Etude de la fissuration des canalisations en polyéthylènes haute

Transcription

REP
U
UBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
NIVERSITE DES
S
CIENCES ET DE LA TEC HNOLOGIE D
’O
RAN
MOHAMED BOUDIAF
FACULTE
DES SCIENCES
Département de Chimie industrielle
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Diplôme
de Master en physico-chimie des matériaux minéraux
et développement durable
OPTION : chimie industrielle
Présenté par : Mlle. ZEGGAI HANANE
Etude de la fissuration des
canalisations en polyéthylènes
haute densité
Mr.
Mr.
Mr.
Mr.
Mr.
……………………………………
. ……………………………………
……………………………….……
AIT SAADI Bachir
AYOUNI Abdelillah
Juin 2014
Président
Examinateur
Examinateur
Promoteur
Co-promoteur
Table de matières
Page
Dédicace.……………………………………………………………………………………………………………….……….....
i
Remerciements …………………………………………………………………………………………………………...……
ii
Résumé…………………….………………………………………………………………………………..……………………..
iii
Sigles et abréviations.……………………….………………………………………..…………………..………….…...
iv
Lexique des principales variables.…………….…………………………………..…………………………………...
v
Liste des figures………………………………..…………………………………………………………………………....…
vi
Liste des tableaux…………………………………………………………………..………………………………….....….
ix
Introduction Générale ……………………………………………………………………………………..…….…….…..
01
Partie bibliographique
Chapitre I
Polymères et Polyéthylènes
I-1 Introduction……………….……………………………………………………………………………..………..……....
05
I.2 Les Polymères ………………………………………………………………………………………………..………….
05
I.2.1 Définition ………………………………………………………………………………………………….……....
05
I.2.2 Structure …………………………………………………………………………………………..…….………....
06
I.2.2.1 Polymères linéaires ………….………………………………………………………….…..……...
06
I.2.2.2. Polymères ramifiés………………………………………………………………………….……...
06
I.2.2.3. Polymères tridimensionnels .…………….……………………………………………………
06
I.2.3 Classification des polymères………………………………………………………………………….……
08
I.2.4 Applications……………………………………………………………………………….……………….………..
08
I.3 Le Polyéthylène ……………………………………………………………………………………………………………
10
I.3.1. Définition …………………………………………………………………………………………………………..
10
I.3.2 Historique …………………………………………………………………………………………………………..
11
I.3.3 Fabrication………………………………………………………………………………………………….……..
11
I.3.3.1 Distillation ………………………………………………………………………………………….…..
11
I.3.3.2 Vapo-craquage ………………………………………………………………………………………..
12
I.3.3.3 Polymérisation ………………………………………………………………………………….…….
12
I.3.3.4 Granulation ………………………………………………………………………………………….…
12
I.3.4. Caractéristique ………………………………………………………………………………………………….
12
I.3.5 Type de polyéthylène …………………………………………………………………………………………
13
I.3.5.1.Polyéthylène haute densité (PEHD) ………………………………………………………….
13
I.3.5.2. Polyéthylène basse densité (PEBD) …………………………………………………………
13
I.3.5.3. Polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL)……………………………………………
14
I.3.6 Propriétés ………………………………………………………………..…………………………………………
14
I.3.6.1 Propriétés physiques ……………………………………………….………………………………
14
I.3.6.2 Propriétés chimiques ………………………………………………………………………………
14
I.3.7 Applications …………………………………………………………………….…………………………………
15
Chapitre II
Les canalisations en polyéthylène haute densité
II.1Introduction…………………………………………………………………………………………………………………
17
II.2 Extrusion des tubes PEHD ……………………………………………………………………………………………
17
II.3 Caractéristique des tubes PEHD …………………………………………………………………………………… 18
II.3.1 Résistance à la fissuration sous contrainte …………………………………………..………………
18
II.3.2Résistance à la propagation rapide des fissures ……………………………………………………
19
II.3.3 Résistance à l'abrasion ……………………………………………………………………………………
20
II.3.4 Résistance chimique……………………………………………………………………...……………………
20
II.3.5 Influence du climat ……………………………………………………………………………………………
20
II.3.6Tenue à la pression à 20°C …………………………………………………………….……………………
21
II.3.7Influence de la température du fluide ………………………………………………….………………
21
II.4 Avantages des tubes en PEHD………………………………………………………………………………………
21
II.5 Application des tubes PEHD………………………………………………………………………….………………
22
II.5.1 La distribution d'eau potable …………………………………………………………………………….
22
II.5.2 La distribution de gaz ………………………………………………………………………………………
23
II.5.3 L’assainissement sous pression …………………………………………………………………………
23
II.5.4 Les réseaux anti-incendie………………………………………………………………………………….
24
II.5.5 Le dessalement de l'eau de mer…………………………………………………………………………
24
II.6 Transport, manutention et stockage des tubes en PEHD………………………………………………… 24
II.6.1 Transport …………………………………………………………………………………………………………
24
II.6. 2 Chargement et déchargement ……………………………………………………………………………
25
II.6.3 Manutention ………………………………………………………………………………………………………
26
II.6.3 Stockage ………………………………………………………….…………………………………………………
26
II.7 Méthode d’assemblage des tubes en PEHD……………………………………………………………………
27
II.7 .1 Electrosoudage…………………………..………………………………………………………………………
27
II.7 .2 Soudage bout à bout……………..……………………………………………………………………………
27
Chapitre III
Le procédé de fissuration des canalisations PEHD
III.1. Introduction …………..……………………………………………………….………………………………………
31
III.2. Rupture des tubes en Polyéthylène ……………..……………………………………………………………
31
III.3 Modes de rupture……………..……………………………………………………………………………………….
32
III.3.1 Comportement général : transition ductile-fragile du Polyéthylène …………………
33
III.3.2 Amorce de la rupture (formation de la craquelure) …………………………………………
34
III.3.3 Propagation……………..…………………………………………………………………………………….
40
III.3.3.1 Propagation lente de fissure ……………………………………………………………..
40
III.3.3.2 Discontinuité de la fissuration lente ………………………………………………….
41
Partie Expérimentale
Chapitre IV
Les techniques de traitement et d’analyse à TUBEX
IV-1 Présentation de la SARL TUBEX ………………………………………….…….………………………………..
45
IV-2 Le polychlorure de vinyle(PVC) à TUBEX. …………………………………………………………………..
46
IV-2.1 Domaines d'Application du tube PVC assainissement……………………………………….
46
IV-2.2 Choix du tube "évacuation" …………………………………………………………………………….
47
IV-2.3 Etanchéité ……………………………………………………………………………………………………...
47
IV-3 Le polyéthylène ………………………………………………………………………………………………………...
47
IV-3.1 Caractéristiques chimiques du Polyéthylène…………………………………………………….
47
IV-3.2 Domaines d'Application…………………………………………………………………………………..
48
IV-4 Polyéthylène basse Densité (PEBD)…………………………………………………………………………….
48
IV-5 Polyéthylène Haute Densité (PEHD)……………………………………………………………………………
48
IV-5 .1 Avantages propres au PE100 …………………………………………………………………………
48
IV-5 .2 Adduction d'eau potable ………………………………………………………………………………..
49
IV-5 .3 Transport du GAZ…………………………………………………………………………………………..
50
Chapitre V
Etude et analyse de la fissuration de polyéthylène PEHD
Introduction ……………….…………………………………………………………………………………………………
52
Partie 1 : Méthode d’essai a la virole…………………………………………………………………………..
52
V-1 Milieu tensioactif ………………………………………………………………………………………………………
52
V-2 Appareillage …………………………………………………………………………………………………………….
53
V-.2.1 Bac thermo régulé ………………………………………………………………………………………...
53
V-.2.2 Virole (mandrin) …………………………………………………………………………………………...
53
V-.2.3 Presse ou étau …………………………………………………………………………………………..…..
54
V-.2.4 Dispositif d’entaillage ……………………………………………………………………………..……..
54
V-.2.5 Eprouvettes ………………………………………………………………………………………..…………
54
V-3 Mode opératoire………………………………………………………………………………………..……………...
54
V-3.1 Introduction de la virole ………………………………………………………………………………..
55
V-.3.2 Entaillage ………………………………………………………………………………..…………………...
55
V-3.3 Immersion de l’éprouvette ……………………………………………………………………………..
55
V-3.4 Calcul de la distance de fissuration ……..………………………………………………………..
56
V-4 Discussion………………………………………………………………………………………………….……………...
61
Partie2 : Méthode d’essai sur tube entaille…………………………………………………………………..
62
VI-1 Appareillage…………………………………………………………………………………………..…………………
62
VI-2 Préparation des éprouvettes…………………………………………………………………………..…………
63
VI-2.1 Eprouvettes ………………………………………………………………………………….……………...
63
VI-2.2 Emplacement des entailles……………………………………………………………..………………
63
VI-2.3 Usinage des entailles………………………………………………………………….………………….
63
VI-2.4 Nombre d’éprouvettes ………………………………………………………………..…………………
65
VI-3 Mode opératoire………………………………………………………………………………….…………………...
66
VI-3.1 Essai de pression hydrostatique …………………………………………………..………………..
66
VI-3.2 Mesurage de l’entaille en profondeur et en surface du tube …………………………….
66
VI-3.2.1 Mesurage de l’entaille longitudinale en surface ……………………………………………
66
VI-3.2.2 Mesurage de l’entaille en profondeur …………………………………………………………
67
Partie 3 : Réduction de la propagation des fissures sur PEHD…………..…………………….….
71
VII.1 Réduction par l’écrasement du tube à l’extrémité de la fissure…………………………………..
71
VII.2 Réduction par écrasement de la matière à l’extrémité de la fissure sur toute la
longueur de la virole ……………………………………………………………………………………………….
74
VIII-1 Comparaisons entre essai à la virole (1ère partie) et essai à l’écrasement (3ème
partie)…………………………………………………………………………………………………………………….
77
VIII-2 Discussion………………………………………………………..……………………………………………………..
78
Conclusion ……………………..………………………………………………………………………………………..........
80
Bibliographie……………………………………………………………………………………..…………….………………
83
Annexe……………………………………………………………………………………………………………………………
II
Dédicaces
A la mémoire de mes grands parents.
A mes parents dont le rêve était toujours de me voir réussir.
Qu’ils sachent que leur place, dans mon cœur et ma pensée,
reste et demeure immense.
A mes chers sœurs et frère pour le soutien dans la vie et qui
m’ont compris aidé et supporté
i
Remerciements
Je remercie Monsieur *******
de la faculté des sciences à
l’Université des Sciences et de la Technologie d'Oran pour avoir
bien voulu présider mon jury d’examination.
Je remercie vivement mon encadreur Monsieur
SAADI
BACHIR AIT
pour l’aide précieuse et la grande disponibilité
manifestée lors de l’élaboration de ce mémoire.
Je
remercie
aussi
mon
ABDELILLAH AYOUNI
second
encadreur
Monsieur
pour l’aide précieuse ainsi que les
essais et les analyses faits au sein de TUBEX
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur *******
d'avoir accepté de prendre part dans ce jury.
Mes remerciements vont en particulier à monsieur Le Directeur
de l’unité TUBEX pour l’attention qu’il a manifestée à l’égard de
mon travail et de m'avoir accueilli au sein de son unité.
Mes remerciements vont aussi à MUSTAPHA TAHAR
SADOK MERCHI
et
Contrôleurs à l’unité TUBEX pour leur
contribution à la réussite de ce mémoire.
J'adresse mes remerciements à mes enseignants de la faculté des
sciences (département de chimie industrielle) qui ont contribué à
ma formation.
Je tiens en fin à exprimer ma sincère reconnaissance à ma famille
qui m’a soutenu et encouragé sans ménage durant mes études.
ii
Résumé
Les nouvelles canalisations de transport et de distribution de gaz installées à
travers le monde et en particulier en Algérie,
sont faites exclusivement en
polyéthylène (PE) en raison de ses avantages et ses performances.
Un intérêt particulier est accordé aux phénomènes de rupture et de fiabilité dans
l'utilisation des polyéthylènes. L’objectif de cette étude, menée conjointement avec
la société TUBEX, est de mettre en relief
les problèmes de rupture auquel
l’homme aura à faire aussi longtemps qu’il fabriquera des structures.
Aussi par les techniques d’assemblage ou de soudage que l’homme doit inventer et
mettre en place un processus pour réduire les problèmes d’interaction (fatigue,
fissuration, …).
Une étude expérimentale sur des éprouvettes en polyéthylène haute densité
(PEHD) a été réalisée au laboratoire pour comprendre le phénomène des
fissurations. L’analyse des contraintes et des déformations au voisinage des fonds
de fissures constitue une base nécessaire pour la compréhension du
comportement des pièces fissurées.
Mots clé : polyéthylène, rupture, fissuration, PEHD.
iii
Sigles et abréviations
ESCR
: Environnemental Stress Crack Resistance
PEBD
: PolyEthylène Basse Densité
PEBDL
: PolyEthylène Basse Densité Linéaire
PE-BDL
: PolyEthylène Basse Densité Linéaire
PE-BDR
: PolyEthylène Basse Densité Radicalaire
PEHD
: PolyEthylène Haute Densité
PMS
: Pression Maximale en Service
PN
: Pression nominale
PP
: PolyPropylènes
PPE
: ProPylEne
PS
: PolyStyrènes
PVC
: PolyVinyles de Chlorure
RCP
: Rapid Crack Propagation
RN
: Route Nationale
SCG
: Slow Crack Growth
SONELGAZ
: SOciété Nationale d’Electricité et du GAZ
TUBEX
: Société par action (SARL)
UV
: UltaViolet
: Méga Pascal
√
: Méga Pascal par racine du mètre
: mètre
iv
Lexique des principales variables
: Variation de longueur (mm)
: Variation de température (K°)
: Longueur de tube considéré (m)
: Coefficient de dilatation (mm/m°K)
T
:
Tg
: Température de glissement
Tf
: Température de fibrille
da/dt
k
Température
: Vitesse d’avancée
: Facteur d’intensité de contrainte
: Avancée de la fissure
σ0
: Contrainte initiale exercée
e
: Epaisseur
N0
: Profondeur initiale de l’entaille
N
: Profondeur de l’entaille
L
: Largeur de la surface usinée de l’entaille
dem
: Diamètre extérieur moyen mesure du tube
v
Liste des figures
Figure I.1
: Définition d’un polymère.
Figure I.2
: Représentation de la chaîne d’un polymère linéaire [S.MAOU, 2012]
Figure I.3
: Représentation schématique d’un polymère ramifié [S.MAOU, 2012]
Figure I.4
: Représentation d’un polymère Tridimensionnel [S.MAOU, 2012]
Figure I.5
: les exemples des applications de polymère [P. WEISS, 2010]
Figure I.6
: La molécule polyéthylène.
Figure I.7
: structure de polyéthylène basse densité PEHD [V. CHAFFRAIX, 2002]
Figure I.8
: structure de polyéthylène basse densité PEBD[V. CHAFFRAIX, 2002]
Figure I.9
: structure de polyéthylène basse densité linéaire PEBDL
[V.CHAFFRAIX, 2002]
Figure II.1
: La ligne d’extrusion de tube polyéthylène [Polypipe, 2012]
Figure II.2
: Technique de résistance à la fissuration sous contrainte
Figure II.3
: Phénomène causé par un choc sur un tube
Figure II.4
: Tubes PEHD dans les réseaux de distribution et d'adduction d'eau
Figure II.5
: Tubes PEHD dans les réseaux de distribution de gaz
Figure II.6
: Tubes PEHD dans l’assainissement sous pression
Figure II.7
: Tubes PEHD dans le dessalement de l’eau de mer
Figure II.8
: dépassement des tubes en PEHD du transport supérieur à 1m
Figure II.9
: Déchargement des tubes PEHD
Figure II.10
: Manutention des couronnes de tube plus lourdes avec un chariot
élévateur
Figure II.11
: Façon de stockage des canalisations PEHD
Figure II.12
: procédé d’électrosoudage des canalisations PEHD
Figure II.13
: chauffage des tubes lors du soudage bout à bout [H.Olivier, 2006]
Figure II.14
: procédé soudage bout à bout des tubes PEHD
Figure III.1
: Courbe de durée de vie du PE [R. KHELIF, 2007]
Figure III.2
:
Figure III.3
: Mécanismes de déformation de la phase amorphe intercristalline (a)
glissement interlamellaire (b) séparation interlamellaire [C.G’Sell &
J.M. HAUDIN, 1995]
Rupture de tubes de PE sous pression hydrostatique (a) ductile (b)
fragile [R. KHELIF, 2007]
vi
Figure III.4
: Mécanisme de glissement cristallographique [C.G’Sell & J.M. HAUDIN,
1995]
Figure III.5
: Glissement parallèlement ou perpendiculairement aux
chaînes [C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
Figure III.6
: Les trois types de régions à considérer à l’intérieur d’un sphérolite
soumis à une traction : (1) équatoriale (2) diagonale (3)
polaire[C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
Figure III.7
: Étapes de formations des craquelures pour un polymère semicristallin[K.Friedrich ,1983]
Figure III.8
: Déformation dans les zones diagonales des sphérolites : (a)état non
déformé (b) extension de la phase amorphe (c) fragmentation des
lamelles cristallines (d) alignement des fragments selon la direction
d’étirage [J.CAZENAVE, 2005]
Figure III.8
: Microstructure d’une craquelure [R.Schirrer ,1995]
Figure III.10
: Ouverture de l’entaille en fluage [J.CAZENAVE, 2005]
Figure III.11
: (o) ouverture de l’entaille (•) avancé de la fissure en fonction du temps
de charge à 80°C et 2,4 Mpa[X.Lu, R.Qian & N.Brown, 1991]
Figure III.12
: Vue microscopique de côté de l’entaille d’échantillons soumis à une
contrainte, à différents temps (a à f). [X.Lu, R.Qian & N.Brown, 1991]
Figure IV.1
: Situation géographique de TUBEX
Figure IV.2
: Fabrication et essais au laboratoire (Sarl TUBEX).
Figure V.1
: Bac thermo régulé
Figure V.2
: Différentes images illustrant la forme de la virole
Figure V.3
: Les dimensions de la virole
Figure V.4
: Introduction de la virole sur l’anneau de tube en PE
Figure V.5
: L’entaillage de 10 mm sur tube PE par lame de cutteur
Figure V.6
: Immersion de l’éprouvette dans le bac thermo régulé
Figure V.7
: Capture de la fissure par la camera
Figure V.8
: Images illustrant la propagation de la fissure longitudinale sur un tube
PEHD
Figure V.9
: Etat de la fissure après 21 jours
Figure V.10
: Etat de la vitesse d’avancée de la fissure (temps)
Figure V.11
: Facteur d’intensité de contrainte en fonction de l’avancée de la fissure
Figure V.12
: Etat de la vitesse (facteur d’intensité de contrainte)
Figure V.13
: Dimension de la virole
Figure V.14
: Tube éprouvette
Figure V.15
: Méthode d’entaillage
Figure V.16
: Essai de pression hydrostatique
vii
Figure V.17
: Mesurage pour calculer la profondeur de l’entaille
Figure V.18
: Etat de la fissure après 25 jours (600h)
Figure V.19
: Vitesse d’avancée au bout de 25 jours (600h)
Figure V.20
: Facteur d’intensité de contrainte en fonction de l’avancée de la fissure
Figure V.21
: Vitesse en fonction du facteur d’intensité de contrainte (600h)
Figure V.22
: Echantillon avec collier de serrage (Laboratoire de TUBEX))
Figure V.23
: Ajout d’écrasement sur l’éprouvette (Laboratoire de TUBEX))
Figure V.24
: Réduction la propagation des fissures sur PEHD par l’écrasement
Figure V.25
: Réduction par l’écrasement de la matière (Laboratoire de TUBEX))
Figure V.26
: Réduction par l’écrasement de la matière à l’extrémité de la fissure sur
longueur la virole
Figure V.27
: Avancée des fissures suivant le temps.
Figure V.28
: Vitesses des avancées des fissures suivant le temps
Figure V.29
: Facteur d’intensité de contrainte de l’avancée des fissures.
Figure V.30
: Vitesses des avancées en fonction du facteur d’intensité de contrainte.
viii
Liste des tableaux
Tableau IV.1
:
Gammes des tubes PEHD pour l'adduction d'eau potable²&
Tableau V.1
:
Avancée de la fissure et facteur d’intensité
Tableau V.2
: Profondeurs pour les six éprouvettes
Tableau V.3
:
Profondeur de pénétration (éprouvettes 01, 02,03)
Tableau V.4
:
Profondeur de pénétration (éprouvettes 04, 05, 06)
Tableau V.5
: Avancée de la fissure (profondeur de pénétration)
Tableau V.6
: Réduction par écrasement
: Réduction par l’écrasement de la matière
Tableau V.7
ix
Introduction Générale
Introduction générale
INTRODUCTION
Parallèlement au développement de nouvelles techniques d’analyses, les dernières
décennies ont vu l’explosion de l’utilisation des polymères dans notre environnement et
des polyéthylènes en particulier. Cette forte croissance a conduit à de nombreuses études
sur le comportement
de ces nouveaux matériaux entraînant le développement de
techniques et méthodes adaptées aux polymères et en particulier aux polyéthylènes.
Ce comportement provient à la suite :
 d’influence du climat (dilatation, tenue au rayonnement ultraviolet, tenue au gel),
 de résistance à l’abrasion,
 de résistance chimique,
 de tenue à la pression
 d’ influence de la température du fluide
 de résistance à la fissuration sous contrainte
 de résistance à la propagation rapide des fissures,
Les nouvelles générations des tubes en polyéthylène présentent un excellent
comportement à la fissuration des tubes. En plus de la pression interne, d'autres charges
peuvent être exercées sur un tube lors de son installation ou lorsqu'il est en service comme
par exemple des poinçonnements et des défauts de surface causés par une pose peu
précautionneuse. Une haute résistance à la propagation lente de fissures est dès lors
importante pour atteindre la durée de vie calculée.
Dans le cadre de ce mémoire, nous nous sommes intéressés à l’étude de la fissuration des
canalisations des tubes polyéthylènes
haute densité. Des analyses sur ces tubes au
laboratoire de la société TUBEX sise sur la route nationale n° 11 , ont permis de détecter la
propagation de la fissuration et de trouver un moyen d’y remédier et de trouver une
méthode de freinage des fissures lentes du PEHD et ainsi d’évaluer la durée de vie.
Ce mémoire est présenté sous forme de deux grandes parties :
 Partie 01 : Partie Bibliographique : elle est composée de 03 chapitres.
 Partie 02 : Partie Expérimentale : elle est composée de 02 chapitres.
Soit au total cinq (05) chapitres résumés comme suit :
2
Introduction générale
 Le premier chapitre est dédié aux notions fondamentales regroupant d’une part les
polymères et d’autre part le polyéthylène (définitions, structures, classifications,
applications).

