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Analyse des contraintes résiduelles dans les assemblages tubes-plaques à tubes dudgonnés par pression hydraulique

Laghzale, Nor-Eddine (2009). Analyse des contraintes résiduelles dans les assemblages tubes-plaques à tubes dudgonnés par pression hydraulique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Au début des années 40, la totalité des travaux de recherche s’intéressaient aux techniques employées dans le dudgeonnage des assemblages tubes-plaques à tubes. Un peu plus tard, dans les années 60, les travaux de recherche se sont orientés sur l’étude de la résistance axiale de ces assemblages. Ce n’est qu’au début des années 70, suite à un nombre important de défaillance décelée dans plusieurs générateurs de vapeur à travers le monde, que les travaux de recherche commençaient à s’intéresser aux contraintes résiduelles et aux mécanismes de dégradation des assemblages tubes-plaques à tubes. Plusieurs modèles ont été élaborés pour prédire la pression résiduelle de contact produite par le procédé de dudgeonnage. Cependant, un écart important a été observé entre les résultas de ces modèles et ceux obtenus par les éléments finis ou mesurés expérimentalement. Bien que des ajustements aient été apportés par certains chercheurs pour ne citer qu’Allam, M. (1998a) à l’équation de la pression résiduelle de contact élaborée par Krips, H. (1976), cet écart reste quant même significatif. Une revue de littérature nous a révélé que les effets de l’écrouissage des matériaux et de la relaxation des contraintes résiduelles en service n’ont pas été considérés de façon adéquate dans la phase de la conception des assemblages tubes-plaques à tubes. Ainsi, une analyse plus exacte tenant compte de tous les paramètres impliqués s’avère donc nécessaire. Dans le cadre de ce projet de recherche, la prédiction de ces contraintes résiduelles a été développée.

Un premier modèle a été développé pour prédire la pression résiduelle de contact générée lors du dudgeonnage. La loi de comportement des matériaux de l’assemblage est supposée élastique parfaitement plastique (EPP). Ensuite, un deuxième modèle, plus réaliste que le premier et qui tient compte de l’effet de l’écrouissage des matériaux, simulé par une loi de comportement supposée bilinéaire (BL), a été adopté à cet effet. En plus, les effets de l’écrouissage de la plaque pendant la phase de chargement du procédé et le retour plastique du tube pendant le déchargement, s’il a lieu, ont été pris en considération. Les résultats montrent que les effets du jeu initial et du module tangent du tube sont très significatif sur la pression résiduelle de contact tant que le module tangent du tube est pris en considération. Lorsque ce dernier devient nul, la pression résiduelle de contact devient insensible au jeu initial. En comparaison avec les modèles des éléments finis, les résultats semblent en bonne concordance et nettement meilleurs que les autres modèles élaborés auparavant.

Enfin, un autre nouveau modèle analytique a été développé afin de prédire l’effet du fluage des matériaux de l’assemblage sur la relaxation des contraintes résiduelles produites lors du dudgeonnage et son influence sur la pression résiduelle de contact en service. Les résultats de ce modèle et ceux obtenues par les éléments finis montrent qu’en service, la réduction de la pression résiduelle de contact par rapport à sa valeur initialement produite par le procédé de dudgeonnage peut atteindre 16,6% en régime stationnaire et 85,66% en cas d’arrêt après le régime stationnaire. La bonne concordance des résultats de ce nouveau modèle et ceux des éléments finis procure une haute confiance sur fiabilité des modèles analytiques développés.

Titre traduit

Analysis of residual stresses in hydraulically expanded tube-to-tubesheet joints

Résumé traduit

In the early 40’s, most of the research work focussed on the techniques used in the tube-to tubesheet joints expansion process. Later, in the 60’s the research work was dedicated to the study of the axial strength of the expanded joints. It was until the beginning of 70’s, after a significant number of failures detected in several steam generators throughout the world that research began to focus on residual stresses and the degradation mechanisms of these joints. Several models have been developed to predict the contact pressure produced by the expansion process. However, a significant difference was observed between the results of these models and those obtained by finite elements or measured experimentally. Although adjustments were made by some researchers such as Allam, M. (1998a) to the equation of the residual contact pressure developed by Krips, H. (1976), the difference in the results remains significant.

A literature review has revealed that the effects of the tube strain hardening material and the relaxation of residual stresses in service have not been adequately considered in the design of the expanded joint. Therefore a more accurate model taking into account these parameters is needed to better predict the residual pressure. Three analytical models capable of predicting the contact pressure during the manufacturing process and its variation during service were developed.

A first model was developed to predict the residual contact pressure during and after the expansion process. The joint material law behaviour was initially assumed to be elastic perfectly plastic (EPP). A second model, more realistic than the first that takes into account the effect of strain hardening of the seal materials with a linear behavior (BL) was adopted for this purpose. In addition, the effects of strain hardening and the tube reverse yielding were taken into account. The results show that the residual contact pressure is very sensitive to initial clearance and the tube tangent modulus. In comparison with the finite element models, the results are in good agreement and significantly better than existing models. Finally, a third analytical model was developed to predict the effect of the creep on the residual stress relaxation and its influence on the in-service residual contact pressure. The results of this model and those obtained by the finite elements show that during service, the reduction of the residual contact pressure can reach 16.6% in the case of stationary creep and 85.7% in the event of a shut-down after creep has taken place. The good agreement between the results of the new model and those of finite elements gives a high confidence in the reliability and accuracy of the developed analytical models.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [152]-158.
Mots-clés libres: Assemblages (Technologie) Contraintes (Mécanique) Modèles mathématiques. assemblage, dudgeonnage, écrouissage, fluage, hydraulique, pression, relaxation, résiduelle, tubes
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel Hakim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 18 août 2010 19:18
Dernière modification: 12 janv. 2017 00:29
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/61

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