- Email: [email protected]
Malfunction tests and vibration analysis of PWR internal structures
Progress in Nuclear Energy, 1988, Vol. 21, pp. 71-78. Printed in Great Britain.
0079-6530/88 $0.00 + .50 1988 Pergamon Press plc
MALFUNCTION TESTS A N D VIBRATION ANALYSIS OF PWR INTERNAL STRUCTURES J. C. CARRE*, A. EPSTEIN*, C. PUYALt, M. CASTELLO*and P. DUMORTIER~ *C.E.A./IRDI/DEMT (C.E.N./SACLAY) 91191 Gif sur Yvette Cedex, France *E.d.F./Etudes et Recherches, 78401 Chatou, France *FRAMATOME/Recherches et Drveloppement, 92084 Paris la Drfense, France
Abstract To d i a g n o s e changes liable to occur in the vibration b e h a v i o r of internals, it is important to understand the influence of changes in the m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s of elements on the output signals obtained from neutron chambers placed out of core and a c c e l e r o m e t e r s fixed to the reactor vessel. To do this, t h e effects of changes liable to occur in the h o l d - d o w n springs and the flexures were simulated on the SAFRAN loop, using a representative h y d r o e l a s t i c mock-up (geometric scales 1/8). The results o b t a i n e d e x p e r i m e n t a l l y on SAFRAN for different characteristics of the h o l d - d o w n spring, which lies b e t w e e n the upper part of the core b a r r e l and the vessel head, h a v e been p u b l i s h ed. -
In this paper, we propose to present the results of the investigation of the fracture of one or more flexures which connect the cylindrical thermal shield to the core barrel. This work is in two parts: a) Computation b a s e d on a h y d r o e l a s t i c model using the subs t r u c t u r a t i o n computer p r o g r a m T R I S T A N A of the CASTEM system. b) Tests simulatlng flexure fracture: i - in air, for an u n d e r s t a n d i n g of the m e c h a n i s m s involved; 2 - on the SAFRAN loop with a r e p r e s e n t a £ i v e flow in order to estimate the strains liable to exist on the vibration signatures recorded on d i s p l a c e m e n t transducers and accelerometers. Good agreement was o b s e r v e d b e t w e e n the computation results with the theoretical model employed and those o b t a i n e d experimentally. In this presentation, we shall provide details showing that the d e t e c t i o n of the o c c u r r e n c e of this p r o c e s s is very delicate. However, on the nuclear power spectral densities o b t a i n e d on a power plant, it seems p o s s i b l e to detect a light frequency shift of the shell mode on the thermal shield in certain operating situations. This study, which required substantial e x p e r i m e n t a l and c o m p u t a t i o n resources, was conducted as a joint project b e t w e e n C o m m i s s a r i a t ~ l'Energie Atomlque, l ' E l e c t r i c l t ~ de France and Framatome. COMPORTEMENT VIBRATOIRE DES STRUCTURES D'INTERNES DEGRADEES DE R.E.P. 1, INTRODUCTION Les vibrations des internes p r o v o q u e n t des m o d i f i ~ a t l o n s des f l u c t u a t i o n s n e u t ~ o niques recueillies sur les chambres d ' i o n I B a t i o n plac~es autour de la cure. Une i n t e r p r e t a t i o n de celles-cl n 6 c e s s l t e une b o n n e c o n n a l s s a n c e des p h 6 n o m ~ n e s m ~ c a n l q u e s ~ l'or~glne de ces p e r t u r b a t i o n s sur les DSP (Denslt6 Spectrale de Puissance) de bruit neutronlque. PHE--D
71
72
J. C, CARRE et al.
Depuis 1972, une skrie d'ktudes concernant le cas des Rkacteurs ~ Eau sous Pression (REP) de type A 3 boucles de r e f r o i d i s s e m e n t de p u i s s a n c e klectrique 900 MWe, a ~tk rkalis~e ; celle-cl peut se diviser en trois grands th~mes : i) Etude thkorique, expkrimentale, sur maquette reprksentative ~ kchelle r~duite h y d r o ~ l a s t i q u e sur la boucle SAFRAN et mesures pendant les essais ~ chaud sur les centrales F E S S E N H E I M i, T I H A N G E et B U G E Y 5 (kcran thermique cylindrique) et TRICASTIN (~crin thermique ~ secteurs) pour dkterminer les caract~ristiques du comportement vibratoire, normales des internes. 2) Etude thkorique et uniquement des anneaux de calage.
de simulation
sur maquette de la d~gradation
3) Une derni~re ktude comportant des calculs de fr~quences et des dkform~es modales d ' e n v e l o p p e et d'kcran thermique associks ~ des essais en air et sur la boucle SAFRAN sur une maquette simulant quelques cas de d k g r a d a t i o n s de supports flexibles. Nous nous proposons de rappeler succinctement les conclusions se d~duisant la simulation de la p e r t e p r o g r e s s i v e des propriktks m~caniques de l'anneau calage et de celles concernant les d k g r a d a t i o n s des supports flexibles.
