FR3053141A1 - METHOD FOR ESTIMATING THE RESIDUAL LIFE OF PRESSURIZED EQUIPMENT - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour déterminer des paramètres physiques responsables des mécanismes de dégradation, dits paramètres de fatigue, d'un équipement sous pression, dans lequel procédé on utilise une unité de traitement pour réaliser les étapes suivantes : - activation d'un modèle numérique couplé thermo-hydraulique et fatigue mécanique qui consiste en la résolution numérique d'un système d'équations, ce modèle numérique étant apte à calculer en temps réel des paramètres de fatigue en toute zone modélisée de l'équipement sous pression, - réception de mesures provenant d'un ensemble de capteurs répartis dans l'environnement direct ou indirect de l'équipement sous pression en exploitation, - calcul des paramètres de fatigue en temps réel et en au moins une zone modélisée de l'équipement sous pression, à partir dudit modèle numérique et en intégrant comme conditions aux limites au moins lesdites mesures.The present invention relates to a method for determining physical parameters responsible for the degradation mechanisms, called fatigue parameters, of a pressure equipment, in which process a processing unit is used to carry out the following steps: activation of a model thermo-hydraulic coupled digital system and mechanical fatigue which consists in the numerical resolution of a system of equations, this numerical model being able to calculate in real time fatigue parameters in any modelized zone of the pressure equipment, - reception of measurements from a set of sensors distributed in the direct or indirect environment of the pressure equipment under operation, - calculation of fatigue parameters in real time and in at least one modeled zone of the pressure equipment, from of said digital model and incorporating as boundary conditions at least said measurements.
Description
«Procédé pour estimer la durée de vie résiduelle d'un équipement sous pression.»"Method for estimating the residual life of pressure equipment."
La présente invention se rapporte à un procédé pour déterminer des paramètres de fatigue pour un équipement soumis à de fortes contraintes physiques et permettre d'allonger sa durée d'exploitation. Elle concerne avantageusement un système qui s'appuie sur des équipements sous pression (ESP) dans le cadre d'une centrale électronucléaire, dans lequel on met en œuvre un tel procédé. Elle peut néanmoins s'appliquer à tout équipement sous pression d'une installation industrielle, comme par exemple une installation de production agro-alimentaire, une installation de production de produits chimiques, une centrale thermique à flamme, etc.The present invention relates to a method for determining fatigue parameters for equipment subjected to high physical constraints and to extend its operating life. It advantageously relates to a system that relies on pressure equipment (ESP) in the context of a nuclear power plant, in which such a method is implemented. It can nevertheless be applied to any pressure equipment of an industrial installation, such as an agro-food production facility, a chemical production facility, a thermal flame station, etc.
Etat de la technique antérieureState of the art
De façon générale, une centrale nucléaire produit de l’électricité grâce à la chaleur qui se dégage lors de la fission des atomes d’uranium et/ou de plutonium. Le cœur d’une centrale nucléaire est constitué par son réacteur qui est dans la plupart des cas un réacteur à eau pressurisée (eau sous pression) ou à eau bouillante. Le combustible est sous forme de pastilles d'oxyde-uranium ou d'un mélange d'oxyde d'uranium et d'oxyde de plutonium, empilées dans une gaine métallique qui constitue la première barrière de protection. Les circuits associés aux systèmes assurant une fonction importante pour la sûreté de l'ensemble doivent rester intègres. Ce sont les circuits primaire et secondaire, qui font circuler des fluides caloporteurs, et les circuits des systèmes auxiliaires, le tout regroupant un ensemble d'équipements sous pression. Cette production d’électricité d’origine nucléaire génère de la radioactivité. La sûreté des installations et la sécurité des personnes est un impératif.In general, a nuclear power plant produces electricity through the heat generated by the fission of uranium and / or plutonium atoms. The heart of a nuclear power plant is its reactor, which is in most cases a pressurized water reactor (pressurized water) or boiling water reactor. The fuel is in the form of oxide-uranium pellets or a mixture of uranium oxide and plutonium oxide, stacked in a metal sheath which constitutes the first protective barrier. The circuits associated with the systems that provide an important function for the safety of the whole must remain intact. These are the primary and secondary circuits, which circulate heat transfer fluids, and the circuits of the auxiliary systems, the whole gathering a set of equipment under pressure. This production of nuclear electricity generates radioactivity. The safety of the facilities and the safety of the people is imperative.
Au cours de la vie d’une centrale nucléaire, pour garantir l'intégrité du matériel tout au long de sa durée de vie, l'exploitant doit estimer la durée de vie résiduelle des équipements. Cela passe par : - l'identification de la nature des chargements (phénomènes physiques auquel est soumis l’équipement), - la connaissance des risques potentiels associés aux modes de dégradation et au vieillissement, - et l'évaluation du comportement de la structure et de la marge au fonctionnement.During the life of a nuclear power plant, to ensure the integrity of the equipment throughout its life, the operator must estimate the remaining life of the equipment. This involves: - the identification of the nature of the loadings (physical phenomena to which the equipment is subjected), - the knowledge of the potential risks associated with the modes of degradation and the aging, - and the evaluation of the behavior of the structure and operating margin.
Les trois principaux types de chargements des équipements constituant les circuits sont la pression, la vibration et la température et leurs variations. A ceux-ci s'ajoutent les sollicitations extérieures comme par exemple des contraintes mécaniques induites par un équipement voisin. Dans le cas d'un équipement exposé aux rayonnements, la structure des matériaux peut être modifiée et les déplacements par atomes peuvent contribuer à la dégradation de l'équipement. Les chargements subis par les équipements peuvent être unitaires ou concomitants, constants ou variables. Un chargement peut engendrer plusieurs modes de dégradation et des chargements concomitants peuvent aboutir au même mode de dégradation.The three main types of loadings of the equipment constituting the circuits are the pressure, the vibration and the temperature and their variations. To these are added external stresses such as, for example, mechanical stresses induced by neighboring equipment. In the case of equipment exposed to radiation, the structure of the materials can be modified and displacements by atoms can contribute to the degradation of the equipment. Loadings to equipment may be unitary or concurrent, constant or variable. A load can generate several modes of degradation and concomitant charges can lead to the same mode of degradation.
Les différents modes de dégradation et de vieillissement des équipements sont : la rupture brutale, la déformation excessive, les instabilités plastiques, élastiques ou élasto-plastiques, la déformation progressive, le fluage, la corrosion, le flambage et la fatigue.The different methods of degradation and aging of the equipment are: sudden breakage, excessive deformation, plastic, elastic or elastoplastic instabilities, progressive deformation, creep, corrosion, buckling and fatigue.
La fatigue est un phénomène conduisant à la défaillance d'une pièce sous l'action de chargements répétés (cycliques ou, en tous cas, variables).Fatigue is a phenomenon leading to the failure of a part under the action of repeated loads (cyclic or, in any case, variables).
Dans le cas des équipements sous pression d'une centrale nucléaire, la fatigue est due aux différents types de chargements décrits ci-dessus mais plus particulièrement aux chargements thermiques dans les boucles des circuits primaires, secondaires et annexes. Les fluides circulant dans les circuits sont à des températures élevées et variables et transportent de grandes quantités d’énergie, ce qui entraîne de fortes contraintes thermiques sur les matériaux constitutifs des circuits. D'une manière générale, le mécanisme de défaillance d'un équipement par la fatigue est le suivant : apparition d'une déformation suivie de l'apparition de fissures suivi de la propagation des fissures qui provoque un percement puis une rupture.In the case of pressure equipment of a nuclear power station, the fatigue is due to the different types of loadings described above but more particularly to the thermal loadings in the loops of the primary, secondary and auxiliary circuits. The fluids circulating in the circuits are at high and variable temperatures and carry large amounts of energy, which results in high thermal stresses on the constituent materials of the circuits. In general, the mechanism of failure of a piece of equipment by fatigue is the following: appearance of a deformation followed by the appearance of cracks followed by the propagation of cracks which causes a boring then a break.
