Thèse N. Gimenez Introduction Générale. Introduction générale

Transcription

1 Thèse N. Gimenez Introduction Générale Introduction générale 15

2 Le vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde/amine/verre. 16

3 Thèse N. Gimenez Introduction Générale Introduction Le prix du baril de pétrole frôle 70 $ en août 2005 et les calculs sur les réserves «prouvées» (indice de confiance de 0,95) tendent à annoncer seulement 50 années de consommation avant une pénurie. Un des principaux enjeux des consommateurs pour les prochaines années est certainement de diminuer raisonnablement leur consommation. Pour les grandes compagnies pétrolières, l objectif est d augmenter la quantité de ces réserves «prouvées». Pour cela, le nombre de champs pétroliers doit être élargi. L exploration au delà de 2500 mètres d eau est déjà courante depuis 1999 (3050 mètres atteints par Chevron Texaco en 2003). Le défi est actuellement d exploiter les champs recensés à ces profondeurs. Pour cela, de nouvelles techniques d exploitation doivent être mises au point. En effet, à 3000 mètres, les infrastructures des installations de production offshore sont spécifiques : elles comportent de grandes longueurs de conduites profondes qui mènent les effluents pétroliers à l infrastructure centrale assurant la liaison fonds-surface, le riser. Ces différentes conduites sont exposées à des températures faibles (de l ordre de 4 C) et des pressions élevées (30 MPa à 3000 m). Les hydrocarbures contenus dans les réservoirs exploités ont une température qui peut s élever jusqu à 130 C voire 180 C. Durant le transport, les effluents doivent rester à une température supérieure à 40 C pour éviter la formation d hydrates (complexe CH 4 /H 2 O de type glace) et de bouchons de paraffine associés à la baisse de viscosité inhérente au refroidissement des effluents. L objectif est donc de conserver la température intérieure des conduites et risers aussi élevée que possible pour maintenir un débit suffisant et durable («flow assurance»). Les opérations de maintenance, rapidement problématiques, doivent être réduites au maximum. C est pourquoi le nombre de pompes ou de points de réchauffe du fluide doit être limité. A ces profondeurs, l accent est donc mis dans l isolation passive des conduites que peuvent apporter une structure pipe-inpipe ou des revêtements isolants. Les mousses syntactiques sont composées de microsphères en verre creuses enchâssées dans une matrice polymère et peuvent présenter un coefficient de conductivité thermique initial de l ordre de 0,12 W.K -1.m -1 à 25 C et à pression atmosphérique. Leur utilisation est apparue à ce jour comme le meilleur compromis d isolation par rapport à la résistance à la pression hydrostatique et à l allègement des structures. A présent, il faudrait que ces mousses syntactiques soient qualifiées pour ces conditions d utilisation, en ultra grand fond pendant 20 ans. Les études sur ce type de matériaux en conditions haute pression / haute température sont rares car elles sont très coûteuses et nécessitent des moyens importants immobilisés pendant toute la durée du vieillissement. A l aide des moyens disponibles à l Institut Français du Pétrole, comme les réacteurs «haute pression», cette thèse vise justement à comprendre et modéliser les mécanismes de vieillissement des mousses syntactiques à matrice époxyde DGEBA/MCDEA pour l'isolation thermique des conduites en grande profondeur (3000 m). Jusqu à présent, la principale application des mousses syntactiques dans 17

