INCEFA-PLUS Findings on Environmental Fatigue

INCEFA-PLUS is a five year project supported by the European Commission HORIZON2020 programme. The project concluded in October 2020. 16 organisations from across Europe have combined forces to deliver new experimental data which is being used to develop improved guidelines for assessment of environmental fatigue damage to ensure safe operation of nuclear power plants. Within INCEFA-PLUS, the effects of mean strain and stress, hold time, strain amplitude and surface finish on fatigue endurance of austenitic stainless steels in light water reactor environments have been studied experimentally. This document constitutes a Reference Book compiling the research developed within the INCEFA-PLUS Project. It provides a comprehensive overview of the tasks performed, and it also presents the background and the assumptions taken to develop the INCEFA-PLUS experimental and analytical works. It compiles and orders documents and contributions from INCEFA-PLUS partners.This project has received funding from the Euratom research and training program 2014-2018 under grant agreement No 662320

Développement et Réalisation de méthodologies expérimentales (spécifiques) dédiées à l’examen et à la réévaluation des approches codifiées assurant l’intégrité de composants industriels soumis à des chargements complexes avec prise en compte de l’environnement

L’industrie nucléaire porte un intérêt tout particulier aux problèmes d’intégrité des structures, consciente des conséquences catastrophiques qu’entraînerait un accident majeur. Tout est mis en œuvre pour réduire au maximum les risques d’une telle situation. Ainsi dès la conception, et tout au long de la durée de vie, un niveau de sûreté est exigé et vérifié par les autorités, sur la base de dossiers présentés par l’exploitant. Ces interactions continues sont génératrices de travaux de R&D en support. On peut citer notamment la problématique de la fatigue thermique dans les zones de mélange qui est réapparue lors de situations non encore envisagées (à l’origine de l’arrêt de la centrale de Civaux en 1998), ou encore l’amélioration des connaissances des phénomènes déjà identifiés et codifiés (cas de la cuve des Réacteurs à Eau Pressurisée). Certains de ces travaux ont une portée conséquente car ils sont le socle du développement, de la validation puis de la codification de règles et critères pour l’analyse d’Intégrité des structures métalliques. Ces structures, souvent de grandes dimensions, sont soumises lors de leur cycle de fonctionnement à des chargements complexes combinant des chargements mécaniques variables, multiaxiaux, avec des valeurs moyennes non nulles associées à des fluctuations de températures. Avant d’appliquer les concepts et méthodes observés sur des éprouvettes analytiques à ces structures, il est nécessaire de les consolider par la mise en œuvre d’une approche originale associant essais sur quasi-structures, essais de caractérisation sur éprouvettes et interprétations fines par le calcul aux éléments finis. Il convient alors de mettre en place des moyens expérimentaux permettant d’examiner et de réévaluer les approches codifiées assurant l’intégrité de composants industriels soumis à des chargements complexes avec prise en compte de l’environnement. Parmi les équipes du CEA concernées par cette thématique, le Laboratoire d’Intégrité des Structures et de Normalisation du CEA, a pour vocation d’étudier les problèmes d’Intégrité des structures nucléaires métalliques en s’appuyant principalement sur des moyens expérimentaux exceptionnels : la plateforme expérimentale RESEDA permet de mettre en œuvre des essais à l’échelle ou analytiques (représentatifs des phénomènes recherchés) afin de reproduire les situations industrielles, associés à des équipements d’instrumentation et d’analyse variés et performants. Ce document regroupe l’essentiel de mes activités de recherche au CEA concernant l’étude de l’amorçage et de la propagation de fissures sous chargements complexes

Développement et Réalisation de méthodologies expérimentales (spécifiques) dédiées à l’examen et à la réévaluation des approches codifiées assurant l’intégrité de composants industriels soumis à des chargements complexes avec prise en compte de l’environnement

