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

À mon père."Moi qui ai cent ans, je sais de quoi je parle."-Oscar-Tiré de Oscar et la dame en rose par Eric-Emmanuel Schmitt. REMERCIEMENTSCe mémoire est le dénouement de deux ans de travail au sein de la chaire de recherche en interaction fluide-structure de l'École Polytechnique de Montréal.Mon apprentissage fut des plus enrichissants, tant d'un point de vue scientifique, professionnel que social.J'adresse d'abord mes remerciements à ma directrice de recherche, Annie Ross, pour sa grande disponibilité à superviser mon projet, pour son aide à m'orienter vers les droits chemins, pour sa minutie du travail réalisé avec soin, et plus particulièrement, pour sa personne entière, qui est une source d'inspiration incroyable.Annie, merci pour cette énergie, qui donne envie de repousser ses limites et d'atteindre l'inatteignable.Je remercie également mon co-directeur, Michel J. Pettigrew, pour la transmission de ses connaissances, pour ses recommandations et conseils judicieux, et pour sa méticulosité scientifique.L'avancement de la recherche en interaction fluide-structure n'aurait pu être aussi fructifiant sans la présence d'un tel pionnier.Je remercie la chaire industrielle CRSNG/EACL/BWC qui a rendu possible la faisabilité de ce projet grâce à sa contribution matérielle et financière.J'apprécie particulièrement l'intérêt porté à mes travaux de recherche par le personnel du laboratoire d'Énergie Atomique du Canada Limitée de Chalk River.Merci à tous mes collègues de bureau qui ont contribué à cette atmosphère d'entraide et de camaraderie au sein du laboratoire.Merci à Thierry Lafrance pour ses compétences techniques en conception et pour la mise en relation avec les fournisseurs.Un grand merci aussi à Bénédict Besner pour son aide précieuse en instrumentation et avec le logiciel d'acquisition de données.Je souhaite également une mirifique future carrière aux deux étudiants qui ont participé au projet, Richard Bazelais-Beauchamp et Frédéric Bergeron, sans qui la progression des travaux n'auraient pas été aussi efficace tant en conception, en prise de mesures, qu'en programmation.Vous ferez sans aucun doute d'excellents ingénieurs.Finalement, j'aimerais remercier ma famille, mes amis, mon homme, pour m'avoir soutenu moralement avec compréhension et patience durant ces deux années.Mais surtout, merci pour tous ces petits bonheurs, qui me font réaliser à quel point tout cela ne serait possible sans votre présence dans ma vie.v RÉSUMÉ 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.Le montage est instrumenté de capteurs de forces et de capteurs laser de vi position qui mesurent respectivement la force de contact entre le tube et l'AVB et le déplacement du tube en son centre.Le tube est excité à l'aide d'électroaimants qui simulent l'écoulement diphasique transverse en générant des forces aléatoires à bande étroite de diverses amplitudes et fréquences.De plus, le jeu ou la pré-charge entre le tube et la barre AVB est fixé à différentes valeurs d'un essai à l'autre avec une précision de 1µm.Les configurations en pré-charge correspondent aux cas où le tube est restreint par l'AVB en son centre et subit ainsi une flèche initiale.Les signaux temporels de position au centre du tube et de force de contact sont obtenus en fonction du jeu ou de la pré-charge entre le tube et l'AVB.Les signaux temporels sont ensuite traités à l'aide d'un code Matlab réalisé dans le cadre de ce projet.Le traitement de signal développé comprend l'atténuation du repliement et des bruits, ainsi que le calcul des spectres fréquentiels.La puissance d'usure est finalement calculée selon différentes approches.L'analyse de la réponse vibratoire est effectuée en inspectant les signaux temporels et les spectres de la position au centre du tube et de la force de contact, pour une excitation autour des deux premiers modes du tube.D'une part, pour une excitation autour du mode 1, le contact se fait par impacts et glissement combinés lorsqu'il y a un jeu entre le tube et l'AVB.Lors d'une grande pré-charge, le contact se fait seulement par glissement car le tube est précontraint par la barre AVB.D'autre part, pour une excitation autour du deuxième mode, il n'y a aucune force de contact entre le tube et l'AVB avec un jeu supérieur à 10µm.Lorsqu'une pré-charge est appliquée, la force de contact est cependant plus élevée que lors d'une excitation au premier mode, même si la déformée modale possède un nœud au centre du tube.De plus, les calculs de la puissance d'usure en fonction du jeu et de la pré-charge ont montré des courbes similaires pour une excitation autour des deux premiers modes de vibration.Dans les deux cas, la puissance d'usure est faible pour un jeu, tandis qu'elle est très élevée lors de l'application d'une faible précharge.Ce projet a permis d'évaluer l'efficacité des barres AVB quant à la réponse vibratoire et quant à l'usure par frottement des tubes de générateurs de vapeur.Il a été démontré qu'un traitement de signal approprié doit inévitablement être effectué pour calculer la puissance d'usure par frottement avec précision.Malgré les importantes améliorations effectuées sur le montage et la procédure expérimentale, plusieurs variables telles que la lubrification du contact, la vii température et la pression environnantes, ainsi que la longueur d'une travée, restent encore à être analysées.Quelques recommandations sont d'ailleurs évoquées dans le but de faire progresser l'avancement de la recherche dans le domaine.

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