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NOTE DE L'ÉDITEUR
RÉSUMÉ
Les tuyauteries les plus sensibles des centrales nucléaires, en l’occurrence celles du circuit primaire principal des réacteurs, sont classées en niveau 1 (classe 1) et font ainsi l’objet de calculs spécifiques. Certains effets complexes, négligés dans les calculs de tuyauteries standard, doivent impérativement être pris en compte : les gradients thermiques et la fatigue. Ce document ne constitue pas un résumé exhaustif des réglementations relatives à ce type de calculs (ASME, RCC-M), mais apporte des explications complémentaires sur les points importants, notamment le procédé de linéarisation de contraintes appliqué sur les gradients thermiques, et le calcul du facteur d’usage qui permet de quantifier le dommage induit par la fatigue.
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Irénée CORNATON : Chargé de développement des logiciels PIPESTRESS et BEAMSTRESS, Ingénieur Mécanicien - DST Computer Services SA, Genève, Suisse
INTRODUCTION
Le calcul de tuyauteries industrielles constitue une des applications pratiques du calcul par éléments finis de type filaire (« poutre »). Les spécificités des tuyauteries sont prises en compte en particulier via les coefficients de flexibilité, ayant un rôle de réducteur d’inerties, et les coefficients intensificateurs de contraintes qui majorent a posteriori les contraintes calculées en fonction de la nature de l’élément étudié.
Parmi les tuyauteries, un petit nombre doit faire l’objet d’une vigilance particulière : il s’agit des tuyauteries du circuit primaire des centrales nucléaires, dites de niveau 1.
Le caractère très sensible de ces tuyauteries peut rendre nécessaire le déploiement de moyens de calculs puissants (modélisation 3D, analyse élastoplastique), mais dans la majorité des cas les calculs sont réalisés dans le domaine élastique avec des éléments filaires.
Néanmoins, des règles plus précises et complètes sont mises en place dans les codes, et des phénomènes physiques additionnels doivent être intégrés à l’analyse. En particulier, l’estimation des contraintes maximales, ou plus précisément de leur amplitude maximale de variation, doit englober les effets des gradients thermiques associés à la diffusion de la chaleur à travers l’épaisseur de la tuyauterie.
Une partie de cet article est donc consacrée à la présentation de ces gradients thermiques, sur lesquels est appliqué un procédé de linéarisation permettant de les décomposer en trois parties distinctes, correspondant à autant de types de contraintes. On distinguera ainsi la partie linéarisée (variation linéaire à travers l’épaisseur) induisant une contrainte de flexion, la partie non linéarisée n’ayant que des effets localisés, et la valeur moyenne sans effet en l’absence de discontinuité majeure (changement de section ou de matériau). Les équations retiennent par la suite une partie ou l’ensemble de ces effets, en fonction de leur objectif, qui peut être la vérification du comportement élastique de l’installation, ou la justification vis-à-vis de la fatigue. Dans ce dernier cas, tous les effets des gradients thermiques sont retenus.
La fatigue est un phénomène complexe, pour lequel de nombreuses incertitudes existent. La méthode employée dans les calculs de tuyauteries repose sur la technique du calcul de facteur d’usage, quantifiant les dommages subis par l’installation. Il s’agit d’étudier les variations d’états imposant le plus de contraintes, puis d’y associer un maximum d’occurrences (nombre de cycles), afin de maximiser le dommage.
L’exemple de la dernière section de cet article présente de façon complète la méthodologie de calculs, appliquée sur un point situé à l’interface d’un changement de section, donc sur un point de discontinuité majeure. Cet exemple comprend sollicitations sismiques (partie inertielle, dite primaire, et partie secondaire), transitoires thermiques et calculs de fatigue.
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MOTS-CLÉS
gradients thermiques calculs de fatigue contrainte alternée facteur d'usage linéarisation de contraintes
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3. Contexte des calculs de tuyauterie
3.1 Hypothèses de calculs
Dans la mesure du possible, pour des raisons de coût d’ingénierie, les calculs de tuyauterie sont réalisés par une analyse élastique.
La modélisation est effectuée en considérant les tronçons de tuyauterie comme des éléments dits « poutre » (éléments finis 1D constitués de 2 nœuds, soit 12 degrés de liberté par élément).
Dans le cas des tuyauteries acier (les tuyauteries hors niveau 1 peuvent être également en matériau composite ou en polyéthylène), la ductilité, qui caractérise la capacité de plastification, est prise en compte indirectement via le choix des contraintes admissibles à considérer pour les vérifications réglementaires.
Les analyses élastoplastiques complexes sont souvent couplées avec une modélisation 3D des tuyauteries, et déployées dans des cas exceptionnellement sensibles.
Ce type d’analyse permet de s’affranchir de l’utilisation d’un certain nombre de coefficients réglementaires plus ou moins précis, censés couvrir les effets physiques non directement modélisés, et donc de s’approcher au plus près du comportement réel.
HAUT DE PAGE3.2 Sollicitations
Si se retrouvent dans tous les calculs de tuyauteries certaines sollicitations, telles que le poids propre, la pression, l’expansion thermique, et les actions climatiques si les tuyauteries y sont exposées, d’autres sollicitations sont en revanche associées au risque lié à l’installation étudiée. Les tuyauteries de niveau 1 sont ainsi systématiquement étudiées vis-à-vis du séisme et des divers impacts éventuels.
les règles de concomitance entre les différentes sollicitations occasionnelles prises en compte dans le calcul (séisme, coup de bélier, explosion, etc.) pourront être spécifiées par le client, ou à défaut récupérées dans l’Eurocode 0.
Toutes les tuyauteries sont soumises aux effets des...
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
PIPESTRESS version 3.8.0
Mathcad 2001
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American Society of Mechanical Engineers ASME NB-3000 Édition 2013
Règles de Conception et de Construction des Matériels mécaniques des îlots nucléaires REP RCC-M B 3000 Édition 2012
Eurocodes structuraux – Bases de calcul des structures NF EN 1990
Eurocode 1 – Actions sur les structures NF EN 1991-1-3 (neige) et NF EN 1991-1-4 (vent)
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