Soutenance mémoire
Les centrales thermiques à flammes
Principe de fonctionnement
La source de chaleur associée à la combustion de charbon, pétrole, gaz naturel, voire gaz issus de hauts-fourneaux chauffe un fluide (souvent de l’eau) qui passe de l’état liquide à l’état gazeux (vapeur par exemple), ce gaz entraîne une turbine accouplée à un alternateur qui transforme l’énergie cinétique de la turbine en énergie électrique . Pour entraîner la turbine, il faut que la pression à sa sortie soit plus faible qu’à l’entrée. La baisse de pression à la sortie de la turbine est obtenue en condensant le gaz, en aval de cette dernière, à l’aide d’une source froide. Le fluide condensé est en général réutilisé comme source de vapeur et effectue un cycle thermodynamique fermé. La cogénération consiste à produire conjointement de la chaleur pour un procédé industriel ou le chauffage urbain, afin d’améliorer le rendement global. Le matériau étudié, l’acier P91, est notamment utilisé dans les centrales thermiques à flammes. Ce type de centrale peut lui même être divisé en deux catégories : les centrales au gaz et les centrales au charbon.
Une centrale au gaz est une centrale électrique consommant un gaz à fort pouvoir calorifique, tel du gaz naturel. Ce type de centrale constitue une part importante de la production d’électricité dans les pays producteurs de gaz. Les progrès récents faits dans la réalisation des turbines de moyenne puissance permettent d’utiliser avantageusement les centrales au gaz pour réaliser de la cogénération. Les réserves de gaz naturel sont sans commune mesure avec les réserves de pétrole, car elles ne sont exploitées que depuis la fin des années 1960. Alors que l’utilisation du pétrole et de ses dérivés devrait théoriquement perdurer jusqu’en 2050 environ, la pénurie de gaz naturel devrait survenir vers 2150 dans l’état actuel de la connaissance des réserves prouvées [dossier presse EDF, 2010]. Un autre avantage d’une centrale thermique concerne sa modularité. Quelques minutes suffisent, en effet, à démarrer les turbines à combustion. Quelques heures suffisent pour qu’une centrale thermique à flamme à l’arrêt atteigne sa pleine puissance. Avec une puissance modulable et rapidement disponible, les centrales thermiques permettent d’ajuster en temps réel la production d’électricité nécessaire au jour le jour pour couvrir les pointes de consommation du matin et du soir, ou en continu pendant les périodes très froides ou de sécheresse.
Les centrales au charbon ont connu quelques progrès techniques au XXe siècle, dont la combustion sur lit fluidisé, puis les cycles supercritiques, qui ont permis d’en améliorer les rendements (passant d’environ 35 % pour les centrales mises en service dans les années 1970 à 46 % pour des procédés supercritiques disponibles au début des années 2000) tout en diminuant leur pollution [dossier presse EDF, 2010]. En France, Le charbon n’est plus produit, mais reste en périodes de pointe et de semi-base le combustible fossile majoritaire pour la production électrique à partir de centrales thermiques. De plus, les centrales au charbon sont répertoriées comme sources de pollution de l’air et restent, en Chine, un problème majeur. Le mercure (naturellement accumulé dans certains charbons), le soufre, (sources de pluies acides) et le CO2 sont les sources des principaux problèmes.
Le thermique à flamme dans le monde
Dans le monde, ce type de production d’énergie représentait 68% de la production mondiale d’électricité en 2007 .
L’essentiel de la production d’électricité mondiale est réalisé à partir du thermique à flamme du fait du développement industriel de pays tels que la Chine qui dispose de grandes réserves de charbon. Ce type de production sera dans l’avenir très utilisé par les pays émergents (Chine, Inde, Brésil…) car d’une part, les réserves de charbon sont en abondance dans ces pays et que d’autre part, l’investissement nécessaire à la construction de centrales thermiques est peu important au regard de celui des autres types d’installation. Pour leur part, les pays industrialisés vont renouveler leur parc de centrales thermiques à flamme existant en utilisant des technologies plus propres.
