Mesure et prédiction des contraintes résiduelles dans une turbine hydraulique

Acier austénitique

L’étude de S.Murugan  porte sur la distribution de température pendant le soudage multipasse de deux plaques d’acier doux. Le procédé de soudage crée des transformations de phases, qui génèrent des contraintes résiduelles en tension dans le cordon de soudure.
La norme ASM  définit les paramètres qui décrivent les distributions de la contrainte résiduelle pour les aciers austénitiques. L’axe des “X” est longitudinal à la soudure alors que l’ axe “Y” la traverse. Elle est désignée par le symbole ax(y). Puisque les contraintes résiduelles existent sans forces externes, il se doit d’avoir un état d’équilibre général au niveau des forces résultantes et des moments résultants. L’état de contraintes
résultant est obligatoirement un état d’équilibre . La contrainte longitudinale (ax(y)) est peu influencée par le bridage de la pièce . Le bridage consiste à limiter le ou les déplacements (degrés de libertés).

Acier martensitique

Le procédé de soudage des aciers martensitiques met en jeu des phénomènes de trempe ou de grossissement de grain qui provoquent une fragilisation des assemblages . Les transformations de phases pour les aciers martensitiques se produisent à de basses températures; ce qui a pour conséquences de produire des contraintes résiduelles en compression dans le cordon de soudure . Ceci s’explique par le fait que la martensite nouvellement transformée occupe un volume de 4% plus grand que l’austénite qu’elle remplace . Contrairement au cas des aciers austénitiques, la littérature ne fait aucune mention de formules empiriques décrivant ce type de changement volumétrique.

Autres sources de contraintes résiduelles

Cette partie de l’étude traite des procédés de fabrication et traitements qui peuvent influencer le niveau de contrainte résiduelle dans une turbine. Généralement les pièces des turbines arrivent de la fonderie pour être machinées, meulées, soudées et finalement subir un traitement thermique de revenu.

Les pièces de fonderie

Les pièces coulées peuvent comporter des contraintes résiduelles dans la plage élasto-plastique du matériau . Ce type de contrainte provient d’une température de refroidissement non uniforme. Des contraintes résiduelles de compression apparaissent à la surface des pièces coulées. Le traitement thermique est le moyen le plus fréquemment utilisé pour réduire le niveau de contraintes résiduelles dans ce type de pièces. Cette étape est normalement effectuée à la fonderie. Donc on considère au départ que le niveau des contraintes est nul dans les pièces de turbine.

Le meulage

Le meulage consiste à enlever une couche de métal par l’action combinée d’un disque rotatif et de la pression exercée. Le métal est enlevé sous forme de copeaux, comme dans le cas du fraisage, du tournage ou de la rectification. Du point de vue des contraintes résiduelles, il existe beaucoup de similarités entre ces procédés. L’énergie produite par l’arrachement de matière résulte d’une déformation plastique du matériau et une augmentation de température (Ericsson). Trois facteurs peuvent contribuer aux contraintes résiduelles :
L’enlèvement du métal par l’outil induit des contraintes résiduelles en compression à la surface de la pièce;
L’augmentation de la température momentanée provoque une dilatation locale à la surface du matériau. Ce gradient de température peut amener des contraintes résiduelles en tension excédant la déformation élastique en surface;
Si la pièce travaillée est faite en acier trempable, la martensite peut être produite par l’effet de trempe du matériau, ce qui induit des contraintes résiduelles en compression.

Méthode des jauges percées

La méthode des jauges percées aussi appelée méthode du trou est une méthode très répandue pour la mesure de contraintes résiduelles. Elle consiste à percer un trou de 1 à 4 mm de diamètre à une profondeur maximale égale à son diamètre. Il s’agit de mesurer le relâchement du matériau une fois le trou percé. En plus d’être normalisée, cette méthode à l’avantage de ne laisser qu’un petit trou qui est facilement réparable. La méthode permet de mesurer les contraintes résiduelles locales. Par contre, elle exige une grande précision pour le centrage du trou avec la jauge. Les contraintes mesurées qui dépassent 70% de la limite d’écoulement du matériau ne peuvent être traitées par la méthode. Au-delà de cette limite, il existe des risques de déformations plastiques créées par le perçage aux abords du trou qui faussent les résultats.

