IEC 63230:2026

Fatigue assessment of hydraulic turbine runners: from design to quality assurance

IEC 63230:2026 applies to runners of reaction turbines, regardless of their size and capacity. These can include radial turbines such as Francis turbines, axial turbines such as Kaplan and propeller turbines, as well as diagonal turbines, in all possible configurations. In the case of turbine runners with adjustable blades, the internal mechanical components of the blades' adjustment mechanism are excluded from this document. Pelton turbines, storage pumps and pump-turbines are not covered in this first edition, even though several topics are applicable to these types of hydraulic machines. Specificities and applicability to Pelton turbine and pump-turbines will be discussed in a later revision of the standard
This document outlines the methodologies for conducting a fatigue assessment of turbine runners. It encompasses several key aspects, such as defining the load events to be considered during the assessment, determining stresses for each of these load events, as well as the detailed approaches for assessing fatigue of new and existing runners. Additionally, it includes manufacturing and quality assurance requirements to be complied with to achieve the desired material fatigue properties and effectively apply the proposed fatigue assessment methodologies. This document also contains best practices for performing and analysing on-site strain gauge measurements performed on existing runners to evaluate their fatigue life.
The purpose of this document is to provide guidelines to assess fatigue in new and existing turbine runners. It does not specify if a fatigue assessment should be performed or not for a given runner. However, Annex B provides guidance to evaluate the necessity of realizing a fatigue assessment or not for a given new runner. The methods described in this document can also be used for remaining life assessments of in-service runners

Évaluation de la fatigue des roues de turbines hydrauliques: de la conception à l'assurance qualité

IEC 63230:2026 s'applique aux roues de turbines à réaction, quelles que soient leur taille et leur capacité. Elle peut couvrir les turbines radiales comme les turbines Francis, les turbines axiales comme les turbines Kaplan et les turbines hélices, ainsi que les turbines diagonales, dans toutes les configurations géométriques possibles. Dans le cas des turbines à pales orientables, les composants mécaniques internes du mécanisme de commande des pales sont exclus du présent document. Les turbines Pelton, les pompes d'accumulation et les pompes‑turbines ne sont pas couvertes dans cette première édition, même si plusieurs aspects s'appliquent à ces types de machines hydrauliques. Les spécificités et les aspects relatifs aux turbines Pelton et aux pompes‑turbines seront traités dans une révision ultérieure de la norme.
Le présent document décrit les méthodologies pour effectuer une évaluation de la fatigue des roues de turbines. Il couvre plusieurs aspects clés, notamment la définition des événements‑charge à prendre en compte, la détermination des contraintes pour chacun de ces événements‑charge, ainsi que les approches détaillées pour effectuer cette évaluation à la fatigue de roues neuves et existantes. En outre, il définit les exigences de fabrication et d'assurance qualité à respecter pour obtenir les propriétés de fatigue souhaitées sur les matériaux considérés de sorte à se conformer efficacement aux méthodologies d'évaluation en fatigue proposées. Le présent document fournit également les meilleures pratiques pour effectuer et analyser des mesures de jauges extensométriques sur des roues existantes afin d'évaluer leur durée de vie en fatigue.
Le présent document a pour objet de fournir des lignes directrices pour effectuer une évaluation de la fatigue des roues neuves et existantes. Il ne spécifie pas s'il convient d'effectuer une évaluation en fatigue ou non pour une roue donnée. Cependant, l'Annexe B propose des recommandations pour évaluer la nécessité ou non de procéder à une évaluation en fatigue d'une roue neuve donnée. Les méthodes décrites dans le présent document peuvent également être utilisées pour les évaluations de durée de vie résiduelles de roues en service

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 06-May-2026
• ICS: 27.140 - Hydraulic energy engineering
• Technical Committee: TC 4 - Hydraulic turbines
• Drafting Committee: WG 37 - TC 4/WG 37
• Current Stage: PPUB - Publication issued
• Start Date: 07-May-2026
• Completion Date: 17-Apr-2026

Overview

IEC 63230:2026 establishes internationally recognized methodologies for the fatigue assessment of hydraulic turbine runners, focusing on the entire process from design through to quality assurance. Developed by the International Electrotechnical Commission (IEC), this standard applies to reaction turbine runners of all sizes and capacities, including Francis (radial), Kaplan and propeller (axial), and diagonal turbines. It covers both newly designed and existing runners, offering procedures for evaluating load events, stress histories, manufacturing requirements, and on-site strain measurements. Internal blade adjustment mechanisms and non-reaction types like Pelton turbines or pump-turbines are not within the scope of this edition.

Key Topics

Fatigue Assessment Methodologies

IEC 63230:2026 provides a comprehensive framework for evaluating the fatigue life of hydraulic turbine runners based on:

• Load Event Definition: Identification and specification of steady-state and transient load events affecting the runner during its lifetime.
• Stress Analysis: Determination of stresses experienced by the runner using methods like finite element analysis (FEA) and standardized cycle counting algorithms.
• Fatigue Life Evaluation: Procedures for both S-N curve (stress vs. number of cycles) and fracture mechanics assessments.
• Strain Gauge Measurement: Guidelines for on-site measurement and data analysis to assess the actual fatigue history of existing runners.
• Manufacturing and Quality Assurance: Requirements to ensure material properties and processing (welding, heat treatment, non-destructive testing) meet fatigue performance criteria.

Guidance and Best Practices

The standard includes:

• Practical advice on creating representative load histories for accurate fatigue assessment.
• Recommendations for handling various types of operational transients (e.g., load changes, start-up, shutdown).
• Annexes with best practices on FEA and criteria for deciding when a fatigue assessment is necessary for a new runner.

Definitions and Terminology

Clear, standardized definitions are provided for terms like steady-state conditions, cycle counting, hotspot areas, stochastic and periodic stresses, and stress spectrum analysis, supporting common understanding in the hydroelectric industry.

Applications

IEC 63230:2026 is essential for a broad range of stakeholders in the hydropower sector, supporting:

• Designers and Manufacturers: Ensuring new hydraulic turbine runners are engineered for optimal fatigue resistance and long-term reliability.
• Plant Owners and Operators: Assessing the remaining life of existing runners, planning maintenance, and making informed decisions about runner replacement or rehabilitation.
• Inspectors and Auditors: Implementing standardized manufacturing and quality management procedures, including non-destructive testing and acceptance criteria.
• Consultants and Engineers: Conducting technical due diligence and fatigue analysis for refurbishment, modernization, or extension of hydropower facilities.

By adopting IEC 63230:2026, organizations can improve operational safety, reduce downtime, and extend the lifecycle of critical hydroelectric equipment.

Related Standards

For best results and proper application, IEC 63230:2026 should be used alongside complementary international standards, such as:

• IEC 60193:2019 - Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines – Model acceptance tests
• BS 7910:2019 - Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures
• CCH 70-4 - Specification for Inspection of Steel Castings for Hydraulic Machines

These documents provide additional guidance for testing, inspecting, and verifying the performance and integrity of hydraulic turbines.

---

Keywords: IEC 63230:2026, hydraulic turbine runners, fatigue assessment, hydropower, Francis turbines, Kaplan turbines, quality assurance, fatigue life, strain gauge measurement, international standard, stress analysis, FEA, manufacturing requirements, hydroelectric maintenance.

