Durability of Syntactic Foams for Deep Offshore Insulation: Modelling of Water Uptake under Representative Ageing Conditions in Order to Predict the Evolution of Buoyancy and Thermal Conductivity
Durabilité de mousses syntactiques utilisées en offshore profond : modélisation de la prise en eau des matériaux lors de vieillissements représentatifs et prévision de la flottabilité et de la conductivité thermique à long terme
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Institut français du pétrole, IFP, Département Matériaux, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
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Institut français du pétrole, IFP, Département Matériaux, BP 3, 69390 Vernaison Cedex - France
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IFREMER, Centre de Brest, BP 70, 29280 Plouzané - France
Corresponding authors: xavier.lefebvre@ifp.fr valerie.sauvant@ifp.fr dominique.choqueuse@ifremer.fr pierre.chauchot@ifremer.fr
Three different syntactic foams were aged under various conditions of both temperature (from 4°C to 130°C) and pressure (from 1 bar to 300 bar) in renewed sea water. Some functional properties were measured during aging. First, the link between water uptake and both buoyancy and thermal conductivity evolutions was established for each syntactic material under any ageing conditions. Then a finite element model was developed in order to compute water uptake in the materials. The model, based on the description of three hydration mechanisms, each mechanism being linked to a part of the microstructure of the foam, gives a satisfactory agreement with experimental results for all aging conditions and specimen sizes. The model was finally used to simulate the evolution of some functional properties that would experience a structure immersed in real conditions over 20 years. Furthermore, the thickness of the insulation material affected by water ingress after 20 years of aging can be estimated, and this value can be used at the time of design as a sacrificial thickness.
Résumé
Des vieillissements en pression (de 1 bar à 300 bar) et en température (de 4 °C à 130 °C) ont été réalisés sur trois sortes de mousses syntactiques plongées dans de l'eau de mer en renouvellement. Certaines propriétés fonctionnelles des matériaux ont été suivies au cours des vieillissements. En particulier, pour chaque mousse syntactique et pour tous les vieillissements, l'effet de la prise en eau sur la flottabilité et sur la conductivité thermique a été mesuré. Un modèle par éléments finis permettant de calculer la prise en eau de mousses syntactiques a ensuite été développé. Ce modèle est basé sur la description de trois mécanismes d'hydratation, chaque mécanisme étant relié à une partie de la microstructure de la mousse syntactique. L'identification des paramètres sur la base de données donne de bons résultats quelles que soient les conditions de vieillissement et la dimension des échantillons. Finalement, le modèle ainsi identifié a été utilisé pour simuler l'évolution de propriétés fonctionnelles que présenterait une structure immergée en conditions réelles pendant 20 ans. Ce calcul nous permet en outre d'estimer l'épaisseur du matériau isolant affectée par la pénétration de l'eau, valeur que nous pouvons alors utiliser au moment du design en tant qu'épaisseur sacrificielle.
© IFP, 2009