de de
Nous examinerons aussi les kl~ments pouvant servir au diagnostic de l'apparition de tels ph~nom~nes. Nous essaierons d'extrapoler les conclusions au cas des DSP de bruit relev~es sur une centrale de cette famille de REP*. 2. ETUDE DU C O M P O R T E M E N T V I B R A T O I R E DES INTERNES Le comportement vibratoire des internes de REP est rkgi par des p h ~ n o m ~ n e s complexes dont la c o m p r k h e n s i o n a n~cessit~ des analyses d~taill~es. Une ktude a ktk entreprise par le DEMT** en c o l l a b o r a t i o n avec la sociktk Framatome et I'EdF***. 2.1. Conditions
normales
et anneaux de cala~e dk@rad~s
2.1.1. Gkn~ralitks. La surveillance en service des REP a montr~ que la signature vibratoire pouvait ~tre sujette ~ des variations au cours du temps, en p a r t i c u lier en ce qui concerne les mouvements de balancement des internes. L ' e x p k r i e n c e acquise sur modules rkduits (essais SAFRAN) et l'analyse des fonctionnements sur site, ~ l'ktranger notamment, montrent que les variations les plus notables sont likes ~ des m o d i f i c a t i o n s de conditions aux limites de l'enveloppe de coeur, savoir : - suppression des jeux (blocage des guides radiaux au niveau celle-ci ; - dkfaut de serrage de l'anneau de calage en partie sup~rieure.
infkrieur
de
La p r e m i e r e cause en p r i n c i p e ne p r ~ s e n t e pas de caract~re g~nant du point de rue vibratoire car elle entra~ne une raideur accrue donc un niveau vibratoire plus faible des internes. La seconde est like ~ une d ~ g r a d a t i o n de l'anneau de calage qui peut ~tre plus progressive. Celle-ci peut devenir dangereuse du point de rue vibratoire car elle se traduit par une plus grande souplesse des internes. 2.1.2. Etude thkori~ue [2] [3]. La d k g r a d a t i o n des anneaux de calage se traduit par l ' i n t r o d u c t i o n d'une rotule ~ la place d'un e n c a s t r e m e n t entre b r i d e et support de cure et par une diminution de la raideur axiale aux m~mes endroits. Ces ~volutions de c a r a c t ~ r i s t i q u e s sont difficiles ~ estimer ; toutefois, les diff~rents calculs ont montr~ que dans tous les cae, la fr~quence du mode de balancement des internes diminue avec l ' i m p o r t a n c e de la d6gradation.
** REP : R~acteur ~ Eau sous Pression. *** D~partement des Etudes M k c a n i q u e s et T h e r m i q u e s E l e c t r i c i t ~ de France.
de Saclay.
M a l f u n c t i o n tests a n d v i b r a t i o n analysis
73
I J
Fig.
1 - Conditions
de fixation du h a u t d e l ' e n v e l o p p e de la maquette SAFRAN
sor
la cure
~PLACEMENT
O|P
,2/,,
!_,
• \-.
~ =~" \
D-
+
~ .~'J~+15__o^ ~ o
{A~slqnat Ion anneau ~e
e~f~ren~
Ligerersent d ~ r a d e
~graa~ •
C~resslon
• 150
Co~presslo.
o
Tr~s d ~ r a d e ,
. |50 ,
,
C~d|t |~s
+ 300
Absence ~
c~ress~on
~ ' u 150 ~m
. . . .
Flg. 2 - Evolution des fr~quences pour les d l f f ~ r e n t s anneaux
2.1.3. Etude exp~rimentale [2] [3]. LeS essais ont ~t6 effectu~s sur la boucle SAFRAN (Fig. 1 et 2 de la r~fbrence [1]). La figure 1 donne le d~tail de la simulation des anneaux de calage. La figure 2 montre lee variations de la DSP obtenue partir d'un capteur de d6placement plac~ entre l'enveloppe de coeur et la cure pour quatre anneaux diff~rents. Nous constatons que la fr~quence correspondant au mode de balancement des internes diminue a v e c l a d~gradatlon comme le lalseait pr~voir le calcul, avec une augmentation d'amplltude et de l'amortissement. Sur la figure 3 est repr&sent~e une DSP se d~duisant d'un signal recueilli sur un acc~l~rom~tre plac~ sur le fond de la cure. Nous remarquons que la fr~quence correspondant au balancement de l'ensemble cuve-internes n'est pas affect~ sensiblement par une d~gradation de l'anneau de calage.
74
J . C . CARRE et al.
DSP ga/hz
ACC.AC1
10-4
A
Moded'ensemble
//'~# lo-s
lode des internes
//
~
de
la
%~
maquette
n
, , ~ ! -/
W~
= I
'l
/°o
"..
..~ ..",~, ~
.,.
• •
:'I:
i~'~ ~,T"""
~00 ....... +
150 0
20
%0
6,o
.ao
loo
i2o ......
,4o'5°i"'
F i g . 3 - Mode d'ensemble vu ~ p a r t i r de l a cuve e x t 4 r i e u r e pour d i f f ~ r e n t s anneaux
2.2. Flexibles d ~ r a d ~ s
(concernant les r~acteurs ~ ~cran cylindrique - 6 r~acteurs du parc EdF ~ F e s s e n h e i m et ~ Bugey).
