Modélisation de la fatigue dans les turbines hydrauliques

Modélisation de la fatigue dans les turbines hydrauliques

La maintenance des roues des turbines hydrauliques consomme environ 17% du nombre total d’heures réservées à l’entretien complet des turbines (Aoudjit, 2010). Ce nombre élevé des heures de maintenance s’explique principalement par les coûts de réparation dus aux problèmes de fatigue et de cavitation. En effet des recherches ont indiqué que dépendamment du choix des points de fonctionnement (hauteur de la chute, ouverture des vannes guides, débit) et de la procédure de démarrage des turbines hydrauliques, on peut réduire ou accélérer significativement le processus de fissuration et de fatigue des aubes (Allan et Roman, 1989; Bourdon et al., 1999).

Ainsi, un choix judicieux des séquences de démarrage et des points de fonctionnement pourraient réduire les fluctuations de pression et du débit, qui sont les principales sources des vibrations (et des contraintes dynamiques) dans les structures de la turbine. En fait, certains points de fonctionnement génèrent plus de pression et de débit que d’autres, ce qui conduit à la génération de cycles dites HCF « High Cycles Fatigue »; que différentes études pointent comme étant le principal mécanisme d’initiation et de propagation des fissures (Brekke, 2013; Frunzăverde et al., 2010; Huth, 2005; Xiao, Wang et Luo, 2008). La forme de l’aube et la zone de transition (entre l’aube et la bande ou la couronne) ont aussi un effet sur la distribution des contraintes et sur le facteur de concentration des contraintes ?? (Bergmann- Paulsen, 2012; Huth, 2005; Thapa et al., 2012). Toutefois, le profil de l’aube est un paramètre prédéfini lors de la conception de la roue et que l’exploitant ne peut pas contrôler, contrairement aux séquences d’ouverture et aux points de fonctionnement.

En plus des contraintes de chargement (régimes permanent et transitoire), les caractéristiques mécaniques de la roue de la turbine hydraulique varient aussi en fonction de l’historique de fabrication et des réparations qui sont le principal responsable des contraintes thermiques (résiduelles) dans les zones soudées. En effet, les cycles thermiques résultant du soudage et du traitement thermique, provoquent un échauffement local non uniforme, par conséquent une déformation hétérogène dans le matériau en question et une augmentation de la sensibilité de la zone soudée à la fissuration. Les distributions de ces contraintes résiduelles dépendent en partie : des propriétés des matériaux, des procédures de soudage incluant les conditions de retenue, l’apport de chaleur et le nombre de passes de soudage (Brickstad et Josefson, 1998; Deng et Murakawa, 2006). Thibault et al. avancent que le traitement thermique post-soudage peut être prometteur pour baisser ces tensions résiduelles (Thibault, Bocher et Thomas, 2009). Aussi, ils préconisent d’effectuer des inspections ultrasons après chaque réparation pour détecter les défauts engendrés par le soudage (Thibault, Bocher et Thomas, 2009). En absence de ces mesures, les contraintes thermiques fragilisent localement le matériau et affectent ses propriétés mécaniques.

C’est le cas du seuil de propagation de la fissure Δ????MPa√m? qui conditionne la propagation des fissures et qui à son tour est affecté par le ratio du chargement ?, la température d’exploitation, la taille du grain, le niveau d’oxydation et l’environnement corrosif (voir Figure 1.2) (Richard W. Hertzberg, 2013; Taylor, 1988). Par exemple, en présence d’environnement corrosif et un ratio de chargement ? assez bas, les couches d’oxyde peuvent s’accumuler entre les faces opposées de la fissure et mener à sa fermeture, ce qui augmente le seuil Δ???. Tandis que la fragilisation par l’hydrogène et les autres mécanismes de corrosion classiques tendront à abaisser le seuil Δ??? (Fatemi et Socie, 1988; Miller, 1987; Taylor, 1989). Les sous-chargements1 « underloading » peuvent aussi causer temporairement une accélération de la propagation des fissures, contrairement aux sur-chargements « overloading » qui peuvent décélérer leur propagation (Dabayeh et Topper, 1995; Pompetzki, Topper et DuQuesnay, 1990; Taylor, 1989). Les effets secondaires du soudage ne se limitent pas seulement au Δ??? mais affectent aussi la limite d’endurance Δ??[MPa]. En effet l’endurance qui est définie pour une durée de vie de ? cycles, est influencée par : le fini de surface, l’épaisseur de la pièce, la fiabilité définie lors de la conception et les concentrations de contraintes; qui sont tous des paramètres affectés par les opérations de réparation et de soudage. Des modèles de correction ont été proposés par différents chercheurs pour tenir compte de l’effet du soudage dans les équations de propagation des fissures (Baik, Yamada et Ishikawa, 2011; Suresh, 1983) et pour la correction de la limite d’endurance (Therriault et Bernard, 2013).

