Simulation de la pyrolyse de gaines de câbles électriques exposés au feu : Caractérisation et modélisation de la morphologie et de la conductivité thermique selon l'état de dégradation

Simulation of the pyrolysis of electrical cable sheaths exposed to fire : Characterization and modelling of the morphology and thermal conductivity evolution during the degradation

• Auteur / Autrice : Jianwei Shi
• Direction : Jean-François Thovert, Germain Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Fluides, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Thomas Rogaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Thovert, Germain Boyer, Laurent Ferry, Joëlle Fleurot, Pascal Zavaleta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérald Debenest, Sophie Duquesne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géométrie analytique

Polymères poreux

Conductivité thermique

Pyrolyse

Mots clés libres

Gaine de câble

Comportement au feu

Pyrolyse

Simulation

Caractérisation morphologique

Tomographie

Conductivité thermique

Modélisation

Cable sheath

Fire behavior

Pyrolysis

Simulation

Morphological characterization

Tomography

Thermal conductivity

Modelling

Résumé

Dans l’étude de la propagation du feu le long des chemins de câbles dans les centrales nucléaires, la nature des câbles et de leur gaine a été identifiée comme un facteur important jouant sur le développement du feu. Dans le but de simuler la pyrolyse et la propagation du feu le long de ces câbles, il est nécessaire de caractériser les propriétés thermiques et thermocinétiques des matériaux dont ils sont constitués tout au long du processus de leur dégradation. Or, la caractérisation directe de certaines propriétés, notamment la conductivité thermique, n’est pas toujours aisée dans la mesure où les résidus de ces matériaux peuvent changer de volume, de morphologie et être friables. C’est pourquoi il est proposé dans ce travail d’estimer la conductivité de ces matériaux et de leurs résidus en prenant en compte leur morphologie caractérisée par micro-tomographie et la conductivité de leurs constituants. Cette approche se divise en quatre étapes :- Construire une représentation 3D des polymères aux étapes les plus significatives de leur pyrolyse compte tenu de la cinétique de leur dégradation, à partir d’images acquises par tomographie X pour la macro-structure et par microscope électronique à balayage (MEB) pour la micro-structure.- Evaluer les conductivités thermiques effectives des polymères dégradés à ces étapes par une méthode d’homogénéisation numérique.- Proposer un modèle conceptuel pour l’évolution de la morphologie au cours de la dégradation du matériau, dont on déduit ensuite un modèle pour la conductivité thermique. - Implémenter ce modèle de conductivité effective dans la modélisation de la pyrolyse afin d’effectuer la simulation complète de la dégradation de ces matériaux, en tenant compte des transferts de chaleur et de masse et des réactions chimiques.Dans le cadre de cette thèse, on s’intéressera plus particulièrement au cas de mélanges EVA-ATH (Ethylvinyl-acétate et aluminium-trihydraté, agent ignifuge minéral). Ces matériaux contiennent une dispersion de grains d'environ 2 µm correspondant à la charge d’ATH, et leurs états dégradés présentent des pores dont la taille n’excède pas quelques centaines de microns. On s’attend donc à ce que les transferts thermiques soient dominés par la conduction et que le rayonnement joue un rôle négligeable. Par ailleurs, il existe un fort écart de conductivité entre les différents constituants, à savoir les gaz occupant le volume des pores, la matrice polymère, l’ATH et l’alumine issue de sa déshydratation. Ces contrastes induisent une forte incertitude sur la conductivité effective du matériau. Dans ce contexte, l’approche proposée permet d’estimer la valeur de la conductivité effective mais aussi les incertitudes liées à différentes caractéristiques du matériau (échelles de porosité, anisotropie, conductivité des différentes substances en présence). Cette estimation porte en premier lieu sur les états de dégradation particuliers observés sous tomographie et imagerie MEB. Mais la formulation d’un modèle conceptuel donne également accès à cette conductivité tout au long de la dégradation du matériau. Ces estimations sont enfin utilisées pour réaliser des simulations de pyrolyse avec le logiciel de simulation des incendies CALIF3S-ISIS de l’IRSN. Ces simulations visent d’une part à reproduire des essais de dégradation d’échantillons d’EVA-ATH sous cône calorimètre issus de la littérature ; d’autre part, des études de sensibilité aux incertitudes sur les différents paramètres du modèle, incluant celles du modèle de conductivité effective, sont menées afin de déterminer, pour ce type de matériau, les paramètres ayant le plus d’influence sur le processus de pyrolyse.

The study of fire spread along cable trays in Nuclear Power Plants (NPP) has shown that the type of cable and sheath plays a key role in the fire growth. In the purpose of simulating the pyrolysis and the fire spread along these cables, the characterization of the thermal and thermokinetic properties of these materials all along their degradation process is required. Besides, several properties, in particular the conductivity, cannot be easily characterized insofar as the volume and the morphology of these materials can evolve and their robustness can be altered during pyrolysis. That is why this work aims at estimating the conductivity of these materials, accounting for their morphology characterized by micro-tomography and the conductivity of each of their components. This approach involves four steps:- Build 3D representations of the degraded polymers at the most significant steps of their pyrolysis, using X-ray tomography to characterize the macro-structure and Scanning Electron Microscopy (SEM) for the micro-structure. - Evaluate the effective thermal conductivities of the degraded polymers at these various stages using a numerical homogenization technique.- Propose a conceptual model for the morphology evolution during the material degradation, from which a thermal conductivity model can be inferred. - Use these effective conductivities in the complete simulation of the material degradation, accounting for the coupled heat and mass transfers and chemical reactions.In this work, EVA-ATH (i.e. Ethylvinyl Acetate and alumina trihydrate as fire retardant) compounds will be more specifically considered. These materials contain a dispersion of mineral grains of approximately 2 µm corresponding to the ATH load, and their degraded states show pores whose size does not exceed a few hundred microns. Heat transfer is therefore expected to be dominated by conduction and radiation to play a minor role. In addition, there is a large conductivity contrast between the various components, namely the gas within the pores, the polymer matrix, ATH and alumina produced by its dehydration. Such contrasts induce large uncertainties on the material effective conductivity. In this context, the proposed approach allows estimating the value of the effective conductivity but also the uncertainties associated to various material characteristics (porosity scales, anisotropy, conductivity of the components). The particular degradated states observed by tomography and SEM imaging are addressed in the first place. But the formulation of a conceptual model gives also access to the conductivity all along the material degradation. This model is eventually used to carry out pyrolysis simulations with the IRSN CALIF3S-ISIS fire simulation software. On the one hand, such simulations aim at reproducing cone calorimeter degradation experiments of EVA-ATH samples from the literature, for validation purposes; on the other hand, a sensitivity analysis to the uncertainties of the various parameters, including those of the effective conductivity model, is carried out in order to determine the most influential parameters for the pyrolysis process of this kind of material.