L’industrie nucléaire porte un intérêt tout particulier aux problèmes d’intégrité des structures, consciente des conséquences catastrophiques qu’entraînerait un accident majeur. Tout est mis en œuvre pour réduire au maximum les risques d’une telle situation. Ainsi dès la conception, et tout au long de la durée de vie, un niveau de sûreté est exigé et vérifié par les autorités, sur la base de dossiers présentés par l’exploitant. Ces interactions continues sont génératrices de travaux de R&D en support. On peut citer notamment la problématique de la fatigue thermique dans les zones de mélange qui est réapparue lors de situations non encore envisagées (à l’origine de l’arrêt de la centrale de Civaux en 1998), ou encore l’amélioration des connaissances des phénomènes déjà identifiés et codifiés (cas de la cuve des Réacteurs à Eau Pressurisée). Certains de ces travaux ont une portée conséquente car ils sont le socle du développement, de la validation puis de la codification de règles et critères pour l’analyse d’Intégrité des structures métalliques. Ces structures, souvent de grandes dimensions, sont soumises lors de leur cycle de fonctionnement à des chargements complexes combinant des chargements mécaniques variables, multiaxiaux, avec des valeurs moyennes non nulles associées à des fluctuations de températures. Avant d’appliquer les concepts et méthodes observés sur des éprouvettes analytiques à ces structures, il est nécessaire de les consolider par la mise en œuvre d’une approche originale associant essais sur quasi-structures, essais de caractérisation sur éprouvettes et interprétations fines par le calcul aux éléments finis. Il convient alors de mettre en place des moyens expérimentaux permettant d’examiner et de réévaluer les approches codifiées assurant l’intégrité de composants industriels soumis à des chargements complexes avec prise en compte de l’environnement. Parmi les équipes du CEA concernées par cette thématique, le Laboratoire d’Intégrité des Structures et de Normalisation du CEA, a pour vocation d’étudier les problèmes d’Intégrité des structures nucléaires métalliques en s’appuyant principalement sur des moyens expérimentaux exceptionnels : la plateforme expérimentale RESEDA permet de mettre en œuvre des essais à l’échelle ou analytiques (représentatifs des phénomènes recherchés) afin de reproduire les situations industrielles, associés à des équipements d’instrumentation et d’analyse variés et performants. Ce document regroupe l’essentiel de mes activités de recherche au CEA concernant l’étude de l’amorçage et de la propagation de fissures sous chargements complexes

