Code de conception Américain (ASME)

Nous parlerons principalement du code de conception ASME, différent du code RCC-M (Règles

de Conception et de Construction des Matériels Mécaniques des Ilots Nucléaires REP) utilisé par AREVA pour le dimensionnement en fatigue des composants REP. Cependant AREVA utilise

également le code ASME pour la conception de l’EPRTM

aux Etats-Unis.

Le code ASME « Boiler and Pressure Vessel » ; Section III ; Sous-section NB, fournit les règles de conception des composants de Classe 1 des centrales nucléaires aux Etats-Unis. Il considère la fatigue comme un mode possible d’endommagement des enceintes sous pression et des tuyauteries.

La fatigue est une préoccupation majeure dans les industries Automobile et Aéronautique pour la conception de pièces soumises à de grands nombres de cycles (Fatigue - Endurance) et leur but est souvent de déterminer la limite de fatigue.

En revanche, les chargements cycliques des composants de réacteurs sont occasionnés par des variations de chargements thermiques et mécaniques occasionnés par exemple par des arrêts redémarrages de tranches ou pour différents transitoires de fonctionnement. Le nombre de cycles

vus par le composant durant sa vie excède rarement 105

cycles et est plutôt pour les grands transitoires de l’ordre de quelques milliers, car les déformations plastiques cycliques sont importantes (Fatigue Oligocyclique).

Les procédures d’évaluation du risque d’endommagement par Fatigue du code ASME, sont décrites dans les parties NB-3200 « Design by Analysis » et NB-3600 « Piping Design ». Pour chaque cycle de contrainte ou chaque type de chargement, un facteur d’usage individuel est déterminé en faisant le rapport entre le nombre de cycles attendus et le nombre de cycles admissibles. Les figures I-9.1 à I-9.6 de l’annexe I obligatoire du code ASME ; section III, représentent les courbes de conception qui définissent le nombre de cycles admissibles en fonction de l’amplitude de contrainte appliquée.

Le facteur d’usage cumulé (CUF : Cumulative Usage Factor) est la somme des facteurs d’usage individuels et ne doit pas être supérieur à 1.

Les courbes de conception du code ASME sont basées sur des essais effectués sous air à température ambiante sur des éprouvettes polies. Elles correspondent à des courbes moyennes

établies sur la base de données expérimentales ε-N dont les déformations ont été divisées par 2 et

le nombre de cycles par 20. Elles sont exprimées par les équations définies il y a 40 ans par Langer [114] dont la forme est la suivante (cf. Équation I-9) :

2 1 1 A N A ⁿ a = × − + ε

Équation I-9: Forme des équations des courbes moyennes utilisées pour établir les courbes de conception

εεεε-N du code ASME

L’amplitude de déformation appliquée est représentée par εεεεa, la durée de vie par N et les variables

A1, A2et n1 sont les coefficients de ce modèle. Précisons que cette équation peut également être

exprimée en fonction de l’amplitude de contrainte pseudo élastique Sa telle que Sa = E. εεεεa, E

La durée de vie en fatigue d’un matériau est en général définie comme étant le nombre de cycles effectués jusqu’à une chute de 25% de la valeur maximale ou stabilisée de la contrainte de traction. Pour les éprouvettes couramment utilisées dans ce type d’essais, la durée de vie correspond à la création d’une fissure profonde d’environ 3mm. La durée de vie est donc décrite en fonction de trois paramètres qui sont : l’amplitude de déformation, le nombre de cycles et la profondeur de la fissure principale. Ainsi, le nombre de cycles nécessaire à la création d’une fissure profonde d’environ 3mm est le plus souvent exprimé en réécrivant l’Équation I-9 comme suit, cf. Équation I-10.

) ln(

)

ln(N = A−B

ε

Équation I-10: Forme plus courante des équations des courbes de conception εεεε-N utilisées dans le code ASME

Les paramètres A, B et C sont des constantes telles que C représente la limite de fatigue du matériau et B, la pente du tracé log (ε) – log (N).

Les courbes de conception ε-N du code ASME ont donc été obtenues après une analyse

statistique des données expérimentales permettant d’obtenir des courbes moyennes qui ont elles-mêmes été ajustées des effets de la contrainte moyenne en utilisant la relation de Goodman modifiée et enfin, la durée de vie en chaque point de cette courbe ajustée a été diminuée d’un

facteur2 pour la déformation et d’un facteur 20 pour le nombre de cycles.

