux de gaz naturel étaient essentiellement constitués de tubes en acier et en fonte. Mais depuis l’introduction du polyéthylène pour la fabrication des canalisations de gaz en Europe à la fin des années 60 et l’utilisation de celui-ci par Gaz de France depuis le milieu des années 70, sa proportion ne cesse de s’accroître pour atteindre près de 120000 km fin 2005, soit plus de 70% du réseau de distribution français. Ce réseau en PE est opéré jusqu’à 4 bar en grande majorité, sauf pour quelques antennes d’amenée, pour lesquelles la pression est de 8 bar. Dans ce dernier cas, des PE dit de « quatrième génération » sont utilisés du fait de leurs caractéristiques mécaniques supérieures.

Le choix du polyéthylène (PE) (en fait des copolymères d’éthylène à faible proportion de butène ou d’hexène voire d’octène) pour la fabrication des tubes de distribution du gaz découle des nombreux avantages technico-économiques procurés par ce matériau. Le PE est un matériau léger, ce qui facilite les opérations de manutention et de mise en œuvre sur le terrain. Il possède une bonne résistance à la corrosion, quelles que soient les conditions au sol, ce qui permet d’éviter les surcoûts dus à l’application d’une protection passive ou active. De plus, les systèmes en PE supportent les effets des mouvements du sol dus aux instabilités et aux grandes variations de température. Du fait de leur bonne résistance à la fissuration, les canalisations en PE présentent un degré de fiabilité élevé dans des conditions d’utilisations normales. Dans ces conditions leur durée de vie est estimée à plus de 50 ans sur la base de courbes de régression construites à partir d’essais accélérés en pression hydraulique.

Les tubes de PE possèdent également l’avantage majeur de pouvoir être assemblés par des techniques de fusion efficaces et faciles à mettre en œuvre. Ces techniques sont principalement l’électrosoudage et le soudage bout à bout dit « soudage au miroir ». Actuellement, près de 600000 assemblages sont réalisés sur les canalisations de gaz chaque année en France. La technique la plus utilisée est l’électrosoudage [1-3] qui est une technique fiable et très bien connue. Elle consiste pour l’essentiel à joindre des tubes à l’aide d’un manchon ou d’une prise de dérivation électrosoudables comportant une nappe chauffante constituée d’un enroulement métallique apportant par effet Joule l’énergie nécessaire pour générer la fusion et l’interdiffusion des macromolécules des PE en présence [4-7]. Cette technique possède l’inconvénient majeur d’être coûteuse pour les grands diamètres pour lesquels le prix des pièces de connexion peut être élevé.

Le procédé de soudage bout à bout 

Description générale 

Le soudage bout à bout est une technique d’assemblage des thermoplastiques par la fusion des extrémités de deux éléments tubulaires au moyen d’une plaque chauffante, appelée miroir. Ce procédé consiste à faire fondre la matière au niveau de la surface à souder (figure 1.1), à mettre en contact les parties fondues pour en assurer le mélange intime et à laisser refroidir l’assemblage ainsi constitué. A l’état fondu, les chaînes de polyéthylène des deux tubes mis en contact s’interpénètrent et, en se solidifiant, se figent dans cet état, procurant ainsi à la soudure une certaine solidité.

Les soudures sont caractérisées par l’apparition d’un bourrelet, ou cordon de soudure, au niveau du plan de soudage qui résulte de l’éjection latérale de la matière fondue formée à l’extrémité des tubes (figure 1.2). Sa forme est utilisée généralement pour donner une première indication visuelle de la qualité de la soudure.

Analyse du procédé de soudage 

Pour bien comprendre les mécanismes de formation des soudures, il est nécessaire d’analyser en détail le procédé de soudage. Ainsi, l’étude du bourrelet, qui est la principale manifestation visuelle de la soudure, est indispensable pour en savoir davantage sur les déplacements de matière au cours des différentes étapes du soudage. La compréhension du procédé passe également par la mesure des différents observables tels que la température dans le tube, la pression appliquée ou le déplacement d’un tube par rapport à l’autre.

Les conditions de soudage telles que la température du miroir ou la pression appliquée sur les tubes peuvent influer sur la soudure obtenue. Il est donc essentiel de les faire varier dans le but de savoir quelles sont leurs incidences sur le résultat final. L’étude des soudures elles-mêmes est importante dans le but de savoir comment les microstructures sont modifiées par le procédé de soudage. Ainsi, en s’appuyant sur des tests de résistance des soudures à différentes sollicitations, il sera possible, à plus long terme, d’avoir un aperçu de la cause des faiblesses des soudures.

