Soutenance mémoire
Il y a encore trois décennies, personne ne pouvait imaginer l’essor et l’importance que prendraient les matières plastiques dans la vie courante de l’humanité. A cette époque, seules quelques propriétés bien précises étaient connues et réservées à la fabrication de films, de fibres, de revêtements, ou encore de produits à bas prix. Aujourd’hui, les connaissances sur la nature et la structure des polymères et leurs propriétés permettent, en choisissant les produits de base, le type de liaisons et d’architecture moléculaire, de modifier à volonté et avec une extrême précision les propriétés du plastique à élaborer. Chaque décennie fait donc apparaître son lot de nouvelles matières qui génèrent des utilisations toujours inédites et toujours plus sophistiquées. Aujourd’hui, les différentes résines de polyéthylène de haute et moyenne densité sont généralement transformées en tubes et assemblages à grande échelle pour construire des réseaux de transport et de distribution d’eau et de gaz naturel. La rupture est un problème auquel l’homme aura à faire aussi longtemps qu’il fabriquera des structures. Actuellement, ce problème est critique surtout avec le développement technologique de structures complexes qui utilisent des matériaux hétérogènes et de différentes natures. Cette situation est aussi rendue difficile par les techniques d’assemblage ou de soudage qu’il faut inventer pour réduire les risques d’interaction. Les avancées dans la connaissance de la mécanique de la rupture permettent aujourd’hui de mieux prévenir le risque de rupture en ayant recours à des méthodes de calcul parfois conservatives mais optimisées.
Etude bibliographique sur la rupture des tubes en polyéthylène
Au cours des dernières décennies, les domaines d’utilisation des matériaux polymères se sont considérablement diversifiés. Bien que l’industrie de transformation des polymères ne mobilise que quelques pour cents de la production pétrolière et gazière, elle représente un immense tonnage au point d’être susceptible de polluer l’environnements [1]. Des statistiques récentes montrent que plus de 90% des systèmes de distribution de gaz nouvellement installés dans le monde entier sont exclusivement faits en polyéthylène en raison de son coût relativement faible, sa facilité d’installation et de sa durabilité à long terme vis-à-vis de la dégradation due aux effets de l’environnement, par rapport aux systèmes à base de cuivre et d’acier [2,3]. En 2003, parmi les 44 millions de tonnes de PE produites dans le monde entier, approximativement 40% étaient des HDPE. Plus de 90% de la production de PE est consommée par six principales applications, y compris 50% pour des films et des feuilles, approximativement 25% pour les produits moulés et juste 6% pour des pipes. Ces données illustrent le développement entrepris par le PE en tant que remplacement potentiel des métaux et des matériaux semblables pour des applications techniques spécifiques dans les pièces de rechange, les éléments de machine et les enduits comme indiqué dans la figure I.1. Les applications des pipes sont très diversifiées car il est possible de les employer pour la construction des réseaux pour transporter des fluides sous pression tels que l’eau potable et le gaz naturel ou pour l’irrigation agricole et aussi dans l’industrie pétrochimique. Les principales utilisations des pipes de PE sont comparées pour le cas des Etats-Unis (figure I.2a) et l’EU (figure I.2b) pour l’année 2003, et on observe que les réseaux de gaz naturel et d’eau potable viennent bien derrière les applications de drainage des sols. La partie réservée pour la distribution de gaz naturel est importante et est en augmentation constante. Dans un pays comme l’Algérie, l’utilisation des pipes en plastique est en croissance très rapide tandis que les pipes en acier et en fonte sont en nette régression car ils deviennent coûteux et difficiles à maintenir (figure I.3) [4].
En dépit de l’acceptation du polyéthylène (PE) comme alternative économique, la sûreté de fonctionnement reste une question fondamentale, et son utilisation requiert notamment l’aptitude à déterminer les propriétés en fonction de l’utilisation et des conditions de service requises par le dimensionnement. Les études de fiabilité en conception et en fonctionnement commencent à apparaître car la question de sûreté est posée avec sérieux. Les défaillances qui ont causé des pertes humaines et des pertes de production ne sont plus acceptées au vu des demandes croissantes sur les débits et les pressions de gaz.
Matériaux polymères
Une matière plastique est un mélange contenant une matière de base, susceptible d’être moulée ou qui a été moulée. La matière de base est en général un mélange de macromolécules ou hauts polymères organiques ou semi-organiques à caractère résineux ; résultant le plus souvent d’une réaction naturelle ou artificielle de polycondensation ou de polymérisation [5]. Les matériaux de synthèse comportent les plastiques proprement dits (ou plastomères) diffusés le plus souvent à l’état de produits moulés, les fibres textiles issues de polymères , les élastomères, à l’exclusion du caoutchouc naturel. Les matières plastiques elles-même regroupent les plastiques de synthèse et les plastiques artificiels : cellulosiques (ces derniers sont devenus d’un usage marginal). On peut estimer que les plastiques ou fibres artificielles sont issues de produits polymérisés par la nature.
