Membres du jury

• Gourdin Cédric, HDR - Expert Recherche - CEA Rapporteur
• Coret Michel, Professeur - École Centrale de Nantes Rapporteur
• Brancherie Delphine, Professeur - UTC Examinateur
• Hamdi Hédi, Professeur - École Centrale de Lyon Examinateur
• Bergheau Jean-Michel, Professeur émérite - École Centrale de Lyon Directeur de thèse
• Chapuliot Stéphane, HDR, Expert Recherche - EDF Co-directeur de thèse
• Dahl Anna, Experte Recherche - EDF Encadrante
• Leblond Jean-Baptiste, Professeur émérite - Sorbonne Université Invité

Thèse préparée dans le laboratoire d’EDF lab les Renardières

Résumé

Les circuits primaire et secondaire des réacteurs à eau pressurisée (REP) constituent  complexe de tuyauteries et de composants en acier soudés sous pression. En tant que deuxième barrière contre la propagation des matières fissiles, assurer l’intégrité de ces circuits est un objectif majeur de sûreté. Cela doit couvrir toutes les situations de chargement possibles rencontrées en service (fonctionnement normal et situations accidentelles) ainsi que tous les modes de défaillance possibles, en fonctions des matériaux et les conditions d’utilisation associées. Pour les structures concernées, les joints soudés sont le plus souvent visés par l’évaluation de la mécanique de la rupture : les soudures peuvent présenter des défauts (ex. manque de fusion) et ont généralement une résistance à la rupture inférieure à celle du métal de base forgé. De plus, elles peuvent présenter des contraintes résiduelles de soudage (CRS) qui doivent être prises en compte dans l’évaluation. Le processus de soudage génère des contraintes résiduelles en raison des forts gradients de température qu’il crée. Leur impact potentiel sur le risque de défaillance est directement lié au comportement du matériau. Il a été démontré que ces CRS ont un impact sur le risque de rupture dans le domaine fragile où le comportement est quasi-élastique, mais cet impact semble être surestimé dans le haut de la transition fragile-ductile. Par conséquent, l’industrie doit développer des critères adaptés à la prise en compte des CRS dans l’analyse de la mécanique de la rupture, valider ces critères par des expériences à différentes échelles, puis définir les zones où ces contraintes doivent être prises en compte ou peuvent être négligées. Dans ce contexte, cette thèse poursuit deux objectifs principaux. Le premier consiste à mettre en place une campagne d’essais et l’interprétation numérique associée afin de quantifier l’impact des CRS dans le haut de la transition fragile-ductile d’un acier ferritique. Le second objectif est de démontrer le sur-conservatisme de l’approche globale et la pertinence de l’approche locale pour quantifier l’effet des CRS sur le risque de rupture fragile. Un essai sur une structure avec des CRS a été réalisé dans le haut de la transition, permettant d’évaluer expérimentalement leur effet. Par ailleurs, la mise en œuvre d’un modèle d’approche locale, incluant l’identification des paramètres et son application sur l’essai, a montré qu’il n’y avait pas d’effet significatif des CRS sur la rupture dans le domaine de températures/conditions d’essais visité.

Abstract

The primary and secondary PWR (Pressurized Water Reactor) circuits are a complex set o pressure-welded steel piping and components. As the second barrier against the spread of fissile materials, ensuring the integrity of these circuits is a major safety objective. It must cover all possible loading situations encountered in service (normal operation as well as accidental situations) and all possible failure modes, depending on the materials and the associated operating conditions. For the structures we are talking about, welded joints are most often concerned by the fracture mechanics assessment : the welds may present defects (ex. lack of fusion) and generally have a lower fracture resistance than the forged base metal. Additionally, they may present some Welding Residual Stresses (WRS) that might be taken into account in the assessment. The welding process generates residual stresses due to the high temperature gradients it creates. Their potential impact on the risk of failure is directly related to material behaviour. These WRS have been shown to have an impact on the risk of fracture in the brittle domain where the behaviour is quasi-elastic, but this impact appears to be overes-timated in the upper shelf of the transition curve. As a consequence, the industry needs to develop criteria adapted to the problem of taking WRS into account in the analysis of fracture mechanics, and to validate these criteria through experiments at different scales then define the areas where these stresses must be taken into account or can be neglected. In this context, this thesis pursues two main objectives. The first is to set up a testing campaign and the associated numerical interpretation to quantify the impact of WRS in the upper shelf of the brittle-ductile transition of a ferritic steel. The second objective is to demonstrate the over-conservatism of the global approach and the relevance of the local approach for quantifying the effect of WRS on the risk of brittle fracture. A test on a structure with WRS was conducted in the upper shelf of the transition, allowing for an experimental evaluation of their effect. Furthermore, the implementation of a local approach model, including parameter identification and application to the test, showed that there was no significant effect of WRS on fracture in the temperature range/test conditions visited.