Thèse Modélisation Physiquement Informée de l'Évolution Microstructurale et de la Durée de Vie Résiduelle en Fluage de Tubes de Reformage à l'Aide de Données de Suivi en Service et d'Essais de Flu H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Mines Paris-PSL École doctorale : ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique Laboratoire de recherche : Centre des Matériaux Direction de la thèse : Anne-Françoise GOURGUES ORCID 0000000256719415 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59 Ce projet vise à établir une méthodologie expérimentale et une modélisation de la durée de vie résiduelle en fluage de tubes de reformage de méthane (production d'hydrogène) sollicités à très haute température. L'évolution microstructurale et le développement de l'endommagement seront reliés quantitativement aux conditions de chargement par un modèle qui prendra en compte les mécanismes physiques sous-jacents. Ceux-ci seront identifiés au cours du projet par l'expertise détaillée des éprouvettes d'essai et de tubes déjà sollicités en service. La méthodologie et la modélisation développées ont vocation à être déployées au sein d'Air Liquide pour l'évaluation de la durée de vie des tubes déjà installés, dans les conditions d'utilisation actuelles et futures. Les tubes catalyseurs utilisés dans le reformage du méthane par la vapeur d'eau (SMR) subissent de hautes températures (jusqu'à 980°C) et des contraintes modérées (
L'estimation de la durée de vie résiduelle repose actuellement sur des essais de fluage accélérés sur tubes vieillis extraits d'installations SMR. Les mécanisme physiques d'endommagement peuvent cependant varier entre un essai court sous forte contrainte et le régime de basses contraintes prévalant en service. L'application d'approches du type Larson-Miller [Larson et Miller, 1952] ou de tout autre modèle reposant sur des essais courts pourrait conduire à surestimer la durée de vie sous basses contraintes, lorsque les mécanismes de déformation pilotés par la diffusion, endommageants, sont plus actifs [Gaffard 2005].

La prédiction précise des durées de vie résiduelles en fluage des tubes dans les futures conditions d'exploitation des SMR demande une modélisation à bases physiques solides, capable de prendre en compte des conditions d'exploitation transitoires et d'utiliser les nombreuses données de suivi et d'essais post-service, disponibles chez air Liquide ; Le projet vise à construire un tel cadre de modélisation, afin de permettre des extrapolations plus sûres pour les longues durées de vie.

Les matériaux utilisés pour ces tubes de reformage sont typiquement des aciers austénitiques moulés par centrifugation, constitués de dendrites grossières d'austénite sursaturées en carbone, entourée de NbC eutectiques et de carbures riches en chrome. Une exposition à haute température fait fortement évoluer la population de précipités et la dureté résultante [Fuyang 2021]. En traction, des cavités de fluage germent et croissent sur les carbures primaires puis coalescent en microfissures qui finissent par se propager à travers la paroi du tube. Certains modèles de fluage prennent cette évolution microstructurale en compte mais seulement sous chargement uniaxial et isotherme [Fuyang 2022]. Le couplage entre contrainte appliquée et évolution microstructurale est cependant rarement documenté dans la littérature ouverte, notamment pour les bas niveaux de contrainte, impliquant des phénomènes régis par la diffusion mais demandant des essais de longue durée. De ce fait, même des approches simplifiées comme celle de Larson-Miller, aucune courbe maîtresse à base physique n'est actuellement disponible.

