Modélisation numérique de la propagation et de l’arrêt de fissures dans les pipelines transportant du CO2

Cette thèse purement numérique a pour objectif de développer et d’implémenter dans un code de calcul par éléments finis open-source (OpenRadioss) une plateforme de simulation complète permettant de prédire la propagation et l’arrêt de fissures dans les pipelines transportant du CO2 en phase gazeuse. Le développeur de OpenRadioss, Altair, apportera un support technique pour l’implémentation des modèles de comportement et des méthodes numériques nécessaires à la simulation. Certains développements nécessaires à la thèse sont déjà disponibles dans OpenRadioss, notamment les éléments nonlocaux pour la rupture ductile. Le problème est complexe et multi-physique, impliquant des phénomènes de rupture ductile, de rupture fragile, d’interaction fluide-structure et de transfert thermique. Les objectifs, par ordre de priorité, sont les suivants :

1. Développement de modèles constitutifs avancés pour la rupture ductile

— Implémenter et valider des modèles d’endommagement non-locaux de type Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) pour capturer la localisation de la déformation et la croissance des cavités
— Développer une formulation à deux longueurs caractéristiques permettant de représenter simultanément la transition entre rupture en cuvette et rupture en biseau
— Intégrer ces modèles dans un contexte de dynamique explicite compatible avec le calcul parallèle

2. Modèle de rupture fragile

— Implémenter des méthodes de champs de phase pour la modélisation de la propagation de fissure par clivage fragile
— Développer un critère local de clivage de type Beremin adapté aux conditions de chargement dynamique et de température variable
— Proposer une méthodologie de couplage entre plasticité et champ de phase pour représenter la transition ductile-fragile

3. Modélisation de l’interaction fluide-structure

— Développer un couplage fluide-structure permettant de représenter la décompression dynamique du CO2 dans le pipeline fissuré
— Implémenter des équations d’état (Equation of State : EoS) avancées pour le CO2 (type GERG-2008) permettant de représenter fidèlement le comportement thermodynamique du gaz lors de la détente
— Modéliser le refroidissement localisé de la paroi du pipeline et son impact sur les propriétés mécaniques de l’acier (transition ductile-fragile)
— Intégrer l’effet de l’inertie du fluide et de la structure sur la vitesse de propagation de la fissure

4. Simulation de la propagation dynamique de fissures

— Développer des méthodologies numériques pour simuler la propagation rapide de fissure ductile avec prise en compte :
- De l’effet d’inertie sur la résistance à la propagation
- De l’influence de la pression interne et de l’environnement (sol, remblai)
— Proposer des critères d’arrêt de fissure intégrant :
- Les gradients thermiques induits par la décompression du CO2
- L’hétérogénéité microstructurale (soudures, zones affectées thermiquement)
- Les dispositifs d’arrêt de fissure (crack arrestors)

Cas d’application et validation

Pour valider les développements numériques sur des cas réalistes, la thèse s’appuiera sur des données expérimentales issues de campagnes d’essais antérieures et d’essais qui seront réalisés dans le cadre du projet par Natran. Cette base sera disponible au début de la thèse. Ces bases de données contiennent des résultats en traction uniaxiale, traction entaillée, éprouvettes fissurées de type CT. Natran réalisera également des essais sur les éprouvettes dites ‘Modified Double Cantilever Beam’ (MDCB) rendues instables grace à l’ajout de ressorts sur la ligne de chargement. Il s’agit d’une mini-structure intermédiaire entre les éprouvettes de laboratoire et les tests à échelle réelle, permettant d’étudier la propagation de fissure dans des conditions contrôlées tout en intégrant des effets d’inertie. Des essais Charpy seront également disponibles. Des résultats d’essais à échelle réelle disponibles dans la littérature (projets COSHER, tests de burst) pourront également être utilisés pour valider les simulations de rupture dynamique à grande échelle.

Dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, le captage, l’utilisation et le stockage du CO2 (CCUS) constituent une stratégie d’atténuation majeure. Pour atteindre l’objectif de zéro émission nette de gaz à effet de serre d’ici 2050, des infrastructures massives de transport de CO2 seront nécessaires. Le transport par pipeline est la solution la plus économique et pratique, mais soulève des questions critiques de sécurité industrielle. La problématique principale concerne le comportement des pipelines en acier ferritique lors d’une rupture accidentelle. Lorsqu’une fuite de CO2 se produit (par exemple, suite à une perforation par un engin de chantier), la décompression du gaz génère un refroidissement intense pouvant atteindre −80°C. Cette chute de température peut induire une transition ductile-fragile dans l’acier, augmentant considérablement le risque de propagation catastrophique de fissure. Actuellement, aucune directive établie n’existe pour le transport de CO2 en phase gazeuse, et les défis techniques restent nombreux. Ce sujet de thèse vise à développer des outils numériques avancés pour prédire le comportement en rupture des pipelines dans ces conditions extrêmes.

Créé en 1967 à Evry et situé depuis 2025 à Versailles Satory, un pôle stratégique en matière de défense et de sécurité en Île-de-France, le Centre des Matériaux (CMAT) de Mines Paris – PSL est le plus grand des 18 centres de recherche de l’école des Mines de Paris. Spécialiste des matériaux de structure pour l’aéronautique, l’énergie, l’automobile et la mécanique, ainsi que des matériaux innovants pour l’électronique, le stockage d’énergie et les biomatériaux, le Centre collabore avec des grands groupes industriels et des PME-PMI pour développer des solutions technologiques avancées.

Le Centre des Matériaux mène une recherche scientifique de haut niveau international, appliquée aux besoins industriels. Son expertise couvre un large spectre allant des propriétés physiques des matériaux à la modélisation numérique avancée. Il participe activement à la formation des ingénieurs et chercheurs en intervenant dans les cursus de Mines Paris – PSL et d’autres établissements académiques, notamment au sein du mastère spécialisé Design des Matériaux et des Structures (DMS). La valorisation des résultats de la recherche se décline en plusieurs actions : collaborations industrielles, brevets, création de start-ups et transfert technologique. Elle joue un rôle clé dans l’amélioration des performances des matériaux et procédés, tout en anticipant les évolutions industrielles.

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) :

- Formation en mécanique, génie mécanique, génie civil ou domaine connexe (niveau Master ou équivalent)
- Solides bases en mécanique des solides et en mécanique de la rupture
- Connaissances en méthodes numériques, notamment en méthode des éléments finis
- Intérêt pour la modélisation multiphysique (couplages fluide-structure, thermique, etc.)
- Compétences en programmation scientifique (Python, C/C++, ou Fortran appréciées)
- Une expérience avec des codes de calcul (par exemple OpenRadioss, Abaqus, ou équivalent) est un plus
- Bon niveau en anglais scientifique (écrit et oral)
- Autonomie, rigueur scientifique et capacité à travailler sur des problèmes complexes

Niveau de français requis: Intermédiaire supérieur: Vous pouvez utiliser la langue de manière efficace et vous exprimer précisément.

Niveau d'anglais requis: Intermédiaire supérieur: Vous pouvez utiliser la langue de manière efficace et vous exprimer précisément.