Actuellement, l'estimation de la durée de vie résiduelle des équipements lourds (équipements sous pression) se fait via le comptage des événements thermo-hydrauliques locaux pouvant induire des phénomènes de fatigue, appelé comptage de situations. Une situation est définie par les variations des grandeurs physiques (par exempleCurrently, the estimation of the residual life of heavy equipment (pressure equipment) is done by counting local thermo-hydraulic events that can induce fatigue phenomena, called counting situations. A situation is defined by the variations of the physical quantities (for example
Température, Pression, Débit) et le nombre d'occurrences associées. Ces deux familles de variables définissent une enveloppe pénalisante de la réalité, utilisée pour dimensionner les composants lors de leur conception. A titre d'exemple non limitatif, selon les codes de conception en vigueur ASME et RCC-M et selon le Décret du 13 décembre 1999 relatif aux ESP et l'Arrêté du 12 décembre 2005 relatif aux ESPN constituant la réglementation en vigueur, dès la conception : - il est de la responsabilité de l'exploitant de fournir la liste des situations, auxquelles la centrale sera confrontée pendant son fonctionnement, et les spécifications techniques d'exploitation (prévision), - le fabricant dimensionne les matériels mécaniques à partir de ces données d'entrée.Temperature, Pressure, Flow) and the number of associated occurrences. These two families of variables define a penalizing envelope of reality, used to dimension the components during their design. By way of non-limiting example, according to the current design codes ASME and RCC-M and according to the Decree of December 13, 1999 relating to ESP and the Decree of December 12, 2005 relating to the ESPN constituting the regulations in force, from the design: - it is the responsibility of the operator to provide the list of situations, which the plant will face during its operation, and the technical specifications of operation (forecast), - the manufacturer designs the mechanical equipment from these input data.
Puis, en exploitation, l'exploitant doit vérifier que la liste des situations qu'il a fournie à la conception est respectée pendant le fonctionnement de la centrale. Sinon, il doit justifier des écarts et mettre à jour cette liste des situations.Then, in operation, the operator must verify that the list of situations he has provided to the design is respected during the operation of the plant. Otherwise, it must justify discrepancies and update this list of situations.
La méthode de comptage actuelle est basée sur un comptage de situations sur les équipements principaux. Mais le nombre de cas et leurs impacts sont le plus souvent surévalués, ce qui rend la méthode pénalisante par mesure de précaution. Donc, cette méthode réduit in fine la durée de vie résiduelle estimée des équipements par rapport à la durée de vie résiduelle réelle.The current counting method is based on a count of situations on the main equipment. But the number of cases and their impacts are mostly overvalued, which makes the method penalizing as a precaution. Therefore, this method ultimately reduces the estimated residual service life of the equipment compared to the actual residual service life.
De plus, le comptage des situations ne concerne actuellement qu'une partie des sous-systèmes et des composants des centrales nucléaires, essentiellement les gros équipements. Or, il convient de prendre en compte les autres systèmes qui peuvent induire une longue indisponibilité de la centrale en cas de défaillance suite à une défaillance par fatigue d'un des sous-systèmes ou composants non suivis.Moreover, the count of situations currently only concerns a part of the subsystems and components of nuclear power plants, mainly large equipment. However, other systems must be taken into account which can lead to a long downtime of the plant in case of failure following a fatigue failure of one of the subsystems or components not followed.
Enfin, le cumul des situations proches des seuils de sécurité n'est pas pris en compte. Le comptage des événements thermo-hydrauliques locaux pouvant induire une fatigue des équipements sous pression n'est pas piloté de manière optimum. Ainsi, si les événements thermo-hydrauliques restent sous les seuils de définition des situations, le compteur n'est pas impacté.Finally, the accumulation of situations close to the security thresholds is not taken into account. The counting of local thermo-hydraulic events that can induce fatigue of the pressurized equipment is not controlled optimally. Thus, if the thermo-hydraulic events remain below the thresholds of definition of the situations, the counter is not impacted.
De même les faiblesses localisées ne sont pas considérées. Ce sont des zones critiques (zone de mélange de fluides, zone de soudure, zone de variation d'épaisseur....) qui peuvent entraîner des pannes matérielles, comme par exemple la rupture des échangeurs Primaire/Secondaire par fatigue thermique dans une zone de mélange. A la suite d'une conférence le 23 novembre 2000, organisée par la Société Française d'Energie Nucléaire (SFEN), sur l'endommagement par fatigue des installations nucléaires, des spécialistes ont abordé les aspects suivants : - Principes fondamentaux du comportement cyclique et de l'endommagement par fatigue des matériaux métalliques, - Démarche générale de prévention du risque d’endommagement par fatigue des matériels des chaudières nucléaires : de la conception au suivi en exploitation, - Prévention du risque de rupture par fatigue vibratoire des tubes de générateurs de vapeur, - Dimensionnement des structures à la fatigue thermomécanique dans l’industrie automobile, - Etudes et installations de R&D pour la prédiction de la fatigue thermique, - Endommagement par fatigue dans les centrales nucléaires : illustration par quelques cas rencontrés, - Fatigue à grand nombre de cycles : benchmark d’un Té de tuyauterie de la centrale Phénix, - Analyse des fissures transverses de fatigue dans les arbres de turbines, - Démarche de qualification selon le RSE-M de procédés d’examen non destructif, - Exemple d’application à la détection de l’endommagement par fatigue des tuyauteries en acier inoxydable,Similarly localized weaknesses are not considered. These are critical zones (fluid mixing zone, weld zone, thickness variation zone, etc.) that can lead to material failures, such as for example the rupture of the Primary / Secondary heat exchangers by thermal fatigue in a zone. mixture. Following a conference held on 23 November 2000, organized by the French Nuclear Energy Society (SFEN), on the fatigue damage of nuclear installations, specialists discussed the following aspects: - Fundamental principles of cyclical behavior and fatigue damage of metallic materials, - General approach to prevent the risk of fatigue damage of nuclear boiler equipment: from design to operation monitoring, - Prevention of the risk of vibratory fatigue rupture of generator tubes. steam, - Design of thermomechanical fatigue structures in the automotive industry, - R & D studies and installations for the prediction of thermal fatigue, - Fatigue damage in nuclear power plants: illustration by some cases encountered, - Fatigue to a large number of cycles: benchmarking of a pipe tee at the Phoenix plant, - analysis of transverse fatigue cracks in turbine shafts, - Non-destructive examination methods CSR-M qualification procedure, - Application example for the detection of fatigue damage of stainless steel pipes,
- Prise en compte des risques de fatigue dans les programmes de maintenance des tranches REP- Fatigue risks taken into account in REP slab maintenance programs
Cette conférence a donné lieu à un recueil rassemblant les rapports des sujets ci-dessus, ce recueil étant accessible sur le site de ΓΙΑΕΑ : www.iaea.orQ/inis/collection/NCLCollectionStore/ Public/32/048/32048 976.pdf. Ces rapports décrivent l'état de la technique et l'importance de la prise en compte des risques de fatigue.This conference resulted in a compendium compiling the reports of the above topics, which are available on the site website: www.iaea.orQ / inis / collection / NCLCollectionStore / Public / 32/048/32048 976.pdf. These reports describe the state of the art and the importance of taking into account the risks of fatigue.