Définition
Les polymères sont constitués d’un grand nombre d’unités fondamentales, appelées monomères. Ce sont des molécules organiques dont le noyau est essentiellement constitué d’un atome de carbone (ou de silicium dans le cas des polymères siliconés). On distingue les polymères issus d’éléments naturels tels que le latex, le bois, ou le coton et les polymères obtenus par synthèse organique à partir d’éléments tels que le charbon, ou les hydrocarbures gazeux. Les polymères, substances organiques macromoléculaires, sont obtenus par l’assemblage des monomères de base. Cette opération s’appelle la réaction de polymérisation [6].
Classification des polymères
Les matériaux polymères sont classés suivant différents critères. Le point de vue thermique conduit au classement des matériaux polymères organiques en matériaux thermoplastiques et matériaux thermodurcissables. Le point de vue mécanique introduit les notions de solides viscoélastiques et d’élastomères. Il est possible aussi d’examiner le matériau en s’intéressant à sa structure physique ou à sa structure chimique : dans le premier cas, les notions de matériaux semi-cristallins et de matériaux amorphes sont introduites ; dans le second, c’est la structure moléculaire en chaîne d’atome qui est à prendre en considération [1,5].
Point de vue thermomécanique
Lorsqu’un corps macromoléculaire à structure linéaire est chauffé, il se ramollit. Au contraire, il se fixe dans sa forme, s’il est refroidi et l’opération reste réversible. En conséquence, le matériau est appelé thermoplastique ou plastomère. La transformation d’un tel produit nécessitera, après chauffage, de le mettre en forme dans un moule froid pour le fixer, et les déchets éventuels seront récupérables; réversibilité du phénomène. Par contre, si la température d’un corps macromoléculaire se présentant sous l’aspect d’un réseau tridimensionnel est élevée, il est fixé directement de façon irréversible dans sa forme chauffée car la chaleur rigidifie les pontages du réseau. Le matériau est dit thermodurcissable ou duromère. La mise en œuvre est opérée en moule chauffé et les chutes éventuelles sont perdues ; irréversibilité du phénomène. Les chaînes courtes facilitent la transformation alors que les chaînes longues améliorent les propriétés mécaniques[7].
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I. Etude bibliographique sur la rupture des tubes en polyéthylène
I.1. Introduction
I.2. Matériaux polymère
I.2.1. Définition
I.2.2. Classification des polymères
I.2.2.1. Point de vue thermomécanique
I.2.2.2.Point de vue de la structure physique
I.2.3.Processus d’élaboration des polymères
I.2.4.Structure moléculaire
I.2.5.Le matériau polyéthylène
I.2.5.1.Structure et propriétés
I.2.5.2.Types de polyéthylène
I.2.5.3.Mise en œuvre des PE
I.3.Procédés de fabrication des tubes en matière plastique
I.4.Application des plastiques en tuyauterie
I.5.Classification des tubes en polyéthylène
I.6.Caractéristiques des tubes en polyéthylène
I.7.Rupture des polymères
I.7.1.Rupture fragile
I.7.2.Rupture ductile
I.7.3.Comportement mécanique
I.7.4.Historique et objet de la mécanique de la rupture
I.7.4.1.Etendu de la zone d’Irwin
I.7.4.2.Description du champ des contraintes à l’extrémité d’une fissure à l’aide du facteur d’intensité de contrainte
I.7.4.3.Qualités et défauts des polymères semi-cristalins
CHAPITRE II. Usinage et préparation d’éprouvettes d’essai
II.1.Introduction
II.2.Comportement des polymères vis avis de l’usinage
II.3. Conditions d’usinage des polymères haute densité HDPE
II.4. Facteurs influençant la qualité de surface en tournage
II.5. Procédure expérimentale
II.5.1.Matériau
II.5.2.usinage des enveloppes
II.5.3.conditions d’usinage et évolution de la rugosité
II.5.4.usinage du HDPE-80
II.5.5.Evolution de la rugosité du HDPE-80
II.5.6.Evolution de la cristallinité
II.5.7.Evolution de la dureté
II.6.Conclusion
CHAPITRE III. Etude de l’évolution des propriétés mécaniques à travers la paroi du tube sur la base d’éprouvettes normalisée ASTM
III.1.Introduction
III.2.Approche expérimentale
III.2.1.Matériau
III.2.2.Préparation des éprouvettes de traction
III.2.3.Procédure expérimentale
III.2.4.Résultats et Discussions
III.3.Conclusion
CHAPITRE IV. Effet de quelques milieux chimiques sur les propriétés mécaniques du tube sur la base d’éprouvettes normalisées ASTM
IV.1.Introduction
IV.2.Approche expérimentale
IV.2.1.Matériau
IV.2.2.Préparation des éprouvettes
IV.2.3.Environnement
IV.2.4.Conditions expérimentales
IV.3.Résultats et discussions
IV.4.Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
