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Fiche descriptive du sujet de thèse

[POURVU] - Développement de mini-éprouvettes pour évaluer la ténacité de tubes de transport pour application H2

[POURVU] - Développement de mini-éprouvettes pour évaluer la ténacité de tubes de transport pour application H2

[PROVIDED] - Development of miniature samples to evaluate the toughness of transport tubes for H2 applications

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

ISMME - 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

Mini-éprouvettes, Ténacité, Effet d'échelle, Acier, Fragilisation hydrogène

Miniature samples, Toughness, Size effect, Steel, Hydrogen embrittlement

Résumé

Cette thèse sera réalisée dans le cadre de la chaire industrielle ANR 'MESSIAH' en partenariat avec Air Liquide (AL) et Mannesmann Precision Tubes France SAS (MPTFR).
Le programme MESSIAH propose d'utiliser des mini-éprouvettes (épaisseur : 1-3 mm) extraites d'installations en service pour évaluer et suivre le vieillissement de ces installations et la diminution des propriétés mécaniques due à l'hydrogène. La réalisation d'essais sur des mini-éprouvettes est un défi. Il faut étudier et rédiger des protocoles d'essai comprenant : l'extraction des échantillons, l'usinage, la pré-fissuration, les essais, l'extensométrie (mécanique ou optique), et étendre ces procédures à l'étude de la fragilisation par l'hydrogène, ce qui peut nécessiter le développement de dispositifs de chargement en hydrogène pouvant être utilisés sur les machines d'essais mécaniques.

La classification et le traitement de la grande quantité de données nécessiteront l'utilisation d'une terminologie et de méta-données normalisées. Les résultats seront rassemblés et traités à l'aide de la suite de programmes DATMECHA développée au Centre des Matériaux et seront utilisés pour ajuster les lois de comportement. Ces lois sont nécessaires pour interpréter/valider correctement les résultats des essais sur des éprouvettes fissurés et seront utilisées avec le code éléments finis Zset développé au Centre des Matériaux pour simuler la base d'essai.
La modélisation de la fragilisation par l'hydrogène nécessite de prendre en compte : la plasticité, la cinétique de diffusion de l'hydrogène dans un gradient de contrainte, le piégeage de l'hydrogène ainsi que l'effet de l'hydrogène sur la plasticité.
Les développements numériques avancés pour décrire la rupture et l'effet de l'hydrogène sur le comportement des métaux seront réalisés dans le cadre d'une autre thèse soutenue par le projet MESSIAH. Ces outils permettront l'analyse de la base de données d'essais et la validation de la méthodologie de transfert de mini-éprouvettes vers des éprouvettes standardisés.

This thesis will be carried out within the framework of the ANR industrial chair 'MESSIAH' in partnership with Air Liquide (AL) and Mannesmann Precision Tubes France SAS (MPTFR).

The MESSIAH program proposes to use mini-specimen (thickness: 1-3 mm) extracted from in-service facilities to evaluate and monitor the ageing of the installations and the decrease of mechanical properties due to hydrogen.Conducting tests on mini-specimens is a challenge. It requires studying and writing test protocols including : samples extraction, machining, pre-cracking, testing, extensometry (mechanical or optical), and extending thoses procedures to the study of hydrogen embrittlement which may need the developement of hydrogen loading devices that can be used on the mechanical testing machines.
The classification and processing of the extensive amount of data will require the use of standardized terminology and metadata. The results will be gathered and processed using DATMECHA program suite developed at the Centre of Materials and will be used to adjust behavior laws. These laws are necessary to properly interpret/validate the results of tests on cracked specimens and will be used with Zset finite elements code developed at the Center of Materials to simulate the test base.
The modeling of hydrogen embrittlement requires to take into account: plasticity, kinetics of hydrogen diffusion in a stress gradient, hydrogen trapping as well as the effect of hydrogen on the plasticity.
The advanced numerical developments to describe the fracture and the effect of hydrogen on the behavior of metals will be carried out in the framework of another thesis supported by the MESSIAH project. These tools will allow the analysis of the test database and the validation of the methodology of transfer from mini-specimen to standardised ones.

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 Air liquide (AL) et Mannesmann Precision Tubes France SAS (MPTFR).
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.

Air Liquide, leader mondial des gaz, technologies et services pour l'industrie et la santé, est une société très active dans le domaine de l'hydrogène énergie et couvre l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement depuis la production du gaz jusqu'à son utilisation dans les piles à combustible comme dans les voitures électriques à hydrogène. Le choix des matériaux soumis à exposition d'hydrogène sous haute pression et à du cyclage (phénomène de fatigue) est clé dans le design pour la sécurité et le développement des stations de remplissage hydrogène par exemple.
MPTFR est l'un des principaux fabricants européens de tubes de précision en acier sans soudure et soudés, laminés à chaud, soudés brut ou étirés à froid, propose ses produits dans une large gamme de dimensions pour l'industrie automobile et ses fournisseurs, la construction de machines et d'installations, et le secteur énergétique. L'une des problématiques à traiter dans la conception des tubes est la tenue en service sous charge. L'évaluation sur les performances de l'impact potentiel des fluides transportés dans les tubes et qui peuvent comporter une teneur en hydrogène significative, est également cherchée. La connaissance de l'évolution des caractéristiques en service et/ou sous charge est importante pour aider à la conception de ces tubes spécifiques.