On connaît le document US 5315530 « A Real-time control of complex fluid Systems using generic fluid transfer model » qui propose l'utilisation d'un modèle générique pour un suivi temps réel d'un système fluide.Document US Pat. No. 5,315,530 discloses the use of a generic model for real-time monitoring of a fluid system.
On connaît le document CN104865061 « Real-time fatigue life prédiction method based on probabilistic cumulative damage » qui mesure un signal et applique un filtre avec une approche probabiliste.Document CN104865061 "Real-time fatigue life prediction method based on probabilistic cumulative damage" is known which measures a signal and applies a filter with a probabilistic approach.
On connaît également le document US2004079164 décrivant une méthode d’estimation de la fatigue à partir notamment de différences de températures d’un élément du réacteur entre deux états de fonctionnement de ce réacteur.Document US2004079164 describes a method for estimating fatigue from, in particular, temperature differences of a reactor element between two operating states of this reactor.
La présente invention a pour but de quantifier l'état de fatigue des équipements sous pression au plus juste de façon à ne plus le surévaluer ni le sous évaluer en intégrant des situations sous les seuils et de pouvoir répondre à la demande d'optimisation de leur exploitation et donc d'allongement de leur durée de vie, ceci en connaissance de cause.The purpose of the present invention is to quantify the state of fatigue of pressure equipment in the most accurate way so as not to overvalue or underestimate it by integrating situations under the thresholds and to be able to respond to the demand for optimizing their performance. exploitation and therefore lengthening their life, this knowingly.
Elle a également pour but le suivi de certains composants ou systèmes non principaux de façon à limiter les arrêts de l'installation pour remplacement d'équipements endommagés ou pour pannes non anticipées. L’invention a encore pour but un système permettant de prévenir certaines pannes difficilement décelables avec la méthode de comptage actuelle. L’invention a encore pour but de justifier de l'historique de la fatigue des équipements et donc de réduire les délais d'études et d'analyses.It also aims to monitor certain non-main components or systems so as to limit the shutdown of the installation to replace damaged equipment or unanticipated failures. The invention also aims a system to prevent certain failures difficult to detect with the current counting method. The invention also aims to justify the history of equipment fatigue and thus reduce the time required for studies and analyzes.
Exposé de l'inventionPresentation of the invention
On atteint au moins l’un des objectifs avec un procédé permettant de déterminer des paramètres de fatigue pour un équipement sous pression. Lesdits paramètres sont des contraintes physiques responsables des mécanismes de dégradation par fatigue des équipements. Ils peuvent être entre autre la température et/ou la pression et/ou le débit et/ou la vibration et/ou le rayonnement.At least one of the objectives is achieved with a method for determining fatigue parameters for a pressure equipment. Said parameters are physical constraints responsible for the fatigue degradation mechanisms of the equipment. They can be, among others, the temperature and / or the pressure and / or the flow rate and / or the vibration and / or the radiation.
Dans ledit procédé on utilise une unité de traitement pour réaliser les étapes suivantes : - activation d’un modèle numérique couplé thermo-hydraulique et fatigue mécanique qui consiste en la résolution numérique d'un système d'équations, ce modèle numérique étant apte à calculer en temps réel des paramètres de fatigue en toute zone modélisée de l'équipement sous pression, - réception de mesures provenant d'un ensemble de capteurs répartis dans l'environnement direct ou indirect de l'équipement sous pression en exploitation, - calcul des paramètres de fatigue en temps réel et en au moins une zone modélisée de l'équipement sous pression, à partir dudit modèle numérique et en intégrant comme conditions aux limites au moins lesdites mesures.In said method, a processing unit is used to carry out the following steps: activation of a coupled thermo-hydraulic numerical model and mechanical fatigue which consists in the numerical resolution of a system of equations, this numerical model being able to calculate real-time fatigue parameters in any modeled zone of the pressure equipment, - reception of measurements from a set of sensors distributed in the direct or indirect environment of the pressure equipment under operation, - calculation of the parameters real-time fatigue and at least one modeled area of the pressure equipment, from said numerical model and incorporating as boundary conditions at least said measurements.
La présente invention permet ainsi d'élaborer un système d'enregistrement et de traitement des données de sorties de capteurs ou d'instrumentations existants ou futurs pour quantifier la fatigue de tous les équipements sous pression concernés.The present invention thus makes it possible to develop a system for recording and processing data from existing or future sensor outputs or instrumentations for quantifying the fatigue of all the pressure equipment concerned.
On entend par modèle numérique un ensemble d'équations décrivant le comportement physique d'un système et résolues par un code de calcul utilisant des méthodes numériques particulières.A numerical model is defined as a set of equations describing the physical behavior of a system and solved by a computer code using particular numerical methods.
Le modèle numérique peut être un modèle intégrant au moins la topologie de l'équipement, la nature des matériaux utilisés, leurs propriétés physico-chimiques ainsi que les systèmes d'équations régissant les phénomènes physiques inducteurs directs ou indirects de la dégradation de l'équipement (fatigue, corrosion...). L’initialisation des calculs se fait avantageusement avec les éléments de conception qui sont des données géométriques, chimiques et technologiques de l'équipement (topologie, données matériau, date de mise en service, numéro de lot s'il y a lieu, historique des soudures par exemple....).The numerical model can be a model integrating at least the topology of the equipment, the nature of the materials used, their physicochemical properties as well as the systems of equations governing the direct or indirect physical phenomena inducing the deterioration of the equipment. (fatigue, corrosion ...). The initialization of the calculations is done advantageously with the design elements which are geometric, chemical and technological data of the equipment (topology, material data, date of commissioning, batch number if necessary, history of welds for example ....).
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, le modèle couplé thermo-hydraulique et fatigue mécanique est un modèle multiphasique résolvant les équations de conservation de la masse, conservation de l'énergie, conservation de la quantité de mouvement pour la phase fluide, les équations de transfert thermique par conduction et rayonnement pour la phase solide et l'advection pour le couplage entre la phase fluide et la phase solide. Ce modèle multiphasique étant également couplé avec un système d'équations estimant des modes de dégradation. A titre d'exemple non limitatif, le modèle thermo-hydraulique peut être basé sur les équations aux dérivées partielles de Navier-Stokes résolues en milieu homogène poreux par la méthode des éléments finis. Ce modèle thermo-hydraulique peut précisément être un modèle diphasique avec six équations. Pour chaque phase considérée le modèle comporte alors une équation de conservation de masse, une équation de conservation d'énergie, et une équation de conservation de quantité de mouvement.According to one embodiment of the invention, the coupled thermo-hydraulic and mechanical fatigue model is a multiphasic model solving the conservation equations of the mass, conservation of energy, conservation of the momentum for the fluid phase. , conduction and radiation heat transfer equations for the solid phase and advection for the coupling between the fluid phase and the solid phase. This multiphasic model is also coupled with a system of equations estimating modes of degradation. By way of non-limiting example, the thermohydraulic model can be based on the Navier-Stokes partial differential equations solved in homogeneous porous medium by the finite element method. This thermo-hydraulic model can precisely be a two-phase model with six equations. For each phase considered, the model then includes a mass conservation equation, an energy conservation equation, and a momentum conservation equation.
Il peut s'agir d'un modèle thermo-hydraulique nucléaire diphasique (eau liquide/vapeur), apte à fonctionner à une échelle locale, à l'échelle de l'équipement ou à l'échelle du système, de la 3D locale jusqu'à la OD macroscopique.It may be a two-phase nuclear thermal-hydraulic model (liquid / vapor water), capable of operating at a local scale, equipment-wide or system-wide, from local 3D to 'to the macroscopic OD.
