VECK PÄ ROTSIDAN I RÖRSVETSAR

r STATENS KÄRNKRAFTINSPEiaiON SWEDISH NUCLEAR POWER INSPECTORATE S-100 72 STOCKHOLM 1 SKARPA VECK PÄ ROTSIDAN I RÖRSVETSAR UTREDNING PÅ UPPDRAG AV i STATENS KÄRNKRAFTINSPEKTION 1979-01-19 FÖRFATTARE: HONICA THEGERSTRÖM LARS-ERIK WAHLSTRÖM AB SVERIGES TEKNISKA KONTROLLINSTITUT

't S T K; All Sveriges Tekniska K(nilrollins1iliil INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. Sammanfattning. 2. Inledning. 3. Undersökningens utförande. 4. Undersökningens resultat. Interna rapporter och personkontakter. 5. Undersökningens resultat. Brevförfrågningar. 6. Beräkningar. * 7. Diskussion. 8. Tabell och figur. 9. Referenser. Bilaga 1. Beräkningar av tillåtna sprickdjup i rundsvetsar på rörledningar /

ISTK : AH Sveriges ll-kniska Konlrollinslilul \*,^ 1. SAMMANFATTNING Föreliggande arbete har tillkommit som ett försök att bringa ordning i begreppsförvirringen kring problemet "veck i rotpartiet" vid svetsning av rundskarvar. Dessa defekter upptäcktes i mars 1976 vid montaget av huvudångledningarna 1 Forsmark 1 och har gett upphov till en livlig diskussion med många parter inblandade. Författarnas avsikt har varit att göra en sammanställning av befintlig litteratur på området och av de många rapporter, brev och sammanträdesprotokoll som tillkommit i denna fråga för att lättare se bakgrunden och orsakerna till problemet. Även den beräkningsmässiga sidan av "veck"-problematiken har studerats närmare. < Undersökningen visar att "veck" kan uppkomma i såväl klena som grova rördimensioner. Den primära orsaken till "veckbildningen" är dålig passning (kantförskjutningar). Andra faktorer som inverkar på uppkomsten av "veck" är fogform och svetsningsbetingelser. Genom en riktigt uppstyrd tillverkning kan "veckbildni ng H undvikas. Detta kräver en riktig fogform, ringa kantförskjutningar, lämpliga svetsdata och korrekt strängläggningsteknik. Att detektera "vecken" med oförstörande provning är svårt. Radiografering är en mindre lämpad metod. Ultraljudprovning och vid åtkomlig rotsida magnetpulverprovning är de mest lämpade metoderna. Beräkningarna visar att spricktillväxten hos ett "veck" (en spricka) under skarvens livslängd är mycket liten under de förutsättningar som använts vid beräkningarna. Ett problem i sammanhanget är svårigheten att med oförstörande provning bestämma djupet hos "vecken". För att komma till rätta med "veck"-problematiken krävs -noggrannt utfört svetsarbete, -provningsprocedurer som ger säkerhet i feldjupsbestämning.

I S T K; Ah Sveriges'Icltnisku KonSrolliiistilul 2. INLEDNING Vid invändig besiktning av svetsade rundskarvar i huvudångledningssystemet i Forsmark 1 i mars 1976 fann man indikationer i rotområdet som låg klart över acceptansnivån. Feltypen som brukar kallas "skarpa veck på rotsidan" upptäcktes först i samband med en invandig slätslipning av svetsen mellan ångledningar och reaktortank. En rutinmässig penetrantprovning visade långa linjära Indikationer och upp till 1-1,5 mm gods behövdes slipas bort innan dessa fel försvann. Detta väckte misstankar om att motsvarande fel kunde förekomma även på andra ställen., I våra kärnkraftverk har troligtvis ingen kontroll avseende denna feltyp hittills skett i rostfria rör eller 1 rör med en godstjocklek under 15 ä 20 mm. Det är bara svetsar av klass 1 som blivit föremål för ultraljudprovning. Den eventuella förekomsten av "veck" i lägre kvalitetsklasser vet man ingenting om. Rundskarvarna i ångledningarna är vanligtvis svetsade med TIG i roten och täcklagren med manuell bågsvetsning. Rören har diametrarna 450 cch 600 mm och tjockleken varierar mellan 16 och 30 mm. övriga tekniska data ges 1 tabell 1. Oen mest accepterade förklaringen till "vecken" är att svetsen p g a krympspänningar drar Ihop sig så att normala smaltdiken och andra ytdiskontinuiteter på rotsidan bildar veck på ena eller båda sidorna om rotvulsten (se fig 1). När enbart rotsträngen är lagd finns således inte felen utan de uppstår vid svetsens krympning i samband med fyllnadssträngarna.

