"J" RAPPORT/ REPORT. Känslighet för IGSCC hos stabiliserade rostfria stål. liengt Bengtsson Seppo Korhonen Lars Ljungberg.

Transkript

1 rv "J" RAPPORT/ REPORT Känslighet för IGSCC hos stabiliserade rostfria stål liengt Bengtsson Seppo Korhonen Lars Ljungberg ~ git - AZZ

2 ASEA-ATOM Känslighet för IGSCC hos stabiliserade rostfria stål Bengt Bengtsson Seppo Korhonen Lars Ljungberg SkJ ~ - f H ;!n iiiiiii ^ V(*~ i a

3 ASEA-ATOM Se nedan DöMMtion SKI OKG SV Rapport Report KM Datum/Date KMA I 8»-5-3 FfrftftarwAuthor Utffcdar» Issued by B Benetsson/S engtsson/3 Korhon»n/ Granskad adi Examined by Goättn* Approved by Sida/Pag* ( ) TitaVTiH» Känslighet för IGSCC hos stabiliserade rostfria stål Stabiliserade rostfria stål används i ASEA-ATOM-byggda kokarreaktorer framförallt i komponenter typ ventilhus och i formvaror i rörsystem. Utfallet av kolhalter i stabiliserade stål i varma system av säkerhetsklass och 2 (delvis) i TVO I/II och Forsmark redovisas. CERT-provning av svetsat Ti-stabiliserat rostfritt stål i vatten med 8 ppm O2 vid 286 C har visat att: Ull; > SS! T * IM -^ P t Hl ) Den zon närmast smältgränsen i stabiliserade rostfria stål, som i starkt oxiderande syror är känslig för "knife line attack", i BWR-miljö är känslig för interkristallin spänningskorrosion (IGSCC 2) Genom att sänka stålens kolhalt kan detta fenomen förebyggas. Ordernummer: C Kopia ST Renström KM Mueller Ljungberg KMA TAB CoptM TAB

4 ASEA-ATOM BAKGRUND Stabiliserade rostfria stål används i ASEA-ATOM-byggda kokarreaktorer framförallt i komponenter typ ventilhus och i formvaror i rörsystem. De stabiliserade rostfria stålen innehåller Ti eller Nb, vilka element har förmågan att binda en del av stålets halt av C som från korrosionssynpunkt oskadliga karbider. Nb är i detta avseende mera effektiv än Ti. En förutsättning för "stabiliseringen" är emellertid att stålet under tillräcklig tid uppehållit sig i temperaturområdet - C. Vid temperaturer över 5-25 C löser sig karbiderna av Ti resp Nb åter i stålet. Vid svetsning av stabiliserade stål uppstår närmast smältgränsen en smal zon i vilken karbiderna av Ti resp Nb löser upp sig. Denna zon kyls mycket hastigt till relativt låga temperaturer och den kommer därför att innehålla C och Ti resp Nb i löst form. Vid lägre temperaturer sker utskiljning av kromkarbider på korngränser mycket snabbare än utskiljning av karbider av Ti resp Nb. Metallurgiskt och korrosionsmässigt har dessa zoner därför samma egenskaper som ostabiliserade stål med samma kolhalter. Sedan den första svetssträngen lagts finns zoner som genom återvärmning kan göras känsliga för interkristallin korrosion (K) eller interkristallin spänningskorrosion (IGSCC). Under 94-5-talen började bl a den svenska salpetersyrabaserade kemiska industrien använda Ti-stabiliserade rostfria stål med max,8 % C för svetsade rörledningar. Otaliga läckage p g a IK tätt invid svet^zrvarna uppträdde kort tid efter idrifttagningen, s k "knife line attack". Senare introducerades Nb-stabiliserade stal som visade betydligt lägre skadefrekvens. Sedan början av 96-talet använder denna industri endast ostabiliserade rostfria stål av typ SS 2333 och SS Kunskapen om IGSCC i rostfritt stål ökade och vi vet idag att förutsättningarna för IK i salpetersyra och för IGSCC i BWR-miljö är desamma (med skillnaden att IGSCC dessutom kräver mekanisk spänning). I tidigare ASEA-ATOM-projekt har för stabiliserade rostfria stål specificerats max,8 % C. För de senaste stationerna Forsmark 3 och Oskarshamn 3 har en skärpning av kraven skett. Vid utvalskriterier för återkommande besiktning etc hävdas ibland att stabiliserat stål kan undantas med tanke på IGSCC. Detta är en sanning med modifikation eftersom de stabiliserade stålen åtminstone under vissa betingelser kan uppvisa känslighet för IGSCC. För att bedöma hur stor risken är för IGSCC hos stabiliserade 4 rostfria stål i BWR-miljö, redovisas i denna rapport dels det i verkliga utfallet av kolhalt i stabiliserade stål i TVO och Fors- mark, och dels resultat från CERT-provning av svetsat stabilise- rat stål. o s

