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19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 1 Etude de l’inf

19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 1 Etude de l’influence d’un enfoncement simple et lisse sur la pression d’éclatement d’une canalisation M. ALLOUTI a, C. SCHMITT a, G. PLUVINAGE a, J. GILGERT a& M. LEBIENVENU a a. Laboratoire de Mécanique, Biomécanique, Polymère et Structures (LaBPS), ENIM, Ile du Saulcy, 57045 Metz, France. Résumé : L’objectif de cette étude est d’identifier l’influence de la géométrie d’un enfoncement seul et plus particulièrement sa profondeur sur la pression d’éclatement d’une canalisation. Afin de valider une règle purement empirique, qui prévoit une profondeur critique d’un enfoncement égale à 10% du diamètre du tube, d’une part, une série d’essais mécaniques à été réalisée (essais d’enfoncements et essais d’éclatements). D’autre part, une analyse par éléments finis à été menée pour comparer les résultats numériques et expérimentaux. Ce travail a montré qu’un enfoncement seul n’a pas d’influence sur la pression d’éclatement d’une canalisation, donc la règle d’une profondeur critique de l’enfoncement de 10% est très conservative. Abstract : The purpose of this study is to identify de influence of single dent geometry and especially this depth on the burst pressure of a pipeline. To validate a purely empirical rule, which provides a critical depth dent equal to 10% of outside diameter of the pipeline, on one hand, a series of mechanical tests was conducted (denting tests and burst tests). On the other hand, finite element analysis was used to compare the numerical and experimental results. This work has shown that a single dent did not affect the burst pressure of a pipeline; therefore the rule of a critical depth of dent equal to 10% is very conservative. Mots clefs : Canalisation, Tuyaux, Pression ultime, enfoncement, Indentation, Analyse limite, Mécanique de la rupture, Eléments finis, essais d’éclatements. 1. Introduction L’énergie nécessaire aux activités des industries est souvent transportée par l’intermédiaire de canalisations. Ces structures sont principalement utilisées pour le transport sous pression des substances inflammables, avec des exigences de sécurité accrues contre l’endommagement ou le risque de rupture. Des études statistiques ont par ailleurs montré la très grande importance des endommagements par impact. Ces dommages peuvent se produire au cours de fouilles pour l’entretien ou pour de nouveaux travaux de génie civil à proximité des canalisations. Environ 50% des endommagements enregistrés sur les pipelines en Europe et aux États-Unis sont causés par des interférences mécanique [1, 2], dues aux contacts avec des corps étrangers. Il faut noter que la plupart des travaux réalisés dans ce domaine ont un caractère expérimental. Jusqu’en 1998, un ensemble de travaux menés à bien à l’institut commémoratif Battelle (Etats Unis) a été présenté par Leis et al. [3] qui ont souligné l’influence et l’importance d’un impact sur le comportement à rupture d’une canalisation. En 1999, Alexander [4] a donné une vue d’ensemble de l’étendue des méthodes analytiques et expérimentales existantes pour l’étude des canalisations présentant des enfoncements. 2. Les enfoncements dans les canalisations Les enfoncements sans souvent présent dans les canalisations, leurs origines étant les agressions externes, mais, malheureusement dans la plupart du temps, ces incidents passent inaperçus ou ne sont pas signalés tout simplement. 19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 2 2.1 Définition d’un enfoncement Un enfoncement dans une canalisation est une déformation plastique permanente de la section circulaire de la paroi du tube du à un impact avec un corps étranger [2] (exemple: le godet d’un engin en travaux pour les canalisations enterrées ou posées par terre, les ancres des bateaux pour les pipelines immergés). Autrement dit un enfoncement est un changement de la courbure de la paroi du pipeline sans changement d’épaisseur (voir figure 1.a et 1.b). Un enfoncement provoque une grande concentration locale de contrainte et de déformation et une réduction locale du diamètre du tuyau. FIG. 1.a: Géométrie d’un enfoncement. FIG. 1.b : Photo d’un pipeline enfoncé. 2.2 Méthodes et outils pour évaluer et contrôler la nocivité d’un enfoncement On sait bien que les défauts de corrosion dans les canalisations sont traités par des codes basés sur l’analyse limite tels que l’ASME B31G et le DNV. Les fissures dans les joints soudés sont traitées par la mécanique de la rupture et le Diagramme Intégrité Rupture. Les entailles telles que les éraflures et les rayures sont examinées par le concept de la mécanique de rupture d’entaille. Les enfoncements sont généralement traités par l’analyse limite. 