RUOSTUMATTOMAN TERKSEN VSYMINEN 316 NG OL 3 jhdytteess

RUOSTUMATTOMAN TERÄKSEN VÄSYMINEN 316 NG OL 3 jäähdytteessä Safir ½ väliseminaari, 20. 1. 2005 Otaniemi Jussi Solin et al

1, 0 0, 9 0, 8 Johdanto - Hiiliteräs ASME mitoituskäyrä a , % Paikallinen venymäamplitudi 0, 7 kokeiden keskiarvokäyrä 0, 6 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 BWR ! Väsymisikä: sallittujen syklien (transienttien) määrä 0, 1 Nf Argonne haastoi ASME käyrät (1/3) 2

Johdanto - Paineastiateräs 1, 0 0, 9 0, 8 0, 7 0, 6 a , % 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 BWR ! 0, 1 Nf Argonne haastoi ASME käyrät (2/3) 3

1, 0 0, 9 0, 8 Johdanto - Ruostumaton teräs 0, 7 0, 6 a , % 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 PWR ! 316 SS base metal 0, 1 Nf Argonne haastoi ASME käyrät (3/3) 4

Ruostumaton teräs ja OL 3 vesi = ? ? ASME III design curve Japanese mean curve: Langer’s mean curve extra Higuchi teki yhteenvedon 2004 (1/2) 5

Datan sovitusmallit toimivat kohtalaisesti N ympäristö = N ilma / Fen Higuchi teki yhteenvedon 2004 (2/2) 6

SAFIR 2004 testit Venymä-väsytys kokeita 316 NG teräkselle 320 C PWR vedessä ( matala happi, hidas virtausnopeus ) 316 NG teräs: EPR vesikemia: C N lämpötila 320°C liuennut happi < 0, 1 ppm vety 25 -35 cm 3 (TPN)/kg 0, 01 % wt ? Rp 0, 2 = 246. . . 256 MPa Rm = 562. . . 575 MPa Sileä pyörösauva: 4 mm, ei kiillotusta extra • vakio amplitudi • vaihtuva amplitudi • ilma / OL 3 vesi Experimental (1/3) 7

2003 design 4 autoklaavia rinnakkaisille testeille Experimental (2/3) 8

VTT Bellows Fatigue Unit aito venymä-ohjaus ASME III parametrit Pneumatic bellows Alignment control LCF specimen Strain measurement Experimental (3/3) 9

Hystereesi silmukat - erään kokeen loppuvaihe 275 M Pa 320 °C PWR a = 0, 31% 0, 3 % - 0, 3 % särön sulkeutuminen - 275 M Pa extra Kokeellinen data (1/2) 10

Syklinen lujittuminen – pehmeneminen – väsyminen Stress MPa end of test criteria mean < 0 Reported life Nf, 25 Cycles Kokeellinen data (2/2) 11

Stress amplitude, MPa Syklinen lujittuminen – pehmeneminen – väsyminen Cycles - tuloksia (1/2) 12

Stress amplitude, MPa Syklinen lujittuminen – pehmeneminen 320 °C PWR Ei Martensiittia? Secondary hardening in environment at low strain amplitude Cycles - tuloksia (2/2) 13

Väsymisikä - ilmakokeet Strain amplitude % 1, 0 0, 8 0, 6 0, 4 0, 3 SAFIR ilmakokeet 0, 2 0, 1 Cycles extra Vakioamplitudi – N tulokset (1/2) 14

Väsymisikä - PWR 320 C ; 0, 01 Hz Strain amplitude % 1, 0 0, 31 ≤ a ≤ 0, 51 5, 5 ≤ Fen ≤ 6, 3 0, 8 0, 6 0, 4 0, 3 Fen ennuste Tarkka ennuste 0, 01 Hz: lle 0, 2 Huom: Fen = Fen, nom “best estimate” käyrästä 0, 1 PVRC CLEE proposal [EPRI MRP-47, 2001] Cycles Vakioamplitudi – N tulokset (2/2) 15

Eri suuruisten transienttien yhdistelmät = ? Venymä-spektri kokeita 320 C PWR ( ensimmäistä kertaa: ympäristö + spektri ) 50 syklin blokkia toistetaan Nf, 25 asti LCF+HCF spektri Experimental (1/2) 16

Spektrin kuvaus vakioamplitudi - pisteenä a, eq basedmitattu on ASMEmuoto curve Spektrin a, eq = 0, 359 Neq = 9, 59 Väsyttävä vaikutus sama kuin spektrin 50 syklillä kalibr. eq Experimental (2/2) 17

