Méthodes simplifiées de simulation numérique du soudage multipasses

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1 Méthodes simplifiées de simulation numérique du soudage multipasses Application au cas des soudures en X F. Rossillon (EDF / DIN / SEPTEN), L. Depradeux (EC2 Modélisation) JUA 19 Mars Clamart Copyright EDF Accessibilité interne

2 Contexte industriel Pour la maîtrise de la durée de vie des centrales REP, la compréhension des mécanismes potentiels de vieillissement et de dégradation des composants du circuit primaire principal (CPP) est essentielle. Parmi ces dégradations potentielles, il y a le phénomène de corrosion sous contrainte (CSC). La CSC résulte de l action conjuguée, d une contrainte mécanique en tension (résiduelle ou appliquée), d un milieu agressif vis-à-vis du matériau considéré et d un matériau sensible En milieu REP, la CSC des composants en alliage 600 à base nickel est un problème majeur. Pour améliorer la connaissance des chargements en service il est nécessaire de prendre en compte l effet des étapes de fabrication comme le soudage La simulation numérique du soudage est un outil intéressant car il permet de simuler l historique thermomécanique et ainsi améliore la connaissance des chargements. Copyright EDF Accessibilité interne I 2 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

3 Contexte technique Modélisation du soudage pratique habituelle Maquettes - Mesures Mesures thermiques, thermocouple, etc Macrographies Calibration de l apport de chaleur Défi industriel Apport de chaleur source de chaleur équivalente Température imposée Simulation multi-passes 2D / 3D Calcul thermo-mécanique Les soudures sont déjà réalisées - Pas d instrumentation dédiée (pas de mesures thermiques) - Peu de données spécifiques pour la SNS disponibles (caractéristiques disponibles jusqu'à la température de TTD) des données d entrées manquent Les composants sont de taille importante - Le soudage nécessite une description fine du phénomène - Les transitoires doivent être modélisés sur une structure 3D Problème d échelle entre un générateur de vapeur (GV - 20 m de haut, boîte à eau ~2m) et une attente de plaque (AP 70 mm de long) une modélisation 3D de soudage multi-passes sur composant n est pas envisageable dans un contexte opérationnel Copyright EDF Accessibilité interne I 3 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

4 Méthodes simplifiées Principes Copyright EDF Accessibilité interne

5 Principe Objectif: trouver une alternative plus opérationnelle au sens de l ingénieur et atteindre le bon compromis Une description physique du procédé de fabrication : une définition des champs mécaniques assez précise Un temps de calcul «raisonnable» pour permettre des analyses paramétriques et des calculs sur structure 3D, Constat : Les cycles thermo-mécaniques du soudage multi-passes sont nombreux, Il faut réduire le nombre de passes de soudage, pour réduire les temps de calcul Deux méthodes: Technique de macro-dépôts MD Choix d une nombre réduit de passes - NRP Copyright EDF Accessibilité interne I 5 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

6 Méthode des macro-dépots Principe: rassembler des passes en un bloc consititué de plusieurs passes appelé «macro-dépôt» Principe simple - définition d un modèle 3D simplifié par des macro-dépôts Pratique classique Maquettes - Mesures Mesures thermiques, thermocouple, etc Macrographies Calibration de l apport de chaleur Apport de chaleur source de chaleur équivalente Température imposée Simulation multi -passes 2D / 3D Calcul thermo-mécanique Démarche proposée Etat mécanique de référence Définition grâce à: 2 D multi-passes + Etude paramétrique Apport de chaleur des macro-dépôts 3D macro-dépôts Compense le manque de données d entrée Réduit les temps de calcul pour faire un modèle 3D Recherche d un critère objectif dans la définition de l état mécanique de référence par le choix d un jeu d indicateurs mécaniques représentatifs Copyright EDF Accessibilité interne I 6 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

7 Méthode des NRP Nombre Réduit de Passes Sur structure fine, la simulation de la dernière passe est suffisante pour reproduire le champ de contraintes résiduelles de soudage, Principe: choisir les passes essentielles pour la SNS, grâce au rayon de zone plastique généré par la dernière passe déposée Les passes incluses dans le rayon de zone plastique de la dernière passe déposée ne sont pas considérées Copyright EDF Accessibilité interne I 7 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

8 Application aux soudures en X Copyright EDF Accessibilité interne

9 Application à une soudure en X Cloison d un générateur de vapeur Plaque de partition et attente de plaque en alliage à base nickel 600 Soudage manuel à l électrode enrobée; E = 7kJ/cm Steam generator SG Cold leg Warm leg Copyright EDF Accessibilité interne I 9 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

