areva np - sf2m.fr thermo méca ja le duff... · high cycle thermal fatigue issues in pwr nuclear...
TRANSCRIPT
AREVA NP SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 2007
Comportement en fatigue oligocyclique des aciers inoxydables austénitiques en milieu eau primaire REP
Low cycle fatigue behaviour of austenitic stainless steels in Pressurized Water Reactor environment
Olivier CALONNE
Jean Alain LE DUFF, André LEFRANCOISAREVA NP Engineering Division – Materials, Technology & Chemistry Department
Jean Philippe VERNOT, Dominique MARTINAREVA NP Technical Center - Fluids & Structural Mechanics Department
AREVA NP Technical Center - Corrosion Department
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20073 3AREVA NP
Rappel concernant les courbes de conception en fatigue des composants de réacteurs
La conception en fatigue d’un composant REP impose de vérifier l’absence d’amorçage de fissure pour 40 ans ou 60 ans,La démonstration est basée sur des calculs de facteurs d’usages (f.u. < 1) selon des méthodologies codifiées (ASME et RCC-M)Le nombre de transitoires acceptables pour un composant est obtenu en utilisant des courbes S – N de conception codifiées Origine des courbes de conception en fatigue codifiées:
Courbes S-N moyennes en air (criteria ASME III, 1969):Essais en air sur petites éprouvettes polies à déformation imposéeCourbes de fatigue moyennes établies en termes d’amplitudes de déformation « εa » en fonction de NR εa = A NR
- 0,5 + B
Facteurs 2 et 20 pour une transposition éprouvette / composantFacteur 20 sur NR égal au produit de 3 sous facteurs:
- Dispersion des données (écart maximum/moyenne) 2.0- Effet d’échelle entre éprouvette et composant 2.5- Effets d’état de surface, d’atmosphère, etc. 4.0
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20074 4AREVA NP
Courbe de conception en fatigue des composants en acier inoxydable austénitique
(Ncycles / 20)
(εa / 2)
Transposition des résultats d’essais de fatigue oligocyclique obtenus en air sur éprouvettes de laboratoire au cas des composants (ASME III,1969)
Applications des facteurs 20 sur le nombre de cycles et 2 sur l’amplitude de déformation
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20075 5AREVA NP
Effet d’environnement en fatigue oligocycliqueNombreux essais de fatigue oligocyclique au Japon (IHI,MHI) et aux USA (ANL) en milieu eau à haute température depuis:
~ 25 ans pour les aciers au C-Mn et faiblement alliés,~ 10 ans pour les aciers inoxydables austénitiques.
Essais réalisés sur éprouvettes polies en milieu eau REB (Réacteur Bouillant) ou REP (Réacteur à Eau Pressurisé)Influence prépondérante des paramètres suivants sur la durée de vie en fatigue en milieu eau à haute température (< 325°C):
Réduction de durée de vie plus importante à température élevée,Forte réduction de durée de vie à faible vitesse de déformation, Effets néfastes du niveau d’oxygène dissous du milieu eau et de la teneur en soufre (aciers au C-Mn et faiblement alliés).
