Brevet FR2915580A1 — publié le 20081031

La présente invention concerne un procédé d'estimation d'un moment de flexion effectif sur une zone sollicitée d'une tuyauterie d'un réacteur nucléaire. Ce procédé est particulièrement utile en tant qu'outil d'assistance pour un exploitant de centrales nucléaires. Les enceintes sous pression du circuit primaire d'un réacteur nucléaire sont soumises à un ensemble règles de conception et de construction des matériels mécaniques (définies dans le code RCC-M en France) des ilots nucléaires. Le code RCC-M transcrit en règles pratiques de conception, de fabrication et de contrôle des objectifs de résistance et de qualité. L'objectif de conception est d'assurer la capacité fonctionnelle et l'intégrité des enceintes sous pression dans tous les cas de fonctionnement pendant toute la durée de vie de la centrale. La perte d'intégrité pourrait résulter de sollicitations mécaniques d'origine interne (pression, température du fluide primaire) ou externe (séisme par exemple), ces sollicitations pouvant entraîner des dommages tels qu'une déformation excessive, une fissuration par fatigue ou même une rupture brutale. Pour se prémunir de ces dommages, on s'assure, au travers de dossier de justification mécanique, que les contraintes maximales lors de tous les cas de fonctionnement restent inférieures aux contraintes maximales admissibles vis-à-vis du dommage à éviter. Ces dossiers de justification mécanique sont évidemment à réactualiser à chaque opération de maintenance telle que des opérations de maintenance du type remplacement de générateur de vapeur (RGV), remplace- ment de tronçon de branche froide (RTBF) sur la boucle primaire ou remplacement de coude primaire. En effet, l'opération de remplacement d'un composant de la boucle primaire impose des déplacements aux extrémités des branches ou tuyauteries, déplacements qui génèrent des sollicitations additionnelles. Ces sollicitations additionnelles sont à prendre en compte dans la réactualisation des dossiers de justification mécanique. Les dossiers sont également à réactualiser lors d'une augmentation de puissance. La réactualisation des dossiers de justification est étroitement liée à la stratégie de maintenance de l'exploitant de la centrale et peut entraîner des modifications des procédés d'intervention sur site pour les opérateurs en charge de la maintenance voire prolonger la durée d'arrêt de la tranche. Ces dossiers permettent également de justifier du maintien des com- posants en exploitation, de l'augmentation de durée de vie des tranches de la centrale nucléaire ou de l'augmentation de puissance. On peut associer au chargement correspondant à l'ensemble des sol-licitations, un moment de flexion. Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un procédé permettant de quantifier le moment de flexion effectif connaissant la valeur du moment de flexion calculé élastiquement. A cette fin, l'invention propose un procédé d'estimation d'un moment de flexion effectif Meff sur une zone sollicitée d'une tuyauterie d'un réacteur nucléaire, le moment de flexion effectif étant associé à une pluralité de solli- citations mécaniques, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - Entrée d'un couple de données de chargement calculé élastiquement dans la zone sollicitée et représentant respectivement un moment de flexion Mt et une pression Pt, la pression Pt représentant la pression dans la tuyauterie et le moment de flexion Mt se décomposant en une composante primaire Mp et une composante secondaire Mt, - Détermination d'une valeur f(Pt, Mt) en appliquant le couple de données de chargement Pt et Mt à une fonction f dépendant respective-ment d'une variable de pression P et d'une variable de moment M, la courbe définie par la relation f(P, M)=0 correspondant à une courbe, dite courbe de charge enveloppe, ajustée à partir d'un calcul de comportement élastoplastique dans la zone sollicitée, - Estimation du moment de flexion effectif Meff (i.e. moment qui contribue à l'équilibre des efforts) selon la règle suivante : o Si la valeur f(Pt, Mt) est négative ou nul, le moment de flexion effectif Meff est égal au moment de flexion Mt, o Si la valeur f(Pt, Mt) est strictement positive : ^ Détermination de la valeur f(Pt, Mp) en appliquant le couple de données Pt et Mp à la fonction f, ^ si la valeur f(Pt, Mp) est négative ou nulle, le moment de flexion effectif Meff est déterminé par la résolution de l'équation f(Pt, Meff) = O. ^ si la valeur f(Pt, Mp) est strictement positive, le moment de flexion effectif Meff est égal à la composante primaire Mp du moment de flexion Mt. On entend par composante primaire la fraction de la composante totale vérifiant les