L’ensemble des études fondamentales et des publications antérieures ayant été accusées et évaluées d’un point de vue critique, il est maintenant possible de proposer une méthodologie de recherche adéquate qui sera utilisée pour la réalisation de ce projet.
À ce jour, peu d’études se sont penchées sur la caractérisation expérimentale du comportement vibratoire des tubes en U de générateur de vapeur de réacteurs nucléaires. Dans la plupart de ces études, la dynamique des tubes en fonction de l’amplitude et de la fréquence d’excitation a été peu ou pas abordée. De plus, la dynamique du contact entre les tubes et les barres AVB variant selon le jeu ou la pré-charge est mal documentée et la fiabilité des résultats est souvent incertaine. Comme la puissance d’usure des tubes de générateurs de vapeur est de l’ordre de quelques milliwatts, plusieurs lacunes dans la précision des mesures des forces de contact et des déplacements sont fréquemment rencontrées.
Ce projet vise donc à étudier expérimentalement le comportement vibratoire d’un tube en interaction avec une barre AVB en répliquant la configuration tube/support telle que rencontrée dans les générateurs de vapeur de réacteurs nucléaires. La force de contact entre le tube et l’AVB ainsi que le déplacement du tube sont mesurés avec rigueur, d’abord dans le but de caractériser la dynamique vibratoire du système en fonction du jeu et de la force d’excitation, puis enfin dans le but d’évaluer la puissance d’usure.
Dans le cadre de ce même projet, une première étude expérimentale a permis d’amorcer la caractérisation du comportement dynamique d’un tube de générateur de vapeur en interaction avec une AVB [2]. Comme la fidélité des résultats obtenus lors de cette étude est déficiente, le montage expérimental, le traitement de signal et la procédure expérimentale doivent être perfectionnés. Afin de répondre aux objectifs, une méthodologie générale est proposée pour chacune des étapes du projet. Ces étapes sont les suivantes : amélioration du montage et de la procédure expérimentale, prise de mesures de la force de contact et du déplacement entre le tube et l’AVB en fonction du jeu et de la force d’excitation, élaboration d’une méthode de traitement de signal pour le calcul de la puissance d’usure, et interprétation et exploitation des résultats.
Les tubes en U de générateurs de vapeur qui subissent le plus d’usure par frottement sont ceux dont le rayon de courbure est le plus élevé. Ceux-ci sont supportés par des barres AVB de
sorte que la longueur d’une travée représente l’espace non-supporté compris entre deux points d’appuis tel que montré à la Figure 2.1.
Figure 2.1- Configuration d’un tube en U supporté par les AVB.
L’écoulement diphasique transverse du fluide engendre la vibration des tubes en U dans le plan et hors-plan comme vu à la Figure 2.2.
Figure 2.2- Mode de vibration du tube en U : a) hors-plan b) dans le plan.
Afin de simplifier le modèle expérimental, la configuration d’un tube en U est approximée par un tube droit d’une longueur de deux travées tel que représenté par la Figure 2.3. Les extrémités du tube sont conçues de façon à répliquer les conditions aux frontières d’un tube simplement supporté, ce qui permet de représenter le cas pratique où le glissement du tube est inexistant contre les supports situés aux extrémités des deux travées. La barre AVB du montage expérimental est positionnée à la demi-longueur du tube. Les forces induites par l’écoulement diphasique transverse sont simulées par l’application d’une force électromagnétique en un seul
point du tube. De plus, des capteurs de position et de force mesurent le déplacement du tube et la force de contact au niveau de la barre AVB.
Figure 2.3- Configuration simplifiée du tube et de l’AVB.
Dans les tests menés antérieurement, plusieurs types d’excitation ont été étudiés, soit les excitations sinusoïdales, aléatoires à large bande et aléatoires à bande étroite [2]. Cette étude a permis d’appuyer la conclusion selon laquelle l’utilisation d’un bruit blanc dans une bande de 10Hz autour de chaque fréquence naturelle du tube était acceptable afin d’estimer les vibrations induites par l’écoulement dans les générateurs de vapeur. Les résultats ont également illustré que le comportement dynamique est le même pour tous les modes de flexion impairs. Un comportement différent a cependant été observé pour tous les modes pairs. Pour ces raisons, seules des forces d’excitation aléatoires dans une bande de ±5Hz autour du premier et du deuxième mode de flexion du tube sont utilisées dans cette procédure expérimentale. Les fréquences naturelles du tube sont donc à déterminer. La Figure 2.4 présente la forme modale du tube des deux premiers modes de flexion.
Figure 2.4- Forme modale du tube : a) Mode 1 b) Mode 2.
De plus, tel que décrit à la revue de la littérature, les forces d’excitation aléatoires par unité de longueur du tube, présentées sous une forme normalisée, peuvent être calculées par la
méthode de la densité spectrale de puissance équivalente (ESPD). Cette approche est donc utilisée afin d’évaluer l’amplitude des forces d’excitation utilisées pour exciter le tube lors des essais.
La position relative de l’AVB, par rapport à la position d’équilibre initiale du tube, est également une considération importante dans l’analyse du comportement vibratoire. D’une part, le tube peut soit être en contact avec l’AVB en étant précontraint par celle-ci, ou d’autre part, le tube peut initialement être éloigné de la barre AVB, sans qu’ils ne se touchent. Le montage expérimental est donc conçu pour pouvoir adopter l’une ou l’autre de ces deux configurations. Différents jeux ou pré-charges entre le tube et l’AVB peuvent ainsi être fixés successivement à chaque essai expérimental avec une précision de 1µm.
Les études précédentes ont montré que la précision de l’analyse de la réponse vibratoire et du calcul de la puissance d’usure dépend fortement d’une manipulation et d’un traitement adéquat des signaux temporels de force de contact et de déplacement [2, 28]. L’évaluation du bruit des capteurs de force et des capteurs de position doit donc être réalisée afin d’éventuellement trouver les solutions pour atténuer son effet nuisible. De plus, puisque l’analyse vibratoire nécessite le passage des données du domaine temporel à l’espace fréquentiel, un calcul judicieux des spectres de force et de position doit être accompli. Pour ce faire, différentes techniques de traitement de signal, telles qu’un fenêtrage approprié et un moyennage des spectres, doivent être utilisées.
Finalement, une fois les signaux de force et de position convenablement traités, la puissance d’usure normale est calculée en fonction du jeu ou de la pré-charge et de la force d’excitation. Puisque l’acquisition des données de force et de position réduit les signaux analogiques à des séries de points discrets, l’intégrale de la puissance d’usure doit être modifiée en une somme. Différentes approches pour le calcul de la puissance d’usure sont donc proposées et comparées entre elles, toujours dans l’optique d’atteindre une meilleure précision des résultats.
Dans les chapitres 3 à 5 qui suivent, chacune des étapes de la méthodologie est présentée en détail.