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Les générateurs de vapeur et les échangeurs de chaleurs
Les générateurs de vapeur et les échangeurs de chaleurs
Dans l’industrie nucléaire, thermique et pétrochimique (KAKAC S., 1980), les générateurs de vapeur et les échangeurs de chaleur, appelés communément échangeurs tubulaires, sont des dispositifs utilisés pour transférer l’énergie thermique entre les fluides aux différentes températures.
L’utilisation des générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires consiste, et sans risque, à transformer l’eau en vapeur et á absorber une quantité de chaleur produite dans le coeur du réacteur. Les échangeurs de chaleur sont généralement utilisés pour réchauffer ou refroidir un fluide. Ces échangeurs tubulaires sont conçus pour des basses et hautes pressions en fonction de l’environnement et/ou relative aux fluides internes. Le schéma simplifié figure 1.1 montre un exemple typique d’un générateur de vapeur. Il est constitué de tubes ronds montés dans une coquille cylindrique avec l’axe parallèle à celui de la coquille. L’eau lourde radioactive coule à l’intérieur des tubes. L’eau légère coule à l’extérieur des tubes. Les composants principaux sont les tubes, la coquille, les plaques à tubes, les têtes des extrémités supérieure et inférieure. Le transfert de l’énergie entre fluides se produit par conduction et convection à travers et le long des parois des tubes. Les tubes ainsi que leurs liaisons avec les plaques à tubes sont donc les composants de base des échangeurs tubulaires.Dans les centrales nucléaires, les générateurs de vapeur sont de grands composants qui mesurent jusqu’à 22 m de hauteur et pèsent plus que 700 tonnes (figure 1.2). L’eau chaude du circuit primaire parcours des milliers de mètres de tuyauterie dans le générateur. Chaque générateur de vapeur peut contenir entre 3000 à 10000 tubes dépendamment du type. Chaque tube mesure environ 18 mm de diamètre.L’eau lourde coulant dans les tubes chauffe l’eau légère du circuit secondaire situé à l’extérieur des tubes et la convertit en vapeur. La vapeur saturée ou surchauffée coule dans plusieurs étapes d’une turbine qui est couplée à des générateurs électriques. La vapeur sortante durant la dernière étape de la turbine est plus tard condensée en eau et est renvoyée de nouveau au générateur de vapeur. Dans le cas où le mélange n’est pas permise entre les deux fluides, les tubes ainsi que leurs assemblages dans les plaques à tubes ont un rôle très important en matière de sécurité; car ils constituent une des barrières primaires entre le côté primaire et le coté secondaire des échangeurs tubulaires utilisés dans les industries nucléaire et chimique. C’est pour cette raison que l’intégrité de la tuyauterie et tous les assemblages tubes–plaques à tubes qui lui sont associés est un facteur important quant à la réduction au minimum de la fuite entre les deux côtés de l’installation. Si au cours du fonctionnement la pression résiduelle de contact se réduit à une valeur critique ou une rupture de tube se produit, il est fort probable que des résidus radioactifs, par exemple, se trouvant dans la boucle primaire infiltre le circuit secondaire et s’échappent directement dans l’atmosphère avec de la vapeur ou se retrouve dans les rivières. Ceci indique qu’il est d’une grande importance de maintenir l’intégrité structurale d’un générateur de vapeur ou d’un échangeur de chaleur pour une exploitation efficace et sécuritaire.Plusieurs défaillances pourraient être à l’origine de la dégradation d’un échangeur tubulaire et notamment, les assemblages tubes-plaques à tubes, qui feront l’objet d’une mise en situation dans le paragraphe suivant et dont certaines seront traitées dans les chapitres 3, 4 et 5.