équations d'équilibre et dont la valeur est indépendante de la loi de comportement retenue dans les calculs (c'est le cas des sollicitations générées par la pression dans la tuyauterie) et par composante secondaire la fraction de la sollicitation totale qui peut disparaitre si l'on effectue un calcul avec une loi de comportement réaliste (autorisant l'apparition de déformations permanentes) telle qu'une sollicitation générée par un dé-placement imposé par exemple par une opération de remplacement d'un composant du réacteur nucléaire ou par l'expansion thermique. La composante secondaire est incompatible avec les déformations réelles de la structure et son existence vient de l'hypothèse d'élasticité posée dans le calcul codifié. Grâce à l'invention, on peut anticiper la valeur du moment de flexion que fournirait une analyse élastoplastique conduisant à la détermination des paramètres de la fonction f. On examine la relaxation éventuelle d'un chargement totalement élastique correspondant au moment Mt. Le moment Mt correspond à un chargement global de flexion incluant des chargements secondaires tels que celui généré par un déplacement imposé par une opération de remplacement et des chargements primaires tels que la pression ou un séisme. Le procédé selon l'invention permet, connaissant le niveau de pression dans la tuyauterie, de déterminer le moment effectif Meff au-delà duquel les chargements de déplacements imposés sont écrêtés. Cette méthode prédictive peut intervenir dans l'évaluation des chargements mécaniques à prendre en compte dans les dossiers mécaniques de justification. A titre d'exemple, on peut en tirer bénéfice dans l'étude de l'absence de déformation excessive ou d'instabilité plastique ou dans les études de stabilité de défauts. Ainsi, la méthode peut impacter positivement les points suivants : - Stratégie de maintenance : optimisation de la durée d'arrêt de tranche via un découplage entre opération de maintenance et justification mécanique (avec pour conclusion de ne pas altérer les procédés usuels d'intervention sur site) - Justification : o de la poursuite en exploitation, o de l'augmentation de durée de vie des tranches, o de l'augmentation de puissance. Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plu-sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou se- Ion toutes les combinaisons techniquement possibles : Selon un mode de réalisation préférentiel, la fonction f(P,M) est défi- nie par la relation :f(P,M) = P -\2 M -\2 Po , \ M \ o , -1, où Po et Mo sont des valeurs de référence déterminées à partir du calcul de comportement élastoplastique. Selon un mode réalisation particulier, la pluralité de sollicitations mécaniques inclut une sollicitation générée par des déplacements imposés tels que l'expansion thermique ou des opérations de remplacement de composants du réacteur nucléaire. Le composant de remplacement peut être par exemple un générateur de vapeur. Préférentiellement, la zone d'intérêt sollicitée est choisie parmi les zones suivantes : - la zone de sortie da la cuve du réacteur, - la zone d'entrée de la pompe primaire sur la branche en U reliant la pompe primaire au générateur de vapeur, - le milieu du premier coude de la branche en U suivant la zone d'entrée de la pompe primaire, - la zone d'entrée de la cuve du réacteur, - la zone de sortie de la pompe primaire. Le procédé selon l'invention comporte avantageusement une étape préalable de détermination des valeurs de Po et Mo utilisant des calculs aux éléments finis élastoplastiques en trois dimensions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente une tuyauterie branche chaude du circuit pri- maire d'un réacteur nucléaire, - la figure 2 représente une branche en U du circuit primaire d'un réacteur nucléaire, - la figure 3 représente un exemple de courbe de charge enveloppe pour illustrer le procédé selon l'invention, - la figure 4 représente un logigramme illustrant les différentes étapes du procédé de détermination des paramètres Mo et Po, - la figure 5 représente un exemple de détermination de courbe de charge enveloppe à partir de résultats de calculs élastoplastiques utilisée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. Le procédé selon l'invention a été bâti sur la base de calculs aux éléments finis élastoplastiques en trois dimensions effectués sur deux types de géométrie : - une géométrie de branche chaude (BC) 1 d'un réacteur nucléaire telle que représentée en figure 1. - une géométrie de branche en U 10 d'un réacteur nucléaire telle que représentée en figure 2. Les géométries prises en compte pour illustrer l'invention et représentées sur les figures 1 et 2 sont celles d'une boucle primaire de réacteurs du