Analyse de l'endommagement par fatigue/fluage des collecteurs de centrale thermique à flamme Franck MEISSONNIER EDF R&D Département AMA/T65

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1 Analyse de l'endommagement par fatigue/fluage des collecteurs de centrale thermique à flamme Franck MEISSONNIER EDF R&D Département AMA/T65 Projet DUrée de vie des ComposAnts du Thermique Janvier 2001 Décembre 2003 Client du projet: SEPTEN

2 Objectifs du projet DUCAT Améliorer les outils d estimation de la durée de vie des composants critiques des chaudières (CC, CP, LFC) Aspects dimensionnels Design et Performance * Évaluer la DDV des tubes échangeurs * Étudier la sensibilité des paramètres de conception sur la DDV des corps épais * Veille technologique sur les matériaux du futur Aspects fonctionnels Exploitation et Maintenance * Évaluer les outils de CND * Évaluer des solutions envisageables pour prolonger la DDV (revêtements minces ou réfractaires)

3 Contribution AMA/T65 Étudier la sensibilité des paramètres de conception et de fonctionnement sur la DDV des corps épais (collecteurs des Surchauffeurs Haute-Température) Géométrie: influence de l épaisseur des parois du collecteur Matériau: influence de la nuance des matériaux (P22 et P91) Fonctionnement: influence des transitoires thermiques Améliorer la maîtrise des critères de dimensionnement Intégration d une loi d interaction fatigue-fluage dans Code_Aster Loi élastoviscoplastique: Chaboche avec viscosité (VISC_CIN[1,2]_CHAB) Loi d endommagement avec interaction fatigue-fluage non-linéaire

4 Présentation de l étude Cas d étude: Collecteur SHT Deux conceptions étudiées Diminution épaisseur de 20%

5 Présentation de l étude Transitoire thermique retenu pour l étude Désurchauffe: -38 C/mn pendant 5mn (-190 C) 550 Température, T [ C] T C vapeur collecteur T C vapeur nipples T C vapeur nipple désurchauffée Temps [s]

6 Modèle éléments finis Loi de comportement pour le P22: VISC_CIN2_CHAB Loi d écoulement normale à un critère de Von-Misès Lois d évolution: Non-linéarité des variables d écrouissages Nombre de paramètres du modèle: 12

7 Identification de la relation VISC_CIN2_CHAB Identification pour l acier P22 Génération de courbes pseudo-expérimentales à partir du modèle d endommagement proposé par JP Sermage Identification du modèle VISC_CIN2_CHAB sur ce jeu de données Domaine d identification estimé à partir d un calcul élastoplastique: 100 MPa 0.3 % 10 6 s -1 σ 250 MPa ε 1.0 % 5 & ε 5 10 s T = 545 C -1

8 Résultats de l identification via MACR_RECAL 4 essais d écrouissage 2 essais de fluage 1 essai d écrouissage cyclique

9 Comparaison identification MACR_RECAL et Sidolo Contrainte axiale (MPa) ZOOM Contrainte axiale (MPa) Essais d'écrouissage (epsilon max = 1%) Temps (s) Temps (s) Expérience SIDOLO MACR_RECAL

10 Comparaison identification MACR_RECAL et Sidolo Jeu de paramètres retenu: SIDOLO

11 Chargement et conditions aux limites Thermique Mécanique X * Z Y Echange dans collecteur - T C vapeur Echange avec l extérieur - T=25 C Echange dans les nipples Echange dans la ninple désurchauffée * * Pression intérieur collecteur Pression intérieur nipples Conditions de symétrie Effets de fond sur tube collecteur Effets de fond sur nipples DZ = 0 DX=DY=0

12 Modèle éléments finis Modèle collecteur: 1 rangée complète de 4 nipples + ½ rangée de 4 nipples (Condition de symétrie) Z X Y Maillage Hexaèdres quadratiques 6434 éléments peaux quadratiques nœuds (42858 ddls)

13 Cartes des températures (déformée amplifiée X300) 550 Température, T [ C] Temps [s] Design d origine en fin d injection de Design «20%»

14 Contraintes de Von Misès Prédiction Contraintes Design d origine Design «20%»

15 Déformation plastique cumulée Prédiction VISC_CIN2_CHAB 1,00% 600 0,90% Déf. Plas. Cumulée, p [%] 0,80% 0,70% 0,60% 0,50% 0,40% 0,30% 0,20% 0,10% 0,00% -0,10% p Temps [s] Cycle #1 - Design 20% Cycle #1 - Design d'origine T C vapeur nipple désurchauffée Déf. Plas. Cumulée, p [%] 1,00% 0,90% 0,80% 0,70% 0,60% 0,50% 0,40% 0,30% 0,20% p TTempérature é [ C] [ C] Cycle #1 Cycle #2 Cycle #3 T C vapeur nipple désurchauffée Température [ C] 0,10% 100 0,00% -0,10% Temps [s]

16 Estimation du dommage par fatigue (Courbes de Manson-Coffin) Une diminution de 20% de l épaisseur du collecteur conduit à une augmentation de la durée de vie d environ 43%

17 Estimation du dommage par fluage Contrainte équivalente de fluage basée sur le niveau moyen des contraintes de Von Misès sur un cycle de désurchauffe Contraintes de Von-Misès σeq [MPa] Cycle#1 Cycle#2 Cycle#3 T C Vapeur nipple désurchauffée Temps [s] Température T [ C] ~ σ ~ σ ~ σ #1 eq # 2 eq # 3 eq = = = 100,86 96,83 97,43 MPa MPa MPa

18 Influence de l épaisseur de paroi sur le dommage par fatigue-fluage Loi de cumul linéaire: 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Prédictions obtenues 0 Fraction du dommage par fatigue (Nr/NF) Expérience Règle ASME Code case N-47 "Design d'origine" "Design 20%" Loi d'interaction linéaire 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Fraction du dommage par fluage (N r /N c ) Nécessité de prendre en compte l interaction fatigue-fluage

19 Conclusions Mise en place d une méthodologie de calcul de durée de vie à partir d une loi de comportement élastoviscoplastique Enrichissement de la base de données des lois de comportement disponibles dans Code_Aster : VISC_CIN2_CHAB Application de la procédure de recalage de loi de comportement (MACR_RECAL) et comparaison avec l approche SIDOLO Estimation des gains potentiellement assignables à une diminution de l épaisseur de paroi

20 Perspectives Identification de VISC_CIN2_CHAB sur une plage de température plus représentative pour l acier P22 Application de la méthodologie présentée à l étude de l influence du paramètre matériau (P91) Études de transitoires différents (fluctuations) Opportunité d intégrer une loi d endommagement continu avec un modèle d interaction fatigue-fluage non-linéaire (modèle proposé par Sermage) dans Code_Aster