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Fissuration des culasses des moteurs diesel de secours du parc 900 MWe

R. Degeilh (EDF / R&D / ERMES)

Contexte industriel et objectifs

Chacune des 34 tranches nucléaires du palier 900 MWe est équipée de deux groupes électrogènes de secours à moteur diesel. Ces groupes servent à alimenter les tranches en énergie en cas de perte des alimentations électriques externes et contribuent ainsi à garantir la sûreté des centrales. Pour s‘assurer de leur bon fonctionnement, des essais et des inspections sont réalisés périodiquement au titre de la maintenance préventive.

Or, lors de ces inspections, des fissures ont été constatées au niveau des pontets inter-soupapes des culasses (Figure 1). Les 40 ans de Retour d’eXpérience (ReX) d’EDF et du fabricant-concepteur des moteurs (société Wärtsilä) montrent que ces fissures sont causées par les cycles de démarrage et d’arrêt des moteurs (fatigue thermique oligo-cyclique) lors des essais périodiques, mais qu’elles n’ont aucune incidence sur le fonctionnement du moteur. Le ReX montre également que ces fissures ne se propagent pas jusqu’au circuit de refroidissement d’eau, ce qui représente le risque principal pour ce type de fissure et qui entrainerait l’arrêt du moteur.

Figure 1 : Exemple d’observation de fissure au pontet inter-soupapes (gauche). Photo d’une fissure vue d’un faciès de rupture (droite). La zone claire correspond à la zone ouverte pour l’inspection destructive

Pour autant, l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) demande à EDF de démontrer l’absence de nocivité de ces fissures. L’Unité Nationale d’Ingénierie d’Exploitation (UNIE) en charge au sein de la Direction de la Production Nucléaire (DPN) de l’élaboration et de l’optimisation de la stratégie de maintenance du parc a donc chargé la R&D de réaliser cette démonstration en évaluant la cinétique de propagation de ces fissures par simulation numérique. L’enjeu est d’alléger la maintenance des culasses en espaçant les inspections, mais également d’éviter des remplacements anticipés de culasses, rebutées à cause de ces fissures.

Simulation dans code_aster et Salome-Meca

D’apparence simple, la question posée par l’UNIE implique pourtant un vrai challenge, tant sur l’exploitation des données d’entrée que sur la simulation numérique.
Le modèle de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) nécessaire pour la réalisation du maillage a dû être réalisé à partir des plans papier du constructeur comme seule donnée d’entrée. Or, la géométrie de la culasse est rendue extrêmement complexe du fait des nombreux circuits internes où circulent les gaz d’admission et d’échappement ainsi que l’eau de refroidissement (Figure 2).
La base de données EDF concernant le matériau des culasses, une fonte à graphite lamellaire GJL-300 était inexistante. Le comportement mécanique de cette fonte a donc dû être caractérisé expérimentalement à partir d’éprouvettes prélevées dans des culasses rebutées provenant du parc. Une nouvelle loi de comportement élastoplastique a dû être développée dans MFront, pour rendre compte du comportement particulier de cette fonte, dont faisait état la littérature ainsi que les résultats expérimentaux.

Figure 2 : Modèle CAO de la culasse. À gauche, la géométrie extérieure et à droite, les trois circuits fluides (admission, échappement et circuit d’eau).

La simulation thermique 3D transitoire dans code_aster d’un cycle de démarrage suivi d’un arrêt du moteur a dû être réalisée à partir de peu de données d’entrée concernant l’échange entre les fluides et la pièce. Un cas enveloppe conservatif des différents cycles possibles a été retenu.
La simulation mécanique 3D de ces cycles a nécessité la mise en œuvre de conditions de contact pour éviter l’interpénétration des lèvres. Plusieurs cas ont été étudiés pour différentes positions de fissures. Ces fissures ont été modélisées dans le maillage avec l’outil Zcracks dans Salome-Meca. Les différentes simulations ont été conduites sur le cluster Aster5 d’EDF en faisant appel aux fonctionnalités HPC (High Performance Computing) du code, dont le solveur MUMPS (Figure 3). Enfin, il a été possible de calculer la cinétique de propagation par fatigue de chaque type de fissure sur une durée d’utilisation de 50 ans, enveloppe de tous les cas rencontrés sur le parc.

Figure 3 : Vue de la déformée (amplifiée 50 fois) au niveau d’une fissure ouverte au pontet inter-soupapes.

Résultats des simulations

Les différentes simulations réalisées montrent que l’avancée des fissures sur une durée d’utilisation des culasses de 50 ans reste bien inférieure à la taille du ligament de matière restant au niveau des pontets. Ce résultat permet d’exclure de manière conservative une propagation des fissures au niveau des pontets inter-soupapes jusqu’au circuit de refroidissement par eau. La présence de ces fissures ne remet donc pas en cause le fonctionnement du moteur, conformément au ReX du parc.

Conclusions et perspectives

Les résultats des simulations permettent d’apporter des arguments solides pour justifier un allègement de la maintenance ainsi que pour éviter un remplacement anticipé de culasses rebutées à cause de fissures aux pontets inter-soupapes. Ces résultats ont été présentés à l’ASN qui devra établir, courant 2018, ses recommandations concernant la nouvelle politique de maintenance des culasses.