Étude des caractéristiques mécaniques de fluage-fatigue et du modèle constitutif de la roche saline

Study on creep fatigue mechanical characteristics and constitutive model of salt rock

• Auteur / Autrice : Zongze Li
• Direction : Daniel Nélias, Deyi Jiang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA en cotutelle avec Chongqing university
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MULTIMAP - Mécanique multiphysique pour les matériaux et les procédés
• Jury : Président / Présidente : Christophe Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Nélias, Deyi Jiang, Christophe Petit, Yang Ju, Daniel Dias, Marion Fourmeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yang Ju, Daniel Dias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Mécanique

Stockage d'énergie

Roche saline

Fluage

Fatigue

Pression de confinement

Emission acoustique

Contrainte mécanique

Mechanics

Energy storage

Salt rock

Creep

Fatigue

Confining pressure

Acoustic emission

Mechanical constraints

Résumé

Pour répondre aux exigences de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques, c'est-à-dire l'Accord de Paris, les pays du monde entier ont mis au point des programmes d'action axés sur le carbone et neutres en carbone. L'utilisation de sources d'énergie renouvelables est un moyen efficace de répondre à cette exigence. La roche saline ayant une bonne rhéologie, une faible porosité, une faible perméabilité et des caractéristiques d'autoréparation des dommages, le stockage de l'énergie par air comprimé dans des cavernes de sel est un moyen efficace d'améliorer l'efficacité de l'utilisation des énergies renouvelables. Compte tenu des exigences opérationnelles en matière d'équilibrage des charges dans les installations de stockage d'énergie à air comprimé, la roche environnante des réservoirs de cavernes de sel est soumise à une charge cyclique discontinue avec des taux d'injection de gaz et des pressions variables, c'est-à-dire à une charge alternée de fluage-fatigue. Grâce à une combinaison d'analyses théoriques, d'expériences en laboratoire et d'études de modèles, cette recherche a étudié les caractéristiques mécaniques de fluage-fatigue des roches salines avec différents intervalles de temps de haute contrainte, et les caractéristiques mécaniques de fluage-fatigue des roches salines sous différentes pressions de confinement. En outre, l'impact de différents niveaux de contrainte sur l'évolution des dommages dus au fluage-fatigue des roches salines a été surveillé et analysé à l'aide de dispositifs d'émission acoustique. Des essais de fluage-fatigue à long terme sur des roches salines soumises à différents taux et niveaux de charge ont été menés sur la base de la fréquence réelle d'équilibrage des charges dans les centrales de stockage d'énergie à air comprimé. Les raisons et les modèles d'interaction entre le fluage et la fatigue des roches salines dans différentes conditions ont été analysés. Sur la base de l'interaction fluage-fatigue dans les roches salines, un modèle constitutif de fluage-fatigue basé sur les variables d'état pour les roches salines a été proposé et établi, et sa validité a été vérifiée. Les résultats de la recherche fournissent des indications importantes pour assurer la stabilité des réservoirs de cavernes salines.

To meet the requirements of the United Nations Framework Convention on Climate Change, i.e., the Paris Agreement, countries around the world have developed carbon-peaking and carbon-neutral action programs. The use of renewable energy sources is an effective means of meeting this requirement. Because salt rock has good rheology, low porosity, low permeability and damage self-healing characteristics, compressed air energy storage using salt caverns is an effective way to enhance the efficiency of renewable energy use. Considering the operational requirements for load balancing in compressed air energy storage plants, the surrounding rock of salt cavern reservoirs is subjected to discontinuous cyclic loading with varying gas injection rates and pressures i.e. alternating creep-fatigue loading. Through a combination of theoretical analysis, laboratory experiments, and model studies, this research investigated the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks with varying high-stress interval times, and the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks under different confining pressures. Additionally, the impact of different stress levels on the creep-fatigue damage evolution of salt rocks was monitored and analyzed using acoustic emission devices. Long-term creep-fatigue tests on salt rocks under different loading rate and level were conducted based on the actual frequency of load balancing in compressed air energy storage plants. The reasons and patterns of the salt rock's interaction between creep and fatigue under different conditions were analyzed. Based on the consideration of the creep-fatigue interaction in salt rocks, a state variable-based creep-fatigue constitutive model for salt rocks was proposed and established, and its validity was verified. The research findings provide important guidance for ensuring the stability of salt cavern reservoirs.