Soutenance mémoire
Les circuits de refroidissement des centrales nucléaires sont soumis à des fluctuations de température dues au mélange des fluides chaud et froid dans ce qu’on appelle les zones de mélange. Ces fluctuations peuvent engendrer par fatigue thermique des endommagements dans les circuits et causer dans des cas isolés des fuites du liquide de refroidissement. Plusieurs incidents ont causé par le passé des fuites et l’arrêt de plusieurs centrales, aussi bien en France qu’à l’étranger. En ce qui concerne les centrales nucléaires de la filière REP (Réacteurs à Eau Pressurisée), plusieurs incidents ont été attribués à la fatigue thermique. Par ordre chronologique, ils ont eu lieu : en Allemagne en 1986, à Farley 2 (USA) en 1987, à Tihange 1 (Belgique) et Genkaï 1 (Japon) en 1988, à Dampierre 2 (France) en 1992, en Allemagne en 1995, à Dampierre 1 en 1996, et à Loviisa 2 (Finlande) en 1997. Enfin, le dernier incident en date attribué à la fatigue thermique a eu lieu à Civaux 1 (Tamburini 2000). En mai 1998, une fuite de 30 m3/h est détectée sur une des voies de la tranche du réacteur CIVAUX 1 (circuit RRA : refroidissement à l’arrêt) peu de temps après le démarrage de la tranche qui sortait d’une longue période d’essai avant la mise en service. Le circuit RRA (refroidissement à l’arrêt) assure, lors des phases de refroidissement du réacteur, la circulation d’une quantité minimale de fluide dans le circuit primaire, afin d’assurer le refroidissement du combustible présent dans la cuve du réacteur. Ce circuit est constitué de deux voies indépendantes et redondantes .
ESSAIS DE FATIGUE ISOTHERME
Les essais de fatigue isotherme permettent de déterminer l’endurance et le comportement cyclique d’un élément de volume soumis à une sollicitation cyclique mécanique à température constante. La température d’essai correspond souvent à des valeurs extrêmes du cycle thermique de la fatigue anisotherme. Taira (1973) introduit la notion de température équivalente. Il a remarqué que, dans certains cas, la durée de vie en fatigue thermique peut être égale à la durée de vie de fatigue isotherme à déformation imposée à une température intermédiaire du cycle de fatigue thermique.
Dans cette étude, les températures de 90 et 165°C (températures extrêmes du cycle thermique) ont été retenues afin de caractériser le comportement et l’endommagement du matériau. Les résultats sont comparés ensuite à ceux qui sont obtenus en fatigue mécano-thermique. Pendant ces essais, le pilotage et l’asservissement de la machine sont réalisés en boucle fermée via le générateur de signaux de la machine.
Instrumentation de l’essai
Les essais de fatigue isotherme sont réalisés soit sur une machine hydraulique soit sur une machine électromécanique. Les éprouvettes sont placées dans un four à images, à quatre lobes, d’une puissance maximale de 6 kW. Leur température est asservie à l’aide d’un thermocouple Chromel-Alumel ligaturé au centre de la zone utile. Pour la mesure de la déformation, nous utilisons un extensomètre longitudinal qui a entièrement été développé au laboratoire . Le contact avec l’éprouvette est réalisé par l’intermédiaire de deux couteaux en alumine qui transmettent, via un système d’articulation, l’allongement de l’éprouvette à quatre jauges d’extensométrie. Connaissant le coefficient d’amplification du capteur, nous pouvons calculer la déformation pour une valeur donnée de la base de mesure qui est proche de 10 mm. La précision des mesures de déformation est de l’ordre de 0,01 %, ce qui correspond à un déplacement d’environ 1 µm. L’extensomètre est situé sur un support, lui-même fixé sur le four dans lequel est pratiquée une ouverture pour le passage des tiges d’alumine.
Pour détecter l’endommagement des éprouvettes, nous utilisons un suiveur électrique de fissures alimenté en courant continu. Nous mesurons ainsi continûment la différence de potentiel (ddp) entre deux points fixes de l’éprouvette. En effet, l’apparition de l’endommagement au sein du matériau se traduit par une variation de la résistance de l’éprouvette et donc par une variation de la ddp. Nous avons choisi d’arrêter les essais pour une variation de la ddp, ΔV/V0 de 0,125. Un tel critère correspond, dans notre cas, à la propagation d’une fissure de taille moyenne de 6 mm en surface. Nous appelons Nf le nombre de cycles écoulés pour l’obtention d’une telle fissure. N25 est le nombre de cycles correspondant à 25% de chute de charge par rapport au niveau enregistré à mi-durée de vie.