Le matériau utilisé 

La matière utilisée pour la fabrication des tubes est un polyéthylène dit « haute densité ». Il s’agit de l’Eltex® TU B121 élaboré par BP Solvay Polyéthylène. Nous disposons de la matière sous forme de tubes de 160 mm de diamètre extérieur, d’environ 14,6 mm d’épaisseur et de 2 m de longueur, mais aussi sous forme de granulés afin de pouvoir réaliser des essais nécessitant de petits échantillons. L’Eltex® TU B121 est élaboré selon le procédé bimodal qui consiste à fabriquer les macromolécules en deux étapes, à savoir d’abord les faibles masses sans comonomère puis les fortes masses sur lesquelles viendront s’incorporer les branches courtes à deux carbones pendants provenant du comonomère. C’est un copolymère d’éthylène et de butène possédant des propriétés améliorées à la fissuration [1, 2]. Des essais de résonance magnétique nucléaire du carbone 13 (RMN-13C) réalisés au Centre de Recherche des Macromolécules de Strasbourg ont permis de déterminer la proportion du comotif de butène : entre 4.05 et 4,62 branchements pour 1000 carbones [3].

Les conditions de soudage 

Le soudage bout à bout est une technique efficace dans la mesure où les conditions dans lesquelles on réalise la soudure sont adaptées. En effet, il s’agit d’un procédé sensible à différents paramètres dont les variations peuvent entraîner des différences en terme de qualité. Les paramètres contrôlables et modifiables par le soudeur sont :
– la température du miroir chauffant
– la pression appliquée sur les tubes au cours de chaque étape
– la durée des différentes étapes de soudage (préparation, chauffage, refroidissement) .

Les pressions appliquées lors des phases d’égalisation et de chauffage doivent être assez importantes pour assurer un bon contact entre le miroir et les tubes. La durée de la phase de chauffage doit être assez importante pour que la couche de polymère fondu permette le soudage, mais elle ne doit pas être trop longue pour ne pas perdre de temps inutilement. De plus, durant le chauffage la matière ne doit pas être éjectée latéralement, il est donc nécessaire de trouver une pression et une durée de chauffage qui satisfassent le mieux possible toutes ces conditions.

La pression appliquée lors de la phase de soudage doit permettre la diffusion des couches fondues des deux tubes afin de favoriser l’enchevêtrement des chaînes de polyéthylène. De plus, cette phase doit être assez longue pour éviter le décollement de la soudure après relâche de la pression, c’est-à-dire que la matière doit avoir le temps de se solidifier suffisamment .

Ainsi, pour un tube de 160 mm de diamètre avec un rapport diamètre sur épaisseur égal à 11 :
– la température du miroir est de 220°C,
– les pressions d’égalisation et de soudage sont identiques et égales à 0,18 MPa,
– la pression de chauffage doit rester inférieure à 0,01 MPa,
– la durée de l’égalisation est d’environ 22s,
– la durée de la phase de chauffage est de 175s,
– la durée de la phase de soudage est de 17,5 min.

Ces valeurs seront utilisées comme valeurs de base pour la plupart des essais et sont appelées « paramètres standards » ou « paramètres moyens ». Afin d’étudier les effets des paramètres de soudage sur la soudure obtenue, il a été décidé de faire varier la température du miroir et la pression de soudage. Dans tout les cas on ne fait varier qu’un seul paramètre à la fois : soit la température du miroir, soit la pression imposée lors du soudage.

Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale
1.1 Contexte
1.2 Le procédé de soudage bout à bout
1.2.1 Description générale
1.2.2 Les étapes principales du soudage bout à bout
1.3 Objectifs de l’étude
Bibliographie
Chapitre 2 Analyse du procédé de soudage
2.1 Introduction
2.2 Le matériau utilisé
2.3 Les conditions de soudage
2.4 Le banc de soudage
2.4.1 Présentation
2.4.2 Protocole expérimental pour le soudage
2.5 Mesures réalisées au cours du procédé de soudage
2.5.1 Principe des mesures
2.5.1.1 Forme et évolution du bourrelet
2.5.1.2 Mesures de pression
2.5.1.3 Mesures de température
2.5.1.4 Mesures de déplacement
2.5.2 Résultats et discussion
2.5.2.1 Forme et évolution du bourrelet
2.5.2.2 Mesures de pression
2.5.2.3 Mesures de température
2.5.2.4 Mesures de déplacement
2.6 Caractérisation des soudures
2.6.1 Principe des essais
2.6.1.1 L’essai dit du « sèche-cheveux »
2.6.1.2 Les essais de DSC
2.6.2 Résultats et discussion
2.6.2.1 L’essai dit du « sèche-cheveux »
2.6.2.2 Les essais de DSC
2.6.3 Les mécanismes de chauffage du tube
2.6.3.1 Les transferts thermiques
2.6.3.2 Quelques ordres de grandeur
2.7 Essais de résistance mécanique des soudures
2.7.1 L’essai dit « à la virole »
2.7.2 L’essai de fissuration en fluage
2.7.3 L’essai en pression hydraulique
2.8 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 Caractérisation de la matière
3.1 Introduction
3.2 Cinétique de cristallisation
3.2.1 La cristallisation
3.2.2 Les modèles de cinétiques de cristallisation
3.2.2.1 La cristallisation isotherme
3.2.2.2 La cristallisation à vitesse de refroidissement constante
3.2.2.3 La loi de cristallisation utilisée pour la modélisation du soudage bout à bout
3.2.2.4 Validité de la loi de cristallisation
3.2.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de cristallisation
3.2.3.1 Mesures effectuées
3.2.3.2 Résultats et analyses
3.2.4 Conclusion
3.3 Cinétique de fusion
3.3.1 La fusion
3.3.2 Le modèle de cinétique de fusion
3.3.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de fusion
3.3.4 Conclusion
3.4 Rhéologie à l’état liquide
3.4.1 Principe du rhéomètre
3.4.2 Détermination de la loi de comportement à l’état liquide du polyéthylène utilisé
3.4.2.1 Principe des mesures
3.4.2.2 Loi de comportement
3.4.2.3 Influence de la température
3.5 Rhéologie à l’état solide
3.5.1 Principe des mesures
3.5.2 Détermination de la loi de comportement à l’état solide du polyéthylène utilisé
3.5.2.1 Loi de comportement
3.5.2.2 Influence de la température
3.6 La transition solide/liquide
3.6.1 Bibliographie
3.6.2 Principe des mesures
3.6.3 Analyse du comportement du matériau au cours de la transition solide/liquide
3.6.4 Conclusion
3.7 Etude de la dilatation thermique du polyéthylène
3.7.1 Les techniques de mesure
3.7.1.1 Bibliographie
3.7.1.2 Les techniques utilisées
3.7.2 Résultats et modélisation de la dilatation thermique
3.7.2.1 Mesures des évolutions de volume dans les états solide et liquide
3.7.2.2 Evolution du volume spécifique au cours de la transition solide/liquide
3.8 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 4 Modélisation et simulation numérique des phénomènes thermo-mécaniques du procédé de soudage bout à bout
4.1 Introduction
4.2 Bibliographie concernant la simulation du soudage bout à bout
4.3 Description du logiciel Forge2®
4.3.1 Les équations de la mécanique
4.3.1.1 Equation de continuité
4.3.1.2 Equation de la quantité de mouvement
4.3.1.3 Formulation faible du problème mécanique
4.3.1.4 La compressibilité
4.3.1.5 La loi de comportement
4.3.1.6 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis
4.3.1.7 L’élément P1+/P1
4.3.2 Les équations de la thermique
4.3.2.1 L’équation de la chaleur
4.3.2.2 Les conditions aux limites
4.3.2.3 La méthode Galerkin
4.3.2.4 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis
4.3.2.5 Le choc thermique
4.3.3 Calcul de thermique asynchrone
4.4 Géométrie et types de conditions aux limites utilisés pour la simulation
4.4.1 La géométrie
4.4.2 Le maillage
4.5 Modifications apportées à Forge2® pour simuler le soudage bout à bout
4.5.1 Evolution du taux de phase liquide
4.5.1.1 Méthode de résolution des lois de transformation de phase
4.5.1.2 Validation des lois de changement de phase
4.5.2 Rhéologie de la matière au cours de la transition liquide/solide
4.5.3 L’enthalpie de cristallisation
4.6 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 5 Conclusion générale

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