1

TITRE : INSPECTION PAR COURANTS DE FOUCAULT DES TUBES DOIGTS DE GANT DU RESEAU D’INSTRUMENTATION DU

CŒUR (RIC) : SIMULATION DE NOUVELLES MORPHOLOGIES DE DEFAUTS

AUTEURS : Chiara Zorni – EDF-CEIDRE Département ETUDES Service END

Florence Dabouis – Ecole des Mines d’Albi-Carmaux Stagiaire EDF-CEIDRE

Sara Cordeiro – EDF-CEIDRE Département ETUDES Service END

CONFERENCIERS : Chiara ZORNI

RESUME : Afin de vérifier l’intégrité des tubes doigts de gant (DDG) du réseau d’instrumentation du cœur à l’intérieur de la cuve, EDF utilise un procédé d’examen non destructif par courants de Foucault (CF) sur toutes les centrales nucléaires du parc en exploitation.

Les dégradations recherchées correspondent à des manques de matière externes dues au contact avec l’environnement dans lequel les tubes DDG sont insérés. Le procédé de contrôle utilise des abaques afin de caractériser les indications relevées sur ces tubes lors des inspections sur site.

L’objectif de l’étude a été d’investiguer les configurations de défaut donnant des réponses CF en dehors du domaine de définition des faisceaux de courbes présents dans les abaques utilisés sur site.

Afin d’étudier le comportement de la sonde CF en présence d’usures de différentes formes, un outil de simulation basé sur les éléments finis, C3D développé par EDF R&D, a été utilisé.

Des comparaisons avec des signaux réels issus des contrôles réalisés sur site on été réalisées. Ces études ont contribuées à identifier des nouvelles morphologies de défauts et permettront, après validation des résultats sur maquettes et extraction d’un DDG pour corrélation avec l’expertise métallurgique, d’étendre le domaine de définition des faisceaux de courbes.

JOURNEES COFREND 2017

Mor

e in

fo a

bout

this

art

icle

: ht

tp://

ww

w.n

dt.n

et/?

id=

2136

2

2

1 – INTRODUCTION

Le système d’instrumentation interne du cœur (RIC) permet de mesurer le flux

neutronique à l’aide de détecteurs miniaturisés mobiles qui circulent à l’intérieur de tubes doigts de gant rétractables (DDG) repartis dans environ un tiers des assemblages combustibles. Ces mesures de flux, effectuées lors des essais de démarrage ainsi que de manière intermittente pendant le fonctionnement en puissance, permettent d’étalonner d’autres moyens de mesure installés à l’extérieur de la cuve et utilisés en permanence pour assurer la conduite du réacteur et le suivi de l’état du combustible. La Figure 1 montre un schéma de la cuve et al position des tubes DDG (en rouge).

Figure 1 : Schéma de la cuve d’une centrale REP. En rouge les tubes DDG du RIC.

En fonctionnement les tubes RIC sont soumis à des excitations hydrauliques à l’intérieur de la cuve. La vibration des doigts de gant dans leur colonne de guidage entraîne leur amincissement progressif à différents niveaux et à l’apparition d’usures. Ces usures par frottement peuvent aller jusqu’au percement du doigt de gant, entraînant une fuite du circuit primaire. Le système RIC n’assure pas de fonction en relation immédiate avec la sûreté du réacteur. En conséquence, EDF met en œuvre un examen non destructif (END) aux performances démontrées et validées pour l’examen des tubes doigts de gant implantés sur les centrales REP 900 MWe, 1300MWe et 1450 MWe.

3

2 – LES TUBES DDG ET LE DEFAUT RECHERCHE

Trois épaisseurs de tube équipent actuellement le parc, les caractéristiques des tubes à contrôler sont données dans le Tableau 1.

Convention d’identification

Alliage

Epaisseur

[mm]

Diamètre externe [mm]

Diamètre interne [mm]

Standard

Z5CND17/12

1.15 7.5

5.2 Epais 1.7 8.6

Super Epais 2.15 9.5

Tableau 1 : Identification et caractéristiques dimensionnelles des tubes RIC du parc.

