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Fiche descriptive du sujet de thèse

Développement d'une méthodologie d'étude des soudures de pipelines en environnement hydrogène à l'aide de mini-éprouvettes

Développement d'une méthodologie d'étude des soudures de pipelines en environnement hydrogène à l'aide de mini-éprouvettes

Characterization methodology of pipeline weld joints under hydrogen atmosphere using miniature samples

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

MADI Yazid

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactYazid MADI
Date de validité

01/10/2021

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Ténacité, Mini-éprouvettes, Vieillissement, Acier, Hudrogène

Toughness, miniature samplse, ageing, steel, hydrogen

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. On développera les techniques expérimentales nécessaires pour obtenir les propriétés des zones soudées grâce à des mini-éprouvettes directement prélevées dans la soudure. Une caractérisation microstructurale sera mise en œuvre pour étudier les différentes zones de la soudure en utilisant différentes techniques expérimentales : microscopie optique et électronique, analyse inclusionnaire, analyse EBSD, etc. Une caractérisation mécanique des différentes zones de la jonction soudée sera réalisée en utilisant les éprouvettes de différents types. Les résultats seront intégrés à une base de données qui servira à ajuster des lois de comportement pour les différentes zones étudiées. Ces lois sont nécessaires pour bien interpréter/valider les résultats d'essais sur éprouvettes fissurées. On utilisera la méthode des éléments finis pour simuler cette base d'essais. Afin d'approcher au mieux des conditions de transport de gaz, un dispositif d'essai sous pression d'hydrogène sera également utilisé pour tester les mini-éprouvettes.

This PhD project is a part of “MESSIAH” industrial chair funded by the French National Research Agency (ANR). The chair aims at methodology development to track in service properties evolution of structures used for future hydrogen transport. The PhD work will be carried out in collaboration with RICE-GRTgaz which actually manages public pipeline network for high pressure gaz transport of the total length of more than 32000 km. The main objective of the PhD project is to develop the experimental methodology for mechanical characterization of pipeline weld joints using miniature samples machined directly from weld joints. The microstructure of different zones in weld joint will be characterized using optical and electron microscopy and EBSD. Mechanical characterization will require different sample types to adjust behaviour law for different weld zones and to integrate it to a specific database which further will be used for finite element analysis. To perform the mechanical tests in conditions close to service ones of hydrogen transport, a special experimental set-up will be developed for miniature samples.

Contexte

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.

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 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 dégradation des propriétés mécaniques due à l'action de l'hydrogène. L'intérêt du développement de ce type de méthodologie réside dans la possibilité de tester des équipements déjà en service pour évaluer leur comportement dans des conditions prospectives. Bien qu'il soit relativement facile de tester de petits échantillons en traction, 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.

GRTgaz est le gestionnaire d'un réseau de transport de gaz sous haute pression, long de plus de 32 000 km. Acteur résolument engagé dans la transition énergétique, GRTgaz s'est fixé pour objectif d'accueillir dans son réseau du gaz totalement décarboné (100% H2) ou partiellement décarboné (mix CH4-H2). Il est alors crucial de qualifier l'aptitude des différents tronçons au transport de l'hydrogène gazeux.
En préparation d'une telle injection, il est primordial pour GRTgaz d'évaluer les potentiels effets de l'hydrogène sur les propriétés mécaniques des aciers faiblement alliés utilisés pour la fabrication des tubes, mais également sur les zones soudées de fabrication (tube « roulé-soudé ») et d'assemblage (soudure de raboutage). En effet, un abaissement conséquent de la ténacité peut être observé sur certaines nuances soumises à l'hydrogène.
C'est dans ce contexte que GRTgaz souhaite disposer d'une méthodologie d'essai robuste sur petits prélèvements, permettant ainsi de caractériser la matière tout en assurant la continuité de l'approvisionnement en gaz.

Encadrement

Directeur de thèse : Yazid MADI - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Vladimir ESIN - Centre des Matériaux

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).
Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Bonnes connaissances de la mécanique et de la métallurgie. Connaissance de procédé de soudage serait un plus. Un goût prononcé pour le travail expérimental. Rigueur.


Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):
Excellent bakcground in mechanics and metallurgy. Knowledge of welding process is beneficial. Aptitude to experimental work. Accuracy.



Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant’s motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Objectif

Dans l'étude proposée, on développera les techniques expérimentales nécessaires pour obtenir les propriétés de deux zones soudées (soudure longitudinale de fabrication et soudure de raboutage) grâce à des mini-éprouvettes directement prélevées dans la soudure. Pour ce faire, les différents segments seront tout d'abord attaqués chimiquement pour révéler leurs microstructures. Il sera alors possible de sélectionner les différentes zones de la soudure : métal d'apport et zone(s) affectée(s) thermiquement (ZAT). L'apport de chaleur lors de l'opération de soudage provoque des changements microstructuraux dans la région adjacente aux joints soudés aisément identifiables par la révélation de grains. Une caractérisation microstructurale sera alors mise en œuvre pour étudier les différentes zones de la soudure en utilisant différentes techniques expérimentales : microscopie optique et électronique, analyse inclusionnaire, analyse EBSD. La méthodologie de prélèvement devra être définie.

Références

A.S.Bilat, « Estimation du risque de rupture fragile de soudures de pipelines en aciers à haut grade : caractérisation et modélisation ». Thèse Hal id : tel-00186517, 2007
Sabrine Ayadi , « Fissuration induite par l’hydrogène de polycristaux de fer déformés plastiquement : analyse expérimentale et simulation numérique ». Thèse HAL Id: tel- Soo-Yong Kim, Chang-Sung Seok. « Effect of specimen configurations on the fracture resistance curve ». Nuclear Engineering and Design, Nov 2001
01914955, 2018
Clément Soret, Yazid Madi, Jacques Besson. Justification of weld overmatch for strain based design applications . Twenty-sixth (2016) International Ocean and Polar Engineering Conference, Jun 2016, Rhodes, Greece. pp.406-415
Clement Soret, Yazid Madi, Vincent Gaffard, Jacques Besson. Local approach to fracture applied to the analysis of a full size test on a pipe containing a girth weld defect. Engineering Failure Analysis, Elsevier, 2017, 82, pp.404-419.
Y. Ma , A.Takikawa, J. Nakanishi, K. Doira, T. Shimizu, Y. Lu, N. Ma , « Measurement of local material properties and failure analysis of resistance spot welds of advanced high-strength steel sheets ». Materials and Design, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109505, January 2021
Bin Yanga, Fu-Zhen Xuan, Jing-Kai Chen, « Evaluation of the microstructure related strength of CrMoV weldment by using the in-situ tensile test of miniature specimen ». Materials Science & Engineering A, 2018
ZH. Ono, R. Kasada, A. Kimura. « Specimen size effects on fracture toughness of JLF-1 reduced activation ferritic steel ». Journal of Nuclear materials, 2004
L. Zeigham-Pour, Y. Madi, A. Carlucci « Mechanical characterization of weld metal for pipeline », Stage SAIPEM, 2016
Z.L. Zhang, M. Hauge, C. Thaulow, J. Ødegard, « A notched cross weld tensile testing method for determining true stress-strain curves for weldments », Engineering Fracture Mechanics 69 (2002) 353–366, 2001

Type financement

Convention CIFRE

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36298

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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