Standards Content (Sample)

IEC 63230 ®
Edition 1.0 2026-05
INTERNATIONAL
STANDARD
Fatigue assessment of hydraulic turbine runners: from design to quality
assurance
ICS 27.140  ISBN 978-2-8327-1164-4

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details all new publications released. Available online and and French, with equivalent terms in 25 additional languages.
once a month by email. Also known as the International Electrotechnical Vocabulary
(IEV) online.
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If you wish to give us your feedback on this publication or
need further assistance, please contact the Customer
Service Centre: [e-mail].
CONTENTS
FOREWORD . 3
1 Scope . 5
2 Normative references . 5
3 Terms, definitions, symbols and units . 6
3.1 General . 6
3.2 General terms and definitions . 6
3.3 Units . 10
3.4 Acronyms . 11
3.5 Subjective terms . 11
4 Stress history from expected load events . 11
4.1 Purpose and scope . 11
4.2 Load events . 11
4.3 Stress history and stress spectrum . 13
4.4 Stresses determined by calculation . 14
4.4.1 Stresses in steady state conditions . 14
4.4.2 Stresses in transient conditions . 18
4.5 Stresses determined from on-site strain measurements . 18
4.5.1 General. 18
4.5.2 Test procedure . 19
4.5.3 Instrumentation, acquisition and signal treatment . 19
4.5.4 Hotspot stress history determination . 19
5 Fatigue life assessment . 21
5.1 Purpose and scope . 21
5.2 S-N curve assessment . 22
5.2.1 Design S-N curve . 22
5.2.2 Mean stress effect. 23
5.2.3 Residual stress . 24
5.2.4 Cumulated damage calculation . 24
5.3 Fracture mechanics assessment . 25
5.3.1 General. 25
5.3.2 Loading conditions . 25
5.3.3 Fatigue crack growth law . 26
5.3.4 Fatigue crack growth threshold . 27
5.3.5 Definition of flaw . 28
5.3.6 Recommended crack growth limit for calculations . 28
5.3.7 Stress intensity factor solution . 29
6 Manufacturing and quality assurance . 29
6.1 Purpose . 29
6.2 Engineering instruction for manufacturing. 30
6.2.1 Designer responsibilities . 30
6.2.2 Hotspot area definition . 30
6.3 Quality management . 32
6.4 Manufacturing requirements. 32
6.4.1 Material properties . 32
6.4.2 Welding . 32
6.4.3 Defects removal . 33
6.4.4 Post-weld heat treatment . 34
6.4.5 Non-destructive testing (NDT) . 34
6.4.6 Corrosion protection . 36
6.4.7 Manufacturing tolerances . 36
Annex A (informative) Finite element analysis best practices . 37
Annex B (informative) Guidance on the necessity of conducting a fatigue assessment . 39
B.1 General . 39
B.2 Suggested characteristic of runners for which a fatigue assessment is not
required . 39
B.3 Suggested requirements and allowable stresses when fatigue assessment is
not required . 40
Bibliography . 41

Figure 1 – Constant amplitude loading illustration of the main fatigue stress
parameters . 10
Figure 2 – Example of load events included in a start-stop sequence . 13
Figure 3 – Example of a Francis runner strain measurement history during a start-stop
sequence with multiple power outputs [1] . 13
Figure 4 – Stochastic stress history of a steady state condition . 16
Figure 5 – Standard normalized stochastic stress spectrum curve and stress spectra
from real strain gauge data from which it was defined . 17
Figure 6 – Stress spectra combination method for stochastic stresses and periodic
stresses originating from (a) RSI and (b) part-load vortex rope . 18
Figure 7 – Schematic representation of (a) the localisation of strain gauges, (b) the
predicted strain pattern and (c) the superposition of the strain gauges within the
predicted strain pattern [9]. 20
Figure 8 – Example of a goodness-of-fit representation between measurement and
simulation results . 21
Figure 9 – Design S-N curve for 13 %Cr-4 %Ni stainless steel in river water at R = -1
(see 4.3 for stress amplitude calculation) . 23
Figure 10 – Illustration of the effect of the modified Goodman's model on the design S-
N curve for various mean stress values. 24
Figure 11 – Creation of the design fatigue life load history based on typical 1-year load
histories from assembled load sequences for fracture mechanics assessments . 26
Figure 12 – Standardized crack propagation curves for 13 %Cr-4 %Ni stainless steel
according to Equation (5) . 27
Figure 13 – Definition of recommended initial flaw shapes for a) surface flaws b)
embedded flaws . 28
Figure 14 – Location and definition of hotspot areas on a Francis runner . 31
Figure 15 – Location and definition of hotspot areas on a Kaplan runner blade . 31

Table 1 – Example of specified expected steady state conditions . 12
Table 2 – Example of specified expected transient conditions . 12
Table 3 – Main sources of runner excitation . 14
Table 4 – Design S-N curve coefficients for 13%Cr-4%Ni stainless steels in river water . 22
Table 5 – Parameters of the 13 %Cr-4 %Ni fatigue crack growth law . 27
Table 6 – Recommended PWHT parameters for runners. 34
Table 7 – Acceptance criteria for non-destructive tests on surface excavations, finished
hotspot areas weld reworks and finished hotspot areas . 36
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
Fatigue assessment of hydraulic turbine runners:
from design to quality assurance

FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote international
co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To this end and
in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications, Technical Reports,
Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as "IEC Publication(s)"). Their
preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested in the subject dealt with
may participate in this preparatory work. International, governmental and non-governmental organizations liaising
with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely with the International Organization for
Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence between
any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in the latter.
5) IEC itself does not provide any attestation of conformity. Independent certification bodies provide conformity
assessment services and, in some areas, access to IEC marks of conformity. IEC is not responsible for any
services carried out by independent certification bodies.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) IEC draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). IEC takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent rights in
respect thereof. As of the date of publication of this document, IEC had not received notice of (a) patent(s), which
may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that this may not represent
the latest information, which may be obtained from the patent database available at https://patents.iec.ch. IEC
shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
IEC 63230 has been prepared by IEC technical committee TC 4: Hydraulic turbines. It is an
International Standard.
The text of this International Standard is based on the following documents:
Draft Report on voting
4/544/FDIS 4/552/RVD
Full information on the voting for its approval can be found in the report on voting indicated in
the above table.
The language used for the development of this International Standard is English.
This document was drafted in accordance with ISO/IEC Directives, Part 2, and developed in
accordance with ISO/IEC Directives, Part 1 and ISO/IEC Directives, IEC Supplement, available
at www.iec.ch/members_experts/refdocs. The main document types developed by IEC are
described in greater detail at www.iec.ch/publications.
The committee has decided that the contents of this document will remain unchanged until the
stability date indicated on the IEC website under webstore.iec.ch in the data related to the
specific document. At this date, the document will be
– reconfirmed,
– withdrawn, or
– revised.
1 Scope
This International Standard applies to runners of reaction turbines, regardless of their size and
capacity. These can include radial turbines such as Francis turbines, axial turbines such as
Kaplan and propeller turbines, as well as diagonal turbines, in all possible configurations. In the
case of turbine runners with adjustable blades, the internal mechanical components of the
blades' adjustment mechanism are excluded from this document. Pelton turbines, storage
pumps and pump-turbines are not covered in this first edition, even though several topics are
applicable to these types of hydraulic machines. Specificities and applicability to Pelton turbine
and pump-turbines will be discussed in a later revision of the standard
This document outlines the methodologies for conducting a fatigue assessment of turbine
runners. It encompasses several key aspects, such as defining the load events to be considered
during the assessment, determining stresses for each of these load events, as well as the
detailed approaches for assessing fatigue of new and existing runners. Additionally, it includes
manufacturing and quality assurance requirements to be complied with to achieve the desired
material fatigue properties and effectively apply the proposed fatigue assessment
methodologies. This document also contains best practices for performing and analysing on-
site strain gauge measurements performed on existing runners to evaluate their fatigue life.
The purpose of this document is to provide guidelines to assess fatigue in new and existing
turbine runners. It does not specify if a fatigue assessment should be performed or not for a
given runner. However, Annex B provides guidance to evaluate the necessity of realizing a
fatigue assessment or not for a given new runner. The methods described in this document can
also be used for remaining life assessments of in-service runners. However, it is important to
consider that the assessed runner materials' fatigue properties and quality level could differ
from the prescriptions found in the manufacturing and quality assurance section of this
document which have been defined for new runners. It is also important to mention that fatigue
assessment alone is not sufficient for a complete validation of the mechanical integrity of a new
runner design. Other mechanical validations not covered in this document are typically
conducted.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies.
For undated references, the latest edition of the referenced document (including any
amendments) applies.
IEC 60193:2019, Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Model acceptance
tests
BS 7910:2019, Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures
CCH 70-4, Specification for Inspection of Steel Castings for Hydraulic Machines
3 Terms, definitions, symbols and units
3.1 General
For the purposes of this document, the following terms, definitions, symbols and units apply.
NOTE Specialized terms are explained where they appear. Where terms are not explicitly defined in this document,
the terms and definitions of IEC TR 61364[1] , as well as those of ASTM E1823-21[2] can be considered where
applicable.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following
addresses:
– IEC Electropedia: available at https://www.electropedia.org/
– ISO Online browsing platform: available at https://www.iso.org/obp
3.2 General terms and definitions
The terms below are defined specifically in the context of this document. The provided
definitions may not be complete or coherent with definitions from other standards and codes.
3.2.1
continuous normal operating range
operating range of the turbine for unrestricted operating duration, typically delimited by
minimum and maximum values of net head, minimum values of net positive suction energy, as
well as minimum and maximum values of either or a combination of flow, turbine power output
and guide vane opening
3.2.2
cycle counting method
method of counting the number of discrete stress (strain) cycles of different amplitude and mean
from a history of varying stress (strain)
3.2.3
design fatigue life
the minimum period of time during which the runner is expected to function, according to its
corresponding stress history
3.2.4
design S-N curve
S-N curve defined for design purposes of specific components
Note 1 to entry: It includes sufficient reduction coefficients to ensure conservative results and corresponds to what
is considered a sufficient level of reliability for its related specific components. As the determination of this curve
includes the return of experience on past runners, it cannot be associated with specific levels of probability of
survival.
3.2.5
designer
entity responsible for analysing and translating technical specifications into design solutions
that have the required reliability, safety, integrity and performance levels
3.2.6
dynamic stress
variation of stress over time around a mean stress
___________
Numbers in square brackets refer to the Bibliography.
3.2.7
fatigue crack initiation
fatigue phase during which damage is accumulated in a runner under the action of stress cycles
Note 1 to entry: In the context of a fatigue crack initiation assessment as part of this document, the runner material
is considered to be continuous, and stress is determined according to the principles of continuum mechanics.
3.2.8
fatigue crack propagation
fatigue phase during which a crack propagates in a runner under the action of stress cycles
Note 1 to entry: In the context of a fatigue crack propagation assessment as part this document, the runner material
is considered to contain a discontinuity and stress is determined according to the principles of fracture mechanics.
3.2.9
hotspot
location on the runner with the highest fatigue damage sums for a given stress history
Note 1 to entry: This normally corresponds to the location of the highest dynamic stress during steady state
conditions or the highest stress range of the start-stop sequence.
3.2.10
load event
loading applied to the runner during a specific steady state or transient condition (e.g. start-up,
speed-no-load)
3.2.11
load rejection
transient operating condition characterized by an emergency automatic sequence where
sudden decoupling from the grid and subsequent closing of the guide vanes result in a turbine-
generator unit going from a given power output to transient overspeed and back to speed-no-
load or standstill
3.2.12
load sequence
series of load events, which can include a combination of steady state and transient conditions,
that are frequently repeated (e.g. start-stop load sequence: standstill – start-up - SNL- ramp-
up - full load – stop – standstill)
3.2.13
manufacturer
entity responsible for carrying out the entire manufacturing process until completion of the
hydraulic machine component
3.2.14
maximum power output
highest turbine or unit power output within the continuous normal operating range under a given
net head
3.2.15
mean stress
constant average stress of a steady state condition or moving average stress of a transient
stress history
Note 1 to entry: This term can also refer to the mean stress of a single fatigue cycle from a stress spectrum as
obtained from a cycle counting algorithm.
3.2.16
owner
entity which is either the buyer or user, or both, of the hydraulic machine component, or its
representative
3.2.17
periodic stress
dynamic stress of constant amplitude and frequency
3.2.18
rainflow algorithm
specific cycle counting method used in this document
Note 1 to entry: In this document, rainflow refers to the method named "simplified rainflow counting for repeating
Histories" as per ASTM E1049-85.
3.2.19
residual stress
internal stress in static equilibrium that remains in the absence of any external loading
Note 1 to entry: In runners, such residual stresses most often stem from welding, casting, machining and forming.
3.2.20
rework
process of correcting defective, failed, or non-conforming features in a prototype runner after
inspection
Note 1 to entry: In the context of this document, this process can include weld repair, machining, grinding and
polishing.
3.2.21
runaway
no-load and non-excited steady state operating condition where a turbine-generator unit is
rotating at its maximum runaway speed achieved with guide vanes fully open, under the
maximum net head of the continuous operating range, or whichever condition results in the
highest rotational speed
3.2.22
shutdown
transient operating condition characterized by a normal automatic sequence where a turbine-
generator unit goes from a given power output to standstill
3.2.23
speed-no-load
no-load steady state operating condition where a turbine-generator unit is rotating at
synchronous speed, ready to be synchronized with the grid with positive speed direction and
zero power output
Note 1 to entry: The generator field winding can be excited or not.
3.2.24
start-up
transient operating condition characterized by a normal automatic sequence where a turbine-
generator unit goes from standstill with guide vanes closed to speed-no-load
3.2.25
static stress
constant mean stress, linearized or not, calculated by static structural finite element analysis
for a given steady state condition
3.2.26
steady state conditions
operating condition of the turbine characterised by constant (or almost constant) values of net
head, turbine power output, net positive suction head and rotational speed
Note 1 to entry: Runner mean stresses and characteristics of runner dynamic stresses (amplitude, range, frequency
spectrum, standard deviation, etc.) remain constant for a given steady state condition.
3.2.27
stochastic stress
dynamic stress of randomly varying amplitudes and wideband frequency contents
3.2.28
stress amplitude
one half of the stress range of a cycle (see Figure 1)
3.2.29
stress cycle
variation of stress at a particular point in the runner as obtained from a cycle counting method
and consisting of a change in stress between defined minimum (valley) and maximum (peak)
values and back again
3.2.30
stress history
record or calculation of the stress over time at a particular point in the runner during a load
event or during one or successive load sequences
3.2.31
strain history
record or calculation of the strain over time at a particular point in the runner during a load
event or during one or successive load sequences
3.2.32
stress range
algebraic difference between successive peak and valley stress (see Figure 1)
Note 1 to entry: In constant amplitude loading (see Figure 1), the range is given as follows:
∆S S− S .
max min
3.2.33
stress ratio
algebraic ratio of the lowest algebraic value of an applied stress cycle (S ) and the highest
min
algebraic value of applied stress load in a cycle (S ) (see Figure 1)
max
=
Figure 1 – Constant amplitude loading illustration of the main fatigue stress parameters
3.2.34
stress spectrum
tabulation of the number of all discrete stress cycles of a given amplitude and mean stress
level, as obtained from the rainflow algorithm applied to a stress history
3.2.35
supplier
entity responsible for supplying to the owner the equipment in conformity with contractual
specifications
3.2.36
temporary operating range
operating range of the turbine outside the continuous normal operating range subject to a
specified allowed maximum number of yearly operating hours
3.2.37
transient condition
fast or slow transition from one steady state condition to another (including standstill)
Note 1 to entry: Runner mean stress and characteristics of runner dynamic stresses (amplitude, range, frequency
spectrum, standard deviation, etc.) vary during a given transient condition.
3.3 Units
The International System of Units (SI, see ISO 80000-4[3]) has been used throughout this
document.
All terms are given in SI base units or derived coherent units. The basic equations are valid
using these units. This is taken into account if other than coherent SI units are used for certain
data (e.g. kilowatt instead of watt for power, kilopascal or bar instead of pascal for pressure,
min-1 instead of s-1 for rotational speed, etc.). Temperatures can be given in degrees Celsius
since absolute temperatures (in kelvins) are rarely required.
Any other system of units can be used if agreed in writing by the contracting parties.
3.4 Acronyms
Below is a list of acronyms used throughout the document.
BHN Brinell hardness number
CFD Computational fluid dynamics
FEA Finite element analysis
FEM Finite element method
NDT Non-destructive testing
PWHT Post-weld heat treatment
RSI Rotor-stator interaction
SNL Speed-no-load
3.5 Subjective terms
Some terms used in this document can have a subjective interpretation, e.g. suitable, adequate,
sufficient, significant. This can lead to discussions between owners and suppliers. To provide
a degree of objectivity to these terms, the level of accuracy of the related assessment shall be
considered. Any method, measurement, analysis, simulation, etc. can be considered suitable,
appropriate, adequate, sufficient, significant, etc., as long as it is consistent with the precision
of the overall assessment and does not increase the level of uncertainty by itself.
This also applies if the supplier proposes alternative methods, in which case the supplier shall
demonstrate to the owner that the accuracy achieved by the proposed alternative method is
equal to or better than the methods described in this document. The supplier shall provide
documentation to support the alternative method such as internal or public documentation
reviewed by independent peers comparing the proposed alternative methods with relevant
benchmarks. The owner shall evaluate the information provided and decide whether to accept
the method, failing which the original method shall be used.
4 Stress history from expected load events
4.1 Purpose and scope
Clause 4 provides general information on load events and related stresses that shall be
considered as part of a fatigue assessment of a runner. Its main purposes are:
– to provide guidance on operating conditions to be considered and the definition of related
load events required for runner fatigue assessment;
– to define the characteristic of fatigue-relevant loads and stresses to which runners can be
subject;
– to provide a general discussion on how stresses related to specific load events and
sequences can be predicted or calculated.
4.2 Load events
The definition of load events for the fatigue assessment of a runner shall be established on a
case-by-case basis depending on the expected operating regime of the turbine. The expected
type, range, frequency and number of load events, as well as the required design fatigue life,
shall be specified by the owner.
For the design of new runners, or residual life assessment of existing runners, owners shall
specify the steady state conditions under which the turbine is expected to be operated.
These steady state conditions should typically be specified in terms of yearly hours of operation
in a similar manner as shown in Table 1. This should include operation at each specified steady
state condition for the rated net head, as well for the minimum, maximum and any other relevant
net heads in the case of a large net head range. The power or flow ranges shown in Table 1
represent one example and can be modified by the owner to suit the expected operation of the
specified runner.
The specified yearly hours of operation within power or flow ranges outside typical normal
operating ranges (e.g. below 60 % to 70 % of the maximum power in the case of a Francis
runner) shall be as realistically defined as possible to avoid unnecessary constraints on the
design which can lead to compromise on efficiency and on cavitation behaviour.
Table 1 – Example of specified expected steady state conditions
Power or flow range (%) Power [MW] Number of Number of …
hours per year hours per year
or flow [m /s]
for head ___m for head ___m
range
High load temporary operating range
90 % to 100 %
70 % to 90 %
40 % to 70 %
10 % to 40 %
Low load temporary operating range
Speed-no-load
Other steady-state conditions
In addition to steady state conditions, owners shall also specify all transient conditions that the
runner can realistically see during its lifetime, along with the expected number of events for
each transient condition, which can be in terms of number of occurrences per year or for the
entire design fatigue life, in a manner similar to Table 2 below.
Table 2 – Example of specified expected transient conditions
Transient condition Number of events
(per year or per entire design fatigue life)
Start-ups and shutdowns
Load rejections
Speed ramp-up to runaway
Power variations
from ___MW to ___MW (or in % of maximum power)
from ___MW to ___MW
from ___MW to ___MW
Synchronous condenser transitions
Ancillary services relevant for fatigue
(e.g. frequency control, load control, black starts)