2.2.1. G~n~ralit~s. L'~tude du c o m p o r t e m e n t vibratoire des internes avec des liaisons flexibles endommag~es a ~t~ men~e de faqon identique aux pr~c~dentes. Elle a conslst~ en un calcul utilisant un logiciel pour s o u s - s t r u c t u r e "TRISTANA" d~velopp~ par le CEA. Elle a ~t~ compl~t~e par deux s~ries d'essais sur maquette ~chelle r~duite sur laquelle nous pouvons simuler la d ~ g r a d a t i o n des flexibles. La p r e m i e r e en air avec une excitation sinusoidale a p p r o p r i ~ e a servi ~ avoir une meilleure c o m p r ~ h e n s l o n des ph~nom~nes, la d e u x i ~ m e sur la boucle SAFRAN est destin~e ~ estimer les d ~ f o r m a t i o n s sur les signatures vibratoires pour plusieurs cas d'endommagement. 2.2.2. Etude th~qrique. ~t~ calcul&es.
De nombreuses
combinaisons
de ruptures
de flexibles
La rupture d'une ou plusieurs attaches entralne des gllssements c a r a c t ~ r i s t i q u e s des diff~rents modes.
ont
des fr~quences
Nous ne donnons que les r~sultats du mode 2 d'~cran thermique qui poss~de une fr~quence diminuant avec le hombre de flexibles rompu. Normal autour de 11,2 Hz i attache rompue " 9,8 Hz 2 attaches rompues (~loign~es) " 9,4 Hz 2 attaches rompues (voisines) " 8 Hz 3 attaches rompues (voisines) " 7 Hz 4 attaches rompues (voisines) " 6,6 Hz 2.2.3. Etude e x ~ r i m e n t a l e . Le schema de la figure 4 indique les positions resp e c t i v e s des liaisons flexibles entre l'enveloppe de coeur et l'~cran thermique et la figure 5 une p h o t o g r a p h i e d'une attache de la maquette. a) Essais en air = Ceux-ci ont permis de constater que la suppression d'une et deux attaches se tradulsait par des d ~ f o r m a t i o n s a p p r e c i a b l e s SUE les DSP obtenues A partlr de slgnaux d'acc~l~rom~trie. En particulier pour le mode de l'~cran une m o d i f i c a t i o n de deux fixations entralne une d i m i n u t i o n importante de la fr~quence et un ~larglssement de la r~sonance (figure ~). Un essai avec un flexible rompu volontalrement n'a pas montr~ d ' a p p a r i t i o n chocs, c ' e s t - ~ - d i r e de slgnaux ~ plus haute fr~quence.
de
b) Essala sur SAFRAN : Les r~sultats relev~s sur des capteurs de d 6 p l a c e m e n t places entre ecran et enveloppe et entre ecran et cuve ext~rleure montrent des m o d i f i c a t i o n s tr~s nettes des DSP en cas de d i s p a r i t i o n de deux flexibles.
Malfunction tests and vibration analysis
75
Suspension maquette
,~,ttachetr|anQie ~ suf maqu.ttq ~ ~
~
:
~
/
irnveloppe
_. ././J,~F.
Entre ~cran ~ I et enve~p~e~ [ ]
IS,,, dee
Attachessup~rieures Attaches infirieures
Fig. 4 - Position des attaches entre ~cran thermlque et enveloppe eoeur
Fig. 5 - F l e x l b l e entre enveloppe coeur et ~cran thermlque
76
J, C. CARRE et al.
A titre d'illustration, les figures 7 et 8 donnent des exemples de courbes obtenues exp~rimentalement. Nous avons ainsi constat~ une d i m i n u t i o n de certaines fr~quences de r~sonance et de la d~formatlon de celles-ci en cas d'avarie aux liaisons. Des a c c ~ l ~ r o m ~ t r e s places ~ l'ext~rleur de la cure ont confirm~ que le mouvement d'ensemble de balancement des internes n'~tait pas affect~ par la rupture d'un ou deux flexlbles.
r--
..3
os,
,.IE
DECOEUR
,i c~
,... . . . .
r
~
~ .'3/-"Y\
,'1
."
f
ECRAN
T
3,8h, I iTHERMIQUEI
/
'
11 ,a~l
;
JlI~: i~I !
:
k i
ii __Tousles
flexlbIes
-=---Fle×lble --._
glexlbIe~
220 ° non 150 ° et
en en
place
'~
place
220',
'
non en p l a c e
~o
;UG~
lpo
~?o
4?0 H, ~0~
Fig. 6
' , ~ " ~ ~"~J~" Structureintegre .f ~ F ~ ,
i%~------
I I 6
*
•
s
I
" Ii 4 I
.......
.~I~; . . . . . . . . . . . w
~
N
Im
in
ZN.
IW
~
~
|
-,,-, lu
dingo
me ,m,
a~
Fig. 7 e t 8 - Comparaison des densit~s s p e c t r a l e s " s t r u c t u r e i n t e g r e e t s t r u c t u r e d~grad~e" - Excitation sous ~coulement pour deux capteurs s i t u ~ s entre enveloppe coeur et ~cran thermique (deux f l e x i b l e s v o i s i n s non en place)
Malfunction tests and vibration analysis
77
3.
ELEMENTS POUR LA S U R V E I L L A N C E Les ~tudes rant th~oriques q u ' e x p ~ r i m e n t a l e s permettent de d~gager quelques r~gles p e r m e t t a n t de caract~riser, sur les DSP obtenues ~ partir de signaux recueillis sur des chambres d ' i o n i s a t i o n hors coeur, les ph~nom~nes. Le tableau 1 r~sume ces c o n n a i s s a n c e s [5] [6]. Tableau
i.