Le deuxième chapitre traite le problème des canalisations en polyéthylène haute
densité (extrusion des tubes PEHD, caractéristiques, avantages,…)

Le procédé de fissuration est pris en charge dans le troisième chapitre. Une ’analyse
des contraintes et des déformations au voisinage des fonds de fissures. La rupture et
le mode de rupture en polyéthylène constitue une base nécessaire pour la
compréhension du comportement des pièces fissurées.

Le quatrième chapitre est le travail de laboratoire effectué à la société TUBEX. Le
premier volet
concerne la production des tubes PVC à colle et à joint, pour
l'assainissement et l'adduction d'eau potable, ainsi que des tubes polyéthylène (PE)
haute et basse densité (PEHD, PEBD) pour le transport de gaz combustible,
l'irrigation et l'adduction d'eau potable.
 Le dernier chapitre est l’étude et l’analyse de la fissuration des canalisations des
tubes polyéthylènes haute densité au laboratoire.

L’étude est achevée avec une conclusion qui retrace le problème des fissurations,
durée de vie et solutions.
3
Partie bibliographique
Chapitre I
Polymères et Polyéthylènes
Chapitre I
Chapitre I :
Polymères et
Polyéthylènes
Polymères et Polyéthylènes.
I.1. Introduction
Les polymères et polyéthylènes sont de plus en plus présents dans la vie quotidienne. De
tout temps l’homme a cherché à les exploiter pour se nourrir, pour produire de l’énergie,
pour construire, améliorer et agrémenter son habitat, pour se protéger et se vêtir, pour se
déplacer et transporter, etc…
Cependant, on les utilise rarement seuls, mais combinés à d’autres matériaux, permettant
ainsi d’associer les propriétés de chacun.
De nos jours, les réseaux de distribution
sont majoritairement construits avec des
polymères résistants. La caractéristique des polymères découlent de leur structure
atomique et notamment de l’existence de chaînes réticulées. Le matériau le plus convoité
est le polyéthylène et notamment le polyéthylène haute densité. Le polyéthylène est issu de
la polymérisation du monomère éthylène. Il possède l’une des structures chimiques les
plus simples de tous les polymères
I.2. Les Polymères
I.2.1Définition : Les polymères sont des substances constituées de grandes
molécules formées par la répétition d'un même motif composé d'une ou de plusieurs
unités de base.
Figure I.1 : Définition d’un polymère.
5
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Le nombre moyen de ces unités de base (monomères) dans les molécules finales
(polymères) est le degré de polymérisation. Si ce degré de polymérisation est élevé, on
parle de hauts polymères, lorsqu'il est faible, le composé est une oligomère. [H.LAIB&
O.ZOUAOUI, 2006].
I.2.2 Structure
I.2.2.1 Polymères linéaires : Appelés aussi polymères monodimensionnels,
Les molécules des polymères linéaires sont formées de longues chaînes de monomères
reliés les uns à la suite des autres par des liaisons chimiques. Dans certains cas, les
monomères sont en outre organisés régulièrement dans l'espace, et le composé obtenu
est partiellement cristallisé : on dit qu'il est semi-cristallin [Microsoft ® Encarta ® 2009].
Chaque chaîne macromoléculaire est constituée d’un nombre élevé mais fini d’unités
monomères ; de tels systèmes correspondent à la polymérisation de monomères bivalents
et une macromolécule linéaire peut être très schématiquement représentée par un trait
continu divisé en intervalles figurant chacun une unité monomère (figure I.1).
Figure I.2 : Représentation de la chaîne d’un polymère linéaire [S.MAOU, 2012]
I.2.2.2. Polymères ramifiés : Dans les polymères ramifiés, certaines chaînes
latérales sont liées à la chaîne principale. Les ramifications peuvent être dues à des
impuretés ou à la présence de monomères ayant plusieurs groupes réactifs. Les
polymères formés de monomères présentant des ramifications. [Microsoft ® Encarta ®
2009]
6
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Figure I.3 : Représentation schématique d’un polymère ramifié [S.MAOU, 2012]
I.2.2.3. Polymères tridimensionnels : Les polymères tridimensionnels, qui
résultent de la polymérisation de monomères dont la valence moyenne est supérieure à
deux ou encore de la réticulation (formation d’un réseau tridimensionnel), par voie
physique ou chimique, de polymères linéaires. Leur dimension moléculaire peut être
considérée comme infinie puisque toutes les unités monomères constitutives d’un objet
sont liées de façon covalente pour former une seule macromolécule.
Les liaisons se développent dans les trois dimensions et un élément de volume d’un tel
système peut être représenté sur la figure I.4.
Figure I.4 : Représentation d’un polymère Tridimensionnel [S.MAOU, 2012]
7
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
I.2.3 Classification des polymères
Les polymères peuvent être classés différemment selon la considération de leurs
structures, le type de réaction qui a servi à les préparer leurs propriétés physiques ou
leurs usages technologiques.
1. Selon la nature chimique
 Polymères minéraux.
 Polymères organiques.
 Polymères mixtes.
2. La structure des chaines
 polymères linéaires.
 polymères ramifiés.
 polymères réticulés.
3. Selon leur origine
 Polymères naturels.
 Polymères synthétique et de transformation.
4. Selon leur comportement thermique
 Polymères thermoplastiques.
 Polymères thermodurcissables.
 Polymères thermoélastiques.
5. Selon les usages technologiques
On peut distinguer :
 Les fibres synthétiques.
 Les plastomères (thermodurcissables et thermoplastiques).
 Les élastomères [M.MEDKOUR, 1982]
I.2.4Applications
Les polymères industriels de grande consommation sont des matériaux légers, ayant de
bonnes propriétés mécaniques et un faible prix de revient. Ils remplacent avantageusement
les matériaux traditionnels, comme le bois ou les métaux. Les cinq familles les plus utilisées
sont les polyvinyles ou PVC (pièces rigides, tuyauterie, films d'étanchéité) ; les
polyéthylènes ou PE (emballages transparents, tuyauterie, pièces rigides) ; les
polypropylènes ou PP et les polystyrènes ou PS (pièces rigides, fibres) ; les polyesters
saturés (cosmétiques, revêtements de surface, peintures, vernis, plastifiants pour autres
polymères) ; les polyesters insaturés (films, fibres textiles, matériaux composites).
8
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Les polymères ont envahi tous les domaines de notre vie quotidienne. C’est pourquoi les
exemples ci-dessous n’offrent qu’une vue très partielle de la réalité :
 vêtements et textiles : fibres textiles naturelles et synthétiques, non tissés, skaï, simili
cuir ;
 maroquinerie- chaussure : skaï, simili cuir, mousses isolantes ;
 ameublement : skaï, simili cuir, colles, vernis, mousses ;
 articles ménagers : poubelles, seaux, vaisselle ;
 sports-loisirs : cannes à pêche, coques de bateaux, piscines, bandes magnétiques,
DVD ;
 emballage alimentaire (bouteilles, pots de yaourt, briques de lait, boîtes à œufs) ou
industriel (flacons de détergents, sachets et sacs, casiers, sacs poubelles) ;
 transports et en particulier l’automobile (boucliers, carrosserie, optiques, planches
de bord, habillage intérieur) ;
 industrie électrique et électronique : boîtiers, gainage de câbles, façades de
téléviseurs ;
 industrie chimique : tuyauteries, cuves, revêtements ;
 bâtiment-travaux publics : peintures, isolation, revêtement de sol, tuyauteries,
géotextiles ;
 agriculture : irrigation, arrosage, serres, bâches ;
 hygiène : verres de lunettes, lentilles de contact, prothèses, matériel hospitalier
(seringues, poches, tubes pour transfusion), couches.
9
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Figure I.5 : les exemples des applications de polymère [P. WEISS, 2010]
I.3 Le Polyéthylène
I.3.1. Définition : Le polyéthylène fait partie de la famille des plastiques,
d'origine pétrochimique et plus précisément de la famille des polyoléfines. On appelle
polyoléfines, les matériaux résultant de la polymérisation d'oléfines, c'est-à-dire de
monomères hydrocarbonés insaturés.
Plus particulièrement, les polyéthylènes sont issus de la polymérisation de l'éthylène
gazeux issu du craquage thermique des produits pétroliers. [Tubes en polyéthylène PE]
10
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Figure I.6 : La molécule polyéthylène.
I.3.2 Historique : Le polyéthylène basse densité radicalaire (PE-BDR) fut
découvert en Grande-Bretagne par la firme ICI juste avant la seconde guerre mondiale. Il
fut d’abord utilisé pour l’isolation de câbles de radars.
Vers 1950 commença le développement à grande échelle des polymères de masse
volumique comprise entre 0.915 et 0.930 g/cm3, fabriqués par un procédé à haute
pression.
A la fin des années 70, Union Carbide mit au point le polyéthylène basse densité linéaire
(PE-BDL) obtenu par procédé à basse pression avec des catalyseurs dits de ZieglerPhillips, conduisant sur une même unité, à des polymères de masses volumiques variables
de 0.860 à 0.970 g/cm3.
Enfin, en 1993-1994, sont apparus sur le marché des PE-BDL fabriqués également par un
procédé à basse pression, à l’aide de nouveaux catalyseurs de types métallocène
[S.FUZESSERY, 1997]
I.3.3 Fabrication : Le polyéthylène (PE) est une matière thermoplastique du
groupe polymère semi-cristallin, issu de la synthèse du pétrole. [GLYNWED]
I.3.3.1 Distillation : Le pétrole brut est chauffé à 400°C et introduit dans
une “colonne de fractionnement” dans laquelle les produits se condensent à différents
niveaux en fonction de leur densité; en bas les bitumes, en haut les gaz. La “coupe”
NAPHTA qui nous intéresse se condense à 160°C entre le kérosène et l’essence. C’est un
liquide incolore.
11
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
I.3.3.2 Vapo-craquage : C’est un second fractionnement, en présence de
vapeur d’eau




