Etude du comportement mécanique du HDPE vieilli dans Un milieu organique : cas des carburent usuels

Abstract

Polymers, and more specifically high-density polyethylene (HDPE), play a crucial role in manyindustrial sectors due to their good mechanical properties, chemical resistance, and excellent corrosion resistance. HDPE is widely used in the manufacture of pipelines, storage tanks, and fluid transport systems, particularly for hydrocarbons and natural gas. However, prolonged exposure to organic media such as diesel fuel can cause aging phenomena that may alter the material's properties and affect its service life. The main objective of this work is to study the influence of diesel fuel on the resilience of HDPE pipes used for natural gas distribution. The study also aims to analyze the effect of diesel fuel absorption on the material's mechanical behavior and its ability to absorb energy during an impact. The average resilience of unaged HDPE, stored in open air, is estimated at approximately 20 kJ/m² according to the experimental method used. This value was obtained from arc-shaped specimens. The experimental results show that the aging environment has a significant influence on the impact behavior of HDPE. After 7 days of immersion in diesel fuel, a 6.08% decrease in resilience is observed compared to the initial state, indicating an early embrittlement phase of the material. From 14 days of immersion onward, the trend shifts toward a 16.25% increase in resilience, which can be attributed to structural modifications induced by the interaction between the polymer and the fuel. This increase continues with aging time, reaching 33.86% and 38.65% after 21 and 28 days of immersion, respectively, indicating a progressive improvement in energy absorption capacity under dynamic loading. Initially, a literature review was conducted on polymers, the structural characteristics and properties of HDPE, as well as the main mechanisms of diffusion, aging, and degradation of polymeric materials. Next, the methods for preparing and machining the test specimens were presented. The experimental section describes the protocol for immersing the samples in diesel fuel, the tests performed, and the measurement methods and calculations used to evaluate the parameters studied, particularly diffusivity. Finally, the results obtained were analyzed and discussed to highlight the effect of aging in an organic medium on themechanical behavior of HDPE. This study contributes to a better understanding of the interactions between diesel fuel and highdensity polyethylene. It also allows for the evaluation of the durability of HDPE pipes used in industrial applications and in hydrocarbon transport, under conditions close to their actual use. ----------------------------------------------------------------------- تحتلّ البوليمرات، وبشكل خاص البولي إيثيلين عالي الكثافة مكانة أساسية في العديد من القطاعات الصناعية بفضل خصائصهاكانيكية الجيدة، ومقاومتها الكيميائية، إضافة إلى مقاومتها الممتازة للتآكل. ويُستخدم البولي ايثيلين على نطاق واسع في تصنيع الأنابيب المي، وخزانات التخزين،وأنظمة نقل الموائع، خاصة الهيدروكربونات والغاز الطبيعي. غير أن التعرض المطوّل للأوساط العضوية مثل وقود الديزل قد يؤدي إلى حدوث ظواهر الشيخوخة التي يمكن أن تُغيّر خصائص المادة وتؤثر على متانتها أثناء الخدمة. يهدف هذا العمل أساسا إلى دراسة تأثير وقود الديزل على مقاومة الصدمة لأنابيب البولي ايثيلين المخصصة لتوزيع الغاز الطبيعي. كما تهدف الدراسة إلى تحليل تأثير امتصاص الديزل على السلوك الميكانيكي للمادة، وكذلك على قدرتها على امتصاص الطاقة أثناء التعرض للصدمات. تقدر مقاومة الصدمة المتوسطة للبولي إيثلين عالي الكثافة غير المعرض للشيخوخة والمحفوظ في الهواء الطلق بحوالي 20 كيلو جول/م وفقا للطريقة التجريبية المعتمدة. وقد تم الحصول على هذه القيم اعتمادا على عينات اختبار ذات شكل قوسي. تظهر النتائج التجريبية أن وسط الشيخوخة يؤثر بشكل ملحوظ على سلوك البولي ايثيلين عند التعرض للصدمات. فبعد 7 أيام من الغمر في وقود الديزل، لوحظ انخفاض في مقاومة الصدمة بنسبة 6.08% مقارنة بالحالة الابتدائية، مما يعكس مرحلة مبكرة من هشاشة المادة. ابتداء من 14 يوما من الغمر، تطور الاتجاه نحو زيادة في مقاومة الصدمة بنسبة 16.25، ويمكن تفسير ذلك بحدوث تغيرات بنيوية ناتجة عن التفاعل بين البوليمر والوقود. واستمرت هذه الزيادة مع مدة الشيخوخة لتصل إلى 33.86% و 38.65% بعد 21 و 28 يوما من العمر على التوالي، مما يدل على تحسن تدريجي في قدرة المادة على امتصاص الطاقة تحت تأثير الأحمال الديناميكية. في المرحلة الأولى، خصصت دراسة مرجعية للبوليمرات، والخصائص البنيوية وخواص البولي ايثيلين ، بالإضافة إلى أهم آليات الانتشار والشيخوخة وتدهور المواد البوليميرية. بعد ذلك، تم عرض طرق تحضير وتشغيل عينات الاختبار. أما الجزء التجريبي فقد تضمن وصف بروتوكول عمر العينات في وقود الديزل، والاختيارات المنجرة، إضافة إلى طرق القياس والحسابات المستخدمة لتقييم المعايير المدروسة، وخاصة معامل الانتشار .