Prévision de la fiabilité des turbines pour l’énergie hydroélectrique

L’écoulement de l’eau dans les barrages hydroélectriques fait tourner les turbines, et ce mouvement est utilisé pour produire de l’électricité. Ces pièces critiques sont coûteuses, jusqu’à 10 millions de dollars chacune, et si l’une d’entre elles tombe en panne, la perte de production d’électricité peut s’avérer très coûteuse.

Pour s’assurer de la fiabilité des turbines, Hydro-Québec demande aux fabricants de turbines de démontrer que leurs turbines auront une durée de vie d’au moins 70 ans. Mais comment faire sans devoir attendre 70 ans ?

Traditionnellement, la communauté des ingénieurs hydrauliques s’est appuyée sur l’analyse de la contrainte sous pleine charge pour prédire la fiabilité. Cette méthode a bien fonctionné et les défaillances précoces des turbines sont rares. Cependant, lorsque des défaillances se produisent, le mécanisme de défaillance est analysé et est le plus souvent lié à la variation constante de la charge en service. C’est pourquoi les fabricants et les grandes compagnies d’électricité améliorent la fiabilité des turbines en utilisant des modèles informatiques afin de calculer la durée de vie en fatigue (c’est-à-dire pour prédire le nombre de cycles de chargement et de déchargement que la turbine peut supporter avant qu’une fissure détectable n’apparaisse).

L’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) effectue des recherches en partenariat avec des fabricants et des universités afin de recueillir les données expérimentales nécessaires à la construction, à l’amélioration et à la validation de ces modèles. Les données collectées comprennent des données sur les propriétés des matériaux et sur la manière dont ces propriétés changent à la suite de processus tels que le soudage ou le traitement thermique ultérieur, qui est utilisé pour augmenter la ténacité et la ductilité des soudures et pour réduire les contraintes résiduelles.

« Les données sur les contraintes issues des mesures du CCFN sont utilisées aujourd’hui dans les calculs de durée de vie en fatigue des fabricants, ce qui rend ces calculs plus fiables. Les données montrent que l’optimisation des processus de fabrication peut améliorer la durée de vie des turbines, souvent sans augmentation de coût. »

Une équipe de recherche, composée de l’IREQ et de l’École de technologie supérieure, a eu recours au CCFN pour étudier l’efficacité du traitement thermique après le soudage de l’acier inoxydable avec un matériau d’apport. L’équipe de recherche avait besoin de savoir comment les contraintes créées par le processus de soudage à l’intérieur de l’acier seraient affectées par le traitement thermique. Les résultats des mesures par faisceau de neutrons ont montré que le soudage peut, en effet, produire une répartition souhaitable des contraintes et qu’après traitement thermique, l’ampleur des contraintes a été considérablement réduite. Les données du faisceau de neutrons correspondent bien aux résultats de l’équipe qui utilisaient d’autres méthodes pour déterminer la contrainte, ce qui donne une grande confiance dans les résultats.

L’IREQ a publié cette recherche en 2010, fournissant ainsi des données sur les contraintes résiduelles qui sont maintenant incorporées dans les calculs de durée de vie en fatigue des fabricants. Depuis, Alstom, un important fabricant de turbines hydrauliques, et Hydro-Québec ont poursuivi un vaste programme de recherche visant à améliorer leur compréhension des facteurs influençant la durée de vie des patins. Les mesures de contraintes résiduelles effectuées par le CCFN et les mesures des propriétés de la mécanique de la rupture ont apporté des données utiles à ce programme, rendant plus fiables les calculs de la durée de vie actuels. En outre, ils ont montré que l’optimisation des processus de fabrication tels que le soudage et le traitement thermique peut améliorer la durée de vie des turbines, souvent sans augmentation de coût.

DOI:10.1016/j.msea.2010.06.035

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.