Brevet FR2849952A1 — publié le 20040716

L'invention concerne des centrales nucléaires de production d'énergie, et plus particulièrement un agencement de pénétration de buses pour une tête de fermeture de cuve sous pression de réacteur nucléaire, 5 telle que la pénétration de buses de tubes de guidage d'un mécanisme d'entraînement de barres de commande (CRDM) et des procédés pour leur réalisation. Un réacteur nucléaire à eau sous pression (PWR) comprend une cuve inférieure de réacteur pourvue d'un coeur 10 de réacteur et un ensemble supérieur de barres de commande dont une partie peut être descendue dans la cuve du réacteur pour commander la vitesse de réaction du réacteur nucléaire. L'ensemble de barres de commande contient de multiples buses verticales qui pénètrent dans le couvercle 15 supérieur de la cuve, ou tête de fermeture, et loge des prolongements d'une barre de commande, qui peuvent être élevées ou abaissées par un mécanisme d'entraînement des barres de commande ("CRDM"), lequel fonctionne généralement au moyen d'une certaine combinaison de moteurs ou 20 actionneurs électriques, électromécaniques, hydrauliques ou pneumatiques. On peut se référer, pour d'autres détails de la conception et du fonctionnement de réacteurs à eau sous pression, aux chapitres 47 et 50 de Steam/its generation and use, 40e édition, Stulz and Kitto, Eds., Copyright 25 01992, The Babcock & Wilcox Company, dont le texte est incorporé ici à titre de référence. Comme montré sur la figure 1 des dessins annexés et décrits ci-après, des conceptions pour un ensemble 5 à tête de fermeture pour réacteur nucléaire à eau sous pression 30 actuellement utilisé dans toute l'industrie, comprennent une bride 10 de tête de réacteur qui entoure une tête de fermeture 20 avec laquelle elle peut être formée d'une seule pièce, cette tête formant une limite de pression en forme de dôme hémisphérique. Des tubes de guidage 30 d'un 35 mécanisme d'entraînement de barres de commande (CRDM), également appelés logement de CRDM, buses de CRDM, logement de mécanisme ou buses du mécanisme d'entraînement des éléments de commande (CEDM), passent à travers la tête 20 de fermeture à laquelle ils sont fixés. Une bride ou un adaptateur 40 en acier inoxydable est situé à l'extrémité 5 supérieure de la fixation de tube de guidage 30 de chaque mécanisme CRDM ou CEDM, au moyen d'une soudure 70 à pénétration complète montrée sur la figure 2. Un ensemble 5 à tête de fermeture de réacteur de type PWR est une structure grande et lourde, ayant habituellement un 10 diamètre d'environ 5,10 mètres et pesant environ 90 tonnes, et elle comprend entre 30 et 100 tubes de guidage 30 de CRDM. En référence à la figure 2 des dessins annexés décrits ci-après, un tube de guidage 30 est fabriqué séparément de 15 la tête 20 de fermeture, puis mis en place dans un alésage 22 s'étendant à travers la tête 20 de fermeture depuis une surface intérieure convexe 24 jusqu'à une surface extérieure concave 26. Comme montré sur la figure 2, le tube de guidage 30 fait saillie au-delà de la surface 20 intérieure 24 et de la surface extérieure 26. La tête 20 de fermeture est habituellement fabriquée en acier faiblement allié et est pourvue d'un revêtement 80 résistant à la corrosion, tel que de l'acier inoxydable 308/309, à la surface intérieure 24. Le tube de guidage 30 est fixé à la tête 20 de fermeture par soudage du tube de guidage 30 à la tête 20 de fermeture avec une soudure 50 à pénétration partielle, appelée soudure à gorge en "J". Le tube de guidage 30 est habituellement fabriqué en alliage Inconel 600 ou en 30 alliage Inconel 690, auquel cas la soudure 50 est réalisé en utilisant des substances consommables pour le soudage de l'Inconel. La soudure 50 à gorge en J à pénétration partielle est réalisée entre le tube de guidage 0 et un profil 52 de préparation de soudure à gorge en J formé à la 35 surface intérieure 24 et habituellement recouvert d'une surcouche d'inconel préalablement traitée thermiquement, ce qui est connu sous le nom de beurrage 60 de la gorge en J. Le beurrage 60 de la gorge en J préalablement traité thermiquement permet de souder le tube de guidage 30 au beurrage 60 sans traitement thermique subséquent de la soudure 50 de fixation à gorge en J. La soudure 50 de fixation à gorge en J et le tube de guidage 30 associé subissent une dégradation limitant la durée de vie au voisinage de la région de fixation à la gorge en J, attribuée à une fissuration par corrosion sous 10 contrainte (SCC). Ceci obligeait à réparer, remplacer ou contrôler la soudure 50 à gorge en J en Inconel et les tubes de guidage 30. Cette dégradation est devenue un problème commercial et de sécurité pour toutes les centrales