Thèse doctorat : Génie des Matériaux : INSA LYON : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 167-178.

En France, l‟ensemble des canalisations exploitées pour GDF Suez et Total représente un linéaire de 37 000 km de conduites enterrées en acier. Ces canalisations sont protégées de la corrosion externe par un double système de protection : un revêtement de type hydrocarboné ou polyéthylène et une protection cathodique (PC) par courant imposé. Les normes EN 12954 : 2001 et ISO 15589-1 : 2003 préconisent des valeurs seuils de potentiels de protection, dépendant de critères caractérisant le sol. Cependant, selon les spécificités locales du sol et de l‟environnement, ces valeurs indicatives peuvent s‟avérer insuffisantes ou excessives, voire non applicables. De plus, il est nécessaire de connaître la cinétique de corrosion résiduelle pour évaluer l‟efficacité du système de protection cathodique.Un travail de laboratoire a donc été initié par GDF SUEZ et TOTAL dans le but d‟améliorer le suivi de l‟application des critères de protection cathodique en (i) développant des outils et des méthodes pour estimer la corrosivité du sol par la mesure de paramètres physico-chimiques et électrochimiques et (ii) en identifiant les conditions " justes et nécessaires " pour garantir une vitesse de corrosion négligeable au cas par cas.Des coupons d‟acier ont été enfouis dans des " soil boxes " pendant 2,5 mois, avec ou sans PC. Les " soil boxes " étaient remplies avec différents sols prélevés lors de fouilles. L‟évolution en fonction du temps du système était suivi de façon hebdomadaire par la mesure du pH, de la conductivité du sol, du taux d‟humidité, du potentiel redox et du potentiel d‟abandon. Les vitesses de corrosion déduites des méthodes électrochimiques, i.e. la voltamétrie et la spectroscopie d‟impédance, ont été comparées avec les mesures de perte de masse.Les résultats montrent, d‟une part, que l‟analyse de la corrosivité du sol peut être réalisée avec la mesure de 3 paramètres prépondérants : résistivité, potentiel redox du sol et potentiel d‟abandon de l‟acier. Ces paramètres sont mesurables sur le terrain et permettent une bonne première estimation immédiate de la corrosivité du sol. D‟autre part l‟enregistrement de courbes de polarisation sur des coupons reliés à la canalisation, c‟est-à-dire sous PC, peut permettre de suivre l‟évolution des vitesses de corrosion résiduelle sous PC.

En France, l‟ensemble des canalisations exploitées pour GDF Suez et Total représente un linéaire de 37 000 km de conduites enterrées en acier. Ces canalisations sont protégées de la corrosion externe par un double système de protection : un revêtement de type hydrocarboné ou polyéthylène et une protection cathodique (PC) par courant imposé. Les normes EN 12954 : 2001 et ISO 15589-1 : 2003 préconisent des valeurs seuils de potentiels de protection, dépendant de critères caractérisant le sol. Cependant, selon les spécificités locales du sol et de l‟environnement, ces valeurs indicatives peuvent s‟avérer insuffisantes ou excessives, voire non applicables. De plus, il est nécessaire de connaître la cinétique de corrosion résiduelle pour évaluer l‟efficacité du système de protection cathodique.Un travail de laboratoire a donc été initié par GDF SUEZ et TOTAL dans le but d‟améliorer le suivi de l‟application des critères de protection cathodique en (i) développant des outils et des méthodes pour estimer la corrosivité du sol par la mesure de paramètres physico-chimiques et électrochimiques et (ii) en identifiant les conditions « justes et nécessaires » pour garantir une vitesse de corrosion négligeable au cas par cas.Des coupons d‟acier ont été enfouis dans des « soil boxes » pendant 2,5 mois, avec ou sans PC. Les « soil boxes » étaient remplies avec différents sols prélevés lors de fouilles. L‟évolution en fonction du temps du système était suivi de façon hebdomadaire par la mesure du pH, de la conductivité du sol, du taux d‟humidité, du potentiel redox et du potentiel d‟abandon. Les vitesses de corrosion déduites des méthodes électrochimiques, i.e. la voltamétrie et la spectroscopie d‟impédance, ont été comparées avec les mesures de perte de masse.Les résultats montrent, d‟une part, que l‟analyse de la corrosivité du sol peut être réalisée avec la mesure de 3 paramètres prépondérants : résistivité, potentiel redox du sol et potentiel d‟abandon de l‟acier. Ces paramètres sont mesurables sur le terrain et permettent une bonne première estimation immédiate de la corrosivité du sol. D‟autre part l‟enregistrement de courbes de polarisation sur des coupons reliés à la canalisation, c‟est-à-dire sous PC, peut permettre de suivre l‟évolution des vitesses de corrosion résiduelle sous PC. / Buried gas transmission lines are protected against external corrosion by organic coatings. Cathodic protection (CP) is designed and operated with the aim to mitigate corrosion where coating is faulty. The EN 12954: 2001 standard specifies reference values of the protection potentials according to soil conditions. However some kind of soils, like silt and clay with high resistivity, are not considered by this standard. Moreover, it is necessary to estimate the residual dissolution rate of the structure under CP so as to quantify and optimize the efficiency of the CP system setup.A laboratory study has been initiated by GDF SUEZ and TOTAL with the general aim to improve guidance on cathodic protection criteria by (i) developing tools and methods to estimate soil corrosivity from electrochemical and physico-chemical parameters and (ii) identifying the “necessary and sufficient” conditions to guaranty a negligible corrosion rate on a case by case.Steel coupons were buried in soil boxes for 2.5 months, with or without CP. The soil boxes were filled with various soil media from the field. The evolution with time of the corrosion systems was followed by weekly measurements of physico-chemical and electrochemical parameters: pH, soil conductivity, humidity level, redox potential of soils and open circuit potential of steel coupons. The corrosion rates deduced from electrochemical methods, i.e. voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, were compared to weight loss measurements.Results show, on one hand, that soil corrosivity could be estimated by the measurements of 3 main parameters: soil resistivity, redox potential of soil and open circuit potential of steel. These parameters could be measured on the field and could immediately give a first good estimation of the soil corrosivity. On the second hand, a detailed analysis of the polarization curves led to an estimation of residual corrosion rates of coupons under CP. The decrease with time of this residual corrosion phenomenon could be followed and quantified. In the experimental conditions considered here, the efficiency of the CP could be demonstrated. Moreover, the methodology could allow adjusting the protection potential, if necessary.

Les jeux de barres, canalisations électriques préfabriquées et plus généralement toutes les interconnexions sont indispensables à l'architecture de la filière électrique. Ces connectiques que l'on souhaiterait ‘transparentes' sont néanmoins le ‘parent pauvre' de l'optimisation car elles sont le lieu de pertes par effet Joule souvent largement supérieures au minimum théorique, du fait de répartitions de courant non-uniformes dans leurs sections.<br />Afin de prendre en compte ce phénomène dès la conception (au travers d'un outil logiciel dédié), on introduit une méthode de modélisation adaptée. Alors que les méthodes éléments finis sont adaptées aux organes de conversion électromécaniques, les connexions sont plus naturellement modélisées par la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit).<br />Couplée à des optimiseurs, cette méthode se révèle très efficace pour améliorer le design des conducteurs, tant sur l'agencement des barres pour lutter contre les effets de proximité que, comme on le montre ici, sur la forme des sections pour minimiser l'effet de peau par couplage à des algorithmes génétiques. Les outils développés donnent alors accès à une marge de gain importante jusqu'ici peu explorée. Afin de s'adapter aux dispositifs étudiés, dont une partie est entourée d'enveloppes métalliques, une extension de la méthode (baptisée ‘µPEEC') prenant en compte l'aimantation des tôles ferromagnétiques est proposée.<br />Pour l'épineux problème du choix de fonction objectif, l'analyse du cycle de vie et la recherche du moindre impact environnemental peuvent orienter l'arbitrage entre coût matière et pertes Joule consenties. Une extrapolation des gains accessibles est proposée.