Il peut également s'agir d'un modèle diphasique à six ou sept équations dans les canalisations, et un modèle de mélange traduisant la conservation de la masse, de la quantité de mouvement totale et de l'énergie totale dans le cœur du réacteur.It can also be a six-phase model with six or seven equations in the pipelines, and a mixing model showing the conservation of the mass, the total momentum and the total energy in the reactor core.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les équations constituant le modèle couplé intègrent des valeurs qui sont propres à l'équipement sous pression considéré et qui caractérisent les éléments de conception. Ce peut être des données géométriques, chimiques et technologiques de l'équipement (topologie, données matériau, date de mise en service, numéro de lot s'il y a lieu, historique des soudures par exemple,According to an advantageous characteristic of the invention, the equations constituting the coupled model incorporate values which are specific to the pressure equipment under consideration and which characterize the design elements. It can be geometric, chemical and technological data of the equipment (topology, material data, date of commissioning, batch number if applicable, history of welds for example,
Selon l’invention, les mesures réalisées comprennent une mesure directe ou indirecte de température, une mesure directe ou indirecte de pression, une mesure directe ou indirecte du débit, une mesure directe ou indirecte de la vibration, une mesure directe ou indirecte du flux de particules ou une combinaison de ces mesures.According to the invention, the measurements carried out comprise a direct or indirect measurement of temperature, a direct or indirect measurement of pressure, a direct or indirect measurement of the flow rate, a direct or indirect measurement of the vibration, a direct or indirect measurement of the flow of particles or a combination of these measures.
Par conséquent, les capteurs utilisés pour mesurer ponctuellement les paramètres de chargements peuvent être des capteurs directs ou indirects de température, pression, vibration ou débit mais il peut aussi s'agir de capteurs indirects de ces paramètres. D'autres types d'instrumentations peuvent également être utilisés : compteurs de neutrons, capteurs d'humidité, capteur de débit, capteurs de mesure de courant, capteurs d'anomalies magnétiques, capteurs électrochimiques.Consequently, the sensors used to measure the loading parameters may be direct or indirect sensors of temperature, pressure, vibration or flow, but they may also be indirect sensors of these parameters. Other types of instrumentation may also be used: neutron counters, humidity sensors, flow sensors, current measurement sensors, magnetic anomaly sensors, electrochemical sensors.
Le calcul des paramètres de fatigue se fait par la résolution numérique des équations du modèle couplé en utilisant la méthode des éléments finis. La résolution se fait en chaque point d'un maillage spatial représentant l'équipement.Fatigue parameters are computed by numerical resolution of equations of the coupled model using the finite element method. The resolution is done at each point of a spatial mesh representing the equipment.
Avec le procédé selon l’invention, les valeurs des mesures enregistrées par les capteurs disposés autour de et sur l’équipement sous pression sont utilisées comme des conditions aux limites lors de la résolution des équations du modèle thermo-hydraulique.With the method according to the invention, the values of the measurements recorded by the sensors arranged around and on the pressure equipment are used as boundary conditions during the resolution of equations of the thermohydraulic model.
En effet la résolution des équations dans un modèle thermohydraulique fait intervenir des conditions aux limites de façon à converger vers des solutions avec la précision induite par les incertitudes et les erreurs de modélisation des systèmes et leur composition.Indeed the resolution of the equations in a thermohydraulic model involves boundary conditions so as to converge towards solutions with the precision induced by the uncertainties and the errors of modeling of the systems and their composition.
Les conditions aux limites utilisées dans l'invention sont de type Dirichlet ou Neumann. Ce sont les valeurs des mesures ponctuelles de chargement (température, ou pression, ou vibration, etc). Ces conditions aux limites varient donc dans le temps et elles sont appliquées aux paramètres leur correspondant dans les équations du modèle thermohydraulique au point géométrique du modèle numérique qui correspond à l'emplacement du capteur.The boundary conditions used in the invention are of the Dirichlet or Neumann type. These are the values of the point measurements of loading (temperature, or pressure, or vibration, etc.). These boundary conditions therefore vary over time and are applied to their corresponding parameters in the equations of the thermohydraulic model at the geometric point of the numerical model corresponding to the location of the sensor.
De préférence, pour un équipement soumis à rayonnement, le modèle numérique intègre dans le calcul des paramètres de fatigue des conséquences des interactions des rayonnements avec la matière constituant l'équipement. Il s'agit de prendre en compte des déplacements par atome (DPA), ceci pour tout équipement soumis à rayonnement comme notamment les équipements nucléaires, aéronautiques et spatiaux.Preferably, for equipment subjected to radiation, the numerical model incorporates in the calculation of the fatigue parameters of the consequences of the interactions of the radiation with the material constituting the equipment. It is a question of taking into account displacements by atom (DPA), this for all equipment subjected to radiation like in particular the nuclear, aeronautical and space equipments.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le modèle numérique peut être un modèle de discrétisation 1-D permettant un calcul en temps réel. Le modèle 1-D permet de résoudre les systèmes d'équations en temps réel avec des schémas numériques qualifiés. La rapidité de la résolution est de préférence en cohérence avec la vitesse de variation des paramètres physiques mesurés.According to an advantageous characteristic of the invention, the numerical model can be a 1-D discretization model allowing a real-time calculation. The 1-D model solves equation systems in real time with qualified numerical schemes. The speed of the resolution is preferably consistent with the rate of change of the measured physical parameters.
De préférence, le modèle thermo-hydraulique est basé sur une technique de meilleure estimation (dite méthode « Best Estimate ») en régime transitoire et le modèle de fatigue mécanique est basé sur l'étude de situations enveloppes des différentes situations observées ou mesurées lors de l'utilisation de l'équipement sous pression. Cette méthode implique pour la résolution des équations du modèle thermo-hydraulique l'utilisation de données issues de mesures prises sur l'équipement pendant son exploitation, et non de données théoriques. Cela permet d'avoir un modèle au plus proche de la réalité du point de vue du comportement de l'équipement et des sollicitations qu'il subit. Cela peut permettre par conséquent de détecter certains phénomènes complexes non prévus (comme des phénomènes de débits inverses, des déplacements de zones de mélange, des phénomènes de stratifications, etc.) qui impactent la durée de vie de l'équipement L'invention permet ainsi de déterminer en cours d'exploitation à partir de mesures de grandeurs physiques discrètes les contraintes thermohydrauliques et mécaniques locales que subit l'équipement sous pression, et ceci en tout point de l'équipement modélisé et avec une précision autorisant des analyses locales. L'ensemble constitue un estimateur de fatigue, et donc de durée de vie résiduelle, plus précis que les méthodes actuelles.Preferably, the thermohydraulic model is based on a best estimate technique (known as the "Best Estimate" method) under transient conditions and the mechanical fatigue model is based on the study of enveloped situations of the different situations observed or measured during the use of pressure equipment. This method involves, for the resolution of equations of the thermo-hydraulic model, the use of data taken from measurements taken on the equipment during its operation, and not theoretical data. This allows a model closer to reality from the point of view of the behavior of the equipment and the solicitations it undergoes. This can therefore enable the detection of certain unforeseen complex phenomena (such as inverse flow phenomena, displacements of mixing zones, stratification phenomena, etc.) which impact the service life of the equipment. to determine during operation from measurements of discrete physical quantities the local thermohydraulic and mechanical stresses experienced by the pressure equipment, and this at all points of the equipment modeled and with a precision allowing local analyzes. The set constitutes an estimator of fatigue, and therefore of residual life, more precise than current methods.
