Thèse
Auteur :
Coeuille Frédérique

Date de soutenance :
01 juillet 2002

Directeur(s) de thèse :
Shanahan M.e.r.



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Revêtements polymères de canalisation de fluide: caractérisation et évolution de l'adhésion en milieu agressif


Résumé : Ce travail s'est consacré à l'étude de l'adhésion et du comportement en vieillissement d'un revêtement polymère tri-couche assurant la protection externe des canalisations en acier. Afin d'éviter les problèmes liés à la corrosion de ces canalisations, Gaz De France utilise deux méthodes complémentaires de protection associées:

- Une protection active électrochimique, dite protection cathodique

- Une protection passive par dépôt d'un revêtement externe.

Ce dernier ce compose de trois couches polymères successivement déposées sur l'acier de type Epoxy (Ep) / Ethylène Butyl Acrylate (EBA) / Polyéthylène haute densité (PEHD). Etant donnée la spécificité de la géométrie des échantillons, l'adhésion du revêtement a été caractérisée par un test de pelage adapté au matériau. L'étude des échantillons neufs nous a permis de constater que l'adhésion dépendait directement de la qualité du processus de fabrication.

La durée de vie des canalisations en service étant relativement longue, nous avons travaillé en conditions sévères de vieillissement accéléré sur des échantillons " sans défauts de surface ", puis sur des échantillons " avec défauts de surface ". Les résultats de vieillissement ont montré la faiblesse de l'époxy par rapport aux couches externes d'EBA et de PEHD, bien plus perméables à l'eau. Nous avons mis en évidence des vieillissements différents suivant le type d'échantillons testés, et observé que seuls ceux comportant des " défauts de surface " vieillissaient prématurément. La diffusion de l'eau au sein de ces derniers a donné lieu à la mise au point d'un modèle prédictif de durée de vie qui nous a permis d'estimer un coefficient de diffusion " interfacial ", ainsi qu'un temps de décollement total du revêtement en fonction des paramètres de vieillissement.

Parallèlement, des essais de vieillissement sous protection cathodique (P.C.) en milieu salin NaCl 1 g/l, ont montré à court terme que l'effet d'une température supérieure à 35°C est prédominant, et masque les effets de la P.C. En revanche, à plus faible température et à plus long terme, il semble que cet effet s'atténue et la P.C. puisse localement limiter le décollement du revêtement.INTRODUCTION

CHAPITRE 1 :

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

1 LE COLLAGE STRUCTURAL 4

1.1 Définition 4

1.2 Les théories de l'adhésion 4

2. LE VIEILLISSEMENT 9

2.1 Introduction 9

2.2 Vieillissement physique 10

2.3 Vieillissement chimique 12

2.4 Les phénomènes de diffusions 13

2.5 Identification des mécanismes de diffusion 17

3. LA THEORIE DU PELAGE 17

3.1 Analyse du pelage 18

3.2 Phénomènes de stick-slip 21

4. LA PROTECTION CATHODIQUE 22

4.1 Les phénomènes de dégradation 22

4.2 La protection contre la corrosion 23

CHAPITRE 2 :

ASSEMBLAGE TRI-COUCHE ET TECHNIQUES D'ANALYSES

1. PRESENTATION DE L'ASSEMBLAGE TRI-COUCHE 30

1.3 Le PEHD et l'EBA, des polymères semi-cristallins 31

1.4 L'époxy, un polymère thermodurcissable 35

2. PROCEDE DE FABRICATION 38

3. PROTOCOLE DE PREPARATION DES ECHANTILLONS 39

3.1 Echantillons vieillis 39

3.2 Echantillons non vieillis 39

4. TECHNIQUES D'ANALYSES 41

4.1 Caractérisations physico chimiques 41

4.2 Caractérisations mécaniques 43

4.3 Caractérisation de surface 48

5. CONCLUSIONS 50

CHAPITRE 3 :