! STK r Alt Sveriges Tekniska Kontnrilinstif ul \ Det största feldjup som uppmätts pä snittade provbitar är 0,8 mm men slipning för att avlägsna fel indikationerna har ibland måst utföras ner till större djup. Oetta gör att man kan misstänka feldjup på 2-3 mm. Syftet med denna utredning är att närmare undersöka omständigheterna kring problemet "skarpa veck". Provningsmetoderna och acceptansreglerna för "vecken" har idag ännu Inte blivit ordentligt kartlagda. Felen är svåra att detektera 1 de fall man inte systematiskt letar efter dem och tillförlitligheten 1 fel djupsbestämningen är ej säkerställd. Beräkningar har utförts, som ett komplement till de beräkningar som tidigare gjorts av Stal-Laval och ASEA-ATOM, för att fastställa beräkningsmässigt största tillåtna feldjup.. STK 1.0»

S T K r Alt Sveriges Tekniska Konlntllinsf itu( 3. UNDERSÖKNINGENS UTFÖRANDE Denna teoretiska studie av veckproblemet delades in i två huvudavsnitt. Den första delen gick ut på att samla information på olika sätt. Diskussioner fördes bl a med berörda personer och företag, förfrågningar gjordes hos utländska företag och myndigheter. Resultatet av dessa ansträngningar ges i kapitel 4 och 5. Eftersom försöken att skaffa information genom litteraturstudier och brevförfrågningar ej gav något större resultat bygger undersökningsresultatet till största delen på interna rapporter från \ inblandade företag och myndigheter. i i Kontakter togs även med personer som på olika sätt varit involverade i händelseförloppet kring "vecken". j \ Den andra delen angrep problemet från den beräkningsmässiga sidan. i Brottmekaniska beräkningar har gjorts av både ASEA-ATOM och Stal-Laval. Detta var ett försök att angripa problemet från en ny synvinkel, se kapitel 6. 3.1 Litteraturstudier För att se om några erfarenheter fanns dokumenterades från "veckbildning" eller liknande diskontinuiteter gjordes en retrospektiv litteratursökning på Kungliga Tekniska Högskolans bibliotek (KTHB). Denna litteratursökning gav ett magert resultat. Litteraturlistor från Bundesanstalt flir Haterialprtifung (BAM) för åren 1975-1978 genomsöktes. Totalt gav detta ett fåtal referenser med viss anknytning till liknande diskontinuiteter. Någon referens som hade direkt samband med problemet "veckbildning" stod ej att finna. STKIWO

f STK: Alt SverigesTekniska Kuntnillinsliluf 3.2 Brevförfrägningar Det magra resultatet av litteraturundersökningarna gav anledning att göra förfrågningar angående problemet hos utländska myndigheter och företag som kunde tänkas vara insatta i eller hört talas om "veckbildning". Ett allmänt formulerat brev med kort beskrivning av diskontinuiteten och den tekniska bakgrunden sändes ut. Brevet skickades till ett sextiotal myndigheter och företag 1 USA, Västtyskland, Storbritannien och Japan huvudsakligen. Av det cirka tjugotalet svar som hittills inkommit har endast två haft något konkret att bidraga med angående problemet "veckbildning". Ett av de övriga svaren behandlade dock utvärdering av rotpartiet med ultraljudprovning och kan vara till viss hjälp vid en eventuell utvärdering av provningsteknik för att detektera "veck". De två intressanta svaren kom från TDv i Hamburg och från Staatiiche Materialpriifanstalt (MPA), Stuttgart. 3TK1J70