In addition, for the assessment of existing runners, the owner should provide historical
operational data since the runner's commissioning, information on on-site repairs and
modifications, all available hydraulic performance data, as well as all relevant test data to
establish the actual hydraulic conditions under which the runner was operated.
4.3 Stress history and stress spectrum
In order to define the stress history for a runner, the designer shall create sequences of
transient and steady state load events to represent the expected runner operation. Each
sequence shall begin and end at the same condition, thus representing a complete cycle. The
creation of such representative load sequences, as opposed to using only the separate load
events part of the sequence, is required as the resulting stress history can result in a larger
cycle envelope.
With such an established stress history, a stress spectrum can be obtained by applying a cycle
counting method to the entire stress history. The technicalities of various cycle counting
methods to be used in fatigue analysis are explained in ASTM E1049-85. In the context of this
document, the simplified rainflow counting method as described in ASTM E1049 is
recommended.
Figure 2 shows an example of a schematic representation of such a load sequence, while
Figure 3 presents an example of a strain measurement illustrating the strain history of a stop-
start-power-stop sequence.
Figure 2 – Example of load events included in a start-stop sequence

Figure 3 – Example of a Francis runner strain measurement history
during a start-stop sequence with multiple power outputs [1]
For FEA stress evaluation, stress amplitude and mean stress values of the different stress
cycles included in the stress spectrum shall be derived from the complete stress tensor using
standardized methods detailed in well-known codes (e.g. [4], [5]). For instance, for S-N curve
analysis, the equivalent Von Mises stress of the resulting tensor can be used, and for crack
propagation analysis, the maximum principal stress of the resulting tensor can be used.
4.4 Stresses determined by calculation
4.4.1 Stresses in steady state conditions
4.4.1.1 General
Stresses in the runner during steady state conditions can include static stresses, dynamic
stresses, or a combination of both.
4.4.1.2 Static stresses
Static stresses in runners under steady state conditions are typically calculated by FEA using
a linear elastic model of strain-stress correlation.
The specific load cases to be considered for the calculation will vary on a case-by-case basis
depending on the operating regime and expected load events of a given runner. At a minimum,
static stresses should be calculated for the following load events:
– speed-no-load;
– maximum flow or maximum power output condition, whichever results in the most
unfavourable static stresses in each assessed hotspot of the runner. This shall consider the
high load temporary operating range if applicable;
– maximum theoretical runaway speed.
Prediction of static stresses in these steady state conditions using FEA is a well-established
method that has been shown, through strain gauge testing, to accurately predict static stresses
in the runner. Annex A provides guidelines on best practices for static structural FEA of turbine
runners.
4.4.1.3 Dynamic stresses
4.4.1.3.1 General
Dynamic stresses occurring in runners during operation at steady state conditions typically
include periodic stresses, stochastic stresses, or a superposition of both.
Periodic stresses are caused by hydraulic phenomena acting as sources of excitation. Such
exciting phenomena can be amplified by resonance conditions when external excitation
frequencies under specific nodal diameters coincide with one or more of the runner's natural
frequencies of the same nodal diameter.
On the other hand, stochastic stresses are typically of a random and irregular nature and cannot
be associated with specific frequencies.
Potential sources of excitation which should be considered are shown in Table 3.
Table 3 – Main sources of runner excitation
Type of excitation source Characteristic
Rotor stator interaction (RSI) Periodic
Draft tube vortex Periodic
Von Karman vortices Periodic
Inter blade vortices Stochastic
Vaneless space vortices Stochastic

In addition to assessing static stresses, the runner designer or supplier should assess dynamic
stresses in relevant steady state conditions, covering the entire operating range, either by
predicting the stresses themselves or providing justification to demonstrate that the periodic
and stochastic stresses can be neglected. Such stress predictions and justifications can be
based on reference stress measurements or calculations from similar runners.
4.4.1.3.2 Periodic stresses
One of the main potentially damaging periodic phenomenon in Francis runners is rotor-stator
interaction (RSI). As defined in IEC TS 62882[6], this phenomenon can be described as the
interaction between the rotating flow perturbations caused by the runner blades and the flow
perturbations caused by the guide vanes wakes. Depending on several factors such as the
geometry of the runner, number of runner blades, geometry and number of guide vanes, as well
as hydraulic conditions, this interaction can cause local pressure fluctuations that follow a
temporal and spatial circumferential pattern compatible with specific runner natural frequencies
and nodal diameters, thus leading to resonance and potential amplification of local periodic
stresses. In such case, given the typical high load frequency associated with RSI, fatigue cracks
can initiate and propagate rapidly.
Periodic stresses induced by the part load vortex rope under the runner can also be significant
and cause fatigue damage. Because of the relatively low frequency of the part load rope, it
rarely causes amplification of the periodic stresses by resonance of the runner and is regarded
more as a quasi-static phenomenon.
Present-day computational fluid dynamics and numerical stress analysis methods and tools
typically allow for reliable prediction of periodic stresses induced by RSI and the part load vortex
rope. For the RSI stress prediction, the proximity of resonance and the associated amplification
shall be taken into account. Finite element modal analysis of the runner is also often employed
to evaluate the risk of runner resonance from RSI or any other potential exciting phenomena.
Annex A also provides guidelines on best practices for finite element modal analysis of turbine
runners.
4.4.1.3.3 Stochastic stresses
Dynamic stresses that cannot be attributed to specific periodic phenomena are usually of a
stochastic nature.
Understanding of runner stochastic stresses dominant in operating conditions outside of typical
continuous operating ranges, such as speed-no-load, very low power outputs, and runaway
conditions, has considerably improved over the last decade. However, reliable prediction of
these stresses in the process of runner design remains a very challenging task. As analytical
predictions of runner stochastic stresses primarily caused by intensive turbulence of the water
flow and local vortices is not possible at this time and numerical prediction methods are either
intellectual property or under development by turbine suppliers and research institutions, some
simplified semi-empirical modelling of runner stochastic stresses can be used.
The appropriate way to address the fatigue impact of such stochastic stresses is to use a
representative stress spectrum. This can be done by using the simplified rainflow counting
methods described in ASTM E1049-85, to produce discrete cycles of finite stress range from
irregular stress histories. The time frame of stress histories should be long enough so that rare
events of high amplitude are captured, and that the resulting signal sample is representative of
a continuous signal of a much longer time at the same steady state condition.
For a given steady state condition, the mean stress variation of each stress cycle of the obtained
stress spectrum can typically be neglected and the average mean stress can be considered.
Therefore, for a runner fatigue life assessment, only th
...