Cependant, à notre connaissance, ces corrections restent ‘partielles’ puisqu’elles ne tiennent pas compte de la nature aléatoire des différents facteurs et aussi de l’effet des différences entre le matériau de soudage et le matériau de base. De cette revue, il ressort que la propagation de la fissure ne dépend pas seulement de sa localisation dans la turbine, sa géométrie et sa taille (Castillo et al., 2010; Kitagawa, Yuuki et Ohira, 1975; Sanford, 2003; Xiong et Shenoi, 2008), mais aussi des conditions d’exploitation et des opérations de réparation. Par conséquent les données originales de la concepion des turbines ne peuvent être utilisées tout le long de la vie utile de l’équipement et d’où le besoin de les mettre à jour particulièrment le seuil de propagation Δ??? et de l’endurance Δ??, pour une estimation plus précise de la fiabilité. Finalement, les réparations des cavitations et des corrosions engendrent aussi des changements dans les propriétés des matériaux et tenir compte de leurs historiques respectifs s’avère une étape incontournable dans le calcul de la fiabilité en fatigue.

Processus d’élicitation

Les protocoles d’élicitation proposés dans la littérature partagent généralement les mêmes principes. Certains se distinguent des autres par rapport au processus de déroulement d’élicitation, ou dans la technique de fusion et le rôle des facilitateurs et intégrateurs. Par exemple dans l’approche SHELF le choix du type de distribution découlant de la fusion des avis des experts est effectué par le facilitateur qui devrait aussi valider son choix en se procurant des avis supplémentaires des experts et en effectuant des analyses de sensibilité (O’Hagan, 2012). L’approche la plus référée dans la littérature est l’approche Delphi; elle fournit un guide pour le choix des facilitateurs, le choix des experts ainsi que pour l’élaboration des questions. Les avis collectés selon cette approche, sont présentés sous forme de valeurs médianes et d’intervalle interquartile (soit les percentiles 25 % et 75 %), puis ils sont examinés par les experts et révisés, ultérieurement jusqu’à l’atteinte d’un consensus. À la fin du processus, un résumé est préparé pour documenter les différentes étapes du processus (Ayyub, 2001). La méthode Delphi reste une bonne approche pour atteindre un consens, par contre, à notre avis, il y a un manque sur les directives de son utilisation, ce qui peut nuire à la fiabilité des résultats atteints.

L’approche Kaplan, contrairement à Delphi, met l’emphase sur les connaissances des experts et non sur les experts eux-mêmes. En effet dans cette approche on demande aux experts d’exprimer leurs connaissances et expériences en lien avec le sujet en cours de traitement (Kaplan, 1992). Cependant, on reproche aux deux méthodes de ne pas favoriser l’interaction entre les experts; un aspect que l’approche de NUREG a tenté de combler. Pour cet effet l’approche NUREG (approche orientée principalement au domaine nucléaire) met l’accent sur la formation et les rencontres entre experts, qui sont choisis avec des profils diversifiés (NUREG-1150, 1990). Dans la littérature on retrouve aussi l’approche KEEJAM où l’agrégation des avis des experts est basée sur l’approche bayésienne (Cojazzi et al., 1987). On retrouve aussi l’approche SEPT (Standard for Educational and Psychological Testing) qui fournit des guides pour la construction des tests, leurs évaluations, la formulation des critères d’évaluation des tests ainsi que leurs effets (Ayyub, 2001).

On peut citer aussi l’approche de Truong et al (Truong et Heuvelink, 2013) et l’approche des scénarios (Ayyub, 2001; Ha-Duong, 2008). Chacun de ces processus d’élicitation a été bâti de façon à rencontrer des exigences précises, dictées par le contexte d’élicitation , le mode de gestion du processus d’élicitation, la nature des questions, la nature de l’information attendue (consensus ou autre) et le rôle du facilitateur. Ces contextes ne représentent pas forcément les mêmes orientations visées par notre projet, d’où le besoin d’élaborer un processus d’élicitation, adapté aux objectifs du projet.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Avant-propos
1.2 Modélisation de la fatigue dans les turbines hydrauliques
1.3 Inspections des fissures
CHAPITRE 2 IMPRECISE PROBABILITIES IN FATIGUE RELIABILITY ASSESSMENT OF HYDRAULIC TURBINES
2.3.1 Case study
2.3.2 Case matrix
2.3.3 Distribution support
2.3.4 Requirement of the reliability model
2.3.5 Imprecise theories processing
2.3.5.1 Converting imprecise probability
2.3.5.2 Evidence distributions processing
2.3.6 Results and discussion
2.4 Conclusion
2.5 Acknowledgment
CHAPITRE 3 A COMPARISON BETWEEN AGGREGATION BEFORE AND AFTER PROPAGATION BASED ON A RELIABILITY MODEL
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Methodology
3.3.1 Cumulative Distribution Averaging (CDA
3.3.2 Gap between experts opinions assessment
3.4 Study case
3.4.1 Reliability model description
3.4.2 Studied expert opinions cases
3.4.3 Results
3.5 Conclusion
3.6 Acknowledgments
CHAPITRE 4 REPRODUCTIBILITY INVESTIGATION OF ELICITATIONS TECHNIQUES IN RISK ASSESSMENT FOR HYDRAULIC TURBINES
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Methodology
4.3.1 Elicitation process
4.3.2 Elicitation techniques
4.3.2.1 Technique A
4.3.2.2 Technique B
4.3.2.3 Technique C
4.3.2.4 Technique D
4.3.3 Elicitation techniques comparison
4.3.4 Expert opinion assessment
4.4 Results
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
4.7 Acknowledgements
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE

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