FR2765324A1 - Procede et dispositif de mesure a distance des deformations en service d'une enveloppe d'un faisceau de tubes d'un echangeur de chaleur - Google Patents

Abstract

On émet, dans des directions sensiblement radiales par rapport à l'enveloppe externe (2) et à l'enveloppe de faisceau (4) de l'échangeur de chaleur, depuis une pluralité de zones de mesure (10) situées à l'extérieur de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur, réparties suivant toute la périphérie et suivant la hauteur de l'enveloppe externe (2), une pluralité de faisceaux d'ondes ultrasonores vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur. On mesure le temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4). On calcule, à partir des temps de propagation mesurés, les distances radiales (d) entre l'enveloppe externe (2) et l'enveloppe de faisceau (4) en vis-à-vis de chacune des zones de mesure (10). On détermine, à partir des distances calculées (d), les déformations en service de l'enveloppe de faisceau (4) de l'échangeur de chaleur.

Description

L' invention concerne un procédé et un dispositif de mesure à distance des déformations d'une enveloppe d'un faisceau de tubes d'un échangeur de chaleur et en particulier de l'enveloppe de faisceau d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.

Les réacteurs nucléaires à eau sous pression comportent un circuit primaire dans lequel circule l'eau de refroidissement sous pression du réacteur nucléaire. Le circuit primaire comporte plusieurs boucles, généralement trois ou quatre boucles, sur chacune desquelles est disposé un générateur de vapeur. Le générateur de vapeur comporte une enveloppe ex teme de forme globalement cylindrique dans laquelle est disposé le faisceau de tubes d'échange thermique du générateur de vapeur, à l'intérieur d'une enveloppe de faisceau de forme cylindrique et disposée coaxialement par rapport à l'enveloppe exteme du générateur de vapeur.

L'eau de refroidissement du réacteur nucléaire circule à l'intérieur des tubes d'échange thermique du faisceau du générateur de vapeur. De l'eau d'alimentation est introduite dans le générateur de vapeur, de manière à venir au contact de la surface extérieure des tubes d'échange thermique.

L'eau d'alimentation est introduite dans l'enveloppe externe du générateur de vapeur dans l'espace annulaire entre l'enveloppe externe et l'enveloppe de faisceau et circule de haut en bas dans l'espace annulaire puis de bas en haut au contact des tubes à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau. L'eau d'alimentation s'échauffe et se vaporise au contact des tubes dans lesquels circule l'eau de refroidissement du réacteur nucléaire.

L'enveloppe de faisceau d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression comporte, à l'une de ses extrémités constituant l'extrémité inférieure de l'enveloppe, des blocs soudés qui reposent sur des blocs soudés à l'intérieur de l'enveloppe externe du générateur de vapeur. L'enveloppe de faisceau est maintenue de cette manière dans une disposition coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe externe.

Du fait de la circulation de l'eau et de la vapeur à grande vitesse à l'intérieur du générateur de vapeur, I'enveloppe de faisceau qui n'est maintenue qu'à l'une de ses extrémités dans l'enveloppe externe et dans laquelle est fixé le faisceau est susceptible de vibrer à l'intérieur du générateur de vapeur en service
Le mode propre de vibration de l'enveloppe de faisceau présente une fréquence faible de l'ordre de quelques Hertz et une amplitude maximale de l'ordre de 1 à 3 mm.

Dans le but de surveiller le comportement du générateur de vapeur en service et d'améliorer la conception des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression, il est important de déterminer avec précision les caractéristiques du premier mode vibratoire de l'enveloppe de faisceau, par des mesures de déformation et de déplacement instantanées de l'enveloppe de faisceau.

Jusqu'ici, on a utilisé des dispositifs de mesure de déplacement de l'enveloppe de faisceau qui sont introduits et fixés à l'intérieur de l'enveloppe externe du générateur de vapeur pour réaliser les mesures dans le générateur de vapeur en service. Ces dispositifs de mesure sont généralement introduits dans le générateur de vapeur par des trous de visite traversant l'enveloppe externe et l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur, légèrement au-dessus de la plaque tubulaire dans laquelle sont fixées les extrémités des tubes du faisceau. Les dispositifs de mesure sont généralement fixés sur la tubulure de traversée des ouvertures de visite constituant les trous de poing ou trous d'oeil du générateur de vapeur.

Ces dispositifs de mesure qui peuvent être adaptés pour réaliser des mesures de la déformée de l'enveloppe de faisceau ont l'inconvénient de nécessiter la mise en place de systèmes d'étanchéité résistant aux fortes pressions, de l'ordre de 55 bars, régnant dans la partie secondaire du générateur de vapeur.

En outre, les dispositifs de mesure utilisés jusqu'ici comportent de nombreuses pièces situées à l'intérieur du générateur de vapeur et susceptibles de devenir des corps migrants préjudiciables à l'intégrité du circuit primaire du générateur de vapeur dans lequel circule de l'eau à très grande vitesse.

