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INFLUENCE DE LA PLAQUE ENTRETOISE SUR LA REPONSE CF D’UN TUBE GV AVEC OU SANS DEPOT

EDDY CURRENT TESTING OF STEAM GENERATOR TUBES IN THE VICINITY OF SUPPORT PLATES WITH DEPOSIT

S. Paillard, A. Skarlatos, C. Reboud – CEA, LIST – F-91191 Gif-sur-Yvette, France

Tél. +33 (0)1 69 08 46 95 – Fax. +33 (0)1 69 08 -- -- e-mail : severine.paillard@cea.fr

T. Sollier et G. Cattiaux – IRSN, B.P. 17 – 92262 Fontenay-aux-Roses cedex, France

Tél. +33 (0)1 44 19 76 18 – Fax. +33 (0)1 30 16 24 54 e-mail : Thierry.sollier@irsn.fr

Résumé L’inspection CF des tubes GV à proximité des plaques entretoises constitue un aspect important de la sûreté des centrales nucléaires. La recherche d’éventuels défauts dans ces zones est d’autant plus difficile que la présence de la plaque entretoise elle-même constitue un élément perturbateur pour l’analyse du signal. L'IRSN souhaite connaître l'influence des plaques entretoises ainsi que de l'encrassement des tubes de générateur de vapeur côté secondaire sur le procédé de contrôle par sonde axiale. L'encrassement des tubes se caractérise par la présence de dépôts magnétiques sur la paroi externe. Une étude a été menée par le CEA LIST afin de prendre en compte les différents éléments de configuration dans la modélisation : plaque entretoise magnétique pleine ou quadrifoliée avec ou sans dépôt magnétique. Le CEA a donc développé un code hybride alliant la puissance des éléments finis dans la prise en compte d'environnement complexe (plaque entretoise quadrifoliée magnétique) et la rapidité de calcul de la méthode semi-analytique (interaction défaut) implémentée dans CIVA pour pouvoir traiter ce type de configurations. Une comparaison avec des données expérimentales obtenue sur des maquettes représentatives a été réalisée au laboratoire afin de valider le code couplé CIVA-FLUX. Abstract Eddy current inspection of Steam Generator (SG) tubes in the vicinity of Tube Support Plates (TSP) is an important aspect of the safety of the nuclear plants. The appearance of material defects like corrosion or cracking is frequent in this particular region of the SG tubing. In addition, the impact of the tube to the TSP due to vibrations during the SG operation might lead to tube wear at the contact points. The detection of defects in the proximity of support plate presents increased difficulties due to the perturbation signals arising from the presence of the plate. Additional effects like gradual deposit of conducting or/and ferromagnetic material in the gap between the plate hole and the tube external wall may create additional perturbations which have to be identified and distinguished from the flaw signature as well. The aim of this collaborative work between CEA and IRSN is to extend the capabilities of the CIVA software by developing a simulation tool for the evaluation of industrial non-destructive testing method used for the tube inspection in the support plate region. For the numerical modelling of this problem, a combination of the Finite Elements Method (FEM) with the Volume Integral Method (VIM) is used in order to combine the advantages of

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the two techniques. According to this approach, the primary field is calculated using the FEM for the tube-plate ensemble whereas the flaw response is calculated via the VIM. In a previous communication, we presented application and simulations cases concerning support plates with circular-shaped holes. The results show that the proposed method is enabling to handle such configurations. Since, we worked on taking into account quatrefoil-shaped holes support plates and magnetic material in the same issue. Application cases concerning support plates with magnetic quatrefoil-shaped holes will be given in this article to illustrate the good agreement between simulation and experimental data.

INTRODUCTION L’inspection par courants de Foucault des tubes de générateur de vapeur à proximité des plaques entretoises constitue un aspect important de la sûreté des centrales nucléaires. La probabilité d’apparition de défauts tels que la corrosion ou la fissuration est plus forte dans cette région. En outre, l’impact du tube de GV sur la plaque entretoise dû aux vibrations peut conduire à un phénomène d’usure du tube. La recherche d’éventuels défauts dans ces zones est d’autant plus difficile que la présence de la plaque entretoise elle-même constitue un élément perturbateur pour l’analyse du signal. Cet élément n’était jusqu’à présent pas pris en compte dans les modèles permettant dans CIVA de simuler les contrôles des tubes de GV [2]. Dans ce contexte, une étude a été réalisée en collaboration avec l’IRSN afin d’évaluer et de valider un modèle de simulation CF au niveau des plaques entretoises et de répartition de débit. L’encrassement secondaire des générateurs de vapeur (GV) des réacteurs à eau pressurisée est préjudiciable à une exploitation optimale des tranches nucléaires. L’encrassement en partie libre du faisceau se traduit par une perte progressive de l’échange thermique, quel que soit le matériau du tube. La corrosion érosion et la corrosion généralisée des circuits et composants du poste d’eau alimentaire, dépendant du type de traitement chimique appliqué, sont responsables en majeure partie de cet encrassement. L’objectif de l’étude est de disposer in fine dans CIVA d’un modèle permettant de simuler la réponse d’une sonde axiale à la présence d’entailles dans le tube en tenant compte de la plaque entretoise (de forme pleine ou quadrifoliée) et cela en présence ou non de dépôt magnétique et/ou conducteur et de valider ce modèle expérimentalement. Pour cela, un code couplé est mis en œuvre alliant les atouts des méthodes éléments finis (prise en compte d'un environnement complexe) et de la méthode semi-analytique (rapidité de calcul de l'interaction défaut). Cet article présente les différentes configurations de contrôle considérées (tube affecté de défaut/dépôt sous ou en bord de plaque entretoise quadrifoliée magnétique pour un contrôle SAX) ainsi que la validation expérimentale du code de couplage.