Mesures après usinage avec des jauges percées

Le but de ces mesures est de déterminer le niveau de contrainte résiduelle après l’usinage des aubes. Nous avons utilisé des jauges percées (norme ASTM-E37) et calculé les contraintes avec la méthode de séries de puissances pour des champs de contraintes non uniformes.
Une première série de mesures pendant la fabrication de la turbine a été faite sur l’aube, mais n’a pas donné de résultats concluants. En effet, cette méthode de mesure demande beaucoup de minutie et de temps, deux paramètres important qui ne peuvent se réunir dans un atelier de fabrication. Il faut compter 3 à 4 heures pour la prise de mesure d’un seul point, la préparation de la surface où la jauge doit être collée est un facteur déterminant. Il a été décidé de prendre des mesures sur les aubes d’une autre turbine similaire.
Les mesures de contraintes résiduelles ont été prises sur les aubes du projet SM-3, turbine faite du même matériau et ayant subi le même type d’usinage. Six points de mesure ont été vérifiés dans le but d’établir un niveau de contrainte sur deux aubes. Trois mesures sont faites au centre de chaque aube .

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE 
1.1 Généralité
1.2 Acier austénitique
1.3 Acier martensitique
1.4 Autres sources de contraintes résiduelles
1.4.1 Les pièces de fonderie
1.4.2 Le meulage
1.4.3 Le fraisage
1.4.4 Le tournage
1.4.5 Les traitements thermiques
1.5 Bilan du chapitre 1
CHAPITRE 2 TECHNIQUE DE MESURE 
2.1 Méthode de diffraction par rayon X
2.2 Méthode de diffraction par neutrons
2.3 Méthode des jauges percées
2.3.1 Méthode de calcul
2.4 Méthode des jauges soudables
2.4.1 Rosette biaxiale
2.4.2 Rosette rectangulaire triaxiale
2.5 Méthode des ultrasons
2.6 Méthode de Barkhausen
2.7 Méthode du contour
2.8 Comparaison entre les méthode de mesures
2.9 Bilan du chapitre 2
CHAPITRE 3 ESSAIS EN LABORATOIRE 
3.1 Échantillon d’acier doux
3 .1.1 Essai
3.1.2 Résultats
3.2 Échantillon d’acier inoxydable martensitique
3.2.1 Essai
3.2.2 Résultats
3.3 Bilan du chapitre 3
CHAPITRE4 MODÈLES DE PRÉDICTION DES CONTRAINTES
4.1 Régression non linéaire par la méthode des moindres carrés
4.2 Prédiction de la contrainte résiduelle dans l’ acier doux
4.2.1 Organigramme du programme de solution pour l’acier au carbone
4.2.2 Validation de la prédiction de contraintes pour de l’acier doux
4.3 Programme de prédiction des contraintes pour l’ acier inoxydable
4.3.1 Organigramme du programme pour l’ acier inoxydable 415
4.3.2 Validation de la prédiction de contraintes pour de l’acier inoxydable
4.4 Bilan du chapitre 4
CHAPITRE5 ESSAIS EN CHANTIER 
5.1 Mesures après usinage avec des jauges percées
5.2 Mesures durant le soudage
5.2.1 Températures lors du soudage
5.2.2 Contraintes lors du soudage
5.3 Mesures ponctuelles après le soudage
5.4 Mesures après le soudage par jauges percées
5.5 Mesure de variation de la contrainte durant le traitement thermique
5.6 Mesure après traitement thermique avec des jauges percées
5.7 Comparaison des résultats
5.8 Bilan du chapitre 5
CONCLUSION

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