Quelques d ~ g r a d a t i o n s
Causes possibles
Contact au nlveau des guides radiaux
d'internes
Bandes de fr~quences Etat normal De 7 ~ ii Hz (Mouvement de l'enveloppe coeur n = I)
D ~ g r a d a t i o n des anneaux de calage (Ensemble des r~acteurs du parc EdF)
D ~ g r a d a t i o n des flexibles (bas d ' e n v e l o p p e coeur) R~acteurs Fessenh e l m et Bugey ~cran c y l i n d r i q u e
i0 ~ 22 Hz Modes coques (n=2) de l'enveloppe de coeur et de l'~cran thermique
Variation
Sans contact 7/8 Hz. Avec contacts 10/ll Hz.
Remarques
: :
i) Ph~nom~ne pouvant ~tre intermittent 2) A ~t~ constat~ sur centrale.
Normal 7/8 Hz Avec d~gradation: Diminution de la fr~quence. Elargissement de la r~sonance.
Le suivi du ier mode permet une d ~ t e c t i o n aisle d'une d~gradation.
M o d i f i c a t i o n des r~sonances dans certaines bandes en p a r t i c u l i e r la fr~quence n=2 d ' ~ c r a n thermique diminue.
La m o d i f i c a t i o n des DSP indique une ~volution qui demande une ~tude p a r t i c u l i ~ r e pour proposer un diagnostic.
3.1. Cas ~ a r t i c u l i e r des flexibles d ~ r a d 6 s Le p r o b l ~ m e du d i a g n o s t i c est plus d~licat ; une d ~ f o r m a t i o n de la DSP peut indiquer une rupture des flexibles. Les auteurs de [4] ont constat~ e x p ~ r i m e n t a lement sur des REP am~ricains que les r~sonances c o r r e s p o n d a n t aux modes de coque avaient tendance ~ diminuer. Pour v~rifier s i c e s r~sonances sont r e p r e s e n t a t i v e s des modes sup~rieurs de vibrations, il est i n d i s p e n s a b l e de disposer des DSPI relev&s entre deux d~tecteurs places ~ 90 ° et 180 ° . 3.2. D i a g n o s t i c Pour les contacts au niveau des guides radiaux et la d~gradation des anneaux de calage, des r~gles simples peuvent ~tre ~crites et utilis~es pour un d i a g n o s tic automatique. Pour le cas de flexibles d~grad~s, le probl~me est plus d~licat. Dans l'~tat actuel de l'art, une r ~ f l e x i o n a p p r o f o n d i e est n ~ c e s s a l r e pour essayer d ' e x t r a i r e de la masse des r~sultats th~oriques e x p ~ r i m e n t a u x et de l ' e x t r a p o l a t i o n des mesures sur centrale d'un type ~ celle d'un autre type, des lols facilement implantables sur un syst~me automatism. 4. CONCLUSION Les nombreuses ~tudes menses sur le c o m p o r t e m e n t vibratoire des internes montrent qu'il est possible, ~ partir de l'analyse des fluctuations n e u t r o n i q u e s recueillies sur les chambres hors coeur, de d~tecter ais~ment une anomalie ou un d~faut. Pour quelques cas usuels, il est ais~ d ' a u t o m a t i s e r le diagnostic, pour le cas de d ~ g r a d a t i o n s de causes diverses ou celul par exemple de cassures de flexibles, un effort est ~ faire pour extraire des r~gles simples. Ii sera ainsi utile d'utiliser les c o n n a i s s a n c e s obtenues sur des d ~ f a u t s observes sur des centrales et d'affiner les m~thodes d ' e x t r a p o l a t i o n ~ d'autres de type voisin. Sur la base de ces r~sultats, il est envisag~ de renforcer la s u r v e i l l a n c e des r~acteurs ~ Ecran C i r c u l a i r e en s~ivant p a r t i c u l i ~ r e m e n t le Mode n = 2 de l'~cran
78
J . C . CARRE et al.
thermique par des techniques de traltements crois~s entre capteurs en temps r6el sur site. REFERENCES [1] Carr~ J.C., Gibert R.J., Jeanpierre F., Assedo R., Epstein A. PWR Internals Vibrational Mode Shapes Calculations and Test, Prog. Nucl. Energy I 353 (1977). [2] Bernard P., Messainguiral C., Carr~ J.C., Epstein A., Assedo R., Castello G., Quantitative Monitoring and Diagnosis of French PWR's. Internal Structures Vibrations by ex Core Neutron Noise and Accelerometers Analysis. Prog. Nucl. Energy 9-465 (1982). [3] Epstein A., Assedo R., Gibert R.J., Vibrations Signature of PWR Internal Structures in Various Abnormal Conditions, 7 T M SMIRT (Chicago). [4] Sweeny F.J., Fry P.N., Thermal Shield Support Degradation in PWR Informal Meeting on Reactor Noise (Rome 1986). [5] Proceeding of SMORN If, III, IV. Progress in Nuclear Energy, Vol.l, Vol. 9, Vol. 15. [6] Puyal C., Brillon A., Aupied J., Bernard P., Carr~ J.C., Epstein A., Mechanical Surveillance of French PWR, Ref. SMIRT 6, Paris 1981.