5 ASEA-ATOM KM 84-J 2» 3 UTFALL AV KOLHALTER STABILISERADE ROSTFRIA STÅL En genomgång av förekomsten av stabiliserade stål i rostfria varma system säkerhetsklass i och 2 (delvis) i TVO I och II samt Forsmark har gjorts. Stålt/pen förekomner nästan uteslutande i komponenter. Nedanstående anagram visar antal detaljer fördelat på kolhaltsklasser av Ti- resp Mb-stabiliserat rostfritt stål. I diagrammen för TVO II och Forsmark I gäller öppna siffror totala antal detaljer (smidda, valsade och gjutna), siffror inom parentes antal gjutna detaljer (t staplarna redovisat med streckning). Allt gjutgods är niob-stabii:serat. Åtskillnad mellan smidda och valsade detaljer kan inte göras i tillgängligt underlag. TVO I Antal Nb-stabiliserat 4 Antal.oi.ox.os.oi.of -ok -e>y o o.os C-halt Ti-stabiliserat C-halt 2

6 TVOD

7 ASEA ATOM KM Forsmark Antal Forsmark I Kb-stabiliserat (Dessutom 4 () med ej redovisad C-halt) i i tjf if ft I* Ull? tti fir ii Hii If! lid Antal 6(6) HUE? 9(2) 2(3).oz.cl 88 3() O O C-halt Forsaark Ti-stabiliserat oi oz,oc.er.,at C-balt 8

8 ASEA-ATOM KM PROVER Utgångsmaterialet för provstavarna har varit stång 8^25 mm: ) SANDVIK 8R3, charge ) VEWOA7, charge 442 Stålen hade följande analys: C Si Mn P S Cr Ni Ti B SANDVIK 8R3 VEW A7,78,65,5,7, 7,»,3,43,5,5,68,,6,6 8, 9,23,29 Provmaterialen uppfyller analyskrav enl AISI 32, SS 2337 och Werkstoff.4 Utgångsmaterialet släckglödgades vid 5OC/ min, W.Q. Fogberedning utfördes och stängerna svetsades med elektrod OK 6.3 ände mot ände enl nedanstående skiss. Skissen visar även hur proverna har uttagits ur stången efter svetsningen. l mé V/////////7//////A / \ 3±f ) Vereinigte Edelstahlwerk Aktiegeseilschaft OK 6.3 elektroder med följande sammansättning har använts: TUlvnrC Si Mn P S Cr Ni $,5 mm #4, " ,22,85,68,5, 9,2, 99 92,2,88,62,2,8 9,5, ,3,69,48,5,4 9, 9,99 2 t St i

9 ASEA ATOM KM Provmaterialen har svetsats antingen med normal strömstyrka eller med onormalt hög strömstyrka. Svetsdata finns i Tabell. Efter svetsningen har en del av proverna sensitiseringsglödgats vid 68OC. De individuella skiljaktiga tillverkningspa-ametrarna för varje provstav redovisas i samband med resultaten. PROVNING Provningen har utförts i ASEA-ATOM:s CERT-utrustning. Provningsmedium var totalavsaltat vatten med 8 ppm O2 vid 286 C. Konduktivitet på ingående vatten var <,l/us«cm~l. Jämfört med BWR-miljö var provningen således accelererad med avseende på syrehalt. Vid provningen har två olika deformationshastigheter använts. Den snabba deformationshastigheten var 2,l«lQ-6s-l och den långsamma 2,.-7s-l. Provstavarna drogs till brott enligt då använd metodik och andelen interkristallin brottyta bestämdes. RESULTAT DISKUSSION Resultat och tillverkningsdata för de undersökta proverna framgår av Tabellerna, 2 och 3. Några intressanta brottytor visas i Fig - 8. Samtliga prover (utom nr ) av material med hög kolhalt visade interkristallina brottområden, vilkas storlek varierade mellan 5 och 5 % av det ursprungliga tvärsnittet. Genom att sänka deformationshastigheten kunde andelen av IGSCC ökas betydligt, vilket var förväntat (Prov nr 6 och 7: Fig och 2). Det är betydelsefullt att IGSCC-sprickor kunde observeras även i prov nr och 2, eftersom dessa prover hade svetsats med normal strömstyrka och ej sensitiserats efter svetsningen (Fig 3 och 4). Avståndet huvudsprickans mynning - smältgräns har uppmätts. Prov nr hade brottsprickan i svetsgodset, vilket förmodligen berodde på en svetsdefekt. I de övriga provstavarna av material med hög kolhalt var huvudsprickan, vilken har startat som interkristallint brott, belägen där den var att förvänta, d v s i grundmaterialet mycket nära smältgränsen. (Fig 5 och 6). Avståndet varierade från,5 till,4 mm. Sprickan fortsatte som transkristallin spänningskorrosion och övergick därefter i duktilt brott. Detta berodde på den höga deformationshastigheten. Många prover hade stora transkristallina brottområden, vilka hade förorsakats av den höga deformationen. När man jämför prover av det lågkolhaltiga materialet med prover av det högkolhaitiga materialet framgår det mycket tydligt att kolhalten har stor betydelse. Inga prover av material med låg kolhalt visade tecken på interkristallin spänningskorrosion. Normalt duktilt brott kunde observeras. I Tabell 3 visas en sammanfattning av resultat av de prover som är jämförbara. Proverna tillverkade av material med låg kolhalt hade längre tid till brott, större brottförlängning och kontraktion. 9, I a