Selon un mode de mise en œuvre avantageux, le procédé selon l’invention comprend en outre une étape de détermination d'une fatigue d'usage à partir des paramètres de fatigue, et de détermination d'une durée de vie résiduelle de l'équipement à partir de la fatigue d'usage et d'hypothèses de spécifications techniques d'exploitation. Ledit estimateur est de préférence en cohérence avec le cadre légal s'il y a lieu, par exemple l'Arrêté ESPN dans les cas d'équipements sous pression nucléaires. Dans ce cas, l'estimation du niveau de fatigue d'usage se fait généralement à l'aide de règles codifiées comme par exemple les codes RCC-M ou ASME B&PV. Un code peut ainsi décrire une méthode pour évaluer une variation de déformation imposée par le cycle de chargement pour une structure considérée et pour estimer le nombre de cycles admissibles en utilisant une courbe de fatigue caractéristique du matériau de conception.According to an advantageous embodiment, the method according to the invention further comprises a step of determining a wear fatigue from the fatigue parameters, and determining a residual service life of the equipment. from fatigue of use and assumptions of technical specifications of exploitation. Said estimator is preferably consistent with the legal framework if applicable, for example the ESPN Order in the case of nuclear pressure equipment. In this case, the estimation of the level of fatigue of use is generally done using codified rules such as for example the RCC-M or ASME B & PV codes. A code can thus describe a method for evaluating a strain variation imposed by the loading cycle for a given structure and for estimating the number of allowable cycles using a characteristic fatigue curve of the design material.
Avantageusement, on calcule et sauvegarde en temps réel les paramètres de fatigue de toute zone modélisée de l'équipement.Advantageously, the fatigue parameters of any modeled zone of the equipment are calculated and saved in real time.
De préférence, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de sauvegarde de mesures horodatées et des paramètres de fatigue horodatés dans une base de données pour un suivi historique par exemple. Cette base de données peut être relationnelle de façon à économiser de l'espace de stockage dans la mesure où le procédé selon l’invention peut générer une très grande quantité de données.Preferably, the method according to the invention may further comprise a step of saving timestamped measurements and fatigue parameters timestamped in a database for historical tracking for example. This database can be relational so as to save storage space since the method according to the invention can generate a very large amount of data.
Ledit procédé permet ainsi par exemple de reconstituer l'évolution de la fatigue locale au voisinage d'une soudure critique (la soudure sur une ligne d'expansion d'un pressuriseur par exemple).Said method thus makes it possible, for example, to reconstitute the evolution of local fatigue in the vicinity of a critical weld (the welding on an expansion line of a pressurizer, for example).
Ledit procédé permet également le suivi des indicateurs clés que sont les paramètres de fatigue, ce qui permet de prévenir certaines pannes comme par exemple des pannes par fatigue thermique si Ton suit l'évolution de la température. En comparaison, un comptage comme dans l'art antérieur ne permet qu'un suivi a posteriori.The method also allows the monitoring of key indicators such as fatigue parameters, which makes it possible to prevent certain failures, such as thermal fatigue failures, if the temperature is monitored. In comparison, a count as in the prior art allows only a posteriori tracking.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un système pour déterminer des paramètres physiques responsables des mécanismes de dégradation, dits paramètres de fatigue, d'un équipement sous pression, ce système comprenant : - un équipement sous pression dans l'environnement direct ou indirect duquel est réparti un ensemble de capteurs, et - une unité de traitement mettant en œuvre un modèle numérique couplé thermo-hydraulique et fatigue mécanique qui consiste en la résolution numérique d'un système d'équations, le modèle numérique étant destiné à calculer des paramètres de fatigue en temps réel en au moins une zone modélisée de l’équipement sous pression à partir dudit modèle numérique et en intégrant comme conditions aux limites au moins les mesures provenant desdits capteurs.According to another aspect of the invention, there is provided a system for determining physical parameters responsible for the degradation mechanisms, called fatigue parameters, of a pressure equipment, this system comprising: a device under pressure in the environment direct or indirect which is distributed a set of sensors, and - a processing unit implementing a coupled numerical model thermo-hydraulic and mechanical fatigue which consists in the numerical resolution of a system of equations, the numerical model being intended for calculating fatigue parameters in real time in at least one modeled area of the pressure equipment from said digital model and incorporating as boundary conditions at least the measurements from said sensors.
Il est également envisagé la mise en œuvre d’applications du procédé selon l’invention, parmi lesquelles : - une application pour identifier et compter, dans le cadre d'un équipement nucléaire par exemple, les situations caractérisées par le dépassement par un ou plusieurs des paramètres de fatigue d'un seuil ou d'une composition de seuils prédéfinis lors de la conception mécanique, - une application pour évaluer l'impact des paramètres de fatigue sur la durée de vie de l'équipement, - une application pour l'identification de zones critiques ; pour ces zones comme pour les zones de l'équipement devenues critiques suite à la découverte d'une quelconque fragilité ou d'une concentration de contraintes dans ladite zone ou suite à une évolution du cadre réglementaire ou suite à une demande des autorités compétentes, ledit procédé permet d'identifier et de caractériser a posteriori les situations critiques et d'évaluer l'impact des paramètres de fatigue de ces zones critiques sur la durée de vie de l'équipement, - une application pour des études de modifications des spécifications techniques d'exploitation d'un équipement suite à la découverte d'une ou plusieurs zones critiques, afin de réduire le risque de défaillance dans ladite ou lesdites zones et d'augmenter la durée de vie de l'équipement, - une application pour l'édition d'un rapport d'analyses sur des événements significatifs, comme par exemple les situations critiques, à destination de toute personne morale ou physique en ayant besoin, comme par exemple les autorités de sûreté.It is also envisaged the implementation of applications of the method according to the invention, among which: an application for identifying and counting, in the context of a nuclear equipment for example, the situations characterized by the overtaking by one or more fatigue parameters of a predefined threshold or composition of thresholds during mechanical design, - an application for evaluating the impact of fatigue parameters on the life of the equipment, - an application for the identification of critical areas; for these zones, as well as for areas of equipment that have become critical following the discovery of any fragility or concentration of constraints in the area, or following a change in the regulatory framework or following a request from the competent authorities, method makes it possible to identify and characterize critical situations a posteriori and to evaluate the impact of the fatigue parameters of these critical zones on the lifetime of the equipment, - an application for modification studies of the technical specifications of operation of a device following the discovery of one or more critical areas, in order to reduce the risk of failure in the one or more zones and to increase the lifetime of the equipment, - an application for editing an analysis report on significant events, such as critical situations, for any legal or physical person in need, such as for example the safety authorities.
Description des figures et des modes de réalisation D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de figures annexées sur lesquelles : - La figure 1 est une vue schématique d’une centrale nucléaire selon l’invention, - La figure 2 est une vue schématique d’un organigramme illustrant l’invention, - La figure 3 est une vue schématique simplifiée d’une jonction en « T » sur laquelle s'applique le procédé selon l'invention, et - La figure 4 est un organigramme simplifié du déroulement de mise en œuvre du procédé selon l'invention.DESCRIPTION OF THE FIGURES AND EMBODIMENTS Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the detailed description of implementations and non-limiting embodiments, with reference to appended figures in which: FIG. 1 is a schematic view of a nuclear power plant according to the invention, - Figure 2 is a schematic view of a flowchart illustrating the invention, - Figure 3 is a simplified schematic view of a "T" junction on which applies the method according to the invention, and - Figure 4 is a simplified flow chart of the implementation of the process according to the invention.
