Quels sont les matériaux pour les turbines à vapeur – Définition

La plupart des centrales nucléaires exploitent un turboalternateur à arbre unique qui se compose d’une turbine HP à plusieurs étages et de trois turbines BP à plusieurs étages parallèles, d’un générateur principal et d’une excitatrice. HP Turbine est généralement une turbine à réaction à double flux avec environ 10 étages avec des pales blindées et produit environ 30 à 40% de la puissance brute de la centrale électrique. Les turbines BP sont généralement des turbines à réaction à double flux avec environ 5-8 étapes (avec des lames enveloppées et avec des lames autoportantes des 3 dernières étapes). Les turbines BP produisent environ 60 à 70 % de la puissance brute de l’unité de la centrale électrique. Chaque rotor de turbine est monté sur deux paliers, c’est-à-dire qu’il y a des paliers doubles entre chaque module de turbine. La gamme d’alliages utilisés dans les turbines à vapeur est relativement petite, en partie à cause de la nécessité d’assurer une bonne adéquation des propriétés thermiques, telles que la dilatation et la conductivité, et en partie à cause de la nécessité d’une résistance à haute température à un coût acceptable.

• Matériau pour rotors de turbine. Les rotors des turbines à vapeur sont généralement en acier faiblement allié. Le rôle des éléments d’alliage est d’ augmenter la trempabilité afin d’optimiser les propriétés mécaniques et la ténacité après traitement thermique. Les rotors ou sont tenus de gérer les conditions de vapeur les plus élevées, c’est pourquoi l’alliage le plus couramment utilisé est l’acier CrMoV.
• Matériel pour le boîtier. Les carters des turbines à vapeur sont généralement de grandes structures aux formes complexes qui doivent assurer le confinement de la pression pour la turbine à vapeur. Du fait de la taille de ces composants, leur coût impacte fortement le coût global de la turbine. Les matériaux actuellement utilisés pour les enveloppes intérieure et extérieure sont généralement des aciers CrMo faiblement alliés (par exemple l’acier 1-2CrMo). Pour des températures plus élevées, les alliages coulés 9CrMoVNb sont considérés comme adéquats en termes de résistance.
• Matériau des aubes de turbine. Pour les turbines à gaz, les aubes de turbine sont souvent le composant limitant. La température la plus élevée du cycle se produit à la fin du processus de combustion et elle est limitée par la température maximale que les aubes de turbine peuvent supporter. Comme d’habitude, des considérations métallurgiques (environ 1700 K) imposent une limite supérieure au rendement thermique. Par conséquent, les aubes de turbine utilisent souvent des matériaux exotiques comme les superalliages et de nombreuses méthodes de refroidissement différentes, telles que les canaux d’air internes, le refroidissement de la couche limite et les revêtements de barrière thermique. Le développement des superalliages dans les années 1940 et de nouvelles méthodes de traitement telles que la fusion par induction sous vide dans les années 1950 ont considérablement augmenté la capacité de température des aubes de turbine. Les aubes de turbine modernes utilisent souvent des superalliages à base de nickel qui incorporent du chrome, du cobalt et du rhénium.
• Les aubes de turbine à vapeur ne sont pas exposées à des températures aussi élevées, mais elles doivent supporter un fonctionnement avec un fluide diphasique. Une teneur élevée en gouttelettes d’eau peut provoquer un impact et une érosion rapides des pales qui se produisent lorsque de l’eau condensée est projetée sur les pales. Pour éviter cela, par exemple, des drains de condensat sont installés dans la tuyauterie de vapeur menant à la turbine. Un autre défi pour les ingénieurs est la conception des aubes du dernier étage de la turbine BP. Ces pales doivent être (en raison du volume spécifique élevé de vapeur) très longues, ce qui induit d’ énormes forces centrifuges pendant le fonctionnement. Par conséquent, les aubes de turbine sont soumises à des contraintes dues à la force centrifuge (les étages de turbine peuvent tourner à des dizaines de milliers de tours par minute (RPM), mais généralement à 1 800 tr/min) et à des forces fluides qui peuvent provoquer des ruptures, des déformations ou des défaillances par fluage.

Problèmes matériels des turbines

Ramper

Le fluage, également connu sous  le nom d’écoulement à froid, est la déformation permanente qui augmente avec le temps sous une charge ou une contrainte constante. Il résulte d’une exposition prolongée à des contraintes mécaniques externes importantes avec une limite d’élasticité et est plus sévère dans les matériaux soumis à la chaleur pendant une longue période. Le taux de déformation est fonction des propriétés du matériau, du temps d’exposition, de la température d’exposition  et de la charge structurelle appliquée. Le fluage  est un phénomène très important si nous utilisons des matériaux  à haute température. Le fluage est très important dans l’industrie de l’énergie et il est de la plus haute importance dans la conception des moteurs à réaction. Pour de nombreuses situations de fluage à durée de vie relativement courte (par exemple, aubes de turbine dans les avions militaires), le temps de rupture est la considération de conception dominante. Bien entendu, pour sa détermination, des essais de fluage doivent être menés jusqu’au point de rupture; on parle alors d’essais de rupture par fluage.

Érosion Corrosion

La corrosion par érosion est le dommage cumulatif induit par les réactions de corrosion électrochimique et les effets mécaniques du mouvement relatif entre l’électrolyte et la surface de corrosion. L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

La corrosion par érosion se trouve dans les systèmes tels que la tuyauterie, les vannes, les pompes, les buses, les échangeurs de chaleur et les turbines. L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Oxydation à la vapeur

Le comportement d’oxydation de la vapeur est directement lié à la mise en œuvre d’une production d’énergie à vapeur ultra-supercritique pour des rendements améliorés et des émissions de CO₂ réduites. Une température plus élevée signifie une efficacité plus élevée; cependant, des taux de corrosion plus élevés se produisent dans une atmosphère de vapeur lorsque des aciers ferritiques, ferrito‐martensitiques ou moyennement Cr–Ni sont utilisés.

Les matériaux qui ont été développés il y a plus de 50 à 60 ans ne sont plus actuellement adaptés aux régimes ultra-supercritiques en raison d’une faible résistance à la corrosion et de propriétés de fluage et de résistance à haute température inadéquates. Ces technologies nécessitent des aciers austénitiques avancés et des alliages à base de nickel (Ni) avec une résistance supérieure à l’oxydation à la vapeur.

Fatigue

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement fera croître la fissure d’une petite quantité, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:

• action simultanée de contraintes cycliques,
• contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
• souche plastique.

Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.

Bien que la fracture soit de type fragile, sa propagation peut prendre un certain temps, en fonction à la fois de l’intensité et de la fréquence des cycles de stress. Néanmoins, il y a très peu, voire aucun, avertissement avant la panne si la fissure n’est pas remarquée. Le nombre de cycles nécessaires pour provoquer une rupture par fatigue à une contrainte maximale particulière est généralement assez important, mais il diminue à mesure que la contrainte augmente. Pour certains aciers doux, les contraintes cycliques peuvent être poursuivies indéfiniment à condition que la contrainte maximale (parfois appelée résistance à la fatigue) soit inférieure à la valeur limite d’endurance. Le type de fatigue le plus préoccupant dans les centrales nucléaires est la fatigue thermique. La fatigue thermique peut provenir de contraintes thermiques produites par des changements cycliques de température. Les gros composants tels que le pressuriseur, la cuve du réacteur et la tuyauterie du système du réacteur sont soumis à des contraintes cycliques causées par les variations de température pendant le démarrage du réacteur, les changements de niveau de puissance et l’arrêt.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus :
Problèmes matériels