type CPY qui sont des réacteurs à trois boucles présentant une puissance de 900 MWe. On notera cependant que l'invention n'est bien entendu pas limitée à ces géométries et peut s'appliquer à tout type de réacteurs présentant des géométries similaires. Rappelons brièvement le fonctionnement du circuit primaire d'un ré-acteur nucléaire à eau sous pression. Ce circuit primaire comprend une cuve dans laquelle se trouvent des assemblages de combustible nucléaire, un générateur de vapeur (un par boucle primaire) pourvu de parties primaire et secondaire, une pompe primaire (une par boucle primaire), et un pressuriseur. La boucle primaire permet de relier la cuve, le générateur de vapeur et la pompe primaire. La boucle primaire contient de l'eau primaire, cette eau étant refoulée par la pompe vers la cuve, traversant la cuve en subissant un échauffement au contact des assemblages combustibles, puis traversant la partie primaire du générateur de vapeur avant de revenir à l'aspiration de la pompe. L'eau primaire chauffée dans la cuve cède sa chaleur dans le générateur de vapeur à une eau secondaire traversant la partie secondaire de ce générateur. La figure 1 représente un tronçon de tuyauterie 1 reliant la sortie 3 de la cuve du réacteur à l'entrée primaire 2 du générateur de vapeur du réacteur. La tuyauterie 1 est donc dite tuyauterie branche chaude (BC) car l'eau qui la traverse est constituée par de l'eau primaire ayant subi un échauffe-ment au contact des assemblages combustibles. Le tronçon de tuyauterie 1 est soudé à une tubulure 6 de la cuve du réacteur. Cette branche chaude 1 réalisée en acier inoxydable austénitique comporte un tronçon droit horizontal 4 de forme sensiblement cylindrique et un coude 5 divergent à 50 . Les principales caractéristiques géométriques de la BC 1 sont présentées ci-dessous : - Diamètre extérieur moyen du tronçon 4 : 875,2 mm, - Epaisseur moyenne du tronçon 4 : 68,5 mm, - Epaisseur moyenne du coude 5 : 73 mm, - Diamètre extérieur moyen en sortie du coude 5 : 932,4 mm, - Rayon de courbure du coude 5 : 1354 mm, - Longueur de la BC 1 après projection dans le plan horizontal : 6000 mm. La figure 2 représente une branche en U (BU) 10 reliant la sortie pri-maire 11 du générateur de vapeur à l'entrée 12 de la pompe primaire. Cette BU 10 réalisée en acier inoxydable austénitique comporte : - un premier coude 17 à 40 de liaison à la sortie primaire 11 du géné- rateur de vapeur, - Un tronçon droit vertical 13 sensiblement cylindrique, - un deuxième coude 15 à 90 , - un tronçon droit horizontal 16, - un troisième coude 14 divergent à 90 de liaison à l'entrée 12 de la pompe primaire. Le deuxième coude 15 à 90 relie le tronçon droit horizontal 16 au tronçon droit vertical 13. Les principales caractéristiques géométriques de la BU 10 sont présentées ci-dessous : - Longueur développée de la BU 10 : 7590 mm, - Epaisseur moyenne de la BU 10 : 72,8 mm, - Diamètre extérieur moyen du troisième coude 14 : 992,2 mm, - Epaisseur moyenne de l'extrados du troisième coude 14 : 77 mm, - Epaisseur moyenne de l'intrados du troisième coude 14 : 91 mm, - Diamètre extérieur moyen des tronçons droits 13 et 16 : 934, 5 mm, - Diamètre extérieur moyen des premier et deuxième coudes 17 et 15 : 928, 4 mm. On adoptera dans ce qui suit la convention suivante : le moment ap- pliqué en un point correspond à une sollicitation de la partie aval sur la partie amont. La notion amont/aval s'entend vis-à-vis du sens de circulation du fluide primaire dans la boucle représentée par la flèche F. Le procédé selon l'invention est un procédé d'estimation d'un moment de flexion effectif Meff sur une zone sollicitée d'intérêt d'une tuyauterie d'un réacteur nucléaire. Ainsi, la zone du tronçon de tuyauterie BC 1 correspondant à la sortie 3 de la cuve du réacteur constitue une zone d'intérêt car c'est la zone la plus sollicitée de la BC 1. De même, les zones du tronçon de tuyauterie BU 10 correspondant respectivement à l'entrée 12 de la pompe primaire et au milieu du troisième coude 14 sont également fortement sollicitées. Le procédé selon l'invention sera plus particulièrement décrit au regard de la figure 3. Ce procédé s'applique sur un chargement calculé totalement en élas- tique. Ce chargement est défini par un couple (Pt, Mt). Mt est le moment global de flexion correspondant à une pression Pt dans la tuyauterie analysée et incluant des chargements secondaires correspondant à des déplacements imposés tels qu'une sollicitation générée par une opération de maintenance (remplacement d'un générateur de vapeur) ou une sollicitation du type expansion thermique et de chargements primaires tels que la pression dans la tuyauterie. Le point de coordonnées (Pt, Mt) traduit