f STK : AH Sveriges Icknisku Konlrollinsf idil 4. UNDERSÖKNINGENS RESULTAT. INTERNA RAPPORTER OCH PERSONKONTAKTER. Efter att ha gått igenom tidigare undersökningar befanns det lämpligt att dela in resultatet 1 fem delar, nämligen fogform, krav vid svetsning, metallografiska undersökningar, rörtoleranser och kontroll 4.1 Fogform Den fogform som användes för de rörledningar där "vecken" ursprungligen hittades var U-fog (se bild la). 6* 10 b = 0-3 mm c = 2 mm s 3= 12 mm d* 10 b» 0-4 mm c <**? 4 mm s ä. 12 mm Bild la. U-fog Bild Ib. 4, Pä inrådan av R B Eklund, Svenska Maskinverken (SMV), modifierades fogformen för de sist svetsade 450-skarvarna (se bild Ib). Spaltvidden fixerades (hade varierat starkt för tidigare lagda skarvar trots svetsspecifikationernas angivelser), svetsnäsan modifieradesför att garantera ordentlig genomsmältning och den fasades samtidigt något mot rörets utsida för att möjliggöra pendling med Deutsche Babcocks (DBs) svetsaggregat vid läggning av rotsträngén. För att minska krympningen och därmed risken för veckbildning ändrades även svetsparametrarna, vilket innebar mindre energitillförsel, speciellt fdr rotsträngen och efterföljande två täcklager.

! STK; All Sveriges Tekniska Kuntnillinslilut Intensifierad kontroll av fogberedning och rotsträngsläggning sattes in och de skarvar som svetsades efter upptäckten av indikationerna var genomgående bättre än de som svetsats före. ASEA-ATOMs representander var dock inte helt nöjda med kvaliteten på svetsningen. I oktober 1976 gjorde ASEA/KYDD därför en provsvets med den nya fogformen (bild 16) och samma elektrod som DB/URG använde. Resultatet av provsvetsningen var mycket tillfredsställande. För att komma ifrån invändningen att svetsskarvar inte kan bli så fina under mer realistiska montageförhållanden lades även två rotsträngar i stationen med samma perfekta utseende. 4.2 Krav vid svetsning Vid rörsvetsning ställs framför allt följande krav. 1. Noggrann passning av rörändarna mot varandra. Vid dålig passning uppträder kantförskjutningar. 2. Korrekt; fogberedning. Fogvinklar och spalter måste medge viss pendling med svetspistolen vid läggning av rotsträngen. Svetsnäsan får inte vara tjockare än att en ordentlig genomsmältning av materialet erhålls. 3. Omsorgsfull läggning av rotsträngen. Slarv med denna leder till onödig krympning av materialet med smältdiken, eventuellt också bindfel, som följd. ASEA-ATQM, skriver i ett brev till Statens Vattenfallsverk 1977TO8-16, "Slutrapport efter bortslipning av veckbildning..." d. Atgärder_f&r_att_undvika_veckbi1dning.gå^rgtsidan Med anledning av nedslag i samband med ultraljudprovning utprovades ny fogform och nya svetsparametrar. Försöken resulterade i att fogformen för återstående 13 st skarvar ändrades från from D till form H enligt Deutsche Babcocks ritning nr R 22 462. Samtidigt ändrades svetsparametrarna så att ett kallare svetsförfarande