وفي النهاية، تم تحليل ومناقشة النتائج المتحصل عليها بهدف إبراز تأثير الشيخوخة في الوسط العضوي على السلوك الميكانيكي للبولي إيثيلين عالي الكثافة . تساهم هذه الدراسة في تحسين فهم التفاعلات بين وقود الديزل والبولي إيثيلين عالي الكثافة، كما تسمح بتقييم متانة أنابيب البولي ايثيلين المستخدمة في التطبيقات الصناعية وفي نقل الهيدروكربونات، ضمن ظروف قريبة من ظروف التشغيل الفعلية. -------------------------------------------------------------------------- Les polymères, et plus particulièrement le polyéthylène haute densité (HDPE), occupent une place essentielle dans de nombreux secteurs industriels grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques, leur résistance chimique ainsi que leur excellente tenue à la corrosion. Le HDPE est largement utilisé dans la fabrication des canalisations, des réservoirs de stockage et des systèmes de transport de fluides, notamment des hydrocarbures et du gaz naturel. Toutefois, l’exposition prolongée à des milieux organiques tels que le gazole peut provoquer des phénomènes de vieillissement susceptibles de modifier les propriétés du matériau et d’affecter sa durabilité en service. Le présent travail a pour objectif principal d’étudier l’influence du carburant diesel sur la résilience des tubes en HDPE destinés à la distribution du gaz naturel. L’étude vise également à analyser l’effet de l’absorption du gazole sur le comportement mécanique du matériau ainsi que sur son aptitude à absorber l’énergie lors d’un choc. La résilience moyenne du HDPE non vieilli, conservé à l’air libre, est estimée à environ 20 kJ/m² selon la méthode expérimentale adoptée. Cette valeur a été obtenue à partir d’éprouvettes de géométrie en arc. Les résultats expérimentaux montrent que le milieu de vieillissement exerce une influence importante sur le comportement au choc du HDPE. Après 7 jours d’immersion dans le diesel, une diminution de la résilience de 6,08 % est observée par rapport à l’état initial, traduisant une phase de fragilisation précoce du matériau. À partir de 14 jours d’immersion, la tendance évolue vers une augmentation de la résilience de 16,25 %, ce qui peut être attribué à des modifications structurales induites par l’interaction entre le polymère et le carburant. Cette augmentation se poursuit avec le temps de vieillissement pour atteindre respectivement 33,86 % et 38,65 % après 21 et 28 jours d’immersion, indiquant une amélioration progressive de la capacité d’absorption d’énergie sous sollicitation dynamique. Dans un premier temps, une étude bibliographique a été consacrée aux polymères, aux caractéristiques structurales et aux propriétés du HDPE, ainsi qu’aux principaux mécanismes de diffusion, de vieillissement et de dégradation des matériaux polymériques. Ensuite, les méthodes de préparation et d’usinage des éprouvettes ont été présentées. La partie expérimentale décrit le protocole d’immersion des échantillons dans le gazole, les essais réalisés ainsi que les méthodes de mesure et les calculs utilisés pour l’évaluation des paramètres étudiés, notamment la diffusivité. Enfin, les résultats obtenus ont été analysés et discutés afin de mettre en évidence l’effet du vieillissement en milieu organique sur le comportement mécanique du HDPE. Cette étude contribue à une meilleure compréhension des interactions entre le gazole et le polyéthylène haute densité. Elle permet également d’évaluer la durabilité des tubes en HDPE utilisés dans les applications industrielles et dans le transport des hydrocarbures, dans des conditions proches de leur utilisation réelle.