10 Principe de calcul Calcul thermo-mécanique Equation de la chaleur T ρ. C p. div( λ. gradt ) = G t Conditions aux limites thermiques T 4 4 λ = h( T Tair ) + εσ ( T Tair ) + d( r, t) n Modèle 2D déformations planes «généralisées» Comportement élasto-plastique Von Mises écrouissage cinématique ( pas de modèle EVP - pas de transfo. de phases) Soudage AP /PP 40 passes Apport de chaleur - Flux imposé Définition de l état de référence MPa 400 MPa energy E = UI/V (J/m) Beads section S (m² 1 m) S = surface of bead section, perpendicular to the weld axis Contraintes de Von Mises Contraintes transverses Sizz Contraintes longitudinales Syy Copyright EDF Accessibilité interne I 10 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

11 Mise en oeuvre des méthodes simplifiées Méthodes des macro-dépôts Calages effectués sur les études 3D Méthode NRP Identification numérique / analytique du rayon de zone plastique Sélection des passes 2 Macro-dépôts au lieu de 40 passes 1ere séquence 2eme séquence 1ere séquence 2eme séquence Réduction de 40 passes à 7 passes Copyright EDF Accessibilité interne I 11 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

12 Dans la direction transverse au soudage Une très bonne reproduction des champs de contraintes transverses avec les deux méthodes En surface, la méthode NRP reproduit avec précision les pics de contraintes (localisation et intensité) Contraintes transverses Multi-passes Méthode NRP Méthode MD La méthode NRP prend en compte l effet de la dernière passe sur les contraintes en surface Une très bonne reproduction des champs de contraintes résiduelles de l état de référence Contrainte Stress (MPa) Transverse Multipass Multi-passes RNP Méthode method NRP MB Méthode method MD Axe Vertcial vertical axis (mm) (mm) Copyright EDF Accessibilité interne I 12 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

13 Dans la direction longitudinale Les champs sont très bien reproduits L étendue de la zone concernée par les contraintes est bien reproduit par la méthode macro-dépôt, Ceci est du à l étendue de la zone plastique En surface, les niveaux de contraintes sont très bien reproduits Contraintes longitudinales Multi-passes Méthode NRP Méthode MD 0 Contrainte Stress (MPa) (MPa) Longitudinale RNP Méthode method NRP Multipass Multi-passes MB Méthode method MD Axe Vertical vertical axis (mm) Zones plastiques Copyright EDF Accessibilité interne I 13 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

14 Profils dans l épaisseur Dans l attente de plaque Contrainte Stress (MPa) (MPa) Dans la soudure Thickness Epaisseur (mm) (mm) Transverse MMéthode MD Multi-passes RMéthode NRP Contrainte Stress (MPa) Longitudinale Méthode MD Multi-passes RMéthode NRP Thickness Epaisseur (mm) 500 Transverse 500 Contrainte Stress (MPa) (MPa) Méthode MD Multi-passes Méthode NRP Epaisseur Thickness (mm) Contrainte Stress (MPa) (MPa) Méthode MD Multi-passes Longitudinale Thickness Epaisseur (mm) (mm) Méthode NRP Copyright EDF Accessibilité interne I 14 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

15 Temps de calculs Multi-passes Méthode NRP Méthode MD Multi-passes Méthode NRP Méthode MD Contraintes transverses Contraintes longitudinales Les temps de calculs sont réduits: D un facteur 8-10 pour la méthode NRP (dépend de la taille de la soudure) D un facteur 20 pour la méthode des macro-dépôts Copyright EDF Accessibilité interne I 15 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013

16 Conclusions et perspectives Les deux méthodes simplifiées permettent une bonne reproduction du champs de contraintes résiduelles issues du soudage, La méthode des macro-dépôts: Divise les temps de calculs d un facteur 20, Est industrielle: elle a été mise en œuvre sur composant 3D et validée par des expertises Mais : Nécessite des études 2D intermédiaires pour permettre le calage de l apport de chaleur Ne prend pas en compte l effet de la dernière passe de soudage La méthode du Nombre Réduit de Passes : Divise les temps de calcul d un facteur de l ordre de 10, Est prédictive, une fois la source de chaleur définie, Prend en compte l effet de la séquence de soudage, notamment celui de la dernière passe Mais: une prévision des déformations plastiques perfectible Doit être appliquée sur d autres configurations notamment 3D (soudures en J) La méthode NRP offre de nouvelles perspectives en calcul de SNS industrielle: des modélisations 3D avec la prise en compte du déplacement de source de chaleur devient possible dans un contexte industriel, Copyright EDF Accessibilité interne I 16 I EDF - SEPTEN I Méthodes simplifiées de SNS I JUA 19/03/2013