Survivable Network Coding

International audienc

Flot maximum robuste avec incertitudes sur les chemins

International audienceDepuis les premiers travaux de Ford et Fulkerson [8] sur le sujet, le problème deflot maximum a été l?objet d?importantes études, et de nombreux algorithmes permettant de lerésoudre ont été proposés dans la littérature [1]. Ce problème trouve de nombreuses applica-tions, notamment dans le domaine des télécommunications. Dans ce contexte, il est fréquentque des événements imprévus entravent l?acheminement d?informations au sein du réseau. Onpense en particulier à des pannes de matériel ou à une réduction du débit due à des phénomènesde congestion. Un bon moyen de se prémunir contre les effets de tels événements consiste àles prendre explicitement en compte lors de l?élaboration du routage. Cette approche permetd?envoyer un flux de données de la source vers le terminal même si on ne dispose que d?in-formations parcellaires sur l?état du réseau. L?optimisation robuste est un outil naturellementadapté à la formulation puis à la résolution de problèmes de routage dans les réseaux en pré-sence d?incertitudes [2, 4, 5, 6, 9, 10, 11]. Notre approche part de la formulation du problème deflot maximum vu comme un problème de «packing» fractionnaire de chemins simples entre lasource et le terminal, dans un graphe où chaque lien est muni d?une capacité. Connaissant, pourchaque lien, sa probabilité empirique d?être disponible, nous pouvons associer à chaque cheminune probabilité de pouvoir acheminer du flot. Plus précisément, nous supposons que nous avonsà disposition un ensemble de taille polynomial de chemins, avec pour chacun d?entre eux saprobabilité empirique de pouvoir acheminer des données de la source jusqu?au terminal. À par-tir de ces probabilités, nous définissons un ensemble d?incertitude, basé sur une idée proposéepar Bandi et Bertsimas [3] que nous adaptons pour prendre en compte la non indépendance, ausens probabiliste, dans la disponibilité des chemins. Notre ensemble d?incertitude est similaireà ceux proposés par Bertsimas et Sim [7] pour un choix judicieux de paramètre. Nous obtenonsalors un problème d?optimisation robuste où l?incertitude porte sur la disponibilité des cheminsconsidérés. Notre problème de flot maximum robuste consiste à affecter une quantité de flot àchaque chemin, tout en respectant les contraintes de capacités, de sorte que la quantité de flotreçue par le terminal lors de l?occurrence du pire scénario de l?ensemble d?incertitude soit laplus grande possible. Nous montrons que ce problème peut s?écrire comme un max-min que nousrésolvons en nous appuyant sur le dual du problème de minimisation et sur certaines propriétésde la matrice des contraintes. La structure particulière du problème nous assure que ce dernieradmet toujours au moins une solution qu?il est possible de trouver en temps polynomial. Enfin,nous effectuons des expérimentations sur des réseaux réalistes.Références:[1] Ahuja, R. K., Magnanti, T. L., and Orlin, J. B. (1993). Network flows : theory, algorithms,and applications.[2] Babonneau, F., Klopfenstein, O., Ouorou, A., and Vial, J. P. (2009). Robust capacityexpansion solutions for telecommunication networks with uncertain demands. Technicalpaper, Orange Labs RD.[3] Bandi, C., and Bertsimas, D. (2012). Tractable stochastic analysis in high dimensions viarobust optimization. Mathematical programming, 134(1), 23-70.[4] Ben-Ameur, W., and Zotkiewicz, M. (2011). Robust routing and optimal partitioning of atraffic demand polytope. International Transactions in Operational Research, 18(3), 307-333.[5] Bertsimas, D., Nasrabadi, E., and Stiller, S. (2013). Robust and adaptive network flows.Operations Research, 61(5), 1218-1242.[6] Bertsimas, D., and Sim, M. (2003). Robust discrete optimization and network flows. Ma-thematical programming, 98(1-3), 49-71.[7] Bertsimas, D., and Sim, M. (2004). The price of robustness. Operations research, 52(1),35-53.[8] Ford, L. R., and Fulkerson, D. R. (1956). Maximal flow through a network. Canadianjournal of Mathematics, 8(3), 399-404.[9] Hervet, C., Faye, A., Costa, M. C., Chardy, M., and Francfort, S. (2013). Solving the Two-Stage Robust FTTH network design Problem under Demand Uncertainty. Electronic Notesin Discrete Mathematics, 41, 335-342.[10] Minoux, M. (2009). On robust maximum flow with polyhedral uncertainty sets. Optimi-zation Letters, 3(3), 367-376.[11] Petrou, G., Lemaréchal, C., and Ouorou, A. (2007). An approach to robust network designin telecommunications. RAIRO-Operations Research, 41(04), 411-426

Survivable Network Coding

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Network coding for survivable multicast video streaming networks

To ensure the robust delivery of video streams, a network must emit additional data that will replace the missing ones in case of a failure of some server. One key issue is then to keep this so-called redundancy as low as possible while still ensuring some quality of service. In this paper, we provide protectionoriented models to compute the minimum level of redundancy ensuring that every customer still receives its required stream whatever failure scenario occurs. In particular, our models allow us to compare the optimal redundancy in the multicast delivery of video streams with and without the use of network coding, a technique that allows to perform coding operations within the network. Our computational experiments show that the use of network coding helps to reduce the redundancy in many realistic network settings

Investigations On Crack Propagation Under Cyclical Isothermal And Thermo-mechanical Loadings For A Type 304-L Stainless Steel Used For Pressurized Water Reactor