D'autre part, les mesures ne peuvent être effectuées qu'aux emplacements des trous de poing ou trous d'oeil existants, c'est-àaire seulement en quatre points répartis circonférentiellement et disposés légèrement audessus de la plaque tubulaire. En effet, pour des raisons de sûreté, il n'est pas concevable d'effectuer le perçage de l'enveloppe externe du générateur de vapeur pour faire pénétrer les nombreux dispositifs de mesure dans le générateur de vapeur, de manière à effectuer une détermination précise de la déformée instantanée de l'enveloppe de générateur de vapeur en fonctionnement.

Enfin, les dispositifs de mesure connus sont des ensembles mécaniques complexes, coûteux à fabriquer et dont l'installation sur le site demande un temps de montage important.

Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de mesure à distance des déformations en service d'une enveloppe d'un faisceau de tubes d'un échangeur de chaleur, I'échangeur de chaleur comportant une enveloppe externe globalement cylindrique dans laquelle est placé le faisceau de tubes d'échange thermique du générateur de vapeur maintenu à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau de forme cylindrique qui est fixée à l'une de ses extrémités dans la direction axiale, sur l'enveloppe externe, dans une disposition coaxiale par rapport à l'enveloppe exteme, ce procédé permettant d'effectuer des mesures précises de déformations instantanées de l'enveloppe de faisceau sans nécessiter l'introduction à l'intérieur de l'échangeur de chaleur de dispositif de mesure de déplacement.

Dans ce but:
- on émet, dans des directions sensiblement radiales par rapport à l'enveloppe externe et à l'enveloppe de faisceau, depuis une pluralité de zones de mesure situées à l'extérieur de l'enveloppe externe de l'échangeur de chaleur, réparties suivant toute la périphérie et suivant la hauteur de l'enveloppe externe, une pluralité de faisceaux d'ondes ultrasonores, vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur,
- on recueille, dans chacune des zones de mesure, des ondes ultrasonores réfléchies à l'intérieur de l'échangeur de chaleur,
- on mesure le temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau,
- on calcule, à partir des temps de propagation mesurés, les distances radiales entre l'enveloppe externe et l'enveloppe de faisceau, en vis-àvis de chacune des zones de mesure, et
- on détermine, à partir des distances calculées, les déformations en service de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression et la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention pour déterminer les déformations et les déplacements de l'enveloppe du générateur de vapeur en service.

La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.

La figure 2 est une vue en coupe axiale de la partie du générateur de vapeur renfermant l'enveloppe de faisceau équipée de dispositifs de mesure de déplacement de l'enveloppe de faisceau.

La figure 3 est une vue en coupe suivant 3-3 de la figure 2.

La figure 4 est une vue en coupe axiale à grande échelle de l'enveloppe externe et de l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur et d'un dispositif de mesure de déplacement.

La figure 5 est un diagramme montrant les signaux reçus par un dispositif de mesure de déplacement de l'enveloppe de faisceau.

La figure 6 est un diagramme représentatif des variations du temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe du faisceau pendant le fonctionnement du réacteur nucléaires.

La figure 7 représente une partie agrandie du diagramme de la figure 6.

Les figures 8A et 8B sont des vues schématiques de deux modes de réalisation d'un dispositif de mesure de déformation et de déplacement pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.

Sur les figures 1 et 2, on a représenté un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression désigné de manière générale par le repère 1.

Le générateur de vapeur 1 comporte une enveloppe externe 2 de forme globalement cylindrique ayant une partie inférieure renfermant le faisceau 3 du générateur de vapeur à l'intérieur d'une enveloppe de faisceau 4, qui présente un diamètre inférieur à la partie supérieure de l'enveloppe exteme 2 renfermant les séparateurs et sécheurs de la vapeur produite dans le générateur de vapeur.

Le faisceau de tubes d'échange thermique 3 du générateur de vapeur comporte des tubes pliés en épingle dont les extrémités sont fixées dans une plaque tubulaire 5 solidaire de la partie inférieure de l'enveloppe du générateur de vapeur.

En dessous de la plaque tubulaire 5, une paroi hémisphérique délimite une boîte à eau 6 en deux parties qui est reliée, par l'intermédiaire de tubulures, au circuit de refroidissement primaire du réacteur nucléaire. De cette manière, I'eau de refroidissement du réacteur est distribuée dans une partie d'entrée des tubes du faisceau 3 par un premier compartiment de la boîte à eau et récupérée à la sortie des tubes du faisceau dans un second compartiment de la boîte à eau, après avoir circulé suivant toute la longueur des tubes du faisceau.

Les tubes d'échange thermique du faisceau 3 du générateur de vapeur sont maintenus à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau 4 par des plaques entretoises 9 réparties suivant la longueur des branches droites des tubes du faisceau.