y1, S T K Z AB Sveriges Tekniska Kontrullinstilul kunde ske speciellt för rotsträng och efterföljande två täcklager. Härigenom erhölls något mindre krympning och veckbildningen försvann. Förfarandet med ändrad fogform och ändrade svetsparametrar har inarbetats i svetsspecifikationer för Forsmark 2 och ultraljudprovning av skarvar i Tyskland visar att dylik veckbildning på rotsidan ej förekommer. I ett PM (TK 77-278, 77-11-11) med titeln "Forsmark 1 - - Rapport om utförda försök och provningar med ångledningssvetsar (system 411)" skriver ASEA/KYDB: Som ett led i undersökningen kring svetsproblemen i grova koistålsledningar i Forsmark 1 fick ASEA/KYDD i uppdrag att göra en provsvets av ett 411-rör med anslutning A 450. Fogberedningen (SMV-fog) hade gjorts av ASEA-ATOM och elektroderna var desamma som DBW använde. Resultatet av KYDDs provsvetsning kan sammanfattas: Trots en massiv insats av alla tillgängliga provningsmetoder, förstörande och icke förstörande, har inga som helst diskontinuiteter i övergången mellan svetsgods och grundmaterial kunnat konstateras. För att visa att det var möjligt att prestera samma goda svetsresultat även utanför laboratoriemiljön fick KYDD lägga två montageskarvar på byggplatsen. Kontroller visade att rotsträngarna var helt utan anmärkning. 4.3 Metallografiska undersökningar För att kunna göra en säkrare bedömning av problemet med "vecken" skars en provbit (skarv B 133) ut ur ångiedningarna i Forsmark. Provet delades mellan AA, DB/URG och STK. AA konsulterade både ASEA/KYDC och Rolf-Bertil Eklund, Svenska Maskinverken.

f S T K; AH Sveriges leluiiska KoiUiollinslilul Resultatet av de metallografiska undersökningarna förelåg under maj månad 1976. De pekade alla i samma riktning: "veckbildning i roten". A- Rolflierti1_Eklund a _Svenska_Maskinverken_ l?76 : 05 : l9}: Polering och etsning av prover tvärs svetsskarven visar: 1. Vid argonsvetsning med tillsatsmaterial har svetsfogens innersta stödkant hos de uttagna proverna ej helt genomsmälts. 2. Vid svetsning av rundskarven sammandrages fogen till följd av svetskrympning och tillsatsmaterial och osmält stödkant pressas ihop till ett veck. 3. Detta veck bildar en reflektionsyta vid UL-kontroll, och kan vid UL-kontroll tolkas som en spricka mellan svets och grundmaterial på svetsens rotsida. 4. Djupet hos detta veck är relativt ringa. Det största djup det kan tillskrivas hos detta förmodligen utvalda prov är 0,5 mm. B Bälf _Corin 1 _ASEA^KYDC_{l 976 : 05 : 18] : Felen består av oxidfyllda sprickor i smältgränsen vid innerytan av röret. Största observerade sprickdjup är 0,7 mm, de flesta är dock 0,2-0,3 mm. Botten på fogen är ca 4 mm tjock mot 2,5 mm som rekommenderas i anvisningen. Detta gör att rotsidan blir av ojämnare kvalitet och uppsmältningen på undersidan av roten blir svårare att kontrollera. Den ena rörytan är för drastiskt nedslipad. Detta för att passa motstående rör. En längre slipsträcka, dvs mindre vinkel vore önskvärd ur anvisningssynpunkt. Spaltvidden bör också kontrolleras. STK t.070

1 7 S T K: All Sveriges leknisltu Konliolliiislilul 10 Tänkbara orsaker till defekterna a'r otillräcklig skyddsgastillförsel på rotsidan vilket medfört en kraftig oxidbildning, både på svets och grundmaterial, samt olämplig geometrisk utformning av fogen. 4.4 Rörtoleranser I rapporten konstaterades att smältdiken återfanns på båda sidor om svetsskarven. För att förbättra svetsroten rekommenderades följande: 1. Slipning av svetsroten tills inga indikationer längre förekommer vid den oförstörande provningen med hänsyn tagen till godstjockleken. 2. Man borde försöka förbättra UL-kontrollen så att en bättre differentiering mellan feltyperna i rotområdet blir möjlig. Vid de metallografiska undersökningarna påpekades den dåliga passningen mellan rörändarna på insidan. Detta problem började redan vid materialupphandlingen. Forsmarksrören hade ursprungligen lagts ut enligt den amerikanska standarden ANSI. Denna rörstandard utgår från toleransen på ytterdiameter och godstjocklek vilket medför att variationerna på innerdiametern blir relativt stora. Den erforderliga passningen på rörändarnas insida klaras i stället genom maskinbearbetning till ett snävt satt mått kallat "C-mått". (Se bild 2). En alternativ rörstandard var den tyska DIN-standarden som föreskriver tunnväggigare rör än ANSI, men som kompenserar detta genom snävare diametertoleranser. Rör utlagda enligt DIN väger alltså mindre, är lättare att hantera och är förmodligen mindre arbetskrävande att fogbereda än r'6r utlagda enligt motsvarande ANSI-standard.