On étudie la propagation d'une flamme dans une chambre prolongée par un tube. C'est une configuration classique rencontrée lorsqu'on veut limiter le niveau de pression généré par une explosion interne. Mais au changement de section une explosion secondaire peut se produire dans la canalisation, ce qui conduit à une surpression supplémentaire dans la chambre.<br />Les résultats expérimentaux obtenus pour un prémélange propane-air ont été confrontés à des simulations numériques. Pour des petits diamètres de tube, on observe l'apparition de l'effet de flamme tulipe dans la chambre, qui contribue à limiter le débit d'évacuation des gaz. Pour les grands tubes, l'explosion secondaire à l'entrée du tube conduit à l'intensification de la combustion retardée des poches de gaz frais situés dans les coins de la chambre, causant ainsi une remontée brutale de la pression.<br />Pour éviter la formation de l'explosion secondaire une solution consiste à placer un insert (réseau de fils métalliques) à l'entrée du tube afin d'obtenir une extinction totale ou partielle de la flamme. Les expériences montrent qu'une optimisation du dispositif est nécessaire pour obtenir l'atténuation maximale de la supression. Un modèle thermique d'absorption de la chaleur par l'insert a été conçu, s'appuyant sur une méthode nodale. Le critère de transmission de la flamme au delà de l'insert est basé sur la comparaison entre la température d'auto-inflammation du mélange avec une température moyenne des gaz calculée en sortie de l'insert. Les résultats numériques, en bon accord avec les résultats expérimentaux, confirment le rôle prépondérant des pertes thermiques provoquées par l'insert sur le coincement de la flamme.

La thèse s’inscrit dans les travaux du CEA LIST pour développer dans la plate-forme CIVA un module simulant le contrôle non-destructif (CND) par ondes ultrasonores guidées ; elle est dédiée au développement et à la validation de modèles simulant l’inspection de canalisations et se focalise sur le cas de canalisations comportant un ou plusieurs coudes. Pour prédire l’effet de la courbure sur les ondes guidées, une extension en coordonnées curvilignes de la méthode des éléments finis semi-analytiques est réalisée pour calculer les modes se propageant dans un coude, par résolution d’un système d’équations aux valeurs propres restreint à la section du guide. Ce développement a aidé à comprendre les effets de distorsion des champs ultrasonores et de décalage des fréquences de coupures dus à la courbure. La diffraction des ondes à la jonction entre un tube droit et un coude est ensuite calculée par raccordement modal donnant la matrice de diffraction de la jonction ; les éléments de la matrice s’obtiennent par évaluation numérique d’intégrales à la surface de la jonction. Les matrices de diffractions locales sont enfin combinées à des matrices de propagation pour rendre compte de la présence de plusieurs diffracteurs sur la canalisation, sous forme d’une matrice globale de diffraction. Le coût minimal de son calcul permet d’étudier l’influence des paramètres de contrôle et de les optimiser. Les modèles sont validés en comparant leurs prédictions avec des résultats numériques et expérimentaux de la littérature et des mesures faites au CETIM sur maquettes industrielles. Intégrés à la plate-forme CIVA, ils étendent les possibilités du module de simulation du CND par ondes guidées. / The thesis is in the framework of developments made at CEA LIST of a module of the CIVA platform to simulate nondestructive testing (NDT) by ultrasonic guided waves; it is dedicated to the development and the validation of models simulating the examination of pipelines and is focussed on the case of pipeline comprising one or several elbows. To predict effects due to the curvature on guided waves, an extension in curvilinear coordinates of the semi-analytic finite element method is worked out to compute modes propagating in an elbow, by solving an eigen system restricted to the guide section. This development allows us to better understand effects due to the curvature such as displacement field distortions or cut-off frequencies splits. The scattering of waves at the junction between a straight tube and an elbow is then computed by means of the mode-matching method, leading to the modal scattering matrix of the junction; matrix elements are obtained by numerical evaluation of integrals over the junction surface. Local scattering matrices are finally combined to propagation matrices to account for the presence of several scatterers in the pipeline, to form a global scattering matrix. Its minimal computation cost allows us to study the influence of the parameters of the testing configuration and to optimize them. Models are validated by comparing their predictions to numerical and experimental results of the literature and to measurements made at CETIM on industrial mock-ups. Integrated in the platform CIVA, the developed models extend the capabilities of the guided wave NDT module.

