Essai d'interpétration de la fatigue thermique constatée sur un coude

L'apparition d'un écaillage de surface et de fissures importantes sur un coude d'une tuyauterie de Civaux 1 situé juste après un té de mélange a fait l'objet d'une étude réalisée avec le code Cast3M utilisant ses possibilités en mécaniques des fluides, en thermiques et en mécaniques des structures.

Apparition de fuites très tôt (1500h de fonctionnement), en sortie d'une zone de mélange, au niveau du coude. Observation d'un dommage de surface très étendu

On a voulu répondre à deux questions importantes : Comment un dommage a-t-il pu apparaître aussi rapidement ? Comment, pour certaines fissures, la propagation a-t-elle pu être aussi profonde, jusqu'à percer la tuyauterie ?

Le dommage de surface (écaillage) s'explique assez bien par les fluctuations thermiques :

• L'écart de températures entre les fluides chauds et froid en entrée est assez important jusqu'à 150°C
• Le mélange est turbulent et l'homogénéité est atteinte assez tardivement
• La structure voit successivement des passages de fluides froid et chaud

Il en résulte des déformations puis un dommage en surface de la tuyauterie.
La question à laquelle il faut répondre est : Comment des fissures traversantes peuvent-elles apparaître ?
Aujourd'hui encore, on connaît mal la véritable sollicitationde la zone de mélange du RRA civaux.

• Quelles sollicitations thermohydrauliques peuvent conduire à une fissuration profonde ?
• Est-on capable de les reproduire numériquement pour l'exemple de CIVAUX ?
• Serait-on capable de les prédire en dimensionnement ?

Aujourd'hui encore, on connaît mal la véritable sollicitation de la zone de mélange du RRA Civaux


On a suivi la démarche suivante pour aller plus loin dans l'analyse :

• Réalisation de calculs mécaniques exploratoires pour déterminer quel type de sollicitation thermique pourrait produire le chargement nécessaire à la fissuration (1D et3D)
• Réflexion parallèle sur quels pourraient être les sollicitations thermohydrauliques associées
• Développement des outils et moyens de calculs pour mettre en évidence les phénomènes qui conduisent à la rupture

• Analyse fréquentielle pour la Détermination des Dommages
• Analyse fréquentielle pour la propagation des fissures
• Réflexion sur le chargement thermohydraulique

L'analyse mécanique montre que seuls les chargements thermiques à basse fréquence peuvent conduire à une propagation conséquente.
Les vitesses d'écoulement des fluides froids et chauds lors du mélange dans le té sont telles que seule une structuration en zone chaude et zone froide avec mouvement d'ensemble peut expliquer un chargement thermique basse fréquence.

Le calcul va montrer que l'ont peut voir apparaître de telles instabilités.

Le maillage :
Le fluide est maillé par des éléménts de volume. La structure est maillée à partir de la peau externe du fluide qui est donc la surface d'échange thermique.

• Réalisation du calcul thermohydraulique
  • (Calcul VLES(Very Large Eddy Simulation) du mélange turbulent. On peut utiliser ce modèle car nous recherchons des instabilités à grande échelle
  • Introduction de perturbations à l'entrée, de fréquence élevée et de petite amplitude
  • On obtient l'évolution temporelle des températures en peau
• Réalisation du calcul thermique structure qui nous donne l'évolution temporelle des températures dans la structure
• Réalisation du calcul thermo-mécanique qui nous donne l'évolution des contraintes supportées par la structure
• Enfin un post-traitement mécanique nous permet d'estimer le dommage dans la structure

	On constate l'apparition de mouvement d'ensemble de basse fréquence (0.1Hz) et de forte amplitude( entre 20°C et 180°C)
(cliquer pour voir l'évolution au cours du temps)
Champ de températures en régime stabilisé sur l'extérieur du fluide (variant entre 20°C et 180°C)

Champ de température dans le té et le coude de sortie(variant entre 20°C et 180°C)

Variation des contraintes équivalentes de von mises en régime stabilisé dans le té et le coude de sortie(ente 3 et 300Mpa)

peau externe	peau interne	peau externe
Variation maximimum de température dans le té et le coude (de 0°C à 100°C)

Pour voir l'évolution de la contrainte de von Mises dans le coude

Pour voir l'évolution de la température dans le coude