Configurations étudiées

1. Contrôle SAX d'un tube GV affecté de défauts sous ou à proximité d'une plaque entretoise quadrifoliée magnétique illustré en Figure 1 et Figure 2 (simulation) et en Figure 3 (expérimental) :

Centrée sur une gorge externe de 40 % de profondeur,

Centrée ou décentrée sur une entaille externe de 10 mm.

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Figure 1 : Configurations de contrôles étudiées avec la sonde SAX : 3 défauts sont implantés dans la maquette (une gorge externe 10 %, une gorge externe 40 %, une gorge large externe 30 %). La plaque entretoise est centrée sur la gorge 40 %.

Figure 2 : Configurations de contrôles étudiées avec la sonde SAX : une entaille longitudinale externe 50 % est implantée dans la maquette. La plaque entretoise quadrifoliée est centrée sur l'entaille ou décentrée après.

Figure 3 : Maquette tubulaire contenant une gorge externe 40 %. Le cimblot représentant la plaque entretoise se place le long du tube.

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2. Contrôle SAX d'un tube GV affecté de dépôt sous ou à proximité d'une plaque entretoise quadrifoliée magnétique illustré en Figure 5 (simulation) et en Figure 6 (expérimental),

Centrée sur le dépôt,

Décentrée avant le dépôt.

Des vues en coupe des maquettes sont fournies en Figure 4 et une photo des maquettes en Figure 6. Pour chaque essai, une acquisition sur le tube étalon est réalisée en ligne avec l’acquisition concernant la maquette étudiée. Ceci permet d’appliquer des coefficients d’étalonnage pour chaque acquisition réalisée.

Figure 4 : Schéma des maquettes tubulaires avec dépôts.

Figure 5 : Configurations de contrôle étudiées avec la sonde SAX : la plaque entretoise quadrifoliée est centrée ou décentrée sur le dépôt.

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Figure 6 : Maquettes tubulaires avec contrôle SAX : le cimblot représentant la plaque entretoise quadrifoliée est centrée sur le dépôt ou décentrée.

DEVELOPPEMENT DU MODULE DE CALCUL Description de la méthode de couplage Etant donnée la complexité de la configuration de contrôle (tube + plaque entretoise magnétique) et le grand nombre de défauts à traiter, une approche de couplage de la méthode par éléments finis (FEM) avec la méthode semi-analytique par intégrales de volume (VIM) a été employée afin de combiner les avantages des deux techniques. Selon cette approche, les éléments finis assurent le calcul des champs primaires correspondant aux champs électromagnétiques au sein de la pièce à contrôler (tube + plaque entretoise quadrifoliée) en l’absence de défaut au cours du déplacement de la sonde. La méthode VIM utilise ce résultat pour simuler l’interaction des champs avec le défaut (défaut 2D de type gorge ou 3D de type entaille) qui sera supposé contenu dans une géométrie localement plane ou tubulaire (Figure 7). L’approche de couplage a l’avantage d’exploiter au mieux les points forts de chacune des deux méthodes. L’outil de simulation permet ainsi de traiter des situations de contrôle plus complexes que des géométries canoniques, tout en bénéficiant des avantages des méthodes semi-analytiques (temps de calcul courts, aucune expertise particulière de la part de l’utilisateur).

Figure 7 : Méthode de couplage entre éléments finis et modèle semi-analytique utilisée pour déterminer le champ électrique lié à un défaut pour la configuration de contrôle tube de GV + plaque entretoise.