ISTK r Mi S\crimes Icluiisltii Koiilrollinsliun 11 C D uir/iniitiminiitnn: Bild 2. Mättsättning pä rör. Materialet kom delvis att köpas efter DIN-standard, men med vissa ANSI-mått. Svårigheter uppstod dock så snart man började fogbereda rören. Rönsts innerdiameter C - taget från ANSI - kunde inte uppnås med mindre än att minsta tilläten godstjocklek (S m - n ) underskreds. Det beslöts då att om rörets ytterdiameter D minus 2 x S. undersked C-måttet skulle bearbetning till fullt C-mått inte ske utan bearbetningen skulle avslutas då minsta tillåten godstjocklek (S min ) var nådd. Detta förfarande gav upphov till kantförskjutningar vid svetsningen då tillräckligt snäva toleranser ej kunde hållas. Samtliga aktuella rör till turbinanläggningen har anskaffats enligt DIN 17175. STK 1.OTO

\ STKr \H Sveriges Ickiiisku K'wlnillinslilul 12 I detta läge var man tvungen att innan svetsningen justerslipa insidan på rören för att erhålla en bättre passning och ett säkrare svetsresultat. På vissa rör utfördes dock inte slipningen tillräckligt noggrant, varför runda hörn och varierande tjocklek på svetsnäsan uppstod. 4.5 Kontroll De kontrollmetoder som är aktuella för kontroll av rundsvetsöir i rör är syning (okulärkontroll), radiografering, ultraljudprovning, provning med penetrant samt magnetpulverprovning. MagnetBulyergrgyning är den känsligaste metoden för att detektera skarpa veck på rotsidan. Det ställs inga speciella krav på ytbehandling av det undersökta området däremot en viss renhet och gärna en jämn svets. Vid magnetpulverprovning krävs också att svetsen är tillgänglig för visuell inspektion. är också en användbar metod. Den kan vara osäker om vecken är oxid- eller slaggfyllda. Vid penetrantprovning måste lös smuts, rost etc avlägsnas genom mekanisk rengöring. Därvid finns en viss risk för att fina defekter täpps till och omöjliggör för penetranten att tränga in. y2d_radiggraferjng krävs ingen speciell ytjämnet. "Vecken" är mycket svåra att detektera med denna netod, dels p g a att de ligger i övergängen mellan svets och grundmaterial där en naturlig svärtningsskillnad finns dels p g a att vecken normalt inte är orienterade direkt i strålningsriktningen. Den vanligast använda metoden är isotopradiografering genom dubbelt gods. "Vecken" är dessutom mycket små (upp till kanske 4-5% av godstjockleken) vilket gör att en eventuell skillnad i svärtning blir mycket liten. Sr den metod som är mest användbar för detektering av "vecken". Den är också lämpad av den anledningen att provningen sker från rörens utsida. Vid ultraljudprovning bör direkt ljudvåg användas vilket kräver slätslipning av svetsen för att man skall komma åt rotområdet med sökaren. STK I 070