Le thermique à flamme en France
En France, ces centrales ont été utilisées comme moyen de production de base de l’électricité entre 1950 et 1980. Le parc thermique à flamme géré par EDF compte 28 unités de puissances différentes réparties sur 15 sites. Parmi toutes les formes de production d’énergie électrique d’EDF, les centrales thermiques sont utilisées principalement « en pointe » et viennent en complément des installations nucléaires qui fournissent « la base » et répondent à la demande quotidienne récurrente. Ainsi, en France, en 2008, 10% de la production annuelle d’EDF provient de centrales thermiques à flamme . Ce qui en fait la troisième source de production d’électricité, derrière les énergies renouvelables.
La vocation des centrales thermiques à flammes en France est donc de répondre aux fluctuations de la demande en énergie et de satisfaire les pics de consommation de plus en plus amples et fréquents. L’électricité ne pouvant pas être stockée, EDF adapte en effet en temps réel sa capacité de production à la consommation. Le thermique à flamme permet de faire face aux variations brutales de la demande, comme par exemple lors de pics de consommation aux heures de pointe ou lors de vagues de froid ou de grande sécheresse. Au bilan, les centrales thermiques sont mises en service entre 2500 et 5000h environ par an pour les centrales thermiques au charbon et entre 200 et 1500h par an pour les centrales fonctionnant au fioul. De plus, seulement 12 minutes suffisent aux turbines à combustion les plus performantes pour commencer à produire de l’électricité.
Le problème de pollution (rejet de CO2, SO2 et NOx)
Les émissions polluantes étant directement liées à la sollicitation des centrales thermiques, EDF améliore le rendement de ses centrales pour optimiser la quantité de combustible utilisé. Depuis plus de 10 ans, EDF quantifie ses émissions de CO2 et a réduit de 50% les émissions atmosphériques de ses centrales thermiques. Cette quantification peut-être vérifiée par des organismes extérieurs accrédités. Pour permettre d’abaisser encore plus ses rejets atmosphériques, EDF utilise différentes techniques [dossier presse EDF 2010] :
• L’utilisation de combustibles de meilleure qualité, comme des charbons moins cendreux et des fiouls à très basse teneur en soufre. Ainsi, les unités de production au fioul, récemment remises en service, utilisent désormais du fioul à 0,55 % de soufre, c’est à dire du fioul à très basse teneur en soufre (TTBTS).
• La désulfuration des fumées permet de réduire de 90 % les émissions de dioxyde de soufre. Avant que les fumées n’atteignent la cheminée, elles passent au travers d’une eau saturée en calcaire, pour les « laver ». Ce procédé est installé sur les trois unités de production charbon 600 MW les plus récentes (Cordemais et Le Havre).
• La dénitrification des fumées permet de réduire de 80 % les émissions d’oxydes d’azote (NOx). Ce résultat est obtenu en captant les NOx avec une installation de dénitrification. Première en France à cette échelle, les installations de dénitrification sont en service sur les trois unités charbon 600 MW de Cordemais et du Havre. Elles permettent d’anticiper de presque 10 ans l’application des directives européennes.
Les centrales à cycles combinés
Flexibles et respectueux de l’environnement, les cycles combinés, qui fonctionnent au gaz naturel, permettent, pour chaque kilowattheure produit, de réduire de moitié les émissions atmosphériques de dioxyde de carbone (CO2), de diviser par trois les oxydes d’azote (NOx) et de supprimer les émissions d’oxydes de soufre (SO2) par rapport aux moyens de production «classiques » [dossier presse 2010] . Le groupe EDF est sollicité par de nombreux pays industrialisés ou en voie de développement pour concevoir, construire et exploiter ce type de centrales. EDF a ainsi mené un programme de développement de cycles combinés gaz à l’étranger aujourd’hui opérationnel : Norte Fluminense (780 MW) au Brésil, Phu My 2.2 (715 MW) au Vietnam, et récemment SLOE Centrale (870 MW) aux Pays-Bas [dossier presse EDF 2010].