Afin d’optimiser le couplage entre les deux modèles, certaines spécifications ont été définies afin de simplifier le calcul des champs primaires. Deux axes ont été étudiés : d’une part

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diminuer le temps de calcul lié à l’obtention du champ incident et d’autre part réduire le volume des données échangées entre les deux codes de simulation. Validation du calcul de champ primaire du contrôle SAX avec plaque entretoise quadrifoliée Afin de valider le calcul de champ primaire obtenu par Flux 3D, une première configuration de contrôle correspondant à la réponse de la sonde axiale en partie saine du tube en présence de la plaque quadrifoliée magnétique seule a été obtenue.

Figure 8 : Comparaison entre signaux SAX (soustraction des impédances des deux bobines) simulés par EF avec deux configurations 3 et 6 couches dans l'épaisseur du tube (resp. bleu et violet) et expérimentaux (noir) obtenus à 100 kHz pour la configuration plaque entretoise quadrifoliée seule.

La Figure 8 présente les signaux expérimentaux et les signaux simulés par Flux 3D obtenus pour la configuration de contrôle tube sain avec plaque entretoise quadrifoliée magnétique à 100 kHz. Elle présente la comparaison de deux calculs éléments finis (le premier, en rose,

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avec un maillage de 3 couches dans l'épaisseur du tube, et un second (en bleu) avec 6 couches. Les perturbations du champ simulé aux alentours de x=-15 mm et de x=15 mm (la plaque est centrée en x=0 mm) montre la bonne prise en compte de la présence de la plaque, de plus la forme et l’ordre de grandeur de l’amplitude du signal CF lié au passage de la sonde SAX au niveau des extrémités de la plaque entretoise quadrifoliée est respectée par la simulation. Néanmoins, des oscillations de faibles amplitudes sont visibles pour la configuration EF avec un maillage de 3 couches dans l'épaisseur du tube. Ces oscillations sont probablement dues à des résidus de bruit numérique généré par l’erreur de discrétisation liée au maillage éléments finis. Elles se trouvent très atténuées pour la configuration avec 12 couches. C'est la configuration de maillage avec 12 couches qui a été retenue pour cette configuration et cette fréquence. La corrélation simulation/expérience (Figure 8) pour un contrôle SAX permet de valider le calcul des champs primaires obtenu sous Flux 3D à 100 kHz, et d’entreprendre l’étape suivante concernant le couplage entre ces champs et la réponse défaut obtenue sous CIVA.

VALIDATIONS EXPERIMENTALES Le modèle semi-analytique ne peut traiter, avec la sonde SAX qu'un seul défaut par contrôle. Ainsi, les défauts d'étalonnage 4 Phi1 sont traités en deux temps : la simulation d'un défaut Phi1 puis la multiplication de cette réponse par 4, les défauts étant éloignés de 90° et n'ayant donc pas d'interactions entre eux. Pour la modélisation des dépôts et des plaques entretoises magnétiques, les données d'entrée des couples de conductivités et perméabilités relative (σ, µ), ont été estimées par simulations. Ils ont été déterminés à (100 kS/m, 2) pour les dépôts et à (3 MS/m, 50) pour la plaque entretoise pleine magnétique. Validation SAX sur gorge Dans ce paragraphe les résultats simulés et expérimentaux sont présentés à la fréquence de 100 kHz, en présence d’une plaque entretoise quadrifoliée centrée sur la gorge de 40 % et centrée sur l'entaille de 10 mm. Afin de comprendre l'influence de la plaque entretoise quadrifoliée magnétique, une courbe expérimentale (en rouge) sans plaque entretoise est superposée aux courbes expérimentales (en noir) et simulées (en bleu) avec défaut et plaque entretoise. Validation SAX sur entaille Les dimensions de l'entaille (10 mm) et de la plaque entretoise (30 mm) font que le signal de l'entaille se situe entre les perturbations liées à la présence de la plaque et n'est donc pas perturbée (Figure 11). Par contre lorsque le défaut se situe en bord de plaque les signaux se combinent en s'additionnant ou en se soustrayant.

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Plaque entretoise quadrifoliée centrée sur la gorge externe 40 % Mode différentiel à 100 kHz– Tube 900 MWe

- Expérimental

- Expérimental (sans PE) - Simulation

Figure 9 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée centrée sur la gorge externe 40 % ou sans plaque.

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Plaque entretoise quadrifoliée centrée sur l'entaille de 10 mm

Mode différentiel à 100 kHz– Tube 900 MWe

- Expérimental

- Expérimental (sans PE)

- Simulation

Figure 10 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée centrée sur l'entaille de 10 mm et sans plaque.

Figure 11 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée centrée sur l'entaille de 10 mm et sans plaque.

-Expérimental PEQ centrée sur l’entaille de 10 mm

-Simulation PEQ centrée sur l'entaille de 10 mm

-Expérimental entaille seule

PEQ Entaille

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Plaque entretoise quadrifoliée décentrée avant l'entaille de 10 mm

Mode différentiel à 100 kHz– Tube 900 MWe

- Expérimental

- Simulation

Figure 12 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée décentrée sur l’entaille de 10 mm.