IEC 63230 ®
Edition 1.0 2026-05
NORME
INTERNATIONALE
Évaluation de la fatigue des roues de turbines hydrauliques: de la conception à
l'assurance qualité
ICS 27.140  ISBN 978-2-8327-1164-4

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utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et
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SOMMAIRE
AVANT-PROPOS . 4
1 Domaine d'application . 6
2 Références normatives . 6
3 Termes, définitions, symboles et unités . 7
3.1 Généralités . 7
3.2 Termes généraux et définitions . 7
3.3 Unités. 12
3.4 Abréviations . 12
3.5 Termes subjectifs . 12
4 Historique de contraintes pour les événements-charge attendus . 13
4.1 Objet et domaine d'application . 13
4.2 Événements-charge . 13
4.3 Historique de contraintes et spectre de contrainte . 15
4.4 Contraintes déterminées par calcul . 16
4.4.1 Contraintes pendant les régimes stationnaires . 16
4.4.2 Contraintes pendant les régimes transitoires. 21
4.5 Contraintes déterminées par mesures de déformations sur site . 21
4.5.1 Généralités . 21
4.5.2 Procédure d'essai . 22
4.5.3 Instrumentation, acquisition et traitement des signaux . 22
4.5.4 Détermination de l'historique de contraintes aux points chauds . 23
5 Évaluation de la durée de vie en fatigue . 25
5.1 Objet et domaine d'application . 25
5.2 Évaluation basée sur les courbes S-N . 25
5.2.1 Courbe S-N de conception . 25
5.2.2 Effet de la contrainte moyenne . 26
5.2.3 Contrainte résiduelle . 27
5.2.4 Calcul des dommages cumulés . 28
5.3 Évaluation par mécanique de la rupture . 28
5.3.1 Généralités . 28
5.3.2 Conditions de chargement . 29
5.3.3 Loi de propagation des fissures de fatigue . 30
5.3.4 Seuil de propagation des fissures de fatigue . 31
5.3.5 Définition des défauts . 32
5.3.6 Limite recommandée de propagation des fissures à utiliser pour les
calculs . 33
5.3.7 Calcul des facteurs d'intensité de contrainte . 33
6 Fabrication et assurance qualité . 34
6.1 Objet . 34
6.2 Instructions techniques pour la fabrication . 34
6.2.1 Responsabilités du concepteur . 34
6.2.2 Définition des zones de points chauds . 35
6.3 Gestion de la qualité . 36
6.4 Exigences de fabrication . 36
6.4.1 Propriétés des matériaux . 36
6.4.2 Soudage . 37
6.4.3 Élimination des défauts . 38
6.4.4 Traitement thermique après soudage . 38
6.4.5 Essais non destructifs (END) . 39
6.4.6 Protection contre la corrosion . 41
6.4.7 Tolérances de fabrication . 42
Annexe A (informative) Meilleures pratiques pour les analyses par éléments finis . 43
Annexe B (informative) Recommandations sur la nécessité de réaliser une évaluation
de fatigue . 45
B.1 Généralités . 45
B.2 Suggestion de caractéristiques de roues ne nécessitant pas d'évaluation de
la fatigue . 45
B.3 Recommandation de prescriptions et de niveau de contraintes admissibles
lorsqu'une évaluation de la fatigue n'est pas exigée . 46
Bibliographie . 47

Figure 1 – Représentation d'un chargement d'amplitude constante causé par les
principaux paramètres de contrainte de fatigue . 11
Figure 2 – Exemples d'événements- charge inclus dans une séquence démarrage-arrêt . 15
Figure 3 – Exemple d'un historique de déformations mesurées sur une roue Francis au
cours d'une séquence démarrage-arrêt avec plusieurs puissances de sortie [1] . 15
Figure 4 – Historique de contraintes stochastiques pour un régime stationnaire donné . 18
Figure 5 – Courbe du spectre de contrainte stochastique normalisé type et spectres de
contrainte à partir desquels il a été calculé (spectres déterminés à partir des mesures
de jauges réelles) . 20
Figure 6 – Méthode de combinaison des spectres de contrainte pour les contraintes
stochastiques et périodiques induites par (a) les IRS et par (b) les torches à charge
partielle . 21
Figure 7 – Représentation schématique de (a) la position des jauges
extensométriques, (b) la prédiction d'un profil de déformation et (c) la superposition
des jauges extensométriques pour la prédiction d'un profil de déformation [9]. 23
Figure 8 – Exemple de représentation de la qualité de l'ajustement entre les résultats
de mesure et de simulation . 25
Figure 9 – Courbe S-N de conception pour l'acier inoxydable contenant 13 % de
chrome et 4 % de nickel immergé en eau douce à R = -1 (voir 4.3 pour le calcul de
l'amplitude de contrainte) . 26
Figure 10 – Représentation de l'effet du modèle Goodman modifié sur la courbe S-N
de conception pour différentes valeurs de contrainte moyenne . 27
Figure 11 – Création de l'historique de chargement pendant la durée de vie en fatigue
de conception, fondé sur les historiques de chargement types sur un an à partir des
séquences de chargement compilées pour les évaluations par mécanique de la rupture . 30
Figure 12 – Courbes normalisées de propagation des fissures pour l'acier inoxydable
contenant 13 % de chrome et 4 % de nickel selon l'Équation (5) . 31
Figure 13 – Définition des formes recommandées pour les défauts initiaux – a)
défauts de surface et b) défauts internes . 32
Figure 14 – Emplacement et définition des zones de points chauds sur une roue
Francis . 35
Figure 15 – Emplacement et définition des zones de points chauds sur une pale
Kaplan . 36

Tableau 1 – Exemples de régimes stationnaires attendus spécifiés . 14
Tableau 2 – Exemples de régimes transitoires attendus spécifiés . 14
Tableau 3 – Principales sources d'excitation des roues . 17
Tableau 4 – Coefficients de la courbe S-N de conception pour les aciers inoxydables
contenant 13 % de chrome et 4 % de nickel immergés en eau douce . 26
Tableau 5 – Paramètres de la loi de propagation des fissures de fatigue pour les
aciers inoxydables contenant 13 % de chrome et 4 % de nickel . 31
Tableau 6 – Paramètres recommandés pour le TTAS des roues . 39
Tableau 7 – Critères d'acceptation des essais non destructifs sur les surfaces
excavées, les réparations par soudage dans les zones de points chauds et dans les
zones de points chauds à l'état final de fabrication. 41

COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
____________
Évaluation de la fatigue des roues de turbines hydrauliques:
de la conception à l'assurance qualité