I.3.3.3 Polymérisation : Cette opération s’effectue dans un “réacteur” où,

d’éthylène



d’
support (heptane, composant de l’essence),
produit du polyéthylène qui, après évaporation de l’hepta
sous forme d’une poudre blanche comparable à de la lessive.
I.3.3.4 Granulation :
Le mélange est chauffé dans une “granulatrice” qui fabrique les
(Annexe I).
I.3.4. Caractéristique :






températures, absence d’odeur
12
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
Le polyéthylène est aussi un excellant isolant électrique. [F.BENABBAD, 2011]
possibles.
I.3.5 Types de Polyéthylène : Le polyéthylène existe sous trois formes
I.3.5.1.Polyéthylène haute densité (PEHD) : Le PEHD ou polyéthylène
haute densité synthétisé sous faible pression par le procédé Ziegler (catalyse
organométallique supportée base titane). Il se présente sous la forme d'une chaîne
macromoléculaire linéaire régulière. Quelques irrégularités restent présentes (1%0
carbone) et se manifestent sous la forme de courtes ramifications. Sa masse volumique est
la plus importante de tous les polyéthylènes et varie entre 0.955 et 0.970 g/cm3 ;
Figure I.7 : structure de polyéthylène basse densité PEHD [V. CHAFFRAIX, 2002]
I.3.5.2. Polyéthylène basse densité (PEBD) : Le PEBD ou, polyéthylène
basse densité synthétisé sous
forte pression par
polymérisation
radicalaire.
Contrairement au PEHD, le PEBD présente un nombre élevé de ramifications relativement
importantes (de l'ordre de 60%0 carbone) directement responsables de sa faible masse
volumique (de 0.915 et 0.935 g/cm3) ;
Figure I.8 : structure de polyéthylène basse densité PEBD[V. CHAFFRAIX, 2002]
13
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
I.3.5.3. Polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL) : Le PEBDL ou
polyéthylène basse densité linéaire obtenu par copolymérisation par catalyse Ziegler ou
métallocène d'α-oléfine sous forte pression. La teneur en branchements latéraux ainsi
que leur longueur sont contrôlées en fixant le type et la concentration de monomères
avant réaction.
Figure I.9 : structure de polyéthylène basse densité linéaire (PEBD)L [V. CHAFFRAIX, 2002]
I.3.6 Propriétés
I.3.6.1 Propriétés physiques
 Le polyéthylène basse densité : C’est un solide dur,
légèrement translucide, ayant l’aspect d’une cire. Il est d’une extrême variété et
complexité au niveau de la structure moléculaire et de la morphologie cristalline. Les
propriétés du polyéthylène dépendent de la cristallinité et de la masse moléculaire.
 Le polyéthylène haute densité : La différence entre le PEHD
et le PEBD est le point de ramollissement, puisqu’il se situe au-dessus du point
d’ébullition de l’eau pour l’un et au-dessous pour l’autre. Les articles fabriqués, avec le
polyéthylène de haute densité, peuvent ainsi être stérilisés à la vapeur.
I.3.6.2 Propriétés chimiques : Le polyéthylène possède une très bonne
stabilité chimique :
 Inattaquable par les acides (sauf les oxydants), par les solutions de sels ;
 Résistants aux solvants organiques au-dessus de 80°C ;
 Pratiquement insoluble, à des températures inférieures à 60 °C ;
 Sensible à la fissuration sous contrainte en présence de savon, alcools,
détergents ;

Il refroidi lentement et plus cristallin et moins perméable aux solvants. [JP.Trotignon, J.Verdu, A.Dobraczynski & M.Piperaud, 1997]
14
Chapitre I
Polymères et
Polyéthylènes
I.3.7 Applications : Le polyéthylène doit répondre à plusieurs applications
aux usages très variés et qui sont :
 Films :
- La sacherie ;
- L’industrie : les emballages, films pour la construction ;
- L’hygiène : couches-bébés ;
- L’agriculture : serres, tunnels…
 Objets moulés : Dans le domaine des objets moulés, le polyéthylène
haute densité s’est développé dans le secteur industriel : manutention, eaux,
bouchonnage, et dans les applications techniques telles que le mobilier urbain.
Le polyéthylène basse densité est utilisé dans des usages : couvercles, capsules, bouchons.
 Objets rotomoulés : Le polyéthylène basse densité utilisé dans le
couvrement de la majorité des marchés.
 Extrusion-soufflage : Le domaine de l’extrusion-soufflage est réservé
principalement au polyéthylène haute densité pour fabriqué des : bouteilles, flacons,
bidon de lait, récipients pour lessive, détergents…
 Tuyaux : Dans l’application des tuyaux, le polyéthylène basse densité
est utilisé pour les tuyaux sans ou sous faible pression : évacuation des eaux, aération.
Le polyéthylène haute densité est employé pour la réalisation de tuyauteries de gaz, et
pour les tuyaux sous pression, eau chaude, chauffage par le sol.[M.CARREGA & COLL, 2007]
15
Chapitre II
Chapitre II
Chapitre II
II .1 INTRODUCTION
Une canalisation est un tuyau ou un canal destiné à l’acheminement ou transport de
matières gazeuses, liquides, solides ou polyphasiques.
Lorsqu’il s'agit d'un tuyau, le diamètre nominal d'une canalisation peut aller de trente
millimètres environ pour des fluides spéciaux jusqu'à plus de trois mètres vingt pour les
adductions d'eau.
Les applications des systèmes de canalisations en polyéthylène haute densité (PEHD) sont
variées. Elles concernent les industries du gaz, des eaux, du drainage et de l’assainissement.
Le PEHD est le plus inerte chimiquement de tous les matériaux bruts en plastique, et est
par conséquent extrêmement résistant aux produits chimiques et à la corrosion.
En raison de sa nature non métallique, le matériau utilisé est totalement résistant à toutes
les formes de corrosion métallique. Etant constitués d’un matériau insipide et sans odeur,
les tubes en PEHD restent neutres pour tous les fluides transportés.
Le PEHD est complètement inerte et est largement utilisé pour transporter des liquides
destinés à la consommation humaine. A cause de leur surface interne lisse comme un
miroir, les tubes en PEHD présentent de faibles pertes de charge.
L'absence d'accumulation de dépôts intérieurs les rend idéaux pour la construction de
systèmes d'assainissement. Cela présente un avantage de résistance à long terme
important pour les tubes PEHD par rapport aux tubes en ciment ou en métal.
Les tubes en polyéthylène ont démontré au travers d’essais et d’usages actuels qu’ils sont
conformes et même dépassent les exigences en terme de durée de vie à la fois pour les
applications à haute pression et de drainage. Une durée de vie de plus de 70 ans et
prévisible lorsque l’on décide d’utiliser le PEHD.
Pendant des années, les ingénieurs tout à travers le monde ont recommandé les tubes en
PEHD sur les sites présentant des conditions chimiquement acides ou alcalines.
Les usines de fabrication moderne sont équipées des machines de transformation des
matières ou machines d’extrusion.
II.2 EXTRUSION DES TUBES PEHD
L’extrusion est une technique de transformation des matières thermoplastiques qui permet
d’obtenir des objets finis par un processus technologique continu. Cette technique permet
de fabriquer des tubes en polyéthylène.
17
Chapitre II
La ligne d’extrusion est globalement constituée de 4 zones suivantes :
 Zone 1 : l’extrudeuse ou boudineuse qui consiste à fondre les granulés du
polyéthylène à température de 230°C qui donne une pâte et le pousse à travers la
zone suivante.
 Zone 2 : Tête d’extrusion qui met la matière fondue sous forme de tube
 Zone 3 : pour les bacs de calibrage et de refroidissement, Le tube y est calibré en
diamètre extérieur et en épaisseur. Il transite dans une enceinte de
refroidissement par circulation ou aspersion d’eau.
 Zone 4 : Les périphériques consistent à faire sur le tube un marquage ou tirage de
repérage situé tous les mètres et dépose la peinture par jet d’encre puis découper
la longueur de tube et nécessaire de conditionner. [Polypipe, 2012]
Figure II.1 : La ligne d’extrusion de tube polyéthylène [Polypipe, 2012]
II.3 CARACTERISTIQUE DES TUBES PEHD
II.3.1 Résistance à la fissuration sous contrainte : Lors de la manipulation des
tubes, sur chantier, des défauts de surface peuvent apparaitre. Pour les polyéthylènes de
première génération, ces défauts pouvaient être générateurs de fissuration lente et
déboucher sur des ruptures fragiles.
Les dernières générations de polyéthylène (PE 100) montrent une grande amélioration de
la résistance à la fissuration lente. L'apparition de fissuration sous tension est grandement
retardée (risque de fissuration sous contrainte quasiment nul).
Un test de laboratoire est réalisé sur des tubes entaillés à une température de 80°C, soumis
à une pression de 4.6MPa.
18
Chapitre II
L'ESCR (Environnemental Stress Crack Resistance) est accéléré par la concentration de
contraintes dans l'entaille. Ces tests accélérés montrent que la résistance à la fissuration du
tube en PE 100 peut atteindre plus de 100 ans à 20°C.
Figure II.2 : Technique de résistance à la fissuration sous contrainte [Tubes en polyéthylène PE]
II.3.2Résistance à la propagation rapide des fissures : La propagation rapide des
fissures est un phénomène causé par un choc sur un tube sous pression. Cette résistance
est définie par le test RCP (Rapid Crack Propagation). Ce test démontre une tenue du PE
100 jusqu'à 10 fois supérieure à celle d'un tube en PE 80, et nettement meilleure que celle
obtenue avec des matériaux métalliques, tel que l’acier par exemple.
Figure II.3 : Phénomène causé par un choc sur un tube [Tubes en polyéthylène PE]
19
Chapitre II
II.3.3 Résistance à l'abrasion : La surface parafinnique du polyéthylène lui assure
un faible coefficient de friction. Les tubes en polyéthylène ont ainsi une excellente
résistance à l'abrasion.
Par rapport aux autres tubes traditionnellement utilisés dans le domaine du transport de
l'eau, l'utilisation de tubes en polyéthylène permet d'augmenter considérablement la durée
de vie des canalisations vis-à-vis de l'abrasion. Et les valeurs du coefficient d’abrasion sont
illustré dans figure A.2 (annexe I)
II.3.4 Résistance chimique : Les tubes PEHD ont une bonne tenue chimique pour les
cas les plus courants. Ils résistent aux sels, aux acides et aux alcalis en solutions aqueuse
diluées. La résistance chimique des tubes en polyéthylène dépend des paramètres
suivants :
 Le milieu,
 La concentration de l'effluent,
 La température,
 La charge.
II.3.5 Influence du climat :
 Dilatation : Sous l'effet d'une variation de température, le tube en
polyéthylène aura tendance à se dilater ou à se rétracter. La variation de température
entraînera en plus ou en moins une variation de longueur de valeur :
Avec
: Variation de longueur (mm)
: Variation de température (K°)
: Longueur de tube considéré (m)
: Coefficient de dilatation (mm/m°K)
Le coefficient de dilatation du PEHD est égal à 2.10-4m/m°K, c'est-à-dire 0.2 mm/m°K.
Lorsque la conduite est installée en tranchée, le poids des terres et la résultante des forces
de frottement contre la paroi du tube, contrarient l'allongement du tube. Mais lorsque la
conduite peut glisser par rapport à son support (pose en aérien par exemple), il est
nécessaire de prendre en compte les effets dus à la dilatation (ou au retrait).
 Tenue au rayonnement ultraviolet (U.V) : Du fait de la présence du noir
de carbone finement dispersé et les additifs pour la protection contre la dégradation du
20
Chapitre II
polymère, les tubes ont une bonne résistance et conservent leurs caractéristiques en cas
d’exposition aux rayons du soleil.
Dans les pays européens, les normes autorisent un temps maximum de stockage de deux
années après la date de fabrication.
Dans le cas des régions fort ensoleillées et pour une meilleure protection, les tubes doivent
être mis { l’abri des rayons UV si la durée de stockage maximale est d’une année après la
date de fabrication.
 Tenue au gel : La grande souplesse du tube en polyéthylène lui permet de
bien résister au gel. Le polyéthylène se prête à la déformation due au gel puis reprend sa
forme initiale au dégel.
Le tube polyéthylène peut être posé à une température ambiante pouvant aller jusqu'à
50°C.
II.3.6 Tenue à la pression à 20°C : Le choix de la série de tubes se fait en fonction de
la pression maximale en service et des conditions d’utilisation.
Les calculs techniques des caractéristiques ont comme cadre un minimum de durée de vie
de 50 ans pour un fluide transporté à 20°C.
II.3.7 Influence de la température du fluide : Le dimensionnement d'un tube PE est
effectué pour une température du fluide de 20°C.
Cela se signifie que les canalisations en PE ne sont pas utilisables au-delà de 20 °C.
Simplement, pour une température supérieure { 20°C, il faut tenir compte d’un coefficient
de détimbrage [Tubes en polyéthylène PE]
PMS=PN. Coef de détimbrage
Avec
PMS : pression maximale en service à température
PN : pression nominale
II.4 AVANTAGES DES TUBES EN PEHD
Le polyéthylène utilisé comme matériau de fabrication des tubes, doit son succès à ses
nombreuses qualités :
 Soudure aisée par les techniques de soudage bout à bout ou par électrofusion
permettant d’obtenir une canalisation parfaitement étanche ;
 Manipulation et installation aisée grâce au faible poids ;
 Manipulation et installation aisée grâce à la flexibilité ;
21
Chapitre II
 la flexibilité des tubes en polyéthylène permet :
 L’enroulage en couronne ;
 De souder les tuyaux hors de la tranchée, ce qui permet de diminuer la
largeur de celle-ci ;
 Aux tubes d’épouser la forme de la tranchée ;
 Aux tubes d’être écrasés temporairement pour réparation du réseau.
 Résistance à la corrosion externe ;
 Bonnes caractéristiques hydrauliques (qualité hydraulique maximum par sa paroi
lisse) ;
 Bonne résistance chimique ;
 Sans danger pour l’environnement ;
 Durée de vie estimée à 50 ans ;
 Peu sensible aux mouvements de terrain (affaissement en zone minière et
tremblement de terre) ;
 Tubes facilement identifiable. [F.BENABBAD, 2011]
II.5 APPLICATION DES TUBES PEHD
II.5.1 La distribution d'eau potable : Après une première expérimentation dans les
branchements, les hydrauliciens n'ont pas tardé à généraliser les tubes PEHD dans les
réseaux de distribution d'eau potable et dans les réseaux d'adduction.
Figure II.4 : Tubes PEHD dans les réseaux de distribution et d'adduction d'eau
22
Chapitre II
II.5.2 La distribution de gaz : Paradoxalement, les gaziers ont été les premiers à
adopter les tubes PEHD en tant que produit exclusif dans les réseaux de distribution de gaz
à moyenne pression (4 – 8 et jusqu' à 10 bars dans certains pays).
Figure II.5 : Tubes PEHD dans les réseaux de distribution de gaz [Tubes en polyéthylène PE]
II.5.3 L’assainissement sous pression : La bonne résistance chimique des tubes; en
PEHD vis-à-vis de l'agressivité des effluents, ainsi que l'absence de risque de pollution et ce,
grâce à la qualité des assemblages (par soudage) et une bonne flexibilité ont conduit tout
naturellement à leur prescription dans les réseaux d'assainissement sous pression,
notamment lorsque le tracé s'avère accidenté.
Figure II.6 : Tubes PEHD dans l’assainissement sous pression [Tubes en polyéthylène PE]
23
Chapitre II
II.5.4 Les réseaux anti-incendie : Les tubes PEHD s'utilisent de plus en plus dans ce
type de réseau, car ils ne fuient pas et ne se détériorent pas dans le temps sous l'effet de la
corrosion, et ce, grâce à leur inertie chimique.
Par ailleurs, pour les tronçons de réseau hors sol, il y a lieu d’utiliser des tubes en acier.
[Tubes en polyéthylène PE]
II.5.5 Le dessalement de l'eau de mer : Depuis l'avènement des grands diamètres,
permettant le passage de grands débits, l’amenée de l'eau de mer vers les stations de
dessalement se fait exclusivement en tubes PEHD.
Ce quasi-monopole dans une telle application a été obtenu grâce à deux avantages : Une
insensibilité à la salinité de l'eau de mer et une flexibilité qui permet aux conduites de
résister durablement aux courants marins sans se détériorer.
Figure II.7 : Tubes PEHD dans le dessalement de l’eau de mer[Tubes en polyéthylène PE]
II.6 TRANSPORT, MANUTENTION ET STOCKAGE DES TUBES EN PEHD
Les tubes en polyéthylène sont légers et très faciles à manipuler et en conséquence ils sont
plus susceptibles d’être traités sans ménagement que des tubes en matériaux métalliques.
Ils convient de prendre des précautions raisonnables pendant la manutention et le
stockage pour éviter tout dégât aux tubes pouvant être causée par des objets pointus.
II.6.1 Transport : Pour le transport des tubes, ils convient d’utiliser des véhicules {
fond plats, avec plate-forme pour éviter de pointes et autres protubérances. Lorsque c’est
24
Chapitre II
praticable, il convient de reposer les tubes de façon uniforme dans le véhicule sur toute
leur longueur.
Quand les tubes dépassent du véhicule, il ne convient pas de dépasser un mètre (01 m) de
porte-à-faux.
Il convient de prendre soin d’éviter de positionner les tubes approche du système
d’échappement du véhicule ou de tous autres risques potentiels comme des carburants
diesel, des peintures ou des solvants.
Figure II.8 : dépassement des tubes en PEHD du transport supérieur à 1m [TUBEX SARL]
II.6.2 Chargement et déchargement : Les mêmes précautions sont à prendre lors du
chargement, déchargement, et du transport des tubes.
La manipulation brutale des tubes est interdite. L’emploi de chaines ou de crochets est
interdit. Le levage nécessite une attention particulière afin de ne pas blesser les tubes ou
leurs extrémités.
Figure II.9 : Déchargement des tubes PEHD [TUBEX SARL]
25
Chapitre II
II.6.3 Manutention : Pour éviter tout risque de détérioration et d’incident ultérieur,
les éléments de canalisations doivent être portés et non trainés sur le sol.
Les couronnes de tubes de petit diamètre peuvent être manutentionnées facilement à la
main. Les couronnes plus lourdes peuvent être levées avec des chariots élévateurs.
Figure II.10 : Manutention des couronnes de tube plus lourdes avec un chariot élévateur [TUBEX SARL]
II.6.3 Stockage : Les tubes en polyéthylène ne doivent pas être stockés au voisinage
d’une source de chaleur. Des précautions sont prises pour éviter tout contact avec des
hydrocarbures (huiles, gasoil,…).
Dans tous les cas, il est nécessaire de préparer un lieu de stockage situé le plus près
possible du lieu de travail.
Figure II.11 : Façon de stockage des canalisations PEHD [TUBEX SARL]
26
Chapitre II
L’aire destinée, à recevoir les tubes, doit être aménagée à même niveau et plane et bien
stabilisée pour admettre la circulation des engins de manutention.
Si la durée de stockage devait être supérieure à six mois, il est conseillé de placer les tubes
sous abri.
II.7 METHODE D’ASSEMBLAGE DES TUBES EN PEHD
Il existe deux principales techniques de soudage des tubes PEHD :
 Electrosoudage
 Soudage Bout à bout
II.7.1 Electrosoudage : L’électrosoudage ou dit électrofusion est une technique
d’assemblage au moyen de raccords électrosoudables.
Une résistance électrique est assortie de deux connecteurs électriques apparents sur la face
extérieure du raccord. Ils permettent la liaison avec la machine de soudage.
Cette résistance libère une chaleur suffisamment optimisée pour provoquer la fusion en
surface des matières polyéthylène, celle du raccord et des deux tubes à assembler.
Après refroidissement, et donc fin du cycle, il y'aura constitution d'un assemblage cohérent
assurant une étanchéité quasi parfaite.[SOTICI]
Figure II.12 : procédé d’électrosoudage des canalisations PEHD[Tubes en polyéthylène PE]
II.7.2 Soudage bout à bout : Le soudage bout { bout est une technique d’assemblage
des thermoplastiques par la fusion des extrémités de deux éléments tubulaires au moyen
d’une plaque chauffante, appelée miroir (figure II.13).
27
Chapitre II
Figure II.13 : chauffage des tubes lors du soudage bout à bout [H.Olivier, 2006]
Ce procédé consiste à faire fondre la matière au niveau de la surface à souder, à mettre en
contact les parties fondues pour en assurer le mélange intime et à laisser refroidir
l’assemblage ainsi constitué. A l’état fondu, les chaînes de polyéthylène des deux tubes mis
en contact s’interpénètrent et, en se solidifiant, se figent dans cet état, procurant ainsi à la
soudure une certaine solidité.
Figure II.14 : procédé soudage bout à bout des tubes PEHD
28
Chapitre II
Les soudures sont caractérisées par l’apparition d’un bourrelet, ou cordon de soudure, au
niveau du plan de soudage qui résulte de l’éjection latérale de la matière fondue formée {
l’extrémité des tubes (figure 1.2). Sa forme est utilisée généralement pour donner une
première indication visuelle de la qualité de la soudure .[H.Olivier, 2006]
29
Chapitre III
Chapitre III
Chapitre III
III.1 INTRODUCTION
Le Polyéthylène est un matériau léger, ce qui facilite les opérations de manutention et de mise en
œuvre sur le terrain. Il possède une bonne résistance { la corrosion, quelles que soient les
conditions au sol, ce qui permet d’éviter les surcoûts dus { l’application d’une protection passive ou
active. De plus, les systèmes en PE supportent les effets des mouvements du sol dus aux instabilités
et aux grandes variations de température.
Par rapport aux matériaux traditionnels, le polyéthylène offre plusieurs avantages :

