FATIGUE ET RUPTURE, Introduction

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Eric Lebeau
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1 FATIGUE ET RUPTURE, UN CHALLENGE DES L'ETUDE DE RISQUE C. FAIDY - EDF- claude.faidy@edf.fr Introduction Fatigue: EN13445 / ASME VIII-2 / RCC-M Rupture : EN13445 / ASME VIII-2 / RCC-M Conclusions 1 Introduction Nucléaire et non-nucléaire doivent vérifier : DESP + arrêté nucléaire DESP étude de risque analyse des risques d endommagement notice d utilisation de l ESP Nécessité d analyser en Conception: la tenue à la fatigue aux différents types de corrosion les marges face au risque de rupture brutale Des sollicitations dynamiques : séisme, coup de bélier Les équipements déclarés sensibles donneront lieu à une surveillance adaptée en service (Inspection en service, suivi des sollicitations, contrôle de la chimie du fluide Essentiel pour l Utilisateur de l ESP 2

2 La fatigue Liée aux variations des sollicitations : pression, moments, température, vibrations, mélanges de fluides Entraîne des fissurations des équipements, pouvant mener à une fuite ou à une rupture Nécessite une bonne connaissance : des sollicitations variables au point considéré : amplitudes et nombres de cycles de la composition chimique des milieux environnement : interne et externe de la résistance du matériau à la fatigue : courbes S-N des effets de plasticité : courbes de traction cycliques. Elle est évaluée en un point de l ESP en terme de facteur d usage Fu : Nombre de cycles appliqués / Nombre de cycles acceptables pour chaque amplitude de sollicitation 3 La fatigue Courbe de fatigue ASME-RCCM aciers inoxydables Salt ,E+01 1,E ,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Nb de cycles E = MPa Salt Nc,adm Fu = Nc / Nc,adm Remarque : -Salt correspondant à 500 cycles est de 940 Mpa -Contrainte admissible de 110MPa -Aucun risque de fatigue en cas de 500 démarrage-arrêt, -même avec des concentrations de contrainte de 5 4

3 Règles d exemption ASME III-RCCM N1 +N2 +N3 < N1 le nombre de cycles de pression pondéré : 0 pour un P<20% de la pression de calcul 1 pour un P>80% de la pression de calcul N2 le nombre de cycles de variation de température pondéré : 0 pour T<25 C 40 pour T>250 C réduit par : 0.01 pour des épaisseurs inférieures à 10mm 1 pour des épaisseurs supérieures à 100mm N3 le nombre de cycles de variation de température pondéré : 0 pour T<25 C 8 pour T>250 C dans le cas où le composant comporte des soudures entre des matériaux de coefficients de dilatation thermique différents 5 Règles d'analyse RCCM Basées sur les contraintes linéarisées dans les sections (Pm+Pb+Q+F et courbes de fatigue standard éprouvettes lisses Nombreuses amélioration de l'asme III K e en thermique Indices de contraintes des tuyauteries Couplage avec méthode éléments finis Méthode pour les soudures non pénétrèes : zones singulières Avec courbes de fatigue spécifique Avec courbe (S,N du matériaux σ θθ d avec d = 50µm 6

4 ASME VIII div. 2 : Règle d'exemption Un équipement similaire dans des conditions similaires Méthode A : N FP + N P0 + N TE +N Ta < 1000 pour soudure pleine pénétration N FP + N P0 + N TE +N Ta < 400 pour soudure non pénétrée Amplitude totale ou partielle de P, T entre 2 points voisins, T entre 2 sections de α différent Méthode B : N FP < N(C 1 S m PN < p/c 1 (S a (N P /S m TN < S a (N TN / C 2 E y α TR < Sa (N TR / C 2 E y α TM < Sa(N TM / C 2 (E y1 α 1 E y2 α 2 S ML < S a (N S pression totale pression partielle Τ en démarrage-arrêt autres Τ T entre 2 sections de α différent charges mécaniques hors pression 7 ASME VIII div. 2 : Règle d'analyse Méthode 1 : Basée sur les contraintes linéarisées dans les sections (Pl+Pb+Q+F et courbes de fatigue standard éprouvettes lisses Ke sans optimisation pour la thermique Mais possibilité de lae calculer : Ke = ε plast / ε el (avec des courbes cycliques proposées Méthode 2 : Basée sur des contraintes élasto-plastique direct et la même courbe de fatigue Méthode 3 : Basée sur la méthode "structural stress" Calcul de la contrainte de membrane + flexion Utilisation d'une courbe de fatigue expérimentale sur joints soudés 8

