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1 - CIRCUIT PRIMAIRE DES CENTRALES NUCLÉAIRES

2 - PRÉSENTATION ET DÉFINITION

3 - CONTEXTE DES CALCULS DE TUYAUTERIE

4 - CALCULS DE GRADIENTS THERMIQUES

5 - CRITÈRES DE NIVEAUX 0, C ET D : CONTRAINTES PRIMAIRES

6 - CRITÈRES DE NIVEAU A

7 - EXEMPLE DE CALCULS

8 - ESSAIS (RCC-M)

9 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AF1682 v1

Critères de niveaux 0, C et D : contraintes primaires
Le calcul des tuyauteries de niveau 1 – Gradients thermiques et fatigue

Auteur(s) : Irénée CORNATON

Relu et validé le 26 avr. 2021

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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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ABSTRACT

Level 1 pipeworks calculations - thermal and fatigue gradients

The most sensitive piping in nuclear power plants, i.e. the main primary circuit of the reactors, is in safety class 1, and is accordingly subjected to specific calculations. Some complex effects, namely heat and fatigue gradients, which can be ignored in standard piping calculations, have to be taken into account. This article is not an exhaustive summary of the regulations governing this type of calculation (ASME, RCC-M), but provides additional explanations on important points, in particular the procedure for linearizing constraints applied to heat gradients, and the calculation of the use factor for the quantification of fatigue-induced damage.

Auteur(s)

  • 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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KEYWORDS

thermal gradients   |   fatigue analysis   |   alternating stress   |   usage factor   |   stress linearization

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af1682


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5. Critères de niveaux 0, C et D : contraintes primaires

La vérification des critères de niveaux 0, C et D concerne les contraintes primaires : pression, charges permanentes (poids propre) et partie inertielle/primaire du séisme.

La pression induit des efforts de traction dans la tuyauterie, soit une contrainte de membrane P m qui doit rester inférieure à la limite élastique S y .

La résistance à un moment de flexion (poids propre, partie primaire du séisme) peut quant à elle s’étudier par rapport au module plastique de flexion, qui, dans le cas d’une section rectangulaire pleine, est 1,5 fois supérieur au module élastique.

Sous l’effet combiné de contraintes de membrane et de flexion (P m + P b), la résistance dépend de la proportion des deux. La figure 26 représente la résistance d’une section rectangulaire pleine.

Les critères retenus pour la vérification des tuyauteries sont obtenus par utilisation d’un facteur de sécurité de 1,5 sur S y. Les codes de tuyauterie introduisent ainsi la notion de contrainte admissible Sm, dont la valeur est proche des 2/3 de la limite élastique S y .

Les codes fixent ainsi les règles générales suivantes pour les critères de niveau 0 :

En cas de zone de discontinuité majeure, les équations deviennent :

Dans le cadre des calculs de tuyauteries, seule l’équation (9) est à vérifier, selon le tableau 9.

Le moment M utilisé dans le tableau 9 correspond au moment résultant généré par les sollicitations mécaniques (poids propre, partie primaire du séisme).

Le RCC-M prévoit une réduction des effets...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - U.S. Nuclear Regulatory Commission -   Combining Modal Responses and Spatial Components in Seismic Response Analysis.  -  Regulatory Guide 1.92 (2006).

  • (2) - BIANCHI (A.-M.), FAUTRELLE (Y.), ETAY (J.) -   Transferts thermiques.  -  Eyrolles (2004).

1 Outils logiciels

PIPESTRESS version 3.8.0

Mathcad 2001

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2 Réglementation

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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