Mesure de la puissance d'usure d'un tube de générateur de vapeur de réacteur nucléaire en interaction avec une barre anti-vibration

L'usure par frottement des tubes de générateur de vapeur est une problématique importante dans l'industrie de la production d'énergie nucléaire. Sous l'action des forces induites par un écoulement diphasique transverse, les tubes en U vibrent et se heurtent contre leurs supports. Des barres anti-vibration (AVB) supportent les tubes dans leur section coudée pour prévenir les vibrations d'amplitude trop élevée. Un jeu minimal entre les tubes et les AVB est fixé afin de permettre l'expansion thermique des tubes et de prévenir les dommages provenant de l'usure par frottement. Cependant, des jeux plus larges sont souvent observés dans les générateurs de vapeur en service. Cela a pour effet d'augmenter les forces d'impact et le frottement. L'augmentation de l'usure par frottement entraîne la perforation prématurée des tubes, pouvant parfois résulter en l'arrêt complet du réacteur nucléaire et en des coûts de maintenance importants. Afin de prédire la durée de vie des tubes de générateur de vapeur, la puissance d'usure par frottement est le paramètre utilisé. L'usure par frottement dépend des matériaux utilisés dans la fabrication des tubes et des AVB, des conditions d'opération à l'intérieur du générateur de vapeur ainsi que de l'interaction dynamique entre les tubes et les AVB. L'objectif de ce projet est d'étudier expérimentalement le comportement vibratoire d'un tube en interaction avec une barre AVB. À l'aide d'un banc d'essais, qui reproduit la configuration tube/support rencontrée dans les générateurs de vapeur de réacteurs nucléaires, la réponse vibratoire du système et la puissance d'usure par frottement sont mesurées en termes de déplacement du tube et de force de contact avec l'AVB. Ce montage expérimental a été conçu dans le cadre d'un projet de recherche antérieur, mais nécessite cependant une révision complète afin d'améliorer la précision des résultats. Ce projet est subdivisé en quatre étapes, soit : a) l'amélioration du montage et de la procédure expérimentale, b) la prise de mesures de la force de contact entre le tube et l'AVB ainsi que du déplacement du tube, c) l'élaboration d'un traitement de signal adéquat pour le calcul de la puissance d'usure et d) l'exploitation et l'interprétation des résultats. Pour faciliter la modélisation du problème, un tube droit d'une longueur de 2 travées simplement supporté à ses deux extrémités, ainsi qu'un segment de barre AVB situé au centre du tube sont utilisés.

Abstract

Fretting-wear of steam generator tubes is an important issue in the nuclear power industry. The two-phase cross-flow induces vibration of the U-tubes and causing impacts against their supports. Anti-vibration bars (AVB) are designed to support the tubes in their U-bend section and to prevent high vibration amplitudes. The minimum clearances between the tubes and the AVBs are set to allow thermal expansion of the tubes and to prevent fretting wear damage. However, larger clearances are often observed in steam generators. They lead to increased impact forces and friction between the tubes and the AVBs. Fretting-wear often causes premature perforation of the tubes, which can result in complete shutdown of the nuclear reactor and high maintenance costs. Fretting-wear work-rate is the parameter used to predict the service life of steam generator tubes. Fretting-wear depends on the tube and AVB materials, operating conditions within the steam generator and dynamic interaction between the tubes and the AVBs. The objective of this project is to study experimentally the vibration behavior of a tube in interaction with an AVB. The vibration response and the fretting-wear work-rate are measured in terms of displacement of the tube and contact force with the AVB using a test rig that reproduces the tube/support configuration as encountered in steam generators. This experimental setup was previously designed as part of another research project, but requires full revision to improve the accuracy of the results. This project is divided into four steps, which are: a) improvement of the experimental test rig and procedure, b) data acquisition of the tube mid-span displacement and the contact force between the tube and the AVB, c) development of a proper signal processing to compute the fretting-wear work-rate and d) analysis and interpretation of the results. To simplify the model, a straight tube simply supported at both ends and an AVB located at tube mid-span are used. The experimental set-up is instrumented with force sensors and laser sensors that measure the contact force of the tube against the AVB and the displacement of the tube at mid-span. The tube is excited by electromagnets that simulate two-phase cross-flow induced forces using a random narrow band noise of various amplitudes and frequencies.