Légèreté,

Flexibilité et élasticité,

Installation rapide et facile,

Pas de corrosion,

Bonne résistance chimique,

Pas de fuites,

Faible friction / faible perte de charges,

Meilleure qualité de l'eau transportée,

Facilité d'installation des connexions et des branchements,

Pas d'encrassement.
Grâce à ces propriétés, de nombreux pays ont adopté le PE comme la solution idéale pour
les réseaux de distribution eau et gaz.
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.
La rupture est un problème auquel l’homme aura { faire aussi longtemps qu’il fabriquera
des structures. Actuellement, ce problème est critique surtout avec le développement
technologique de structures complexes qui utilisent des matériaux hétérogènes et de
natures différentes. Cette situation est aussi rendue difficile par les techniques
d’assemblage ou de soudage qu’il faut inventer pour réduire les problèmes d’interaction
(fatigue, fissuration, …).
Parmi ses avantages, on trouve le coût qui est relativement bas, la flexibilité, la facilité
d’installation, la fiabilité, la résistance { la corrosion et la durabilité. En outre, les conduites
en polyéthylène utilisées pour le transport de gaz naturel, facilitent les opérations de
maintenance car l’intervention sur ces conduites se fait sur une faible longueur, on pince le
tuyau de part et d’autre de la zone d’intervention ce qui provoque localement l’arrêt de
31
Chapitre III
l’écoulement du gaz, sans qu’il soit nécessaire d’arrêter tout le système. Cependant ce
procédé, qui réduit incontestablement le coût de maintenance, peut être { l’origine de la
rupture à cause des manœuvres parfois en dehors des limites autorisées par la norme. Des
fuites de gaz apparaissent régulièrement dans ces conduites. L’examen des zones de fuite
montre que des fissures se développent dans la partie pincée de la conduite. Ces fissures,
initialement à l’intérieur de la paroi, se propagent sous l’effet de la pression du gaz pour
ensuite traverser la paroi et conduire à de fuite de gaz.
III.2 RUPTURE DES TUBES EN POLYETHYLENE
L’utilisation sous pression des tubes en matières plastiques, nécessite la recherche des
conditions idéales d’exploitation ainsi que la connaissance des limites de service. Du point
de vue mécanique, la détermination de la résistance à la fissuration est une issue cruciale
pour la sélection d’un type de polyéthylène destiné { la construction de réseaux de
distribution de gaz ou d’autres fluides.
La rupture d’une pièce peut s’interpréter avant tout comme une interruption de la
continuité du matériau. L’application de la mécanique des milieux continus se heurte { une
singularité due à la présence de fissures dans la pièce. La mécanique de la rupture n’est
autre quelle application de la mécanique des milieux continus et de la loi de comportement
du matériau à un corps dont les conditions relatives sont introduites à la présence
géométrique de la fissure.
L’analyse des contraintes et des déformations au voisinage des fonds de fissures constitue
une base nécessaire pour la compréhension du comportement des pièces fissurées. Bien
qu’une zone plastique ou endommagée soit toujours présente à la pointe de la fissure.
Toutefois, dans le cas de matériaux ductiles, ou de charges extrêmes, la prise en compte de
lois de comportement élastoplastiques s’avère nécessaire [R. KHELIF, 2007].
III.3 MODES DE RUPTURE
La rupture des semi-cristallins peut intervenir de façon ductile, de façon fragile, ou par une
combinaison des deux. Le type de rupture dépend de la physico-chimie du matériau, de la
composition, du poids de la chaîne macromoléculaire, du degré d’imperfection et de la
mécanique.
A basses températures, dans le domaine vitreux, les polymères ont un comportement
fragile.
32
Chapitre III
En effet, les chaînes moléculaires sont figées et aucun processus de déformation ne peut
accommoder les singularités de contrainte en fond de fissures. Au-delà de la température
de transition vitreuse, les sollicitations permettent une déformation viscoplastique qui
autorise localement la formation des craquelures. Au cours de l’augmentation de la
déformation, on observe leur multiplication ainsi que leur extension. Les fibrilles
s’allongent et s’affinent jusqu’{ leur rupture. En général, les polymères cèdent par
craquelage ou cisaillement. Ces deux mécanismes conduisent à des résultats très différents,
le craquelage aboutissant généralement à une rupture fragile et le cisaillement étant
associé à une rupture ductile. Selon les conditions expérimentales, un mécanisme est
favorisé par rapport { l’autre [R. KHELIF, 2007].
III.3.1 Comportement général : transition ductile-fragile du Polyéthylène
Les ruptures sont en général de deux types selon le niveau de contraintes exercées :
 Pour des contraintes (ou des pressions) très fortes qui sont en dehors du domaine
d'utilisation normale des tubes, les ruptures se produisent après une importante
déformation ductile provoquant une hernie sur le tube.
 Pour des pressions plus faibles, de l'ordre de grandeur de celles auxquelles le tube
est soumis en service normal, mais au bout de temps très longs, la rupture fait
suite à l'apparition de microfissures qui se créent sans déformation des
éprouvettes. On appelle cette rupture : rupture type fragile. [R. KHELIF, 2007]
Figure III. 1 : Courbe de durée de vie du PE [R. KHELIF, 2007]
33
Chapitre III
Ce type de rupture peut être constaté « sur le terrain » après seulement quelques
années, sur un tube réalisé avec des résines de mauvaise qualité ou { la suite d’une
transformation défectueuse. [J.CAZENAVE, 2005]
La rupture ductile de tubes de PE se caractérise par la formation d’une «hernie» qui se
fissure rapidement de façon perpendiculaire au sens d’étirage, suite à la forte déformation
plastique comme indiqué sur la figure III.2(a).
Figure III.2 : Rupture de tubes de PE sous pression hydrostatique (a) ductile (b) fragile
[R. KHELIF, 2007]
III.3.2 Amorce de la rupture (formation de la craquelure)
La genèse des craquelures est certainement le point le plus controversé dans ce domaine.
On peut cependant affirmer qu’il s’agit d’un mécanisme de cavitation se produisant dans un
« liquide { seuil », et qu’en tant que tel, ce mécanisme est favorisé par la présence { l’échelle
microscopique d’une forte contrainte hydrostatique négative.
Ce phénomène de cavitation est issu de la déformation de la phase amorphe qui assure le
transfert de contrainte entre les lamelles cristallines. Celle-ci se déforme essentiellement
par cisaillement interlamellaire, c’est-à-dire glissement des lamelles parallèlement les unes
aux autres (Figure III.3(a)) et par séparation interlamellaire qui se traduit par
l’augmentation de la distance entre lamelles lorsqu’une contrainte est appliquée
perpendiculairement à leur plus grande surface (Figure III.3(b)). [J.CAZENAVE, 2005]
34
Chapitre III
Figure III. 3 : Mécanismes de déformation de la phase amorphe intercristalline (a)
Glissement interlamellaire (b) séparation interlamellaire [C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
Lorsque le seuil d’écoulement est atteint, la déformation concerne la phase cristalline du
PE ; les axes du cristal s’orientent juste avant la striction.
Cette phase, comme tout autre cristal, peut se déformer par des mécanismes
cristallographiques tels que le glissement, le maclage ou la transformation martensitique.
Cette dernière peux fréquente, correspond à un changement de phase cristalline.
Le passage de la phase orthorhombique à une structure monoclinique. Le maclage
intervient lorsque, sous l’effet de la contrainte, une partie du cristal subit un cisaillement
simple par rapport au reste du matériau.
Enfin, le glissement est le mode de déformation plastique le plus fréquent. Il consiste à une
translation d’une partie A du cristal par rapport à une autre partie B, suivant un plan (G)
appelé plan de glissement et une direction (D), continue dans le plan (G), appelée direction
de glissement (Figure III.4). [C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
Figure III.4 : Mécanisme de glissement cristallographique [C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
35
Chapitre III
Dans le cas des lamelles cristallines de polymères, le glissement n’est possible que dans un
plan contenant l’axe des chaînes. Concernant les directions de glissement, il peut avoir lieu
dans la direction des chaines ou perpendiculaire aux chaînes (figure III.5).
Dans le cas du glissement parallèle, celui-ci peut être homogène sur un grand nombre de
plans et pour des faibles déformations. Il peut être hétérogène et localisé sur un nombre de
plans parallèles faibles et plutôt aux fortes déformations.
Ce glissement donne lieu à une fragmentation des lamelles en blocs cristallins,
accompagné du dépliement des chaînes à partir des surfaces de fracture. Il est responsable
du phénomène d’instabilité plastique matérialisé par l’apparition d’une striction.
[J.CAZENAVE, 2005]
Figure III.5 : Glissement parallèlement ou perpendiculairement aux chaînes [C.G’Sell & J.M.
HAUDIN, 1995]
Dans un sphérolite, les déformations possibles dépendent de l’orientation de la région
concernée par rapport à la direction de la contrainte principale. On distingue alors
trois(03) types de régions (Figure III. 6) qui peuvent être équatoriales, diagonales ou
polaires selon que les lamelles radiales du sphérolite sont respectivement perpendiculaire
et font un angle compris entre 0 et 90° ou parallèle à la direction de traction. [C.G’Sell & J.M.
HAUDIN, 1995]
36
Chapitre III
Figure III.6 : Les trois types de régions { considérer { l’intérieur d’un sphérolite soumis { une traction :
(1) équatoriale (2) diagonale (3) polaire [C.G’Sell & J.M. HAUDIN, 1995]
Les propriétés mécaniques sont peut affectées par la taille des sphérolites, mais plutôt par
la taille des lamelles cristallines. Durant la propagation de la striction, les sphérolites sont
totalement détruites pour donner lieu à une structure fibrillaire.
 Etape 01 : Comme le montre la partie I de la Figure III.7, la séparation des lamelles
cristallines causée par l’application d’une contrainte présentant une composante normale
favorise la création de microvides dans la partie interlamellaire amorphe { l’origine de la
déformation des craquelures. [
K.Friedrich ,1983]
Figure III.7 : Étapes de formations des craquelures pour un polymère semi-cristallin
[K.Friedrich ,1983]
37
Chapitre III
 Etape 02 : Dans La deuxième étape, quand la contrainte a atteint une valeur
critique (seuil d’écoulement) la phase cristalline se déforme et des blocs de 10 { 30 nm et
se détachent du cristal. La phase cristalline peut se déformer suivant plusieurs modes
(maclage mécanique, transformation de phase), mais c’est le glissement cristallin qui est le
mode de déformation majoritaire car il peut engendrer de grandes déformations.
A cause de ce processus d’écoulement local, des défauts submicroniques
de forme
ellipsoïdale se créent entre les lamelles. Ces défauts ont tendance à causer une
augmentation de la contrainte dans leur environnement latéral, ayant pour conséquence
des rubans lamellaires au cours du processus de déformation local.
Ainsi la probabilité de formation de vides aussi bien que de fibrilles entre ces microvides
est accrue. Dans ces conditions, les fibrilles qui se forment sont constituées de blocs
cristallins connectés entre eux par des molécules de liaisons partiellement étirées, et sont
séparées par des cavités.

