Les matériaux composites haute performance pour les structures en mer High-Performance Composite Materials for Offshore Structures

Dans cet article est donné un aperçu des principales propriétés et caractéristiques des matériaux composites constitués à partir de fibres et de résine, ainsi que des structures les utilisant. Après une revue des différentes fibres susceptibles d'être utilisées, on décrit brièvement les propriétés des composites unidirectionnels, qui sont des matériaux anisotropes, puis les caractéristiques qu'ils confèrent aux structures les utilisant. On examine en particulier les problèmes liés aux raccordements, puis les phénomènes de durabilité, vieillissement et fatigue. Deux illustrations choisies de conduites composites tubulaires pour utilisations pétrolières en mer sont présentées : l'une dans le domaine des canalisations moyenne pression de sécurité d'incendie, l'autre dans le domaine nouveau des tubes haute pression de liaison fond-surface de plate-forme. <br> This article deals with the principal properties and characteristics of composite materials made from fibers and resin as well as of the structures that use them. After reviewing the different fibers that can be used, it briefly describes the properties of one-directional composites, which are anisotropic materials, and then the characteristics they give to the structures in which they are used. Particular attention is paid to problems linked to connections as well as to properties of durability, aging and fatigue. Two illustrations are described of composite tubes for offshore petroleum uses. One of them is in the field of medium-pressure fireproof lines, and the other concerns the new field of high-pressure production riser system

ÉTUDE DES NIVEAUX EXCITÉS DE L'INDIUM-115

Par spectrométrie gamma directe et en coïncidence, on étudie la désexcitation des niveaux de l'indium-115 entre 900 et 1 600 keV, qui peuvent être considérés comme des états vibrationnels.De-excitation of indium-115 levels, between 900 and 1 600 keV, has been studied using gamma-ray spectrometers and coincidence techniques. These levels might be considered as vibrational states

Structures tubulaires minces en matériaux composites. Principes de calcul

Cet article présente une méthode de calcul des structures composites fibres-résine appliquée aux cas des tubes minces. Outre l'établissement des relations contraintes - déformations généralisées des tubes à partir des caractéristiques des matériaux de base et de leur orientation, on pose les relations permettant de calculer leur comportement et leur dimensionnement sous des charges axisymétriques combinées de traction, pression et flexion. Une méthode simplifiée applicable au cas des composites microfissurés est aussi présentée. On montre ensuite, à travers quelques exemples concrets d'applications, les propriétés intéressantes ou inhabituelles que le matériau permet de conférer aux structures

Composite Risers for Deepwater Applications Risers composites pour applications en mer profonde

This paper is devoted to the high performance composite tubes developed by the Institut Français du Pétrole (IFP) and Aerospatiale for deepwater risers applications. The design principles of the tubes are first presented, along with results of preliminary work carried out as part of the initial feasibility study. Applications of composite tubes to drilling riser Kill and Choke lines and to TLP production risers, both of which have been studied in detail, are then described. Technical and operational advantages obtained from such applications are discussed. <br> Cet article présente les travaux réalisés par l'Institut Français du Pétrole et l'Aerospatiale dans le domaine des tubes composites haute performance pour les applications aux liaisons fond-surface de forage et de production en mer profonde. Les matériaux composites avancés sont une classe de matériaux très particulière, présentant à la fois des caractéristiques mécaniques élevées et une densité spécifique faible. Ils sont utilisés principalement par les industries de l'aéronautique et de l'espace, mais l'industrie pétrolière en mer profonde est un secteur où ils peuvent trouver dans l'avenir des applications très intéressantes, notamment les tubes de risers. Les tubes de risers pétroliers en mer présentent en effet une gamme de spécifications élevées (diamètres, pression, traction, fatigue dans un environnement sévère) et leur poids suspendu peut pénaliser fortement les systèmes de forage ou de production par grande profondeur d'eau. Un premier concept de tube composite haute performance a été développé par IFP et Aerospatiale au début des années 1980 ; sa partie courante, réalisée par enroulement filamentaire de fibres de verre R ou de fibres de carbone, et son système d'embout ont été soumis à une série d'essais mécaniques (pression interne jusqu'à 105 MPa, traction supérieure à 1 000 kN pour un diamètre nominal de 0,1 m, millions de cycles de fatigue) qui ont permis de valider et d'améliorer les principes. La première application visée fut le forage en mer profonde. L'étude d'un riser de forage grande profondeur, menée dans le cadre des campagnes de forage en Méditerranée profonde au début des années 80, a permis d'identifier que sa période propre de résonance longitudinale pouvait se rapprocher dangereusement de celle de la houle dans certaines conditions opérationnelles. Le remplacement des lignes périphériques haute pression (dites Kill and Choke lines, 105 MPa de pression de service) par des lignes en matériaux composites est alors un moyen élégant d'améliorer ce comportement par une diminution substantielle de la masse, à la fois du composant structurel mais aussi des mousses syntactiques nécessaires pour maintenir la flottabilité du riser. Un essai en mer en vraie grandeur était mené en 1983 sur un riser de forage dans les conditions sévères de la mer du Nord, avec le concours de Total Compagnie Française des Pétroles. Mais les principaux débouchés potentiels identifiés des tubes composites haute performance dans l'industrie pétrolière marine sont les risers de Plates-formes à Lignes Tendues. Des avantages d'allègement très importants peuvent en être retirés en mer profonde, permettant des gains sur le système global capables de justifier le surcoût lié à l'emploi du composite. Deux importants programmes de qualification ont été menés sur ce thème en collaboration avec d'importantes compagnies pétrolières internationales : l'un a permis de démontrer que les tubes composites pouvaient être dimensionnés avec précision et tenir l'ensemble des spécifications requises (105 MPa à l'éclatement pour un diamètre nominal de 0,23 m, 4 500 kN à rupture avec température interne de 110°C), avec notamment un comportement en fatigue excellent ; l'autre était dédié à la tolérance aux défauts et aux méthodes de contrôle non destructifs applicables, et a aussi permis d'obtenir des résultats significatifs favorables à l'utilisation opérationnelle des composites

