In the effort to improve oil production riser performance, new materials are being studied. In the present case, a Polymer Matrix Composite (PMC) is being considered as a replacement for carbon steel in flexible risers manufactured by Wellstream Inc., Panama City, Florida. The Materials Response Group (MRG) at Virginia Tech had the primary responsibility to develop the models for long-term behavior, especially remaining strength and life. The MRG is also responsible for the characterization of the material system with a focus on the effects of time, temperature, and environmental exposure. The present work is part of this effort. The motivation to use a composite material in a non-bonded flexible riser for use in the offshore oil industry is put forth. The requirements for such a material are detailed. Strength analysis and modeling methods are presented with experimental data. The effect of matrix crystallinity on composite mechanical properties is shown. A new method for investigating matrix behavior at elevated temperatures developed. A remaining strength life prediction methodology is recalled and applied to the case of combined fatigue and rupture loading. / Master of Science

Dans ce travail, l’effet du vieillissement thermique sur le comportement en fatigue ducomposite de poly (sulfure de phénylène) renforcé par fibres de verre (PPS/FV) a été étudié. Ce matériau est d’abord étudié par différentes méthodes d’analyse afin de déterminer ses caractéristiques physicochimiqueset mécaniques. Ensuite, le matériau subit un vieillissement thermo-oxydatif accéléré à différentes températures comprises entre 100 °C et 200 °C. Certaines caractéristiques du matériau sont d’ailleurs suivies au cours du vieillissement. A partir des résultats obtenus, un mécanisme d’oxydation estproposé et un modèle cinétique est développé. La validité de ce modèle est vérifiée par les résultats expérimentaux, essentiellement obtenus par la spectrométrie infrarouge. L’effet du vieillissement sur lecomportement mécanique est étudié par les deux axes suivants : D’abord d’une manière indirecte en étudiant l’évolution de la morphologie de la phase cristalline au cours du temps et ensuite par la méthode directe. Dans cette méthode directe, premièrement, le comportement en fatigue et en traction-traction duPPS/FV a été étudié en faisant varier la fréquence et l’amplitude de la sollicitation. La courbe de Wöhler est tracée en fonction du nombre de cycles à la rupture. Il a été constaté que le vieillissement modifie lepositionnement et l’allure de la courbe de Wöhler. Ensuite les éprouvettes vieillies à différentes températures sont testées en fatigue (traction-traction) avec une amplitude maximale (σmax=40 MPa) et un rapport de chargement (R=0,1) afin de suivre l’influence de la dégradation thermo-oxydative au cours du vieillissement. Il a été constaté que l’oxydation a un effet néfaste sur le comportement en fatigue du PPS/FV. Ce matériau perd significativement de ses performances même au début du vieillissement etsurtout à haute température de vieillissement. La perte de la performance en fatigue du matériau s’accentue au fur et à mesure que le processus d’oxydation se poursuit. / In this work, the effect of thermal aging on the fatigue behavior of a glass fiber reinforced poly (phenylene sulfide) composite (PPS/GF) was studied. This material is first characterized by differentmethods of analysis to determine its physicochemical and mechanical characteristics. Subsequently, thematerial undergoes accelerated thermo-oxidative aging at different temperatures between 100 °C and 200 °C. Some characteristics of this material are followed during thermal aging. From the results obtained, an oxidation mechanism is proposed and a kinetic model is developed. The validity of this model is verifiedby the experimental results, essentially obtained by infrared spectrometry. The effect of thermal aging on mechanical behavior is studied in two ways: Firstly, indirect manner by studying the evolution of the morphology of the crystalline phase over time and subsequently by the direct method. In this directmethod, firstly the tension-tension fatigue behavior of PPS/GF was studied by varying the frequency and amplitude of stress. The Wöhler curve is plotted on the basis of the number of cycles at break. Thermalaging has been found to alter the position and shape of the Wöhler curve. Then the samples aged at different temperatures were tested by tension-tension fatigue with a maximum amplitude (σmax = 40 MPa)and a loading ratio (R = 0.1) to follow the influence of thermo-oxidative degradation during aging. It has been found that thermal aging has a detrimental effect on the fatigue behavior of PPS/GF. This material loses its performance significantly even at the beginning of aging, especially in high aging temperature.The loss of fatigue performance grows in the oven as the oxidation process continues.