Etape 03 : La troisième étape, le dépliement des chaînes à partir de surface de
fracture des blocs cristallins interconnectés, conduit { l’extension complète de ces fibrilles.
La Figure III.8(d) montre le phénomène d’alignement des blocs selon la direction d’étirage.
[J.CAZENAVE, 2005]
Figure III.8 : Déformation dans les zones diagonales des sphérolites :
(a) état non déformé (b) extension de la phase amorphe (c) fragmentation des lamelles cristallines (d)
alignement des fragments selon la direction d’étirage [J.CAZENAVE, 2005]
38
Chapitre III
Par conséquent, la formation de la craquelure (Figure III.9) est un phénomène de
cavitation, au cours duquel le matériau passe d’une structure sphérolitique { une structure
de fibrilles fortement étirées et entourées de nombreux vides.
Le développement de ces craquelures, dans les plans perpendiculaires { l’axe de
sollicitation, se fait par extraction de la matière à partir des surfaces et par extension des
vides entre les fibrilles au fur et à mesure que la contrainte interne augmente. [J.CAZENAVE,
2005]
Figure III.9 : Microstructure d’une craquelure [R.Schirrer ,1995]
La rupture des matériaux semi-cristallins, intervient par la création d’une fissure au sein
de la craquelure, par rupture des fibrilles, une fois que celle-ci ont atteint leurs étirabilité
maximale.
Les causes de rupture des fibrilles dans le PE sont un sujet de controverse car deux
approches s’opposent :

La première suppose une rupture par reptation des chaînes à savoir glissement et
désenchevêtrèrent des molécules repliées.

La seconde considère la rupture des chaînes enchevêtrées présentes dans les
fibrilles.
39
Chapitre III
La controverse tient au fait qu’il y a une forte analogie entre la rupture interlamellaire et
le craquelage des polymères vitreux, et que les deux processus ont été observés dans le
polymère vitreux.
En effet, pour des températures proches de Tg , et des masses proches de la masse
critique, les fibrilles peuvent rompre par glissement de chaines dans les matériaux { l’état
vitreux. Pour les polymères semi-cristallins de haute masse molaire, il semblerait qu’{
Tg<T< Tf, la phase cristalline empêche le glissement moléculaire dans les chaînes de
craquelures et que celle-ci rompt plutôt par rupture de chaîne que par désenchevêtrèrent,
des radicaux libres ayant été détectés lors de l’étirage du PE. [R.Schirrer ,1995]
III.3.3 Propagation
III.3.3.1 Propagation lente de fissure
En régime fragile, la rupture de tubes de PE intervient par propagation lente de fissures.
Dans le cas d’échantillons pré-entaillés soumis à une contrainte constante, on mesure
l’avancée de la fissure par un suivi vidéométrique de l’ouverture de l’entaille en fonction du
temps. Les courbes obtenues ont l’allure de la figure III.10. [J.CAZENAVE, 2005]
Figure III.10 : Ouverture de l’entaille en fluage [J.CAZENAVE, 2005]
On distingue clairement 3 étapes dans l’ouverture. Tout d’abord, immédiatement après
application de la charge, l’ouverture augmente pour atteindre une valeur limite notée δ 0 et
accompagnée de la formation d’une zone d’endommagement en fond d’entaille, { l’intérieur
de laquelle la structure est fibrillaire, comme décris précédemment. Ensuite, du fait du
renforcement par la formation des fibrilles, l’ouverture d’entaille se stabilise et croit
lentement. Au cours de cette étape, l’angle d’ouverture de la craquelure reste constant au
40
Chapitre III
fur et { mesure que la zone d’endommagement s’accroit. Au cours de cette étape, l’angle
d’ouverture de la craquelure reste constant au fur et { mesure que la zone
d’endommagement s’accroît.
La fracture est alors amorcée quand les fibrilles à la base de la craquelure cèdent.
L’ouverture d’entaille accélère { mesure que la fissure avance. Enfin quand la contrainte
sur le dernier ligament a atteint le seuil d’écoulement, la fracture finale a lieu rapidement
de manière ductile.
Concernant la rupture de fibrilles, les avis divergent. En effet, les savants (Brown et al.)
considèrent que la rupture à lieu uniquement par désenchevêtrèrent de molécules de
liaison { l’intérieur des fibrilles, et qu’en aucun cas on n’observe la scission de chaîne.
La contrainte est trop faible. D’autres auteurs considèrent au contraire que le
désenchevêtrèrent n’est pas observé dans tous les cas et que sous certaines conditions la
scission domine.
Par une démonstration le PE étiré était un bon modèle pour étudier le comportement de
fibrilles en fond de fissures. Or la résistance à la rupture des polymères semi-cristallins
étirés a été le plus souvent analysée en termes de rupture de chaînes. Il semble donc
logique d’associer le comportement des fibrilles dans les craquelures de PE { un
phénomène de rupture de chaînes.
Dans tous les cas, qu’il s’agisse de désenchevêtrement ou de scission, on peut dire que la
fracture est gouvernée par la rupture des fibrilles, soit par la densité des molécules de
liaison qui constituent les fibrilles. [J.CAZENAVE, 2005]
III.3.3.2 Discontinuité de la fissuration lente
La plupart des auteurs s’accordent { dire que la propagation de la fissure se fait par palier.
En effet, la courbe mesurant l’ouverture de l’entaille en fonction du temps montre une
succession de plateaux et de sauts (Figure III.11). [J.CAZENAVE, 2005]
41
Chapitre III
Figure III.11 : (o) ouverture de l’entaille (•) avancé de la fissure en fonction du temps de charge à 80°C et 2,4
Mpa [X.Lu, R.Qian & N.Brown, 1991]
Il est important de remarquer que les sauts d’ouverture de l’entaille interviennent en
même temps sur l’avancée de la fissure.
En effet, les vues microscopiques d’avancée de la fissure rapportée sur la figure III.12, pour
les différents stades (de a à f) de la figure III.11, montrent la formation d’une craquelure au
stade initiale de la fissure.
La figure 12(b) fait clairement apparaître un vide { l’intérieur de la craquelure { l’amorce
de la fissure. Cette étape est représentée par le point b sur la courbe, où débute le saut.
La figure III.12(c) montre que la zone noire correspondant au craquelage en tête de
l’entaille s’est fracturée et la fissure a avancé.
Des observations approfondies tendent à prouver que le saut de b à c sur la courbe a lieu
quand la fissure se propage rapidement. Ensuite, la fissure s’arrête et une seconde
craquelure se forme en fond d’entaille avec une structure fibrillaire. Parallèlement, la
Figure III.11 montre un second intervalle où la fissure avance de façon lente a lieu (point C
{ D). Au cours de cette étape deux zones d’endommagement secondaires se forment à 45°
de la fissure principale, émanant de la craquelure, du fait du composant cisaillement du
champ de contrainte. [J.CAZENAVE, 2005]
42
Chapitre III
Figure III.12 : Vue microscopique de côté de l’entaille d’échantillons soumis { une contrainte, {
différents temps (a à f). [X.Lu, R.Qian & N.Brown, 1991]
En résumé, la fissure se propage par formation successive de craquelures qui se fissurent,
entraînant une propagation par saut de la fissure, du fait de la propagation lente lors de la
création de la craquelure et la propagation rapide lors de la fissuration.
La figure III.12(b), déjà discutée précédemment montre clairement les différents stades
d’avancement de la fissure.
La raison pour laquelle la fissure s’arrête est le fait que les fibrilles { l’intérieur de la
craquelure se renforcent, de la base à la craquelure à la pointe. Au début de la formation de
la craquelure, les fibrilles se sont étirées à différents taux, les plus proches de la base de la
craquelure étant près de l’ouverture critique pour la fracture. Ainsi, la fissure s’arrête
quand les fibrilles sont trop fortes pour céder { ce moment avec l’intensité de contrainte
existante. Commence alors un procédé lent d’amincissement des fibrilles par
désenchevêtrent.[X.Lu, R.Qian & N.Brown, 1991]
43
Partie expérimentale
Chapitre IV
Les techniques de traitement et d’analyse à TUBEX
Chapitre IV
Les Techniques de traitement et d’analyse
Chapitre IV :
Les techniques de traitement et d’analyse
IV-1 PRESENTATION DE LA SARL TUBEX
TUBEX est une société spécialisée dans le domaine du transport des fluides. De part sa
situation géographique implantée à l’Est d’Oran sur la RN11, TUBEX est présente sur le
marché grâce à sa technologie de pointe.
TUBEX produit des tubes PVC à colle et à joint, pour l'assainissement et l'adduction
d'eau potable, ainsi que des tubes polyéthylène (PE) haute et basse densité (PEhd, PEbd)
pour le transport de gaz combustible, l'irrigation et l'adduction d'eau potable.
Figure IV-1 : Situation géographique de TUBEX
Grâce à un important parc d'équipements industriels, TUBEX produit deux grandes
catégories de tubes, conditionnés en rouleaux ou en couronnes, à partir des matières
premières suivantes :
1. Le polyéthylène (PE), de haute ou de basse densité (hd, bd), avec trois
couleurs différentielles :

PEhd traits bleus : pour le transport d'eau potable;

PEhd traits jaunes : pour le transport de gaz;