Description d'un exemple de mode de réalisationDescription of an exemplary embodiment
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.The embodiments which will be described hereinafter are in no way limiting; it will be possible in particular to implement variants of the invention comprising only a selection of characteristics described hereinafter isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared in the state of the prior art. This selection comprises at least one feature preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaison où rien ne s'y oppose sur le plan technique.In particular, all the variants and all the embodiments described are intended to be combined with each other in any combination where there is no technical objection to it.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.In the figures, the elements common to several figures retain the same reference.
La figure 1 illustre une vue générale très schématique d'une centrale nucléaire à eau pressurisée.Figure 1 illustrates a very schematic overview of a nuclear power plant pressurized water.
On distingue une cuve 1, un générateur de vapeur 2 et une turbine 3.There is a tank 1, a steam generator 2 and a turbine 3.
La cuve renferme le combustible 4 sous forme de crayons d'uranium constituant le cœur du réacteur. Le circuit primaire 5 est l'ensemble d'éléments, tuyauterie, pompes et autres, se trouvant dans le chemin emprunté en boucle par l'eau 6 autour du combustible 2. La fission des atomes d'uranium permet de chauffer l'eau 6 à des températures élevées de l'ordre de 320°. Cette eau est maintenue sous pression et poussée à parcourir le circuit primaire. Une partie du trajet du circuit primaire est à l'intérieur du générateur de vapeur 2 qui contient une eau 7 apte à se transformer en vapeur au contact de la canalisation du circuit primaire. Cette vapeur parcourt le circuit secondaire 8 jusqu'à alimenter la turbine 3.The tank contains the fuel 4 in the form of uranium rods constituting the core of the reactor. The primary circuit 5 is the set of elements, piping, pumps and others, found in the path taken in loop by the water 6 around the fuel 2. The fission of the uranium atoms makes it possible to heat the water 6 at high temperatures of the order of 320 °. This water is maintained under pressure and forced to travel through the primary circuit. Part of the primary circuit path is inside the steam generator 2 which contains a water 7 able to turn into steam in contact with the pipe of the primary circuit. This steam travels the secondary circuit 8 to feed the turbine 3.
On constate ainsi que le cœur ainsi que les circuits primaire et secondaire peuvent subir des contraintes mécaniques et thermiques fortes.It can thus be seen that the core as well as the primary and secondary circuits can undergo strong mechanical and thermal stresses.
Il se produit de nombreux phénomènes thermo-hydrauliques complexes locaux tels que par exemple des turbulences, des stratifications, bulles de vapeur à la surface des crayons, des sous-refroidissements... Les canalisations subissent par exemple des chargements mécaniques induits tels que par exemple la pression interne, les fluctuations thermiques, une utilisation cyclique, les vibrations...There are numerous complex local thermo-hydraulic phenomena such as, for example, turbulence, stratifications, vapor bubbles on the surface of the rods, subcooling, etc. The pipes undergo, for example, induced mechanical loading such as, for example internal pressure, thermal fluctuations, cyclic use, vibrations ...
Le caractère diphasique des fluides caloporteurs est également un paramètre qui joue dans le vieillissement des équipements.The two-phase nature of heat transfer fluids is also a parameter that plays a role in equipment aging.
Des capteurs et des détecteurs 9-13, notamment de température, de pression, de débit et d'autres comme des compteurs de neutrons, des capteurs d'humidité, des capteurs de débit, des capteurs de mesure de courant, des capteurs d'anomalies magnétiques, des capteurs électrochimiques, sont disposés non seulement dans le cœur du réacteur mais également dans l'ensemble de l'équipement sous pression nucléaire et en particulier dans les circuits primaires et secondaires. Ces capteurs peuvent être placés à des endroits stratégiques tels que par exemple le cœur du réacteur, les entrées et sorties des canalisations, sur des composants (pompes ou autres) spécifiques, à des nœuds des circuits...Sensors and detectors 9-13, including temperature, pressure, flow and others such as neutron counters, humidity sensors, flow sensors, current measurement sensors, sensors Magnetic anomalies, electrochemical sensors, are arranged not only in the reactor core but also in the whole equipment under nuclear pressure and in particular in the primary and secondary circuits. These sensors can be placed at strategic locations such as, for example, the reactor core, the inlet and outlet of the pipes, on specific components (pumps or other), at nodes of the circuits ...
Les capteurs 9-13 peuvent être nombreux mais sont de toute façon d'un nombre limité et ne peuvent pas mesurer tout point de l'équipement sous pression nucléaire. Une centrale nucléaire peut compter jusqu'à 10.000 capteurs et détecteurs répartis sur différents éléments.The sensors 9-13 can be numerous but are in any case of a limited number and can not measure any point of the equipment under nuclear pressure. A nuclear power plant can have up to 10,000 sensors and detectors distributed over different elements.
Sur la figure 1 on distingue également une unité de traitement 14 placée par exemple dans une salle de surveillance. Cette unité de traitement est reliée aux différents capteurs 9-13 et elle est équipée de moyens logiciels et matériels nécessaires pour communiquer avec les différents capteurs et détecteurs et mettre en œuvre des traitements numériques. Il comprend notamment un microprocesseur et des espaces mémoires pour la mise en œuvre d'algorithmes.In Figure 1 there is also a processing unit 14 placed for example in a monitoring room. This processing unit is connected to the various sensors 9-13 and is equipped with software and hardware means necessary to communicate with the various sensors and detectors and implement digital processing. It includes a microprocessor and memory spaces for the implementation of algorithms.
Selon l'invention, l'unité de traitement est utilisée pour un suivi très précis de la fatigue.According to the invention, the treatment unit is used for very accurate monitoring of fatigue.
La fatigue est le fait de soumettre un équipement à des sollicitations variables et cycliques telles que les phénomènes thermo-hydrauliques. Dans les équipements nucléaires, la fatigue peut entraîner l'apparition sur la surface d'un élément de fissures qui peuvent se propager et fragiliser cet élément.Fatigue is the fact of subjecting equipment to variable and cyclic solicitations such as thermo-hydraulic phenomena. In nuclear equipment, fatigue can lead to the appearance on the surface of an element of cracks that can spread and weaken this element.
Différentes études physiques dans les domaines de la neutronique, de la thermo-hydraulique et de la mécanique, ont permis le développement de nombreuses modélisations basées sur des équations de la physique et qui ont été adaptées dans des codes et des normes.Various physical studies in the fields of neutronics, thermohydraulics and mechanics have led to the development of numerous models based on physics equations and adapted in codes and standards.
Ces codes et normes sont basés sur une estimation de l'histoire de contrainte équivalente élastique transformée en histoire de déformation en divisant la contrainte par le module dYoung du matériau concerné. Une comparaison entre le nombre de cycles admissibles dérivé d'une courbe de fatigue et un nombre de cycles prévu permet de déterminer un facteur de fatigue d'usage.These codes and standards are based on an estimation of the elastic equivalent stress history transformed into strain history by dividing the stress by the dYoung modulus of the material concerned. A comparison between the number of admissible cycles derived from a fatigue curve and a planned number of cycles makes it possible to determine a wear fatigue factor.
