Dans cette communication, nous présentons une approche expérimentale portant sur l’étude de l’évolution des déformations résiduelles à travers la paroi des tubes en polyéthylène HDPE-80 sur le comportement mécanique d'une part et d'autre part, sur l’effet des agents chimiques se trouvant dans le sol et qui peuvent entre en interaction avec les tubes enfouis. Les résultats indiquent que le polyéthylène est très influencé par la présence d’acides et de solvants qui le dégradent. La modélisation des contraintes et des déformations résiduelles obéit à des équations très différentes de celles qui régissent la mise en forme du fondu. On remarque que les courbes des différentes éprouvettes ont la même allure, et les déformations commencent juste après le sectionnement donc à l'instant t = t0. Ces courbes ont une allure semblable à celle obtenue pour les courbes typiques de fluage des matériaux viscoélastiques semi-cristallins rencontrés dans la littérature

REHAB BEKKOUCHE, Souhila

I-Revues

21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
Caractérisation et modélisation des déformations résiduelles 
dans les tubes en polyéthylène haute densité de transport de 
gaz 
 
S. REHAB BEKKOUCHE 
a
, K. CHAOUI 
b
. 
 
a Département de Génie civil, Faculté de technologie, Université du 20 Aout 1955 Skikda 21000, Algérie, 
solrehab@yahoo.fr 
b Laboratoire de Recherche en Mécanique des Matériaux et Maintenance Industrielle (LR3MI), 
Département de Génie Mécanique, Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université Badji Mokhtar, BP 12, 
Annaba 23000, Algérie, chaoui@univ-annaba.org 
 