Les interactions entre la nappe phréatique peu profonde et les réseaux d’assainissement sont en général très complexes. Dans le but d’étudier l’impact des variations du niveau de la nappe phréatique sur les dégradations des conduites, un modèle hydrogéologique numérique tridimensionnel (3D) de la nappe phréatique ayant un aquifère multicouche au sein d’une zone de 83 km2 de l’agglomération bordelaise (Mérignac, Pessac, Talence) a été développé, calibré et validé. Pour ce faire, un modèle conceptuel de cet aquifère multicouche a dans un premier temps été défini sur la base des descriptions lithostratigraphiques des forages. Puis un travail géostatistique a été entrepris pour construire les limites des formations géologiques et les cartes piézométriques issues de campagnes de mesures de hauteurs d’eau de la nappe phréatique. Nous avons par la suite développé une méthodologie originale de transformation de l’information lithologique au droit des sondages en perméabilités, puis en champs de perméabilités en utilisant des méthodes géostatistiques. Dans un second temps, les conditions hydrogéologiques ont été simulées en utilisant le logiciel Visual Modflow ©. Les paramètres hydrogéologiques ont été calibrés manuellement et automatiquement sur la base des niveaux d’eau mesurés lors des campagnes de juillet 2010, octobre 2010 et mars 2011. La validation du modèle qui s’est effectuée en simulant les cotes piézométriques au pas mi-décadaire allant de juin 1993 à mai 2012 montre que les chroniques piézométriques observées sur les 35 piézomètres du domaine étudié sont correctement restituées et la dynamique de la nappe phréatique est reproduite. Dans un dernier temps, les distributions spatiales et temporelles des cotes piézométriques simulées ont permis d’identifier les zones d’ennoiement des réseaux d’assainissements en comparant les cotes piézométriques aux cotes des réseaux. Ces zones d’ennoiement ont été comparées aux principaux secteurs de casses de canalisations. Les secteurs de casses de canalisations sont localisés dans les zones à faible probabilité d’ennoiement des conduites. L’environnement naturel hydrogéologique pris comme paramètre isolé ne constitue donc pas un facteur explicatif au phénomène de casses des canalisations. / The interactions between shallow groundwater and sewer network are generally complex. The aim of this research is to study the impact of the water table level variation on the damages of the buried pipes. For this purpose, a three-dimensional (3D) numerical groundwater flow model of the shallow multi-aquifer of the Bordeaux urban area, within a 83 km2 area (Mérignac, Pessac, Talence), is developed, calibrated and validated. In order to do this, in a first step, a conceptual model was built based on stratigraphic descriptions of the boreholes. A geostastistical study was carried out to build the limits of the geological layers and the piezometrical maps from the measurement campaigns of water table levels. Then, an original methodology to transform the description of lithological units to local hydraulic conductivity values is proposed and the reconstruction of hydraulic conductivity fields at the urban scale was performed based on geostatistical methods. In a second step, hydrogeological conditions were simulated using the finite-difference groundwater flow model MODFLOW-2005 (Visual Modflow ©). The hydrogeological parameters were then calibrated manually and automatically based on water table elevation data measured in July 2010, October 2010 and March 2010. The model validation covered 6890 days, from June 1993 to may 2012. The results showed that the simulated heads are quite accurate and reproduce the main dynamics of the system at 35 piezometers. The spatial and temporal distribution of the heads of the piezometers simulated permitted to identify the flooding zones of the sewer network by comparing the piezometric head with the altitude of the networks. The sectors where the pipes are damaged were localized in the zone wherein there is low probability of flooding. Additionally, the natural hydrologic environment, taken as a sole factor, cannot explain the pipe breakage phenomena.