Les amincissements observés sont en forme de lunule, un schéma est donné dans la Figure 2. Ils peuvent être localisés sur quelques dizaines de mm ou s’étendre sur plus de 400 mm.

Figure 2 : Schéma du défaut en forme de « lunule ».

3 – L’EXAMEN NON DESTRUCTIF PAR CF DES TUBES DDG D U RIC

L’inspection des tubes est réalisée selon la méthode des courants de Foucault (CF) multifréquences à l’aide d’une sonde de type absolu à symétrie axiale (SAX) circulant dans le tube à examiner. Le Tableau 1 montre les fréquences de contrôle utilisées pour contrôler les trois différentes épaisseurs des doigts de gant présents sur le parc.

4

Fréquence kHz (± 3%)

Epaisseur 1.15 mm

Epaisseur 1.65 mm

Epaisseur 2.15 mm

F1 25 25 20

F2 120 70 50

F3 280 180 115

Tableau 2 : Fréquences utilisées pour l’examen par CF des DDG du RIC.

L’étalonnage est réalisé sur le défaut de type deux trous traversants de diamètre 1 mm, le schéma dans la Figure 3 montre leur positionnement (par rapport à l’axe du tube ils se trouvent à la même position).

Figure 3 : Défaut d’étalonnage. La totalité des tubes DDG du RIC fait l’objet d’un contrôle après avoir subi un retrait (un déplacement du tube par rapport à sa position initiale) afin d’éviter l’interaction entre la dégradation recherchée et l’environnement qui l’a causé. La Figure 4 est une photographie des voies du RIC telles que visibles dans la salle RIC, un local, contigu au puits de cuve, où sont installés les unités de propulsion et les sélecteurs de voies permettant d’aiguiller les sondes. Chaque tube est examiné sur une longueur couvrant la totalité des zones où les dégradations sont susceptibles d’apparaitre jusqu’au tube de référence placé en aval. Par convention, l’examen s’effectue pendant le trajet retour de la sonde.

5

Figure 4 : Photographie des voies du RIC avec un tube DDG ayant subi un retrait © OMEXOM.

L’estimation de la profondeur des amincissements relevés par le procédé CF utilisé pour le contrôle des doigts de gant du RIC repose sur l’utilisation d’abaques. Nous disposons de trois abaques, correspondant aux trois épaisseurs de tubes de doigts de gant présents sur le parc. Ces abaques ont été établis à partir d’essais réalisés en laboratoire sur différentes formes d’usures disponibles sur les maquettes de référence EDF et confirmés par la suite sur des défauts réels. La Figure 5 montre l’abaque utilisé pour l’épaisseur 1.15 mm.

Am

pli

tude

25 k

Hz

(Volt

s)

Phase 280 kHz (°)

TUBE D'EPAISSEUR 1,15 mm

20%30%

40%

50%

60%

70%

80%

Figure 5 : Exemple d’abaque utilisé pour caractériser les

amincissements.

6

Les défauts pris en compte pour tracer les courbes sont principalement de type « lunule » et « gorge » externes, simulant un amincissement du tube depuis la paroi externe. La longueur des défauts artificiels est 20 mm, les étendues angulaires varient entre 90° et 360° et les profondeurs entre 10% et 80%. L’utilisation de l’abaque pour caractériser une indication relevée sur une voie peut se résumer en 3 étapes :

• Relevé de l’amplitude à la fréquence basse F1 (AF1) et phase à la fréquence haute F3 (PhF3),

• positionnement du point de coordonnées (PhF3, AF1) sur l’abaque correspondant (en fonction de l’épaisseur des tubes),

• analyse de la position du point afin d’associer une profondeur et étendue angulaire à l’indication détectée par CF.

4 – LES POINTS « HORS ABAQUES »

Lors des inspections des DDG du RIC sur le parc, des réponses CF positionnées en dehors du domaine de validité des abaques on été relevés. Ces points sont dans la quasi-totalité des cas situés en dehors du faisceau des courbes par la droite. Le Tableau 3 résume les règles d’analyse appliquées en fonction de la position du point de coordonnées (PhF3, AF1).