Les assemblages tubes-plaques à tubes
Lors de la fabrication d’un échangeur tubulaire, les tubes sont généralement fixés dans les plaques à tubes. Pour empêcher le mélange des fluides, les tubes doivent s’adapter confortablement dans leurs places. L’assemblage formé par la plaque tubulaire et le tube serti constitue ce qu’on appelle un assemblage tubes-plaque tubulaire (figure 1.3). Un assemblage bien conçu doit donc assurer l’étanchéité entre le circuit primaire et secondaire d’un échangeur tubulaire, positionner les tubes, encaisser les différentes charges et augmenter la rigidité de l’ensemble. Ces fonctions sont assurées par un choix optimisé de la pression résiduelle de contact, initialement installée au cours du procédé de dudgeonnage et des caractéristiques géométriques et mécaniques des pièces constituant l’assemblage.L’assemblage tubes-plaque tubulaire apparaît donc l’élément le plus critique dans l’échangeur tubulaire. Cependant, la partie du tube du coté de la face secondaire de la plaque tubulaire (figure 1.3) présente une zone appelée zone de transition (Yokell, S., 1982) sévèrement sollicitée au cours du procédé de dudgeonnage et représente, donc, une zone critique.
Procédé de dudgeonnage des assemblages tubes-plaques à tubes
Les procédés de dudgeonnage par pression hydraulique et mandrinage par roulement sont parmi les procédés les plus couramment employés dans le domaine de l’industrie des échangeurs tubulaires. Cependant, le mandrinage par roulement est plus ancien et continue à être la technique dominante et la plus utilisée à ce jour. Ces deux procédés de dudgeonnage sont très économique et efficace, mais peuvent être, comme d’autres procédés á l’origine des contraintes résiduelles élevées pouvant donner lieu à la fissuration et à la corrosion sous contrainte.
Mandrinage par roulement
Cette méthode présentée á la moitié du dix-neuvième siècle (Dudley F. E., 1953) continue à être la technique dominante et la plus utilisée à ce jour. Ce procédé est parfois appelé le roulage mécanique (figure 1.4) par l’utilisation d’un mandrin à rouleaux expansible. Le mandrin est constitué d’un cylindre conique tournant avec trois à sept rouleaux (figure 1.5), dont les axes sont légèrement inclinés par rapport à l’axe du mandrin et guidés en rotation dans des rainures usinées dans le cylindre conique.L’opération consiste à mettre le bout du tube dans un trou percé à cet effet dans la plaque tubulaire. Le mandrin expansible est introduit dans le tube et l’opération consiste à agrandir le diamètre intérieur du tube tout en déformant la plaque tubulaire autour du trou. Une commande pneumatique ou électrique actionne le mandarin en rotation, habituellement dans une gamme de vitesse allant de 400 à 1000 tr/mn. Lors du relâchement du mandrin expansible, la plaque tubulaire vient enserrer le tube déformé plastiquement. L’étanchéité est assurée par le serrage provenant du frettage du tube à l’intérieur de la plaque tubulaire. Les contraintes résiduelles sont fonction du pourcentage d’amincissement de la paroi du tube serti qu’on appelle parfois le pourcentage de roulage appliquée au tube.Le mandrinage par roulement est la méthode la plus utilisée. Cependant, au cours de dudgeonnage, il crée des contraintes et des déformations locales très élevées à cause du contact entre les rouleaux et le tube facilitant, ainsi, la corrosion sous contrainte. En outre il n’est pas possible d’éliminer complètement l’espace initial entre le tube et la plaque tubulaire. En effet, le roulement au-delà de l’épaisseur de la plaque du coté de la face secondaire de la plaque tubulaire, est inconcevable. Cet espace annulaire développe facilement la corrosion et expose la plaque tubulaire et particulièrement le tube à la dégradation. Une amélioration de ce procédé ne peut pas être prévue en raison du principe mécanique lui-même. On ne peut donc pas éliminer les effets indésirables de ce procédé sans penser à la modification fondamentale du processus lui même. Ceci a mené au développement du procédé de dudgeonnage par pression hydraulique. C’est l’objet du contenu du paragraphe suivant.