AVANT-PROPOS
1) La Commission Électrotechnique Internationale (IEC) est une organisation mondiale de normalisation composée
de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de l'IEC). L'IEC a pour objet de
favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les domaines de
l'électricité et de l'électronique. À cet effet, l'IEC – entre autres activités – publie des Normes internationales,
des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au public (PAS) et des
Guides (ci-après dénommés "Publication(s) de l'IEC"). Leur élaboration est confiée à des comités d'études, aux
travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les organisations
internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'IEC, participent également aux
travaux. L'IEC collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO), selon des
conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de l'IEC concernant les questions techniques représentent, dans la mesure du
possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de l'IEC intéressés
sont représentés dans chaque comité d'études.
3) Les Publications de l'IEC se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de l'IEC. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que l'IEC
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; l'IEC ne peut pas être tenue responsable de
l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de l'IEC s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de l'IEC dans leurs publications nationales
et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de l'IEC et toutes publications nationales ou
régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) L'IEC elle-même ne fournit aucune attestation de conformité. Des organismes de certification indépendants
fournissent des services d'évaluation de conformité et, dans certains secteurs, accèdent aux marques de
conformité de l'IEC. L'IEC n'est responsable d'aucun des services effectués par les organismes de certification
indépendants.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à l'IEC, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou mandataires,
y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités nationaux de l'IEC,
pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre dommage de quelque
nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais de justice) et les dépenses
découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de l'IEC ou de toute autre Publication de l'IEC,
ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L'IEC attire l'attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l'utilisation d'un
ou de plusieurs brevets. L'IEC ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l'applicabilité de tout
droit de brevet revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l'IEC n'avait pas reçu
notification qu'un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois, il y a lieu
d'avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations plus récentes
sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse https://patents.iec.ch.
L'IEC ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de brevets.
L'IEC 63230 a été établie par le comité d'études 4 de l'IEC: Turbines hydrauliques. Il s'agit
d'une Norme internationale.
Le texte de cette Norme internationale est issu des documents suivants:
Projet Rapport de vote
4/544/FDIS 4/552/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à son approbation.
La langue employée pour l'élaboration de cette Norme internationale est l'anglais.
Ce document a été rédigé selon les Directives ISO/IEC, Partie 2, il a été développé selon les
Directives ISO/IEC, Partie 1 et les Directives ISO/IEC, Supplément IEC, disponibles sous
www.iec.ch/members_experts/refdocs. Les principaux types de documents développés par
l'IEC sont décrits plus en détail sous www.iec.ch/publications.
Le comité a décidé que le contenu de ce document ne sera pas modifié avant la date de stabilité
indiquée sur le site web de l'IEC sous webstore.iec.ch dans les données relatives au document
recherché. À cette date, le document sera
– reconduit,
– supprimé, ou
– révisé.
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale s'applique aux roues de turbines à réaction, quelles que
soient leur taille et leur capacité. Elle peut couvrir les turbines radiales comme les turbines
Francis, les turbines axiales comme les turbines Kaplan et les turbines hélices, ainsi que les
turbines diagonales, dans toutes les configurations géométriques possibles. Dans le cas des
turbines à pales orientables, les composants mécaniques internes du mécanisme de commande
des pales sont exclus du présent document. Les turbines Pelton, les pompes d'accumulation et
les pompes-turbines ne sont pas couvertes dans cette première édition, même si plusieurs
aspects s'appliquent à ces types de machines hydrauliques. Les spécificités et les aspects
relatifs aux turbines Pelton et aux pompes-turbines seront traités dans une révision ultérieure
de la norme.
Le présent document décrit les méthodologies pour effectuer une évaluation de la fatigue des
roues de turbines. Il couvre plusieurs aspects clés, notamment la définition des
événements-charge à prendre en compte, la détermination des contraintes pour chacun de ces
événements-charge, ainsi que les approches détaillées pour effectuer cette évaluation à la
fatigue de roues neuves et existantes. En outre, il définit les exigences de fabrication et
d'assurance qualité à respecter pour obtenir les propriétés de fatigue souhaitées sur les
matériaux considérés de sorte à se conformer efficacement aux méthodologies d'évaluation en
fatigue proposées. Le présent document fournit également les meilleures pratiques pour
effectuer et analyser des mesures de jauges extensométriques sur des roues existantes afin
d'évaluer leur durée de vie en fatigue.
Le présent document a pour objet de fournir des lignes directrices pour effectuer une évaluation
de la fatigue des roues neuves et existantes. Il ne spécifie pas s'il convient d'effectuer une
évaluation en fatigue ou non pour une roue donnée. Cependant, l'Annexe B propose des
recommandations pour évaluer la nécessité ou non de procéder à une évaluation en fatigue
d'une roue neuve donnée. Les méthodes décrites dans le présent document peuvent également
être utilisées pour les évaluations de durée de vie résiduelles de roues en service. Dans ce
cas, il est important de considérer que les propriétés en fatigue et le niveau de qualité des
matériaux des roues alors évaluées peuvent différer des prescriptions définies à l'article
"Fabrication et assurance qualité" du présent document, déterminées pour des roues neuves.
Il est également important de préciser qu'une évaluation en fatigue seule ne suffit pas pour une
validation complète de l'intégrité mécanique d'une nouvelle conception de roue. D'autres
validations mécaniques non couvertes dans le présent document sont généralement effectuées.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie
de leur contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule
l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de
référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
IEC 60193:2019, Turbines hydrauliques, pompes d'accumulation et pompes-turbines – Essais
de réception sur modèle
BS 7910:2019, Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures
CCH 70-4, Specification for Inspection of Steel Castings for Hydraulic Machines
3 Termes, définitions, symboles et unités
3.1 Généralités
Pour les besoins du présent document, les termes, définitions, symboles et unités suivants
s'appliquent.
NOTE Les termes particuliers sont définis là où ils apparaissent. Lorsque les termes ne sont pas explicitement
définis dans le présent document, les termes et définitions de l'IEC TR 61364[1] , ainsi que ceux de la norme
ASTM E1823-21[2] peuvent être pris en compte, le cas échéant.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées
en normalisation, consultables aux adresses suivantes:
– IEC Electropedia: disponible à l'adresse https://www.electropedia.org/
– ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https://www.iso.org/obp
3.2 Termes généraux et définitions
Les termes suivants sont définis spécifiquement dans le cadre du présent document. Ces
définitions peuvent ne pas être complètes ou cohérentes avec les définitions fournies dans
d'autres normes et codes.
3.2.1
domaine de fonctionnement normal continu
domaine de fonctionnement de la turbine pour une opération sans restriction, généralement
délimité par des valeurs minimales et maximales de la chute nette, des valeurs minimales de
l'énergie nette à l'aspiration, ainsi que des valeurs minimales et maximales du débit, de la
puissance de la turbine et de l'ouverture des directrices, ou d'une combinaison de ces
paramètres
3.2.2
méthode de comptage des cycles
méthode de comptage du nombre de cycles de contraintes (déformations) discrets de
différentes amplitudes et moyennes à partir d'un historique de contraintes variables
3.2.3
durée de vie en fatigue de conception
durée minimale pendant laquelle il est prévu que la roue soit exploitée, par rapport à son
historique de contraintes correspondant
3.2.4
courbe S-N de conception
