RUOSTUMATTOMAN TERÄKSEN VÄSYMINEN 316 NG OL3 jäähdytteessä Safir ½ väliseminaari, 20.1.2005 Otaniemi Jussi Solin et al

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

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

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

Ruostumaton teräs ja OL3 vesi = ?? Higuchi teki yhteenvedon 2004 (1/2) Japanese mean curve: ASME III design curve Langer’s mean curve Higuchi teki yhteenvedon 2004 (1/2) extra

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

SAFIR 2004 testit Experimental (1/3) 316 NG teräs: C 0,01 % wt N ? Rp0,2 = 246 ... 256 MPa Rm = 562 ... 575 MPa EPR vesikemia: lämpötila 320°C liuennut happi < 0,1 ppm vety 25-35 cm3 (TPN)/kg Sileä pyörösauva:  4 mm, ei kiillotusta vakio amplitudi vaihtuva amplitudi ilma / OL3 vesi Venymä-väsytys kokeita 316 NG teräkselle 320 C PWR vedessä ( matala happi, hidas virtausnopeus ) Experimental (1/3) extra

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

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

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

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

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

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

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

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

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

eq Spektrin kuvaus vakioamplitudi - pisteenä Spektrin mitattu muoto a,eq based on ASME curve a,eq = 0,359 Neq = 9,59 Väsyttävä vaikutus sama kuin spektrin 50 syklillä Experimental (2/2) kalibr. eq

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

Syklinen jännitys - venymä vaste  CSSC Spektrin  -  tuloksia (2/3) 320 °C PWR Syklit 1-50 Syklinen  -  - käyrä kokeen ½-välissä Nopea särön kasvu Spektrin  -  tuloksia (2/3) extra

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

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

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

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

Väsymisikä - yhteenveto Yhteenveto (2/4)

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

VTT Bellows Fatigue Unit Verifioitu LWR vedessä LCF, HCF & spektri kuormitukselle linjaus 2% dyn aito venymäkontrolli dynaaminen kalibrointi 0,5Hz 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)

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 (OL3?) 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

Science-based innovations

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

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

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

Testimateriaali : 316 NG ruostumaton teräs (OL3) 316 NG steel: 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%) Tensile strength: Rp0,2 = 246 ... 256 MPa Rm = 562 ... 575 MPa (4 tests from the batch) PWR environment: temperature 320°C pressure 125 bar pH 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 pH = 7,0 hydrogen 25-35 cm3 (TPN)/kg circulation low flow rate Specimen: carefully machined, not polished diameter 4 mm Experimental (extra) takaisin

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

Analysis methods for mechanism studies ? Hysteresis loops - a closer view  ie = 0,1% in-elastic strain  ie “elastic” strain  e “elastic” modulus  = k’·  ien’ Strain hardening exponent n’: Analysis methods for mechanism studies ? Science (1/5) takaisin

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vaihtuva-amplitudisen signaalin toteutuminen Spectrum straining (extra) takaisin

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

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

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