Cette thèse s’intéresse au problème du renouvellement des infrastructures des services de distribution d’eau potable. Nous observons aujourd’hui dans les pays développés qu’une grande partie des canalisations atteint un état d’obsolescence avancé.  La principale conséquence de cette obsolescence est l’apparition de fuites importantes. L’eau perdue dans ces fuites entraîne des pertes économiques liées au gaspillage des ressources investies dans la production d’eau potable, une baisse de qualité de l’eau et des pertes financière. Dans cette thèse j’explore les raisons pour lesquelles le taux de renouvellement des réseaux de distribution d’eau est si faible comparé aux besoins manifestes. Cette thèse est composée de trois chapitres. Dans le premier chapitre, je présente un modèle statique de minimisation des coûts pour obtenir un indice de qualité qui est « cost-efficient ». Cet indice est défini comme une proportion des canalisations de « bonne qualité » par rapport à la longueur totale du réseau. La solution optimale dépend de l’arbitrage entre le coût des pertes en eau par rapport au coût des canalisations de bonne qualité. Lorsque des économies d’échelle liées à la densité du réseau existent, comme dans les services urbains, les pertes en eau représentent un coût important et la réduction des pertes en eau par une augmentation de la qualité du réseau est une solution bénéfique pour les services d’eau. Cependant, nous montrons que les services d’eau dans les milieux ruraux font face à de plus grandes difficultés, à la fois pour pouvoir assurer une réduction des pertes en eau et pour répercuter le coût de renouvellement dans les prix.Dans le deuxième chapitre, je présente un modèle de « optimal switching time » qui étudie la date optimale de renouvellement des infrastructures déterminée à partir d’un modèle de maximisation des profits des services d’eau. Dans ce modèle, nous analysons le choix entre la réhabilitation et le remplacement des canalisations. Cela signifie que les services d’eau peuvent choisir une option moins coûteuse caractérisée par la réhabilitation des vielles canalisations ou le remplacement immédiat qui entraîne un coût nettement supérieur. Les résultats nous montrent que le remplacement direct est un choix plus raisonnable puisque les gains associés à la réduction temporaire des pertes en eau et au prolongement de la durée de vie des canalisations ne compensent pas le coût supplémentaire associé à la réhabilitation. Ceci est particulièrement visible dans le cas des services d’eau en milieux urbain.Dans le troisième chapitre, je présente une étude empirique concernant le taux de remplacement des canalisations dans les services d’eau en France. Les résultats nous montrent que les taux de remplacement sont en moyenne plus élevés dans les services gérés par des régies qu’en affermage. Ceci peut s’expliquer par le fait que les services en régie sont majoritairement présents dans les services de petites tailles. Par conséquent, des taux de remplacement élevés sont souvent associés à des réseaux de petite taille (faible kilométrage de canalisations). De plus, dans les petits services ruraux, les travaux de remplacement sont souvent réalisés en parallèle d’autres travaux. Néanmoins nous observons également dans les services de grande taille des taux de remplacement plus élevés dans les services en régie que dans les services en affermage. Ceci peut s’expliquer par une différence d’objectif défini par les services en régie et les services en affermage : les services en affermage ne sont pas responsables du renouvellement des canalisations à moins que ceci soit spécifié dans leurs contrats. De plus, nos résultats montrent que même s’il existe un effet négatif de la taille des services sur les taux de remplacement, dans les très grandes villes, les taux de remplacement sont plus élevés. Ceci est cohérent avec les résultats théoriques obtenus dans les deux premiers chapitres. / This dissertation focuses on the issue of water infrastructure renewal in potable water distribution networks. I investigate the reasons why water infrastructure in certain water utilities are not renewed. This dissertation is divided into three chapters. The first chapter is based on theoretical models that solve for the optimal water main network quality index. The second chapter studies the optimal timing of water mains replacement. And finally, the third chapter is based on an empirical study on the factors that influence the water main replacement rates in French utilities.In