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N° d’ordre : 2152 Thèse présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITU

N° d’ordre : 2152 Thèse présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Matériaux - Structure - Mécanique Spécialité : Science et génie des matériaux Par Frédéric DELABROUILLE Caractérisation par MET de fissures de corrosion sous contrainte d’alliages à base de nickel : influence de la teneur en chrome et de la chimie du milieu Soutenue le 3 novembre 2004 devant le jury composé de : Pr Philippe BUFFAT Président Pr. Yves BRECHET Rapporteur Dr. Régine MOLINS Rapporteur Dr. Pierre COMBRADE Examinateur Dr. Laurent LEGRAS Examinateur Dr. Peter SCOTT Examinateur Dr. François VAILLANT Examinateur Pr. Eric ANDRIEU Directeur de thèse Dr. Bernard VIGUIER Directeur de thèse A Amélie, à mes parents REMERCIEMENTS REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Monsieur le Professeur Philippe BUFFAT, école polytechnique fédérale de Lausanne, pour avoir accepté de présider mon jury de thèse. J’en suis tout particulièrement honoré et je l’en remercie sincèrement. Je tiens à assurer de ma profonde gratitude Monsieur le Professeur Yves BRECHET pour avoir accepté d’être rapporteur de ce travail et pour m’avoir fait l’immense joie de participer à ce jury en dépit d’un emploi du temps très chargé. J’adresse toute ma gratitude à Madame Régine MOLINS, d’avoir accepté d’être rapporteur de cette thèse et de s’être acquittée de cette tâche dans de courts délais. Je tiens à remercier Monsieur Pierre COMBRADE expert principal de la société FRAMATOME- ANP, pour m’avoir fait l’honneur d’appartenir à ce jury ; je tiens à lui exprimer ma plus profonde reconnaissance. Mes plus vifs remerciements vont également à Monsieur Peter SCOTT, expert principal de la société FRAMATOME-ANP pour l’intérêt qu’il a toujours porté à mon travail et pour m’avoir fait l’honneur de participer au jury de thèse. Je suis très heureux de pouvoir exprimer tout ma gratitude à Monsieur François VAILLANT pour avoir accepté d’être membre du jury, pour avoir orienté judicieusement mes recherches et pour m’avoir fais profiter de son expérience pendant ces trois années. Je désire remercier tout particulièrement, Messieurs Eric ANDRIEU et Bernard VIGUIER qui par leur soutien et leur compétence scientifique ont su guider avec efficacité mes recherches. Ils ont su apporter une vue critique à mes laborieux écrits pour qu’ils deviennent une thèse. Ce qu’ils m’ont apporté dépasse largement le cadre de cette thèse. Je tiens à remercier Monsieur Pascal MIALON pour m’avoir accueilli et de m’avoir donné la chance de pouvoir passer trois années au sein de son dynamique département de recherche MMC. Je tiens à assurer de toute ma reconnaissance Monsieur Jean-Michel FRUND, chef du groupe Métallurgie, pour m’avoir accueilli au sein du groupe métallurgie. J’adresse tous mes remerciements à Monsieur Laurent LEGRAS pour ses qualités professionnelles et humaines auxquelles j’ai été très sensible. Par ses conseils techniques et scientifiques quotidiens, sa disponibilité, sa patience et ses encouragements chaleureux, il m’a permis de mener à bien cette étude. Je remercie très sincèrement tous les membres (techniciens, post-doc…) du laboratoire de microscopie à EDF notamment Dominique Loisnard, Dominique Touzeau, Aude Taisne et Mélanie Lamirand pour leur patience et leur gentillesse. Je tiens à exprimer toute mon amitié à Monsieur Gille CATILLON du laboratoire géo-matériaux à l’Université de Marne La Vallée qui est à la source de toute cette aventure. Le jour d’une soutenance d’oral de thèse, le doctorant soutient bien entendu le fruit d’un travail personnel. Toutefois, ce travail n’aurait pas pu exister dans sa forme finale sans l’aide précieuse d’autres personnes et je voudrais remercier tout particulièrement : Mademoiselle Pavageau, Monsieur Massoud, Monsieur Couvant et Mademoiselle Carrette qui ont su toujours critiquer mes travaux avec beaucoup de bienveillance. Messieurs Cossange, Espinasse et Arnoldi du groupe métallurgie pour leur sérieux et leur efficacité dans les observations au MEB-FEG. Enfin, merci à mes collègues stagiaires, thésard et post-doc, que j’ai pu côtoyer à ENSIACET ou à EDF avec une pensée particulière pour Alexandra, Nadia, Roland, Simon, Sébastien 1, Sébastien 2 et Véronique. Je remercie très sincèrement mes parents et mes amis qui m’ont soutenu et encouragé tout au long de ces années. Enfin, je tiens à exprimer toute mon affection à Amélie, pour son investissement et sa compréhension durant ces derniers mois. Table des matières Table des matières REMERCIEMENTS................................................................................................................ 1 TABLE DES MATIERES ....................................................................................................... 1 INTRODUCTION.................................................................................................................... 1 CONTEXTE INDUSTRIEL.................................................................................................... 