courbe S-N établie pour les besoins de conception de composants spécifiques
Note 1 à l'article: Elle inclut des coefficients de réduction suffisants pour produire des résultats conservatifs et
reflète le niveau de fiabilité qui est jugé suffisant pour les composants spécifiques associés. Comme cette courbe
est établie à partir du retour d'expérience de roues existantes, cette courbe ne peut pas être associée à des niveaux
spécifiques de probabilité de survie.
3.2.5
concepteur
entité chargée d'analyser et de transposer les spécifications techniques en solutions de
conception qui présentent les niveaux exigés de fiabilité, de sécurité, d'intégrité et de
performance
___________
Les chiffres entre crochets renvoient à la Bibliographie.
3.2.6
contrainte dynamique
variation de la contrainte dans le temps par rapport à une contrainte moyenne
3.2.7
amorçage d'une fissure de fatigue
phase de fatigue au cours de laquelle une fissure se forme par l'accumulation de contraintes à
l'intérieur d'une roue sous l'action de cycles de contraintes
Note 1 à l'article: Pour une évaluation de l'amorçage des fissures de fatigue dans le cadre du présent document, il
est considéré que le matériau de la roue est homogène et les contraintes sont déterminées par la mécanique des
milieux continus.
3.2.8
propagation d'une fissure de fatigue
phase de fatigue au cours de laquelle une fissure se propage à l'intérieur d'une roue sous
l'action de cycles de contraintes
Note 1 à l'article: Pour une évaluation de la propagation des fissures de fatigue dans le cadre du présent document,
il est considéré que le matériau de la roue contient des discontinuités et les contraintes sont déterminées par
mécanique de la rupture.
3.2.9
point chaud
emplacement sur la roue qui présente les sommes les plus élevées de dommages en fatigue
pour un historique de contraintes donné
Note 1 à l'article: Les points chauds correspondent normalement aux emplacements qui présentent la contrainte
dynamique la plus élevée pendant les régimes stationnaires ou l'étendue de contrainte la plus élevée au cours de la
séquence démarrage-arrêt.
3.2.10
événement-charge
effort appliqué sur la roue pendant un régime stationnaire ou transitoire spécifique (démarrage,
marche à vide, par exemple)
3.2.11
rejet de charge
régime transitoire caractérisé par une séquence automatique d'urgence, où une perte du
couplage au réseau soudaine suivie d'une fermeture des directrices entraînent un passage
temporaire de la turbine-alternateur du mode production au mode survitesse avant le retour en
marche à vide ou l'arrêt (standstill) du groupe
3.2.12
séquence de chargement
succession d'événements-charge qui peuvent inclure une combinaison de régimes
stationnaires et transitoires, fréquemment répétés (par exemple, séquence démarrage-arrêt:
arrêt – démarrage – marche à vide – prise de charge – marche en pleine charge –arrêt –arrêt
(standstill))
3.2.13
fabricant
entité chargée d'exécuter l'ensemble du processus de fabrication jusqu'à l'achèvement du
composant de la machine hydraulique
3.2.14
puissance maximale
puissance la plus élevée produite par la turbine ou le groupe dans le domaine de
fonctionnement normal continu sous une chute nette donnée
3.2.15
contrainte moyenne
contrainte moyenne constante d'un régime stationnaire ou à la contrainte moyenne mobile d'un
historique de contraintes transitoires
Note 1 à l'article: Ce terme peut également se référer à la contrainte moyenne d'un seul cycle de fatigue par rapport
à un spectre de contrainte calculé à partir d'un algorithme de comptage de cycles.
3.2.16
propriétaire
entité qui est soit l'acquéreur soit l'exploitant, ou les deux, du composant de la machine
hydraulique, ou son représentant
3.2.17
contrainte périodique
contrainte dynamique d'amplitude et de fréquence constantes
3.2.18
algorithme Rainflow
méthode spécifique de comptage des cycles utilisée dans le présent document
Note 1 à l'article: Dans le présent document, le comptage Rainflow se réfère à la méthode "Simplifed Rainflow
Counting for Repeating Histories" décrite dans la norme ASTM E1049-85.
3.2.19
contrainte résiduelle
contrainte interne en équilibre statique qui persiste même en l'absence de charges externes
Note 1 à l'article: Dans les roues, ces contraintes résiduelles sont le plus souvent induites par les travaux de
soudage, de fonderie, d'usinage et de formage.
3.2.20
réparation
processus de correction de défauts, d'anomalies ou de non-conformités observés sur un
prototype de roue après inspection
Note 1 à l'article: Dans le cadre du présent document, ce processus peut inclure les travaux de réparation par
soudage, ainsi que les travaux d'usinage, de meulage et de polissage.
3.2.21
emballement
régime stationnaire de marche à vide et sans sollicitations, dans lequel une turbine-alternateur
fonctionne à sa vitesse d'emballement maximale obtenue par l'ouverture complète des
directrices, sous la chute nette maximale du domaine de fonctionnement continu, si ce régime
donne la vitesse de rotation la plus élevée
3.2.22
arrêt
régime transitoire caractérisé par une séquence automatique normale, où la turbine-alternateur
passe du mode production à l'arrêt (standstill)
3.2.23
marche à vide
régime stationnaire de marche à vide, dans lequel une turbine-alternateur fonctionne à la
vitesse synchrone et est prête à être synchronisée au réseau avec un sens de rotation positif
et une puissance de sortie nulle
Note 1 à l'article: L'enroulement de champ de l'alternateur peut être excité ou non.
3.2.24
démarrage
régime transitoire caractérisé par une séquence automatique normale, où la turbine-alternateur
passe du mode arrêt (standstill), avec les directrices fermées, en marche à vide
3.2.25
contrainte statique
contrainte moyenne constante, linéarisée ou non, calculée selon une analyse structurelle
statique par éléments finis pour un régime stationnaire donné
3.2.26
régime stationnaire
régime de fonctionnement de la turbine, caractérisé par des valeurs constantes (ou quasi
constantes) de la chute nette, de la puissance de sortie de la turbine, de la hauteur de chute
nette à l'aspiration et de la vitesse de rotation de la turbine
Note 1 à l'article: La contrainte moyenne induite dans la roue et les caractéristiques des contraintes dynamiques
de la roue (amplitude, étendue, spectre de fréquence, écart-type, etc.) restent constantes pendant un régime
stationnaire donné.
3.2.27
contrainte stochastique
contrainte dynamique qui présente des amplitudes variables aléatoires et des composantes de
fréquence à large bande
3.2.28
amplitude de contrainte
moitié de l'étendue de contrainte d'un cycle (voir la Figure 1)
3.2.29
cycle de contrainte
variation d'une contrainte en un point particulier de la roue, déterminée par une méthode de
comptage des cycles et qui consiste en une variation sinusoïdale de la contrainte entre des
valeurs minimale (creux) et maximale (crête)
3.2.30
historique de contraintes
enregistrement ou calcul des contraintes dans le temps en un point particulier de la roue au
cours d'un événement-charge ou pendant une ou plusieurs séquences de chargement
successives
3.2.31
historique de déformations
enregistrement ou calcul des déformations dans le temps en un point particulier de la roue au
cours d'un événement-charge ou pendant une ou plusieurs séquences de chargement
successives
3.2.32
étendue de contrainte
différence algébrique entre les valeurs de crête à creux successives d'une contrainte (voir la
Figure 1)
Note 1 à l'article: Pour une charge d'amplitude constante (voir la Figure 1), l'étendue est calculée comme suit:
∆S S− S
max min
.
=
3.2.33
rapport de contrainte
rapport de la valeur algébrique la plus basse d'un cycle de contrainte appliqué (S ) sur la
min
valeur algébrique la plus élevée d'une charge de contrainte appliquée dans un cycle (S ) (voir
max
la Figure 1)
Figure 1 – Représentation d'un chargement d'amplitude constante
causé par les principaux paramètres de contrainte de fatigue
3.2.34
spectre de contrainte
représentation tabulaire du nombre de tous les cycles de contraintes discrets d'une amplitude
donnée et du niveau de contrainte moyen, calculés par l'algorithme Rainflow appliqué à un
historique de contraintes
3.2.35
fournisseur
entité chargée de remettre au propriétaire l'équipement conformément aux spécifications
contractuelles définies
3.2.36
domaine de fonctionnement temporaire
domaine de fonctionnement de la turbine, hors domaine de fonctionnement normal continu,
soumis à un nombre maximal admis d'heures de fonctionnement annuelles
3.2.37
régime transitoire
passage rapide ou lent d'un régime stationnaire à un autre (y compris l'arrêt standstill)
Note 1 à l'article: La contrainte moyenne induite dans la roue et les caractéristiques des contraintes dynamiques
de la roue (amplitude, étendue, spectre de fréquence, écart-type, etc.) varient pendant un régime transitoire donné.
3.3 Unités
Le Système International d'unités (SI, voir l'ISO 80000-4[3]) a été utilisé dans l'ensemble du
présent document.
Tous les termes sont exprimés en unités de base SI ou en unités cohérentes dérivées. Les
équations de base qui utilisent ces unités sont valides. Cet aspect est pris en compte si
certaines données sont exprimées dans d'autres unités que les unités SI cohérentes (par