Proposition d’expressions empiriques pour évaluer des facteurs d’effet d’environnement (Fen) au Japon et aux USA:
Fen = Nair (durée de vie en air) / Neau (durée de vie en eau)
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20076 6AREVA NP
Données Américaines de fatigue oligocycliqueen milieux air et eau à haute température
(aciers inoxydables austénitiques)
(Ncycles / 20)
(εa/2)
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20077 7AREVA NP
Variation du facteur Fen d’effet d’environnement en fonction de la température
(Aciers Inoxydables austénitiques)
Modèles Japonais: Higuchi (IHI) et MITI Modèle US: Chopra (ANL) et NRC
Fen = Nair /Neau
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20078 8AREVA NP
Variation du facteur Fen d’effet d’environnement en fonction de la vitesse de déformation
(Aciers inoxydables austénitiques)
Fen = Nair /Neau
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20079 9AREVA NP
Méthodologie 2007 de prise en compte des effets d’environnement en fatigue thermique
Facteur d’usage modifié: Ueau = Uair x Fen
Expression de la dernière version du facteur d’effet d’environnement applicable aux USA:
Fen = Nair / Neau = exp (0,734 – T’ O’ ε*)T’ = 0 (T < 150°C); T’ = (T – 150) / 175 pour 150°C < T < 325°C et T’ = 1 pour T > 325°C
ε* = 0 pour ε’ > 0,4 %/s
ε* = ln (ε’ / 0,4 %/s) pour 0,0004 < ε’ < 0,4 %/s
ε* = ln (0,0004 / 0,4 ) pour ε’ < 0,0004 %/s
O’ = 0,281 quel que soit le niveau d’oxygène
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200710 10AREVA NP
Evaluation du facteur Fen d’effet d’environnement sous sollicitations de fatigue thermique
Intégration des vitesses moyennes de déformation
choc thermique froid
choc thermique chaud
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200711 11AREVA NP
Programme de R&D sur le comportement en fatigue oligocyclique d’un acier 304L en milieu eau REP
Mise au point des essais de fatigue oligocyclique en autoclaveEquipement de deux machines pour essais en milieu eau REP:
Aménagements d’autoclaves pour essais à 300°C et ~ 150 bars,
Mise en place de systèmes de conditionnement du milieu eau REP,
Usinage de montages pour la fixation des capteurs de déformation,
Calibrations du système de pilotage à déformations imposées,
Mise au point d’essais avec signaux triangulaires et complexes,…
Fixation du capteur de déformation sur les épaulements de l’éprouvette afin éviter tout risque d’amorçage sur la partie utile sous les couteaux de fixation du capteur de déformation
Réalisation d’essais de fatigue oligocyclique préliminaires:Essais sur éprouvettes cylindriques Ø 9 mm en air et eau à 300°C,
Essais avec ε’ = 0,4 %/s pour ∆εt / 2 = ± 0,2 %, ± 0,4 % ou ± 0,6 %,
Essais en eau primaire REP avec ε’ = 0,01 %/s (∆εt / 2 = ± 0,6 %).
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200712 12AREVA NP
Développement de moyens d’essais de fatigue oligocyclique en milieu eau primaire REP à 300°C et ~ 150 bars
au Centre Technique d’AREVA NP au Creusot
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200713 13AREVA NP
Eprouvette de fatigue et extensomètre utilisés pour les essais de fatigue oligocyclique en milieu eau REP
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200714 14AREVA NP
Extensomètres utilisés pour les essais de fatigue oligocyclique en air à 300°C et en milieu eau REPConfiguration d’étalonnage
Milieu air
Configuration d’essais
Milieu eau primaire REP
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200715 15AREVA NP
Essais préliminaires de fatigue oligocyclique à 300°C en air et en eau avec ε’= 0,4 %/s - Courbes moyennes ASME et ANL
0,01
0,1
1
10
100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000
Cycles
Déf
orm
atio
n
Langer ANL (2007) Essais en Air à 300°C Essais en Eau à 300°C
Essais réalisés avec des signaux triangulaires
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200716 16AREVA NP
Exemple d’évaluation des sollicitations thermiques sur une soudure entre ligne auxiliaire et piquage primaire
Position soudure entre une ligne auxiliaire et un piquage primaireVariation de température en
surface interne au cours d’un double choc thermique
Déformation cyclique induite en surface interne par le double choc thermique
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200717 17AREVA NP
Essai de fatigue oligocyclique sous chargement complexe proche d’un transitoire thermique de
fonctionnement (double choc thermique)
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200718 18AREVA NP
Exemples d’endommagements observés sur la surface d’éprouvettes polies pré-cyclées en air ou en milieu eau REP à différentes vitesses de déformation
Surface désquamée - éprouvette tractionnée en fin d’essai pour
ouvrir les microfissuresEprouvettes sollicitées à même niveau en air et en eau REP à
300°C durant 300 cycles
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200719 19AREVA NP
Premières conclusions du programme d’essais de fatigue oligocyclique en cours sur acier 304L en milieu eau primaire REP (état poli laboratoire)
Résultats d’essais effectués avec des signaux triangulaires relativement proches de ceux prévus par les modèles d’évaluation des facteurs « Fen » Japonais et US
Durées de vie obtenues sous chargements complexes représentatifs bien supérieures àcelles prédites à l’aide des expressions de calcul des facteurs « Fen » Japonais ou US
Pour des signaux complexes, mise en évidence, sur acier 304L, du conservatisme excessif des méthodes applicables d’évaluation des effets d’environnement en fatigue thermique
SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200720 20AREVA NP
Perspectives du programme d’essais de fatigue en milieu eau primaire REP
Reproduction en laboratoire d’histoires de chargements thermiques réalistes proches de ceux imposés sur certains composants REP en service comme les piquages primaires
Réalisation en milieu eau REP à 300°C et ~ 150 bars d’essais de fatigue oligocyclique sur éprouvettes meulées ayant un état de surface voisin de celui des composants
2 mm
rugosité de l'état meulé
-32
-22
-12
-2
8
18
28
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
longueur (mm)
rugo
sité
(µm
)
Echantillon meulé M
longueur (mm)
rugo
sité
(µm
)
Rugosité Rt ≈ 50 µm
AREVA NP
High Cycle Thermal Fatigue Issues in PWR Nuclear Power Plants
Life Time Improvement of some Austenitic stainless Steel Components
Jean Alain LE DUFF, André LEFRANCOIS, Yves MEYZAUD AREVA NP – Materials Technology & Chemistry Department
Jean Philippe VERNOT, Dominique MARTINAREVA NP- Fluids & Structural Mechanics Department
José MENDEZ, Yoann LEHERICYENSMA – Laboratoire de Mécanique et de Physique des Matériaux
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30,31 - June 1st, 2006
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20062 2AREVA NP
AREVA NP ActivitiesReactors & Services Division
Design and Building of both types of light water reactors, the PWR and the BWR.
