Un composite renforcé pour améliorer l’ancrage des armures de traction en composite des risers flexibles

Compósito para melhoria da ancoragem das armaduras de tração de compósito de risers flexíveis

A toughened composite for improving the anchoring of composite tensile armors of flexible risers

• Auteur / Autrice : Rafael Pereira Mattedi
• Direction : Jinbo Bai, Marysilvia Ferreira da Costa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 02/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Universidade federal do Rio de Janeiro
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : José Roberto Moraes d’Almeida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jinbo Bai, Marysilvia Ferreira da Costa, José Roberto Moraes d’Almeida, Hector Kotik, Delong He, Lionel Pichon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Roberto Moraes d’Almeida, Hector Kotik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Composites -- Fatigue

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Nano composite

Ancrage

CFA

Armures de traction

Riser flexibles

Nano-compósito

Ancoragem

CFA

Armaduras de tração

Riser flexível

Nanocomposite

Anchoring

CFA

Tensile armors

Flexible riser

Résumé

L'utilisation de composites et nano composites est une tendance croissante dans des industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et l'énergie. Pour de nombreuses applications, l'adhésion entre des structures pour bien transférer les efforts est un problème difficile à résoudre. Dans l’industrie pétrolière, par exemple, une technique utilisée pour ancrer les armures de traction d’une conduite flexible est à travers un époxy intégré car elle fournit une bonne résistance mécanique et chimique. Cependant, des fissures et des défauts peuvent apparaître dans le bloc époxy pendant les opérations ou le montage lors de l'étape de cuisson de l'époxy, et ces fissures pourraient affecter les performances d'ancrage, en particulier pour les armures composites en fibre de carbone (CFAs). Dans ce contexte, ce travail propose le renforcement de l'époxy pour l'ancrage du CFA, focalisé sur les propriétés mécaniques et d'adhérence. Un modèle analytique est développé pour le mécanisme d'ancrage du CFA et vérifié par analyse numérique pour évaluer la sensibilité du système aux caractéristiques de l’époxy. Ainsi, l'augmentation de ces propriétés est proposée par l'ajout de nanotubes de carbone multi-feuilles (MWCNTs) et des essaies sont réalisées avec le époxy pur et renforcés pour caractériser l’augmentation des propriétés mécaniques et adhésives. Ensuite, la morphologie des nanotubes et l'homogénéité de la matrice sont investiguées pour corréler avec des résultats mécaniques. La recherche a confirmé une amélioration de la résistance à l'ancrage en renforçant la matrice époxy avec des MWCNTs.

O uso de compósitos e nano compósitos é uma tendência crescente em muitas indústrias, como aeroespacial, automotivo e energia. Para muitas aplicações, a adesão entre estruturas para transferência eficiente dos esforços é um problema de difícil solução. No segmento de óleo e gás, por exemplo, uma técnica comum utilizada para ancorar as armaduras de tração do tubo flexível dentro do conector é através de um epóxi embebido, pois proporciona boa resistência mecânica e química. No entanto, trincas e defeitos podem surgir no bloco de epóxi durante as operações ou montagem, na etapa de cura do epóxi, e tais defeitos podem afetar a performance de ancoragem, em particular para armaduras de compósito de fibra de carbono (CFA). Neste contexto, este trabalho propõe a melhoria do epóxi para ancorar o CFA, com foco nas propriedades mecânicas e adesivas. Um modelo analítico é desenvolvido para o mecanismo de ancoragem do CFA e verificado por análise numérica para avaliar a sensibilidade do sistema às características do epóxi. Assim, o aumento dessas propriedades é proposto pela adição de nano-tubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs) e alguns experimentos são realizados com os epóxis puro e modificado para caracterizar o ganho de propriedades mecânicas e adesivas. Em seguida, a morfologia dos nano-tubos e a homogeneidade da matriz são investigadas para correlacionar com os resultados mecânicos. A pesquisa confirmou uma melhoria da resistência à ancoragem ao tenacificar a matriz de epóxi com MWCNTs.

The use of composite and nanocomposites is a growing trend in many industries such as aerospace, automotive and energy. For many applications, the adhesion between structures for efficiently transferring loads is a difficult problem to solve. In oil and gas segment, for instance, a common technique used for anchoring the tensile armors of flexible riser within the end fitting is through an embedded epoxy since it provides good mechanical and chemical resistance. Even though, cracks and defects can arise in the epoxy block during operations or mounting at epoxy curing step, and such cracks could affect the anchoring performance, in particular for carbon fiber composite armors (CFA). In this context, this work proposes the improvement of the epoxy for anchoring the CFA, with a focus on the mechanical and adhesion properties. An analytical model is developed for CFA anchoring mechanism and verified by numerical analysis to evaluate the sensitivity of the system to the epoxy characteristics. Thus, the increase of these properties is proposed by adding multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and some experiments are carried out with neat and toughened epoxies to characterize the gain of mechanical and adhesive properties. Then, nanotubes morphology and the matrix homogeneity are expertized to correlate with mechanical results. The research confirmed an improvement of anchoring resistance by toughening the epoxy matrix with MWCNTs.