Suivi et maîtrise du vieillissement des matériaux des ... · • Résistance à la corrosion...

Suivi et maîtrise du vieillissement des

matériaux des installations nucléaires

J-P Massoud EDF R&DF. Champigny EDF CEIDRE

JOURNEE TECHNIQUE AFIAP DU 13 OCTOBRE 2009

Schéma de fonctionnement d’une centrale REP

Cuve

générateurde vapeur

pressuriseur

circuitprimaire

structuresinternes revêtement

protecteur

155 bars

turbine

acier decuve

acier faiblement allié


acier inoxydable austénitique

acier inoxydable austénitique

acier austéno-ferritique

alliage de nickel

- aciers faiblement alliés- aciers inoxydables-alliages base nickel

- alliages de zirconium- alliages divers (Ag-In-Cd)- céramique (UO2-PuO2)

Composants et matériaux du circuit primaire des REP


Spécificités des composants nucléaires/chaudières classiques ou aux équipements industrie de base

• Dimensions très importantes qui s’accroissent avec la puissance des réacteurs .

Choix de matériaux avec caractéristiques de base d’un niveau suffisant (résistance mécanique pour appareil àpression, tenue à la corrosion, par exemple)

Fabricabilité :

Possibilités de mise en œuvre qui ne les détériore pas,

Fabrication permettant une homogénéité métallurgique aussi bonne que possible

Limites des capacités de fabrication des aciéristes et des forgerons.

Coût

Spécificités des composants nucléaires/chaudières classiques ou aux équipements industrie de base

• Les conditions de service,

Durée de vie longue (40 à 60 ans),

Taux de marche élevé en raison du coût des arrêts,

Environnement particulier : irradiation

cause de fragilisation dans les aciers de construction, de gonflement et de diminution de la ductilité de fluage des aciers inoxydables,

complique les conditions d’exploitation en raison de l’activation d’éléments spéciaux, tel le cobalt qui se transforme en cobalt 60 à longue durée de vie.

• Résistance à la corrosion généralisée en contact avec les fluides caloporteurs dont les teneurs en impuretés sont sérieusement contrôlées pour éviter tout risque de corrosion fissurante ;

• Résistance aux vibrations dues aux effets hydrodynamiques engendrés par la circulation des fluides caloporteurs.

Vieillissement des matériaux

Durée de vie longue, conditions de fonctionnement spécifiques…

Ensemble des mécanismes liés au temps qui tendent à faire perdre aux

matériels leurs caractéristiques initiales,

Mesures à prendre pour suivre ses effets, les limiter, les retarder ou les

remplacer par d’autres moins indésirables,

Vieillissement d’autant plus maîtrisé que mécanismes bien connus,

Deux grandes catégories :

évolution des propriétés des matériaux (perte de caractéristiques

physiques, mécaniques, électriques, etc.)

Dégradation des structures (fatigue, corrosion, usure, etc.)

VIEILLISSEMENTEvolution avec le temps

(Température, irradiation…)

CORROSION(Milieu)

FRAGILISATION

DURCISSEMENTCréation d’obstacles au passage des dislocations

DEFAUTS DEFABRICATION

CHARGEMENTSMECANIQUES

RISQUE DE DEFAILLANCE

+ ++

Processus pouvant conduire à une défaillance d’un composant

SollicitationMécanique

IrradiationTempérature

Milieu

CORROSIONOXYDATION…

CORROSION SOUS CONTRAINTE ASSISTEE PAR L’IRRADIATION (IASCC)

VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION

VIEILLISSEMENT THERMIQUE

FLUAGE FLUAGE D’IRRADIATIOIN

CORROSION SOUS CONTRAINTECORROSION EROSION

FATIGUE

Sollicitations rencontrées et « vieillissements » qui peuvent en découler

Effets de la température de fonctionnement et de l’irradiation

1. Vieillissement thermique Peu opérant autour de 300°C, mais les phénomènes de vieillissement thermique peuvent affecter certains composants de REP du fait de leur longue durée de service.

2. Vieillissement sous irradiation Les phénomènes de vieillissement sous irradiation affectent les composants subissant le bombardement des neutrons provenant des réactions nucléaires du combustible

Origine : Si l'énergie cinétique du neutron incident > énergie seuil de déplacement du matériau choqué, (Es ≈15 à 90 eV), l'atome choqué peut quitter son site et à son tour déplacer d'autres atomes (cascades de déplacement) etc...

neutron

cascade de déplacements

lacunes

interstitielsPKA

PKA : primary knock-on atomΔE

transfert d’énergie

choc élastique

température

rési

lienc

e

ductile

fragile

abaissement dupalier ductile

ΔTT augmentation de la température de

transition

avant irradiation

après irradiation

neutron

cascade de déplacements

lacunes

interstitielsPKA

PKA : primary knock-on atomΔE

transfert d’énergie

choc élastique

température

rési

lienc

e

ductile

fragile



transition

avant irradiation

après irradiation

1 – MODIFICATION DE LA DIFFUSION(concentration de défauts ponctuels accrue)- Généralement accélération des phénomènes de diffusion- Apparition de phases ne figurant pas sur les diagrammes d'équilibre.