Reactors & Services Division Provides the necessary services and equipment for power plant maintenance and operations.
AREVA NP is the world’s leading supplier of nuclear power equipment and services.
Manufacturing facilities are located primarily in France (Chalon-sur-Saône, Jeumont), Germany and the United States
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20063 3AREVA NP
High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causes
Thermal Fatigue concerns essentially 304L and 316L austenitic stainless steel componentsResidual Heat Removal System (1988)
High Cycle Thermal fatigue in RHRS mixing tees
Safety injection lines and dead legs (1987)Hot vortices coming from main coolant lines in connected lines and cold valve leakage coming from charging pumps
Reactor coolant pumps (first issues in 1986)Network of cracks in pump shafts, thermal barriers,…
Regenerative heat exchangers (Japan, 99/03)Mixing of main flow and by pass flow at low ∆T inside an elbow located after outlet nozzles.
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20064 4AREVA NP
High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causesResidual Heat Removal System mixing tees
CIVAUX 1: 180mm through wall crack (May 1998)Through wall crack found in an elbow weldLeak of ~ 30 m3/h in the containmentMixing of cold and hot water (∆T ≈ 150°C)Fatigue damage in all 900/1300 MWe & N4 plantsStrong aggravating effect of local weld geometryDetrimental effect of high surface roughness with network of cracks in grinding areas
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20065 5AREVA NP
Overall view of the RHRS loop of CIVAUX 1
Location of thermal fatigue damage (1500 h) :(a) Trough crack in the elbow located after the mixing tee(b) Appearance of a network of cracks in the mixing tee(c) Network and cracks near the root of the tee/elbow weld (d) Network and cracks in the straigth piping section
Total flow rate ≈ 550 m3/hQcold / (Qcold + Qhot) ≈ 20 %
Cold leg
Hot leg
∆T ≈ 180°C - 30°CP ≈ 36 bars
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20066 6AREVA NP
CIVAUX 1 EVENT
Fatigue cracks
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20067 7AREVA NP
High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causes
Safety injection lines from charging pumpsHot vortices in connected dead legs (high ∆T)
Interaction of hot turbulent penetration coming from main coolant line with cold valve leakage
Unexpected cold valve in-leakage coming from higher pressures in charging system
Detrimental effects of weld geometry and of high roughness profiles of ground surface
Leak events in Farley (1987), Tihange (1988), Dampierre 2 (1992), Dampierre 1 (1996), …
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20068 8AREVA NP
Thermal fatigue in Dead leg - Unisolable piping connected to PWR Reactor Coolant SystemSafety injection dead legs (Farley, Tihange,…)
Up / Horizontal Branch line piping configuration
RCS header
Interaction region
Cold stratifiedlayer due to valvein-leakage
U, T o
Check valve
Hot Vortex in connected line
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20069 9AREVA NP
Thermal Fatigue in reactor coolant pump
Location of thermal fatigue damage (1986)(a) Pump shaft (network of surface cracks)(b) Thermal barrier flange (very low ∆T)(c) Thermal barrier envelope and diffuser
(a) (b)(c)
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200610 10AREVA NP
Operating experience and incidents on austenitic stainless steel components
Thermal loads like stratification, vortex penetrations or mixing of hot and cold water are the main root causes of incidents
Incidents occur in different systems with only few leaks (RHRS, SIS/Dead Legs, RCP)
Following aggravating factors identifiedDetrimental effects of local weld geometry and of high surface roughness (ground area) on HCF strength of austenitic stainless steel components
Reduction of HCF strength with the mean stress due to stratification & high temperature gradients