2.2.1 Application de l’analyse limite pour un tube indenté (enfoncé). Quelques travaux ont été réalisés par Orynyak [4], basés sur le modèle des rotules plastiques. Le modèle au niveau de l’enfoncement se fait par un mécanisme de rotule plastique dont le moment plastique est affaibli par un terme (1-α2). La résistance non dimensionnelle α d’un tuyau avec une indentation (enfoncement) a été déterminée en fonction des paramètres géométriques du pipeline et de l’enfoncement [4], il est donné par la formule suivante : 2 4 2 2 1       − +       = = R l t R R l t R t PR u σ α (1) Avec P , R , u σ , t et l sont respectivement, la pression interne, le rayon de courbure de l’enfoncement, la contrainte ultime, l’épaisseur de la canalisation et la demi-largeur de l’enfoncement. On pose, Rt l = γ , l’équation (2) devient: 2 4 1 γ γ α − + = (2) 2.2.2 Condition d’acceptabilité d’un enfoncement Des études récentes ont été menées par l’EPRG (European Pipelines Research Group) [2] sur la nocivité d’un enfoncement simple. Ces dernières montrent qu’un enfoncement qui se situe “loin“ par rapport à un joint de soudure avec une profondeur allant jusqu’à 10% du diamètre extérieur du pipeline ne conduit pas à la rupture si la contrainte de membrane est inférieur à 72% de la limite d’élasticité [2]. % 10 ≤ D d d (3) Dans l’équation (3), dd est la profondeur de l’enfoncement dans le cas d’un tube sans pression et D (D=2R) est le diamètre externe du tube. L’EPRG a trouvée une relation empirique entre la profondeur de l’enfoncement dans le cas d’une canalisation non pressurisée et celle soumis à une pression interne, cette relation est donnée par la formule suivante: p d d d d 43 . 1 = (4) d d 19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 3 Cependant, selon l’EPRG, le critère donné par l’équation (4) est corrigé sous la forme suivante dans le cas de l’application d’une pression interne [2]: % 7 ≤ D d p d (5) 3. Etude expérimentale L’étude expérimentale se compose de deux parties essentielles : • La première partie est dédiée à la réalisation des enfoncements sur des tubes • La seconde partie est consacrée à la réalisation des essais d’éclatement 3.1 Réalisation des enfoncements Les enfoncements sont réalisés en statique sur une machine de traction-compression servohydraulique SCHENK de capacité de 100KN (voir FIG.3.a). Le pilotage de l’outil (l’indenteur : une bille sphérique de 40 mm de diamètre) a été fait en déplacement. Les tubes utilisés ont 600mm de longueur, 88.9mm de diamètre et 3.2 mm d’épaisseur. Ils sont prélevés ans un tube de 6000mm de longueur de nuance A37 (TU 37 b) Une première série de 5 enfoncements a été réalisée. Les profondeurs de ces derniers sont données sur le tableau1 : Tab. 1 : Profondeurs des enfoncements réalisés. FIG.3.a : Essai d’enfoncement. FIG.3.b : Tube enfoncé destiné à l’essai d’éclatement. Lors des essais d’enfoncement la courbe charge-déplacement de l’indenteur à été enregistrée pour chaque essai. Par conséquent la profondeur de chaque enfoncement a pu être ainsi mesurée. Les résultats sont donnés par la suite dans le paragraphe résultats et discussions. 3.2 Les essais d’éclatement Pour réaliser les essais d’éclatement, deux fonds bombés ont été soudés a chaque extrémité du tube enfoncé (voir FIG.3.b). Les essais d’éclatement ont pour objectif la mesure de la pression d’éclatement de tubes comportant un défaut de type indentation (enfoncement). L’objectif de l’étude est de mettre en évidence l’influence de l’enfoncement (en particulier sa géométrie et sa profondeur) sur la tenue en service de la canalisation. Dans la littérature, on trouve par exemple la règle empirique suivante : « si la profondeur de l’enfoncement est supérieure à 1/10 du diamètre du tube, il faut changer ou réparer le tube sinon il n’est pas nécessaire d’intervenir». Trois tubes avec des enfoncements différents ont été éclatés, les résultats sont donnés dans le tableau 2. Tab.2 : Pression d’éclatement des trois tubes. FIG.4 : Eclatement d’un tube enfoncé. Enfoncement 19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009 4 La première remarque qui peut être faite est que les trois tubes ont éclaté “loin“ de l’enfoncement, comme le montre la photo de la figure 4. La seconde observation qui a été faite est que la pression d’éclatement est pratiquement constante pour les trois tubes (voir Tableau2). Deux tubes (tube 1 et tube 2) ont été instrumentés avec des rosettes 3D avant de les faire éclater. Les déformations mesurées par les jauges sont présentées dans le paragraphe “résultats et uploads/Geographie/eclatement.pdf