The dynamic effect of pipe-wall viscoelasticity in hydraulic transients. Part Ⅰ—experimental analysis and creep characterization

摘要

En régime transitoire, les variations de pression dans un système de type fluide sont déterminées par la nature du matériau constituant les conduites du système. Dans le cas des conduites viscoélastiques, le plus souvent faites de polyéthylène (PE), les fluctuations de pressions sont atténuées rapidement et l'onde de pression est retardée, à cause du délai dans la déformation des parois de la conduite. Ce phénomène a été observé à partir de travaux réalisés sur des conduites expérimentales en polyéthylène de haute densité, à l'Impérial Collège (Londres, Royaume Uni). Divers tests expérimentaux ont été effectués, mesurant la pression et l'extension de la circonférence de la conduite en régime transitoire. Le matériau de la conduite présente un comportement mécanique typiquement viscoélastique caractérisé par une chute de pression immédiatement après la fermeture rapide de la valve, une grande dissipation et dispersion de l'onde de pression, et la présence de boucles (hystérésis) au niveau des courbes de déformation. Le fluage du matériau de la conduite a été évalué expérimentalement par des tests mécaniques, et son ordre de grandeur a été estimé à partir des résultats de pression-extension mesurés directement sur l'installation expérimentale. Une bonne corrélation entre les fonctions de fluage a été observée. Les tests mécaniques de fluage sont importants pour la caractérisation du comportement viscoélastique du PE. Cependant, lorsque le PE est intégré dans un système de conduites, ces tests ne sont pas représentatifs du comportement réel de la conduite, car le fluage dépend non seulement de la structure moléculaire du matériau et de la température, mais aussi des contraintes du système et du passé de la conduite en terme de pressions et de tensions.%The mechanical behaviour of the pipe material determines the pressure response of a fluid system during the occurrence of transient events. In viscoelastic pipes, typically made of polyethylene (PE), maximum or minimum transient pressures are rapidly attenuated and the overall pressure wave is delayed in time. This is a result of the retarded deformation of the pipe-wall. This effect has been observed in transient data collected in a high-density PE pipe-rig, at Imperial College (London, UK). Several transient tests were carried out to collect pressure and circumferential strain data. The pipe material presented a typical viscoelastic mechanical behaviour with a sudden pressure drop immediately after the fast valve closure, a major dissipation and dispersion of the pressure wave, and transient mechanical hysteresis. The creep-function of the pipe material was experimentally determined by creep tests, and, its order-of-magnitude was estimated based on pressure-strain data collected from the pipe-rig. A good agreement between the creep functions was observed. Creep tests are important for the characterization of the viscoelastic behaviour of PE as a material; however, when PE is integrated in a pipe system, mechanical tests only provide an estimate of the actual mechanical behaviour of the pipe system. This is because creep depends on not only the molecular structure of the material and temperature but also on pipe axial and circumferential constraints and the stress-time history of the pipe system.