exemple, le kilowatt au lieu du watt pour la puissance, le kilopascal ou le bar au lieu du pascal
-1 -1
pour la pression, l'unité min au lieu de s pour la vitesse de rotation, etc.). Les températures
peuvent être exprimées en degrés Celsius, car les températures absolues (en kelvins) sont
rarement nécessaires.
Il est permis d'utiliser un autre système d'unités sous réserve d'un accord écrit entre les parties
contractantes.
3.4 Abréviations
Les abréviations suivantes sont utilisées dans le présent document.
BHN (Brinell Hardness Number) Échelle de dureté Brinell
MFN Mécanique des fluides numérique
AEF Analyse par éléments finis
MEF Méthode par éléments finis
END Essais non destructifs
TTAS Traitement thermique après soudage
IRS Interaction rotor-stator
SNL (Speed-No-Load) Marche à vide
3.5 Termes subjectifs
L'interprétation de certains termes utilisés dans le présent document, par exemple "adapté",
"adéquat", "suffisant", et "significatif", peut être subjective. Ces termes peuvent faire l'objet de
discussions entre les propriétaires et les fournisseurs. Pour fournir un certain degré d'objectivité
à ces termes, le niveau d'exactitude de l'évaluation associée doit être pris en compte. Toute
méthode, mesure, analyse, simulation, etc. peut être considérée comme adaptée, appropriée,
adéquate, suffisante, significative, etc., sous réserve qu'elle assure la précision de l'évaluation
globale et qu'elle n'augmente pas le niveau d'incertitude.
Cela s'applique également si le fournisseur suggère des méthodes alternatives, auquel cas le
fournisseur doit démontrer au propriétaire que l'exactitude procurée par la méthode alternative
suggérée est identique ou meilleure par rapport aux méthodes décrites dans le présent
document. Le fournisseur doit fournir la documentation à l'appui de la méthode alternative
suggérée, par exemple la documentation interne ou publique examinée par des pairs
indépendants, en comparant les méthodes alternatives suggérées aux méthodes de référence
pertinentes. Le propriétaire doit évaluer les informations fournies et décider s'il doit accepter la
méthode suggérée ou non, auquel cas la méthode d'origine devra être utilisée.
4 Historique de contraintes pour les événements-charge attendus
4.1 Objet et domaine d'application
L'Article 4 fournit des informations générales sur les événements-charge et les contraintes
associées à prendre en compte pour l'évaluation de la fatigue d'une roue. Ses principaux
objectifs sont les suivants:
– fournir des recommandations sur les régimes de fonctionnement à prendre en compte et la
définition des événements-charge associés à prendre en compte pour l'évaluation de la
fatigue d'une roue;
– définir les caractéristiques des chargements et contraintes de fatigue auxquels peuvent être
soumises les roues;
– engager une discussion générale sur la façon dont les contraintes liées à des événements
et des séquences de chargement spécifiques peuvent être prédites ou calculées.
4.2 Événements-charge
Les événements-charge à prendre en compte pour l'évaluation de la fatigue d'une roue doivent
être définis au cas par cas, en fonction du régime de fonctionnement attendu de la turbine. Le
type, l'étendue, la fréquence et le nombre d'événements-charge attendus, ainsi que la durée
de vie en fatigue de conception exigée, doivent être spécifiés par le propriétaire.
Pour la conception de nouvelles roues, ou l'évaluation de la durée de vie restante de roues
existantes, le propriétaire doit spécifier les régimes stationnaires dans lesquels la turbine est
présumée fonctionner.
Il convient généralement de spécifier ces régimes stationnaires en nombre d'heures de
fonctionnement annuelles, d'une manière similaire à celle indiquée dans le Tableau 1. Il
convient de spécifier les heures de fonctionnement dans chacun des régimes stationnaires
spécifiés pour la chute nette nominale, ainsi que pour les chutes nettes minimales, maximales
et les autres chutes nettes pertinentes dans le cas d'une installation comportant une large
gamme de chutes nettes. Les plages de puissance ou de débit indiquées dans le Tableau 1
sont fournies à titre d'exemples et peuvent être modifiées par le propriétaire en fonction du
fonctionnement attendu de la roue spécifiée.
Le nombre spécifié d'heures de fonctionnement annuelles dans les différentes plages de
puissance ou de débit, hors domaines de fonctionnement normaux (par exemple, au-dessous
de 60 % à 70 % de la puissance maximale dans le cas d'une turbine Francis), doit être défini
de la manière la plus réaliste possible afin de ne pas induire de contraintes inutiles sur la
conception, qui pourraient compromettre le rendement et le comportement en cavitation.
Tableau 1 – Exemples de régimes stationnaires attendus spécifiés
Plage de puissance ou de débit (%) Plage de Nombre Nombre …
puissance d'heures d'heures
[MW] ou de par an par an
pour une pour une
débit [m /s]
chute de ___m chute de ___m
Domaine de fonctionnement temporaire
sous forte charge
90 % à 100 %
70 % à 90 %
40 % à 70 %
10 % à 40 %
Domaine de fonctionnement temporaire
sous faible charge
Marche à vide
Autres régimes stationnaires
Outre les régimes stationnaires, le propriétaire doit également spécifier tous les régimes
transitoires que la roue peut rencontrer de manière réaliste au cours de sa durée de vie, ainsi
que le nombre associé d'événements. Ces événements peuvent être exprimés en nombre
d'occurrences par an ou pendant la durée de vie en fatigue de conception de la roue, d'une
manière similaire à celle indiquée dans le Tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2 – Exemples de régimes transitoires attendus spécifiés
Régime transitoire Nombre d'événements
(par an ou pendant la durée de vie en
fatigue de conception)
Démarrages et arrêts
Rejets de charge
Accélération jusqu'à la vitesse d'emballement
Variations de puissance
de ___MW à ___MW (ou en % de la puissance
maximale)
de ___MW à ___MW
de ___MW à ___MW
Passages en mode compensateur synchrone
Services auxiliaires pertinents pour l'évaluation de la fatigue
(par exemple, réglage de fréquence, réglage de charge,
démarrage autonome)
En complément, pour l'évaluation de roues existantes, il convient que le propriétaire fournisse
les données d'exploitation historiques de la roue depuis sa mise en service, les informations
sur les réparations et modifications sur site antérieures, toutes les données de performances
hydrauliques disponibles, ainsi que l'ensemble des données d'essai pertinentes, ceci afin
d'établir les conditions hydrauliques réelles dans lesquelles la roue a été exploitée.
4.3 Historique de contraintes et spectre de contrainte
Afin de définir l'historique de contraintes d'une roue donnée, le concepteur doit créer des
séquences d'événements-charge transitoires et stationnaires pour représenter le
fonctionnement attendu de la roue. Chaque séquence doit commencer et se terminer dans le
même régime pour ainsi constituer un cycle complet. La création de ces séquences de
chargement représentatives, en opposition à l'utilisation individuelle des événements-charge
unitaires d'une même séquence, est exigée. Ceci permet l'obtention d'une enveloppe de cycle
plus large grâce à l'historique de contraintes plus important ainsi utilisé.
Après avoir défini cet historique de contraintes, il est alors possible de calculer un spectre de
contrainte en appliquant une méthode de comptage de cycles à l'ensemble de l'historique de
contraintes. Les principes techniques des diverses méthodes de comptage de cycles utilisables
pour l'analyse en fatigue sont expliqués dans la norme ASTM E1049-85. Dans le cadre du
présent document, il est recommandé d'utiliser la méthode de comptage Rainflow simplifiée
décrite dans la norme ASTM E1049-85.
La Figure 2 montre un exemple de représentation schématique d'une telle séquence
d'événements-charges. La Figure 3 montre un exemple de déformations mesurées constituant
l'historique de déformation d'une roue au cours d'une séquence arrêt-démarrage-prise de
charge-arrêt.
Figure 2 – Exemples d'événements-
charge inclus dans une séquence démarrage-arrêt

Figure 3 – Exemple d'un historique de déformations mesurées sur une roue Francis au
cours d'une séquence démarrage-arrêt avec plusieurs puissances de sortie [1]
Pour une évaluation des contraintes par analyse EF, l'amplitude de contrainte et les valeurs de
contrainte moyenne des différents cycles de contraintes inclus dans le spectre de contrainte
doivent être déterminées à partir du tenseur de contrainte complet en utilisant des méthodes
normalisées décrites dans un code reconnu (par exemple, [4], [5]). Par exemple, la contrainte
équivalente de Von Mises du tenseur obtenu peut être utilisée pour l'analyse de la courbe S-N
et la contrainte principale maximale du tenseur obtenu peut être utilisée pour l'analyse de la
propagation des fissures.
4.4 Contraintes déterminées par calcul
4.4.1 Contraintes pendant les régimes stationnaires
4.4.1.1 Généralités
Les contraintes induites dans les roues pendant les régimes stationnaires peuvent inclure des
contraintes statiques, des contraintes dynamiques, ou une combinaison des deux.
4.4.1.2 Contraintes statiques
Les contraintes statiques induites dans les roues pendant les régimes stationnaires sont
générale
...