3 I. FONCTIONNEMENT D’UN REACTEUR A EAU SOUS PRESSION............................................. 3 1. Circuit primaire.......................................................................................................... 3 2. Circuit secondaire...................................................................................................... 3 3. Circuit de refroidissement.......................................................................................... 3 II. LE GENERATEUR DE VAPEUR (GV).............................................................................. 3 III. MILIEU PRIMAIRE ET SECONDAIRE............................................................................... 5 1. Le milieu primaire...................................................................................................... 5 2. Le milieu secondaire .................................................................................................. 6 3. Problème de corrosion au niveau des générateurs de vapeur................................... 6 CHAPITRE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE................................................................... 9 I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA CORROSION GENERALISEE A HAUTE TEMPERATURE EN MILIEU AQUEUX DES ALLIAGES BASE NICKEL .......................................................................... 9 1. Structure des oxydes formés....................................................................................... 9 2. Paramètres influençant la corrosion généralisée des alliages base nickel. ............ 11 3. Les phénomènes de corrosion dans les zones confinées .......................................... 13 II. LA CORROSION SOUS CONTRAINTE DES TUBES DE GENERATEURS DE VAPEUR ........... 14 1. L’observation des fissures de corrosion sous contrainte en MET ........................... 14 2. Les Mécanismes de fissuration par corrosion sous contrainte................................ 19 3. Paramètres influençant la CSC de l'Alliage 600 en milieu primaire....................... 25 CHAPITRE II. MATERIAUX ETUDIES ET METHODES EXPERIMENTALES...... 34 I. PRESENTATION.............................................................................................................. 34 II. TECHNIQUES EXPERIMENTALES................................................................................. 34 1. Corrosion sous contrainte et corrosion ................................................................... 34 2. Microscopie électronique......................................................................................... 36 3. Spectrométrie de masse des ions secondaires.......................................................... 41 4. Autres techniques ..................................................................................................... 42 III. MATERIAUX ETUDIES ................................................................................................ 43 1. Matériaux modèles ................................................................................................... 43 2. Tube.......................................................................................................................... 52 CHAPITRE III : ETUDE DE LA CORROSION DES MATERIAUX MODELES EN MILIEU PRIMAIRE : EFFET DE LA TENEUR EN CHROME ET DE LA CONTRAINTE....................................................................................................................... 63 I. CORROSION GENERALISEE DES METAUX (« PURS ») ...................................................... 63 1. Le milieu d’essai....................................................................................................... 63 2. Fer pur...................................................................................................................... 65 3. Nickel pur................................................................................................................. 66 4. Chrome pur .............................................................................................................. 67 5. Discussion ................................................................................................................ 69 Table des matières II. CORROSION DES ALLIAGES MODELES EN FONCTION DE LA TENEUR EN CHROME........ 71 1. Observations au MEB des couches de surface......................................................... 71 2. MET en coupe transverse......................................................................................... 78 3. Conséquence de la corrosion sur le métal, analyse SIMS ....................................... 84 4. Discussion ................................................................................................................ 87 III. CORROSION SOUS CONTRAINTE DES ALLIAGES MODELES .......................................... 91 1. Déformation imposée (U-Bend) ............................................................................... 91 2. Traction lente ........................................................................................................... 