0079-6530/88 $0.00 + .50 1988 Pergamon Press plc
MALFUNCTION TESTS A N D VIBRATION ANALYSIS OF PWR INTERNAL STRUCTURES J. C. CARRE*, A. EPSTEIN*, C. PUYALt, M. CASTELLO*and P. DUMORTIER~ *C.E.A./IRDI/DEMT (C.E.N./SACLAY) 91191 Gif sur Yvette Cedex, France *E.d.F./Etudes et Recherches, 78401 Chatou, France *FRAMATOME/Recherches et Drveloppement, 92084 Paris la Drfense, France
Abstract To d i a g n o s e changes liable to occur in the vibration b e h a v i o r of internals, it is important to understand the influence of changes in the m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s of elements on the output signals obtained from neutron chambers placed out of core and a c c e l e r o m e t e r s fixed to the reactor vessel. To do this, t h e effects of changes liable to occur in the h o l d - d o w n springs and the flexures were simulated on the SAFRAN loop, using a representative h y d r o e l a s t i c mock-up (geometric scales 1/8). The results o b t a i n e d e x p e r i m e n t a l l y on SAFRAN for different characteristics of the h o l d - d o w n spring, which lies b e t w e e n the upper part of the core b a r r e l and the vessel head, h a v e been p u b l i s h ed. -
In this paper, we propose to present the results of the investigation of the fracture of one or more flexures which connect the cylindrical thermal shield to the core barrel. This work is in two parts: a) Computation b a s e d on a h y d r o e l a s t i c model using the subs t r u c t u r a t i o n computer p r o g r a m T R I S T A N A of the CASTEM system. b) Tests simulatlng flexure fracture: i - in air, for an u n d e r s t a n d i n g of the m e c h a n i s m s involved; 2 - on the SAFRAN loop with a r e p r e s e n t a £ i v e flow in order to estimate the strains liable to exist on the vibration signatures recorded on d i s p l a c e m e n t transducers and accelerometers. Good agreement was o b s e r v e d b e t w e e n the computation results with the theoretical model employed and those o b t a i n e d experimentally. In this presentation, we shall provide details showing that the d e t e c t i o n of the o c c u r r e n c e of this p r o c e s s is very delicate. However, on the nuclear power spectral densities o b t a i n e d on a power plant, it seems p o s s i b l e to detect a light frequency shift of the shell mode on the thermal shield in certain operating situations. This study, which required substantial e x p e r i m e n t a l and c o m p u t a t i o n resources, was conducted as a joint project b e t w e e n C o m m i s s a r i a t ~ l'Energie Atomlque, l ' E l e c t r i c l t ~ de France and Framatome. COMPORTEMENT VIBRATOIRE DES STRUCTURES D'INTERNES DEGRADEES DE R.E.P. 1, INTRODUCTION Les vibrations des internes p r o v o q u e n t des m o d i f i ~ a t l o n s des f l u c t u a t i o n s n e u t ~ o niques recueillies sur les chambres d ' i o n I B a t i o n plac~es autour de la cure. Une i n t e r p r e t a t i o n de celles-cl n 6 c e s s l t e une b o n n e c o n n a l s s a n c e des p h 6 n o m ~ n e s m ~ c a n l q u e s ~ l'or~glne de ces p e r t u r b a t i o n s sur les DSP (Denslt6 Spectrale de Puissance) de bruit neutronlque. PHE--D
71
72
J. C, CARRE et al.
Depuis 1972, une skrie d'ktudes concernant le cas des Rkacteurs ~ Eau sous Pression (REP) de type A 3 boucles de r e f r o i d i s s e m e n t de p u i s s a n c e klectrique 900 MWe, a ~tk rkalis~e ; celle-cl peut se diviser en trois grands th~mes : i) Etude thkorique, expkrimentale, sur maquette reprksentative ~ kchelle r~duite h y d r o ~ l a s t i q u e sur la boucle SAFRAN et mesures pendant les essais ~ chaud sur les centrales F E S S E N H E I M i, T I H A N G E et B U G E Y 5 (kcran thermique cylindrique) et TRICASTIN (~crin thermique ~ secteurs) pour dkterminer les caract~ristiques du comportement vibratoire, normales des internes. 2) Etude thkorique et uniquement des anneaux de calage.
de simulation
sur maquette de la d~gradation
3) Une derni~re ktude comportant des calculs de fr~quences et des dkform~es modales d ' e n v e l o p p e et d'kcran thermique associks ~ des essais en air et sur la boucle SAFRAN sur une maquette simulant quelques cas de d k g r a d a t i o n s de supports flexibles. Nous nous proposons de rappeler succinctement les conclusions se d~duisant la simulation de la p e r t e p r o g r e s s i v e des propriktks m~caniques de l'anneau calage et de celles concernant les d k g r a d a t i o n s des supports flexibles.