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200611 11AREVA NP
Fatigue test programs conducted on an austenitic stainless steel type 304L
Objectives was to increase knowledge about the LCF & HCF behavior of austenitic stainless steels Three R & D programs on LCF & HCF were carried on the following subjects by AREVA NP & ENSMA:
Evaluation of the effect of loading conditions (∆σ or ∆ε with and without mean stress or mean strain) on cyclic stress strain behavior and lifetime of polished samples1st ENSMA doctoral thesis (2003) on the effect of mean stress and surface finish on HCF strength of 304L SS at RT (effect of polishing, turning and grinding conditions)2nd ENSMA doctoral thesis (2006) on the effect of LCF pre-damage on the subsequent HCF strength of a 304L SS at RT for polished and ground surface conditions
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200612 12AREVA NP
1st program on effect of loading conditionsCyclic stress strain behavior of 304L SS
0
100
200
300
400
500
600
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1ε a (%)
∆σ /
2 (M
Pa)
Bettis 20°C∆ε (20°C)∆σ (20°C)Bettis 150°C∆ε (150°C)∆σ (150°C)ANL
Comparison of LCF test results obtained under cyclic stress or strain loadings with published cyclic curves∆ o : hollow points for RT tests▲ ● : Full points for tests at 150°C
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200613 13AREVA NP
1st program on effect of loading conditions
LCF tests under stress or strain control
0,01
0,1
1
10
100 1000 10000 100000 1000000 10000000
N (Cycles)
ε a (%
)
TSUTSUMI (2000)
ANL 2 (2006)
∆ε (20°C)
∆σ (20°C)
∆ε (150°C)
∆σ (150°C)
∆ o : hollow points for RT tests▲ ● : Full points for tests at 150°C
Comparison of LCF lifetimes obtained under cyclic stress or strain loadings with published S – N curves
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200614 14AREVA NP
Mean stress and surface finish effects on HCF strength of 304L (ENSMA thesis, S. Petitjean)
3D cartography of turned or ground sample surface:Turned sample T4 surface striations with Rt ~ 80 µm (other turned samples with Rt ~ 10 µm and ~ 40 µm)Ground sample surface striations with Rt ~ 40 µmEvaluation of stress concentration factors at the bottom of turned (1 < Kt < 1.1) and ground samples (Kt ~ 3.2)
Turned sample Ground sample(T4)
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200615 15AREVA NP
Mean stress and surface finish effects at RT (304L)HCF strength (107cycles) versus mean stress for three surface conditions (Polished, Turned, ground samples)
Polished samples
Turned samples
Ground samples
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200616 16AREVA NP
LCF behavior of 304L SS in air at RT (εa = ± 0,3 %)Comparison of the LCF behaviors and lifetimes of polished (Rt < 1 µm) & ground samples (Rt ~ 40 µm)
180190200210220230240250260270280290300
1 10 100 1000 10000 1000
Nombre de cycles
∆σ
/2 (M
Pa)Ground sample (8 500 cycles)
Polished sample (25 000 cycles)
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200617 17AREVA NP
Effect of LCF pre-damage on HCF strength
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
10000 100000 1000000 10000000
Number of cycles
∆σ
/2 (M
Pa)
3750
2000
1000
500
0
Pre-damage
Ground samples (σmean = 0)304L at RT
SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200618 18AREVA NP
Main conclusions on the LCF & HCF programsNo effect of loading conditions on the cyclic stress strain behavior of polished 304L stainless steel
No mean strain effect on LCF & HCF behavior
Some effect of the mean stress on HCF strength
Very detrimental effect of mean stress on HCF strength of ground samples at room temperature
Detrimental effect of LCF pre-damage loadings on the subsequent HCF strength much important on ground samples than on polished specimens
Manufacturing improvement as removal of weld roots and polishing of inner surface of austenitic stainless steel components can increase very significantly their HC thermal fatigue strength