La boîte à eau 6 et l'intérieur des tubes du faisceau 3 du générateur de vapeur constituent la partie primaire du générateur de vapeur dans laquelle circule l'eau de refroidissement du réacteur.

L'espace interne de l'enveloppe 2 du générateur de vapeur entourant le faisceau 3 constitue la partie secondaire du générateur de vapeur. De l'eau d'alimentation est introduite dans le générateur de vapeur, légèrement au-dessus de la partie supérieure du faisceau et de l'enveloppe de faisceau 4 par un tore d'alimentation 7 relié par une conduite d'alimentation au circuit secondaire du générateur de vapeur.

L'eau d'alimentation du générateur de vapeur est introduite dans un espace annulaire vertical entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe de faisceau 4 du générateur de vapeur. L'eau d'alimentation circule de haut en bas dans l'espace annulaire pour parvenir à la base de l'enveloppe de faisceau 4 qui est disposée légèrement au-dessus de la face supérieure de la plaque tubulaire 5. L'eau d'alimentation pénètre dans l'enveloppe de faisceau 4 pour circuler de bas en haut au contact des tubes du faisceau 3. L'eau d'alimentation est échauffée et vaporisée au contact de la surface extérieure des tubes du faisceau 3 pendant sa circulation en direction de la partie supérieure de l'enveloppe de faisceau 4.

La vapeur produite est récupérée à la partie supérieure de l'enveloppe 4 et pénètre dans la partie supérieure du générateur de vapeur comportant les dispositifs séparateurs et sécheurs de vapeur.

L'enveloppe de faisceau 4 est solidaire, à sa partie inférieure, de blocs d'appui qui sont soudés sur l'enveloppe de faisceau et qui viennent reposer sur des blocs d'appui correspondants soudés sur la surface intérieure de l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur.

Sur la figure 3, on a représenté les blocs d'appui de l'enveloppe de faisceau 4 et les blocs d'appui soudés sur l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur qui constituent six ensembles d'appui 8 répartis à la périphérie externe de l'enveloppe de faisceau et à la périphérie interne de l'enveloppe externe 2, dans la partie inférieure de l'espace annulaire entre ces deux enveloppes.

L'enveloppe de faisceau 4 dans laquelle est fixé le faisceau de tubes 3 du générateur de vapeur est maintenue à l'intérieur de l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur, uniquement à sa partie inférieure par les ensembles d'appui 8.

Lorsque le générateur de vapeur est en fonctionnement, I'eau d'alimentation qui circule à très grande vitesse dans l'espace annulaire entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe de faisceau 4 et à l'intérieur de l'enve loppe de faisceau 4 au contact des tubes du faisceau 3 peut entraîner une mise en vibration de l'enveloppe de faisceau 4, si bien que cette enveloppe de faisceau se déplace et se déforme à l'intérieur du générateur de vapeur en fonctionnement.

II est tout-à-fait souhaitable de pouvoir mesurer de manière précise les déformations de l'enveloppe de faisceau, pendant le fonctionnement du générateur de vapeur, sous l'effet des vibrations, de manière à surveiller le comportement de l'enveloppe de faisceau en service et d'obtenir des informations en ce qui concerne la conception de générateurs de vapeur améliorés.

II est nécessaire en particulier de pouvoir mesurer les déformations de la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau 4 au voisinage des blocs d'appui 8 assurant le maintien de l'enveloppe de faisceau dans l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur.

Comme il est visible sur la figure 1, le générateur de vapeur comporte des ouvertures de visite telles que l'ouverture 19 traversant l'enveloppe externe et l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur, de manière qu'on puisse effectuer des opérations de contrôle et/ou d'entretien du faisceau et de la plaque tubulaire du générateur de vapeur, par exemple des opérations de nettoyage, pendant les périodes d'arrêt du générateur de vapeur.

Les ouvertures de visite telles que 19 qui présentent un diamètre de l'ordre de 150 mm et qui sont situées légèrement au-dessus de la face supérieure de la plaque tubulaire 5 sont appelés trous de poing. Ces ouvertures de visite comportent une tubulure en saillie par rapport à la surface extérieure de l'enveloppe externe 2 sur laquelle est rapportée une tape de fermeture étanche pendant le fonctionnement du générateur de vapeur.

On connaît des techniques de mesure des déplacements et des déformations d'une enveloppe de faisceau pendant le fonctionnement du générateur de vapeur utilisant des dispositifs de mesure, par exemple de type mécanique, qui sont introduits dans l'enveloppe externe du générateur de vapeur dans les trous de poing du générateur. Ces dispositifs sont d'une réalisation et d'une utilisation délicates et ne permettent d'effectuer des mesures qu'au niveau de chacun des trous de poing du générateur de vapeur.