On connaît par exemple le code RCC-M ou ASME. Le RCC-M est le code français qui réunit les règles de conception et de construction des matériels mécaniques des îlots nucléaires des Réacteur à Eau Pressurisée. Il suit notamment les évolutions de conception, suivi de fabrication et examen pour le réacteur à eau pressurisée européen. L'ASME, en particulier le code ASME « B PVC » (« American Society of Mechanical Engineers » (ASME), « International Boiler and Pressure Vessel Code ») est l'équivalent américain.For example, the RCC-M or ASME code is known. The RCC-M is the French code which gathers the rules of design and construction of the mechanical materials of the nuclear islands of the Pressurized Water Reactor. In particular, it follows the design evolutions, manufacturing and examination follow-up for the European pressurized water reactor. The ASME, in particular the ASME code "B PVC" (American Society of Mechanical Engineers (ASME), "International Boiler and Pressure Vessel Code") is the American equivalent.
Ces codes et normes définissent des courbes de fatigue qui à partir d'essais de fatigue réalisés sur un composant donné tel que par exemple une canalisation, un réservoir ou une pompe, permettent de déterminer les facteurs de fatigue d'usage.These codes and standards define fatigue curves that, based on fatigue tests carried out on a given component such as, for example, a pipe, a tank or a pump, make it possible to determine the fatigue factors of use.
Avantageusement, l'unité de traitement 14 selon l'invention comporte une modélisation thermo-hydraulique de l'équipement sous pression nucléaire, c'est-à-dire le cœur du réacteur et les deux circuits primaires et secondaires.Advantageously, the processing unit 14 according to the invention comprises a thermo-hydraulic modeling of the equipment under nuclear pressure, that is to say the reactor core and the two primary and secondary circuits.
Le modèle thermo-hydraulique selon l'invention est capable de simuler des régimes transitoires de fonctionnement de l'équipement. Cette prise en compte permet notamment de pouvoir utiliser le critère de « best estimate ».The thermo-hydraulic model according to the invention is capable of simulating transient operating conditions of the equipment. This consideration makes it possible to use the "best estimate" criterion.
En référence à la figure 2, la présente invention est particulièrement avantageuse dans la mesure où le modèle thermo-hydraulique temps réel est régulièrement, de préférence continûment, alimenté par des mesures de chargement provenant de capteurs et détecteurs répartis autour de l'équipement. Ces mesures constituent des conditions limites dans le modèle thermo-hydraulique. De ce fait, on contraint en temps réel le modèle thermo-hydraulique avec des mesures réelles de façon à ce que la simulation soit le plus proche possible de la réalité. Les valeurs de sortie du modèle thermo-hydraulique sont des paramètres physiques qui peuvent être inducteurs de fatigue : température T, pression P, débit Q ou autres, comme par exemple les propriétés des matériaux, la fluidité... Ces paramètres sont fonction du temps et concernent tout point de l'équipement. Le modèle thermo-hydraulique permet ainsi de simuler les paramètres de fatigue en tout point de l'équipement à partir d'un certain nombre de capteurs et détecteurs.With reference to FIG. 2, the present invention is particularly advantageous insofar as the real-time thermo-hydraulic model is regularly, preferably continuously, powered by load measurements from sensors and detectors distributed around the equipment. These measurements constitute limit conditions in the thermo-hydraulic model. As a result, the thermo-hydraulic model is constrained in real time with real measurements so that the simulation is as close as possible to reality. The output values of the thermohydraulic model are physical parameters that can induce fatigue: temperature T, pressure P, flow Q or others, such as the properties of materials, fluidity ... These parameters are a function of time and concern any point of the equipment. The thermo-hydraulic model can simulate fatigue parameters at any point in the equipment from a number of sensors and detectors.
Comme c'est illustré sur la figure 2, les paramètres T,P,Q notamment sont utilisés pour déterminer un facteur de fatigue d'usage à partir de courbes de fatigue selon les codes et normes RCC-M ou ASME par exemple.As shown in FIG. 2, the parameters T, P, Q in particular are used to determine a wear fatigue factor from fatigue curves according to RCC-M or ASME codes and standards, for example.
Le modèle thermo-hydraulique est un modèle à deux phases avec six équations aux dérivées partielles généralement appelées Equations de Navier Stokes. Pour chacune des phases, on résout les équations suivantes : - équation de conservation de la masse, - équation de conservation d’énergie, et - équation de conservation de quantité de mouvement.The thermohydraulic model is a two-phase model with six partial differential equations commonly called Navier Stokes equations. For each of the phases, the following equations are solved: conservation mass equation, energy conservation equation, and momentum conservation equation.
La résolution numérique de ces équations se fait par la Méthode des Eléments Finis implémenté dans l'outil Modelica. Elle tient compte des conditions aux limites qui sont dépendantes du temps. Ces conditions aux limites sont les mesures des chargements provenant des capteurs et détecteurs répartis autour de l'équipement. La géométrie de discrétisation du modèle selon l'invention est à une dimension (1D).The numerical resolution of these equations is done by the Finite Element Method implemented in the Modelica tool. It takes into account boundary conditions that are time dependent. These boundary conditions are the measurements of the loadings from the sensors and detectors distributed around the equipment. The discretization geometry of the model according to the invention is one-dimensional (1D).
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir : - un comptage automatique des situations de conception mécanique définie au début de la conception de l'équipement ; - une base de profils spatiaux et temporels (T, P, Q) qui offre la possibilité de réaliser des analyses de sûreté d'équipement rapidement sur un point particulier du circuit en cas de découverte d'une anomalie particulière (microfissures, DAP importante (« Dose Area Product », produit dose-surface)) ; - de détecter des dérives dans l'instrumentation, en effet le modèle sur-contraint selon l'invention s'arrête si un capteur donne une mesure non physique; - de réaliser des argumentaires sur différents scénarios et mode de fonctionnement de l'équipement.The method according to the invention makes it possible to obtain: an automatic counting of the mechanical design situations defined at the beginning of the design of the equipment; - a base of spatial and temporal profiles (T, P, Q) which offers the possibility of carrying out equipment safety analyzes quickly on a particular point of the circuit in case of discovery of a particular anomaly (microcracks, large DAP ( "Dose Area Product", product dose-area)); to detect drifts in the instrumentation, in fact the over-constrained model according to the invention stops if a sensor gives a non-physical measurement; - to make arguments on different scenarios and mode of operation of the equipment.
La figure 3 illustre de façon très simplifiée une jonction de canalisations en « T ». Il s'agit de deux canalisations en amont 15 et 16 se rejoignant au nœud 17, et d'une canalisation en aval 18 pour la sortie. Des fluides sont prévus pour circuler en même temps depuis les deux canalisations en amont 15 et 16 de façon à être guidés dans la canalisation en aval 18 via le nœud 17.Figure 3 illustrates in a very simplified way a junction of pipes "T". There are two upstream pipes 15 and 16 joining at node 17, and a downstream pipe 18 for the outlet. Fluids are provided to circulate at the same time from the two upstream pipes 15 and 16 so as to be guided in the downstream pipe 18 via the node 17.
La canalisation 15 comporte une voie d'entrée 19, un tuyau de passage 20 et un « T » de mesure 21 puis le nœud 17.Line 15 comprises an inlet channel 19, a passage pipe 20 and a measurement "T" 21 and then the node 17.
La canalisation 16 comporte une voie d'entrée 22, un tuyau de passage 23 puis le nœud 17.The pipe 16 has an inlet channel 22, a passage pipe 23 and then the node 17.
La canalisation 18 part du nœud 17 et comporte un « T » de mesure 24, un tuyau de passage 25 et une voie de sortie 26.The pipe 18 starts from the node 17 and has a measurement "T" 24, a passage pipe 25 and an outlet channel 26.
