Brevet FR2545217A1 — publié le 19841102

La présente invention concerne un appareil d'essai de traction, cet appareil convenant particu- lièrement bien à l'étude du comportement mécanique de fracturation des aciers pour enceintessous pression. Des enceintes sous pression ayant d'épaisses parois d'acier nécessitent des forces très importantes pour que des fissures s'y propagent Il existe un certain nombre de moyens différents pour l'étude de la propagation des fissures dans les aciers pour enceintessous pression, l'un d'eux étant l'application d'une force de traction à une plaque plane du matériau à l'aide d'un appareil- lage hydraulique Une autre technique met en oeuvre des essais pneumatiques ou hydrauliques d'une enceinte sous pression formée du matériau nécessaire mais sous une forme rétrécie par rapport à la dimension d'enceinte sous pression pour laquelle une application de l'acier considéré peut être prise en compte, par exemple pour une enceinte sous pression d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée utilisé pour la création d'électricité. Chacun des procédés précités présente des inconvénients. Une autre possibilité est la rotation axiale d'un cylindre creux formé du matériau considéré, à une vitesse qui suffit à l'apparition d'une contrainte circu- laire proche de la limite élastique du matériau et c'est ce procédé que concerne l'appareil selon l'invention. Selon l'invention, un appareil d'étude de la propagation des fissures dans des plaques épaisses d'acier d'un matériau étudié pour son application dans des enceintes sous pression, comporte un échantillon d'essais formé d'un cylindre creux du matériau dont la paroi a une épaisseur équivalant à l'épaisseur de la plaque, le cylindre étant suspendu à une broche verticale destinée à être entraînée en rotation à une vitesse de plusieurs milliers de tours par minute, le cylindre et la broche étant amortis contre les vibrations de résonance à la flexion, un dispositif assurant le chauffage du cylindre rotatif et un dispositif étant destiné à appliquer un choc thermique au cylindre rotatif. Le dispositif de chauffage du cylindre rotatif peut comprendre un récipient dans lequel est placé le cylindre rotatif, et un dispositif de chauffage de l'inté- rieur du récipient à une température voulue. Le dispositif destiné à appliquer un choc thermique au cylindre rotatif peut comporter un dispositif destiné à diriger un fluide froid sur une surface du cylindre pendant que celui-ci est en rotation. L'ensemble de l'appareil rotatif est avantageu- sement placé dans des conditions qui assurent une protec- tion suffisante afin que le personnel ne soit aucunement en danger en cas de rupture de l'échantillon. D'autres caractéristiques et avantages d'un exemple d'appareil d'étude de la propagation des fissures dans les aciers pour enceintes sous pression selon l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une élévation latérale en coupe partielle d'un appareil selon l'invention; et la figure 2 est une élévation à plus petite échelle représentant la disposition de l'appareil dans des conditions de sécurité. On se réfèred'abord à la figure 1 des dessins qui représente un appareil d'étude de la propagation des fissures dans les aciers pour enceintes sous pression, l'appareil comprenant un arbre mené l destiné à être entraîné en rotation par un moteur convenable (voir figure 2 qui représente un moteur 25) à une vitesse angulaire de l'ordre de plusieurs milliers de tours par minute L'arbre 1 est raccordé par un accouplement universel 2 à un réducteur 3 dont la broche 4 de sortie entraîne un accouplement 5 à engrenages Le réducteur 3 est monté sur une plate-forme 6 L'accouplement 5 entraîne une broche 8 d'entraînement d'un échantillon creux, portée dans des paliers 9 de support eux-mêmes portés par une autre plate-forme 10 Un boîtier 11 ayant des ouvertures est suspendu par des tirants 12 à la plate-forme , le bottier 11 étant aussi fixé à un bras 13 monte en porte-à-faux sur une structure 14 de support formée par un bâti soudé La broche 8 pénètre dans le boîtier 11 par une ouverture 15 et l'extrémité inférieure de la broche 8 a un disque 16 de support d'échantillon qui y est fixé afin qu'il tourne avec elle Un manchon remontant 17 est aussi fixé au disque de support et il a un roulement à billes 18 qui est destiné à tourner avec lui, la bague externe du roulement 18 coopérant avec un ou plusieurs dispositifs 19 d'amortissement hydraulique destinés à amortir les vibrations de résonance à la flexion de l'échantillon et -de la broche qui tournent. Le disque 16 de support a une bague annulaire inférieure 20 qui y est suspendue par des tiges 21 formant des tirants Un échantillon portant la référence S du matériau étudié entoure les tiges 21 et est sous forme d'un cylindre creux d'acier pour enceinte sous-pression. Un tel cylindre peut être formé par une plaque épaisse pliée et soudée ou forgée sous forme cylindrique Des connexions électriques à des thermocouples et des jauges dynamométriques (non représentées) placées sur l'échantil- lon S passent par la broche 8, par l'intermédiaire du réducteur 3, jusqu'à un ensemble 7 à bague collectrice avant d'arriver aux instruments fixes de commande et d'enregistrement (non représentés) Les tiges 21 sont suffisamment serrées pour que l'échantillon soit solidaire du disque 16 et tourne avec lui à grande vitesse. Le boîtier 11 a une ouverture 22 et un registre 23 permettant la transmission d'air chaud à l'intérieur du boîtier 11, et un arrangement de jets d'eau de refroi- dissement (non