' S J K : Mi Sicriws Idiiiisltii Kotilrolliiisfiliil \ För ultraljudprovning har i specifikationerna funnits regler för hur man skall skilja mellan geometriskt betingade indikationer och indikationer från rotfel respektive rotsprickor. Till feltypen skarpa "veck" har ingen speciell hänsyn tagits. När ultraljudspecifikatinen för Forsmark 1 utarbetades för Deutsche Babcock gjordes vissa justeringar gentemot äldre specifikationer dels för att få en specifikation som föreskrev en provning som rimligtvis kunde krävas att operatören praktiskt»kulle kunna genomföra dels för att fånga upp även fel av typ bindfel och sprickor på endera eller båda sidor om rotvulsten. Den nu aktuella feltypen skarpa "veck" var då okänd men tvådimensionella fel på samma ställe i svetsen bedömdes som en feltyp som man borde räkna med. I specifikationen angavs att indikationerna från rotpartiet med o ^ 45 -sökare fick betraktas som acceptabla geometriska indikationer medan en ganska skärpt begränsning lades på fel som erhölls med 70 -sökare. Det visade sig emellertid att denna regel ej dömde ut fel av typen skarpa veck på prefabskarvarna. Idag vet man att 60 - och 70 -sökare av svårförklarlig ultraljudteknisk anledning har låg känslighet för fel av typen skarpa "veck". Det hade varit svårt, i det läge då specifikationen skrevs, att komma till tillverkaren och begära en så komplicerad och tidsödande ultraljudprovning som man senare tvingats till i Forsmark. Dåvarande TRC fick ett provstycke av en utskuren sektion som man visste innehöll fel. Nya försök att påvisa felen i laboratorieskala gjordes och efter omsorgsfull slätslipning av den utvändiga svetsrågen visade det sig att det var möjligt att detektera felen med 45 sökare men inte med 60 - eller 70 sökare. STK 1 070

; S l i v: Ml Sveriges k-uniilu KniilrolliiisliUil Undersökningen visade att man med AVG-metoden får mycket stor spridning av resultaten beroende på operatör och utrustning. Spridningen var så stor att man kan ifrågasätta AVG-metodens tillämpning på svetsarnas rotområde. Med ovanstående bakgrund föreslog AA att provningsmetodiken, med 45 -sökare, för svetsskarvarnas rotparti ändrades så att provningen i fortsättningen utfördes mot referensfel i form av spår i speciella referensblock i stället för enligt AVGmetoden. Spårdjupet bör ej överstiga 2% av godstjockleken med hänsyn till återkommande provning, vilken sannolikt kommer att basera sig på ASME Xis nivåer. Referensblock i aktuella godstjocklekar (ca 23 mm och ca 30 mm) framställdes i erforderligt antal av STK/TRC., Ett tillägg till gällande ultraljudspecifikation utarbetades och samtliga prefab- och montageskarvar provades om. I flertalet skarvar upptäcktes oacceptabla fel som på något sätt måste åtgärdas. Att bedöma felens allvariighetsgrad och sätta upp acceptanskrav för dem vid ultraljudprovningen vållade vissa svårigheter. Felen ansågs vara av tvådimensionell karaktär och närmast likna bindfel. När man indikerar felen vid magnetpulverprovning visar sig dessa som oacceptabla linjära fel och, om de hade synts på röntgenfilmerna, skulle de ha bedömts som ej acceptabla fel. Felens läge i övergången mellan svets och grundmaterial är ogynnsamt eftersom materialegenskaperna i regel är något sämre där än i svetsgodset respektive grundmaterialet i övrigt. STK I 070

S I K: \lts\iti)*i's IIUII^U.I KoiiirolliiisiiKii 15 5. UNDERSÖKNINGENS RESULTAT. BREVFÖRFRAGNINGÅR. Efter det magra resultatet av litteratursökningarna gjordes förfrågningar per brev hos myndigheter och företag som kunde tänkas känna till eller ha hört talas om problemet "veckbildning". Totalt utskickades 63 brev, med en allmänt formulerad text som beskrev diskontinuiteten och den tekniska bakgrunden, till myndigheter och företag huvudsakligen i länderna USA, Västtyskland, Storbritannien och Japan. Endast några få av de cirka tjugo svaren har varit av intresse. Dessa har kommit från Framatome, M* C J Abrahams, Leeds, och Staatliche Materi alpriifungsanstalt, Stuttgart, dessutom har Texas Pipe Bending Company och TÖV i Hamburg skrivit att de visste en del men ville ha mer information för att kunna ge användbara upplysningar. Sedan begärd information samt foton på "vecken" översänts har ingenting hörts från de två sistnämnda. Några som har svarat skriver att de är intresserade av problemet och gärna vill ha fortsatta kontakter. Framatome, Mr A Loupoff, skriver att enligt deras erfarenheter av fel i rotområdet kan möjliga förklaringar till "veckbildningen" vara bindfel eller oxidation på rotsidan beroende på dåligt gasskydd vid svetsningen av bottensträngen. Den senare förklaringen skulle leda till fina defekter vid bottensträngens krympning under svetsningen av fyllnadssträngarna. För oförstörande provning rekommenderar Framatome penetrantprovning respektive ultraljudprovning. Dessutom måste ytbeskaffenhet och rotgeometri vara lämpade för dessa provningsmetoder. Radiografering är mycket svår att praktisera på denna typ av defekter. Mr_C_J.Abrahams har i sitt svar på vår förfrågan skrivit om hur ultraljudprovning bör kunna tillämpas på "veckbildningen". Han bifogade en beskrivning av hur man i Storbritannien utför ultraljudprovning av rundsvetsar i pipelines och speciellt då hur utvärderingen av rotområdet genomförs.