D'autre part, une méthodologie faisant appel à des éprouvettes de fluage entaillées et aux gradients de triaxialité des contraintes associés, comme outil d'amplification de la cavitation pilotée par la diffusion, ont permis de mettre en évidence et de quantifier le développement de l'endommagement lié aux mécanismes dominés par la diffusion tout en gardant une durée raisonnable d'essais, sans changer la température et les équilibres thermodynamiques associés [Gaffard 2005, Panat 2010]. Cette méthodologie n'est pas une pratique courante et demande à être évaluée pour des microstructures austénitiques de solidification comme celles rencontrés dans ces tubes catalyseurs.
Les objectifs du projet sont les suivants :
- Tirer parti des connaissances existantes sur le comportement viscoplastique macroscopique et l'évolution microstructurale, pour construire une modélisation à base physique capable de prendre en compte les transitoires liés aux conditions d'exploitation ;
- Concevoir une méthodologie expérimentale efficace pour compléter la base de données, en explorant en particulier l'accélération de l'évolution microstructurale et des mécanismes d'endommagement sous basses contraintes, pilotés par la diffusion, afin d'améliorer la méthodologie d'essais de fluage accélérés tout en fournissant des données complémentaires pour alimenter la modélisation de la durée de vie résiduelle en fluage ;
- Implémenter et ajuster les paramètres d'un modèle de prédiction de durée de vie en fluage qui soit efficace (calculs rapides) et évaluer ses performances dans des conditions transitoires lentes attendues lors des futurs usages des sites de production.
Ce projet combinera des méthodologies d'essais mécaniques exacerbant les phénomènes pilotés par la diffusion, une investigation microstructurale des mécanismes couplant la déformation viscoplastique, des évolutions microstructurales et une évaluation quantitative de l'endommagement de fluage. L'approche inclura la capitalisation sur les données existantes, provenant par exemple de tubes extraits du service et des données d'inspection des sites de production.

L'optimisation du traitement des données de fluage inclura l'observation des zones utiles des éprouvettes (exposées aux hautes températures sous contrainte) mais aussi des têtes des éprouvettes (vieillies thermiquement), ce qui enrichira la base de données expérimentale. Par ailleurs, des essais de fluage sur éprouvettes entaillées seront combinés avec une cartographie post-mortem de la microstructure et de l'endommagement et avec une analyse mécanique de ces essais par éléments finis. Cette approche donnera accès à une grande quantité de données pour chacune des éprouvettes.

Une fois familiarisé avec la microstructure multi-échelles de ces matériaux et ayant identifié les données manquantes, le doctorant ou la doctorante concevra une première campagne expérimentale sur matériau neuf, pour améliorer les connaissances sur les effets de triaxialité des contraintes et de niveau de déformation viscoplastique sur l'évolution de l'endommagement mais aussi sur les évolutions microstructurales. Ces essais viseront à accélérer les phénomènes pilotés par la diffusion tout en gardant des températures (et des équilibres thermodynamiques) et des niveaux de contrainte équivalente (de von Mises) représentatifs de l'application pratique. La conception des éprouvettes de fluage prendra soigneusement en compte les différentes échelles microstructurales.

A partir des résultats de cette première campagne, la méthodologie sera affinée le cas échéant puis déployée à plus grande échelle sur des éprouvettes extraites de tubes neufs pour élargir la base de données expérimentale, en faisant systématiquement varier les paramètres de chargement. On s'intéressera également à l'effet de variations de température. Les éprouvettes fluées seront analysées comme après la première campagne, en insistant sur les évolutions microstructurales principales et la cinétique de développement de l'endommagement. Ces résultats serviront également à modéliser la tenue en fluage en fonction des conditions de chargement (y compris la triaxialité des contraintes, pertinente en cas d'ovalisation des tubes en service) et l'historique thermique. Une variable interne de vieillissement permettra de prendre en compte les mécanismes physiques sous-jacents. Le modèle restera aussi simple que possible afin d'être utilisable par Air Liquide dans ses futures estimations de durée de vie résiduelle en fluage.

Les données expérimentales et les prédictions du modèle seront utilisées pour sélectionner les conditions d'essai d'intérêt pour une matrice « minimale » d'essais de fluage ; cette méthodologie simplifiée devra fournir les informations les plus pertinentes sur la durée de vie résiduelle en fluage. Elle sera appliquée à des tubes extraits du service en minimisant le nombre d'essais de fluage et le temps d'essai associé.

Profil type pour une thèse à MINES Paris: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Métallurgiste avec de solides connaissances en mécanique des matériaux, une appétence marquée pour le travail expérimental et un goût pour la modélisation à base physique.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à ****@****.** et à ****@****.** comportant
- un curriculum vitae détaillé
- une copie de la carte d'identité ou passeport
- une lettre de motivation/projet personnel
- des relevés de notes L3, M1, M2
- 2 lettres de recommandation
- les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
- une attestation de niveau d'anglais

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