Fracture resistance of dissimilar metal welds in the brittle to ductile transition

• Auteur / Autrice : Arnaud Blouin
• Direction : Jean-Michel Bergheau, Eric Feulvarch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, Ecole nationale d'ingénieurs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Soudures

Rupture, Mécanique de la

Matériaux -- Fissuration

Génie nucléaire -- Mesures de sécurité

Centrales nucléaires

Résumé

L’intégrité d’une structure est confirmée lorsque, pour toutes les conditions de fonctionnement, nominales ou accidentelles, celle-ci est apte à remplir ses fonctions mécaniques, et ce, pour toute sa durée de vie. Pour les composants les plus sensibles, la sureté nucléaire impose que la présence de défauts potentiels tels que des fissures soit envisagée et prise en compte lors de la conception afin d’assurer une tolérance aux grands défauts. Cette thèse contribue à la démonstration de l’intégrité du circuit primaire de refroidissement de l’EPR, réacteur de dernière génération développé par AREVA. On trouve, sur ses circuits de tuyauterie, des changements de matériaux qui nécessitent la mise en place de liaisons soudées bimétalliques. Démontrer la résistance à la rupture de ces soudures en faisant l’hypothèse de la présence de défauts tels que des fissures de surface fait partie intégrante du processus de dimensionnement, de validation de la conception et donc de la démonstration de l’intégrité des structures. Afin d’y parvenir, un modèle probabiliste assez simple pour être mis en œuvre par des industriels est exploité. Celui-ci présente un intérêt particulier puisqu’il est possible d’identifier ses paramètres à partir d’essais sur éprouvettes et de l’utiliser dans le cadre d’une étude sur structure dans la transition fragile-ductile. Deux cas de défaut conventionnel sont alors considérés, à savoir une fissure située sur une tubulure de circuit primaire et une autre située au niveau de la liaison bimétallique. Dans un premier temps, des essais de rupture sur éprouvettes sont menés afin de mieux appréhender la résistance à la rupture de la liaison soudée. Puis, dans le cadre d’une étude générique par calculs aux éléments finis, les probabilités de rupture associées à cette dernière sont comparées à celles de la tubulure en acier ferritique, elle-aussi sensible à la rupture brutale de par sa structure métallurgique. Finalement, cette confrontation montre, qu’à chargement équivalent, la liaison bimétallique a une bien meilleure résistance à la rupture que la tubulure en métal de base.

The integrity of a structure is confirmed when, for all the operating conditions, nominal or accidental, the structure is able to achieve its mechanical functions, during its whole life cycle. For the most sensitive components, the nuclear safety authority requires conventional defects such as cracks to be considered within the design phase in order to ensure that these structures are tolerant to large defects. This thesis contributes to the demonstration of the main coolant line integrity of the EPR, the latest generation of reactor developed by AREVA. This piping system is composed of different materials and dissimilar metal welds (DMW) are needed. To demonstrate the fracture resistance of those welds taking into account large defects is part of the design process, as well as its validation and the demonstration of the integrity. To reach this goal, a probabilistic model, handy for industrials, is used. The first interest of this model is that it is possible to determine its parameters with tests on laboratory specimens and apply it directly to a structure case in the brittle to ductile transition. For that purpose, two cracks are considered, one in the ferritic base metal pipe of the main coolant line and another one located at the DMW. First, fracture tests are performed on specimens to better understand the fracture resistance of the weld. Then, based on finite elements analyzes, fracture probability occurrence of the DMW is compared to the one of the ferritic pipe, also sensitive to cleavage because of its metallurgical structure. Finally, this comparison shows that, for an equivalent mechanical loading, the DMW has a much better fracture resistance than the base metal pipe.