ESSAIS DE FATIGUE MECANO-THERMIQUE
L’éprouvette de fatigue mécano-thermique
Des éprouvettes tubulaires de fatigue ont été usinées à partir de barreaux fournis par EDF, de diamètre 20 mm et de longueur 120 mm. Les barreaux ont été découpés dans une tôle d’épaisseur 30 mm suivant le sens du laminage .
Lors du développement de l’essai de fatigue anisotherme au Centre des Matériaux, Malpertu (1987) a mis au point une géométrie d’éprouvette satisfaisant aux critères d’un élément de volume pour ce type d’essai. C’est-à-dire que dans la partie utile de l’éprouvette, les champs de contrainte, de déformation et de température sont uniformes. Ainsi il fut retenu pour ces essais une éprouvette tubulaire d’une épaisseur de 1 mm pour une longueur utile de 25 mm. Cette géométrie d’éprouvette conduit à de bons résultats, en termes de gradient de température, pour des variations de température comprise entre 600°C et 1100°C (cycle aéronautique), puisque les différences de températures entre la paroi interne et externe est au maximum de 5°C.
Description de l’essai de fatigue mécano-thermique
Les essais de fatigue mécano-thermique sont réalisés sur deux types de machines : une machine hydraulique et une machine électromécanique. Les deux machines ont une capacité en charge de ± 50 kN. L’asservissement de la machine est conduit en boucle fermée sur une consigne externe générée par un micro-ordinateur Macintosh II-ci tandis que le pilotage est réalisé en boucle ouverte. Durant l’essai, le micro-ordinateur impose à l’éprouvette un cycle déformation mécanique-température. Pour cela, un programme génère simultanément deux cycles synchrones en température et en déformation mécanique et acquiert en temps réel l’effort mesuré par la cellule de charge, l’allongement total de l’éprouvette mesuré par l’extensomètre, la valeur de la différence de potentiel mesurée par le suiveur de fissures et la température mesurée par le thermocouple. Ce système de pilotage-acquisition permet, par sa modularité, une grande souplesse dans la réalisation d’essais en tout genre (Koster et al. 1994).
Forme du cycle mécano-thermique
Dans le cadre de cette étude, nous avons testé le matériau sous sollicitations mécano-thermiques en utilisant un cycle standard de type hors phase . Un cycle En Phase a également été testé pour caractériser l’influence de la forme du cycle du comportement et de l’endommagement du matériau . Le cycle CEA (Figure II-10) est un cycle issu de calculs réalisés dans le cadre de la thèse de Valérie Maillot (CEA Saclay) qui simule le chargement subi au cours d’un cycle de chauffage refroidissement sur structure lors d’un essai type SPLASH entre les températures extrêmes 170 et 320°C. Pour les cycles hors-phase et en-phase, la température varie entre 90 et 165°C sous un rapport de déformation Re=-1. Tous les essais débutent par une phase de chauffage à partir d’une déformation mécanique nulle. Afin de maintenir un champ de température uniforme dans tout le volume de la zone utile de l’éprouvette, la vitesse de chauffage et de refroidissement a été fixée à 5°C/s.
ESSAIS DE FISSURATION EN PLASTICITE GENERALISEE
Principe de l’essai
Le principe consiste à réaliser un essai de fatigue en contrôle de déformation mécanique sur éprouvette tubulaire comportant une entaille traversante usinée par électroérosion. Nous avons pris la précaution de monter le système d’extensomètrie à l’opposé de l’entaille afin de travailler en conditions de plasticité généralisée. Deux prises de potentiel, placées le plus près que possible de l’entaille, permettent de suivre l’évolution de la fissure au cours de l’essai. Nous arrêtons l’essai à contrainte et déformation nulles pour mesurer la taille de la fissure optiquement, ce qui nous permet de calibrer la courbe de fissuration. Les essais sont conduits jusqu’à la propagation d’une fissure de 1,5 à 2 mm de longueur totale. Pour des raisons de simplicité, les premiers essais ont été menés à des fréquences assez faibles (0,05 Hz).