VALIDATIONS EXPERIMENTALES EN PRESENCE DE DEPOT MAGNETIQUE Cette configuration met en jeu deux objets complexes qui ne sont pas pris en compte dans le modèle semi-analytique :

un dépôt magnétique (extérieur au tube),

une plaque entretoise quadrifoliée magnétique. La modélisation ne peut tenir compte d'un élément magnétique que s'il est inclus dans le tube. Dans une étude précédente, il a été montré que la configuration d'un tube GV affecté par un dépôt magnétique peut être approximé avec la méthode semi-analytique par un tube d'épaisseur plus grande affecté d'un défaut (inclus dans le tube) rempli d'une matière "homogénéisée" c'est-à-dire cumulant les propriétés électromagnétiques du tube et du dépôt (dans notre cas, la conductivité du tube et la perméabilité du dépôt). La configuration d'un tube GV affecté par un dépôt magnétique est approximé en méthode semi-analytique par un tube d'épaisseur plus grande (1.27+0.3 mm) affecté d'un défaut

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(inclus dans le tube) rempli d'une matière "homogénéisée" c'est-à-dire cumulant les propriétés du tube et du dépôt (dans notre cas, la conductivité du tube 1 MS/m et la perméabilité relative, déterminée par simulation est choisie à 1.5).

Plaque entretoise quadrifoliée centrée sur le dépôt Magnétite et cuivre

Mode différentiel à 100 kHz– Tube 900 MWe

- Expérimental

- Expérimental (sans dépôt)

- Simulation

Figure 13 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée centrée sur le dépôt Magnétite et cuivre et sans dépôt.

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Plaque entretoise quadrifoliée décentrée avant le dépôt Magnétite et cuivre

Mode différentiel à 100 kHz– Tube 900 MWe

- Expérimental

- Expérimental (sans PEQ)

- Simulation

Figure 14 : Comparaison des signaux expérimentaux et simulés pour le canal différentiel à 100 kHz pour la plaque entretoise quadrifoliée décentrée avant le dépôt Magnétite et cuivre et sans dépôt.

CONCLUSION Un code couplé éléments finis/semi-analytique a été développé dans CIVA et validé afin de prendre en compte des configurations de contrôle de tubes GV affectés de défauts sous plaque entretoise. Ce code permet, d'une part, de prendre en compte un environnement complexe 3D (plaque entretoise) grâce à la puissance des éléments finis et, d'autre part de traiter rapidement une multitude de configurations de défauts implantés sous ou à proximité de la plaque entretoise grâce à la performance en temps de calcul de la méthode semi-analytique. En conclusion, les études réalisées permettent de bien inscrire le code couplé éléments finis/semi-analytique comme une prise en compte de l'influence sur une réponse de défaut d'un environnement complexe. En d'autres termes, ce code permet la prise en compte au

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niveau de la réponse simulée d'une sonde axiale de l'influence d'une plaque entretoise sur un défaut qui affecte un tube GV (situé sous ou à proximité de la plaque) et non comme une simple addition de ces deux signaux (celui de la plaque et celui du défaut). Références bibliographiques [1] V.Monebhurrun, D. Lesselier, and B. Duchêne, J. Electromagn. Waves Appl. 12, pp.

315-347 (1998). [2] G. Pichenot, D. Prémel, T. Sollier, and V. Maillot, “Development of a 3D

electromagnetic model for eddy current tubing inspection: Application to steam generator tubing”, in Review of Progress in QNDE, 16 (2005), pp. 79-100.

[3] A. Skarlatos, CG Pascaud, G. Pichenot, G. Cattiaux and T. Sollier, “Modelling of steam generator tubes inspection in the proximity of support plates area via a coupled finite elements – volume integral method approach”, in Electromagnetic Non-Destructive Evaluation (XII), Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, edited by Y. K. Shin, H. B. Lee and S. J. Song, IOS Press, Amsterdam, (2009), pp. 51-58.

[4] http://www-civa.cea.fr [5] B. A. Auld, “Theoretical characterization and comparison of resonant-probe microwave

eddy-current testing with conventional low-frequency eddy-current methods”, Eddy-Current Characterization Material Structures, edited by G. Birnbaum and G. Free, American Society for Testing and Materials, 12 (1981), pp. 332-347.

[6] H. Bodineau and T. Sollier, “Tube support plate clogging up of French PWR steam generators”, Eurosafe, 2008.

[7] S. Paillard, A. Skarlatos, G. Pichenot, G. Cattiaux and T. Sollier, “Simulation of Eddy current testing of steam generator tube in the vicinity of support plates quadrefoil-shaped holes with an hybrid finite FE-VIM model ”, ICNDE, 2010.