Comportement d’une structure contenant des fissures

Comportement d’une structure contenant des fissures

Hypothèse de recherche

Les différents types des pipelines sous pression sont représentés par des variations au niveau des paramètres mécaniques, les propriétés chimiques et les caractéristiques morphologiques de la pièce. En effet, 1 ‘ensemble des hypothèses suivantes illustre la recherche:
• La performance, le rendement et la rentabilité des pipelines augmentent lorsque ces derniers ont une longue durée de vie et le matériau de fabrication est résistant et de bonne qualité.
• La transmission de fluide à haute pression à l’intérieur des pipelines rend le transport plus rapide, par contre, ça peut entrainer des allongements plus importants.
• La ductilité et la ténacité se différencient suivant le type de matériau ainsi la géométrie du pipeline utilisé.
• L’utilisation d’un pipeline à base de métal avec une couche d’un additif chimique qui résiste au choc donne un pipeline qui a un allongement à la rupture important.
• Les entreprises qui sont liées directement ou indirectement à l’infrastructure énergétique cherchent toujours les tuyaux cylindriques les plus fiables.

 Retombées

 Retombées socio-économiques

Pour les diverses applications auxquelles les pipelines sont destinés (Secteur de la pétrochimique, la distribution de l’eau, la construction et l’automobile … etc.) cela représente un gain d’argent et une augmentation de la durabilité. L’industrie de la métallurgie essaye toujours de rendre les pipelines plus performants en ajoutant des complémentaires métallique ou chimique afin d’améliorer certaines propriétés mécaniques afin de réduire les couts de maintenance.

 Retombées environnementales

La transmission du fluide dans une nouvelle génération des pipelines qui respectent la nature représente aujourd’hui 1 ‘une des clés de la problématique de sauvegarde de notre environnement :
• L’environnement atmosphérique : La qualité de l’air ne va pas s’affecter par la poussière pendant la construction comme pour le cas des pipelines traditionnels. Il n’y aura plus des contaminants atmosphériques émis par la combustion des combustibles fossiles utilisés pour les équipements de construction.
• Environnement acoustique : Le bruit qui est lié aux activités de construction est un problème du passé. Les installations maintenant sont basées sur l’utilisation des outils et des équipements très évolués.
• Végétation : La végétation (y compris les forêts et les communautés végétales rares) ne va plus s’affecter par les perturbations de surface, les changements dans les débits du fluide et l’arrivée d’espèces exotiques. Les nouveaux tuyaux cylindriques participent aussi à la protection, sensibilisation et conservation des espaces verts.

GÉNÉRALITÉS ET ÉTAT DE L’ART

Le pré-éclatement et l’éclatement des pipelines sont le résultat d’un processus physique ou de plusieurs processus qui s’assemblent. Ces processus s’effectuent sous 1 ‘action des effets externes comme la pression, la température, les efforts mécaniques externes, les réactions chimiques par les fluides ou par l’environnement. La continuation de ces effets externes dans le temps affaiblit la résistance mécanique ce qui conduisent à la rupture des pipelines selon un nombre restreint des modes mécaniques.Le pincipe du calcul de la résistance mécanique des pipelines est basé sur la détermination et l’analyse de la courbe de contrainte-déformation. Les critères de calcul comme ceux de von Mises et Tresca aident à fixer les valeurs limites des sollicitations. Ces valeurs sont définies par les normes provinciales, fédérales et internationales afin de bien encadrer le réseau pétrochimique industriel pour rendre ces pipelines plus fiables.Généralement, il ne suffit pas de connaître l’état des contraintes limites, mais il faut savoir aussi comment se produit 1’ éclatement. L’étude des mécanismes de fracture des pipelines sous pression aura pour but de mettre en place de meilleurs critères de rupture.

Les nonnes et les réglementations

Dans le paragraphe 1.1, les diverses réglementations de conception et d’installation des pipelines ont été détaillées. Mais cette partie va préciser les exigences des diverses réglementations sur tout ce qui est lié aux sollicitations, l’identification des processus physiques d’endommagement et de rupture, l’importance des calculs et la nécessité de respecter les facteurs de sécurités entre les termes de sollicitation et les termes de résistance.Les règles garantissent que les chocs restent limités, par contre elles n’assurent pas une protection et une résistance contre la vieillesse.La combinaison des données de calcul avec le respect de tout ce qui est réglementaire, sert à mieux crédibiliser le modèle analysé ainsi de rendre le pipeline plus fiable en assurant une sureté suffisante contre les déformations excessives, les déformations plastiques et envers le flambage des corps de ces pipelines.