Dudgeonnage par pression hydraulique
La figure 1.6 ci-dessous représente un mandrin hydraulique alimenté en pression par une installation hydraulique dont le schéma simplifié est donné par la figure 1.7. Pour que le dudgeonnage avec de l’eau, ou tout autre liquide soit convenable, deux circuits séparés sont
nécessaires. En commutant le distributeur vers la position de droite, la pompe alimente le vérin séparateur.La chambre de détente du mandrin et le vérin propulseur sont alors remplis d’eau. En commutant, de nouveau, le distributeur vers la gauche, la pompe revoie de l’huile vers le vérin propulseur et le dudgeonnage aura lieu. Au cours du procédé, la pression dans le mandrin (figure 1.7) est plus grande que la pression d’huile dans le propulseur d’un facteur égale au rapport des surfaces des pistons. En même temps, le piston du séparateur est repoussé et l’eau est de nouveau aspirée du réservoir à eau. La pression désirée de dudgeonnage peut être ajustée au moyen d’un limiteur de pression permettant, ainsi, de contrôler sa valeur maximale
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS
1.1 Les générateurs de vapeur et les échangeurs de chaleurs
1.2 Les assemblages tubes-plaques à tubes
1.3 Procédé de dudgeonnage des assemblages tubes-plaques à tubes
1.3.1 Mandrinage par roulement
1.3.2 Dudgeonnage par pression hydraulique
1.3.3 Dudgeonnage hybride
1.3.4 Dudgeonnage par charge explosive
1.4 Le principe du dudgeonnage hydraulique
1.5 Rigidité d’un assemblage tubes-plaque tubulaire
1.6 Mécanisme de dégradation des assemblages tubes-plaques à tubes
1.6.1 Contraintes résiduelles
1.6.2 Attaque intergranulaire
1.6.3 Corrosion sous contraintes
1.6.4 Contraintes cycliques
1.7 Méthode de détermination de la pression résiduelle de contact
1.7.1 Méthode expérimentales
1.7.1.1 Méthodes mécaniques
1.7.1.2 Méthodes physiques
1.7.2 Méthodes analytiques
1.7.3 Analyse par éléments finis
CHAPITRE 2 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1 Introduction
2.2 Approche expérimentale
2.2.1 Commentaires et conclusion
2.3 Approche par éléments finis
2.3.1 Commentaires et conclusion
2.4 Approche analytique
2.4.1 Commentaires et conclusion
2.5 Conclusion générale
CHAPITRE 3 ARTICLE # 1 <<ANALYTICAL MODELING OF HYDRAULICALLY EXPENDED TUBE-TO-TUBESHEET JOINTS>>
Résumé
Abstract
3.1 Introduction
3.2 Theoretical background
3.3 Analytical model
3.3.1 Expansion without tubesheet plastic deformation
3.3.2 Expansion with elasto-plastic deformation of tubesheet
3.4 Unloading phase with tube reverse yielding
3.5 Finite element model
3.6 Results and discussion
3.7 Conclusion
3.8 References
CHAPITRE 4 ARTICLE # 2 <<THEORETICAL ANALYSIS OF HYDRAULICALLY EXPANDED TUBE-TO-TUBESHEET JOINTS WITH LINEAR STRAIN HARDENING MATERIAL BEHAVIOR>>
Résumé
Abstract
4.1 Introduction
3 4.2 Analytical model with strain hardening
4.2.1 Expansion without tubesheet plastic deformation
4.2.2 Expansion with tubesheet elasto-plastic deformation
4.3 Validation using FE modeling
4.4 Results and discussion
4.5 Conclusion
4.6 References
CHAPITRE 5 ARTICLE # 3 <<EFFECT OF CREEP ON THE RESIDUAL STRESSES IN TUBE-TO-TUBESHEET JOINTS>>
Résumé
Abstract
5.1 Introduction
5.2 Analytical model
5.2.1 Governing equations
5.2.2 Summary of computational procedure
5.3 Validation using finite element modelling
5.4 Results and discussion
5.5 Conclusion
5.6 Reference
ANNEXE I RESIDUAL STRESSES CALCULATION AFTER THE EXPANSION PROCESS
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE II PROGRAMME ANSYS
ANNEXE III PROGRAMME MATLAB
BIBLIOGRAPHIE
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