un chargement totalement élastique. Le procédé selon l'invention permet, connaissant le niveau de pression Pt dans la tuyauterie, de déterminer le moment Meff, dit moment de flexion effectif, au-delà duquel les chargements de déplacements imposés sont écrêtés. Les dépouillements de calculs en trois dimensions élastoplastiques ont permis de dégager l'existence d'une courbe de charge enveloppe correspondant à la charge limite pour chaque zone d'intérêt de la boucle pri- maire. Cette courbe de charge enveloppe a pour équation : f(P, M)=0 avec une fonction f du type : (P 2 (M 2 f(P,M) = ù + - -1, avec P pression et M le moment de flexion. La courbe de charge enveloppe est valable à un endroit donné de la tuyauterie. Les valeurs de Po et Mo sont des valeurs de référence. Nous revien- drons par la suite sur la détermination des valeurs de Po et Mo. Le moment de flexion Mt peut être dissocié entre une part primaire et une part secondaire, avec les notations : Mt = Mr +Mp où Mp représente la part primaire du moment de flexion et Mt représente la part secondaire du moment de flexion. On applique ensuite les règles suivantes pour la détermination du moment effectif Meff (on a considéré deux valeurs de pression Pti et Pte, ainsi que deux moments de flexion élastiques correspondant Mt1 et Mt2, pour illustrer ces règles). Cas 1 : f(Pti, Mn) 0 On a alors Meff=Mtl. Dans ce cas, il n'y a aucune relaxation. Ce cas 1 est illustré sur la figure 3. Sans relaxation, le point de coordonnées (RI, Meff) correspond donc réellement à un comportement totalement élastique. Cas 2 : f(Pt2, Mt2) > 0 Cas 2.1 : Si f(Pt2, Mp2) Cas 2.2 : Si f(Pt2, M4'2 ) > 0 : Dans ce cas : Meff = Mp Ce cas 2.2 est illustré sur la figure 3. On observe à nouveau les deux composantes de Mt2 : Mp et Mt2 avec f(Pt2, Mp) > 0 (attention, afin de clarifier la représentation graphique, le cas 2.2 a été translaté vers la droite ; il faut évidemment lire la figure 3 comme si le cas 2.2 se trouvait au niveau de l'abscisse Pt2) 130 De façon générale, on a donc la relation : Metz = Max Min Mt; Mo 1 Le tableau 1 ci-dessous donne les valeurs de Po et Mo pour les zones 5 d'intérêt évoquées plus haut : Po (MPa) Mo (Lm) sortie 3 de la cuve 28 450 entrée 12 de la pompe 33 345 Tableau 1 10 On notera que les valeurs de Po et Mo données ci-dessus pour la sortie 3 de la cuve sont aussi valables pour les zones d'intérêt correspondant à l'entrée de la cuve et à la sortie de la pompe primaire. De même, les valeurs de Po et Mo données ci-dessus pour l'entrée 12 de la pompe primaire sont aussi valables pour la zone d'intérêt correspon-15 dant au milieu du troisième coude 14. La détermination de Po et Mo provient d'un procédé mis en oeuvre par ordinateur utilisant des calculs aux éléments finis élastoplastiques en trois dimensions effectués sur les deux types de géométrie représentées sur les figures 1 et 2 et décrites plus haut. La figure 4 représente un logigramme 20 qui illustre les principales étapes de ce procédé de détermination de Po et Mo. Les hypothèses de départ sont définies selon une étape 1 : - on part d'une géométrie définie (celle de la BC 1 ou de la BU 10), - on établit les lois de traction prises au fractile 50% associées aux ma- 25 tériaux utilisés pour les tuyauteries. Selon une étape 2, les données d'entrée du calcul aux éléments finis sont : - la géométrie de la tuyauterie considérée, Avec Mt = Mr +Mp - les matériaux définis par leurs lois de traction prises au fractile 50% et leurs caractéristiques physiques, - le chargement qui intègre (on notera que ce chargement varie en fonction du temps): o des sollicitations du type primaire telles que la pression dans la tuyauterie ou l'effet de fond (sollicitation liée à l'effet de tension globale de la boucle primaire sous pression); ces sollicitations prennent notamment en compte la simulation en pression et en température d'un transitoire de démarrage d'un réacteur (de l'arrêt à froid à la puissance nominale), o des sollicitations secondaires telles qu'une sollicitation générée par une opération de maintenance (remplacement d'un générateur de vapeur) ou une sollicitation du type expansion thermique. Selon une étape 3, on réalise ensuite un maillage en éléments tridimensionnels massifs quadratiques de chacune des branches 1 et 10 (une visualisation des maillages quadratiques respectifs des branches 1 et 10 est représentée sur les figures 1 et 2) par le biais d'un outil informatique de cal-cul adapté (Code SYSTUS par exemple). On notera qu'étant donné le type de calcul, il peut être nécessaire de discrétiser relativement finement certains points particuliers de la structure tels que les zones de raccordement entre les coudes et les