Instrumentation des éprouvettes
Les éprouvettes sont systématiquement polies avant essai jusqu’à la pâte diamantée de 3 mm pour pouvoir suivre la propagation optique de la fissure. Le contrôle de la température est assuré par un thermocoaxe chromel-alumel de type K ligaturé sur le plan de fissuration. Les deux prises de potentiel sont deux fils de nickel de 0,3 mm de diamètre que l’on soude le plus près possible de l’entaille .
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
INTRODUCTION
ENJEU INDUSTRIEL
OBJECTIF DE L’ÉTUDE
I PRÉSENTATION DU MATÉRIAU
I.1 INTRODUCTION
I.2 TRAITEMENT THERMIQUE
I.3 ANALYSE CHIMIQUE
I.4 CARACTÉRISTIQUES MÉTALLURGIQUES
I.4.1 Taille de grain
I.4.2 Teneur en ferrite
I.4.3 Transformation martensitique
I.5 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DE TRACTION
EN RÉSUMÉ
II MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
II.1 ESSAIS DE FATIGUE ISOTHERME
II.1.1 Les éprouvettes de fatigue isotherme
II.1.2 Instrumentation de l’essai
II.2 ESSAIS DE FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE
II.2.1 L’éprouvette de fatigue mécano-thermique
II.2.2 Description de l’essai de fatigue mécano-thermique
II.2.3 Forme du cycle mécano-thermique
II.3 ESSAIS DE FISSURATION EN PLASTICITÉ GÉNÉRALISÉE
II.3.1 Principe de l’essai
II.3.2 Instrumentation des éprouvettes
II.4 ÉCROUISSAGE CYCLIQUE
II.5 ESSAIS DE RELAXATION
II.5.1 Les éprouvettes de relaxation
II.5.2 Description de l’essai de relaxation
II.6 EN RÉSUMÉ
III COMPORTEMENT EN FATIGUE DE L’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L
III.1 COMPORTEMENT EN FATIGUE ISOTHERME DE L’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L
III.1.1 Introduction
III.1.2 Rappels bibliographiques
III.1.3 Résultats expérimentaux
III.1.4 Durées de vie du 304L en fatigue isotherme
III.2 COMPORTEMENT EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE DU 304L
III.2.1 Introduction
III.2.2 Rappels bibliographiques
III.2.3 Comportement de l’acier inoxydable austénitique 304L en fatigue mécano-thermique
III.2.4 Durée de vie du 304L en fatigue mécano-thermique
III.3 ENDOMMAGEMENT DE L’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L
III.3.1 Fatigue isotherme
III.3.2 Endommagement en fatigue mécano-thermique
III.4 EN RÉSUMÉ
IV INFLUENCE DU PRÉ-ÉCROUISSAGE SUR LE COMPORTEMENT ET LA DURÉE DE VIE DU 304L
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 PRÉ-ÉCROUISSAGE CYCLIQUE À TEMPÉRATURE AMBIANTE
IV.2.1 Principe de l’essai
IV.2.2 Fatigue isotherme à 165°C
IV.2.3 Fatigue mécano-thermique hors-phase
IV.2.4 Effet de la sollicitation mécano-thermique sur le comportement cyclique du matériau préécroui en fatigue à 25°C
IV.3 PRÉ-ÉCROUISSAGE MONOTONE À TEMPÉRATURE AMBIANTE
IV.3.1 Principe du pré-écrouissage
IV.3.2 Fatigue isotherme à 165°C
IV.3.3 Fatigue mécano-thermique
IV.4 INFLUENCE DU PRÉ-ÉCROUISSAGE SUR LA DURÉE DE VIE DE L’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L
IV.5 EN RÉSUMÉ
V COMPORTEMENT EN RELAXATION DE L’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L
V.1 CARACTÉRISTIQUES D’UN ESSAI DE RELAXATION
V.1.1 Les différents types de machines
V.1.2 Essai de relaxation idéal
V.2 EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR LE COMPORTEMENT EN RELAXATION DE L’ACIER INOXYDABLE
AUSTÉNITIQUE 304L
CONCLUSION GÉNÉRALE
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