Cette méthode est conservative et les facteurs 2 et 20 ne sont pas des marges de sécurité mais plutôt des facteurs d’ajustement qui doivent être appliqués aux résultats obtenus sur petites éprouvettes pour permettre une estimation raisonnable des durées de vie des composants de réacteurs.

Le document [115] qui définit les « criteria » du code ASME ; Section III, précise que ces facteurs doivent inclure : la dispersion expérimentale (incluant la variabilité des matériaux), les différences d’état de surface et les différences de tailles entre les éprouvettes et les composants de réacteurs. En compléments de ce document, Cooper [116] précise que le facteur 20 sur la durée de vie est le produit des trois sous – facteurs suivants :

1. Dispersion expérimentale : 2

2. Effet de la taille : 2,5

3. Influences de l’état de surface, de l’atmosphère, etc. : 4

Le document [115] considérait que les effets d’environnement étaient couverts par ces facteurs 2 et 20 mais Cooper a précisé plus tard que le terme « atmosphère » représentait le milieu industriel

par opposition à l’air conditionné d’un laboratoire et que les effets potentiels d’un milieu de refroidissement spécifique aux centrales nucléaires n’étaient pas pris en compte.

La sous section NB-3121 du code ASME ; Section III note explicitement que les données utilisées pour l’établissement des courbes de conception n’incluent absolument pas d’essais en milieu corrosif qui pourrait accélérer la rupture en fatigue. L’article B-2131 de l’annexe B de la Section III, précise que le constructeur doit fournir dans ses règles de dimensionnement, toutes informations concernant des réductions de durées de vie occasionnées par des effets d’environnement.

Dans la Section III, le code ASME présente donc les courbes de conception, applicables aux matériaux de structure. Cependant, les effets de l’environnement eau LWR ne sont pas explicitement pris en compte par ces courbes. Les données de fatigue existantes mettent en évidence un effet significatif du milieu eau LWR sur la résistance en fatigue des matériaux des cuves et des tuyauteries. Pour certaines conditions de chargement et d’environnement très défavorables, la durée de vie en milieu eau LWR peut par exemple être inférieure à celle sous air,

d’un facteur 15 pour les aciers inoxydables austénitiques, d’un facteur 5 pour les alliages

Ni-Cr-Fe et d’un facteur > 50 pour les aciers au carbone ou faiblement alliés en présence d’oxygène dissous. Par conséquent, les marges du code ASME sont sans doute moins conservatives que supposées initialement.

Des études montrent ainsi que le milieu eau LWR est responsable de réductions importantes de durées de vie engendrées par une accélération de l’amorçage [117] & (cf. paragraphe I.2.3.2) et de la propagation [118] & (cf. paragraphe I.2.3.2) des fissures de fatigue. Ces effets d’environnements sont fonction de paramètres clefs définis dans le paragraphe I.2.3.1.

Deux approches ont été proposées pour incorporer les effets d’environnement dans le code ASME ; Section III « Fatigue Evaluations for Primary Pressure Boundary Components in Operating Nuclear Power Plants » :

1. Développer de nouvelles courbes de conception applicables au milieu eau LWR.

Cette première approche serait basée sur les mêmes procédures que celles du code ASME, mais ici les données expérimentales utilisées seraient issues d’essais conduits en milieu eau LWR. Toutefois, vu que les effets d’environnement sur la durée de vie en fatigue dépendent de nombreux paramètres, une telle approche nécessiterait le développement de nombreuses courbes de conception afin de couvrir toutes les conditions rencontrées par les centrales en service.

2. Utiliser un facteur d’effets d’environnement eau LWR nommé Fen. Cette seconde

La courbe moyenne du code ASME définie par Langer pour les aciers inoxydables austénitiques testés sous air à l’ambiante est décrite par l’Équation I-11 ou l’Équation I-12.

) 167 . 0 ln( 0 . 2 954 . 6 ) ln(N = −

ε

Équation I-11: Equation de la courbe moyenne εεεε-N, proposée par Langer pour un acier inoxydable austénitique 167 . 0 365 . 32 × ^0.5 + = − N a ε

Équation I-12: Autre version de l'équation de la courbe moyenne εεεε-N, proposée par Langer pour un acier inoxydable austénitique

Le rapport NUREG/CR-6909 [119] & (cf. paragraphe I.2.3.1) révise cette courbe moyenne du

code ASME et remet en cause les marges de 2 sur les contraintes/déformations et de 20 sur les durées de vie, utilisées pour la détermination des courbes de conception. Ce rapport évalue également le conservatisme probable des courbes de conception du code ASME.