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Mesure et prédiction des contraintes résiduelles dans une turbine hydraulique de type Francis

Castrataro, Albert (2006). Mesure et prédiction des contraintes résiduelles dans une turbine hydraulique de type Francis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le soudage en multipasse est une technique d'assemblage fortement répandue dans la fabrication de turbines hydrauliques de type Francis faites d'acier inoxydable CA-6NM. Les fortes températures provoquent des déformations et des contraintes résiduelles qui peuvent avoir de graves conséquences sur la durée de vie des turbines. Ce phénomène est très peu documenté dans la littérature scientifique.

La présente étude tentera de suivre l'évolution et de prédire la distribution de contraintes résiduelles et son intensité maximale au niveau des joints soudés d'une turbine. Les étapes de mise en oeuvre de l'étude sont les suivantes: premièrement des données expérimentales ont été recueillies pour connaître l'intensité de la contrainte résiduelle sur des échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique au niveau d'un joint soudé. Deuxièmement une méthode numérique a été développée, basée sur une formule proposée par la norme ASM pour prédire l'intensité maximale au niveau d'un joint soudé à partir de mesures expérimentales sur un échantillon d'acier doux. Par la suite une relation mathématique et une méthode numérique ont été développés pour prédire la contrainte maximale dans un échantillon d'acier inoxydable martensitique de type 415.

Les résultats expérimentaux sur échantillon d'acier doux ont permis de mesurer une intensité maximale de 220 MPa en tension au centre du cordon de soudure. Alors que l'intensité maximale de l'échantillon d'acier inoxydable martensitique est de 341 MPa en compression dans le joint.

Les méthodes numériques développées dans cette étude ont permis de prédire l'intensité maximale de la contrainte avec une marge d'erreur de l'ordre de 12 et 9% pour les échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique respectivement.

L'approche expérimentale consiste à suivre l'évolution des contraintes pendant un cycle complet de fabrication d'une turbine. Des mesures par jauges de déformations ont été prises entre les différentes phases de fabrication, soient l'usinage, la soudure et le traitement thermique. De plus des mesures en continu ont été enregistrées pour suivre les variations de températures et de contraintes pendant le soudage.

Globalement les mesures prises sur la turbine ont permis d'établir le niveau de contrainte moyen à 155 MPa, mesuré en tension, après usinage des aubes. Les mesures en continu durant le soudage ont donné une variation de 47 MPa en tension. On a constaté que le niveau de contrainte a augmenté proportionnellement avec la température pendant le soudage. Par ailleurs, lors de la soudure, lorsque la température locale de la turbine diminuait, les contraintes ne suivaient pas la même évolution que la température. L'hypothèse de l'effet de bridage a été amenée. Durant le traitement thermique, une relaxation de 169 MPa a pu être mesurée, alors que le niveau de contrainte final se situe entre 33 et 51 MPa, en compression sur l'extrados de l'aube à sa sortie. On remarque que le niveau de contrainte final n'est pas nul. Par contre, les contraintes de compression sont bénéfiques aux endroits sollicités en tension.

Finalement la méthode numérique développée pour les aciers inoxydables martensitiques n'a pu être vérifiée pour faire la prédiction de la contrainte maximale dans un joint soudé d'une turbine faite d'acier. CA-6NM par manque de données expérimentales.

Titre traduit

Prediction and measurements of residual stresses in a Francis water turbine

Résumé traduit

Welding is a common process in the assembly of Francis stainless steel (CA-6NM) water turbines. High temperatures cause deformations and residual stresses which can have a serious consequence over lifespan of turbines. Very little experimental data regarding temperature distribution and levels of stress during multi-pass welding in Francis turbines is available in the literature.

The present report predicts the intensity and the distribution of residual stresses and its variation during the welding process or with time, in the welded joint of a turbine. We proceeded by stages, firstly experimental data were collected to estimate the intensity of the residual stress in martensitic stainless steel and in mild steel samples at the welded joint. Secondly a data-processing program was developed to predict the maximum intensity in a welded joint based on experimental measurements made in a mild steel sample. A model was developed to predict the maximum stress in 415 martensitic stainless steel sample. Finally the developed method was used to predict the maximum residual stress in the welded joint.

The mild steel experimental results measured a maximum stress of 220 MPa in tension at the center of the weld. The maximum stress on a sample of stainless steel martensitic was measured at 341 MPa in compression at the center of the welded joint.

Using the numerical methods it was possible to predict the maximum stress intensity with a error of 12 and 9% for the mild steel and 415 martensitic stainless steel samples respectively.

The experimental approach consists of following measuring the variation of the stress during a complete cycle of manufacture of a turbine. Measurements were taken during the various manufacturing stages which are the machining, welding and heat treatment with strain gages. Moreover a continuous data recording measuring system was also developed and used to follow the temperatures and stress variations during the welding process.

The measurements taken on the turbine blades, after machining, allowed a gross estimation of an average stress level at 155 MPa in tension. The continuous measurements during welding gave a variation of 47 MPa in tension, It was noted that the level of stress increased proportionally with the temperature during welding. When the temperature of the turbine cools, the stress level did not follow the same evolution as the temperature. The assumption of the effect of the constraint effects can be brought. The high temperatures gauges allowed measuring a maximum relieving of 169 MPa and the final stress level was established between 33 and 51 MPa in compression at the extrados exit of the blade. It is noted that the final level of stress is not null. It is noticed that the final level of constraint is not null, on the other hand compressive stresses can be beneficiai in places highly solicited in tension.

Finally the numerical methods to predict the maximum stress on a CA-6NM turbine welded joint could not be checked due to a lack of experimental data.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliogr : f. [133]-134.
Mots-clés libres: Turbines hydrauliques, Contraintes résiduelles Mesure, Contraintes résiduelles, Modèles mathématiques.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Guilbault, Raynald
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Lê, Van Ngan
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 01 avr. 2011 16:27
Dernière modification: 02 nov. 2016 23:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/542

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