 
Résumé : 
Dans cette communication, nous présentons une approche expérimentale portant sur l’étude de l’évolution 
des déformations résiduelles à travers la paroi des tubes en polyéthylène HDPE-80 sur le comportement 
mécanique d'une part et d'autre part, sur l’effet des agents chimiques se trouvant dans le sol et qui peuvent 
entre en interaction avec les tubes enfouis. Les résultats indiquent que le polyéthylène est très influencé par 
la présence d’acides et de solvants qui le dégradent. La modélisation des contraintes et des déformations 
résiduelles obéit à des équations très différentes de celles qui régissent la mise en forme du fondu. 
Abstract : 
In this paper, we present an experimental study on the evolution of residual strain through the wall 
polyethylene pipes HDPE-80 on the mechanical behavior on the one hand and on the other hand, the effect 
chemical agents present in the soil and which can enter into interaction with the tubes buried. The results 
indicate that the polyethylene is strongly influenced by the presence of acids and solvents that degrade it. 
The modeling of residual stresses and deformations of equations obeys very different from those that govern 
the formatting of melted. 
Mots clefs : Mécanique/ déformations/ résiduelles/ environnement/ HDPE. 
1   Introduction 
Le développement des polymères est lié à leurs propriétés mécaniques, qui dépendent elles-mêmes de la 
microstructure. C'est ainsi que les polymères semi-cristallins ont pour la plupart une ténacité élevée qui 
répond aux exigences de produits devant résister à des conditions d'utilisation sévères (impact, fluage, 
fatigue). Parmi ces matériaux, le polyéthylène à haute densité reçoit une double attention depuis de 
nombreuses années [1]. 
A travers le monde et en Algérie, les résines de polyéthylène de haute densité (HDPE) sont  transformées en 
grandes échelles en tubes et assemblages  pour construire des réseaux de transport et de distribution de gaz 
naturel dans les villes. 
Les systèmes en PE supportent les effets des mouvements du sol dus aux instabilités et aux grandes 
variations de température. Du fait de leur bonne résistance à la fissuration, les canalisations en PE présentent 
un degré de fiabilité élevé dans des conditions d’utilisations normales. Dans ces conditions leur durée de vie 
est estimée à plus de 50 ans sur la base de courbes de régression construites à partir d’essais accélérés en 
pression hydraulique [2]. 
Les propriétés mécaniques dépendent dans une très large mesure de constitution du matériau, c'est-à-dire non 
seulement de sa composition chimique, mais aussi de l'organisation des diverses phases présentes (leur taille, 
leur forme, leur distribution), donc de sa microstructure [3].  
21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
La description des caractéristiques mécaniques des PE a été largement traitée dans la littérature. Par exemple 
de nombreuses études se sont consacrées à la caractérisation complète de la courbe de traction uniaxiale et à 
l'explication détaillée de ses différentes caractéristiques, certaines propriétés telles que le taux de 
déformation naturel restant encore à bien explorer [4].     
Ces propriétés peuvent être influencées par l'action des agents chimiques, les solvants agissent comme des 
plastifiants, et parce qu'ils augmentent la distance entre ces chaînes, la valeur du module d'élast icité du 
matériau diminue [3].   
Grâce à la nature paraffinique de sa molécule, le polyéthylène est extrêmement résistant à l'eau, l'absorption 
d'eau à la température ambiante étant négligeable. 
Le polyéthylène est susceptible de s'oxyder, en particulier en présence des rayons ultra-violets. Une 
exposition prolongée à la chaleur accélère encore l'oxydation, avec détérioration considérable des propriétés 
électriques et mécaniques et de l'aspect [5]. Le comportement des matériaux polymères à la déformation 
diffère de celui des métaux de construction en ce qu'il n'est pas seulement fonction de l'ordre de grandeur de 
la contrainte, mais également de la durée d'application. Le fluage des polymères et des plastiques peut être 
important, même à la température ambiante, alors que pour les métaux, il ne l'est jamais au-dessous de 
500°C. De plus, la température et le mode d'application de la contrainte affectent beaucoup plus les 
propriétés mécaniques des polymères et des plastiques que celles des métaux. Ces propriétés peuvent aussi 
être influencées par le procédé de fabrication, un traitement ultérieur et l'âge du produit fini. 
Dans des applications techniques, la déformation est un facteur bien plus important pour les plastiques que 
pour les autres matériaux. Le projeteur doit donc bien connaître le comportement mécanique des matériaux 
polymères pour ne pas dépasser les contraintes maximales permises afin d'éviter des ruptures. Comme pour 
la plupart des matériaux, une simple courbe traction- allongement constituera un bon élément de base pour 
connaître le comportement mécanique de tel plastique ou de tel polymère.  
Au cours du temps et selon les modes d'utilisation des matières plastiques, on observe souvent une altération 
de leurs propriétés, altération qui peut entraîner la mise hors service des produits. Le vieillissement des 
matières plastiques se manifeste par une dégradation, souvent lente mais toujours irréversible, de leurs 
propriétés. Des effets de cette dégradation découle de la notion de "durée de vie" du matériau, c'est-à-dire le 
temps nécessaire pour qu'une propriété (physique, chimique ou électrique) atteigne un seuil au- dessous 
duquel le matériau devient inutilisable [3]. 
Le but de ce travail est d’étudier l’interaction de quelques milieux chimiques avec les tubes en polyéthylène 
haute densité destinées à la distribution et au transport d’eau, en s’appuyant sur les résultats d’essais de 
traction uni axial. 
2 Etude expérimentale  
2.1 Matériau et préparation des éprouvettes 
Le matériau considéré est utilisé pour la production de tubes destinés à la distribution de gaz, ils sont de 
fabrication algérienne (Sonelgaz). Ces tubes ont un diamètre extérieur 125mm et intérieur 101mm et un SDR 
de 11. Ils possèdent les propriétés suivantes: 
Tableau I, Propriétés mécaniques et thermiques du polyéthylène utilisé dans les tests [6] 
Propriété Valeur 
Densité (g/cm
3
) 0,95 
Absorption d’eau (sur 24h basis) < 0,01% 
Coefficient d’ expansion thermique (106 K-1) 100-200 
Coefficient de Poisson 0,46 
Coefficient de frottement 0,29 
Dureté Rockwelll  (shore) D 60-73
 
Module de tension (GPa) 0,5-1,2 
Résistance aux chocs, IZOD (J/m) 20-210 
Résistance à la traction (MPa) 15-40 
 