Les centrales à charbon de demain
Caractérisées par un meilleur rendement, ces centrales (dites supercritiques fonctionnant à 563°C et 25MPa ou ultra supercritiques fonctionnant au dessus de 565°C) produisent plus d’électricité pour une même quantité de charbon brûlé. Par exemple, en Allemagne, la première pierre de la centrale à charbon supercritique « RDK8 » d’EnBW a été posée en 2008, à Karlsruhe [dossier presse EDF 2010]. Elles réduisent proportionnellement les émissions de CO2, grâce à une meilleure combustion. La quantité de rejet de CO2 est diminuée de 22% grâce aux centrales ultra supercritiques. Leurs équipements de désulfuration et de dénitrification prévus dès la conception permettent de réduire encore les concentrations en oxydes de soufre (jusqu’à 90%), oxydes d’azote (jusqu’à 80%) et poussières [dossier presse EDF 2010]. Elles diffèrent des centrales actuelles par une température et une pression de fonctionnement plus élevées, qui nécessitent encore des efforts de recherche pour développer des matériaux résistants à des températures supérieures à 600/700°C pour des périodes de fonctionnement de plusieurs dizaines d’années [dossier presse EDF 2010]. C’est dans ce cadre qu’a été choisi le P91 qui est un matériau ayant une bonne résistance au fluage, à la corrosion et à l’oxydation. EDF investit dans cette technologie, et ambitionne de développer des centrales au charbon de dernière génération. Parallèlement, EDF poursuit ses efforts de recherche pour tester, lorsqu’elles seront disponibles, les technologies susceptibles de réduire les émissions de CO2. C’est dans ce cadre que se placent mes travaux de recherche qui consistent à mieux appréhender le comportement mécanique des joints soudés en acier P91. En effet, du fait des dimensions importantes des canalisations réparties au sein d’une centrale thermique, ces structures nécessitent des opérations d’assemblage. Opérations, comme le soudage, qui, sans parler d’apparition de défauts de soudage, induisent des modifications microstructurales du matériau et par conséquent des modifications de comportements mécaniques, qu’il est alors nécessaire de caractériser.
Les procédés de soudage
Définition
Le soudage est l’opération consistant à réunir deux ou plusieurs parties constitutives d’un assemblage, de manière à assurer la continuité entre les parties à assembler (continuité de la nature des matériaux assemblés : matériaux métalliques, matières plastiques, etc.), soit par chauffage, soit par intervention de pression, soit par l’un et l’autre, avec ou sans emploi d’un produit d’apport dont la température de fusion est du même ordre de grandeur que celle du matériau de base (matériau constitutif des éléments à souder).
Les procédés de soudage sont de plus en plus employés car ils permettent d’obtenir une structure 10% plus légère que celle obtenue par assemblage boulonné [www.otua.fr]. Le soudage assure une continuité métallique de la pièce lui conférant ainsi des caractéristiques, au niveau de l’assemblage, équivalentes à celles du métal assemblé. Il répond donc à la problématique de garantir la possibilité d’imposer des sollicitations élevées. Il est durable car insensible aux variations de température, aux conditions climatiques…pour finir il garantit l’étanchéité de la pièce à souder. En outre, on maîtrise de plus en plus ce système d’assemblage en contrôlant par contrôle non destructif les défauts qui peuvent apparaître. L’inconvénient réside toutefois dans la nécessité d’un opérateur qualifié car cette tâche demande expérience, précision et savoir-faire.
L’acier est le métal le plus facile à souder, car on peut utiliser avec lui toute une gamme de procédés de soudage. Dans l’ère industrielle, c’est l’acier qui a le plus bénéficié du soudage.
