Modèles éléments finis pour l'étude de la fragilisation par l'hydrogène des structures en acier

Finite element models for the study of hydrogen embrittlement of steel structures

• Auteur / Autrice : Daniella Lopes pinto
• Direction : Jacques Besson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SIMS - Simulation des matériaux et des structures - MAT
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Méthode des éléments finis

Fragilisation par l'hydrogène

Endommagement

Diffusion

Finite element method

Hydrogen embrittlement

Damage

Diffusion

Résumé

Ce sujet sera réalisé dans le cadre de la Chaire industrielle ANR « MESSIAH » (Mini-Eprouvettes pour le Suivi en ServIce des structures avec Application au transport d'Hydrogène) en partenariat avec RICE-GRTgaz, EDF, Mannesmann Precision Tube, Air Liquide et Transvalor. Le programme MESSIAH propose d'utiliser des mini-éprouvettes usinées dans des coupons extraits des installations pour évaluer et suivre la ténacité en service. Ces coupons in situ seront en effet de petite taille (épaisseur : 1-3 mm, surfaces : quelques cm2). Les enjeux visés par le projet sont le vieillissement des installations et la prise en compte de nouveaux défis liés à la diminution des propriétés mécaniques du fait de l'hydrogène. L'intérêt du développement de ce type de méthodologie réside dans la possibilité de tester des équipements déjà en place pour évaluer leur comportement dans des conditions prospectives. Bien qu'il soit relativement facile de tester de petits échantillons de traction pour déterminer le comportement plastique, le programme propose d'aller bien au-delà de cet objectif en développant des essais de mécanique de la rupture en régime ductile et prenant en compte l'effet de l'hydrogène (la pratique actuelle étant limitée à la rupture fragile). La principale difficulté réside en effet dans les effets de taille. La production d'hydrogène « décarboné » est un moyen pour réduire d'empreinte CO2 liée à l'activité humaine. Cet hydrogène pourra être produit par électrolyse de l'eau grâce à de l'électricité produite par des panneaux photovoltaïques, des éoliennes, des hydroliennes ou des réacteurs nucléaires. Le gaz ainsi produit devra être collecté et acheminé vers les centres de consommation. Il est envisagé d'utiliser les réseaux de distribution existants (la construction de nouveaux réseaux serait très onéreuse). Il est donc primordial d'évaluer les potentiels effets de l'hydrogène sur les propriétés mécaniques des aciers faiblement alliés utilisés pour la fabrication des tubes. D'une part, les essais couplant sollicitation mécanique et chargement de l'hydrogène doivent être menés. D'autre part, il convient également de développer les outils de simulation permettant d'analyser ces essais et à terme de mieux dimensionner les structures de transports. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse. Elle portera sur l'implantation des outils nécessaires à la simulation du couplage entre diffusion d'hydrogène et comportement mécanique. Il s'agit bien sûr de lois de comportement mais également de formulations éléments finis permettant de gérer le couplage diffusion/mécanique. Un point important est la diffusion de l'hydrogène vers les zones très sollicitées ainsi que son piégeage. La présence d'hydrogène peut alors affecter le comportement plastique ainsi que la rupture des matériaux (mécanisme HELP (hydrogen-enhanced localized plasticity) par exemple). Dans le cadre de l'étude on s'intéressera aux aciers. L'ensemble des développements sera réalisé dans le logiciel Z-set (http://www.zset-software.com). Le candidat devra également proposer une base de tests de validation des implantations. Les développements réalisés dans le cadre de la thèse pourront être appliqués (i) aux résultats de la littérature et (ii) à la base d'essais construite au sein de la Chaire MESSIAH. En effet deux autres thèses porteront sur la caractérisation expérimentale de la fragilisation sur différents matériaux.

This PhD will be carried out within the framework of the ANR industrial chair ''MESSIAH'' (Mini-test specimens for in-service monitoring of structures with application to hydrogen transportation) in partnership with RICE-GRTgaz, EDF, Mannesmann Precision Tube, Air Liquide and Transvalor. The MESSIAH program proposes to use mini-test specimens machined from coupons extracted from facilities to evaluate and monitor the toughness during service. These in situ coupons will be small (thickness: 1-3 mm, surface area: a few cm2). The issues targeted by the project are the ageing of the installations and the taking into account of new challenges linked to the decrease of mechanical properties due to hydrogen. The interest in developing this type of methodology lies in the possibility of testing equipment already in place to evaluate their behavior under prospective conditions. Although it is relatively easy to test small tensile samples to determine the plastic behavior, the program proposes to go well beyond this objective by developing fracture mechanics tests in the ductile regime and taking into account the effect of hydrogen (the current practice being limited to brittle fracture). The main difficulty lies in the size effects. The production of ''decarbonated'' hydrogen is a way to reduce the CO2 footprint linked to human activity. This hydrogen could be produced by electrolysis of water thanks to electricity produced by photovoltaic panels, wind turbines, hydroliennes or nuclear reactors. The gas thus produced will have to be collected and transported to the consumption centers. It is envisaged to use the existing distribution networks (the construction of new networks would be very expensive). It is therefore essential to evaluate the potential effects of hydrogen on the mechanical properties of the low-alloyed steels used to manufacture the tubes. On the one hand, tests coupling mechanical stress and hydrogen loading must be conducted. On the other hand, it is also necessary to develop simulation tools to analyze these tests and eventually to better design the transport structures. The PhD will be carried out in this context. It will focus on the implementation of tools necessary to simulate the coupling between hydrogen diffusion and mechanical behavior. These are of course constitutive equations but also finite element formulations to manage the coupling between diffusion and mechanics. An important point is the diffusion of hydrogen towards the highly stressed areas as well as its trapping. The presence of hydrogen can then affect the plastic behavior as well as the failure of materials (HELP mechanism (hydrogen-enhanced localized plasticity) for example). Within the framework of the study, we will focus on steels. All the developments will be done in the Z-set software (http://www.zset-software.com). The candidate will also have to propose a base of tests to validate the implementations. The developments carried out in the framework of the thesis can be applied (i) to the results of the literature and (ii) to the datebase built within the MESSIAH Chair. Indeed, two other PHDs will focus on the experimental characterization of embrittlement on different materials.