tronçons droits, ceci afin de faciliter la convergence des calculs non linéaires. Selon une étape 4, on réalise ensuite une analyse thermomécanique élastoplastique sur le modèle tridimensionnel en lui appliquant l'ensemble du chargement décrit plus haut. Selon une étape 5, on en déduit les valeurs des moments de flexion en fonction du temps (comme expliqué plus haut, le chargement évolue en fonction du temps). Connaissant la courbe d'évolution de la pression avec le temps, on en déduit alors la courbe d'évolution du moment de flexion en fonction de la pression pour chaque zone sollicitée d'intérêt. Un exemple d'une telle courbe C est donné sur la figure 5. Selon une étape 6, on détermine alors les valeurs des paramètres Po et Mo de sorte que la courbe de charge enveloppe d'équation : P \2 M \2 P i \ M \ i s'ajuste au mieux à la courbe C. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. Notamment, l'invention a été plus particulièrement décrite dans le cas de deux géométries BU et BC mais on peut parfaitement mettre en oeuvre le procédé de l'invention pour d'autres zones sollicitées situées sur d'autres tuyauteries. Le fait que les géométries décrites soient celles d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée du type CPY n'est nullement limitatif. On peut ainsi utiliser l'invention pour tout type de réacteur nucléaire. De même, l'invention n'est pas limitée à des sollicitations secondaires générées par une opération de maintenance du type remplacement d'un générateur de vapeur ou de tronçon de branche froide. Ainsi, l'invention est plus généralement applicable tout type de sollicitations secondaires induisant un déplacement imposé. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent. f(P,M)= -1= 0 (représentée en pointillé sur la figure 5)20 REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation d'un moment de flexion effectif Meff sur une zone sollicitée d'une tuyauterie d'un réacteur nucléaire, le moment de flexion effectif étant associé à une pluralité de sollicitations mécaniques, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - Entrée d'un couple de données de chargement calculé élastiquement dans la zone sollicitée et représentant respectivement un moment de flexion Mt et une pression Pt, la pression Pt représentant la pression dans la tuyauterie et le moment de flexion Mt se décomposant en une composante primaire Mp et une composante secondaire Mt . - Détermination d'une valeur f(Pt, Mt) en appliquant le couple de don-nées de chargement Pt et Mt à une fonction f dépendant respective-ment d'une variable de pression P et d'une variable de moment M, la courbe définie par la relation f(P, M)=0 correspondant à une courbe, dite courbe de charge enveloppe, ajustée à partir d'un calcul de comportement élastoplastique dans la zone sollicitée, - Estimation du moment de flexion effectif Meff selon la règle suivante : o Si la valeur f(Pt, Mt) est négative ou nulle, le moment de flexion effectif Meff est égal au moment de flexion Mt, o Si la valeur f(Pt, Mt) est strictement positive : ^ Détermination de la valeur f(Pt, Mp) en appliquant le couple de données Pt et Mp à la fonction f, ^ si la valeur f(Pt, Mp) est négative ou nulle, le moment de flexion effectif Meff est déterminé par la résolution de l'équation f(Pt, Meff) = O. ^ si la valeur f(Pt, Mp) est strictement positive, le moment de flexion effectif Meff est égal à ladite composante primaire Mp du moment de flexion Mt. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la fonction f(P,M) est définie par la relation :f(P,M) = P -\2 M -\2 \ M \,P0/ o / -1, où Po et Mosont des valeurs de référence déterminées à partir du calcul de comporte-ment élastoplastique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite pluralité de sollicitations mécaniques inclut une sollicitation géné- rée par des déplacements imposés tels que l'expansion thermique ou des opérations de remplacement de composants du réacteur nucléaire. 4. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit composant de remplacement est un générateur de vapeur. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la zone d'intérêt sollicitée est choisie parmi les zones suivantes : - la zone de sortie da la cuve du réacteur, - la zone d'entrée de la pompe primaire sur la branche en U reliant la pompe primaire au générateur de vapeur, - le milieu du premier coude de ladite branche en U suivant la zone d'entrée de la pompe primaire, - la zone d'entrée de la cuve du réacteur, - la zone de sortie de la pompe primaire. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable de détermination des valeurs de Po et Mo utilisant des calculs aux éléments finis élastoplastiques en trois dimensions.