2 – MODIFICATION DE LA MICROSTRUCTURE- dislocations, boucles de dislocations- recristallisation - morcellement (oxydes)

- ségrégations intergranulaires,

- bulles, cavités, précipités

3 – MODIFICATION DES PROPRIETES D'USAGE - Durcissement,- Perte de ductilité,- Fragilisation,- Fluage-Irradiation,- Sensibilisation à la corrosion sous contrainte,- Gonflement ...

Vieillissement sous irradiationConséquences sur les matériaux



Milieu

Principaux chargements mécaniques en service…

1. Pression (155 bar dans le circuit primaire),

2. Dilatations thermiques (20-330°C),

3. Poids des structures,

4. Chargements thermiques de fonctionnement,

- Chocs (IS)

- Fluctuations de faible amplitude (zones de mélange)

5. Vibrations

…et en situation accidentelle

1. Séisme,

2. Rupture de composant…



Milieu

Caractéristiques du milieu primaire

• Acide borique H3BO3

objectif : contrôle de la réactivité par variation de la concentration en acide borique (forte section de capture des neutrons par B)

• Lithine LiOH (max 2,2 mg/kg)objectif : neutraliser l’acide borique et se placer en pH légèrement alcalin

• pH sensiblement constant au long du cycle (7,2)objectif : moindre corrosion généralisée, moindre production de produits de corrosion, faible solubilité et activation des composés métalliques

• Hydrogène (25-50 ml/kg eau)objectif : éliminer l’oxygène formée par radiolyse de l’eau et qui serait néfaste pour la corrosion des aciers à hte température.

• Impuretés limitées :- Oxygène, Chlorures et Fluorures (pour éviter CSC des inox)- Lithium (pour éviter la corrosion des gaines de combustible)- Silice, calcium, aluminium, magnésium (pour éviter dépôts insolubles sur les gaines, créant des points chauds)

Caractéristiques du milieu secondaire (circuit eau-vapeur)

• Ajout de réactifs alcalins et réducteurs pour réduire les risques de corrosion des divers matériaux du circuit (notamment condenseur)

Réactifs alcalins : ammoniaque (NH4OH) ou morpholine (C4H9NO)

Réactif réducteur : hydrazine (N2H4) pour limiter fissuration tubes de GV

• Limitation des polluants qui peuvent se concentrer dans le GV etprovoquer la corrosion des tubes

Vieillissements conduisant à une dégradation des propriétés mécaniques des matériaux

Fragilisation sous irradiation (zone de cœur des cuves, internes, gainage…)

Vieillissement thermique (aciers austénoferritiques moulé des tuyauteries primaires moulées, aciers martensitiques…)

1

Dégradation par fissurationFatigue thermique (zones de mélange)Fatigue vibratoire (circuits auxiliaires, rotors…)

2

Corrosion3

Quel vieillissement potentiel pour quel composant ?

Corrosion sous contrainte (tubes GV, zones inconel…)

Corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation (visserie internes

Corrosion des gaines de combustible (Zircaloy)

Corrosion dans la gangue d’acide borique (boulonnerie en acier faiblement allié …)

« Denting » et amincissement (tubes de GV) …Dégradation par perte de matière

Usure par frottement (grappes de commande)

Corrosion - érosion acier non allié en milieu secondaire

4

Exemples de suivi et de maîtrise du vieillissement dans 3 cas

• Cuve

• Tuyauterie primaire

• Générateur de Vapeur

VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION

La cuve

pression : 155 bardébit : 18 m3/s (4m/s)température d’entrée : 293°Ctempérature de sortie : 328°CIrradiation neutronique

La cuve VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L’ACIER DE LA CUVE

Conditions de fonctionnement

Tenue mécanique

•Températures de fonctionnement : 20 à 325°C• Pression interne : 0 à 155 bars• Contraintes mécaniques résultant de la pression et des transitoires thermiques.• 200 000 à 300 000 heures de fonctionnement

• Irradiation de certaines pièces (niveau de la zone de cœur) : le rayonnement neutronique issu du cœur en fragilise la paroi malgré l’atténuation due à l’eau et aux structures internes

Résistance à la corrosion

• Éviter les dégradations au contact de l’eau du milieu primaire• Limiter la contamination des circuits par les produits de corrosion

Tenue à l’irradiation

Cuve soumise à l’irradiation neutronique : Fluence max (40 ans) = 7.1019 n.cm-2 = 0,1 dpa

Sous l’effet du bombardement neutronique, on observe au cours du temps une dégradation des propriétés mécaniques de l ’acier :

- augmentation de la dureté, de la charge à rupture et de la limite élastique- diminution de la ténacité (résistance à la fissuration)- diminution de la résilience (résistance aux chocs) et de la ductilité- augmentation de la température de transition fragile-ductile

La cuve

température

rési

lienc

e

ductile

fragile



transition

avant irradiation

après irradiation

VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L’ACIER DE LA CUVE

Conséquences mécaniques de l’irradiation

La cuve

coeur

capsule de surveillance

éprouvettes de traction

éprouvettes de ténacité

éprouvettes de résilience

155 bar280°C

320°C


Comment évaluer et anticiper le vieillissement ?Programme de surveillance des cuves.