Position du signal CF dans

l’abaque

Règles d’analyse

A l’intérieur du faisceau des

courbes

Profondeur et étendue angulaire

« calculées » graphiquement

A l’extérieur du faisceau de

courbes mais contenue dans la bande +/-10°

(courbes pointillées)

La profondeur est estimée en reportant la valeur d’amplitude AF1 sur la première courbe ISO étendue angulaire à proximité

(voir Figure 6)

A l’extérieur du faisceau de

courbe et de la bande +/- 10° (courbes pointillées)

Analyse de second niveau

Tableau 3 : Règles d’analyse appliquées en fonction de la

position du point de coordonnées (PhF3, AF1).

7

Figure 6 : Projection des points de coordonnées (PhF3, AF1) positionnés à l’intérieur de la bande ±10°sur la première courbe

ISO-étendue angulaire.

Les analyses qui traitent les points hors courbes s’appuient à la fois sur des analyses de second niveau du signal CF et des raisonnements d’ingénieur. Pour les indications « hors abaques » par la droite les hypothèses et analyses amènent aux pistes suivantes :

• L’analyse confirme qu’il s’agit d’indications correspondent à des manques de matière externes,

• elles pourraient présenter des morphologies différentes de celles utilisées pour tracer les abaques : forme de type rainure,

• extensions angulaires inférieures à 90° : 80°, 70°, 60° et 35°, • longueurs variables (de 10 mm à 420 mm).

Afin de valider ces hypothèses, plusieurs pistes se présentent :

1. L’extraction des tubes pour réaliser une corrélation entre les résultats de l’expertise métallurgique et les hypothèses avancées dans les avis techniques,

2. la réalisation de défauts artificiels dans des maquettes représentatives des DDG,

3. l’utilisation d’outils de simulation capables de modéliser la configuration de contrôle du procédé CF utilisé pour réaliser les END des DDG.

8

Les extractions sont très couteuses. La réalisation de maquettes présente également le désavantage d’être couteuse et impose une recherche des cas enveloppes permettant de réduire le nombre de défauts à implanter.

Les outils de simulations permettent d’obtenir rapidement des réponses à des problématiques d’ingénierie complexes et constituent un important appui aux END. D’une part, les études paramétriques réalisées par simulation permettent de restreindre le nombre de paramètres à prendre en compte pour étudier l’impact de leur variation sur les signaux CF, et, d’autre part, elles permettent également de restreindre les domaines de variation des paramètres jugés influents.

5 – SIMULATION DE NOUVELLES MORPHOLOGIE DE DEFAUTS AVEC C3D

EDF a développé un outil de simulation des CF appelé C3D qui repose sur la modélisation par éléments finis (MEF) et permettent de traiter des configurations complexes, sans limitation sur la structure des sondes, du matériau des pièces à contrôler, de la forme des défauts et de l’environnement du contrôle [1].

L’outil C3D a été encapsulé dans une interface appelée C3D-CND, qui fournit le maillage optimal pour une grande variété de configurations de CND et déporte la simulation du signal sur un serveur de calcul, de façon masquée. L’outil C3D fournit à l’ingénierie un moyen très puissant pour réaliser des études rapidement et à faible cout.

La configuration de contrôle a été modélisée sous C3D, voir Figure 7 et Figure 8, et validée par comparaison avec des données expérimentales issues des acquisitions réalisées sur les maquettes de référence.

Figure 7 : Configuration de contrôle modélisée sous C3D. Le maillage utilisé est visible sur l’image.

9

Figure 8 : Défaut de type « lunule » sous C3D avec le maillage appliqué.

La Figure 9 montre la comparaison entre les valeurs de référence issues des acquisitions, en noir, et les résultats des simulations réalisées à l’aide de C3D, en rouge. Les triangles correspondent aux gorges, les carrés correspondent aux méplats et les ronds correspondent aux lunules.

Les valeurs de simulation, de référence et la position théorique dans ’abaque sont cohérents.

