Effets de la courbure et de la taille des éprouvettes de traction compactes de tubes de force CANDU sur la ténacité à la formation de fissures

Actes de la conférence Pressure Vessels & Piping Conference de 2019 (PVP 2019)
14 juillet 2019

Auteurs : Bruce W. Williams¹, William R. Tyson¹, C. Hari M. Simha^1,2 et Bogdan Wasiluk³

1. CanmetMATÉRIAUX, Ressources naturelles Canada
2. Collège de génie et des sciences physiques, Université de Guelph
3. Commission canadienne de sûreté nucléaire

Résumé

Selon la norme N285.8 de la CSA, les tubes de force Zr-2,5Nb des réacteurs CANDU en exploitation doivent fuir avant de se rompre et être protégés contre les ruptures. L’absorption de deutérium pendant le fonctionnement provoque la formation d’hydrures, ce qui peut accroître la variabilité et réduire la ténacité à la rupture. La ténacité à la rupture des tubes de force est évaluée principalement au moyen d’essais progressifs de résistance à l’éclatement sur des sections de tubes de force. Étant donné la longueur nécessaire des tubes de force retirés du service dont on a besoin pour les essais d’éclatement et l’exigence d’accroître la teneur en hydrogène des tubes de force irradiés retirés du service, on ne peut réaliser qu’un nombre réduit d’essai. Le recours aux petites éprouvettes compactes de traction est avantageux, car on peut obtenir un nombre statistiquement significatif de mesures de ténacité à la rupture tout en économisant les tubes de forces retirés du service. Les travaux en cours ont porté sur l’étude de différents modèles géométriques pour l’essai de traction compacte, afin d’obtenir une croissance des fissures et une ténacité à la fracture plus proches de déduites des essais de rupture.

Puisque l’on doit usiner à partir de tubes de force les éprouvettes des essais de traction compacte de 100 mm de diamètre et 4 mm d’épaisseur (épaisseur de la paroi), celles-ci seront courbées hors du plan vertical. De plus, elles montrent la formation importante de tunnels pendant la propagation de la fissure. Or, ces deux facteurs s’opposent aux normes de l’ASTM pour la ténacité à la fracture. Dans le cadre des présents travaux, nous avons étudié l’influence de la courbure de l’éprouvette et du front de fissure en tunnel sur la courbe de ténacité à la formation de fissures, ou courbe J R. Nous avons utilisé des modèles d’éléments finis avec des fissures stationnaires ou en expansion lors d’une étude numérique détaillée. Pour reproduire la formation de fissures avec les modèles d’éléments finis, nous avons adopté un processus mécanique de l’endommagement avec contrainte critique pour accumuler les dommages en fonction de la triaxialité de la contrainte avant de la fissure. Nous avons comparé l’intégrale J estimée numériquement à partir de la démarche par intégrale du domaine et l’intégrale J calculée à partir des équations analytiques de la norme ASTM E 1820. Nous avons trouvé, dans la plupart des cas, un écart de 10 % entre l’estimation numérique et l’estimation à partir de la norme, ce qui est jugé acceptable. Nous avons constaté qu’aux niveaux les plus élevés de déplacement le long de la ligne de charge, la courbure de l’éprouvette influençait les résultats de l’intégrale J. Les tunnels formés par les fissures montraient une plus faible influence sur les intégrales J estimés par rapport à des fronts de fissure droits.

Un petit nombre d’expériences ont été réalisées sur des tubes de force en Zr-2.5Nb non irradiés en utilisant trois modèles d’éprouvettes de tension compacte courbes. Nous avons constaté que les éprouvettes des deux modèles ayant une largeur de 34 mm présentaient des fissures deux fois plus longues que les éprouvettes du modèle large de 17 mm. L’éprouvette de 17 mm de largeur a surtout servi à évaluer la ténacité à la rupture à petite échelle du matériau des tubes de force. De plus, l’intégrale J appliquée à la charge maximale était environ 1,4 fois plus élevée pour les éprouvettes de tension compactes de grande largeur. Ces éprouvettes ont également produit des courbes J–R avec des extensions de fissures plus grandes, qui étaient plus proches de celles observées lors des essais d’éclatement de sections de tube de force. Nous n’avons pas considéré le matériau des tubes de force artificiellement hydruré dans les travaux présentés ici, afin d’éviter toute source potentielle de variabilité expérimentale. Cependant, nous devrions le considérer lors de futurs travaux.

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