Evaluation of the reliability of nondestructive ultrasonic inspection methods for the detection and the characterization of defects in hydroelectric turbine welded joints

Habibzadeh Boukani, Hamid (2018). Evaluation of the reliability of nondestructive ultrasonic inspection methods for the detection and the characterization of defects in hydroelectric turbine welded joints. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Due to the competitive environment of the industrial world, manufacturers continuously try to optimize their production processes and to benefit their facilities as efficiently as possible. Their efforts concentrate on maximizing the overall effectiveness of production equipment and their service life. As an example, in the electricity generation field, the growing need for electricity pushes producers to extend the use of their production facility and to avoid unnecessary downtime due to premature failures. In hydroelectric power plants, where turbine runners spin under cyclically varying loads, the fatigue phenomenon is one of the main degradation processes limiting the service life of generation equipment. Therefore, the use of fracture mechanics based models to estimate the fatigue life of this equipment is increasingly growing. Since unplanned production halts due to premature failure or unnecessary replacement of major production parts is fairly costly in terms of time and money, it is essential to more precisely specify their estimated fatigue life.

In our case of interest, the life of a part is based on damage tolerance approach in which a fraction of the number of cycles that, based on fracture mechanics, are required to grow a crack from an initial size determined by inspection (or by the detection threshold) to failure. Accordingly, the dimension of existing flaws in the structure is one of the main inputs of these models. This input is generally characterized using the results of nondestructive testing (NDT) methods which, therefore, should be reliable in order to have a factual picture of the integrity of components. In this context, it is crucial to have detailed knowledge on the commonly occurring flaws as well as on the inspected material properties because they impact NDT efficiency and reliability.

In the proposed research, we will first try to thoroughly study the acoustic properties of the most frequently used materials in turbine runners. Indeed, ultrasonic testing is the most widely used NDT method for runner inspection for internal flaws. In the second step, the effect of heat treatment on the acoustic properties of martensitic stainless steel, one of the most extensively used steel grades for runner manufacturing, is assessed. Finally, an evaluation of the characteristics of flaws commonly detected in the welded joints of runners is carried out. The outcome of this research could be employed for studying the probability of occurrence (POO) and the probability of detection (POD) of welding flaws while inspecting turbine runner joints.

Titre traduit

Évaluation de la fiabilité des methodes de contrôle non destructives par ultrasons pour la detection et la caractérisation de défauts dans des joints soudés de turbines hydroélectriques

Résumé traduit

Dans un environnement industriel compétitif, les fabricants tentent en permanence d'optimiser leurs processus de production et de bénéficier de leurs installations aussi efficacement que possible. Leurs efforts se concentrent sur la maximisation de l'efficacité globale des équipements de production et leur durée de vie. Par ailleurs, dans le domaine de la production d'électricité, la demande croissante pousse les producteurs à prolonger l'utilisation de leurs installations de production et à éviter les arrêts inutiles dus à des défaillances prématurées. Dans les centrales hydroélectriques, où les roues de turbine tournent sous des charges variables et cycliques, la fatigue est l'un des principaux processus de dégradation qui limitent la durée de vie des équipements de production. Par conséquent, l'utilisation de modèles (basés sur la mécanique de la rupture) pour estimer la durée de vie de ces équipements est de plus en plus populaire. Puisque les arrêts de production causés par des défaillances prématurées ou le remplacement inutile de composants de production majeurs sont assez coûteux en termes de temps et d'argent, il est essentiel d’estimer précisément leur durée de vie résiduelle.

Dans les cas qui nous intéressent, la durée de vie d'un composant est basée sur l'approche de la tolérance aux dommages dans lequel la durée de vie déclarée est une fraction du nombre de cycles qui, suivant des modèles basés sur la mécanique de la rupture, sont nécessaires pour propager une fissure à partir d’une taille initiale déterminée par inspection (ou par le seuil de détection) jusqu'à la rupture. En conséquence, la dimension des défauts existants dans la structure est l'une des principales entrées de ces modèles. Cette entrée est généralement caractérisée en utilisant les résultats des essais non destructifs (END) qui, par conséquent, doivent être fiables afin d'avoir une image factuelle de l'intégrité des composants. Dans ce contexte, il est crucial d'avoir des connaissances détaillées sur les défauts qui se produisent fréquemment, ainsi que sur les propriétés des matériaux inspectés car ceux-ci affectent l'efficacité et la fiabilité des essais non destructifs utilisés.

Dans ce projet de recherche, nous allons d'abord étudier en profondeur les proprieties acoustiques des matériaux les plus fréquemment utilisés pour les roues de turbine. En effet, le contrôle par ultrasons est la méthode END la plus couramment utilisée pour l'inspection pour les défauts internes de telles roues. Dans la seconde étape, l'effet de traitements thermiques sur les propriétés acoustiques de l'acier inoxydable martensitique, un des matériaux les plus largement utilisés pour la fabrication des roues, est évalué. Enfin, une évaluation des caractéristiques des défauts communément détectés dans les joints soudés des roues est réalisée. Le résultat de cette recherche pourrait être utilisé pour étudier la probabilité d'occurrence (POO) et la probabilité de détection (POD) des défauts de soudage lors de l'inspection des joints des roues de turbine.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosphy" Bibliographie : pages 91-102.
Mots-clés libres:	Contrôle non destructif Fiabilité. Essais par ultrasons. Détection de défaut (Ingénierie) Soudures Défauts. Turbines hydrauliques Matériaux Durée de vie. Turbines hydrauliques Matériaux Microstructure. Turbines hydrauliques Matériaux Propriétés acoustiques. Acier martensitique Traitement thermique. essais non destructifs (END), fiabilité d'une inspection, évaluation nondestructive quantitative (QNDE), probabilité de détection (POD), inspection ultrasonore (UT), modélisation et simulation des UTs, turbine hydroélectrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Viens, Martin
Codirecteur:	Codirecteur Tahan, Souheil-Antoine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 mai 2018 15:59
Dernière modification:	10 mai 2018 15:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2042

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