Selon l'invention, on réalise depuis l'extérieur de l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur, L'émission d'ondes ultrasonores dans des directions sensiblement radiales vers la partie interne du générateur de vapeur.

Pour cela, on utilise, comme il est visible sur la figure 2, des capteurs à ultrasons 10 qui sont placés au contact de la surface externe de l'enveloppe externe 2 du générateur de vapeur et répartis autour de l'enveloppe 2, dans une zone s'étendant sur une certaine hauteur de l'enveloppe dans la direction axiale.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, on utilise deux ensembles de six capteurs 10 qui sont alignés suivant le contour externe de la section droite de l'enveloppe 2, dans deux zones légèrement espacées l'une de l'autre dans la direction axiale du générateur de vapeur, dans la partie inférieure de l'enveloppe exteme 2 voisine des portées d'appui 8 de l'enveloppe de faisceau 4.

Les capteurs 10 de chacun des ensembles de six capteurs sont répartis de manière régulière autour de l'axe du générateur de vapeur, leur position se déduisant l'une de l'autre par une rotation de 60C autour de l'axe du générateur de vapeur.

La disposition des capteurs dans une zone située en vis-à-vis de la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau 4 comportant les parties d'appui 8 permet en particulier de déterminer les déplacements et les déformations de l'enveloppe de faisceau 4 au voisinage des parties d'appui et d'évaluer les risques de fissuration des blocs d'appui de l'enveloppe de faisceau 4.

Du fait que l'enveloppe externe du générateur de vapeur est en contact, pendant le fonctionnement du générateur de vapeur, avec de l'eau à haute température, les capteurs à ultrasons 10 doivent être mis en contact, de préférence par l'intermédiaire d'un fluide de couplage, avec une surface à haute température.

II est donc nécessaire de prévoir des capteurs réalisés suivant une technique adaptée à cette utilisation à haute température et pouvant résis ter à une température de l'ordre de 300"C, pendant une durée suffisante pour effectuer une série de mesures.

II est possible en particulier d'utiliser des capteurs piézoélectriques de type classique associés à des systèmes de couplage avec la paroi du générateur de vapeur qui peuvent être munis éventuellement d'un guide d'onde ou d'un autre dispositif permettant d'éloigner le capteur de la paroi chaude, ce qui est nécessaire pour utiliser les capteurs dans des conditions satisfaisantes, bien que les capteurs piézoélectriques soient réalisés en des matériaux résistant aux hautes températures.

Les moyens de couplage éloignant le capteur de la paroi peuvent être équipés de moyens de refroidissement tels que des ailettes.

On peut également utiliser des capteurs acoustiques de type électromagnétique, ces capteurs pouvant être utilisés sans produit de couplage.

Le couplage est alors réalisé à sec à travers la lame d'air séparant le capteur de la paroi.

Dans le cas où l'on réalise un couplage à sec entre le capteur et la paroi, la surface de contact de la paroi doit être usinée pour que la zone de contact soit parfaitement plane et parfaitement polie de sorte que la lame d'air à travers laquelle est réalisé le couplage ait une épaisseur inférieure au micromètre.

On peut également réaliser le couplage avec un liquide visqueux et résistant à la température de 300"C. II suffit alors de réaliser un léger polissage de la paroi dans la zone de contact.

Dans tous les cas, les capteurs doivent être portés par des dispositifs mécaniques permettant de les mettre en contact avec la paroi pendant la durée nécessaire pour effectuer une série de mesures et de les éloigner de la paroi après avoir effectué la série de mesures. On peut prévoir la mise en place d'un matériau de couplage au moment de l'application des capteurs contre la paroi et des moyens de refroidissement des capteurs lorsqu'ils sont éloignés de la paroi entre deux séries de mesures. De cette manière, on peut utiliser des capteurs à ultrasons du commerce qui ne sont pas par ticulièrement conçus pour résister à une longue exposition à une température élevée.

Les capteurs à ultrasons peuvent être mis en place autour de la paroi du générateur de vapeur, dans les zones de mesure, lors d'un arrêt programmé du réacteur nucléaire. De préférence, les capteurs seront placés dans des emplacements prédéterminés, par exemple par une analyse théorique des déformations de l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur, de façon qu'ils puissent mesurer des amplitudes maximales des déplacements et des déformations du premier mode de vibration de l'enveloppe du faisceau 4 du générateur de vapeur. Dans ce but, on détermine la position des ventres de vibration du premier mode vibratoire de l'enveloppe de faisceau et on place les capteurs à ultrasons en vis-à-vis des zones dans lesquelles sont situés les ventres de vibration.

Sur la figure 4, on a représenté une partie de la paroi externe 2 du générateur de vapeur et une partie de l'enveloppe de faisceau 4 située en vis-à-vis du capteur 10 et de la partie d'enveloppe externe 2, dans la direction radiale du générateur de vapeur.