94 3. Discussion .............................................................................................................. 108 CHAPITRE IV. INFLUENCE DU MILIEU SUR LA CORROSION SOUS CONTRAINTE DE L’ALLIAGE 600 (TUBE INDUSTRIEL, U581). ........................................................111 I. MILIEU SOUDE .............................................................................................................111 1. Résultats de l’essai en autoclave ............................................................................111 2. Observation par MET .............................................................................................112 3. Quelques résultats en milieu soude 10% ................................................................117 4. Résumé....................................................................................................................118 II. MILIEU SULFATE......................................................................................................119 1. Milieu d’essai..........................................................................................................119 2. Observation par MET d'une fissure de CSC...........................................................119 3. Discussion...............................................................................................................125 4. Résumé....................................................................................................................127 III. MILIEU COMPLEXE LIQUIDE .....................................................................................128 1. Conditions expérimentales......................................................................................128 2. Observation par MET .............................................................................................128 IV. MILIEU COMPLEXE VAPEUR .....................................................................................131 1. Conditions expérimentales......................................................................................131 2. Observation de la corrosion généralisée à la surface de l’éprouvette...................131 3. Observation par MET d'une fissure de CSC en milieu complexe vapeur...............136 V. MILIEU PRIMAIRE.....................................................................................................144 1. Observation par microscopie optique et par MEB d'une fissure............................144 2. Observation d'une fissure de CSC ..........................................................................145 DISCUSSION .........................................................................................................................153 DISCUSSION FINALE........................................................................................................155 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................160 ANNEXE A: OBSERVATION D’UNE FISSURE DE FATIGUE...................................171 ANNEXE B: PRESENTATION DE LA SOUTENANCE DE THESE ...........................174 Introduction 1 Introduction Les interactions corrosion-déformation peuvent conduire à la rupture prématurée de matériaux de structure et posent le problème de la tenue en service de nombreuses installations industrielles. La corrosion sous contrainte (CSC) provoque dans certains cas la fissuration des composants. Dans les réacteurs à eau sous pression, la CSC se manifeste notamment au niveau des tubes de générateurs de vapeur du côté primaire et secondaire. Lorsqu’un tube est fissuré, il est isolé du circuit par la mise en place d’un bouchon qui stoppe la circulation du fluide et évite donc la dispersion des particules radioactives dans le circuit secondaire. Lorsque les tubes sont bouchés, le rendement de production du générateur de vapeur diminue, ce qui implique à terme leur remplacement. Entre 1970 et 1984, l’alliage 600 (NC15Fe) a été utilisé pour fabriquer les tubes de générateur de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Or au début des années 70, celui-ci s’est révélé très sensible à la corrosion sous contrainte. Il a donc été remplacé à partir de 1990, par l’alliage 690 (NC30Fe) plus riche en chrome et réputé insensible. Le premier objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension de l’effet de la teneur en chrome sur la tenue à la CSC d’alliage base nickel en milieu primaire ; d’une part pour expliquer le bon comportement de l’alliage 690 et d’autre part pour déterminer une teneur en chrome limite à partir de laquelle l’alliage a un comportement satisfaisant en corrosion sous contrainte dans le milieu primaire. Dans les réacteurs à eau sous pression du côté secondaire, les sites de fissuration sont localisés dans des zones où la composition chimique du milieu est difficile à déterminer. Des milieux modèles, dont la composition chimique encadre celle mal connue du milieu réel sont utilisés en laboratoire. Ainsi, l’objectif de ces travaux consiste uploads/Geographie/ caracterisation-par-met-de-fissures-de-corrosion-sous-contrainte.pdf