Pour les gorges, il y a un bon accord entre les valeurs simulées et acquises expérimentalement. Pour les méplats et les lunules, on remarque un bon accord mais une dispersion en phase pour les défauts de 10% (encadré vert en bas à gauche de la Figure 9) et une grande dispersion en amplitude pour les défauts de 80% (encadré vert en haut à droite, Figure 9). La simulation rencontre souvent des problèmes pour les défauts de 80% à traversant qui peuvent expliquer ces écarts. Enfin on note également un écart de plus de 5° pour la lunule 40% (ellipse verte, Figure 9). Cet écart peut s’expliquer par un décalage du point de référence sur la gauche de la courbe d’interpolation des lunules à différentes profondeurs (courbe verte, Figure 9).

Figure 9 : Comparaison entre les valeurs de référence issues des acquisitions (en noir) et les valeurs simulées avec C3D (en

rouge) pour l’épaisseur 1.15 mm.

10

Une fois validée la configuration de contrôle modélisée, une étude paramétrique a été réalisée afin de vérifier si l’origine des points hors courbes par la droite, pourraient correspondre à des :

• Morphologies de défauts différentes : forme de type rainure, • extensions angulaires inférieures à 90° : 80°, 70°, 60° et 35°, • longueurs variables (de 10 mm à 420 mm).

Des défauts de type entaille à profil rectangulaire ont été modélisés. Leur étendue angulaire varie entre 40° et 3°. Les courbes correspondantes sont situées à droite de la courbe + 10° (en pointillée dans la Figure 10).

Cette partie a permis de valider l’hypothèse qu’une morphologie de défaut de type rainure caractérisée par une extension angulaire inférieure à 90° permet d’obtenir des réponses CF qui tombent en dehors du domaine de validité de l’abaque vers la droite. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les 3 épaisseurs de DDG.

Figure 10 : Entaille à profil rectangulaire de différentes extensions angulaires (inférieures à 90°).

La deuxième étape de l’étude a consisté à faire varier la longueur axiale des défauts. Pour cette partie, les défauts de type méplat et entaille ont été pris en compte car susceptibles de provoquer une réponse hors courbes par la droite. Des méplats et des entailles de 20 mm, 5 mm, 3 mm et 2 mm ont été simulés et leurs réponses tracées sur l’abaque. Les longueurs supérieures à la zone d’influence du capteur n’ont pas été prises en compte. La Figure 11 et Figure 12 montrent les résultats des simulations. Une grande partie de la zone hors courbes par la droite a été parcourue en faisant varier l’extension axiale des défauts.

11

Figure 11 : Méplats de différentes extensions axiales.

Figure 12 : Entailles de différentes extensions axiales.

12

6 – CONCLUSIONS

EDF met en œuvre un examen non destructif (END) aux performances démontrées et validées pour l’examen des tubes doigts de gant implantés sur les centrales REP 900 MWe, 1300MWe et 1450 MWe. Lors des inspections sur site, des réponses CF positionnées en dehors du domaine de validité des abaques utilisés pour caractériser les amincissements ont été relevés. Ces abaques ont été définis à partir d’essais effectués en laboratoire sur des défauts de type lunules, méplats et gorges et confirmés sur des défauts réels. Les indications hors abaques font systématiquement l’objet d’une analyse second niveau. Des études ont été engagées afin d’identifier l’origine de ces réponses CF. Afin de limiter le nombre de défauts artificiels à usiner dans les maquettes, un outil de simulation par éléments finis développé par EDF R&D, C3D [1], a été utilisé. La configuration de contrôle modélisée sous C3D a été d’abord validée par comparaison avec les données expérimentales issues des acquisitions réalisées sur des maquettes de référence. Une fois le modèle validé, des études paramétriques ont permis d’identifier les morphologies de défauts susceptibles de donner des réponses CF en dehors du domaine de validité des abaques dans la zone d’intérêt. Ces résultats nous ont permis d’étudier la réponse de la sonde dans différentes configurations et de limiter le nombre de défauts artificiels à réaliser dans les maquettes de référence avec des délais et couts associés nettement plus faibles. La prochaine étape de l’étude permettra de valider expérimentalement les résultats de simulation obtenus avec les nouvelles morphologies de défauts et de compléter les abaques avec des nouvelles courbes.

REFERENCE

[1] P. Thomas, B. Goursaud, L. Maurice, S. Cordeiro, « Eddy-current non destructive testing with the finite element tool Code_Carmel3D », 11th ICNDE, 2015