La technique de préparation des éprouvettes consiste à tronçonner le tube par un tour universel en variant 
l’avancement dans le sens longitudinal. Pour maintenir le tube pendant l’usinage, un mandrin en bois est 
21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
préparé pour être emboîté par le tube (Kiass et Chaoui, 2004). L’outil à tronçonner utilisé est en acier et de 
1,8 mm d’épaisseur. Pour minimiser l’effet de la chaleur résultante au tronçonnage, la vitesse choisie a été 45 
rpm. Les éprouvettes choisies ont la forme de couronnes (anneau) d'une même largeur.  
2.2    Procédure Expérimentale  
Les essais présentés dans cette section ont été réalisés au LR3MI université d'Annaba. Les éprouvettes 
préparées a partir du tube de gaz, on été découpées suivant une génératrice, et imprégnées dans les 
environnements chimiques présentés dans le tableau 2, afin de déterminer l'effet de ces derniers sur les 
propriétés mécaniques du matériau et les déformations résiduelles en fonction du temps. 
Tableau II, Différents environnements chimiques 
 
Environnement 
chimique 
Nombre  
d'éprouvettes 
1% Hcl 2 
10% Hcl 2 
20% Hcl 2 
1% H2SO4 2 
10% H2SO4 2 
20% H2SO4 2 
Pétrole brut 2 
Toluène méthanol 2 
Eau distillée 2 
Air libre 1 
 
La première mesure des déformations à été effectuée après une demi heure de sectionnement et imprégnation 
dans les milieux chimiques à l’aide d’une réglette millimétrique transparente et flexible afin d’épouser la 
forme de l’éprouvette curviligne (figure 1 et 2).   
 
 
FIG. 1- Réglette millimétrique                                             FIG. 2- Eprouvette de gaz 
3 Résultats  
Les contraintes internes sont les plus fortes juste après leur apparition et donc les plus dangereuses pour les 
pièces finies. Le faite que les contraintes internes conduisent ou non à des processus de rupture dépend de la 
résultante des sollicitations extérieures et des contraintes internes qui relaxent au cours du temps. Aucune 
rupture ne se produit si la somme des contraintes subies par la pièce durant toute sa durée de vie reste, à tout 
moment, inférieure à la résistance en fluage ou à la durabilité du matériau [7]. 
La modélisation de ces contraintes et déformations résiduelles obéit à des équations très différentes de celles 
qui régissent la mise en forme du fondu. Entre deux instants successifs, l'incrément de contrainte ∆σ et 
l'incrément de déformation ∆ε sont reliés par l'équation: 
lT
E
p
E








 



 3
1
                                       
(1) 
 
21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
Le coefficient de poisson ν, le module de Young E et le coefficient de dilatation α dépendent bien entendu de 
la température, mais ils peuvent dépendrent également du temps (phénomène de relaxation), ainsi que de la 
cristallisation et de l'orientation des macromolécules qui peuvent être hétérogènes entre la peau et le cœur de 
la pièce [8]. 
Les résultats des déformations des échantillons en forme d'anneaux sont déterminés à partir du rapport entre 
la variation du diamètre extérieur de l’éprouvette et le diamètre extérieur initial. La déformation à l’instant t 
= ti est alors exprimée par la relation suivante :  
D
DD
t
itt
it
0
0


                                                                  
Où Dt0  et D it  sont le diamètre extérieur de l’éprouvette à l’instant t = 0 (temps initial) et à l’instant t = ti 
respectivement. 
On remarque que les courbes des différentes éprouvettes ont la même allure, et les déformations 
commencent juste après le sectionnement donc à l'instant t = t0. Ces courbes ont une allure semblable à celle 
obtenue pour les courbes typiques de fluage )(tf  des matériaux viscoélastiques semi-cristallins 
rencontrés dans la littérature [9, 10]. 
 
 
FIG. 3- Evolution des déformations des éprouvettes de tube HDPE 80 à 18 mois imprégnées dans les 
différents environnements chimiques 
 