Les différentes parties d’un cordon de soudure
Un cordon de soudure est composé de différentes parties :
— le métal de base est le matériau constitutif des éléments à souder ;
— le métal d’apport est la matière dont est constituée l’électrode utilisée dans le processus de soudage ;
— la racine désigne l’endroit de l’assemblage jusqu’où le métal d’apport a pénétré ;
— la face représente la surface extérieure de la soudure ;
— le pied correspond à la ligne de séparation, sur la face de la soudure, entre le métal de base et le métal d’apport ;
— la zone affectée thermiquement (ou ZAT) est la partie du matériau de base qui n’est pas rentrée en fusion avec le métal d’apport mais qui, par contre, a subi un échauffement et un refroidissement très rapides au passage de l’arc de soudage conduisant à une modification de la microstructure du métal de base. Dans le cas des aciers, cette zone se traduit par un durcissement du matériau et peut dès lors acquérir un comportement fragile. Cette zone peut être divisée en trois sous-zones : une zone à gros grains (CGHAZ), une zone à grains fins (FGHAZ) et une zone intercritique (ICHAZ).
Défauts de soudure
Lors d’une opération de soudage, de nombreux paramètres tels que l’énergie de soudage, le gaz, le fil utilisé, la vitesse d’avance, peuvent intervenir sur la qualité du cordon. Ainsi de mauvais réglages ou un matériel inadapté peuvent entraîner l’apparition de nombreux défauts. En effet, lorsque l’on chauffe le métal certains mécanismes comme la diffusion sont activés. Il peut alors apparaître un phénomène appelé ségrégation pendant lequel des impuretés ou éléments d’alliage migrent aux joints de grains, ce qui facilite la rupture fragile intergranulaire. Pour éviter ce problème, on effectue parfois un recuit de la pièce (chauffage de toute la pièce afin d’homogénéiser l’ensemble). Lors du soudage, on peut également trouver des porosités qui sont des défauts sphériques creux qui peuvent être ou non débouchants. Ces porosités sont causées par les courants d’air, le manque de gaz, l’obstruction de la buse, un mauvais angle de soudage, de l’eau ou des impuretés dans le joint à souder. Dans le cas de porosités non débouchantes, elles peuvent être appelées soufflures , alors que dans le cas de porosités débouchantes, elles prennent le nom de piqûres.
On peut également voir apparaître des inclusions qui sont des composés étrangers à la soudure et peuvent contenir du Tungstène (cas du soudage TIG) ou du laitier (soudage à l’électrode enrobée ou baguette) ou encore des oxydes. Suite au retrait du métal lors de son refroidissement, un espace vide peut apparaître à la surface ou à l’intérieur du cordon, on parle alors de retassures. Ce type de défaut est inacceptable si l’étanchéité n’est pas assurée. Au cours d’une soudure, le métal peut également déborder du côté envers du cordon dans le cas de l’excès, on parle alors d’excès de pénétration . Ces défauts proviennent de mauvaises conditions opératoires (vitesse trop grande, intensité du courant insuffisante, carence en métal d’apport). Ils créent un affaiblissement plus ou moins important du joint et un risque de corrosion ultérieure.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LES CENTRALES THERMIQUES A FLAMMES
1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
2. LE THERMIQUE A FLAMME DANS LE MONDE
3. LE THERMIQUE A FLAMME EN FRANCE
4. LE PROBLEME DE POLLUTION (REJET DE CO2, SO2 ET NOX)
5. LES CENTRALES A CYCLES COMBINES