de de
Nous examinerons aussi les kl~ments pouvant servir au diagnostic de l'apparition de tels ph~nom~nes. Nous essaierons d'extrapoler les conclusions au cas des DSP de bruit relev~es sur une centrale de cette famille de REP*. 2. ETUDE DU C O M P O R T E M E N T V I B R A T O I R E DES INTERNES Le comportement vibratoire des internes de REP est rkgi par des p h ~ n o m ~ n e s complexes dont la c o m p r k h e n s i o n a n~cessit~ des analyses d~taill~es. Une ktude a ktk entreprise par le DEMT** en c o l l a b o r a t i o n avec la sociktk Framatome et I'EdF***. 2.1. Conditions
normales
et anneaux de cala~e dk@rad~s
2.1.1. Gkn~ralitks. La surveillance en service des REP a montr~ que la signature vibratoire pouvait ~tre sujette ~ des variations au cours du temps, en p a r t i c u lier en ce qui concerne les mouvements de balancement des internes. L ' e x p k r i e n c e acquise sur modules rkduits (essais SAFRAN) et l'analyse des fonctionnements sur site, ~ l'ktranger notamment, montrent que les variations les plus notables sont likes ~ des m o d i f i c a t i o n s de conditions aux limites de l'enveloppe de coeur, savoir : - suppression des jeux (blocage des guides radiaux au niveau celle-ci ; - dkfaut de serrage de l'anneau de calage en partie sup~rieure.
infkrieur
de
La p r e m i e r e cause en p r i n c i p e ne p r ~ s e n t e pas de caract~re g~nant du point de rue vibratoire car elle entra~ne une raideur accrue donc un niveau vibratoire plus faible des internes. La seconde est like ~ une d ~ g r a d a t i o n de l'anneau de calage qui peut ~tre plus progressive. Celle-ci peut devenir dangereuse du point de rue vibratoire car elle se traduit par une plus grande souplesse des internes. 2.1.2. Etude thkori~ue [2] [3]. La d k g r a d a t i o n des anneaux de calage se traduit par l ' i n t r o d u c t i o n d'une rotule ~ la place d'un e n c a s t r e m e n t entre b r i d e et support de cure et par une diminution de la raideur axiale aux m~mes endroits. Ces ~volutions de c a r a c t ~ r i s t i q u e s sont difficiles ~ estimer ; toutefois, les diff~rents calculs ont montr~ que dans tous les cae, la fr~quence du mode de balancement des internes diminue avec l ' i m p o r t a n c e de la d6gradation.
** REP : R~acteur ~ Eau sous Pression. *** D~partement des Etudes M k c a n i q u e s et T h e r m i q u e s E l e c t r i c i t ~ de France.
de Saclay.
M a l f u n c t i o n tests a n d v i b r a t i o n analysis
73
I J
Fig.
1 - Conditions
de fixation du h a u t d e l ' e n v e l o p p e de la maquette SAFRAN
sor
la cure
~PLACEMENT
O|P
,2/,,
!_,
• \-.
~ =~" \
D-
+
~ .~'J~+15__o^ ~ o
{A~slqnat Ion anneau ~e
e~f~ren~
Ligerersent d ~ r a d e
~graa~ •
C~resslon
• 150
Co~presslo.
o
Tr~s d ~ r a d e ,
. |50 ,
,
C~d|t |~s
+ 300
Absence ~
c~ress~on
~ ' u 150 ~m
. . . .
Flg. 2 - Evolution des fr~quences pour les d l f f ~ r e n t s anneaux
2.1.3. Etude exp~rimentale [2] [3]. LeS essais ont ~t6 effectu~s sur la boucle SAFRAN (Fig. 1 et 2 de la r~fbrence [1]). La figure 1 donne le d~tail de la simulation des anneaux de calage. La figure 2 montre lee variations de la DSP obtenue partir d'un capteur de d6placement plac~ entre l'enveloppe de coeur et la cure pour quatre anneaux diff~rents. Nous constatons que la fr~quence correspondant au mode de balancement des internes diminue a v e c l a d~gradatlon comme le lalseait pr~voir le calcul, avec une augmentation d'amplltude et de l'amortissement. Sur la figure 3 est repr&sent~e une DSP se d~duisant d'un signal recueilli sur un acc~l~rom~tre plac~ sur le fond de la cure. Nous remarquons que la fr~quence correspondant au balancement de l'ensemble cuve-internes n'est pas affect~ sensiblement par une d~gradation de l'anneau de calage.
74
J . C . CARRE et al.
DSP ga/hz
ACC.AC1
10-4
A
Moded'ensemble
//'~# lo-s
lode des internes
//
~
de
la
%~
maquette
n
, , ~ ! -/
W~
= I
'l
/°o
"..
..~ ..",~, ~
.,.
• •
:'I:
i~'~ ~,T"""
~00 ....... +
150 0
20
%0
6,o
.ao
loo
i2o ......
,4o'5°i"'
F i g . 3 - Mode d'ensemble vu ~ p a r t i r de l a cuve e x t 4 r i e u r e pour d i f f ~ r e n t s anneaux
2.2. Flexibles d ~ r a d ~ s
(concernant les r~acteurs ~ ~cran cylindrique - 6 r~acteurs du parc EdF ~ F e s s e n h e i m et ~ Bugey).