The integrity of structures exhibiting flaws in Pressurized Water Reactor (PWR) has to be assessed to meet safety criteria. This paper deals with crack-propagation under cyclic thermo-mechanical loadings, as encountered in class I austenitic pipes of PWR’s. To have a conservative and reliable assessment of the crack propagation due to the in-service loading, various codes and standards use simplified method. For example, the RSE-M Code introduces a plastic correction depending on the proportion of the mechanical loading. An improvement of the current method requires additional investigations. Moreover, components loaded with transient or thermal fluctuations are not really in loadcontrolled conditions. To this end, a device called PROFATH was designed. The specimen is a pre-cracked thick-walled tube undergoing a set of thermal cycles and loaded with a static mechanical force. During the first part of the thermal cycle, a high frequency induction coil heats the external wall of the tube. Then, the heating system stops and the specimen is cooled down by running water inside the tube. Finite element calculations show that only a region half-way along the tube should be heated to ensure adequate structural effect. In the heated zone, the machining of a sharp circumferential groove ensures the propagation of a unique crack. An electro-mechanical jack controls the level of the mechanical static load. Tests have been carried out, and these tests allow having an evaluation of the pertinence of the correction proposed by the RSE-M Code for a significant plasticity

Investigations On Crack Propagation Under Cyclical Isothermal And Thermo-mechanical Loadings For A Type 304-L Stainless Steel Used For Pressurized Water Reactor

The integrity of structures exhibiting flaws in Pressurized Water Reactor (PWR) has to be assessed to meet safety criteria. This paper deals with crack-propagation under cyclic thermo-mechanical loadings, as encountered in class I austenitic pipes of PWR’s. To have a conservative and reliable assessment of the crack propagation due to the in-service loading, various codes and standards use simplified method. For example, the RSE-M Code introduces a plastic correction depending on the proportion of the mechanical loading. An improvement of the current method requires additional investigations. Moreover, components loaded with transient or thermal fluctuations are not really in loadcontrolled conditions. To this end, a device called PROFATH was designed. The specimen is a pre-cracked thick-walled tube undergoing a set of thermal cycles and loaded with a static mechanical force. During the first part of the thermal cycle, a high frequency induction coil heats the external wall of the tube. Then, the heating system stops and the specimen is cooled down by running water inside the tube. Finite element calculations show that only a region half-way along the tube should be heated to ensure adequate structural effect. In the heated zone, the machining of a sharp circumferential groove ensures the propagation of a unique crack. An electro-mechanical jack controls the level of the mechanical static load. Tests have been carried out, and these tests allow having an evaluation of the pertinence of the correction proposed by the RSE-M Code for a significant plasticity

Investigations into the cumulative fatigue life of an AISI 304L austenitic stainless steel used for pressure water reactors: Application of a double linear damage rule

International audienceIn order to investigate cumulative damage in fatigue, a multi-level fatigue programme has been carried out on an austenitic stainless steel AISI 304L. All the tests have been performed under controlled strain-amplitude conditions, with several changes of levels up to rupture; values of strain-amplitude were included between 0.20% and 0.80%. The present experimental programme shows that applying a linear damage rule (LDR), also referred to as Palmgren–Miner’s rule, has been demonstrated to be unreliable in some cases. A loading sequence (loading history) effect is clearly shown for the two-level sequence tests; application of the LDR leads to residual fatigue-life overestimation for high-to-low loading (H–L) sequences whereas residual fatigue-life is underestimated for low-to-high loading (L–H) sequences. The multi-level and block tests, undertaken in this campaign, confirm also a possible non-verification of the LDR.Within this framework, the double linear damage rule (DLDR) has been tested. Its application would seem to be promising as an additional approach in certain situations. However, complex sequences and random fatigue tests are still needed to draw a conclusion, and to more clearly evaluate the conditions where use of the LDR would not be sufficient