Développement d’une approche explicite du couplage entre vieillissement hygrothermique et dégradation par fatigue des composites unidirectionnels à fibres de verre sollicités longitudinalement

Sous l’action de l’eau et d’un chargement de flexion longitudinale, la durabilité des composites unidirectionnels à renfort verre est conditionnée par la rupture différée de monofilaments sur la face en traction des éprouvettes. La confrontation des cinétiques de rupture des fibres au sein d’écheveaux et de composites soumis à des sollicitations statiques en milieu humide montre que ce phénomène est attribuable à des mécanismes de corrosion sous contrainte. En outre, la corrélation entre rigidité macroscopique et nombres de fibres rompues permet de justifier certaines des propriétés particulières des cinétiques de perte de raideur d’un composite en relaxation

Développement d'un modèle de durabilité de poutres composites unidirectionnelles renforcées par des fibres de verre

Les interactions entre le vieillissement humide de composites unidirectionnels verre/époxy et leur tenue en fatigue par flexion sont ici abordées dans le cadre d'un modèle de durabilité fondé sur des notions de corrosion sous contrainte. L'étude est focalisée sur les stades initiaux de l'endommagement par fatigue, qui sont caractérisés par l'accumulation diffuse, à l'échelle microscopique, des ruptures différées des monofilaments de verre constituant le renfort. Ces processus sont décrits à l'aide d'un modèle de corrosion sous contrainte faisant appel, d'une part, à la distribution initiale des défauts de surface des fibres, d'autre part, à la cinétique de croissance sous-critique de ces mêmes défauts sous l'action combinée des contraintes et de l'humidité. Ces aspects sont validés expérimentalement sur des mèches de fibres non imprégnées, puis à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif de composite. L'existence d'une relation empirique entre la densité de fibres rompues et la raideur en flexion trois points du matériau permet alors d'établir des expressions prédictives de la raideur. Celles-ci sont déduites du calcul de la probabilité de survie des fibres de verre. Le modèle aboutit à la détermination des cinétiques de perte de raideur de poutres de flexion composites en fonction de la nature du chargement mécanique de fatigue (niveau de déformation, fréquence, rapport de sollicitation) et des paramètres environnementaux (température, humidité). Les prédictions sont confrontées à des résultats expérimentaux obtenus sous chargements monotones, quasi statiques (relaxation) et de fatigue cyclique

A methodology based on territorial metabolism analysis to assess the multi-criteria sustainability of African village terroirs with contrasted crop-livestock systems

Context : Agricultural intensification to ensure food security and limit rural exodus is a major issue in sub-Saharan Africa. The potential of livestock farming to improve the sustainability of farming systems has been studied but rarely at the landscape level. However, because the herds move about in the landscape, thereby creating horizontal biomass and nutrient flows between plots and households, the landscape is the only level where all the interactions between the different components of the agro-ecosystem (animals, crops and trees) can be considered. Objective : Our objective was to develop a methodology that uses territorial metabolism for multicriteria assessment of sustainability to compare contrasted livestock systems. Methods : We compare two neighboring village terroirs in the former groundnut basin of Senegal. One village (Diohine), has kept a 'traditional extensive system' based on fallow, free grazing and night corralling, while the other (Barry) uses a 'modern semi-intensive system' based on livestock fattening in which the livestock is stall-fed with feed concentrate and crop residues. During the survey, village households were asked to describe their practices and to quantify biomass and nitrogen (N) flows to enable us to calculate sustainability indicators (productivity, balance, efficiency, dependency, profitability) at plot, household and village terroir levels. Results and conclusions : At village terroir level, introducing livestock fattening increased the livestock stocking rate (0.96 TLU ha-1 in Diohine and 2.31 TLU ha-1 in Barry) and spreading of solid manure on crop fields (respectively 337 and 482 kgDM ha-1). Fattening livestock requires large imports of feed concentrate, 23.67 kgN ha-1 in Barry versus 3.39 kgN ha-1 in Diohine. The improved livestock productivity of fattening (+217 kgLW ha-1) produces higher financial returns (+432€ household-1 year-1) that enable the use of more mineral fertilizers (6.28 kgN ha-1 in Barry versus 1.09 kgN ha-1 in Diohine). The additional N inputs in Barry enable increased yields of the main staple crop (millet) (+101 kgDM ha-1). The population density of Barry village is +78% higher (320 capita km-2 in Barry versus 180 capita km-2 in Diohine). The village nitrogen balance (24.88 kgN ha-1 in Barry versus 8.51 kgN ha-1 in Diohine) and N use efficiencies (respectively 0.64 and 0.15) demonstrate that nutrient cycling and soil fertility management are more sustainable in Barry. Significance : We propose a methodology to rebuild territorial metabolism from surveys. Territorial metabolism is used to calculate a set of multi-criteria sustainability indicators. This methodology will be particularly useful in sub-Saharan Africa where data on agricultural systems are lacking