Syklinen lujittuminen – pehmeneminen spektrillä Suurin sykli a = 0, 8% ilmakoe Peak stress ja amplitudi 2. suurin sykli a = 0, 72% Kestoikä Nf, 25 = 9650 Number of all cycles Spektrin - tuloksia (1/3) 18

Syklinen jännitys - venymä vaste CSSC 0, 19 a 0, 78 % 320 °C PWR Syklit 1 -50 Syklinen - - käyrä kokeen ½-välissä Nopea särön kasvu extra Spektrin - tuloksia (2/3) 19

Syklinen jännitys - venymä käyrä (320 °C PWR) Half-life CSSC for spectrum straining ( average of 3 blocks ) huom: a max Spektrin - tuloksia (3/3) mikrorakenne CSSC 20

Väsymisikä - ilmassa ; spektri Strain amplitude % 1, 0 0, 8 0, 6 Normaali efekti: spektrikuormitus ( 0, 3 ≤ D ≤ 1, 5 ) 2, 3 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 Cycles – N tulokset spektrillä (1/2) 21

Väsymisikä - PWR 320 C ; spektri Strain amplitude % 1, 0 0, 8 0, 6 0, 4 6, 5 4, 7 0, 3 0, 2 epäkonservatiivinen ennuste spektrille Fen erikseen spektrin jokaiselle syklille Spektrikuormitus lyhentää kestoikää 0, 1 Cycles – N tulokset spektrillä (1/2) 22

Väsymisikä - yhteenveto Strain amplitude % 1, 0 0, 8 spektri ilmassa ( 0, 3 ≤ D ≤ 1, 5 ) 0, 6 2, 3 0, 4 0, 3 0, 2 6, 5 epäkonservatiivinen ennuste spektrille 2, 4 Tarkka ennuste 0, 01 Hz: lle Fen ennuste 0, 1 Hz: lle 0, 1 Cycles Yhteenveto (1/4) 23

Väsymisikä - yhteenveto Yhteenveto (2/4) 24

Sykliset jännitys - venymä käyrät - yhteenveto Half-life pisteet vakioamplitudille Half-life CSSC spektrikuormitukselle Yhteenveto (3/4) 25

VTT Bellows Fatigue Unit • Verifioitu LWR vedessä LCF, HCF & spektri kuormitukselle – linjaus 2% dyn – aito venymäkontrolli – dynaaminen kalibrointi 0, 5 Hz – vesikemia hot loopissa – in situ testi reaktorissa Uusia mahdollisuuksia • Kokeen tarkkuus + rinnakkaistestit efektien mittaus ( EPR! ) koehajonnan tarkastelu mekanismien mallinnus • Vaihtuva-amplitudinen testaus laitostransienttien simulointi Minerin säännön testaus Yhteenveto (4/4) 26

MITÄ SEURAAVAKSI ? • Koelaitteiston hienosäätöä [Safir 2005] – taajuusvaste – transienttien generointi & mittaus (ohjelma) • Kriittisiä kokeita ja mallinnusta [Safir 2005] – Ti-stabiloitu ruostumaton teräs (Sosnovyi Bor) – VVER vesikemian ja spektrin vaikutus • Kansainvälinen tutkimusohjelma [projekti = ? ] – laitostransienttien simulointi (OL 3? ) – LCF + HCF + CF yhteisvaikutus • In situ koe testireaktorin sydämessä [Fusion] – Kupari ITER fuusio-reaktorissa – vetokoe: ”post irradiation in situ” – LCF kokeet käynnistyvät Mol’ssa 2005 Säteilyvaurio ± väsyminen 27

Science-based innovations 28

Trendit: venymänopeuden vaikutus takaisin Japanilaiset tuottavat dataa (1/3) 29

Trendit: lämpötilan vaikutus takaisin Japanilaiset tuottavat dataa (2/3) 30

Trendit: venymäamplitudin vaikutus takaisin Japanilaiset tuottavat dataa (3/3) 31

Testimateriaali : 316 NG ruostumaton teräs PWR environment: C 0, 01 Si 0, 6 Mn 1, 4 Cr 16, 9 Ni 11, 2 Mo 2, 6 P 0, 029 S 0, 028 (wt%) temperature 320°C pressure 125 bar p. H room temp. 5, 1 dissolved oxygen < 0, 1 ppm chlorides / fluorides < 0, 15 ppm boric acid 2500 ppm conductivity 2 -40 µmho/cm lithium to adjust p. H = 7, 0 hydrogen 25 -35 cm 3 (TPN)/kg circulation low flow rate Tensile strength: Rp 0, 2 = 246. . . 256 MPa Rm = 562. . . 575 MPa (4 tests from the batch) takaisin (OL 3) 316 NG steel: Specimen: carefully machined, not polished diameter 4 mm Experimental (extra) 32

