Dégradation chimique du PE et influence sur le comportement, l'endommagement et la rupture en fluage : application à la durabilité des canalisations sous pression

Chemical degradation of PE and its influence on the creep response, damage and failure : application to lifetime assessment on pipes subjected to internal pressure

• Auteur / Autrice : Clémence Devilliers
• Direction : Lucien Laiarinandrasana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyéthylène

Tuyaux en matières plastiques

Résumé

Les canalisations en polyéthylène haute densité (PEHD) prennent une part de plus en plus importante dans les réseaux de distribution d'eau potable. Pour assurer une bonne qualité microbiologique de l'eau distribuée, des agents désinfectants, comme le chlore, sont introduits dans les réseaux. La durabilité de ces tuyaux, initialement prévus pour durer 50 ans, est un enjeu capital pour Veolia, qui souhaiterait disposer d'un modèle de prédiction de durée de vie, tenant compte à la fois, des mécanismes de dégradation du PE au contact du chlore et de l'impact sur la tenue mécanique du tube. Pour cela, deux modèles physiquement motivés sont proposés : l'un prédit l'état physico-chimique du PE suite à sa dégradation au contact d'agents chlorés, tandis que l'autre estime la durée de vie résiduelle d'un tube dégradé, initialement fissuré. Le modèle cinétique de dégradation chimique est issu de la thermo-oxydation du PE auquel des réactions d'amorçage radicalaire dues au chlore ont été ajoutées. Les constantes de vitesse et les coefficients de diffusion sont déterminés à partir des résultats expérimentaux sur échantillons vieillis de façon accélérée. L'impact de l'oxydation sur le comportement mécanique en fluage du PE est étudié à partir de matériaux modèles représentatifs d'un état neuf et d'un état vieilli. Les mécanismes d'endommagement et de rupture sont analysés en fonction du degré de vieillissement. Le modèle mécanique s'intéresse à la propagation d'une fissure, amorcée par l'oxydation sur la surface en contact avec le désinfectant. Deux méthodologies sont proposées pour prédire la durée de vie résiduelle d'un tube : l'approche globale qui repose sur une courbe maîtresse C* = f (tR), et l'approche locale qui s'inspire des mécanismes d'endommagement et modélise ainsi la rupture grâce à un code de calcul par éléments finis. La loi de comportement utilisée dans ce cas s'appuie sur les résultats expérimentaux obtenus aux échelles macroscopique et microscopique.

High density polyethylene pipes (HDPE) appear to be more and more significant in drinking water distribution networks. A good microbiological quality of the distributed water is ensured by adding disinfectants, such as chlorine. The durability of these pipes, initially designed for a 50 years lifetime, is a great challenge for Veolia, which requires a realistic renewal plan. For this purpose, two approaches have been developed: the first one predicts the physico-chemical state of PE after changes due to the contact with chlorine, while the second one estimates the residual lifetime of a pipe, containing cracks initiated by aging. The kinetic scheme of chemical degradation results from the thermooxidation of PE, to which radical initiating reactions due to chlorine were added. Kinetic rates and diffusion coefficients are determined from the experimental results obtained on accelerated aged samples. The influence of oxidation on PE mechanical response under creep loading is then studied from two grades of PE, representatives of two degradation states: the initial material and an aged one. Damage and failure mechanisms are determined according to the degree of aging. The mechanical approach aims at assessing the creep crack growth of a defect initiated after the oxidation process at the inner surface in contact with disinfectants. Two methodologies are suggested to estimate the residual lifetime of a pipe: the global approach, which relies on a master curve C* = f(tR); and the local approach which takes the damage mechanisms into account to model the failure by using finite element analysis. This latter requires constitutive equations, which are based on the experimental results obtained at both macroscopic and microscopic scales.