Le capteur à ultrasons 10 est utilisé pour effectuer des mesures de distance entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe de faisceau 4 du générateur de vapeur, pendant le fonctionnement du générateur de vapeur, de manière à déterminer les déplacements et les déformations de la partie de l'enveloppe de faisceau 4 située en vis-à-vis de la zone de mesure constituée par le capteur 10 disposé à l'extérieur du générateur de vapeur. Le capteur à ultrasons 10 est utilisé à la fois comme émetteur et comme récepteur d'ondes ultrasonores. On émet, à partir du capteur 10, un faisceau d'ondes ultrasonores dans la direction radiale, en direction de la partie interne du générateur de vapeur.

Les ondes ultrasonores émises se propagent suivant l'épaisseur de l'enveloppe externe 2 et sont réfléchies par l'interface entre la surface in teme de l'enveloppe externe 2 et l'eau d'alimentation contenue dans la partie secondaire du générateur de vapeur. Les ondes ultrasonores réfléchies peuvent être captées par le capteur 10 et sont réfléchies à nouveau par
I'interface entre la surface externe de l'enveloppe 2 et l'atmosphère extérieure. Les ondes ultrasonores se propagent à l'intérieur de l'enveloppe externe 2 et subissent des réflexions successives sur les deux interfaces délimitant l'enveloppe externe 2. On capte les ondes réfléchies successives et on enregistre les signaux correspondants à chacune de ces ondes réfléchies.

Une partie du faisceau d'ondes ultrasonores est transmis à travers la couche d'eau d'alimentation remplissant l'espace annulaire entre l'enveloppe exteme 2 et l'enveloppe de faisceau 4. Les ondes ultrasonores transmises à travers la couche d'eau d'épaisseur d sont réfléchies par l'enveloppe de faisceau 4 en direction du capteur 10. L'onde réfléchie est captée et le signal correspondant est enregistré.

Sur la figure 4, on a représenté schématiquement par des lignes et des flèches le trajet des ondes ultrasonores à l'intérieur de l'enveloppe externe 2 et dans l'espace annulaire d'épaisseur d.

La vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l'acier constituant la paroi de l'enveloppe 2 est sensiblement 4 fois plus grande que la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l'eau d'alimentation du générateur de vapeur.

De ce fait, dans le cas d'un générateur de vapeur de conception classique d'un réacteur nucléaire à eau sous pression dont l'enveloppe externe aurait, par exemple, une épaisseur de 84 mm et dont la distance nominale d entre l'enveloppe externe et l'enveloppe de faisceau serait de 65,5 mm, comme il est visible sur la figure 5, on recueille quatre signaux d'écho t1E, t2E, t3E, t4E, correspondant à des réflexions sur les interfaces délimitant l'enveloppe externe 2, avant de recueillir un signal d'écho tjj correspondant à une réflexion sur l'enveloppe de faisceau 4.

Sur la figure 5, on a représenté le signal d'émission ultrasonore des cinq signaux d'écho successifs correspondant à des réflexions sur des interfaces délimitant l'enveloppe externe du générateur de vapeur ainsi que l'écho tij correspondant à une réflexion sur l'enveloppe de faisceau, I'écho tij étant intercalé sur l'échelle de temps entre les quatrième et cinquième échos tE et t5E.

On a indiqué, en abscisse, L'échelle des temps et, en ordonnée, I'am- plitude en décibels des signaux recueillis. L'échelle des ordonnées est une échelle logarithmique. On a indiqué, en abscisse, sur l'échelle des temps, les décalages temporels entre l'émission de l'onde ultrasonore par le capteur 10 et la réception des signaux d'échos successifs.

Le quatrième écho t4E parvient au capteur au temps t = 112 us et l'écho tij correspondant à la réflexion sur l'enveloppe de faisceau parvient au capteur 10 au temps t = 115 Ps. Le décalage temporel entre les signaux t4E et tij est donc faible mais suffisant pour qu'on puisse distinguer les deux signaux.

Cependant, du fait des déplacements vibratoires de l'enveloppe de faisceau 4 pendant le fonctionnement du générateur de vapeur, la distance d entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe de faisceau 4 varie de manière périodique et la position sur l'échelle de temps du signal tij varie pendant les mesures, autour de la position moyenne représentée sur la figure 5.

Dans le cas où les mesures sont effectuées sur une zone de l'enveloppe de faisceau qui se déplace avec une amplitude de 3 mm par rapport à sa position nominale, de manière vibratoire, pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire, le déplacement sur l'échelle des temps de l'écho tij est d'à peu près 4 Ps. De ce fait, les signaux tE et tij peuvent être superposés dans certaines phases des mesures et il est nécessaire de prévoir une méthode de discrimination du signal tij et du signal t4E, dans le cas d'un générateur de vapeur de type classique.