4 Le vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde/amine/verre. le domaine offshore était les modules de flottabilité (pour les bouées d ancrage ou les véhicules sousmarin, par exemple). Mais l ajout d un gradient thermique modifie radicalement le comportement des mousses syntactiques et peut engendrer une prise en eau dramatique de ces matériaux, affectant les propriétés d isolation et d allègement. L altération du verre des microsphères est suspectée de jouer un rôle prépondérant dans la dégradation des mousses syntactiques. Bien que rarement prise en compte dans l étude des matériaux composites verre/polymère, l altération des verres est un sujet d étude très vaste portant sur de nombreuses applications : confinement des polluants, vitrification des déchets nucléaires, vitraux. Par conséquent, si la compréhension de ce phénomène n était pas essentielle à basse température, même sous haute pression, car la cinétique est alors très lente, elle le devient à haute température, comme c est le cas pour l application des mousses syntactiques à l isolation thermique offshore. Les propriétés mécaniques et thermiques des mousses syntactiques sont étudiées sous un nouvel angle, focalisé autour de la dégradation du verre des microsphères (verre de silice). Cette étude est donc par essence pluridisciplinaire, associant la chimie et la physique, les matériaux polymère et verre, mais aussi l approche «matériaux» et «mécanique». La complémentarité et le caractère original de ces axes de réflexion ont largement nourri ce travail. Cette thèse est rédigée en trois parties. La première présente le contexte de l étude et les matériaux étudiés. Un premier chapitre introductif propose une synthèse bibliographique et décrit les essais préliminaires de vieillissement effectués sur les microsphères seules. Le deuxième chapitre présente de façon détaillée la mise en œuvre et les matériaux formulés pour cette étude. Au nombre de sept, leur composition varie suivant le type de microsphères (dimensions comparables mais deux compositions de verre différentes) et la fraction volumique (0%, 30%, 45% et 55%). Les morphologies avant vieillissement, avec notamment des sections observées in situ par tomographie 3D-RX, et les caractéristiques mécaniques et thermiques initiales de ces matériaux sont données dans le troisième chapitre. La deuxième partie de la thèse est axée sur la méthodologie spécifique développée pour cette étude et sur les mécanismes de vieillissement du polymère époxyde dont est constituée la matrice des mousses syntactiques. Le chapitre 4 présente tous les types d essais qui ont pu être utilisés au cours de cette étude (gravimétrie, diélectrométrie, ATG, calorimétrie différentielle (ATD), mesure de conductivité thermique, compression uniaxiale et tomographie 3D-RX), illustrés sur la formulation de mousse syntactique la plus proche d un matériau industriel, et pour une seule combinaison des conditions de vieillissement (100 C en eau permutée sans pression additionnelle). Enfin, l étude du vieillissement du polymère époxyde constituant la matrice fait l objet du chapitre 5, pour servir de référence à l étude du vieillissement des mousses syntactiques. 18

5 Thèse N. Gimenez Introduction Générale La troisième partie de la thèse décrit l influence de différents paramètres sur le vieillissement des mousses syntactiques, discute les mécanismes d endommagement et propose une simulation de la prise en eau. Cette étude est fondée sur une large campagne d essais effectuée sur les sept matériaux formulés et engendrant le suivi de 74 essais différents pendant au maximum 18 mois. Les différents paramètres étudiés (chapitre 6) sont les paramètres matériaux (fraction volumique de sphères, type de verre) et les paramètres de conditions de vieillissement ou d exposition (température, pression, nature de l eau). La simulation analytique de la prise en eau proposée au chapitre 7 est basée sur les mécanismes de diffusion de l eau, de dégradation du verre et de remplissage de l intérieur des microsphères. En conséquence, les cinétiques d endommagement sont accessibles par les paramètres ajustables de la simulation, qui sont des données indispensables pour la prédiction de la prise en eau dans un environnement donné. Ces éléments de réponse sont essentiels pour l industrie dont l objectif ultime est la prévision de la durée de vie en service des structures d isolation thermique. D autre part, la compréhension des mécanismes de vieillissement des mousses syntactiques permettra de proposer des solutions ciblées pour l isolation thermique en offshore sous haute température / haute pression. Les points forts et les perspectives de ce travail sont présentées dans la conclusion générale. Plusieurs annexes figurent à la fin de ce manuscrit, présentant les détails des protocoles opératoires et quelques développements théoriques ponctuels. 19

6 Le vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde/amine/verre. 20