Influence des chargements cycliques sur les propriétés mécaniques des aciers à 9% de nickel et 316L dans des conditions cryogéniques

par Hassine Kacem

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Sciences des Matériaux

Sous la direction de Saïd Hariri et de Jean-Bernard Vogt.

Soutenue le 06-07-2016

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) , en partenariat avec École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique (laboratoire) , École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord) (École d'ingénieurs) et de Unité matériaux et transformations (UMET) (laboratoire) .

mots clés

• Essais de cyclage
• Métaux -- Effets du froid
• Acier au nickel -- Propriétés mécaniques -- Effets du froid
• Acier inoxydable austénitique -- Propriétés mécaniques -- Effets du froid
• Récipients cryogéniques
• Récipients sous pression -- Effets du froid
• Acier -- Fatigue
• Soudures -- Fatigue
• Austénite
• Martensite

Résumé

Lors de ces dernières décennies, l’exploitation du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) a connu un intérêt croissant, et un marché en forte expansion avec de nombreux projets d’installation de terminaux méthaniers. Le gaz naturel liquéfié est transporté et stocké à très basses températures (~ -163°C), dans des réservoirs de capacités de plus en plus importantes. Ceci impose l’utilisation de matériaux particuliers présentant des caractéristiques adaptées aux températures cryogéniques. Les terminaux méthaniers doivent fonctionner en toute sécurité pendant toute leur durée de vie, cet impératif de sécurité doit être pris en compte dès la phase de conception et pendant toute la période d’exploitation. Cette étude est une contribution à la vérification et la compréhension des comportements de l’acier à 9% de nickel et de l’acier austénitique 316L utilisés respectivement pour la construction des grands réservoirs et des bras de chargements-déchargements. Ce comportement est étudié à la température ambiante et à -196°C à l’aide d’essais mécaniques classiques et d’essais Small Punch Test. Pour évaluer les effets de cyclage consécutifs aux remplissages-vidanges des installations, une matrice d’essais de cyclage est proposée et les caractéristiques mécaniques des matériaux et de certaines soudures sont établies et comparées avant et après cyclage.

Titre traduit

Influence of cyclic loading on the mechanical properties of 9% nickel and 316L steels under cryogenic conditions

Résumé

In last few decades, there has been increasing interest in the exploitation of the Liquefied Natural Gas (LNG). It is a fast growing market with many projects of storage terminal installation. Liquefied natural gas is transported and stored in reservoirs with increasingly important capacities at very low temperatures (~ -163°C). This requires the use of special materials with tailored properties at cryogenic temperatures. The storage terminals must operate safely during their life. This imperative security must be taken into account at the design stage and throughout the operating period. This study provides a significant contribution to the verification and understanding of the behavior of 9% Nickel steel and 316L austenitic steel used for the construction of large reservoirs and loading-unloading arms respectively. Mechanical behavior of these materials is studied at room temperature and -196°C using conventional mechanical tests and Small Punch Test. The cycling test matrix is proposed in order to assess effects on installations due to consecutive filling-emptying cycles. The mechanical characteristics of the materials and some of welds are carried out and compared before and after cycling.