Analyse statistique des défauts trouvés dans les joints soudés multicouches utilisés dans la fabrication de turbines hydroélectriques

Yao, Atchan Daniel (2021). Analyse statistique des défauts trouvés dans les joints soudés multicouches utilisés dans la fabrication de turbines hydroélectriques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’évaluation de la résistance à la fatigue du matériau de soudure dans les roues de turbine hydroélectrique se pratique sur des éprouvettes. La question de savoir si les joints de soudure et les éprouvettes utilisées pour les tests peuvent présenter approximativement des résistances similaires en fatigue se pose, vu que les procédés sont différents. Le joint résulte d’un soudage multicouche avec un apport de métal 410NiMo. Les éprouvettes sont usinées à partir d’un brut du métal de soudure déposé en plusieurs couches sur un substrat.

Ce mémoire suggère une méthode pour comparer les matériaux de ces deux procédés, dans une perspective de vérifier si les deux traitements ont des qualités similaires. La méthode proposée se base sur les meilleurs modèles d’approximation des tailles de défauts extrêmes trouvés dans les matériaux.

Une méthodologie expérimentale par l’imagerie à rayons X pour chaque cas a été mise en oeuvre pour investiguer et quantifier les défauts. L’analyse d’images 2D de radiographie des tranches a servi pour quantifier les défauts dans le matériau du joint en T, à cause du fait que ces dimensions sont relativement grandes et que sa forme comporte des arêtes vives compliquant l’analyse 3D. Pour les éprouvettes de fatigue de forme cylindrique, la tomographie a produit des images 3D des spécimens qui ont été projetées en images 2D pour la quantification des défauts.

L’analyse statistique des valeurs de la racine carrée des surfaces projetées des pores collectées s’est basée sur la théorie des valeurs extrêmes. Des modèles de distributions des valeurs extrêmes généralisées et de Pareto généralisée ont conjointement été explorées. Trois critères ont permis de sélectionner un modèle pour simuler les valeurs extrêmes dans chaque cas. Le modèle gagnant devrait être validé par les tests statistiques de Kolmogorov-Smirnov et d’Anderson-Darling, et jugé performant par les calculs de la racine carré des erreurs quadratiques moyennes et du coefficient de détermination. Puis, celui-ci devra réaliser une très bonne approximation des valeurs expérimentales les plus extrêmes et enfin minimiser les intervalles de confiance des prédictions. Les modèles GPD à seuil élevé à 91 % des données pour le joint en T et GPD à 88,1 % pour les éprouvettes de fatigue ont été retenus.

La principale conclusion de cette étude est que les deux procédés pourraient statiquement être proches en considérant la taille des gros pores lorsque le volume de matériau de soudure est inférieur à 200 μm. La différence serait cependant plus significative pour des volumes plus grands.

Résumé traduit

The evaluation of the fatigue resistance of the weld material in the hydroelectric turbine runners is carried out on test specimens. The question whether the welded joints and specimens used for testing can exhibit approximately similar fatigue strengths arises, since the processes are different. The joint is the result of multilayer welding with an addition of 410NiMo metal. The specimens are machined from a raw weld metal deposited in several layers on a substrate.

This thesis suggests a method for comparing the materials of these two processes, with a view to verifying whether the two treatments have similar qualities. The proposed method is based on the best approximation models of the sizes of extreme defects found in materials.

An experimental methodology by X-ray imaging for each case was implemented to investigate and quantify the defects. Analysis of 2D X-ray images of the wafers was used to quantify the defects in the material of the T-joint, due to the fact that these dimensions are relatively large and its shape has sharp edges complicating the 3D analysis. For the cylindrically shaped fatigue specimens, tomography produced 3D images of the specimens which were projected as 2D images for quantification of defects.

The statistical analysis of the square root values of the projected areas of the collected pores was based on the theory of extreme values. Generalized extreme value and generalized Pareto distribution models were jointly explored. Three criteria were used to select a model to simulate the extreme values in each case. The winning model should be validated by statistical tests of Kolmogorov-Smirnov and Anderson-Darling, and judged to perform well by calculations of the square root of the mean squared errors and the coefficient of determination. Then, this one will have to carry out a very good approximation of the most extreme experimental values and finally to minimize the confidence intervals of the predictions. The high threshold GPD models at 91% of the data for the T-joint and GPD at 88.1% for the fatigue specimens were retained.

The main conclusion of this study is that the two processes could be statically close considering the size of the large pores when the volume of solder material is less than 200 μm. On the other hand, the difference would be more significant for larger volumes.

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 avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 81-83).
Mots-clés libres:	valeurs extrêmes, matériau de soudure, niveau de retour, période de retour
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	14 avr. 2022 13:11
Dernière modification:	14 avr. 2022 13:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2959

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