Le comportement des éprouvettes sous l’effet des contraintes résiduelles illustré par les courbes de 
déformation en fonction du temps comme montré dans la figure 3 est décrit par les deux modèles 
mathématiques suivants qui ont été retenus parmi d’autres modèles: 
n
tA
     
et 
)(tLnCB      
Où t représente le temps écoulé en secondes alors que n, A, B, et C sont des paramètres propres au matériau 
polyéthylène obtenus par traitement des déformations mesurées.  Les valeurs de ces paramètres pour chaque 
éprouvette sont données dans le tableau 3. Elles sont obtenues par traitement statistique des résultats de 18 
mois d’observation. D’après les coefficients de détermination, il est constaté que la tendance est très bonne.  
Lors de la mesure du taux de déformation (dε/dt), qui est défini comme étant la première dérivée de la 
déformation par rapport au temps. Il a été trouvé que ce dernier diminue avec le temps et tend à s’annuler 
comme le montre la figure 4. 
Il est important de noter aussi que le taux de déformation diminue de manière monotone quand la densité 
diminue. Donc le taux de déformation diminue quand la densité des molécules de liaison augmente. Les 
(2) 
(4) 
(3) 
[10] 
21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
matériaux les plus résistants à long terme sont ceux qui ont un réseau dense et le moins déformable. La 
densité du réseau peut être interprétée en termes d'enchevêtrements et de molécules de liaison qui contribuent 
à sa solidité et sa résistance à la déformation [4].   
1,E-09
1,E-08
1,E-07
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08
T
a
u
x
 d
e
 d
é
fo
rm
a
ti
o
n
, 
m
m
/m
m
.s
-1 SR1 PE80 SR5 PE80
SR9 PE80 SR13 PE80
SR17 PE80 SR21 PE80
SR25 PE80 SR29 PE80
SR33 PE80 SR37 PE80
Temps, sec
 
FIG. 4- Variation du taux de déformation des éprouvettes du tube HDPE 80 avec le temps 
 
D'après le tableau 4 qui donne les valeurs de déformations des différentes éprouvettes du tube de gaz , On 
remarque que : 
Le pétrole brut et le Toluène méthanol sont les solvants qui ont un réel effet sur cette résine et marque une 
valeur très importante de la déformation par rapport aux autres environnements chimiques, ces derniers ont 
pratiquement le même effet et les valeurs des déformations enregistrées sont plus faibles par rapport aux 
solvants. Les résultats obtenus montrent un comportement conforme aux informations recueillis dans la 
littérature pour le polyéthylène [3, 11, 12].  
4  Conclusion  
Dans ce travail, nous avons déterminé l'influence des environnements chimiques sur les réseaux en HDPE de 
transport et de distribution du gaz naturel. 
Les résultats indiquent que le mélange toluène avec méthanol et le pétrole brut sont les plus absorbés par le 
HDPE et représentent les plus importantes valeurs des déformations et dégradation des propriétés du 
matériau. 
Les courbes ))(( tLnf  sont caractéristiques d’un comportement de fluage à court terme des matériaux 
viscoélastiques semi-cristallins. 
Le procédé d'attaque chimique des polymères est basé sur la différence de diffusion des agents corrosifs dans 
les phases amorphe et cristallite. La vitesse de pénétration dans la phase cristallite est en général plus faible 
dans la direction des chaînes que dans la direction perpendiculaire à celle-ci [13]. 
Références 
 [1] F. ADDIEGO. Caractérisation de la variation volumique du Polyéthylène au cours de la déformation 
plastique en traction et en fluage. Thèse de Doctorat, Lorraine, 2006. 
[2] M. Olivier HEHN. Analyse expérimentale et simulation thermomécanique du soudage bout à bout de 
tubes de Polyéthylène. Thèse de Doctorat, Paris, 2006. 
[3] J-P BAILON, J-M DARLOT, Des Matériaux, Presses Internationales Polytechnique, Montréal, 2004.  
[4] J. CAZENAVE. Sur le compromis rigidité/durabilité du polyéthylène haute densité en relation avec la 
structure de chaîne, la microstructure et la topologie moléculaire issues de la cristallisation, Thèse de 
Doctorat, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 2005. 
[5] D.C. MILES, J.H. BRISTON. Technologie des Polymères, Dunod, Paris, 1968. 
[6] Documentation STPM Chiali, Tubes polyéthylène (PE) et accessoires, Catalogue technique, Sidi Bel-
Abbes, 2000. 
21
ème
 Congrès Français de Mécanique                                                                         Bordeaux, 26 août au 30 août 2013 
 