5 Méthode "structural stress" Stress Concentration Effect S s s = 2 m 1 2 m m t σ I ( r Thickness Effect Loading Mode Effect extrait de PVP2006-ICPVT EN / EN Pas de règles d'exemption EN : Clause 17 pour analyse fatigue en pression Clause 18 pour analyse détaillée analyse EN : pas de règles; renvoi sur EN (!!! 10

6 EN Courbes de fatigue spécifique à chaque type de joint soudé (identique pour acier carbone et acier inox Des facteurs de réduction de fatigue : fu = fs. fe. fm. Ft état de surface, épaisseur, contrainte moyenne, température Plasticité : K e en mécanique et K ν en thermique avec formules spécifiques Ke = 1 + A 0 ( σ/(2 Rp 0,2 1 K ν = max [ 1 ; 0.7/( Rp0.2/ σ ] Basée sur "contrainte nominale" : extrapolation des contraintes au niveau des singularités Prise en compte du niveau de contrôle 11 12

7 Corrections de plasticité ASME - RCCM EN Cl. 18 Sollicitations mécaniques Ke = 1+ (1-n/(m(n-1*(Sn/3Sm-1 Sollicitations mécaniques Ke = 1+ A 0 ( σ/r p0,2t 1 pour 3 Sm < Sn < 3m Sm Avec A 0 = 0.4 pour les inox et ferritiques Rm< 500MPa et: A0 = (Rm-500/3000 Chocs thermiques Ke= 1.86 (1/( Sn/Sm Sollicitations thermiques Kν = 0.7/( / σ/r p0,2t 13 14

8 rupture brutale : Procédure RCCM Critères d'exemption (ZG zones concernées - composition chimique - ténacité minimale du matériau - efforts maximum appliqués Zone robuste vis-à-vis de la rupture brutale sans analyse INTRODUCTION EXEMPTIONS D'ANALYSE Annexe ZG du RCCM Dessin, Matériaux, Chargements Analyse conventionnelle (ZG défaut conventionnel - coefficients de sécurité - données spécifiées Analyse détaillée (ZG détermination du défaut critique - données spécifiques - coefficients de sécurité Taille cohérente avec celle des défauts potentiels Démonstration acquise de la robustesse de la zone vis-à-vis de la rupture brutale Inspection "point 0" réalisée par le Fabricant avant mise en service ANALYSE CONVENTIONNELLE DE RESISTANCE A LA RUPTURE BRUTALE ANALYSE DETAILLEE DE RESISTANCE A LA RUPTURE BRUTALE METHODES POUR LA DETERMINATION DES PARAMETRES DE L'ANALYSE Détermination des facteurs d'intensité de contrainte K Détermination de la force d'extension de fissure J PROPRIETES DES MATERIAUX Ténacité des matériaux ferritiques Courbe de ténacité KIC Effets du vieillissement Effets de l'irradiation Effets du vieillissement thermique Zone non robuste vis-à-vis de la rupture brutale. A traiter au cas par cas Résistance à la déchirure des matériaux ferritiques Résistance à l'amorçage de la déchirure Courbes de résistance à la déchirure des matériaux 15 Rupture : Procédure ASME VIII div 2 Exigences de propriétés mini des matériaux Renvoi sur Div. 3 Ou renvoi sur Codes Nucléaires : section III et section XI 16

9 Rupture EN EN Exigences de propriétés mini des matériaux Pas de règles d'analyse pour le moment 17 Conclusions - Recommandations La fatigue est un dommage très important dans certaines industries, en particulier l'énergie : En conception pour répondre aux exigences DESP En service, car il joue un rôle très important sur l importance du programme de surveillance, dont l inspection en service De même les risques de rupture soit fragile, soit ductile à faible ténacité nécessite des marges importantes, avec prise en compte du vieillissement Les différentes méthodes donnent des résultats très différents Il est difficile à tous les Fabricants de s'investir dans l'ensemble de ces analyses tant au niveau de l'étude de risque ou de la justification de la conception voire de la notice d'instruction Une attention particulière est à porter sur la "convivialité" de la rédaction et une approche en 3 étapes : exemption, analyse simplifiée, analyse détaillée Certaines méthodes nécessitent des validations complémentaires claude.faidy@edf.fr cjfaidy@infonie.fr 18

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