Predicting correctly the effect of thermal shocks on the body-bonnet assembly of a valve

Prédire correctement l’effet des chocs thermiques sur l'assemblage corps-couvercle d'un robinet

Jean-François Rit (1, 2) , Sébastien Meunier , Jerôme Ferrari , David Hersant , Jean-Philippe Mathieu

1 EDF R&D - EDF R&D
2 EDF R&D MMC - Matériaux et Mécanique des Composants

Prior to their acquisition, valves installed in nuclear power plants must be proof of their ability to endure thermal shocks with an amplitude of 255 C, an upper bound of normal operating conditions. In order to better understand the validity of proofs based on numerical simulations, we confront the full scale test of a valve of nominal diameter 150 mm, with its numerical simulation. This paper is focused on the behavior of the bolted assembly of the body and the bonnet, ensuring the external sealing function of the valve. The test campaign, performed on EDF’s CYTHERE loop, includes several shocks, alternatively cold and hot. The valve is equipped with 37 thermocouples distributed along its height and in the thickness of the parts. The twelve studs of the bonnet are equipped with strain gauges designed to measure the evolution of their tension. The test is modelled by multiphysics simulations of the complete valve in 3D, chaining the calculations of the flow, the temperature fields and the displacement, and stress fields in the valve. The confrontation of the calculation results with the measurements shows the importance of the thermal exchanges resulting from the flow in the interstices left by the functional clearances between the internal parts located under the lid. Their consideration is decisive in calculating the clamping variations of the assembly during thermal shocks.

Préalablement à leur acquisition, les robinets installés dans les centrales nucléaires font l’objet d’une démonstration de leur aptitude à endurer des chocs thermiques d’une amplitude de 255 C, sollicitation majorante de conditions normales d’exploitation. Afin de mieux cerner la validité de démonstrations fondées sur des simulations numériques, nous confrontons l’essai en vraie grandeur d’un robinet à soupape de diamètre nominal 150 mm avec sa simulation numérique. Cet article est focalisé sur le comportement de l’assemblage boulonné du corps et du couvercle, assurant la fonction d’étanchéité, dite externe du robinet. La campagne d’essai, menée sur la boucle CYTHERE d’EDF, comprend plusieurs chocs alternés, froid puis chaud. Le robinet est équipé de 37 thermocouples distribués sur sa hauteur et dans l’épaisseur des pièces. Les douze goujons du couvercle sont équipés de jauges de déformation destinées à mesurer l’évolution de leur tension. L’essai est modélisé par des simulations multiphysiques du robinet complet en 3D, enchaînant les calculs d’écoulement, des champs de température, puis des champs de déplacement et de contraintes dans le robinet. La confrontation des résultats de calcul avec les mesures montre l’importance de la représentation des échanges thermiques résultant de l’écoulement dans les interstices laissés par les jeux fonctionnels entre les pièces internes situées sous le couvercle. Leur prise en compte est déterminante pour calculer les variations de serrage de l’assemblage lors des chocs thermiques.

Mots clés: flange; valve; bolt tension; thermal shock; sealing

Domaines: Mécanique des solides [physics.class-ph]; Génie mécanique [physics.class-ph]; Thermique [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Jean-François Rit, Sébastien Meunier, Jerôme Ferrari, David Hersant, Jean-Philippe Mathieu. Prédire correctement l’effet des chocs thermiques sur l'assemblage corps-couvercle d'un robinet. 2018. ⟨hal-01854627⟩