 
[7] G.W. Ehrenstein, F. Montagne. Matériaux Polymères: Structure, Propriétés et Applications, Hermès 
Science Publications, Paris, 2000. 
[8] M. Carrega et coll, Matériaux polymères, matériaux industriels, Dunod, Paris, 2000. 
[9] S. Rehab Bekkouche et K. Chaoui, Effects of aggressive chemical environments on mechanical 
properties of polyethylene piping materials, First AIQ-International Conference on Fracture, Alger, 2008. 
[10] N. Kiass, Une nouvelle approche expérimentale pour l’étude de la variabilité des propriétés mécaniques 
des tubes semi- cristallins HDPE-80, Thèse de doctorat, Annaba, 2005. 
[11] J.P. Mercier et E. Maréchal, Traité des matériaux, Chimie des polymères, Lausanne, 1996. 
[12] N. Kiass et al. Exprimental Approach to Mechanical Property Variability through a High- Density 
Polyethylene Gas Pipe Wall, Journal  of Applied Polymer, 2005, Vol. 97, 272-281. 
[13] A. Marquez-Lucero, C. G’Sell, and K. W. Neale, Polymer, 30, 636, 1989. 
 
Annexe  
 
Tableau III, Valeurs des constantes A, B, C et n  et obtenues par traitement des résultats de 18 mois pour 
chaque éprouvette dans les différents milieux chimiques 
 
Milieu Spécimen A Exposant n B C Coefficient de détermination  
            
Modèle 
puissance 
modèle 
logarithmique 
1% Hcl SR1 PE80 0,0248 0,0958 0,0269 0,0031 0,9715 0,8227 
  SR2 PE 80 0,0244 0,096 0,0263 0,0031 0,9601 0,8028 
10% Hcl SR5 PE80 0,0233 0,1085 0,0261 0,0034 0,98 0,8209 
  SR6 PE80 0,0234 0,1057 0,026 0,0033 0,981 0,8268 
20% Hcl SR9 PE80 0,0239 0,1066 0,0268 0,0033 0,9808 0,8311 
  SR10 PE80 0,0241 0,0978 0,0262 0,0032 0,9625 0,8095 
1%H2SO4 SR13 PE80 0,0233 0,1075 0,026 0,0034 0,9766 0,8142 
  SR14 PE80 0,0228 0,1074 0,0253 0,0033 0,9704 0,7998 
10%H2SO4 SR17 PE80 0,0239 0,1021 0,0267 0,0031 0,9724 0,8311 
  SR18 PE80 0,0257 0,0927 0,0274 0,0032 0,9286 0,7844 
20%H2SO4 SR21 PE80 0,0235 0,1078 0,0263 0,0034 0,9791 0,8218 
  SR22 PE80 0,0229 0,105 0,0254 0,0032 0,9734 0,812 
Pétrole brut SR25 PE80 0,0253 0,1277 0,028 0,0053 0,9041 0,6833 
  SR26 PE80 0,026 0,119 0,0285 0,0048 0,9142 0,686 
Toluène  SR29 PE80 0,0282 0,1364 0,0328 0,0061 0,9362 0,7572 
 méthanol SR30 PE80 0,0287 0,1325 0,033 0,006 0,9353 0,7455 
Eau distillée SR33 PE80 0,0251 0,0858 0,0264 0,0029 0,9206 0,7637 
  SR34 PE80 0,0245 0,0945 0,0266 0,003 0,9712 0,8329 
Air libre  SR37 PE80 0,0249 0,0986 0,0271 0,0033 0,9641 0,8088 
 
Tableau IV, Déformations des éprouvettes de tube HDPE 80 en % 
N° d'éprouvette 
SR1 PE80 SR5 PE80 SR9 PE80 SR13 PE80 
SR17 
PE80 SR21 PE80 
SR25 
PE80 SR29 PE80 
SR33 
PE80 
SR37 
PE80 
Milieu chimique 1% 
Hcl 
10% 
Hcl 
20% 
Hcl 
1% 
H2SO4 
10% 
H2SO4 
20% 
H2SO4 
Pétrole 
brut 
Toluene 
méthanol 
Eau 
distillée 
Air 
 
Déformation (%) 6,62 6,87 6,87 6,62 6,62 6,87 10,44 10,44 6,62 6,87 
 


Caractérisation et modélisation des déformations résiduelles dans les tubes en polyéthylène haute densité de transport de gaz

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

I-Revues