Investigations of Mixing Zones subject to Thermal Fatigue
Expertises de zones de mélange sujettes à fatigue thermique
EDF
Further the through wall crack in an elbow of the Residual Heat Removal (RHR) system of Civaux 1 in 1998, a large investigation program has been completed on removed parts of pipes to better assess the factors responsible for thermal fatigue cracking in pipe components where hot and cold fluids mix together. This article presents the results of destructive investigations performed on numerous parts of the RHR system of EDF plants, on a nozzle of the primary system and on a nozzle of the secondary system and their contribution to understanding and assessing harmfulness of the phenomenon.
The damage concerns only certain RHR mixing zones: the mixing tee at intersection between downstream the exchanger and the by-pass line and the mixing tee at location of intersection of two portions of minimum flow line. Deep cracks are always associated with high temperature differences and long times of operation. The deepest cracks are always located close to the welds, in areas showing geometrical singularities and minimal thickness. Crack networks in running parts concern only the very first millimeters of the inner wall.
Other mixing zones have been investigated: destructive examinations of a charging line primary nozzle of the Chemical and Volume Control System (CVCS), of two tees between the main line and the minimum flow line of the RHR system and of one tee connecting the Feed Flow Control System (FFCS) to the Auxiliary Feedwater System (AFS) did not show any thermal fatigue crack.
EDF has developed a method for identification of fluid mixing zones subject to thermal fatigue damage. This method is based on the assessment of a usage factor, using the knowledge acquired during a large R&D program. This program investigated the thermal loadings in mixing tees acquired through several thermohydraulic mockup tests and the austenitic steel behavior under high cycle thermo-mechanical loadings.
The results of the destructive examinations have been used to strengthen the identification methodology of mixing zones potentially affected by thermal fatigue. Damage found in the destructive examinations are always correlated with usage factors a lot greater than 1.
The methodology has been applied to all mixing zones of safety related circuits of plants operated by EDF. It has lead to identify the ones with a usage factor greater than unity and to an appropriate in-service inspection program based on volumic non-destructive examinations.
Résumé
Suite à la découverte en 1998 d'une fissure traversante dans un coude du circuit de réfrigération du réacteur à l'arrêt (RRA) de Civaux, EDF a réalisé un vaste programme d'investigations sur des tronçons déposés de tuyauteries pour évaluer les facteurs responsables du phénomène de la fissuration par fatigue thermique dans les zones de mélange de fluides chaud et froid. Cet article présente d'une part le résultat des expertises destructives réalisées sur de nombreux composants déposés du circuit RRA des tranches EDF, sur un piquage du circuit primaire et sur un piquage du circuit secondaire, et d'autre part les éléments de compréhension du phénomène et d'évaluation de sa nocivité.
L'endommagement constaté ne concerne que certaines zones de mélange du RRA : le té de mélange situé à la confluence de la sortie de l'échangeur et de la ligne de bypass et le té de mélange situé à la confluence de deux lignes constituant le circuit de retour de débit nul. Les fissures profondes sont toujours associées à des durées de fonctionnement importantes à fort écart de température. Les fissures les plus profondes sont toujours localisées à proximité des soudures, dans les zones de moindre épaisseur et présentant une singularité géométrique. Les réseaux de faïençage dans les parties courantes n'affectent que les tout premiers millimètres de la paroi interne.
Les autres zones de mélange expertisées ont été un piquage de charge du circuit de contrôle volumétrique et chimique (RCV) sur la boucle primaire, de deux tés de mélange situés entre la ligne principale et la ligne de débit nul du RRA et un piquage de la ligne d'alimentation en secours (ASG) sur la ligne d'alimentation normale (ARE) des générateurs de vapeur. Ces expertises n'ont pas révélé de fissuration par fatigue thermique.
EDF a développé une méthode d'identification des zones de mélange sujettes au risque de fissuration par fatigue thermique reposant sur le calcul d'un facteur d'usage, dont l'évaluation s'appuie sur un ensemble de résultats obtenus à l'issue d'un vaste programme de R&D. Ce programme a étudié notamment les chargements dans les zones de mélange grâce à des essais thermohydrauliques sur maquette et le comportement de l'acier inoxy-dable austénitique sous chargements thermomécaniques à grand nombre de cycles.
Les résultats des expertises destructives ont été utilisés pour renforcer la méthode d'identification des zones potentiellement affectées par la fatigue thermique. Les endommagements constatés lors des examens non destructifs sont toujours corrélés à des facteurs d'usage très supérieurs à 1.
La méthode a été appliquée à l'ensemble des zones de mélange des circuits importants pour la sûreté des centrales nucléaires exploitées par EDF. Ceci a permis d'identifier celles dont le facteur d'usage est supérieur à 1 et ainsi de définir un programme adapté d'inspection en service basé sur des examens non destructifs volumiques.
© SFEN 2007