 Conception et type de matériau 

La conception d’un pipeline nécessite un travail très précis afin d’assurer la sécurité des citoyens et la protection de l’ environnement. Aux termes de la réglementation de l’Office national de l’énergie, la construction d’un pipeline consiste en un certain nombre d’activités qui contribuent toutes à l’intégrité à long terme de ces tuyaux et à réduire au minimum les effets sur l’environnement et sur les personnes qui résident à proximité de 1′ installation.
• Les pipelines canadiens qui transportent le fluide sont faits d’acier et leur diamètre intérieur varie normalement de 10 mm à 1 200 mm (De 4 à 48 pouces).
• L’acier utilisé est un acier purement nord-américain de la première qualité et fabriqué conformément aux exigences strictes de l’association canadienne de normalisation, afin d’avoir un pourcentage d’erreur= O.
Au niveau de l’installation, les réglementations permettent d’avoir un circuit parfait capable d’éviter la corrosion généralisée et la fissuration au meilleur coût. Le processus normalisé est le suivant :
• Validation géométrique du pipeline par l’équipe de métrologie
• Protection de la terre végétale pour la remise en état future.
• Creusement à la profondeur souhaitée et mise à côté le sol excavé.
• Plier les joints de conduite à l’aide d’une cintreuse hydraulique s’il y a des changements de direction.
• Inspecter et valider chaque accolement à l’aide des rayons X et des ultrasons après les opérations de soudage (Manuelle ou automatisée).
• Application des revêtements pour prévenir la corrosion ou la rouille.
• Installation des vannes et d’autres raccords à des emplacements intermédiaires conformément au code visant les pipelines de l’association canadienne de normalisation.
• Mise en essai des pipelines avec de l’eau afin de vérifier l’intégrité de l’ensemble des conduites, soudures, raccords et vannes. Un essai concluant est nécessaire pour obtenir un certificat pour l’exploitation du pipeline.

Résistance des matériaux
Comportement d’une structure contenant des fissures

Une fois les états limites sont atteints, le système commence à admettre des fissures sur la surface perpendiculaire aux charges appliquées. Ces défauts sont considérés comme le facteur principal qui influe sur la durée de vie des pipelines. Un des objets de la mécanique de la rupture est de calculer la durée de vie des pièces en fonction du nombre de cycles de contraintes endurés. taille j du de faucontrain\8 en service la plus élelo’ée La fissure engendre une concentration de contrainte à l’emplacement du défaut, ce qui entraîne une baisse au niveau de la résistance de la pièce. Dans ce cas, la pièce voit sa durée de vie limitée :Un passage du pré-éclatement à l’éclatement.

Les déformations excessives

La déformation excess1ve se considère parmi les problèmes les plus connus qmcausent l’éclatement. Dans ce cas, la maintenance préventive devient primordiale afinde déterminer les raisons de ruptures et la solution protectrice.Il y a deux critères mécaniques qui aident à identifier ces déformations :
• La capacité fonctionnelle : Les déformations irréversibles (Plastique) causées nedépassent pas l’ordre de grandeur des déformations réversibles (Élastique).
• La sureté : La capacité à garantir un transfert fluidique ultra sécuritaire.
Pour limiter les défauts, les normes qui existent aujourd’hui oblige d’augmenter les
épaisseurs le tuyau afin de se défendre envers tout type de choc.

Analyse élastique plastique

Lors d’une transmission de fluide à l’intérieur des pipelines, la distribution descontraintes normales dans une section n’a pas un grand effet tant que la pressionappliquée n’a pas atteint les valeurs limites. Cette pression agit exactement commeune force sur une poutre et la distribution de cette charge s’impacte surtout le long dupipeline. Elle est définie aussi comme l’intensité de la force qu’exerce le fluide quicircule par unité de surface. Il n’y aura pas un dépassement de la zone élastiquepuisque le seuil des contraintes va être la contrainte limite d’élasticité <Jys :

……….