En outre, pour obtenir une précision de mesure des déplacements et des déformations de l'enveloppe de faisceau de l'ordre de 0,1 mm, il est nécessaire de disposer d'une résolution des mesures du temps de parcours de 0,133 lus. Cette résolution correspond à une fréquence d'échantillonnage du signal de 7,5 MHz. En pratique, on utilise un échantillonneur fonctionnant à une fréquence de l'ordre de 100 MHz; ceci permet d'atteindre en fait une résolution dix fois supérieure à la résolution nécessaire pour obtenir la précision de mesure voulue.

Le paramètre utilisé pour déterminer la distance d entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe de faisceau 4 ou les variations de cette distance est le temps mesuré sur l'échelle des temps entre l'émission des ondes ultrasonores et la réception de l'écho tij ou, de préférence, de manière à éliminer des erreurs dues au signal d'émission, le temps séparant le premier signal d'écho tIE du signal tij.

La position dans le temps du signal tij doit être mesurée avec une fréquence permettant de déterminer parfaitement la déformée de l'enveloppe de faisceau, en tenant compte de la fréquence fondamentale de vibration de l'enveloppe de faisceau. On réalise la mesure de la position dans le temps du signal tij en envoyant une impulsion ultrasonore et en repérant le signal d'écho tij dont on mesure la position sur l'échelle des temps et l'amplitude. Après un intervalle de temps déterminé, on envoie une seconde impulsion ultrasonore, de manière à mesurer une seconde valeur de la position temporelle de l'amplitude du signal tij. On estime que le temps séparant deux impulsions de mesure doit être supérieur au décalage temporel du signal tsE correspondant à la cinquième réflexion des ondes ultrasonores sur les interfaces de l'enveloppe externe, c'est-à-dire environ 140 us. Dans ce cas, la fréquence d'émission des impulsions ultrasonores ou fréquence de récurrence doit être inférieure à 7 kHz.

On a choisi une fréquence de l'ordre de 3 kHz, ce qui permet d'obtenir environ mille points de mesure du déplacement de l'enveloppe de faisceau, au cours d'une période de vibration de l'enveloppe de faisceau dont la fréquence propre est de l'ordre de 3 Hz.

Sur les figures 6 et 7 on a représenté les variations au cours du temps, pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire, du décalage temporel du signal tij.

La variation du signal tij est représentée par une courbe d'allure sinusoïdale superposée à une courbe porteuse représentant les variations parasites lentes de la distance entre l'enveloppe externe et l'enveloppe du faisceau du générateur de vapeur pendant le fonctionnement du générateur, ces variations lentes pouvant être dues à des variations des conditions physiques de l'eau d'alimentation du générateur de vapeur, au cours de phases successives de fonctionnement du réacteur nucléaire, entraînant des variations de la vitesse des ultrasons dans l'eau d'alimentation ou encore à des variations de la trajectoire des ultrasons dont la direction de propagation peut être légèrement différente d'une direction normale par rapport au générateur de vapeur.

Comme il est visible en particulier sur la figure 7, on réalise des mesures successives en envoyant des impulsions ultrasonores vers l'intérieur du générateur de vapeur à des intervalles de temps par exemple de l'ordre de 140 lus. On obtient une succession de points 11 permettant de tracer la courbe 12 représentative du déplacement vibratoire d'une zone de l'enveloppe de faisceau disposée en vis-à-vis d'un capteur à ultrasons. On peut mesurer sur l'axe des abscisses la période des vibrations et en déduire la fréquence de vibration de l'enveloppe de faisceau. On peut également mesurer sur l'axe des or posé dans l'enceinte de sécurité 13 et de récupérer les ondes ultrasonores réfléchies afin d'élaborer les signaux de mesure tels que représentés sur la figure 5.

Les signaux de mesure sont exploités grâce à un micro-ordinateur 16 disposé à l'extérieur de l'enceinte de sécurité 13.

Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 8A, le résultat du traitement des signaux par le micro-ordinateur 16, sous forme de signaux, est transmis par modem ou par une ligne matérielle à un poste de pilotage externe 17 où les informations sont traitées par un second microordinateur 18. Le poste de pilotage externe 17, qui peut être situé sur le site ou dans un lieu éloigné du site du réacteur nucléaire, comporte une console de commande et de traitement des signaux comprenant le micro-ordinateur 18.

Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 8B, les signaux de mesure sont traités et exploités directement sur le microordinateur 16 disposé sur une console de commande et de traitement de signaux 17' située au voisinage du bâtiment 13 du réacteur nucléaire.

Dans l'un et l'autre cas, les signaux provenant de chacun des capteurs 10, qui sont représentatifs des déplacements au cours du temps d'une zone de l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur 1, sont utilisés dans leur ensemble pour déterminer la déformée de l'enveloppe de faisceau au cours du temps et l'amplitude et la fréquence de vibration de l'enveloppe.

