Analyse de l'endommagement par fatigue/fluage des ... · ¾Améliorer les outils d’estimation de la durée de vie des composants critiques des chaudières (CC, CP, LFC) * Évaluer

Analyse de l'endommagement par fatigue/fluage des collecteurs de centrale thermique à flamme

Journée utilisateurs Code_Aster du 13 mars 2003

Projet DUrée de vie des ComposAnts du ThermiqueJanvier 2001 – Décembre 2003

Client du projet: SEPTEN


Franck MEISSONNIEREDF R&D

Département AMA/T65



Objectifs du projet DUCAT

Améliorer les outils d’estimation de la durée de vie des composants critiques des chaudières (CC, CP, LFC)

* Évaluer la DDV des tubes échangeurs

* Étudier la sensibilité des paramètres de conception sur la DDV des corps épais

* Veille technologique sur les matériaux du futur

* Évaluer les outils de CND* Évaluer des solutions

envisageables pour prolonger la DDV (revêtements minces ou réfractaires)

Aspects dimensionnelsDesign et Performance Aspects fonctionnels

Exploitation et Maintenance



Contribution AMA/T65

Étudier la sensibilité des paramètres de conception et de fonctionnement sur la DDV des corps épais (collecteurs des Surchauffeurs Haute-Température)

Géométrie: influence de l’épaisseur des parois du collecteurMatériau: influence de la nuance des matériaux (P22 et P91)Fonctionnement: influence des transitoires thermiques

Améliorer la maîtrise des critères de dimensionnementIntégration d’une loi d’interaction fatigue-fluage dans Code_Aster

✦ Loi élastoviscoplastique: Chaboche avec viscosité (VISC_CIN[1,2]_CHAB)✦ Loi d’endommagement avec interaction fatigue-fluage non-linéaire



Présentation de l’étude

Cas d’étude:Collecteur SHT

Deux conceptions étudiées

Diminution épaisseur de 20%



Présentation de l’étude

Transitoire thermique retenu pour l’étudeDésurchauffe: -38 °C/mn pendant 5mn (-190°C)

300

350

400

450

500

550

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Temps [s]

Tem

péra

ture

, T [°

C]

T°C vapeur collecteurT°C vapeur nipplesT°C vapeur nipple désurchauffée



Modèle éléments finisLoi de comportement pour le P22: VISC_CIN2_CHAB

Loi d’écoulement normale à un critère de Von-Misès

Lois d’évolution:

✦ Non-linéarité des variables d’écrouissagesNombre de paramètres du modèle: 12



Identification de la relation VISC_CIN2_CHAB

Identification pour l’acier P22Génération de courbes pseudo-expérimentales à partir du modèle d’endommagement proposé par JP SermageIdentification du modèle VISC_CIN2_CHAB sur ce jeu de donnéesDomaine d’identification estimé à partir d’un calcul élastoplastique:

CT °=⋅≤≤

≤≤−≤≤

−−

545 s105s10

% 0.1 % 3.0MPa250 MPa100

1- 51- 6 εεσ

&



Résultats de l’identification via MACR_RECAL

4 essais d’écrouissage2 essais de fluage1 essai d’écrouissage cyclique



Comparaison identification MACR_RECAL et Sidolo

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000Temps (s)

Cont

rain

te a

xial

e (M

Pa)

Essais d'écrouissage (epsilon max = 1%)

100

110

120

130

140

150

160

0 500 1000Temps (s)

Con

trai

nte

axia

le (M

Pa)

ZOOM

ExpérienceSIDOLOMACR_RECAL



Comparaison identification MACR_RECAL et Sidolo

Jeu de paramètres retenu: SIDOLO



Chargement et conditions aux limites

Echange dans collecteur - T°C vapeurEchange avec l’extérieur - T=25°CEchange dans les nipplesEchange dans la ninple désurchauffée

