Ice plugging of piping: from the theory to the practice - 25 years feedback from EDF PWRs
Obturation de tuyauterie par bouchons de glace : de la théorie à la pratique - 25 années de retour d’expérience du parc REP d’EDF
EDF DPN UTO Noisy le Grand (France)
Ice plugging or freeze sealing refers to the process of applying an external refrigerant in order to cause the formation of a solid internal plug from the frozen fluid contained in the pipe. Freeze sealing is most often used to isolate for maintenance purpose a section of a piping system where no other means of isolation is available.
Applications for freeze sealing at nuclear power plants are mainly to:
- Enhance maintenance capabilities during outage,
- Provide blocking in lines where valves or stops are not placed,
- Eliminate the necessity of taking a full system out of service during plant operation.
Liquid carbon dioxide (CO2) and liquid nitrogen (LN2) are used as refrigerant. Freeze sealing is practiced on both austenitic stainless steel and carbon steel. It may be applied on large diameter piping (800 mm) and under elevated pressure. Within EDF and EPRI, extensive works on freeze sealing technology have been carried out since beginning of 80’s. EDF experience on freeze sealing applied to PWR systems and technical recommendations are presented in this paper.
Several metallurgical questions regarding use of freeze sealing are also discussed, such as:
- Embrittlement risk of steel at low temperature (-195°C),
- Assessment of acceptable defects size under freeze sealing conditions,
- Effect of residual martensite (austenitic stainless steel) on mechanical properties at low temperature.
Résumé
L’obturation provisoire d’un réseau de tuyauterie par bouchon de glace est un procédé industriel dans lequel un bouchon solide résistant est formé, à partir du fluide contenu dans la tuyauterie, par application d’un réfrigérant externe. Cette technique est utilisée pour isoler une portion de circuit sur laquelle on doit pratiquer une action de maintenance, lorsqu’aucun autre moyen d’isolement du circuit n’est possible.
Cette technique, utilisée en particulier sur les unités nucléaires PWR (REP) permet:
- d’améliorer les possibilités de maintenance durant les arrêts,
- d’isoler une portion de ligne ne disposant pas d’organes de sectionnement
- d’éviter la mise hors service d’un système complet, tout en procédant à des opérations de maintenance.
L’azote liquide et le dioxyde de carbone liquide sont les réfrigérants les plus utilisés. Les bouchons de glace se pratiquent aussi bien sur les aciers austénitiques que sur les aciers au carbone. Ils peuvent être réalisés sur des éléments de tuyauterie de grand diamètre (jusqu’à 800 mm) et sur des circuits soumis à haute pression. D’importants travaux de développement ont été menés par EPRI et EDF depuis le début des années 1980 afin de démontrer l’innocuité du procédé sur les matériels concernés.
Sur l’aspect de la démonstration d’innocuité, les caractéristiques métallurgiques et thermomécaniques déterminantes lors des opérations mettant en oeuvre les bouchons de glace sont discutées :
- Le risque de rupture fragile sur les aciers au carbone au contact de bouchons formés à basse température (- 195°C pour l’azote liquide). Ce risque a été évalué en différentes situations industrielles rencontrées sur les unités PWR. Il est maîtrisé.
- Evaluation de la taille de défauts critiques lors des opérations de réalisation des bouchons de glace. Des essais expérimentaux sur tube instrumenté (tube en acier au carbone type Tu48c de diamètre 508 mm, sous pression de 70 bars environ, bouchon sous azote liquide) ainsi que des analyses en mécanique de la rupture ont permis de montrer les marges existantes.
- Effet de la martensite résiduelle (acier inoxydable austénitique) sur les caractéristiques mécaniques à basse température et résistance à la déchirure ductile. Pour les matériaux les plus sensibles (304L) les marges restent importantes
La pratique de l’obturation par bouchon de glace est une activité à risques notamment sur l’aspect sécurité. Cette activité requiert une méthodologie adaptée (en particulier sur l’analyse préliminaire des conditions de réalisation du bouchon), des procédures et des opérateurs qualifiés. Sur la période 1997/2007 plus de 110 opérations avec bouchons de glace ont été réalisées avec succès sur le parc EDF.
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