10 ASEA-ATOM KM 8f-28 8 De hade inga IGSCC-sprickor. Brottsprickan var belägen i ostabiliserat svetsgods som har marginellt lägre mekanisk hållfasthet än det stabiliserade grundmaterialet. (Fig 7 och 8). Undantag var prov nr 7, där brottsprickan gick långt borta från svetsen. Prov nr 7 och 8 av material med hög kolhalt gav ganska avvikande resultat. Metallografisk undersökning avslöjade, att IGSCCsprickan i prov nr 8 har uppstått i grundmaterialet mycket nära smältgränsen, men den har propagerat mycket långsamt bortåt smältgränsen. I prov nr 7 startade IGSCC-sprickan längre borta från svetsen, men den fortskred sedan längs smältgränsen. De IGSCC-brottområdena var mycket tydliga. Prov nr 8 av material med låg kolhait hade brottsprickan i det ostabiliserade svetsmaterialet, där transkristallin spänningskorrosion kunde observeras. SLUTSATS FINANSIERING De redovisade resultaten visar klart att zoner i grundmaterialet närmast smältgränsen i svetsat stabiliserat rostfritt stål är känsliga för interkristallin spänningskorrosion i BWR-miljö. Genom att sänka kolhalten i sådant material kan IGSCC undvikas. Denna Rapport har finansierats av SKI, Statens Vattenfallsverk, OKG och ASEA-ATOM. 2 S

11 ik4c 74 3»ell Svetsdata n 'ts Rotsträng FylInadssträng Normal Strömstyrka Hög A Spänning V Elektrod mm Ant- a strängar i o , 2,5 5, ,5 4, 2,

12 Bl <ao4c 74-3» ft- Tabel 2 - CERT-resul tat för Ti-stabi iserat rostfritt st'i' i vatten nu^d 8 ppm a vid 286 C Prov nr C-halt % Ström- ) styrka vii svetsning Sensitisering vid 68 C Töjn hast s" Tid till brott, h Max spänning N/mm 2 Brottförlängning Kontraktion Z ICSCCbrott TSCCbrott % Dukti.t brott % Sprickans avstånd, mm Antal sek sprickor Anm ,78 II ti II II t II It hög (A) h hög (A) h normal 'A) normal (A) h h hög (A) 5 min hög (A) 5 min normal (A) normal (A) 5 min 5 min hög (B) - normal (B) - normal (B) - 2,-O~ 7 2 ' ' ~6 2> ' -6 2,-~ 2,l-~* 2,- ' 2,-, 2,no ' 2,- 2,l'~J 2, ),3,3,3,5,5,4,5,5,5,3 4 8 Fig 5 Fig och 2 Fig 3 och 6 Fig < ,5 It II It hög (A) 5 min hög (A) - normal (A) - normal (A) 5 min 2,l-~* 2,l-~ b 2,- 2, , ,5 76 3) 3) 3, 3) 4 Fig 7 Fig 8 ) Svetsdata enl tabell 2) Avstånd huvudsprickans mynning - smältgräns 3) Huvudsprickan i svetsmaterialet

13 Bl 84 c M-Ot 3. C-halt i stålet hög låg Prov nr 5 5 Tid till brott, h 3 47 Max spänning, N/ram Brottförlängning, Kontrakt ion % 2 5 IGSCC-brott % 5 TSCC-brott % 6 Duktilt brott % 79 Sprickans avstånd, mm,5 2) Antal sekundärsprickor 4 ] i i H! hög låg ,5 2) 8 hög hög låg , ,5,5,3 3, hög hög låg ,4,5 2) 4 ) Avstånd huvudsprickans mynning - smältgräns 2) Huvudsprickan i svetsmaterialet

14 ASEA-ATOM frs:-jrir,i 2 7 Fig 2 Prov nr 6 Detalj av interkristallin brottyta Förstoring 2

15 ASEA-ATOM I: f» Fig 3 Prov nr Z IGSCC och % TSCC Förstoring 3 C» Fig 4 Prov nr 2 IGSCC och 5 Z TSCC Förstoring 3

16 ASEA-ATOM Fig 5 Prov nr 5 Tvärsnitt visande läget av huvudbrottets interkristallina del i förhållande till svetsen Förstoring 6 O Fig 6 Prov nr Tvärsnitt visande huvudbrottet i förhållande till svetsen Förstoring 32 2 s

17 ASEA-ATOM Prov nr 5 av material med,3 % duktilt brott Förstoring 27 8 Fig 8 Prov nr 6 av material med,5 Z kol % duktilt brott Förstoring 3 i s