Z

Y

X

Pression intérieur collecteurPression intérieur nipplesConditions de symétrieEffets de fond sur tube collecteurEffets de fond sur nipplesDZ = 0DX=DY=0

**

*

Thermique Mécanique



X

Y

Z

Modèle éléments finisModèle collecteur:1 rangée complète de 4 nipples+ ½ rangée de 4 nipples(Condition de symétrie)

Maillage10930 Hexaèdres quadratiques6434 éléments peaux quadratiques14286 nœuds (42858 ddls)



Cartes des températures (déformée amplifiée X300)

… en fin d’injection de désurchauffe, @615s …

300

350

400

450

500

550

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Temps [s]

Tem

péra

ture

, T [°

C]

Design d’origine

Design « 20% »



Contraintes de Von Misès – Prédiction thermoélastique

… @615s …

Design d’origine Design « 20% »… @2000s …

Contraintes Maximales



Déformation plastique cumulée – Prédiction VISC_CIN2_CHAB

-0,10%

0,00%

0,10%

0,20%

0,30%

0,40%

0,50%

0,60%

0,70%

0,80%

0,90%

1,00%

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Temps [s]

Déf

. Pla

s. C

umul

ée, p

[%]

0

100

200

300

400

500

600

Té

[°C]Cycle #1 - Design 20%

Cycle #1 - Design d'origineT°C vapeur nipple désurchauffée

-0,10%

0,00%

0,10%

0,20%

0,30%

0,40%

0,50%

0,60%

0,70%

0,80%

0,90%

1,00%

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Temps [s]

Déf.

Plas

. Cum

ulée

, p [%

]

0

100

200

300

400

500

600

Tem

péra

ture

[°C]

Cycle #1Cycle #2Cycle #3T°C vapeur nipple désurchauffée

Tem

péra

ture

[°C

]

p’

p’’



Estimation du dommage par fatigue (Courbes de Manson-Coffin)

Une diminution de 20% de l’épaisseur du collecteur conduit à une augmentation de la durée de vie d’environ 43%



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 500 1000 1500 2000 2500

Temps [s]

Cont

rain

tes

de V

on-M

isès

σeq

[MPa

]

0

100

200

300

400

500

600

Tem

péra

ture

T [°

C]

Cycle#1Cycle#2Cycle#3T°C Vapeur nipple désurchauffée

Estimation du dommage par fluageContrainte équivalente de fluage basée sur le niveau moyen des contraintes de Von Misès sur un cycle de désurchauffe

MPa 43,97~MPa 83,96~MPa 86,100~

3#

2#

1#

=

=

=

eq

eq

eq

σ

σ

σ



Influence de l’épaisseur de paroi sur le dommage par fatigue-fluage

Loi de cumul linéaire:

Prédictions obtenues 00,20,40,60,8

11,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Fraction du dommage par fluage (Nr/Nc)F

ract

ion

du

do

mm

age

par

fa

tigu

e (N

r/NF)

ExpérienceRègle ASME Code case N-47"Design d'origine""Design 20%"Loi d'interaction linéaire

Nécessité de prendre en compte l’interaction fatigue-fluage



Conclusions

Mise en place d’une méthodologie de calcul de durée de vie à partir d’une loi de comportement élastoviscoplastiqueEnrichissement de la base de données des lois de comportement disponibles dans Code_Aster :

VISC_CIN2_CHAB Application de la procédure de recalage de loi de comportement (MACR_RECAL) et comparaison avec l’approche SIDOLOEstimation des gains potentiellement assignables à une diminution de l’épaisseur de paroi



Perspectives

Identification de VISC_CIN2_CHAB sur une plage de température plus représentative pour l’acier P22

Application de la méthodologie présentée à l’étude de l’influence du paramètre matériau (P91)

Études de transitoires différents (fluctuations)

Opportunité d’intégrer une loi d’endommagement continu avec un modèle d’interaction fatigue-fluage non-linéaire (modèle proposé par Sermage) dans Code_Aster

Documents

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