représenté) remonte par une ouverture 24 de l'extrémité inférieure du boîtier 11 et par la plaque annulaire 20 de manière que de l'eau de refroidis- sement puisse venir frapper la surface interne do l'échan- tillon S L'atmosphère d'air chaud régnant dans le boîtier 11 et les jets d'eau de refroidissement dirigés à la surface interne de l'échantillon peuvent être réalisés de manière que l'échantillon soit dans la conrîticn voulue de choc thermique. Les essais de propagation de fissures sont réalisés par formation d'une fissure artificielle de dimension connue dans l'échantillon S, par entraînement en rotation de l'échantillon S à une vitesse oui crée une contrainte circulaire proche de la limite élastique du matériau, de l'air chaud étant transmis au boitier 11 de manière que la température de l'échantillon S soit proche de celle de l'enceinte sous pression d'un réacteur nucléaire en cours de fonctionnement, des jets d'eau froide étant alors introduits de manière qu'ils créent une condition voulue de choc thermique dans l'échan- tillon, cette condition pouvant être mesurée par les thermocouples, la propagation des fissures étant mesurée, d'une valeur nulle à une valeur catastrophique, par les jauges de déformation et d'autres instruments dont l'échantillon S peut être muni. On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente schématiquement une disposition destinée à assurer la sécurité du personnel Le moteur de l'appareil porte la référence 25, il est classique, il peut s'agir par exemple d'un moteur électrique, et il est placé dans un compartiment 26 occupant une enceinte 27 de béton formée au-dessous du niveau du sol comme l'indique la référence 28 Un compartiment adjacent 29 a un toit 30 de béton, une paroi 31 de béton et une base 32 de béton, commun à la base du compartiment 26 Les compartiments 26 et 29 peuvent en outre avoir un revêtement 33 de bois et les revêtements 34 de plaques d'acier et éventuel- lement une plaque 35 d'acier destinée à diviser les compartiments 26 et 29 peuvent-en outre être ajoutés. L'arbre 1, le réducteur 3, la broche rotative 8, les paliers 9, le boîtier 11 et l'appareillage associé sont logés dans le compartiment 29, le compartiment 26 étant ouvert à la partie supérieure afin qu'il donne accès au moteur. Les avantages de l'appareil rotatif d'essai de cylindre comprend d'abord le fait que des contraintes circulaires très élevées peuvent être créées dans des cylindres ayant pratiquement n'importe quelle épaisseur de paroi Les restrictions concernant les contraintes et les épaisseurs sont fixées uniquement par la vitesse maximale du moteur d'entraînement et la masse maximale qui peut être portée par les paliers de support Les forces circulaires de traction qui peuvent être créées dépassent celles qui peuvent être obtenues dans les plus grandes machines hydrauliques d'essai Ensuite, la répartition des contraintes dans l'épaisseur de l'échan- tillon est approximativement celle qui existe dans la paroi d'une enceinte sous pression, avec seulement l'ab- sence du caractère biaxial, ceci n'étant pas important pour l'affaissement plastique ou la perturbation des fissures Ensuite, les chocsthermiques peuvent être facilement créés dans l'échantillon, avec des coefficients de transfert de chaleur très élevés, comme dans une enceinte sous pression de réacteur à eau pressurisée, en cas de refroidissement d'urgence, et enfin le coût de l'appareil d'essai est modeste par rapport à celui d'un appareillage hydraulique asservi. REVENDICATIONS 1 Appareil d'étude de la propagation dcos fissures dans les plaques épaisses d'acier d'un matériau étudié pour des applications dans des enceintes sous pression, caractérisé en ce que l'échantillon éprouvé (S) est sous forme d'un cylindre creux du matériau, avec une épaisseur de paroi équivalant à celle de la plaque, le cylindre étant suspendu à une broche verticale ( 8) destinée à être entraînée à une vitesse de plusieurs milliers de tours par minute, le cylindre (S) et la broche ( 8) étant amortis contre les vibrations de résonance à la flexion, un dispositif étant destiné à chauffer le cylindre rotatif et un dispositif étant destiné à appliquer un choc thermique au cylindre rotatif. 2 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif de chauffage du cylindre rotatif comprend un récipient ( 11) dans lequel est placé le cylindre rotatif (S), et un dispositif de chauffage de l'intérieur du récipient à une température voulue. 3 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le dispositif de chauffage comprend de l'air chauffé placé dans le récipient. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif destiné à appliquer un choc thermique au cylindre rotatif comprend un dispositif destiné à diriger un fluide froid à la surface du cylindre pendant que celui-ci tourne. Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le fluide froid est dirigé à la surface interne du cylindre rotatif (S). 6 Appareil selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la broche verticale ( 8) est creuse, et les connexions électriques rejoignant l'appareillage de contrôle placé sur le cylindre passent dans la broche creuse ( 8) et rejoignent un ensemble à bague collectrice ( 7) dont partent des fils rejoignant les instruments fixes de commande et d'enregistrement. 7 Appareil selon l'une quelconque des re\'endi- catiorns précédentes, caractéris 6 en ce qu'il est pil acc dans des conditions qui assurent une protection suffisante afin que le personnel ne coure pas de risque en cas de rupture du cylindre rotatif (S).