PEbd noir : pour l'irrigation et l'agriculture.
2. Le polychlorure de vinyle(PVC).
45
Chapitre IV
Durant la fabrication, des contrôles sont effectués en continu. Aspect, diamètre,
épaisseur et ovalisation des tubes sont ainsi constamment surveillés en autocontrôle
puis par des agents "régleurs" qui prélèvent des échantillons à des fréquences
prédéfinies pour effectuer des essais approfondis au laboratoire.
Du fait de ce monitoring ou système de surveillance continu sur toute la chaîne de
production, les tubes fabriqués par TUBEX sont d'une extrême fiabilité. Ils sont par
ailleurs identifiés par un marquage très précis permettant une parfaite traçabilité [Site
web Tubex]
Figure IV-2 : Fabrication et essais au laboratoire (Sarl TUBEX).
IV-2 LE POLYCHLORURE DE VINYLE(PVC) A TUBE.
Les tubes PVC sont également utilisés dans les canalisations d'évacuation du fait qu'ils
réunissent un ensemble de propriétés exceptionnelles, parmi lesquelles on peut
distinguer :
La solidité ;
La légèreté ;
L'anti-corrosion ;
La durabilité ;
Une grande résistance chimique.
IV-2.1 Domaines d'Application du tube PVC assainissement
Grâce à ces nombreuses qualités, le tube PVC assainissement TUBEX est le matériau
privilégié des canalisations et est aujourd'hui utilisé dans différents domaines :
Bâtiments ;
Travaux publics ;
Agricultures ;
Industries.
46
Chapitre IV
IV-2.2 Choix du tube "évacuation" :
Le choix du diamètre des tubes se fait en fonction du débit nécessaire, de la pente,
de la vitesse désirée et du taux de remplissage;
Le choix de la classe de rigidité des tubes doit être fait en fonction du sol sur lequel il
sera posé.
IV-2.3 Etanchéité :
Le joint d'étanchéité doit être placé dans la tête d'accouplement. Avant de mettre en
place le joint, nettoyer le siège du logement et placer conformément dans le siège du
logement. Enfin, vérifier le bon positionnement du joint ;
La partie intérieure de la tête d'accouplement tout comme la pointe mâle qui s'y
emboîtera doit être libérés de toute graisse ou grains de sable. Recouvrir également
le bord chanfreiné de la pointe mâle par un lubrifiant (vaseline ou eau savonneuse) ;
Introduire la pointe mâle du tube dans la longueur d'emboîtement, jusqu'au repère
correspondant et ressortir le tube de 10mm.
IV-3 LE POLYETHYLENE
TUBEX produit, à partir du polyéthylène (résine synthétisée par polymérisation de
l'éthylène gaz), deux grandes catégories de tubes : les tubes PEhd (PE100 et PE80) et les
tubes PEBD, tous deux conditionnés soit en rouleaux soit en tubes droits avec les
critères distinctifs suivants :
IV-3.1 Caractéristiques chimiques du Polyéthylène
 Grande facilité d'utilisation : légèreté et flexibilité;
 Excellentes caractéristiques hydrauliques;
 Longue durée de vie : supérieure à 50 ans;
 Absence de toxicité : sans danger pour l'environnement, le PE peut être
également mis en contact avec les denrées alimentaires;
 Absence d'encroûtement;
 Résistance : aussi bien aux agents microbiologiques, chimiques que
physiques (gel, chocs, abrasion, etc.);
 Soudure aisée : par les techniques de soudage bout à bout ou par
électrofusion permettant d'obtenir des canalisations parfaitement
étanches;
 Encastrement dans le béton.
47
Chapitre IV
IV-3.2 Domaines d'Application
 Adduction d'eau potable;
 Transport de gaz combustible;
 Branchements individuels;
 Irrigation;
 Assainissement;
 Bâtiment.
IV-4 POLYETHYLENE BASSE DENSITE (PEBD)
Les tubes PEBD (polyéthylène basse densité) sont très légers avec des qualités
mécaniques très importantes (souplesse, facilité de raccordement, étanchéité,
flexibilité..). Ils sont conditionnés en rouleaux et offrent ainsi des avantages nettement
supérieurs sur les matériaux métalliques.
La gamme des tubes PEBD TUBEX pour l'irrigation se présente, du diamètre 20 mm au
diamètre 90 mm, en rouleaux de 50, 100 et 200 mètres.
IV-5 POLYETHYLENE HAUTE DENSITE (PEHD)
On en distingue 2 types utilisés pour la production de tubes :
 la résine PE100 : les tubes fabriqués à partir de cette résine peuvent
supporter une contrainte minimale exigée (MRS : minimum required
strength) de 10 MPa à 20°C durant plus de 50 ans.
 la résine PE80 : offre, elle, une MRS de 08 MPa à 20°C durant plus de 50
ans et est destinée à la fabrication de tubes, principalement pour le
transport et la distribution de gaz et d'eau potable, le transport de liquide
sous pression et l'irrigation mobile.
IV-5 .1 Avantages propres au PE100 :
L'utilisation du PE100, à la place de PE80, pour la production des tubes a permis
d'améliorer les points suivants :
 Pression plus élevée surtout pour les grands diamètres;
 Tubes à parois plus minces et donc un débit plus important;
 Marge de sécurité plus large;
 Meilleure rigidité;
 Résistance à long terme plus élevée.
48
Chapitre IV
IV-5 .2 Adduction d'eau potable :
Le tube PEHD TUBEX (polyéthylène haute densité) est utilisé pour l'adduction d'eau
potable et pour les branchements individuels.
Les canalisations TUBEX, noires avec des filets bleus, sont très fiables, faciles à installer
et ne nécessitent aucun traitement particulier. Ajouté à cela, elles ont une durée de vie
supérieure à 50 ans.
Pour l’utilisation, TUBEX conseille :

Le tube noir avec filets bleus de TUBEX est le tube polyéthylène idéal pour tous
les réseaux d'eau potable. Il a très peu de pertes de charge et est particulièrement
apprécié dans les terrains instables.

Le choix du diamètre dépend de la vitesse d'écoulement, du débit du liquide à
véhiculer et des pertes de charges.

La vitesse recommandée doit être comprise entre 0.5 et 2 m/s, la perte de charge
maximale étant évaluée à 7 mm/m.

Le choix de la série du tube (PN) se fait en fonction de la pression maximale en
service et des conditions d'utilisation.
Diamètre
ext. en
mm
20
25
32
40
63
75
90
110
125
160
200
250
315
400
PN 6
PE80
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
PN 10
PE100
*
*
*
*
*
*
*
PE80
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
PN 16
PN 20
PE100
PE80
PE100
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
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*
*
*
*
*
*
*
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*
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*
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*
*
*
*
PN 25
PE80
PE100
*
*
*
*
*
*
PE80
PE100
*
*
*
*
*
Tableau IV.1 : Gammes des tubes PEHD pour l'adduction d'eau potable²&
Rappelons que les calculs techniques des caractéristiques ont comme cadre un minimum
de durée de vie de 50 ans pour un fluide transporté à 20°C (Il s'agit d'une moyenne et
49
Chapitre IV
cela ne signifie aucunement que les canalisations ne sont pas utilisables au-delà de 50
ans et au-delà de 20°C).les tableaux de 4.1 à 4.5 ( Annexe I)
IV-5 .3 Transport du GAZ :
TUBEX produit et commercialise des tubes PEHD pour le transport de gaz combustible,
le PEHD étant le matériau idéal pour le transport et la distribution de gaz dans des
conditions de sécurité maximales.
La flexibilité des tubes, la résistance aux agents chimiques, la qualité et la fiabilité des
jonctions assure des canalisations sûres et économiques. C'est aussi pour ces raisons
que
le
PEHD
remplace
aujourd'hui
tous
les
autres
types
de
matériaux.
TUBEX est homologué par SONELGAZ pour produire les diamètres 125mm, 200mm et
250mm.
50
Chapitre V
Chapitre V
Chapitre V
Introduction
Il est facile de prévoir que, dans la pratique, les problèmes d’analyse pourront
se poser à des degrés de difficulté très différents, allant de l’identification sommaire à
l’étude d’un détail particulier.
Le but de cette partie est de présenter le processus expérimental et les méthodes
employées pour l’évaluation de la résistance à la propagation lente d’une fissure sur un
tube en polyéthylène Pehd.
Le travail à TUBEX (lieu de déroulement du stage) est mené dans le cadre de la
détermination de la résistance par l’emploi de deux méthodes d’essai :
 la méthode d’essai à la virole.
 la méthode d’essai sur tube entaillé.
Le travail est finalisé par une comparaison des résultats et des tests obtenus entre
l’essai a la virole et l’essai a l’écrasement .
Partie 1
Méthode d’essai à la virole
La méthode d’essai à la virole est une technique utilisée pour déterminer la résistance à
la propagation lente d’une fissure sur un tube en polyéthylène d’épaisseur inférieure ou
égale à 5mm. Elle s’effectue sous la norme ISO 13480.
On applique cette expérience par l’utilisation des anneaux de longueur spécifiée et
prélevés dans un tube en polyéthylène. Ses anneaux, dont une extrémité est entaillée,
sont soumis à une déformation constante exercée par un mandrin (virole). Cet ensemble
est immergé dans un milieu tensioactif spécifié, maintenu à la température de (80±1) °C.
La vitesse de propagation de la fissure est mesurée à partir de l’entaille.
V-1 MILIEU TENSIOACTIF:
On prépare une quantité suffisante de solution à une concentration équivalente à 5 % en
masse de tensioactif (détergent neutre au nonyl-phénoxy (éthylèneoxy) éthanol
52
Chapitre V
comprenant 11 molécules d’oxyde d’éthylène) dans de l’eau bidistillée afin de garantir
l’immersion complète de toutes les tailles d’éprouvette à essayer.
V-2 APPAREILLAGE
V-2.1 Bac thermo régulé : Bac thermo régulé est rempli du milieu tensioactif de
dimensions suffisantes pour assurer l’immersion complète des éprouvettes à essayer. Ce
bac est réalisé en matière qui n’altère pas le milieu. Il comporte un couvercle pour éviter
l’évaporation et un dispositif pour agiter la solution (l’agitation évite la séparation de la
solution en plusieurs couches).
Figure V.1 : Bac thermo régulé
V-2.2 Virole (mandrin): Une virole est une pièce cylindrique creuse, sorte de tube
dont la longueur varie de quelques centimètres. La virole ou le mandrin (conique) est fait
d’une matière (exemple : laiton) qui ne doit pas altérer la solution tensioactive (voir la
figure V.2).
Figure V.2 : Différentes images illustrant la forme de la virole
La virole a une extrémité et des dimensions spécifiées sont :
53
Chapitre V
 Dimensions de la virole :
D = 1,12 × diamètre intérieur nominal du tube (± 0,1 mm).
H = D/2 pour les tubes de diamètre extérieur nominal supérieur à 40 mm.
R= diamètre intérieur nominal de virole pour les tubes de diamètre supérieur à 40
mm (± 2 mm).
Le diamètre intérieur nominal de la virole est égal au diamètre nominal du tube
moins deux fois l’épaisseur minimale de paroi spécifiée de virole.
Celui-ci est introduit dans le tube afin de maintenir une déformation constante.
 Dimensions de la rainure longitudinale :
Longueur de la rainure : L = 15 mm ± 3 mm
Largeur de la rainure
: e = 2 mm ± 1 mm
Profondeur de la rainure : I = épaisseur de la paroi de la virole
Figure V.3 : Les dimensions de la virole
V-2.3 Presse ou étau : Presse destinée à introduire le mandrin dans l’anneau à
une vitesse qui ne doit pas endommager ni déformer l’extrémité ou les bords du tube.
V-2.4 Dispositif d’entaillage : Une lame de cutteur a été utilisée pour le dispositif
d’entaillage.
V-2.5 Eprouvettes : Le prélèvement d’un anneau de 150 mm ± 5mm se fait à
partir des tubes en polyéthylène de diamètre extérieur à 63 mm, en veillant avec soin au
découpage des bords de l’anneau avec angle droit.
V-3 MODE OPERATOIRE
V-3.1 Introduction de la virole : L’introduction de
la virole se fait avec
précaution dans l’anneau tout en veillant à aligner leurs deux axes. L’utilisation de la
54
Chapitre V
presse vient par la suite pour pousser la virole à fond dans l’anneau à une vitesse de 100
mm/min.
Figure V.4 : Introduction de la virole sur l’anneau de tube en PE
V-3.2 Entaillage : Une entaille radiale se fait par une lame de cutteur de 10 mm ± 1
mm de longueur dans le sens longitudinal. Cette entaille est faite à travers la paroi du
tube, à l’extrémité de l’anneau déformé par la virole. On procède à la notation de la
position de l’entaille sur le contour de l’anneau par rapport au marquage.
La longueur de l’entaille est mesurée au sens longitudinal à partir de l’extrémité du tube,
A0 ± 0,5 mm.
Figure V.5 : L’entaillage de 10 mm sur tube PE par lame de cutteur
V-.3.3 Immersion de l’éprouvette : Après entaillage, l’éprouvette est placée avec
la virole dans le bac qui contient le milieu tensioactif et maintenu à la température
constante de (80 ± 1) °C.
L’éprouvette est placée verticalement dans le bac et est complètement immergée de
sorte que la virole repose sur le fond du bac avec son extrémité conique tournée vers le
bas. (voir la figure V.6). Le bac doit être fermé au moyen de son couvercle.
55
Chapitre V
Figure V.6 : Immersion de l’éprouvette dans le bac thermo régulé
V-.3.4 Calcul de la longueur de fissure :
Après l’immersion de l’éprouvette dans le milieu tensioactif contenu dans le bac thermo
régulé, pendant 24 h, l’éprouvette est retirée et laissée refroidir.
Un dispositif est mis en place et permet de relier une caméra au l’ordinateur. Cette
caméra permet par capture d’image de suivre la propagation de la fissure longitudinale
sur la surface du tube (figure V.7).
L’image est ensuite traitée avec le logiciel « Motic images » (figure V.8).
L’opération est répétée plusieurs fois jusqu’à ce que la fissure dépasse la longueur de la
virole dans le tube.
Figure V.7 : capture de la fissure par la camera
56
Chapitre V
Figure V.8 : images illustrant la propagation de la fissure longitudinale sur un tube PEHD
A partir des images obtenues de la propagation, un traitement à partir de logiciel
« Motic images » a été effectué pour le calcul de l’avancée de la fissure (a) de la
première entaille jusqu’au dépassement de la longueur de la virole. Puis le calcul de la
vitesse d’avancée (da/dt) et le facteur d’intensité de contrainte (K) (tableau V.1).
57
Chapitre V
Après la détermination des longueurs de fissures, nous avons procédé à la
détermination des vitesses d’avancée (da/dt) et des facteurs d’intensité de contrainte
(K), tableau (V.1).
Nous avons :
√
Avec :
avancée de la fissure en mètres
: Facteur d’intensité de contrainte (MPa.m1/2)
Les valeurs initiales sont prises comme suit :
 a0 = 10mm (longueur de l’entaille initiale)
 σ0 = 10 MPa (contrainte exercée par la virole)
Ce qui revient à écrire que :
ao=10 mm
σ0 = 10 MPa
Distance
Avancée de
la fissure
Temps
da (mm)
a (mm)
t(jours)
0,084
0,060
2,000
3,000
19,000
9,000
12,000
9,000
17,000
3,000
1,000
1,000
10,084
10,144
12,144
15,144
34,144
43,144
55,144
64,144
81,144
84,144
85,144
86,144
3
4
6
7
10
11
12
13
18
19
20
21
Vitesse
d’avancée
Facteur
d’intensité de
contrainte
(mm/jours)
K(Mpa. m1/2)
3,361
2,536
2,024
2,163
3,414
3,922
4,595
4,934
4,508
4,429
4,257
4,102
1,78
1,79
1,95
2,18
3,28
3,68
4,16
4,49
5,05
5,14
5,17
5,20
Tableau V.1 : Avancée de la fissure et facteur d’intensité
A partir des données et des résultats issus du tableau (V.1), on peut obtenir différents
graphes représentant le comportement du matériau.
58
Chapitre V
 Avancée de la fissure en fonction du temps
L’allure de la courbe tracée montre une augmentation de la longueur de la fissure en
fonction du temps (figure V.9). L’évolution de la fissuration peut être décomposée en
trois stades.
Avancée de la fissure en fonction du temps
Avancée de la fissure (mm)
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
0
5
10
15
temps (jour)
20
25
Figure V.9 : Etat de la fissure après 21 jours