Le capteur 27 est connecté au « T » de mesure 21 de façon à transmettre un signal de mesure qui est fonction du temps vers une instrumentation 28 ou vers l'unité de traitement 14. Ce capteur 27 est utilisé pour mesure la température en fonction du temps et qui est associé au nœud 17.The sensor 27 is connected to the measurement "T" 21 so as to transmit a measurement signal which is a function of time to an instrumentation 28 or to the processing unit 14. This sensor 27 is used to measure the temperature as a function of time and which is associated with node 17.
Le capteur 29 est connecté au « T » de mesure 24 de façon à transmettre un signal de mesure qui est fonction du temps vers une instrumentation 30 ou vers l'unité de traitement 14. Ce capteur 29 est utilisé pour mesurer la pression en fonction du temps et il est associé au nœud 17.The sensor 29 is connected to the measurement "T" 24 so as to transmit a measurement signal which is a function of time to an instrumentation 30 or to the processing unit 14. This sensor 29 is used to measure the pressure as a function of time and it is associated with node 17.
Un autre capteur (non représenté) peut être utilisé pour mesurer le débit passant par le nœud 17.Another sensor (not shown) may be used to measure the flow through node 17.
Les mesures provenant des capteurs 27 et 29 sont introduits en temps réel dans le modèle thermo-hydraulique au sein de l'unité de traitement 14 en tant que conditions aux limites dépendantes du temps. Le résultat est la détermination de plusieurs paramètres qui sont fonction du temps, du nœud ou du composant ciblé. Pour le composant ciblé, il peut s'agir d'un élément auquel sont associés un ou plusieurs capteurs comme le nœud 17 sur la figure 3, mais il peut aussi s'agir d'un élément non associé à des capteurs, le modèle thermo-hydraulique permettant par simulation d'estimer des mesures à l'endroit de cet élément.The measurements from the sensors 27 and 29 are introduced in real time into the thermohydraulic model within the processing unit 14 as time-dependent boundary conditions. The result is the determination of several parameters that are a function of the time, node or component targeted. For the targeted component, it may be an element with which one or more sensors are associated, such as node 17 in FIG. 3, but it may also be an element not associated with sensors, the thermo model -hydraulic allowing simulation to estimate measurements at the location of this element.
Ces paramètres peuvent être les suivants : - la température(phase_i ;k ;t), - la pression(phase_i ;k ;t), et - le débit(phase_i ;k ;t) phasej correspond à la nature de la phase (fluide ou liquide) du constituant i, k est un nœud de l'équipement, t est un incrément temporel.These parameters can be the following: - the temperature (phase_i; k; t), - the pressure (phase_i; k; t), and - the flow rate (phase_i; k; t) phasej corresponds to the nature of the phase (fluid or liquid) of the constituent i, k is a node of the equipment, t is a time increment.
La figure 4 illustre le déroulement d'un déploiement pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention dans un système. L'étape de démarrage 31 consiste à enclencher l'étape 34 d'analyse des composants constitutifs du système à partir du manuel de conception du système 32 et des exigences du système 33. A l'étape 35, on élabore un modèle thermo-hydraulique du système capable de simuler les phénomènes dans le système, de façon linéaire et en fonction du temps.FIG. 4 illustrates the unfolding of a deployment for the implementation of the method according to the invention in a system. The starting step 31 consists of starting the analysis step 34 of the components constituting the system from the system design manual 32 and the requirements of the system 33. At step 35, a thermohydraulic model is developed. of the system able to simulate the phenomena in the system, linearly and as a function of time.
Les fonctions de contrôle I&C (« Instrumentation and Control ») pour superviser et contrôler tous les aspects du système sont implémentées à l'étape 36.The I & C ("Instrumentation and Control") control functions for supervising and controlling all aspects of the system are implemented in step 36.
On implémente ensuite à l'étape 37 les conditions aux limites des équations aux dérivées partielles du modèle thermo-hydraulique, ces conditions aux limites devant être alimentées par les mesures des chargements provenant de capteurs disposés dans le système. Le lien entre ces conditions aux limites et les mesures des capteurs se fait en utilisant les fonctions de contrôle I&C à l'étape 38.The boundary conditions of the partial differential equations of the thermohydraulic model are then implemented in step 37, these boundary conditions to be fed by the measurements of the loadings from sensors arranged in the system. The connection between these boundary conditions and the sensor measurements is done using the I & C control functions in step 38.
On utilise l'unité de traitement 39 pour résoudre les six équations du modèle thermo-hydraulique à l'étape 40 en tenant compte des mesures provenant du réseau 41 des capteurs du système.The processing unit 39 is used to resolve the six equations of the thermohydraulic model in step 40 taking into account the measurements from the network 41 of the sensors of the system.
La résolution est itérative, chaque itération correspondant à un incrément temporel. A chaque itération, on obtient les paramètres température(i ;k ;t), pression(i ;k ;t), et débit(i ;k ;t), où i est le constituant, k est un nœud du système et t un incrément temporel. Ces paramètres qui dépendent du temps sont ensuite sauvegardés à l'étape 43 dans des bases de données 44 avec un suivi de l'historique.The resolution is iterative, each iteration corresponding to a time increment. At each iteration, we obtain the parameters temperature (i; k; t), pressure (i; k; t), and flow rate (i; k; t), where i is the constituent, k is a node of the system and t a time increment. These time dependent parameters are then saved in step 43 in databases 44 with history tracking.
Ces mêmes paramètres sont utilisés pour analyser la dérive éventuelle des capteurs à l'étape 45. Des signaux d'alarme peuvent être générés en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé. A la même itération, on applique à l'étape 46 un algorithme qui permet de calculer un régime transitoire à partir des paramètres. Une analyse de cet algorithme permet éventuellement d'identifier si un seuil a été dépassé à l'étape 47 en tenant compte des événements de conception contenus dans une base de données 48. En cas de réponse négative, la résolution des équations passe à l'incrémentation temporelle suivante. En cas de réponse positive, on comptabilise une situation à l'étape 49, la résolution des équations passe à l'incrémentation temporelle suivante, et on alimente la base de données 48.These same parameters are used to analyze the possible drift of the sensors in step 45. Alarm signals can be generated if a predetermined threshold is exceeded. At the same iteration, an algorithm is applied in step 46 which makes it possible to calculate a transient regime from the parameters. An analysis of this algorithm optionally makes it possible to identify whether a threshold has been exceeded in step 47 taking into account the design events contained in a database 48. In the event of a negative response, the resolution of the equations proceeds to next time increment. In the case of a positive response, a situation is counted in step 49, the resolution of the equations proceeds to the next time increment, and the database 48 is fed.
Idéalement l'ensemble des opérations est mis en œuvre au sein de l'unité de traitement 39.Ideally all the operations are implemented within the processing unit 39.
Un opérateur peut accéder à l'historique contenu dans la base de données 44, aux événements contenus dans la base de données 48 et au résultat d'analyse de la dérive des capteurs à l'étape 45.An operator can access the history contained in the database 44, the events contained in the database 48 and the result of analyzing the drift of the sensors in step 45.
La présente invention permet d'obtenir une estimation plus précise de la durée de vie résiduelle des équipements sous pression de façon à permettre une optimisation de leur utilisation et ainsi une augmentation de la durée de vie des centrales nucléaires en s'appuyant sur l'estimation de la fatigue en temps réel, l'historique de fatigue et les spécifications techniques d'exploitation de l'équipementThe present invention makes it possible to obtain a more accurate estimate of the residual life of the pressure equipment so as to allow an optimization of their use and thus an increase in the lifetime of the nuclear power plants based on the estimate. real-time fatigue, fatigue history, and equipment operating specifications
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.Of course, the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
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