6. LES CENTRALES A CHARBON DE DEMAIN
CHAPITRE 2 : LES PROCEDES DE SOUDAGE
1. DEFINITION
2. PRESENTATION DES PRINCIPAUX PROCEDES DE SOUDAGE POUR LES METAUX
2.1. Quelques exemples
2.2. Procédé de soudage de mon étude : soudage à arc submergé (SAW : Submerged Arc Welding)
3. LES DIFFERENTES PARTIES D’UN CORDON DE SOUDURE
4. DEFAUTS DE SOUDURE
5. TENUE MECANIQUE D’UN JOINT SOUDE
6. LA FISSURE DE TYPE IV
CHAPITRE 3 : LE MATERIAU, UN JOINT SOUDE P91
1. PRESENTATION DU MATERIAU
1.1. Composition chimique et condition d’utilisation
1.2. Structures cristallographiques
1.3. Les carbures et précipités MX et M23C6
1.4. Les phases de Laves
1.5. La phase Z
2. LA SOUDURE DU P91
2.1. La soudabilité de cet acier
2.2. Le procédé de soudage et le traitement thermique choisi
2.3. La composition de la ZAT et sa cristallographie
2.4. La zone faible : l’ICHAZ
CONCLUSION
CHAPITRE 4 : IDENTIFICATION DES LOIS DE COMPORTEMENT DE MATERIAUX A GRADIENT DE PROPRIETES DEMONTRANT L’INTERET DES MESURES DE CHAMP
1. LE CONTEXTE
2. LA METHODE DE CORRELATION D’IMAGES
2.1. Le principe
2.2. Les problèmes de contraste
2.3. Influence de la température
3. DEMARCHE EXPERIMENTALE
4. IDENTIFICATION DE PARAMETRES DE LOIS DE COMPORTEMENT A L’AIDE DE LA MESURE DE CHAMP
4.1. Méthode de l’écart à l’équilibre
4.2. Méthode des champs virtuels
4.3. Méthode de l’erreur en relation de comportement (ERC)
4.4. Méthode par recalage par éléments finis
4.5. Méthode de l’écart à la réciprocité
CONCLUSION
CHAPITRE 5 : ETUDE EXPERIMENTALE EN TRACTION DE LA ZONE SOUDEE
1. GEOMETRIE DES EPROUVETTES
2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL
2.1. Choix du motif élémentaire
2.2. Essais à température ambiante
2.3. Essais à 625°C
3. SIMULATIONS NUMERIQUES
4. COMPORTEMENT A TEMPERATURE AMBIANTE
4.1. Courbe de traction
4.2. Zone de rupture
4.3. Modèle de comportement
4.4. Méthode d’optimisation
4.5. Comparaison des champs de déformations
4.6. Comparaison expérience – simulation
4.7. Influence du taux de triaxialité des contraintes
4.8. Analyse de l’influence des conditions de chargement
4.9. Robustesse de l’identification (ajout de bruit)
5. COMPORTEMENT A 625°C
5.1. Courbes de traction
5.2. Zone de rupture
5.3. Evolution de la loi matériau
5.3.1. Simple Norton
5.3.2. Double Norton et ajout de paramètres dans l’écrouissage
CONCLUSION
CHAPITRE 6 : ETUDE DU COMPORTEMENT EN FLUAGE DU P91
1. LE FLUAGE
1.1. Une microstructure adaptée pour résister au fluage
1.2. Etude des propriétés mécaniques du matériau en fluage
2. NOS CONDITIONS EXPERIMENTALES
2.1. Le dispositif expérimental
2.2. Les conditions d’essais choisis
3. DEPOUILLEMENT MACROSCOPIQUE
4. LES MECANISMES D’OXYDATION
5. LES MECANISMES DE RUPTURE EN FLUAGE
5.1. Rupture intergranulaire dans la zone soudée
5.2. Etude des hétérogénéités de déformation à l’échelle microstructurale
5.2.1. Microextensométrie appliquée aux essais de fluage
5.2.2. Essai de fluage à fort niveau de contrainte (100MPa)
5.2.3. Essai de fluage à faible niveau de contrainte (60MPa)
6. ETUDE PAR SIMULATION NUMERIQUE DU GLISSEMENT AUX JOINTS DE GRAINS
6.1. Présentation générale des éléments cohésifs
6.2. Loi cohésive utilisée
6.3. Choix du modèle cristallin
7. VALIDATION SUR UNE STRUCTURE TEST DES LOIS DE COMPORTEMENTS CHOISIES
7.1. Description du maillage
7.2. Description des conditions aux limites
7.3. Simulations sans éléments cohésifs
7.4. Simulation avec utilisation d’éléments cohésifs
CONCLUSION
CONCLUSIONS GENERALES