the first chapter I present a static cost minimisation model to solve for the cost-efficient water main quality index. This quality index is defined as the proportion of ``new" mains (which we denote as ''good quality mains'') to the total length of mains. The solution depends on the arbitrage between the cost of water loss and the cost of good quality mains. Where economies of network density are present such as urban utilities, water loss represents a cost burden to the water utility; hence water loss reduction (high network quality) is beneficial. Furthermore, we show that rural utilities face the largest difficulty in achieving both water loss reduction and cost recovery of network renewal.In the second chapter I present a two-stage optimal switching timing model that solves for the profit-maximising timing of water mains replacement. This model considers the option between rehabilitation and replacement. Water utilities may be inclined to rehabilitate old mains to extend their longevity since rehabilitation costs are much lower than replacement costs. We show that it is beneficial for the utilities to replace mains that are already obsolete than to rehabilitate since the generated benefit from temporary water loss reduction and the postponement of replacement is not worth the cost of rehabilitation. This is particularly noticeable in large urban utilities that face large costs of water loss.In the third chapter, I present an empirical study on the water mains replacement rates observed in French water utilities. The empirical results based on cross sectional data show that publicly operated utilities on average have higher replacement rates than outsourced utilities. This is because most of the public utilities have short total network length (very high replacement rates are associated with small network length). Moreover, small rural networks tend to conduct replacement of mains alongside other roadworks. However results also show that public utilities have higher replacement rates over outsourced ones in very large urban utilities. This result reflects the difference of priorities defined by in-house operated utilities and outsourced utilities. This difference does not imply that outsource utilities neglect network renewal; instead it reveals the nature of the structure of outsourced utilities. The responsibility of outsourced utilities are defined in the contract signed with the local authority. If network renewal is not specified, there is no incentive for replacing mains. Moreover, in practice, outsourced utilities often manifest higher prices which are accompanied by higher water quality. Furthermore, the results show that the size of the network has a large impact on replacement rates. The longer the length, the proportion of replaced mains are smaller; however, for very large utilities the negative effect disappears. The results show that replacement rates are indeed greater in very large urban utilities. This result is coherent with the theoretical models presented in the first chapter that shows the urgent need for high network quality in large urban utilities.

Dans l’industrie, les fabricants tendent à limiter la lubrification conventionnelle lors de l’usinage et s’orientent de plus en plus vers la microlubrification (MQL : Minimum Quantity Lubrication) pour des raisons économiques, écologiques et pour respecter la santé des opérateurs. Une très faible quantité de lubrifiant de faible pression nécessite une conception optimale des canaux internes de l’outil afin de limiter les pertes de charges et avoir les avantages de la microlubrification. Premièrement, une revue bibliographique introduit l’étude en présentant les avantages qu’induit le passage à la microlubrification. Par la suite, quelques conceptions d’outils avec une lubrification interne qui vise la face de coupe ou la face de dépouille de la plaquette sont passées en revue. / In machining industry, manufacturers tend to limit conventional lubrication and are moving increasingly towards Minimum Quantity Lubrication (MQL) for economic and ecological reasons, and with a view to safeguarding operator health and safety. A very small amount of lubricant at low pressure requires optimized design of the tools internal channels in order to minimize pressure drops and gain benefit from MQL. First, a literature review introduces the study by presenting the benefits induced by switching to MQL. Thereafter, some tool designs with internal lubrication for rake face or flank face lubrication are presented.