Vitesse d’avancée en fonction du temps
La figure (V.10) est représenté la vitesse de propagation ou d’avancée de la fissure en
fonction du temps. Cette vitesse a tendance à diminuer durant les 06 premiers jours
pour augmenter par la suite durant 07 jours et diminuer à nouveau.
Vitesse d'avancée en fonction du temps
vitesse da/dt (mm/jour)
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
temps (jour)
20
Figure V.10 : Etat de la vitesse d’avancée de la fissure (temps)
59
25
Chapitre V
 Variation du facteur d’intensité de contrainte en fonction de l’avancée de la
fissure :
La figure (V.11) représente le facteur d’intensité K en fonction de l’avancée de la
fissure (a).
Nous remarquons que (K) augmente lorsque (a) augmente, car nous rappelons que
K= σ0√
et que σ0 est constante tant que la fissure ne dépasse la longueur de la
virole (70 mm).
facteur d'intensité de contrainte en fonction d'avancée de la fissure
Facteur d'intensité de contrainte
(MPa √m)
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0,000
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
Figure V.11 : Facteur d’intensité de contrainte en fonction de l’avancée de la fissure
 Vitesse d’avancée en fonction du facteur d’intensité de contrainte :
La figure (V.12) représente la variation de la vitesse d’avancée de la fissure en
fonction du facteur d’intensité de contrainte K.
Nous constatons que la vitesse diminue lorsque K augmente de 1.78 à 1.95MPa√ ,
pour augmenter par la suite jusqu’à K= 4.49 MPa √
correspond au 13éme jour.
Cette vitesse diminue au-delà de cette dernière valeur de K (au-delà du 13éme jour).
60
Chapitre V
Vitesse d'avancée en fonction du facteur d'intensité de contrainte
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
Facteur d'intensité de contrainte (MPa√m)
6,00
Figure V.12 : Etat de la vitesse (facteur d’intensité de contrainte)
V-4 DISCUSSION
Les figures V.9, V.10 et V.12 montrent que leurs allures sont constituées de trois étapes.
La première étape allant de 0 à 6 jours, la deuxième allant de 6 à 13 jours suivie de la
troisième étape allant de 13 à 21 jours.
Sur la figure V.10, la vitesse de propagation de la fissure diminue entre 0 et 6 jours. Cela
peut s’expliquer par le fait que l’action du produit tensio-actif n’est pas encore totale.
C’est-à-dire que la diffusion du produit n’a pas encore atteint tout le volume, car le rôle
du tensio-actif à 80°C est de réaliser l’accélération de la fissuration.
Au-delà du 6éme jours, nous constatons que la vitesse d’avancée augmente très
sensiblement (changement de pente). L’effet du tensio-actif à 80°C est totalement
effectif.
Au-delà du 13éme jours, nous constatons que la vitesse diminue .cela s’explique par le fait
que la longueur de la fissure correspond au 13éme jours est de 64.144 mm correspond
d’approximativement à la longueur de la virole (voir figure V.13). Car on n’a pas pu
effectuer des mesures entre le 13éme et le 18éme jours (4 jours).
Au-delà du 13éme jours, la fissure a atteint approximativement l’extrémité de la partie
constante (diamètre constante) de la virole.
Et au-delà de 70 mm de longueur (de la virole) la contrainte σ0 exercée sur le tube
diminue. En conséquence, la vitesse d’avancée de la fissure diminue, ainsi que le facteur
de contrainte K (diminue également).
61
Chapitre V
Figure V.13 : dimension de la virole
Partie 2
Méthode d’essai sur tube entaillé
La méthode, d’essai sur tube entaillé, permet la détermination de la résistance à la
propagation de la fissure d’un tube en polyéthylène. Cette propagation est exprimée en
fonction du temps de rupture. Ce temps est déterminé à l’aide d’un essai de rupture sous
une contrainte hydrostatique d’un tube entaillé longitudinalement par usinage sur sa
surface extérieure.
Cette méthode est effectuée selon la norme ISO 13480 des tubes de plus de 5 mm
d’épaisseur.
Dans le cas d’échantillons pré-entaillés soumis à une contrainte constante, on mesure
l’avancée de la fissure par un suivi vidéo-métrique de l’ouverture de l’entaille en
fonction du temps.
VI-1 APPAREILLAGE
 Appareillage d’essai de tenue à la pression des tubes, conforme à l’ISO 1167.

Dispositif d’usinage de l’entaille : une fraiseuse munie d’un mandrin horizontal
fixe au socle d’une manière rigide afin que le tube puisse être bloqué solidement et que
l’éprouvette soit rectiligne. Le mandrin doit supporter le tube par l’intérieur et sur toute
la longueur ou l’entaille doit être usinée. La fraise montée sur un arbre horizontal doit
avoir un angle « V » de la partie coupante et une vitesse spécifié.
62
Chapitre V
La fraise doit être soumise à une sorte de rodage en effectuant 10 m de longueur
d’entaillage avant sa première utilisation pour la préparation des éprouvettes.
VI-2 PREPARATION DES EPROUVETTES
VI-2.1 Eprouvettes : on prépare six éprouvettes et chaque éprouvette doit
comporter une portion de tube suffisamment longue pour que la longueur libre
minimale du tube soit de (3dn±5) mm entre les embouts pour les essais de pression
réalisés conformément à l’ISO 1167 où dn est le diamètre extérieur nominal du tube. Il
est nécessaire que la longueur libre minimale de (3dn±5) mm soit supérieure ou égale à
1000 mm.
VI-2.2 Emplacement des entailles : Elles sont marquées en vue de leur usinage.
L’emplacement de quatre entailles équidistantes sur la circonférence du tube
Figure V.14 : Tube éprouvette
VI-2.3 Usinage des entailles
1. Si l’épaisseur de paroi de l’éprouvette est supérieure à 50 mm la matière devra
être usinée avec une fraise à rainure de 15 mm à 20 mm de diamètre afin de laisser
environ 10 mm à enlever par la fraise en « V » lors de l’usinage suivant.
2. Chaque entaille doit être usinée avec une fraise jusqu'à une profondeur de telle
sorte que l’épaisseur restante de la paroi du tube soit entre 0.78 et 0.82 fois
l’épaisseur minimale (e) de la paroi pour le diamètre extérieur nominal et la série
63
Chapitre V
de pressions du tube. Les extrémités de chaque entaille se retrouvent sur la même
circonférence du tube comme le montrent les figures V14 et V.15
Figure V.15 : Méthode d’entaillage
L’épaisseur restante de la paroi du tube soit comprise entre 0.78 et 0.82 fois
l’épaisseur minimale de la paroi soit :
Epaisseur restante maximale
(
)
Epaisseur restante minimale
(
)
3. Pour les six éprouvettes, on a usiné avec une fraise jusqu'à une profondeur initiale
(Ni) de chaque éprouvette pour les quatre entailles par les calculs suivants :
(
64
)
Chapitre V
Eprouvette 01
Num
1
2
3
4
Eprouvette 02
Epaisseur
e (mm)
Profondeur
N (mm)
12,50
12,40
12,45
12,40
2,750
2,728
2,739
2,728
Nmoyen
2,736
Epaisseur
Profondeur
e (mm)
N (mm)
1
12,45
2,739
2
12,25
2,695
3
12,45
2,739
4
12,45
2,739
Nmoyen
2,728
Num
Eprouvette 03
Num
1
2
3
4
Eprouvette 04
Epaisseur
e (mm)
Profondeur
N (mm)
12,45
12,45
12,35
12,35
Nmoyen
2,739
2,739
2,717
2,717
2,728
Epaisseur
Profondeur
e (mm)
N (mm)
1
12,40
2,728
2
12,40
2,728
3
12,33
2,713
4
12,30
2,706
Nmoyen
2,719
Num
Eprouvette 05
Num
1
2
3
4
Eprouvette 06
Epaisseur
e (mm)
Profondeur
N (mm)
12,4
12,38
12,25
12,33
Nmoyen
2,728
2,724
2,695
2,713
2,715
Epaisseur
Profondeur
e (mm)
N (mm)
1
12,45
2,739
2
12,33
2,713
3
12,2
2,684
4
12,38
2,724
Nmoyen
2,715
Num
Tableau V.2 : Profondeurs pour les six éprouvettes
La profondeur initiale calculée à partir des six éprouvettes est proche de 2.724 mm.
cette valeur exprime la profondeur initiale de l’entaille à usiner avec une fraise proche à
2.724 mm →Ni ou N0 =2.724 mm = 2724 µm
VI-2.4 Nombre d’éprouvettes : à moins d’autres spécifications dans la norme
concernée, un minimum de trois éprouvettes doit être préparé.
65
Chapitre V
VI-3 MODE OPERATOIRE
VI-3.1 Essai de pression hydrostatique : On met les six éprouvettes sous
pression interne de l’eau conformément à l’ISO 1167 , à la température d’essai de 80°C
(voir figure V.16) ,en appliquant et en maintenant la pression à 8 bar.
Pendant l’application, on doit
vérifier que
la pression
augmente lentement et
progressivement et que la valeur requise n’est pas dépassée.
On doit maintenir la pression jusqu'à ce que l’éprouvette défaille ou que la durée
minimale requise soit dépassée. On note la tenue sous pression pour les six éprouvettes
à des heures différente c’est-à-dire :
Eprouvette 1 → 100h ;
Eprouvette 6 → 600h
Figure V.16 : Essai de pression hydrostatique
VI-3.2 Mesure de l’entaille en profondeur et en surface du tube :
VI-3.2-1 Mesure de l’entaille longitudinale en surface : En complément à
l’essai de pression, on sort les éprouvettes de l’eau et on laisse refroidir à la température
ambiante. On mesure, ensuite, l’avancée de l’entaille avec un pied à coulisse en surface
longitudinale pour calculer la vitesse d’avancée et le facteur d’intensité de contrainte.
66
Chapitre V
Important : on a remarqué qu’après un test de 600 heures (25 jours), la fissure n’a pas
avancé car c’est une fissure très lente. Ce qui serait impossible de l’évaluer pendant la
durée du stage.
VI-3.2-2 Mesure de l’entaille en profondeur : On découpe une portion du
tube autour de chaque entaille. On ouvre l’entaille afin de pouvoir accéder à l’une de ses
surfaces usinées. On mesure la largeur de la surface usinée de l’entaille (voir figure V.17)
pour calculer la profondeur de pénétration de la fissure par la loi suivante :
N= 0.5 [(
))]+ 0.866 L
√(
Où L est la largeur de la surface usinée de l’entaille, en millimètres;
dem = 125.2mm (est le diamètre extérieur moyen mesure du tube)
Figure V.17 : Mesurage pour calculer la profondeur de l’entaille
Le calcul de la profondeur de pénétration de la fissure des éprouvettes se fait de la
manière suivante :

Dans une éprouvette, on calcule la profondeur pour chaque entaille. Soit 04 au
total.

Dans la même éprouvette, on détermine la profondeur moyenne :
∑
67
Chapitre V
Eprouvette
Num
01 (100 h)
02 (200 h)
03 (300 h)
dem
L
N
L
N
L
N
(mm)
(mm)
N (mm)
(mm)
N (mm)
(mm)
N (mm)
1
2
125,2
125,2
4,0
4,0
3,496
3,496
5,0
3,5
4,380
3,055
4,00
4,00
3,496
3,496
3
125,2
3,0
2,616
3,5
3,055
3,50
3,055
4
125,2
3,5
3,055
3,5
3,055
4,50
3,937
Nmoyen
3,166
3,387
3,496
Tableau V.3 : Profondeur de pénétration (éprouvettes 01, 02,03)
Eprouvette
Num
04 (400 h)
05 (500 h)
06 (600 h)
dem
L
N
L
N
L
N
(mm)
(mm)
N (mm)
(mm)
N (mm)
(mm)
N (mm)
1
2
125,2
125,2
4,0
4,0
3,496
3,496
4,0
4,0
3,496
3,496
4,0
4,0
3,496
3,496
3
4
125,2
125,2
4,5
4,0
3,937
3,496
4,5
5,0
3,937
4,380
5,0
6,0
4,380
5,268
Nmoyen
3,606
3,827
4,160
Tableau V.4 : Profondeur de pénétration (éprouvettes 04, 05, 06)
Une fois que le calcul des profondeurs de pénétration de la fissure des éprouvettes est
effectué, on procède au calcul de la vitesse d’avancée (da/dt) et du facteur d’intensité de
contrainte (K) .
avec σ0 = 10 MPa (contrainte hydrostatique)
Avancée de
la fissure
Temps
a (mm)
h (heure)
3,166
3,387
3,493
3,606
3,827
4,166
100
200
300
400
500
600
Temps
t(jours)
4,2
8,3
12,5
16,7
20,8
25,0
Vitesse
d’avancée
Facteur
d’intensité de
contrainte
(µm/jours)
K(Mpa. m1/2)
0,760
0,406
0,279
0,216
0,184
0,167
0,997
1,032
1,048
1,064
1,096
1,144
Tableau V.5 : Avancée de la fissure (profondeur de pénétration)
68
Chapitre V

La figure V.18 montre l’avancée de la fissure en fonction du temps.
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,0
5,0
10,0
15,0
temps (jour)
20,0
25,0
30,0
Figure V.18 : Etat de la fissure après 25 jours (600h)

Vitesse d’avancée en fonction du temps
La vitesse cette fois- ci est en régression. Elle s’affaiblit de jour en jour jusqu’à atteindre
la valeur minimale de 0.167 mm/jours au bout du 25 ème jour, figure V.19.
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
5,0
10,0
15,0
temps (jour)
20,0
25,0
Figure V.19 : Vitesse d’avancée au bout de 25 jours (600h)
69
30,0
Chapitre V

Avancée de la fissure en fonction du facteur d’intensité de contrainte
Le facteur d’intensité K augmente linéairement avec l’augmentation de la longueur
de la fissure (a), figure V.20.
Facteur d'intensité de contrainte en fonction de l'avancée de la fissure
facteur d'intensité de contrainte
(MPa√m)
1,2
1,1
1,1
1,1
1,1
1,1
1,0
1,0
1,0
1,0
0
1
2
3
4
5
Figure V.20 : Facteur d’intensité de contrainte en fonction de l’avancée de la fissure

Vitesse en fonction du facteur d’intensité de contrainte
La figure V.21 montre la vitesse d’avancée de la fissure en fonction du facteur
d’intensité de contrainte.
Vitesse d'avancée en fonction du facteur d'intensité de contrainte
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,950
1,000
1,050
1,100
1,150
1,200
Figure V.21 : Vitesse en fonction du facteur d’intensité de contrainte (600h)
70
Chapitre V
Partie 3
Réduction de la propagation des fissures sur PEHD
Dans le but d’essayer de réduire la vitesse de propagation des fissures, nous avons pensé
à réaliser trois méthodes :
 Réduction par l’écrasement du tube à l’extrémité
 Réduction par l’écrasement de la matière à l’extrémité de la fissure sur longueur
de la virole
 Réduction par un collier de serrage (figure V.22) : Essais abandonnées pendant
les analyses parce que nous avons utilisé un collier métallique. jusqu’aux 10
premiers jours, la fissure était bloquée. Au bout du 10éme jours, le collier était
corrodé et a cassé libérant ainsi l’énergie emmagasinée à l’extrémité de la
fissure provoquant une avancée très rapide de la fissure.
Figure V.22 : Echantillon avec collier de serrage (Laboratoire de TUBEX))
VII-1 REDUCTION PAR L’ECRASEMENT DU TUBE A L’EXTREMITE DE LA FISSURE
La même méthode d’étude de la propagation de la fissure que celle utilisée dans
la première partie (essai à la virole) a été utilisée. Cette méthode consiste à :

On ajoute un écrasement juste à l’extrémité de l’entaille, à l’aide d’un
marteau, pour essayer de freiner l’avancement de la fissure, (figure V.23).

