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Outil de modélisation de sous-épaisseur pour les tubes, coudes et piquages

D. Haboussa (EDF / R&D / ERMES) ; L. Scliffet (EDF / DPNT / UTO)

Introduction

Les composants des circuits des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) subissent une usure, par érosion-corrosion qui entraîne des pertes locales d’épaisseur. Celles-ci peuvent remettre en cause l’intégrité mécanique de ces composants.
Pour en évaluer le risque, il existe des méthodes codifiées dans les Règles de Surveillance en Exploitation des Matériels Mécaniques des Îlots Nucléaires REP (RSE-M), mais il arrive que celles-ci soient trop conservatives. Il faut alors faire appel à des calculs par éléments finis, notamment par analyse limite, qui nécessitent des modèles tridimensionnels représentant la structure avec sa sous-épaisseur.
Pour cela, EDF/DPNT/UTO reçoit des Centres Nucléaires de Production d’Électricité (CNPE) des relevés de mesures d’épaisseurs par ultra-son.

Des outils-métiers pour accélérer les études

Par soucis de réactivité, il faut pouvoir créer rapidement un maillage de la structure avec sa sous-épaisseur. Pour cela, il y a une dizaine d’années, il a été décidé d’automatiser la création de maillages avec sous-épaisseurs à partir de mesures. Une première génération d’outils-métiers a alors été réalisée dans code_aster à l’aide du mailleur Gibi. L’UTO dispose ainsi d’outils de maillage automatique pour les tubes droits, les coudes, les piquages et les divergents.

On estime à une vingtaine d’études le nombre d’analyses reposant sur ces outils chaque année.
Afin de pérenniser ceux-ci malgré l’obsolescence de Gibi, il a été décidé de les réécrire en Python dans l’environnement Salome-Meca au sein de l’Outil-Métier Aster (OMA). Ce développement est le fruit d’une collaboration entre le département ERMES d’EDF R&D et la direction DET de l’UTO. Dans un premier temps, ERMES a réécrit les outils « Tube » et « Coude » à partir des modèle Gibi écrits par l’UTO, en y apportant quelques améliorations.

Travail réalisé

Outil-métier "tube"

L’outil « tube » produit des maillages réglés. Le maillage passe par les points de mesures, mais il est plus dense que la grille des relevés d’épaisseurs. Les nœuds intermédiaires sont obtenus par interpolation entre les points de mesures. La zone en sous-épaisseur est complétée de part et d’autre par des longueurs d’amortissement d’épaisseur constante. L’outil OMA a vu l’ajout, par rapport à la version Gibi, de la possibilité d’avoir des angles variables entre deux génératrices longitudinales. Cette innovation présente l’avantage de pouvoir mieux encadrer une zone en sous-épaisseur lorsque l’on utilise l’outil pour réaliser un maillage avec des défauts de matière qui enveloppent ce qui est réellement mesuré. Un modèle plus précis permet en effet de gagner des marges.

Figure 1 : Maillage d’un tube (coupe)

Outil-métier "coude"

L’outil « coude » génère lui aussi des maillages réglés. Néanmoins, la création des modèles est un peu plus compliquée. La procédure de mesure utilisée sur les CNPE, spécifie un pas identique sur toutes les génératrices. Or les génératrices longitudinales n’ont pas la même longueur selon qu’elles se trouvent à l’intrados ou à l’extrados du coude. Il n’y a donc pas le même nombre de points de mesures sur chaque génératrice. En conséquence, il est impossible de faire coïncider points de mesures et les nœuds d’un maillage réglé. Le programme de maillage possède des fonctions d’interpolation pour recalculer les épaisseurs sur le modèle du coude, à partir de la grille de mesures fournie par le site. On ajoute comme pour le tube des longueurs d’amortissement à l’amont et à l’aval du coude en sous-épaisseur. L’outil OMA présente également l’innovation d’avoir des angles variables entre les génératrices longitudinales.

Figure 2 : Maillage d’un coude (coupe)

Perspectives

Les développements portent actuellement sur l’un des outils « piquage ». En effet les fluides érodent tout particulièrement les zones en pied des piquages du fait de la singularité géométrique qu’ils représentent. Les mesures se font généralement sur une grille en étoile autour du piquage. Aussi le maillage reprend-il ce profil. L’outil Gibi existant ne permet de représenter des sous-épaisseurs que sur la tubulure principale. La nouvelle version offrira la possibilité de le faire également dans le tube du piquage, ce qui est plus réaliste compte tenu du retour d’expérience des sites.
Un premier outil représentera un piquage simple, droit et sans renfort. Des versions ultérieures plus complexes comporteront également des tubes inclinés ou avec selle de renfort et des zones de renforcement pour simuler le maximum de configurations rencontrées en centrale.

(a) peau extérieure
(b) peau intérieure
Figure 3 : Maillage d’un piquage (zone endommagée)

Le développement de cet outil se fait conjointement entre R&D/ERMES et UTO/DET. En effet, un piquage avec plusieurs zones de sous-épaisseurs est plus complexe qu’un tube ou un coude et il aurait été difficile de le développer à partir d’une spécification sans concertation avec les futurs utilisateurs.
Les différents outils seront également dotés d’une interface graphique permettant la saisie des caractéristiques géométriques et des épaisseurs mesurées. En effet, pour l’heure cette opération se fait encore à l’aide d’un tableau Excel, héritage des anciennes versions.

Figure 4 : Maillage du piquage (coupe de la zone endommagée)