Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à haut grade"

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'enseignement supérieur
et de le recherche scientifique

Université Djillali Liabes de Sidi Bel Abbés

Faculté de sciences de l'ingénieur
Département de génie mécanique

Pour l'obtention du diplôme de magister en génie mécanique
Option: mécanique des matériaux avancés

Présentée et soutenue publiquement par

BELHENINI Soufyane

juin 2009

Analyse numérique des contraintes résiduelles dans
les structures assemblées par soudage

"Cas des pipelines en acier à haut grade"

Encadreur

Mr B.Boutabout : Maître de conférences UDL de SBA

Jury

Mr B.Serier : Professeur UDL de SBA Président

Mr k.Kaddouri : Maître de conférences UDL de SBA Examinateur

Mr A.Amiri : Maître de conférences UDL de SBA Examinateur

Mr A.Ziadi : Maître de conférences UDL de SBA Examinateur

Remerciements

Avant tout, je remercie ALLAH EL KARIM qui m a donné de l'aide et de la patience pour atteindre mon objectif.

Je n'aurais jamais pu mener à bien ce travail sans l'aide de mon encadreur Mr BOUTABOUT .B. C'est avec plaisir que je tiens à le remercier pour ce qu'il m'a apporté.

Je voudrais dire un grand merci à Mr ZIADI Abd El Kader sans qui cette étude ne serait pas à ce stade aujourd'hui. Merci encore une foi pour votre présence autant que membre de jury.

Mes remerciements vont également aux membres du jury qui ont accepté d'examiner ce travail. Ainsi, je remercie Mr SERIER B d'avoir accepté de présider le jury. J'exprime aussi ma gratitude à Mr AMIRI et Mr KADDOURI, qui ont accepté d'être parmi les membres de jury. Je les remercie pour la lecture approfondie du mémoire et les nombreuses remarques pertinentes qu'ils ont formulés.

Que madame ANNE-MARIE Habraken trouve ici l'expression de ma profonde reconnaissance pour m'avoir accueilli au Département ArGEnCo de l'université de Liège. Les connaissances qu'il m'a fait partager et son esprit d'entreprise m'ont été très précieux. Bien entendu, je remercie l'équipe du laboratoire MS2F.

Je voudrais remercier mes parents, mon frère et mes soeurs qui m'ont constamment soutenue au cours de mes études et qui m'ont toujours fait confiance pour quoi que ce soit. Je remercie mes amis, qui tous à un moment ou à un autre ont déposé un petit grain de quelque chose....

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE I RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

Histoire du soudage en quelques étapes clés 3

I.1 INTRODUCTION 5

I.2 PROCEDES DE SOUDAGE 6

I.2.1 Procédés faisant intervenir la fusion locale des pièces à assembler 6

I.2.2 Procédés ne faisant pas intervenir la fusion locale des pièces à assembler 7

I.3 SOUDAGE DES PIPELINES 7

I.3.1 Introduction 7

I.3.2 Principe du soudage MIG/MAG 8

I.3.3 Protection gazeuse 9

I.3.4 Avantages et inconvénients du soudage MIG/MAG 11

I.4 MATERIAUX DES PIELINES 12

I.4.1 Introduction 12

I.4.2 Aciers à hauts grades pour pipelines 12

I.5 DISTORSION DUES AU SOUDAGE 17

I.5.1 Retrait longitudinal 18

I.5.2 Retrait transversal 18

I.5.3 Effet de pliage 18

I.5. 4 Contrôle des distorsions dues au soudage 19

I.5.4.a Diffraction des rayons X (XRD) 19

I.5 4.b Diffraction des neutrons 20

I.5. 4.c Ultrasons 20

I.5. 4.d Électromagnétique 20

I.6 CONTRAINTES RESIDUELLES DUE AU SOUDAGE 20

I.6.1 Introduction 20

I.6.2 Phénomènes dus à l'élévation de température (Cycles thermiques) 22

I.6.3 Estimation des contraintes résiduelles 24

I.7 MODELISATION NUMERIQUE DU PROCEDE DE SOUDAGE DES PIPELINES 25

I.7.1 Introduction 25

I.7.2 Intérêt de la simulation du soudage 25

I.7.3 Phénomènes physiques impliqués et leurs modélisations 26

I.7.3.1 Modélisation thermique 26

I.7.3.1.a Modélisation de la source de chaleur 27

I.7.3.1.b Résolution de l'équation de chaleur par la méthode des éléments finis 29

I.7.3.2 Modélisation des transformations métallurgiques 33

I.7.3.2.a Introduction 33

I.7.3.2.b Transformation de phase au refroidissement 33

I.7.3.3 Modélisation mécanique 37

I.7.3.3.a Introduction 37

I.7.3.3.b Mise en équation 37

I.7.3.3.c Déformation élastique et déformation thermique 28

I.7.3.3.d Modélisation du comportement plastique 38

I.7.3.3.e Résolution du problème mécanique par la MEF 40

I.7.3.3.f Simulations bidimensionnelles 41

I.7.3.4 Approche locale/globale 41