Qu’est-ce que la fatigue thermique – Définition

Fatigue thermique

La fatigue thermique est un type spécifique de mécanisme de rupture par fatigue induit par des contraintes cycliques (dilatation et contraction thermiques) dues à des fluctuations répétitives de la température (chauffage et refroidissement) de l’équipement. Ce type de fatigue est très important notamment dans l’ingénierie énergétique, l’aéronautique et l’ingénierie automobile.

Contraintes thermiques apparaissent dans les matériaux lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Les contraintes thermiques affectent le fonctionnement des installations, à la fois en raison des composants importants soumis à des contraintes et parce qu’elles sont affectées par le mode d’exploitation de l’installation. Lors du refroidissement, des contraintes de traction résiduelles sont produites si le métal est empêché de se déplacer (se contracter) librement. Les fissures de fatigue peuvent s’amorcer et se développer au fur et à mesure que le cycle se poursuit. Les concentrations de contraintes peuvent être réduites grâce à des modifications de conception appropriées qui tiennent compte de la dilatation et de la contraction thermiques. Par exemple, les boucles de dilatation et les soufflets dans les systèmes de tuyauterie et de tubes à température élevée tirent parti de ce principe. Dans les centrales nucléaires, les limites des taux de chauffage et de refroidissement sont basées sur l’impact sur la durée de vie future de la centrale en fatigue. Les limites d’échauffement et de refroidissement garantissent que l’installation s la durée de vie en fatigue est égale ou supérieure à la durée de vie opérationnelle de la centrale. De plus, les modifications de conception de l’usine incluent par exemple le chauffage des réservoirs d’eau ou des puisards du système de refroidissement d’urgence du cœur (ECCS) afin de réduire la différence de température entre l’eau injectée et le matériau de la RPV.

Dans les centrales nucléaires, les exigences fondamentales lors de la conception et de la fabrication pour éviter la rupture par fatigue sont différentes selon les cas.

• Pressuriseur. La pression dans le circuit primaire des REP est maintenue par un pressuriseur, une cuve séparée qui est reliée au circuit primaire (branche chaude) et partiellement remplie d’eau qui est chauffée à la température de saturation (point d’ébullition) pour la pression souhaitée par des circuits électriques immergés. radiateurs. Pour un pressuriseur, les variations de charge sont assez faibles, mais la fréquence de cycle est élevée. Par conséquent, un acier de haute résistance à la fatigue et de haute résistance ultime à la traction est souhaitable.
• Cuve sous pression du réacteur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité et toutes les surfaces qui entrent en contact avec le liquide de refroidissement du réacteur sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion. La cuve et les tuyauteries du réacteur sont en revanche soumises à de fortes variations de charge, mais la fréquence des cycles est faible ; par conséquent, une ductilité élevée est la principale exigence pour l’acier. Les manchons thermiques sont utilisés dans certains cas, tels que les buses de pulvérisation et les lignes de surtension, pour minimiser les contraintes thermiques. Les limites de taux d’échauffement et de refroidissement sont basées sur l’impact sur la durée de vie future de la centrale en fatigue. Les limites d’échauffement et de refroidissement garantissent que la durée de vie en fatigue de la centrale est égale ou supérieure à la durée de vie opérationnelle de la centrale. De plus, les modifications de conception de l’usine incluent par exemple le chauffage des réservoirs d’eau ou des puisards du système de refroidissement d’urgence du cœur (ECCS) afin de réduire la différence de température entre l’eau injectée et le matériau de la RPV.
• Tuyauterie primaire. La plupart des défaillances de fatigue mécanique dans les tuyauteries sont le résultat de vibrations qui ne sont pas rares. Pratiquement tous les systèmes de tuyauterie contenant un fluide en circulation présentent un certain degré de vibration. La cause de la vibration peut différer. Les pulsations de pression et les mouvements des équipements rotatifs attachés sont parmi les causes les plus courantes de vibrations dans les systèmes de tuyauterie.
• Générateurs de vapeur. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’ alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans le cœur d’un réacteur nucléaire. Chaque générateur de vapeur peut contenir entre 3 000 et 16 000 tubes, chacun d’environ 19 mm de diamètre. En cas de panne de l’alimentation en eau d’alimentation du générateur de vapeur pour une raison quelconque, des mesures d’urgence doivent être prises rapidement et cela se fait par un système d’introduction d’eau froide dans le boîtier du générateur de vapeur pour empêcher le faisceau tubulaire et la plaque tubulaire de surchauffer dangereusement. Pour éviter un choc thermique important, en particulier sur la plaque tubulaire En cas de panne de l’alimentation en eau du générateur de vapeur pour une raison quelconque, le système d’alimentation en eau de secours déclenche son action et introduit de l’eau froide dans le générateur de vapeur pour empêcher le faisceau tubulaire et la plaque tubulaire de surchauffer dangereusement . Ceci provoque des contraintes importantes notamment sur la plaque tubulaire.

Bien que la cause principale du phénomène de rupture par fatigue ne soit pas bien connue, elle résulterait de la formation initiale d’une petite fissure résultant d’un défaut ou d’un glissement microscopique des grains métalliques. La fissure se propage lentement d’abord puis plus rapidement lorsque la contrainte locale augmente du fait d’une diminution de la section portante. Le métal se fracture alors. Rupture par fatigue peut être initié par des fissures et des entailles microscopiques, et même par des marques de meulage et d’usinage sur la surface; par conséquent, de tels défauts doivent être évités dans les matériaux soumis à des contraintes (ou déformations) cycliques. Les opérations de la centrale sont effectuées de manière contrôlée pour atténuer les effets du stress cyclique. Les limitations de chauffage et de refroidissement, les limitations de pression et les courbes de fonctionnement de la pompe sont toutes utilisées pour minimiser les contraintes cycliques.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.

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:
Fatigue