A l ’intérieur de la cuve, on a disposé des éprouvettes de traction, de ténacité et de résilience dans des capsules- qui sont irradiées 2 à 3 fois plus rapidement que la cuve (flux supérieur)- et qui sont représentative de l ’acier des viroles de cœur de la cuve

Régulièrement (3, 5, 7, 11…ans) on en prélèveet on mesure les caractéristiques mécaniques.

On peut ainsi anticiper sur l’ évolution réelle de la cuve.

Base de données

Formules prévisionnelles :

Capsule du programmede surveillance

ΔT = f (% P, % Cu, % Ni, fluence)

PSI - Irradiation surveillance capsule

Capsules du programme de surveillance de l’irradiation

EFFET DE L’’IRRADIATION

FACTEUR DE MARGE

TEMPERATURE

- CHARGEMENT MECANIQUE- FACTEUR DE CONCENTRATION DE CONTRAINTE : KIpour un défaut postulé et une situation donnée

COMPORTEMENT MATERIAUTENACITE : KIC


Analyse du risque de rupture brutale

La cuve

K

• Situation :choc froid pressuriséen cas de perte de réfrigérant primaire

Tuyauterie primaireVIEILLISSEMENT THERMIQUE

La tuyauterie duCircuit Primaire

pression : 155 bardébit : 18 m3/s (4m/s)température d’entrée : 293°Ctempérature de sortie : 328°C


VIEILLISSEMENT THERMIQUE DES PRODUITS MOULES DU CPP

Principales caractéristiques des composants

Aciers moulés statiques : - Coudes,- Volutes de pompes primaire- Robinets- PiquagesAciers moulés centrifugés :- Certaines tuyauteries droites

Rôle : Assurer la circulation de l’eau primaire entre cuve et GV



Problème

Sous l’effet de la température de service (290°C-325°C)Durcissement et fragilisation des composants en aciers austénoferritiques

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

1 0 3 1 0 4 1 0 5

4 0 0 °C

U n ag ed

KC

V 32

0°C

(daJ

/cm

2 )

Ageing time (h)

Cinétiques d’évolution de la résilience avec la durée du vieillissement à différentes températures

• Dans l’austénite : pas d’évolution

• Dans la ferrite (5-20%):décomposition Fe-Crdurcissante et fragilisante

Prévention de la décomposition Fe-Cr dans la phase ferritique :

Réduire la teneur en ferrite,Choisir des nuances moins sensible à ce type de vieillissement

(nuance sans molybdène),

Utiliser une autre technologie : forgeage plutôt que moulage permettant d’utiliser des aciers inoxydables complètement austénitiques non sensibles au vieillissement thermique.

→ Branche complètement forgée, piquages inclus (palier N4, EPR)



Comment éviter l’occurrence du phénomène

CORROSION SOUS CONTRAINTE

Le générateur de vapeur

Côté primaire :pression : 155 barTempérature entrée : 322°CTempérature sortie : 284°C

Côté secondaire :pression : 55 barTempérature entrée : 224°CSortie : vapeur saturée

Le générateur de vapeur ROLE DU GENERATEUR DE VAPEURet caractéristiques des composants

Son rôle :

Transformer l’eau du circuit secondaire en vapeur grâce à l’énergie thermique apportée par le fluide primaire.

Le générateur de vapeur CORROSION SOUS CONTRAITE DES TUBES DE GVPrésence simultanée de contraintes résiduelles et de milieux corrosifs

zones sensibles à la corrosion sous contrainte :- zones dudgeonnées- cintres

zone dudgeonnéecintre

Le générateur de vapeur CORROSION SOUS CONTRAITE DES TUBES DE GV

Les remèdes

- modifier le dudgeonnage

- détensionner le tube après dudgeonnage

- traitement thermique des cintres

Diminuer les contraintes résiduelles...

Changer l’alliage.

- remplacement de l’alliage 600 (15% Cr) par alliage 690 (30% Cr)

Tubes fissurés :

- bouchage des tubes fissurés- puis remplacement du GV.

Connaissance approfondie des risques de dégradation- compréhension des mécanismes et paramètres influents- modélisation prédictive (déterministe, probabiliste)

- cinétique (incubation, propagation, …)

- amplitude

Analyses de nocivité des défauts

Comparaison avec retour d’expérience

Programmes de maintenance préventive des structures

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