Table des matières

REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
NOTATIONS ET SYMBOLES
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE 1: CONTEXTE DU PROJET
1.1 Introduction
1.2 Problématique
1.3 Originalité de la recherche
1.4 Objectifs
1.5 Hypothèse de recherche
1.6 Retombées
1.6.1 Retombées socio-économiques
1.6.2 Retombées environnementales
CHAPITRE 2: GÉNÉRALITÉS ET ÉTAT DE L’ART
2.1 Introduction
2.2 Les normes et les réglementations
2.3 Conception et type de matériau
2.4 Résistance des matériaux
2.4.1 Comportement d’une structure contenant des fissures
2.4.2 Les déformations excessives
2.4.3 Analyse élastique plastique
2.5 L’éclatement et le pré-éclatement
2.5.1 Aspect général
2.5.2 Les modes d’éclatement
2.6 Comportement thermomécanique
2.6.1 Effet de la température sur le comportement des ESP
2.6.2 Éclatement des ESP
2.7 Approches analytiques
2.7.1 Étude de la variation de la pression
2. 7.1.1 Pipeline à paroi épaisse sous pression
2. 7.1.2 Pipeline à paroi épaisse soumis à une pression interne, Po~ 0
2. 7.1.3 Pipeline à paroi épaisse soumis à une pression externe, Pi~ 0
2. 7.1.4 Pipeline à paroi mince soumis à une pression externe, Po~ 0
2.7.2 Aspect général des pipelines
2.7.3 Les hautes pressions
2.7.4 Procédure de test
2.7.5 Analyse des données
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 : THÉORIE ET CONCEPTION DES PIPELINES SOUS PRESSIONS
3.1 Introduction
3.2 Les approches de calcul des contraintes
3.2.1 Critère de Tresca
3.2.2 Critère de von Mises
3.3 Les pipelines à paroi épaisse
3.3.1 Détermination des contraintes principales
3.3.2 Représentation graphique
3.3.3 Détermination de l’épaisseur
3.3.3.1 Équation de Lamé
3.3.3.2 Équation de Birnie (Pipeline ouvert)
3.3.3.3 Équation de Calvarino (Pipeline fermé)
3.3.3.4 Équation de Barlow
3.3.4 Évolution des contraintes
3.4 Les pipelines à parois minces
3.5 Performance contre les hautes pressions
3.5.1 Pipeline composé
3.5.1.1 Pipeline intérieur
3.5.1.2 Pipeline extérieur
3.5.1.3 Pipeline global (Intérieur+ extérieur)
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4: MODÉLISATION ET SIMULATION NUMÉRIQUE
4.1 Introduction
4.2 Le principe
4.3 La manipulation
4.3.1 Cadre scientifique
4.3.2 Démarche suivie
4.3.3 Méthode
4.4 Modélisation des milieux continus
4.4.1 Méthode des éléments finis
4.4.2 Simulation numérique couplée avec un script Python
4.5 Applications aux pré-éclatements et aux éclatements
4.6 Investigation d’un nouveau modèle d’éclatement: Modèle« AS»
4. 7 Critères limites multiaxiaux
4.8 Couplage thermomécanique
4.9 Relation entre le module de Young et la Température
4.10 Conclusion
CHAPITRE 5: RÉSULTATS ET DISCUSSIONS: PIPELINES
5.1 Introduction
5.2 Simulation thermomécanique
5.3 Simulation de l’écoulement de fluide
5.4 Simulation d’un modèle normalisé
5.4.1 Introduction
5.4.2 Plan d’expérience
5.4.3 Analyse des pressions d’éclatement
5.4.4 Le modèle «AS »
5.4.5 Analyse préliminaire
5 .4. 5.1 Choix de maillage
5.4.5.2 Détermination des contraintes
5.4.6 Validation expérimental-numérique
5.4.7 Prédiction des états limites
5.4.7.1 Critère N°l: Déformation plastique équivalente (PEEQ)
5.4.7.2 Critère N°2: Amincissement excessif de l’épaisseur
5.4.7.3 Critère N°3 :Gonflement excessif
5.4.7.4 Critère N°4: Comparaison entre les critères limites de résistance
5.4.8 Contrainte-Déformation (True vs Engineering)
5.5 Simulation d’un modèle complet
5.6 Flexion 3 points
5. 7 Conclusion
CHAPITRE 6 : APPLICATION INDUSTRIELLE : POMPE CENTRIFUGE
6.1 Introduction
6. 2 Code et standard
6.3 Analyse préliminaire
6.3.1 Les stages de transmission« Volute»
6.3.2 La rondelle
6.3.3 Vis-écrou
6.4 V ali dation du modèle éléments finis
6.4.1 Conditions aux limites
6.4.2 État de maillage
6.4.2.1 Vérification de la stabilité et validation expérimentale
6.4.2.2 Analyse numérique
6.4.3 Emplacement des jauges et étude numérique
6.5 Essai expérimental complet
6.6 Prédiction des pressions de pré-éclatement selon une méthode multicritère
6.6.1 Critère N° 1 : von Mises
6.6.2 Critère N°2 : Déformation équivalente plastique (PEEQ)
6.6.3 Critère N°3 :Amincissement excessif de l’épaisseur
6.6.4 Critère N°4 : Gonflement excessif
6.7 Conclusion
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
ANNEXES
REFERENCES

Télécharger le rapport complet