; S Tiv : Alt Sveriges Ickiiislui Kotilrolliiistilul 16 i Stuttgart sände i sitt svar en rapport med titeln "Repair Methods in the Field of Light Water Reactors (LWR)". Rapporten presenterades vid en konferens i Risö, Danmark, under sept. 1978. I rapporten berättas om ett matarvattenrörsystem av låglegerat ferritiskt MnMoV-stål. Rörsystemet hade rördiametrar på 250-350 mm, rörens godstjocklekar var på cirka 6-10 mm. Under montage hade varmriktning utförts för hand utan kompletterande behövlig värmebehandling. Denna varmriktning resulterade i hög hårdhet, låg slagseghet och ogynnsam geometri i svetsområdet. Rundsvetsarna kunde i många fall inte tillverkas utan allvarliga geometriska störningar speciellt på rotsidan, trots kalibreringen med varmriktning, (se bild 3 ). Bild 3. Kantförskjutning kombinerad med sprickbildning i HAZ De geometriska störningarna orsakades av: - stor skillnad i godstjocklek - olämpligt utförd slipning - överlagning av tillåtna toleranser i fråga om godstjocklek, rundhet och diameter. STK 1.W0

\ S T K : All Sveriges lekniska Koiilrulliiisliliil 17 I flera fall var det omöjligt att utföra en tillförlitlig ultraljudprovning p g a den dåliga passningen. I samma rörsystem upptäcktes även sprickor, som började på rotsidan vid anvisningar som orsakats av dålig kantpassning, vid en metall ografisk undersökning (se bild 4). Dessa sprickor och liknande fel gick inte att upptäcka med vanlig oförstörande provningsmetodik. Bild 4. Rundsvets i rör med kantförskjutning och sprickbildning vid invändig anvisning. För detta rörsystem vidtogs följande åtgärder: 1. Icke acceptabla defekter slipades bort eller svetsreparerades. Detta kunde endast utföras genom att ett stort antal rundskarvar skars bort och nya bitar svetsades i. 2. I defekta områden som var precis i överensstämmelse med specifikationerna utfördes följande tilläggsmätningar. - intensifierad återkommande oförstörande provning under drift.. - Spänningsmätningar under såväl uppstartning som under drift. - Efter en driftstid på maximalt 3 år utbyts ifrågavarande rörsystem mot nya optimerade map material, godstjocklek, oförstörande provning etc.