On peut ainsi obtenir une représentation complète de la déformée d'une partie de l'enveloppe de faisceau (ou éventuellement de l'ensemble de l'enveloppe de faisceau en utilisant un nombre de capteurs suffisants répartis suivant toute la hauteur de l'enveloppe de faisceau), ce qui permet d'exercer une surveillance précise de l'enveloppe de faisceau pendant le fonctionnement du générateur de vapeur et de concevoir éventuellement des modifications de la structure de l'enveloppe de faisceau et de ses moyens de supportage.

II est préférable, de manière à obtenir une image précise de la déformée de l'enveloppe du faisceau à un instant donné, de synchroniser les impulsions transmises à l'ensemble des capteurs à ultrasons 10 disposés autour de l'enveloppe du générateur de vapeur. Cette synchronisation peut être réalisée par le générateur à ultrasons 14 ou 14' et le module d'excitation 15.

II est cependant possible d'envisager une excitation successive de chaque capteur 10, en tenant compte, lors du traitement des signaux, du déphasage des différents trains d'impulsions.

Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent donc d'obtenir une image précise, à chaque instant de la déformée d'une partie au moins de l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur, sans utiliser de capteur introduit à l'intérieur de l'enveloppe externe du générateur de vapeur.

L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.

C'est ainsi qu'on peut utiliser un nombre de capteurs ultrasonores quelconque pour mesurer les déplacements et les déformations de l'enveloppe de faisceau, uniquement dans une zone de l'enveloppe ou, au contraire, sensiblement sur toute la hauteur de l'enveloppe.

On peut par exemple utiliser trente capteurs disposés suivant cinq rangées circulaires de six capteurs réparties suivant toute la hauteur du faisceau du générateur de vapeur, les capteurs étant disposés autour de l'enceinte du générateur de vapeur et les rangées circulaires de capteurs encerclant l'enveloppe du générateur de vapeur étant réparties sur toute la hauteur de la partie inférieure à plus faible diamètre de l'enveloppe externe du générateur de vapeur renfermant l'enveloppe du faisceau.

Les moyens de traitement des signaux des capteurs ultrasonores peuvent être différents des moyens qui ont été décrits. Les résultats des mesures de déplacement et de déformation de l'enveloppe de faisceau du générateur de vapeur peuvent être représentés sous une forme quelconque, graphique ou numérique, pour permettre une surveillance des composants des générateurs de vapeur ou une amélioration de la conception de ces générateurs de vapeur.

L'invention s'applique non seulement dans le cas des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression mais également dans le cas de tout échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes maintenu par une enveloppe de faisceau et disposé à l'intérieur d'une enveloppe externe de l'échangeur de chaleur.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1.- Procédé de mesure à distance des déformations en service d'une enveloppe (4) d'un faisceau (3) de tubes d'un échangeur de chaleur,

I'échangeur de chaleur (1) comportant une enveloppe externe (2) globalement cylindrique dans laquelle est placé le faisceau de tubes (3) d'échange thermique de l'échangeur de chaleur (1) maintenu à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau (4) de forme cylindrique qui est fixée à l'une de ses extrémités dans la direction axiale, sur l'enveloppe externe (2), dans une disposition coaxiale par rapport à l'enveloppe externe (2), caractérisé par le fait:

- qu on émet, dans des directions sensiblement radiales par rapport à l'enveloppe externe (2) et à l'enveloppe de faisceau (4), depuis une pluralité de zones de mesure (10) situées à l'extérieur de l'enveloppe externe de l'échangeur de chaleur (1), réparties suivant toute la périphérie et suivant la hauteur de l'enveloppe externe (2), une pluralité de faisceaux d'ondes ultrasonores, vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur (1),

- qu'on recueille, dans chacune des zones de mesure (10), des ondes ultrasonores réfléchies à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (1),

- qu'on mesure le temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4),

- qu'on calcule, à partir des temps de propagation mesurés, les distances radiales (d) entre l'enveloppe externe (2) et l'enveloppe de faisceau (4), en vis-à-vis de chacune des zones de mesure (10), et

- qu'on détermine, à partir des distances (d) calculées, les déformations en service de l'enveloppe de faisceau (4) de l'échangeur de chaleur (1)

2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on émet des ondes ultrasonores à partir des zones de mesure (10) par impulsions successives séparées par un intervalle de temps suffisant pour recueillir les ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4) et de manière à obtenir un nombre de points de mesure (11) suffisant pour déterminer de manière précise une courbe de déformation (12) de chacune des zones de l'enveloppe de faisceau (4) en vis-à-vis d'une zone de mesure (10), au cours du temps.