CARACTERISATIONS PHYSICO-CHIMIQUE ET

MECANIQUE DES POLYMERES

1. VIEILLISSEMENT DU PEHD ET DE L'EBA 52

1.1 Résultats des essais de gravimétrie 52

1.2 Etude de la transition vitreuse par DSC 62

1.3 Evolution des propriétés mécaniques 63

1.4 Remarques 66

2. VIEILLISSEMENT DE L'EPOXY 66

2.1 Résultats des essais de gravimétrie 66

2.2 Phénomènes de plastification 71

2.3 Observations microscopiques 72

2.4 Composition de la résine 74

2.4 Etude des processus de dégradation dans l'eau distillée 75

2.6 Evolution de la température de transition vitreuse 78

2.7 Etude des processus de dégradation en solution saline 79

3. CONCLUSION 83

CHAPITRE 4 :

INFLUENCE DES CONDITIONS D'APPLICATION ET

DEFAUTS DE SURFACE

1. CARACTERISATION DES TUBES A L'ETAT INITIAL 86

1.1 Energie de séparation et faciès de rupture 86

1.2 Analyse de l'énergie de pelage du tube 9 92

1.3 Identification des défauts de fabrication 95

1.4 Influence de la vitesse de pelage sur l'énergie de pelage 99

1.5 Cas du pelage d'un tube sans adhésif 100

1.6 Détermination de l'énergie d'adhésion globale du système 101

2. VIEILLISSEMENT " SANS DEFAUTS DE SURFACE " 102

2.1 Choix des paramètres et conditions de vieillissement 103

2.2 Vieillissement à 60°C 105

2.3 Vieillissement à 20°C dans l'eau distillée 108

2.4 Remarques sur le rôle de l'eau et de la température 108 (sans défauts de surface)

3. VIEILLISSEMENT " AVEC DEFAUTS DE SURFACE " 109

3.1 Vieillissement à 35°C dans l'eau distillée 109

3.2 analyse des pelages et faciès de rupture 109

3.3 Vieillissement à 60°C dans l'eau distillée 110

3.4 Remarque sur le rôle de l'eau et de la température 114 (avec défauts de surface)

4. CONCLUSIONS 115

CHAPITRE 5 :

INFLUENCE D'UN VIEILLISSEMENT HUMIDE SUR L'ADHESION DES

REVETEMENTS

1. MODIFICATION DE LA DIFFUSION EN FONCTION DES PARAMETRES DE VIEILLISSEMENT 118

2. MODELE DE DIFFUSION A 60°C 119

2.1 Diffusion au travers d'une plaque mince 119

2.2 Détermination du coefficient de diffusion à " l'interface " 125

2.3 Différence de cinétique aux interfaces 137

2.4 Concentrations critiques de décollement 139

3. ENERGIE GLOBALE D'ADHESION ET DIFFUSION 142

4. DISCUSSION 145

5. MODELE DE DIFFUSION A 35°C 147

5.1 Observations 148

5.2 Validité du modèle de diffusion 150

5.3 Détermination du coefficient de diffusion à " l'interface " 151

5.4 Concentration critique de décollement 156

6. COMPARAISON DES VIEILLISSEMENTS A 35°C ET 60° 159

7. DISCUSSION 161

8. CONCLUSIONS 162

CHAPITRE 6 :

INFLUENCE DE LA SALINITE DU MILIEU DE VIEILLISSEMENT

ET DE LA PROTECTION CATHODIQUE

1. VIEILLISSEMENT EN SOLUTION SALINE 166

1.1 Vieillissement à 35°C 167

1.2 Vieillissement à 60°C 168

1.3 Comparaison avec un vieillissement dans l'eau distillée 169

2. LA PROTECTION CATHODIQUE 172

2.1 Le montage 172

2.2 Effet de la protection cathodique sur le vieillissement 173

2.3 Etude de l'énergie d'adhésion du système 178

2.4 Effet du pH de la solution 184

3. CONCLUSIONS 188

CONCLUSION GENERALE

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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