Loops in 50 c intervals Hystereesi silmukat - kokeen loppuvaihe takaisin - tuloksia (extra) 33

Hysteresis loops - a closer view ie = 0, 1% in-elastic strain ie las tic ”m od ulu s “elastic” strain e “e Strain hardening exponent n’: = k’· ien’ Analysis methods for mechanism studies ? takaisin Science (1/5) 34

Hysteresis loops - a closer view Stress (MPa) Rising ramp apparent modulus 320 °C PWR a = 0, 31% Apparent modulus is determined from five - points in a pre-set window Strain (%) Science (2/5) 35

Apparent modulus / (MPa / %) Hysteresis loops - a closer view 320 °C PWR a = 0, 31% Rising ramp apparent modulus Cycles Science (3/5) 36

Strain hardening exponent n’ Hysteresis loops - a closer view 320 °C PWR a = 0, 31% Secondary hardeninig Strain hardening exponent n’: = k’· ien’ Cycles takaisin Science (4/5) 37 Crack growth

Hysteresis loops - a closer view 320 °C PWR a = 0, 31% MPa ie = 0, 1% Secondary hardeninig Cycles takaisin Science (5/5) 38 Crack growth MPa

Strain Life results: 316 base metal NRC: n Z-debatti = ? ? 316 SS ilmassa ( VTT testaama ) SAFIR ilmakokeet takaisin Test results (extra) 39

Käynnistys ja huolto LCF + HCF kuormitus Väsytystestit osoittavat, että alikuormat vaikuttavat suuresti komponenttien väsymislujuuteen. Alikuormia aiheuttavat: • moottorin käynnistäminen ja pysäyttäminen. • huoltotoimenpiteet. [Rabb, Baltica 2004] Spektrikuormitus (1/3) 40

LCF + HCF blokkikuormitus kriittinen testi Tyypillinen diesel moottorin kuormitus 100 000 tai 10 000 sykliä [Rabb, Baltica 2004] Spektrikuormitus (2/3) Paljon syklejä juuri väsymisrajan alla 41

LCF + HCF blokkikuormitus = kriittinen tapaus Spektrikuormitus lyhentää ikää Spektrikuormitus eliminoi väs. rajan Sd = 420 ± 20 MPa (Sm = 537 MPa) 7 pysäytyssykliä: Sa > väsymisraja takaisin VTT testaama [Rabb, Baltica 2004] 5 pysäytyssykliä: Sa > väsymisraja Spektrikuormitus (2/3) 42

Miksi vaihtuva-amplitudisia kokeita ? Pienahitsien testaus Junavaunun spektri ( 500 000 sykliä ) 100 80 RAEX 420 teräs: Täysin efektiivisiä Sa ≤ väs. raja / 2 304 ruostumaton: Väsyminen hidastuu, kun särö ≤ 1 mm ja Sa ≤ väs. raja / 2 HCF spektrikuormitus väsymiskertymää väsymisrajan alla 60 40 20 takaisin VTT testaama [Marquis, 1995] Spektri (extra) 43

Vaihtuva-amplitudisen signaalin toteutuminen takaisin Spectrum straining (extra) 44

Spektriväsytys tulosten esittäminen Coffin model -0, 5 p = f’ N f rms = Paris model 3 da = C K d. N Krmc = Power model m 1 = C S Nf S”eq” = [ ni ( p, i ) ] 3 m 2 Nrms = Ntot ( ni ) 3 [ ni ( Ki ) ] Nrmc = Ntot ( ni ) m [ ni ( Si ) ] N”eq” = Ntot ( ni ) Ei oikeasti ekvivalentti ( osa sykleistä tehottomampia ) Ekvivalentti kuormitus (1/2) 45

Spektriväsytys tulosten esittäminen Power model Seq, JPS = m 1 = C S Nf [ ni ( Si ) ASME III design curve m+1 ] m [ ni ( Si ) ] { ( S Neq, JPS = ni Si eq, JPS )} Vakioamplitudi kuvaus spektrikuormitukselle takaisin m a, eq = 1 = Di = f ( a ) Nf [ ni Di ( a, i ) ] [ ni Di ] { (D Neq = ni Di i, ( a, eq ) )} vertailukelpoisia Ekvivalentti kuormitus (2/2) 46

Syklinen lujittuminen – pehmeneminen spektrillä 320 °C PWR Suurin sykli a = 0, 78% Pienet syklit a = 0, 19% Syklien kokonaismäärä takaisin Spektrin - tuloksia (extra) 47