3.- Procédé suivant la revendication 2, dans le cas d'une enveloppe de faisceau (4) mise en vibration à l'intérieur de l'échangeur de chaleur en fonctionnement, caractérisé par le fait qu'on détermine la fréquence et l'amplitude des vibrations de l'enveloppe en chacun des points de mesure de la distance radiale (d) entre l'enveloppe externe (2) et l'enveloppe de faisceau (4), à partir d'une courbe représentant les variations du temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4) en fonction du temps.

4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on détermine les variations de la déformée de l'enveloppe (4) de faisceau au cours du temps, à partir de courbes de variation des distances radiales (d) entre l'enveloppe externe (2) et l'enveloppe de faisceau (4) en fonction du temps, obtenues pour chacune des zones de mesure (10) de la pluralité de zones de mesure.

5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les zones de mesure sont réparties suivant au moins deux lignes circulaires entourant une section droite de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur (1) espacées suivant la direction axiale de l'enveloppe externe (2).

6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que sur chacune des lignes circulaires entourant une section droite de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur (1), sont disposées six zones de mesure réparties suivant la ligne circulaire dans des positions se déduisant l'une de l'autre par une rotation de 60 autour de l'axe de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur (1).

7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les zones de mesure (10) sont réparties suivant deux lignes circulaires dans une partie inférieure de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur, en vis-à-vis d'une partie inférieure de l'enveloppe de faisceau (4) comportant des blocs de supportage (8).

8.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les zones de mesure (10) sont disposées suivant cinq lignes circulaires réparties suivant la hauteur d'une partie de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur, suivant toute la hauteur de l'enveloppe de faisceau (4).

9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les ondes ultrasonores réfléchies à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (1) et recueillies dans chacune des zones de mesure (10) sont converties en des signaux répartis sur une échelle de temps et que les temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4) sont calculées à partir des temps de réception des signaux fournis par l'échelle de temps et dans lequel les signaux correspondent à des ondes ultrasonores réfléchies par des interfaces délimitant la paroi externe (2) de l'échangeur de chaleur et à des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4).

10.- Dispositif de mesure à distance des déformations en service d'une enveloppe (4) d'un faisceau de tubes (3) d'un échangeur de chaleur (1), I'échangeur de chaleur (1) comportant une enveloppe externe (2) globalement cylindrique dans laquelle est placée le faisceau de tubes (3) d'échange thermique de l'échangeur de chaleur (1) maintenu à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau (4) de forme cylindrique qui est fixée, à l'une de ses extrémités, dans la direction axiale, sur l'enveloppe externe (2) dans une disposition coaxiale par rapport à l'enveloppe externe (2), caractérisé par le fait qu'il comporte:

- une pluralité de capteurs ultrasonores (10) répartis autour de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur et suivant la hauteur de l'enveloppe externe (2), au moins un générateur d'ultrasons (14), des moyens (15) d'excitation des capteurs ultrasonores (10) qui sont placés de manière à émettre des ondes ultrasonores dans des directions radiales vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur (1) et des moyens de traitement (16, 17, 17', 18) de signaux obtenus à partir d'ondes ultrasonores réfléchies à l'intérieur de l'échangeur de chaleur (1) et recueillis par l'intermédiaire du module d'excitation (15) et des moyens générateurs d'ultrasons (14, 14'), les moyens de traitement (16, 17, 17', 18) comportant des moyens de mesure du temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4) pour chacun des capteurs à ultrasons (10) et des moyens de détermination d'une déformée de l'enveloppe de faisceau (4) en fonction du temps à partir des temps de propagation des ondes ultrasonores réfléchies par l'enveloppe de faisceau (4).

11.- Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (16,17,17', 18) comportent des moyens de détermination d'une fréquence et d'une amplitude de vibration de l'enveloppe de faisceau (4) dans l'échangeur en fonctionnement (1) dans chacune d'une pluralité de zones de l'enveloppe de faisceau (4) située en vis-à-vis d'un capteur à ultrasons (10).

12.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans le cas où l'échangeur de chaleur (1) est un générateur de vapeur (1) d'un réacteur nucléaire à eau sous pression disposé à l'intérieur d'une enceinte de sécurité (13) du réacteur nucléaire, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (16, 17, 18) comportent des moyens de transmission de signaux entre une zone (16) proche de l'enceinte de sécurité (13) du réacteur nucléaire et une zone (17) éloignée de l'enceinte de sécurité (13) du réacteur nucléaire.

13.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé par le fait que les capteurs à ultrasons (10) sont répartis suivant plusieurs rangées circulaires autour de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur espacées suivant la direction axiale de l'échangeur de chaleur.

14.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé par le fait que les capteurs à ultrasons (10) sont portés par des moyens de déplacement mécanique des capteurs entre une position d'émission et de mesure où le capteur est en contact avec la surface externe de l'enveloppe externe de l'échangeur de chaleur (1) et une position hors service où le capteur n'est pas en contact avec la surface de l'enveloppe externe (2) de l'échangeur de chaleur.