PWR en activité. Un ensemble à tête de fermeture 15 de réacteur qui éliminerait les soudures de fixation à gorge en J entre les tubes de guidage et la surface intérieure de la tête 20 de fermeture du réacteur serait bienvenu dans l'industrie. L'invention a trait à un procédé et un appareil pour 20 éliminer le mécanisme de dégradation classé en tant que fissuration par corrosion sous contrainte sur la soudure à gorge en "J", et elle élimine par conséquent l'inspection et la réparation possible des soudures à gorge en "J" comme elles ont lieu communément dans de nombreuses centrales 25 PWR. Un objet de l'invention est donc de minimiser la fissuration par corrosion sous contrainte d'un ensemble à tête de fermeture d'un réacteur. Un autre objet de l'invention est d'éliminer les 30 soudures de buse exposées au flux de refroidissement du réacteur. Dans une forme de réalisation, l'invention concerne un ensemble à tête de fermeture pour une cuve sous pression de réacteur. L'ensemble comprend une tête de fermeture qui 35 présente une surface intérieure concave et une surface extérieure convexe et est formée d'une première matière. L'ensemble comporte plusieurs buses réalisées d'une seule pièce avec la tête de fermeture. Chaque buse se termine par un bout de buse et est parcourue par un alésage définissant une surface d'alésage s'étendant de la surface intérieure 5 de la tête de fermeture jusqu'au bout de la buse. Une seconde matière résistant à la corrosion est établie à proximité immédiate de chaque surface d'alésage. Dans une autre forme de réalisation, l'invention concerne un ensemble à tête de fermeture pour une cuve sous 10 pression de réacteur. L'ensemble comprend une tête de fermeture qui est formée d'une première matière et présente une surface intérieur concave et une surface extérieure convexe. La surface intérieure de la tête de fermeture est revêtue d'une seconde matière résistant à la corrosion. 15 L'ensemble comprend aussi plusieurs buses de tubes de guidage de barres de commande. Chaque buse est réalisée d'une seule pièce avec la tête de fermeture et se termine par un bout de buse. Chaque buse est également parcourue par un alésage définissant une surface d'alésage s'étendant 20 de la surface intérieure de la tête de fermeture jusqu'à un bout de buse. Une bride de tube de guidage de barre de commande est fixée à chaque bout extrême de buse avec un beurrage de soudure entre eux. Une troisième matière résistant à la corrosion est établie à proximité immédiate 25 des surfaces d'alésage. Dans une autre forme de réalisation encore, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un ensemble à tête de fermeture de réacteur. L'ensemble comporte une tête de fermeture de réacteur ayant plusieurs 30 buses agencées sur le pourtour de la tête de fermeture. Chaque buse est réalisée d'une pièce avec la tête de fermeture et est parcourue par un alésage. Les alésages des buses situées le plus à l'extérieur définissent une longueur d'alésage maximale. Le procédé comprend la 35 réalisation d'une pièce forgée en forme de dôme ayant une surface concave et une épaisseur plus grande que la longueur d'alésage maximale. Plusieurs saillies de buse sont usinées dans la pièce forgée et plusieurs alésages associés sont formés à travers elles. Chaque alésage présente une surface d'alésage s'étendant depuis la surface concave et se terminant dans un bout de buse. Dans une autre forme de réalisation encore, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un ensemble à tête de fermeture de réacteur. L'ensemble comporte une tête de fermeture de réacteur ayant plusieurs 10 buses agencées sur le pourtour de la tête de fermeture. Chaque buse est réalisée d'une seule pièce avec la tête de fermeture et est parcourue par un alésage. Les alésages des buses situées le plus à l'extérieur définissent une longueur d'alésage maximale. Le procédé comprend 15 l'utilisation d'une pièce forgée en forme de dôme ayant une surface concave et une épaisseur supérieure à la longueur d'alésage maximale. Plusieurs saillies de buse sont usinées dans la pièce forgée et plusieurs alésages associés sont formés à travers elles. Chaque alésage présente une surface 20 d'alésage s'étendant depuis la surface concave et se terminant dans un bout de buse. La surface concave est revêtue d'une couche résistant à la corrosion, un beurrage de soudure est appliqué aux bouts des buses et la pièce forgée, comprenant la couche résistant à la corrosion et le 25 beurrage de soudure, est traitée thermiquement. Une bride de tube de guidage de barre de commande est fixée à chaque bout de buse à proximité immédiate du beurrage de soudure. Une couche protectrice est établie à proximité immédiate de chaque surface d'alésage. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins, sur lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur les diverses figures, annexés à titre d'exemple et sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale 35 schématique d'un ensemble à tête de fermeture de cuve sous pression de réacteur connu; la figure 2 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie d'un agencement de pénétration de buse utilisé dans un ensemble à tête de fermeture de cuve connu; la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une pièce 5 forgée utilisée dans la fabrication de l'agencement de pénétration de buse de la présente invention; et la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un agencement de pénétration de buse selon l'invention. L'invention a trait à la dégradation observée dans 10 l'art antérieur, en éliminant la soudure 50 de fixation à gorge en "J" qui engendre des contraintes résiduelles nuisibles. L'invention élimine en outre le tube séparé de guidage 30 en Inconel qui, avec la matière consommable de la soudure à gorge en "J" pour Inconel, est une matière 15 susceptible d'une dégradation par fissuration par corrosion sous contrainte. En référence aux figures 3 et 4, l'invention propose un ensemble 105 à tête de fermeture ayant des buses 130 de tubes de guidage qui sont réalisées d'une seule pièce avec 20 une tête de fermeture 120 d'un réacteur, éliminant ainsi à la fois les tubes de guidage mis en place séparément et les soudures de fixation associées. Comme montré sur la figure 3, une pièce forgée 100 en forme de dôme, retenant la pression de la tête d'un réacteur et présentant une surface 25 intérieure concave 24, est traitée de façon à avoir une épaisseur supplémentaire 102, égale ou supérieure à la hauteur de buse souhaitée. Ceci permet l'usinage de saillies de buses formées en tant que partie intégrale de la tête forgée de fermeture 120 du réacteur en forme de 30 dôme. Une surface extérieure concave 26 est formée en tant que partie du processus d'usinage. Un alésage 132 est formé à travers chaque saillie de buse pour former une buse intégrée 130 de tube de guidage qui s'étend au-delà de la surface extérieure 26 et se termine par un bout 136 de 35 buse. L'alésage 132 présente une surface d'alésage 122 s'étendant depuis une surface intérieure 124 jusqu'au bout 136 de buse. Cette forme forgée complexe est traitée thermiquement conformément aux exigences de la matière forgée, si nécessaire. Comme montré sur la figure 4, la surface intérieure 24 5 de la tête de fermeture 120 du réacteur est revêtue d'une couche 80 de revêtement résistant à la corrosion en matières consommables de soudure, telles que des aciers inoxydables 308 et 309 ou un alliage nickel-chrome analogue à un alliage du type Inconel, appliquée en utilisant des 10 procédés de revêtement de soudure connus dans la technique. La couche de revêtement 80 protège la tête de fermeture 120 forgée en acier au carbone ou faiblement allié contre le fluide de refroidissement boraté du réacteur. Un beurrage 90 de soudure de buse est appliqué aux 15 bouts 136 des buses intégrées aux tubes de guidage en utilisant une matière consommable inoxydable ou du type Inconel. L'ensemble à tête de fermeture 105 partiellement achevé, comprenant la tête de fermeture 120 du réacteur, la couche de revêtement 80 sur la surface intérieure 24 et le 20 beurrage de soudure 90 de buse aux extrémités de sécurité des buses intégrées 130 des tubes de guidage, est ensuite traité thermiquement conformément aux exigences du code ASME. Une bride ou un adaptateur 40 de tube de guidage 30 25 est ensuite fixé à chaque buse de tube de guidage 30 intégré au moyen d'une soudure 70 à pénétration complète au bout extrême 136 adjacent au beurrage 90 de soudure de la buse. Cette soudure de fixation peut être réalisée en suivant le traitement thermique du code ASME précité et n'a 30 avantageusement pas besoin d'autres traitements thermiques après le soudage. La surface 134 de l'alésage de la buse intégrée 130 de tube de guidage 30 est ensuite recouverte d'une couche protectrice 180, conçue pour protéger la matière de la 35 pièce forgée en acier au carbone ou faiblement allié contre le fluide de refroidissement du réacteur. La couche protectrice 180 est appliquée à la surface 122 de l'alésage, s'étendant depuis la couche de revêtement 80 sur la surface intérieure 24 jusqu'à la soudure 70 à pénétration complète. La couche protectrice 180 peut être 5 appliquée par des procédés faisant appel à un chauffage, par exemple par des procédés de revêtement de soudure connus dans la technique, qui nécessitent ensuite un traitement thermique après le soudage. Cependant, la couche protectrice 180 est avantageusement appliquée sans 10 chauffage, par exemple par dépôt électrochimique, éliminant ainsi la nécessité d'un traitement thermique après le soudage. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 5 352 266, N0 5 433 797, N 5 516 415, No 5 527 445 et N' 5 538 615 décrivent un procédé d'électrodéposition à 15 impulsions qui convient à cet effet, et ils sont incorporés ici à titre de référence. Ce processus d'électrodéposition à impulsions peut être utilisé pour déposer, par exemple, une couche métallique protectrice de 0,5 mm d'épaisseur, telle que du nickel, sur la surface 122 de l'alésage. 20 D'autres matières appropriées pour la couche protectrice comprennent de l'acier inoxydable, des alliages à base de nickel et des alliages de nickel- chrome, tels que l'Inconel. En variante, la couche protectrice 180 pourrait être 25 établie par l'introduction d'un manchon en matière résistant à la corrosion dans l'alésage 132 afin qu'il soit adjacent à la surface 122 de l'alésage. Par exemple, un manchon en matière résistant à la corrosion ayant un diamètre légèrement supérieur à celui de l'alésage 132 est 30 refroidi afin que le diamètre du manchon soit réduit, par exemple en étant exposé à de l'azote liquide, et le manchon est introduit dans l'alésage 132. Le manchon se dilate en revenant à la température ambiante, formant ainsi un ajustement par dilatation avec la surface 122 de l'alésage. 35 D'autres moyens pour établir une couche de protection 180 à l'aide d'un manchon sont également possibles. Le manchon peut être lié ou non à la surface 122 de l'alésage. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble à tête de fermeture et au procédé décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble à tête de fermeture pour une cuve sous pression de réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte une tête (120) de fermeture ayant une surface intérieure 5 concave (24) est une surface extérieure convexe (26), la tête de fermeture étant formée d'une première matière; plusieurs buses (130) réalisées d'une seule pièce avec la tête de fermeture, chaque buse se terminant par un bout (136) de buse et étant parcourue par un alésage (132) 10 définissant une surface d'alésage (122) s'étendant depuis la surface intérieure de la tête de fermeture jusqu'à un bout (136) de buse; et une deuxième matière (180) résistant à la corrosion établie de façon à être adjacente à chaque surface d'alésage. 2. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième matière résistant à la corrosion est mise en place sans chauffage. 3. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième matière 20 résistant à la corrosion est appliquée par dépôt électrochimique. 4. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième matière résistant à la corrosion est appliquée par introduction 25 d'un manchon afin qu'il soit adjacent à chaque surface d'alésage. 5. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse est une buse de tube de guidage (30) de barre de commande. 6. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un beurrage (90) de soudure est appliqué aux bouts des buses. 7. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre 35 une troisième matière (80) résistant à la corrosion appliquée à la surface intérieure de la tête de fermeture. il 8. Ensemble à tête de fermeture pour une cuve sous pression de réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte une tête de fermeture (120) ayant une surface intérieure concave (24) et une surface extérieure convexe (26), la 5 tête de fermeture étant formée d'une première matière et sa surface intérieure étant revêtue d'une deuxième matière (80) résistant à la corrosion; plusieurs buses (130) de tube de guidage (30) de barre de commande, chaque buse étant réalisée d'une seule pièce avec la tête de fermeture 10 et se terminant par un bout (136) de buse, chaque buse étant en outre parcourue par un alésage (132) définissant une surface d'alésage (122) s'étendant depuis la surface intérieure de la tête de fermeture jusqu'à un bout de buse; une bride (40) de tube de guidage (30) de barre de 15 commande fixée à chaque bout d'extrémité de buse avec un beurrage (90) de soudure entre eux; et une troisième matière (180) résistant à la corrosion appliquée de façon à être adjacente aux surfaces des alésages. 9. Ensemble à tête de fermeture selon la 20 revendication 8, caractérisé en ce que la troisième matière résistant à la corrosion est établie par dépôt électrochimique afin d'être adjacente aux surfaces des alésages. 10. Ensemble à tête de fermeture selon la 25 revendication 8, caractérisé en ce que la troisième matière résistant à la corrosion comprend un manchon adjacent à chaque surface d'alésage. 11. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première matière 30 est choisie entre un acier au carbone et un acier faiblement allié. 12. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième matière est choisie entre un acier inoxydable et un alliage nickel35 chrome. 13. Ensemble à tête de fermeture selon la revendication 8, caractérisé en ce que la troisième matière est choisie entre de l'acier inoxydable, du nickel, des alliages à base de nickel et des alliages nickel-chrome. 14. Procédé de réalisation d'un ensemble (105) à tête de fermeture de réacteur, l'ensemble ayant une tête de fermeture (120) de réacteur pourvue de plusieurs buses (130) agencées sur le pourtour de la tête de fermeture, chaque buse étant réalisée d'une seule pièce avec la tête 10 de fermeture et étant parcourue par un alésage (132), les alésages des buses situées le plus à l'extérieur définissant une longueur d'alésage maximale, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: l'utilisation d'une pièce forgée (100) en forme de 15 dôme ayant une surface concave (24) et une épaisseur (102) supérieure à la longueur d'alésage maximale; et l'usinage de plusieurs saillies de buses dans la pièce forgée et la formation de plusieurs alésages associés (132) les parcourant, chaque alésage ayant une surface d'alésage 20 (122) s'étendant depuis la surface concave et se terminant dans un bout (136) de buse. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le traitement thermique de la pièce forgée. 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'établissement d'une couche protectrice (180) adjacente à chaque surface d'alésage. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'une couche 30 protectrice (180) à chaque surface d'alésage, sans chauffage. 18. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'une couche protectrice (180) à chaque surface d'alésage par dépôt 35 électrochimique. 19. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'une couche protectrice par l'introduction d'un manchon adjacent à chaque surface d'alésage. 20. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le revêtement de la surface concave avec une couche (80) résistant à la corrosion. 21. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'un beurrage de 10 soudure (90) aux bouts des buses. 22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement thermique de la pièce forgée, de la couche résistant à la corrosion et du beurrage de soudure. 23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la fixation d'une bride (40) de tube de guidage 30 de barre de commande à chaque bout de buse, à proximité immédiate du beurrage de soudure. 24. Procédé de réalisation d'un ensemble (105) à tête 20 de fermeture de réacteur, l'ensemble ayant une tête de fermeture (120) de réacteur pourvue de plusieurs buses (130) agencées sur le pourtour de la tête de fermeture, chaque buse étant réalisée d'une seule pièce avec la tête de fermeture et étant parcourue par un alésage (132), les 25 alésages des buses situées le plus à l'extérieur définissant une longueur d'alésage maximale, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: l'utilisation d'une pièce forgée (100) en forme de dôme ayant une surface concave (24) et une épaisseur (102) 30 supérieure à la longueur d'alésage maximale; l'usinage de plusieurs saillies de buses dans la pièce forgée et la formation d'un nombre associé d'alésages (132) les parcourant, chaque alésage ayant une surface d'alésage (122) s'étendant depuis la surface concave et se terminant 35 dans un bout (136) de buse; le revêtement de la surface concave avec une couche (80) résistant à la corrosion; l'application d'un beurrage (90) de soudure aux bouts des buses; le traitement thermique de la pièce forgée, de la couche résistant à la corrosion et du beurrage de soudure; la fixation d'une bride (40) de tube de guidage 30 de barre de commande à chaque bout de buse à proximité immédiate du beurrage de soudure; et l'établissement d'une couche protectrice (180) adjacente à chaque surface d'alésage. 25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'une couche protectrice (180) à chaque surface d'alésage, sans 15 chauffage. 26. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'application d'une couche protectrice (180) à chaque surface d'alésage par dépôt électrochimique. 27. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'établissement de la couche protectrice par l'introduction d'un manchon adjacent à chaque surface d'alésage. 28. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en 25 ce qu'il comprend en outre le traitement thermique de la pièce forgée.