2.2.1. G~n~ralit~s. L'~tude du c o m p o r t e m e n t vibratoire des internes avec des liaisons flexibles endommag~es a ~t~ men~e de faqon identique aux pr~c~dentes. Elle a conslst~ en un calcul utilisant un logiciel pour s o u s - s t r u c t u r e "TRISTANA" d~velopp~ par le CEA. Elle a ~t~ compl~t~e par deux s~ries d'essais sur maquette ~chelle r~duite sur laquelle nous pouvons simuler la d ~ g r a d a t i o n des flexibles. La p r e m i e r e en air avec une excitation sinusoidale a p p r o p r i ~ e a servi ~ avoir une meilleure c o m p r ~ h e n s l o n des ph~nom~nes, la d e u x i ~ m e sur la boucle SAFRAN est destin~e ~ estimer les d ~ f o r m a t i o n s sur les signatures vibratoires pour plusieurs cas d'endommagement. 2.2.2. Etude th~qrique. ~t~ calcul&es.
De nombreuses
combinaisons
de ruptures
de flexibles
La rupture d'une ou plusieurs attaches entralne des gllssements c a r a c t ~ r i s t i q u e s des diff~rents modes.
ont
des fr~quences
Nous ne donnons que les r~sultats du mode 2 d'~cran thermique qui poss~de une fr~quence diminuant avec le hombre de flexibles rompu. Normal autour de 11,2 Hz i attache rompue " 9,8 Hz 2 attaches rompues (~loign~es) " 9,4 Hz 2 attaches rompues (voisines) " 8 Hz 3 attaches rompues (voisines) " 7 Hz 4 attaches rompues (voisines) " 6,6 Hz 2.2.3. Etude e x ~ r i m e n t a l e . Le schema de la figure 4 indique les positions resp e c t i v e s des liaisons flexibles entre l'enveloppe de coeur et l'~cran thermique et la figure 5 une p h o t o g r a p h i e d'une attache de la maquette. a) Essais en air = Ceux-ci ont permis de constater que la suppression d'une et deux attaches se tradulsait par des d ~ f o r m a t i o n s a p p r e c i a b l e s SUE les DSP obtenues A partlr de slgnaux d'acc~l~rom~trie. En particulier pour le mode de l'~cran une m o d i f i c a t i o n de deux fixations entralne une d i m i n u t i o n importante de la fr~quence et un ~larglssement de la r~sonance (figure ~). Un essai avec un flexible rompu volontalrement n'a pas montr~ d ' a p p a r i t i o n chocs, c ' e s t - ~ - d i r e de slgnaux ~ plus haute fr~quence.
de
b) Essala sur SAFRAN : Les r~sultats relev~s sur des capteurs de d 6 p l a c e m e n t places entre ecran et enveloppe et entre ecran et cuve ext~rleure montrent des m o d i f i c a t i o n s tr~s nettes des DSP en cas de d i s p a r i t i o n de deux flexibles.
Malfunction tests and vibration analysis
75
Suspension maquette
,~,ttachetr|anQie ~ suf maqu.ttq ~ ~
~
:
~
/
irnveloppe
_. ././J,~F.
Entre ~cran ~ I et enve~p~e~ [ ]
IS,,, dee
Attachessup~rieures Attaches infirieures
Fig. 4 - Position des attaches entre ~cran thermlque et enveloppe eoeur
Fig. 5 - F l e x l b l e entre enveloppe coeur et ~cran thermlque
76
J, C. CARRE et al.
A titre d'illustration, les figures 7 et 8 donnent des exemples de courbes obtenues exp~rimentalement. Nous avons ainsi constat~ une d i m i n u t i o n de certaines fr~quences de r~sonance et de la d~formatlon de celles-ci en cas d'avarie aux liaisons. Des a c c ~ l ~ r o m ~ t r e s places ~ l'ext~rleur de la cure ont confirm~ que le mouvement d'ensemble de balancement des internes n'~tait pas affect~ par la rupture d'un ou deux flexlbles.
r--
..3
os,
,.IE
DECOEUR
,i c~
,... . . . .
r
~
~ .'3/-"Y\
,'1
."
f
ECRAN
T
3,8h, I iTHERMIQUEI
/
'
11 ,a~l
;
JlI~: i~I !
:
k i
ii __Tousles
flexlbIes
-=---Fle×lble --._
glexlbIe~
220 ° non 150 ° et
en en
place
'~
place
220',
'
non en p l a c e
~o
;UG~
lpo
~?o
4?0 H, ~0~
Fig. 6
' , ~ " ~ ~"~J~" Structureintegre .f ~ F ~ ,
i%~------
I I 6
*
•
s
I
" Ii 4 I
.......
.~I~; . . . . . . . . . . . w
~
N
Im
in
ZN.
IW
~
~
|
-,,-, lu
dingo
me ,m,
a~
Fig. 7 e t 8 - Comparaison des densit~s s p e c t r a l e s " s t r u c t u r e i n t e g r e e t s t r u c t u r e d~grad~e" - Excitation sous ~coulement pour deux capteurs s i t u ~ s entre enveloppe coeur et ~cran thermique (deux f l e x i b l e s v o i s i n s non en place)
Malfunction tests and vibration analysis
77
3.
ELEMENTS POUR LA S U R V E I L L A N C E Les ~tudes rant th~oriques q u ' e x p ~ r i m e n t a l e s permettent de d~gager quelques r~gles p e r m e t t a n t de caract~riser, sur les DSP obtenues ~ partir de signaux recueillis sur des chambres d ' i o n i s a t i o n hors coeur, les ph~nom~nes. Le tableau 1 r~sume ces c o n n a i s s a n c e s [5] [6]. Tableau
i.