On immerge l’éprouvette dans le bac thermo régulé contenant le milieu
tensioactif pendant 24 h à la température de 80°C.
71
Chapitre V
Figure V.23 : Ajout d’écrasement sur l’éprouvette (Laboratoire de TUBEX))

l’éprouvette est retirée et laissée refroidir.

On mesure l’avancée de la fissure toujours à partir des images obtenues de
la propagation par le biais du programme « Motic images »
Les résultats obtenus sont illustrés dans le tableau V.6.
ao=10 mm
Distance
Avancée de
la fissure
da (µm)
a (µm)
σ0 = 10 MPa
Temps
t(jours)
Vitesse
d’avancée
Facteur
d’intensité de
contrainte
(µm/jours)
K(Mpa. m1/2)
206,00
104,00
131,20
136,57
137,43
142,03
10,00
8,04
11,43
14,36
17,33
20,78
23,14
10,00
196,00
210,00
240,00
300,00
418,30
330,00
206,00
416,00
656,00
956,00
1374,30
1704,30
1
4
5
7
10
12
Tableau V.6 : réduction par écrasement
72
Chapitre V
1 800,0
vitesse da/dt (µm/jour)
Avancée de la fissure (µm)
1 600,0
1 400,0
1 200,0
1 000,0
800,0
600,0
400,0
200,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
0
2
4
6
8
temps (jour)
10
12
0
2
4
6
8
temps (jour)
10
12
14
Facteur d'intensité en fonction de l'avancée de la fissure
Vitesse d'avancée en fonction du facteur d'intensité de
contrainte
25,0
200,0
20,0
150,0
15,0
100,0
10,0
50,0
0,0
0,00
0,0
14
(MPa√m)
vitesse da/dt (µm/jour)
250,0
250,0
5,00
10,00
15,00
20,00
Facteur d'intensité de containte (MPa√m)
25,00
5,0
0,0
0,00
500,00
Figure V.24 : Réduction la propagation des fissures sur PEHD par l’écrasement
73
1000,00
1500,00
Avancée de la fissure (µm)
2000,00
Chapitre V
VII.2
REDUCTION PAR ECRASEMENT DE LA MATIERE A L’EXTREMITE DE LA
FISSURE SUR TOUTE LA LONGUEUR DE LA VIROLE
Le freinage cette fois-ci est effectué par l’écrasement de la matière à l’extrémité de la
fissure sur une longueur de 6 cm, (figure V.25).
Figure V.25 : Réduction par l’écrasement de la matière (Laboratoire de TUBEX))
La même méthode, que celle de la
méthode d’essai à la virole a été utilisée. Cette
méthode consiste à :

On mettre l’écrasement de la matière à l’extrémité de l’entaille dans le sens
longitudinal jusqu’à la longueur de la virole.

On immerge l’éprouvette dans le bac thermo régulé contenant le milieu
tensioactif à 80°C.

l’éprouvette est retirée et laissée refroidir.

On mesure l’avancée de la fissure toujours à partir des images obtenues de
la propagation par le biais du programme « Motic images »
Les résultats obtenus sont regroupées dans le tableau V.7.
Distance
Avancée de
la fissure
da (mm)
a (mm)
Temps
t(jours)
Vitesse
d’avancée
Facteur
d’intensité de
contrainte
(mm/jours)
K(Mpa. m1/2)
1,714
2,600
3,000
3,769
3,786
3,471
3,389
10,00
1,94
2,86
3,22
3,92
4,08
4,31
4,38
10,000
2,000
14,000
7,000
16,000
4,000
6,000
2,000
12,000
26,000
33,000
49,000
53,000
59,000
61,000
7
10
11
13
14
17
18
Tableau V.7 : Réduction par l’écrasement de la matière
74
Chapitre V
Les tests effectués au laboratoire montrent l’avancée depuis le septième jour jusqu’au
dix-huitième. Le facteur d’intensité de contrainte obtenu au bout de 18 jours correspond
à une valeur de K égale à K=4.27 Mpa. m1/2 , figure V.26
75
Chapitre V
70,0
4,5
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
5
10
temps (jour)
15
20
0
10
15
temps (jour)
20
facteur d'intensité de contrainte en fonction de l'avancée de la fissure
Vitesse d'avancée en fonction du facteur d'intensité de
contrainte
5,0
4,5
4,0
4,0
3,5
3,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,00
5
(MPa√m)
3,5
0,0
0
4,5
4,0
1,00
2,00
3,00
4,00
Facteur d'intensité de contrainte(MPa√m)
0,0
0,000
5,00
10,000
20,000
30,000
40,000
Figure V.26 : Réduction par l’écrasement de la matière à l’extrémité de la fissure sur longueur la virole
76
50,000
60,000
70,000
Chapitre V
VIII-1 COMPARAISONS ENTRE ESSAI A LA VIROLE (1 ére PARTIE) ET ESSAI A
L’ECRASEMENT (3éme PARTIE)
L’ensemble des résultats obtenus sont regroupée sur les figures V.27, V.28, V.29, V.30.
Les courbes montrent que la vitesse de propagation de la fissure en fonction du temps
est beaucoup plus faible dans le cas de l’écrasement à l’extrémité de l’entaille (fissure
initiale).
Avancée des fissures en fonction du temps
Avancée des fissures (mm)
100,0
Virole
90,0
Ecrasement
Ecrasement(longueur virole)
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
0
5
10
15
temps (jour)
20
25
Figure V.27 : Avancée des fissures suivant le temps.
Vitesses d'avancée en fonction du temps
12,0
Vitesse da/dt (mm/jour)
Virole
Ecrasement
Ecrasement (longueur Virole)
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0
5
10
15
temps (jour)
20
Figure V.28 : Vitesses des avancées des fissures suivant le temps
77
25
Chapitre V
facteur d'intensité en fonction du facteur d'intensité
6,0
Facteur d'intensité de
contrainte(MPa√m)
Virole
Ecrasement
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0,000
20,000
40,000
60,000
Avancée des fissures(mm)
80,000
100,000
Figure V.29 : Facteur d’intensité de contrainte de l’avancée des fissures.
Vitesses d'avancée en fonction du facteur d'intensité
12,0
Vitesse da/dt (mm/jour)
Virole
Ecrasement
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Figure V.30 : Vitesses des avancées en fonction du facteur d’intensité de contrainte.
VIII-2 DISCUSSION
Les nouvelles générations des tubes en Polyéthylène haute densité (PEHD) présentent
un excellent comportement à la fissuration.
Notre étude montre que le freinage par l’écrasement à l’extrémité de l’entaille constitue
un des moyens pour minimiser ou freiner, d’une manière quasi-définitive, la
propagation des fissures pour les tubes PEHD.
78
Conclusion
Conclusion
Conclusion
L’objectif de ce mémoire est l’étude et la maitrise du phénomène de la propagation des
fissures sur tube PEHD ainsi que la solution par le freinage ou réduction de l’avancée de la
fissure. Ce freinage augmentera la durée de vie du polyéthylène.
Les travaux réalisés à
Tubex ont fait l’objet de mieux connaître la résistance à la
propagation des fissures sur les canalisations en polyéthylènes haute densité PEHD.
Nous avons tenté les essais expérimentaux et les méthodes pour suivre l’avancement
d’une fissure en profondeur et en surface longitudinal de tube PEHD.
La première expérience s’est soldée par la réalisation de la méthode d’essai à la virole en
milieu tensioactif. La seconde est la méthode d’essai sur tube entaillé en milieu
hydrostatique.
 Pour la première expérience (essai à la virole), nous retenons après l’expérience
faite que :
•
La vitesse de propagation de la fissure diminue entre 0 et 6 jours
• Cela peut s’expliquer par le fait que l’action du produit tensio-actif n’est pas
encore totale. C’est-à-dire que la diffusion du produit n’a pas encore atteint tout le
volume, car le rôle du tensio-actif à 80°C est de réaliser l’accélération de la
fissuration.
• Au-delà du 6éme jours, nous constatons que la vitesse d’avancée augmente très
sensiblement (changement de pente). L’effet du tensio-actif à 80°C est totalement
effectif.
• Au-delà du 13éme jours, nous constatons que la vitesse diminue .cela s’explique
par le fait que la longueur de la fissure atteint approximativement l’extrémité de la
partie constante (diamètre constante) de la virole.
• En conséquence, la vitesse d’avancée de la fissure diminue, ainsi que le facteur de
contrainte K (diminue également).
 Pour la
seconde expérience (essai sur tube entaillé),
l’expérience nous fait
constater que :
 La profondeur initiale moyenne calculée à partir des six éprouvettes, est de 2.724
mm.
 Cette valeur exprime la profondeur initiale de l’entaille à usiner avec une fraise.
 La fissure avance en fonction du temps.
80
Conclusion
 La vitesse cette fois- ci est en régression. Elle s’affaiblit de jour en jour jusqu’à
atteindre la valeur minimale de 0.167 mm/jours au bout du 25 ème jour.
 Le facteur d’intensité K augmente linéairement avec l’augmentation de la longueur
de la fissure
Dans les deux cas, nous avons constaté que la fissure avance d’une manière continue en
fonction du temps (date). Cet avancement ou propagation peut causer des dégâts soit par
une fuite d’eau soit par une fuite de gaz pour le cas du PEHD.
Pour y remédier, Nous avons procédé à l’essai de quelques méthodes permettant le
ralentissement d’avancée de la fissure :
 Réduction par l’écrasement du tube a l’extrémité de la fissure

Réduction par écrasement de la matière A l’extrémité de la fissure sur toute la
longueur de la virole
Les nouvelles générations des tubes en Polyéthylène haute densité (PEHD) présentent un
excellent comportement à la fissuration.
Notre étude montre que le freinage par l’écrasement à l’extrémité de l’entaille constitue
un des moyens pour minimiser ou freiner, d’une manière quasi-définitive, la propagation
des fissures pour les tubes PEHD.
81
Bibliographie
Bibliographie
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S.MAOU(2012)
Etude des propriétés thermiques de mélanges à base de PVC et PVC- PEHD et les
phénomènes de dégradation. Mémoire de magister-2012. Université Kasdi MerbahOUARGLA
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La chimie des polymères, Support de Cours-2010
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GLYNWED
DT Push-Fast, Catalogue technique
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M.MEDKOUR(1982)
Livre de Polymères (synthèse macromoléculaire) Tome 1 en 1982
5
H.LAIB & O.ZOUAOUI(2006)
Thermo et photodégradation de tuyaux en polyéthylène basse densité destinés à
l’irrigation. Mémoire d’ingénieur-Septembre 2006. Université des Sciences et de la
Technologie d’Oran Mohamed Boudiaf (USTO)
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Tubes en polyéthylène PE. Catalogue technique de Groupe CHIALI
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Polyéthylènes basse densité .Thèse de docteur Ingénieur en 1997
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Analyse expérimentale du soudage bout à bout des tubes en polyéthylène. Mémoire de
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9
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Etude de l’extrusion du PET et de ses mélanges non-comptabilisés avec le PEHD
Application au recyclage. Thèse de doctorat –décembre 2012. École Nationale
Supérieure des Mines de Paris
10 J-P.TROTIGNON, J.VERDU, A.DOBRACZYNSKI & M.PIPERAUD ( 1997)
Livre de Matières plastiques. ENSAM .paris 1997
11 M.CARREGA & COLL (2007)
Matériaux Polymères. 2ème édition DUNOD. L’usine nouvelle, série : mécanique des
matériaux.
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Polypipe PE Pression. Éléments d’informations techniques, MAI 2012
13 R. KHELIF(2007)
83
Bibliographie
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polyéthylène pour le transport du gaz. Thèse de doctorat –Octobre 2007. Université
Blaise Pascal - Clermont II - Ecole doctorale de CLERMONT-FERRAND
14 J.CAZENAVE (2005)
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 –mai 2005. Institut des Sciences Appliquées de LYON.
Ecole Doctorale Matériaux de LYON
15 TUBEX SARL
Guide d’utilisation des canalisations en PEHD
16 SOTICI
Tubes polyéthylène haute densité pour l’adduction d’eau potable, documentation
technique et préconisations de pose
17 H. Olivier (2006)
Analyse expérimentale et simulation thermomécanique du soudage bout à bout de
tubes de polyéthylène. Thèse de doctorat –juillet 2006. Ecole Des Mines de PARIS
Ecole Doctorale 364 : Sciences Fondamentales et Appliquées
84
Annexes
Annexes
Figure A.1 : Processus de production du polyéthylène
Figure A.2 : Valeurs du coefficient d’abrasion selon Institut Darmstadt.
II
Annexes
Paramètre
Méthodes
d'essais
Unité de mesure
PE80
PE100
Densité à 23°C
ISO1183
Kg/m³
945-960
948-961
Indice de fluidité (190°C-5kg)
ISO1133
gr/10mn
0.4-1.0
0.2-0.5
Tableau A.1 : Caractéristiques physiques du tube PEHD
Paramètre
Méthodes
d'essais
Unité de mesure
PE80
PE100
Module d'élasticité
DIN53457
N/mm²
900
1200
Charge à la rupture
ISO6259
N/mm²
24
24
Allongement à la rupture
ISO6259
%
= 350
= 350
Dureté Shore D à 20°C
ISO868
-
61
59
Résilience IZOD S.I 23°C
ASTM D256
J/m²
› 600
› 600
Tableau A.2 : Caractéristiques mécaniques du tube PEHD
Paramètre
Méthodes
d'essais
Unité de mesure
PE80
PE100
Conductibilité thermique
DIN52612
W/m.k
0.38
0.38
Coefficient de dilatation thermique
DIN53752
°K-1
1.3 x 10-4
1.3 x 10-4
Température de fragilisation
ASTM D746
°C
‹- 108
‹- 100
Tableau A.3 : Caractéristiques thermiques du tube PEHD
Paramètre
Méthodes
d'essais
Unité de mesure
PE80
PE100
% en poids de noir de carbone
ISO6964
%
2.0 - 2.5
2.0 - 2.5
Dispersion de noir de carbone
ISO18553
-
=3
=3
Stabilité à l'oxydation à 200°C
NF EN728
min
› 20
› 20
Tableau A.4 : Autres propriétés
III
REP
U
UBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
NIVERSITE DES
S
CIENCES ET DE LA TEC HNOLOGIE D
’O
RAN
MOHAMED BOUDIAF
FACULTE
DES SCIENCES
Département de Chimie industrielle
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Diplôme
de Master en physico-chimie des matériaux minéraux
et développement durable
OPTION : chimie industrielle
Etude de la fissuration des
canalisations en polyéthylènes
haute densité
Mr.
Mr.
Mr.
Mr.
Mr.
……………………………………
. ……………………………………
……………………………….……
AIT SAADI Bachir
AYOUNI Abdelillah
Juin 2014
Président
Examinateur
Examinateur
Promoteur
Co-promoteur

Etude de la fissuration des canalisations en polyéthylènes haute

Transcription

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