Encadrement

Directeur de thèse : Yazid MADI - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Djamel MISSOUM-BENZIANE - 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 for 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

Le programme scientifique de cette thèse contribuera à définir les protocoles d'essais sur mini-éprouvettes étudiés dans le cadre de la chaire MESSIAH.
Les essais seront réalisés à la fois à l'atmosphère et en environnement hydrogène. L'étude expérimentale de la fragilisation par l'hydrogène nécessite de charger les aciers. La procédure la plus simple consiste à électrolyser l'eau avec une solution facilitant l'absorption des protons ainsi créés (par exemple NaCl + NH4SCN [1]). Compte-tenu de la taille réduite des éprouvettes, une perte en hydrogène est vraisemblable si le chargement n'est pas maintenu durant les essais mécaniques. Il est donc proposé de développer des dispositifs de chargement utilisables sur les machines d'essai. Il est également possible de conduire les essais sous pression partielle d'hydrogène. Les valeurs de pression sont de plusieurs centaines de bars, [2, 3]. Cette technique est bien sûr plus proche des conditions de transports des gaz mais beaucoup plus lourde à mettre en œuvre. Les essais seront conduits sur des éprouvettes (traction, traction entaillée, CT ou SENT, Charpy, …) de taille « standard » et de petite taille (épaisseur : 1-3 mm). Des essais de taille intermédiaire seront également envisagés pour étudier de manière exhaustive l'effet d'échelle. La norme ISO-11114-4 propose de réaliser des tests sur les disques de petite taille soumis à une pression d'hydrogène croissante, [3, 4]. Une revisite du design de l'éprouvette de l'essai de disque sera également prévue durant ce projet. Les essais sous H2 pourront être effectués au Centre des Matériaux (chargement cathodique et pression de gaz) et chez le partenaire Air Liquide (essai de disque sous pression de gaz).

Deux nuances de matériaux d'aciers de canalisation de transport de gaz seront étudiées durant cette étude : une nuance « vintage » et une deuxième nuance « moderne », qui se distingueront par le taux d'inclusions à l'origine de la rupture. Une caractérisation métallurgique sera réalisée pour les 2 nuances : analyses chimiques, analyses inclusionnaires à l'origine de la rupture, métallographies des aciers dans les 3 directions (L, T et S), EBSD, etc.

L'ensemble des essais mécaniques sera rassemblé en distinguant : (i) essais sur éprouvettes standardisées (avec et sans H2), (ii) essais sur mini-éprouvettes, (iii) essais sur mini-éprouvettes avec H2, et (iv) essais sur éprouvettes de taille intermédiaire. La réalisation d'essais sur les mini-éprouvettes est un défi. Cela nécessite d'étudier et de rédiger les protocoles d'essai comprenant l'extraction du composant, l'usinage, la pré-fissuration, les essais, y compris l'extensométrie (mécanique ou optique), et d'étendre ces procédures à l'étude de la fragilisation par l'hydrogène. Le classement et le traitement des nombreuses données seront abordés grâce à une terminologie normalisée permettant de créer des méta–données. Ces résultats seront regroupés et traités dans une base de données commune qui sera analysée systématiquement grâce à une suite de programme DATMECHA (DATabase for processing of MECHAnical tests) développée par le centre des matériaux permettant de structurer les données et les connaissances. Ces résultats serviront à ajuster des lois de comportement. 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 à l'aide du code de calcul Zset développé par le centre des matériaux.

Références

[1] A. Shibata, Y. Madi, K. Okada, N. Tsuji, and J. Besson. Mechanical and microstructural analysis on hydrogen-related fracture in a martensitic steel. Int. J. Hydrog. Energy, 44(54) :29034–29046, 2019.
[2] I. Moro, L. Briottet, P. Lemoine, E. Andrieu, C. Blanc, and G. Odemer. Hydrogen embrittlement susceptibility of a high strength steel X80. Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process., 527(27-28) :7252–7260, 2010.
[3] L. Briottet, R. Batisse, G. de Dinechin, P. Langlois, and L. Thiers. Recommendations on X80 steel for the design of hydrogen gas transmission pipelines. Int. J. Hydrog. Energy, 37(11) :9423–9430, 2012.
[4] Y. Charles, M. Gaspérini, J. Disashi, and P. Jouinot. Numerical modeling of the Disk Pressure Test up to failure under gaseous hydrogen.J. Mater. Processing Technol., 212(8) :1761–1770, 2012.
[5] A. L. Gurson. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth : Part I— Yield criteria and flow rules for porous ductile media. J. Engng Mater. Technol., 99 :2–15, 1977
[6] J. Besson. Continuum models of ductile fracture : a review. Int. J. Damage Mech., 19 :3–52, 2010.
[7] I.M. Robertson, P. Sofronis, A. Nagao, M.L. Martin, S. Wang, D.W. Gross, and K.E. Nygren. Hydrogen embrittlement understood. Metall. Mater. Trans. B, 46B :1085–1103, 2015.

Type financement

Contrat de recherche

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36727

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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