Quelques d ~ g r a d a t i o n s
Causes possibles
Contact au nlveau des guides radiaux
d'internes
Bandes de fr~quences Etat normal De 7 ~ ii Hz (Mouvement de l'enveloppe coeur n = I)
D ~ g r a d a t i o n des anneaux de calage (Ensemble des r~acteurs du parc EdF)
D ~ g r a d a t i o n des flexibles (bas d ' e n v e l o p p e coeur) R~acteurs Fessenh e l m et Bugey ~cran c y l i n d r i q u e
i0 ~ 22 Hz Modes coques (n=2) de l'enveloppe de coeur et de l'~cran thermique
Variation
Sans contact 7/8 Hz. Avec contacts 10/ll Hz.
Remarques
: :
i) Ph~nom~ne pouvant ~tre intermittent 2) A ~t~ constat~ sur centrale.
Normal 7/8 Hz Avec d~gradation: Diminution de la fr~quence. Elargissement de la r~sonance.
Le suivi du ier mode permet une d ~ t e c t i o n aisle d'une d~gradation.
M o d i f i c a t i o n des r~sonances dans certaines bandes en p a r t i c u l i e r la fr~quence n=2 d ' ~ c r a n thermique diminue.
La m o d i f i c a t i o n des DSP indique une ~volution qui demande une ~tude p a r t i c u l i ~ r e pour proposer un diagnostic.
3.1. Cas ~ a r t i c u l i e r des flexibles d ~ r a d 6 s Le p r o b l ~ m e du d i a g n o s t i c est plus d~licat ; une d ~ f o r m a t i o n de la DSP peut indiquer une rupture des flexibles. Les auteurs de [4] ont constat~ e x p ~ r i m e n t a lement sur des REP am~ricains que les r~sonances c o r r e s p o n d a n t aux modes de coque avaient tendance ~ diminuer. Pour v~rifier s i c e s r~sonances sont r e p r e s e n t a t i v e s des modes sup~rieurs de vibrations, il est i n d i s p e n s a b l e de disposer des DSPI relev&s entre deux d~tecteurs places ~ 90 ° et 180 ° . 3.2. D i a g n o s t i c Pour les contacts au niveau des guides radiaux et la d~gradation des anneaux de calage, des r~gles simples peuvent ~tre ~crites et utilis~es pour un d i a g n o s tic automatique. Pour le cas de flexibles d~grad~s, le probl~me est plus d~licat. Dans l'~tat actuel de l'art, une r ~ f l e x i o n a p p r o f o n d i e est n ~ c e s s a l r e pour essayer d ' e x t r a i r e de la masse des r~sultats th~oriques e x p ~ r i m e n t a u x et de l ' e x t r a p o l a t i o n des mesures sur centrale d'un type ~ celle d'un autre type, des lols facilement implantables sur un syst~me automatism. 4. CONCLUSION Les nombreuses ~tudes menses sur le c o m p o r t e m e n t vibratoire des internes montrent qu'il est possible, ~ partir de l'analyse des fluctuations n e u t r o n i q u e s recueillies sur les chambres hors coeur, de d~tecter ais~ment une anomalie ou un d~faut. Pour quelques cas usuels, il est ais~ d ' a u t o m a t i s e r le diagnostic, pour le cas de d ~ g r a d a t i o n s de causes diverses ou celul par exemple de cassures de flexibles, un effort est ~ faire pour extraire des r~gles simples. Ii sera ainsi utile d'utiliser les c o n n a i s s a n c e s obtenues sur des d ~ f a u t s observes sur des centrales et d'affiner les m~thodes d ' e x t r a p o l a t i o n ~ d'autres de type voisin. Sur la base de ces r~sultats, il est envisag~ de renforcer la s u r v e i l l a n c e des r~acteurs ~ Ecran C i r c u l a i r e en s~ivant p a r t i c u l i ~ r e m e n t le Mode n = 2 de l'~cran
78
J . C . CARRE et al.
thermique par des techniques de traltements crois~s entre capteurs en temps r6el sur site. REFERENCES [1] Carr~ J.C., Gibert R.J., Jeanpierre F., Assedo R., Epstein A. PWR Internals Vibrational Mode Shapes Calculations and Test, Prog. Nucl. Energy I 353 (1977). [2] Bernard P., Messainguiral C., Carr~ J.C., Epstein A., Assedo R., Castello G., Quantitative Monitoring and Diagnosis of French PWR's. Internal Structures Vibrations by ex Core Neutron Noise and Accelerometers Analysis. Prog. Nucl. Energy 9-465 (1982). [3] Epstein A., Assedo R., Gibert R.J., Vibrations Signature of PWR Internal Structures in Various Abnormal Conditions, 7 T M SMIRT (Chicago). [4] Sweeny F.J., Fry P.N., Thermal Shield Support Degradation in PWR Informal Meeting on Reactor Noise (Rome 1986). [5] Proceeding of SMORN If, III, IV. Progress in Nuclear Energy, Vol.l, Vol. 9, Vol. 15. [6] Puyal C., Brillon A., Aupied J., Bernard P., Carr~ J.C., Epstein A., Mechanical Surveillance of French PWR, Ref. SMIRT 6, Paris 1981.