Dimensionnement de canalisations sur des critères en déformation dans des environnements extrêmes

Strain-based design of pipelines in extreme environments

• Auteur / Autrice : Clément Soret
• Direction : Jacques Besson, Yazid Madi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 21/04/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Fodil Meraghni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Yazid Madi, Benoît Tanguy, Vincent Gaffard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sebastian Münstermann, Sandrine Thuillier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oléoducs

Matériaux

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Oléoduc

Critères en déformations

X65

X70

Mécanique de la rupture

Éprouvette SENT

Ténacité

Transférabilité

CTOD

Intégrale J

Modèle d'endommagement GTN

Cordon de soudure

Pipeline

Strain-Based Design

X65 steel grade

X70 steel grade

Fracture mechanics

SENT specimen

Toughness

Transferability

CTOD

J-integral

Damage model GTN

Girth weld

Oil & gas

Résumé

Les standards consacrés à la conception des oléoducs se concentrent principalement sur les chargements opérationnels, tels que les pressions internes et externes, et les procédures d'analyse de défauts actuelles n'exploitent pas les capacités d'écrouissage du matériau. Pourtant, dans des conditions extrêmes, les oléoducs peuvent être soumis à des contraintes au-delà de la limite d'élasticité jusqu'à atteindre 2.5% de déformations plastiques. Ici, les procédures proposées par ExxonMobil et PRCI basées sur des critères en déformation sont présentées, et l'utilisation de l'éprouvette SENT (Single Edge Notched Tension) pour caractériser la ténacité est étudiée, en comparant les différentes procédures d'essais recommandées. Puis, une importante campagne expérimentale a été réalisée pour caractériser deux aciers pour oléoducs à température ambiante et à basses températures. Les comportements mécaniques des matériaux de base et d'apport ont été identifiés grâce à l'utilisation de l'analyse inverse, et il est montré que le modèle d'endommagement GTN permet de modéliser finement les essais sur éprouvettes de laboratoire. Enfin, deux essais sur structures (pression et flexion, puis pression et traction) ont été réalisés de manière à comparer les approches globales et le modèle d'endommagement GTN. Ce dernier démontre une bonne transférabilité de l'éprouvette vers la structure.

Pipeline design codes and standards traditionally focus on the operational loadings such as internal and external pressures that are likely to exist over the entire lifetime of the pipeline. Existing Engineering Critical Assessments are mostly based on stress considerations, where the design margin is given as a percentage of the yield strength. In extrem environments, pipelines may experience stresses beyond the yield and plastic deformations up to 2.5 %. In such conditions, strain-based design procedures apply. In this work, a literature review of the existing strain based methods is proposed, including ExxonMobil and PRCI multi-tier approaches. The use of the Single Edge Notched Tension (SENT) specimen to measure the material toughness is then studied, benchmarking the recommended testing procedures from literature. A comprehensive experimental campaign was carried out to fully characterize two actual line pipes at room and low temperatures. The mechanical behavior of parent and weld materials are identified using an inverse analysis, and GTN damage model is shown to allow accurate modeling of the laboratory testings. Finally, two full scale tests (pressure + bending or pressure + tension) were carried out to benchmark the global approaches and GTN damage model. The latter showed a very good transferability from specimens to the structure.