'I S I K: MiSvoiitii's UkitisliUKonlrolliiistiltit 18 6. BERÄKNINGAR 6.1 Tidigare beräkningar avseende skarpa veck Två beräkningar har utförts för att konstatera, att de upptäckta defekterna, vid roten av rundsvetsar i rörledningar i Forsmark 1, har varit av acceptabel storlek. A. ASEA-ATOMs PM KU 76-1205, visar att de aktuella defekterna ger en mycket begränsad spricktillväxt. Man har dock enbart tagit hänsyn till utmattning p g a belastningsvariationer från start och stopp och dylikt. Vibrationer har således inte beaktats i denna beräkning. B. Stal-Laval Turbin PM Lb 38/77, visar att defekten i en av SLF undersökt svetsskarv kan accepteras om spänningsamplituden p g a vibrationer understiger - 15 N/mm. I denna undersökning har man gjort FEM-beräkningar på aktuella geometrier vid roten av rundsvetsen och visat att dessa geometrier har en helt avgörande inverkan på det effektiva sprickdjupet., Jag citerar: "Det är därför av mycket stor betydelse för svetsens utmattningshållfasthet att kantförskjutningar undviks och att invändig kalibreringssvarvning utförs med mjuka övergångar t ex så att vinkeln & < 10 ". SLF har också utfört vissa provningar för att få fram brottmekaniska data. 6.2 Beräkning avseende skarpa veck i roten Både ASEA-ATOMs och SLFs beräkningar, går ut på att visa att existerande fel kan accepteras.

S I K; AK Sveriges ll'lumliti Kniilrollinstiliil Vårt syfte är att ta reda på hur stora fel (sprickor) som är godtagbara i rörledningar med olika dimensioner. Vi har då utgått ifrån fall 3.2.1 på sidan 237 i D P Rooke, DJ Cartwright, "Compendium of stress intensity factors". "External circumferential crack in a tube: uniform uniaxial tensile stress". Detta fall avser visserligen ett rör med en utvändig spricka, men det torde inte påverka resultatet nämvärt. Vi har förutsatt att linjär brottmekanik kan tillämpas. Rördimensioner, väggtjocklekar och beräkningsdata som ingår i huvudångledningen på turbinsidan i Forsmark användes. Vidare förutsattes att spänningen i ledningen åtminstone på något ställe där defekter kunde förekomma var lika med den tillåtna. Resultatet (se även bilaga 1) av beräkningen visar Ytterdiameter Dy (mm) Godstjocklek (mm) a (""O i HF ' a. 0 (mm) 609,6 25 15 1,5 1.1 508 20 13 1.3 1,0 450 323 20 17,5 13 12 1.3 1.2 1.0 0,9 minsta kritiska sprickdjup för att initiera ett löpande brott. slutligt sprickdjup = sprickdjup från början Beräkningen visar att spricktillväxten under skarvens livslängd är mycket liten. I en 0 609,6-röriedning växer t ex ett 1,1 mm djupt "veck" bara till 1,5 mm. STK 1 070

P SI Iv : \l\ Sveriges kknislui konlrollinslitiil 20 7. DISKUSSION t i Undersökningen visar att skarpa "veck" är en feltyp som förekommer i såväl klena som grova rördimensioner. Den primära orsaken till att "vecken" uppkommer är dålig passning. Andra faktorer som inverkar på uppkomsten av "veck" är fogforro och svetsningsbetingelser. [ Oförstörande provning för att detektera "vecken" är besvärlig att utföra. Vid åtkomlig rotsida är magnetpulverprovning en lämplig metod, i andra fall krävs ultraljudprovning. Ultraljudprovningen kräver en väl genomarbetad teknik för att ge ett korrekt resultat. Vanlig provningsmetodik räcker inte i dessa fall utan speciell teknik krävs. Speciellt svårt är det att bestämma feldjupen. Våra beräkningar visar att spricktillväxten under skarvens livslängd är mycket liten. ASEA-ATOMs och Stal-Lavals beräkningar visar även att sprickan ("vecket") har en. begränsad tillväxt som kan accepteras under de förutsättningar som beräkningarna grundar sig på. En osäkerhetsfaktor i detta sammanhang är svårigheten att med ultraljudprovning bestämma de aktuella feldjupen med en tillräcklig ; noggrannhet. STK 1.D7O

STK r \ If Sveriges lihnisliii /KoiidillinsfidK Tabell 1 Svetsgeometri: Rördiametrar: Tjocklek: enkel U-fog 450 och 600 mm 20-35 mm Typ av material: 15Mo.') Kemisk sammansättning: C Si Hn P S 0,12-0,20 0,15-0,35 0,50-0,70 «0,040 <0,040 Cr Mo 0,25-0,35 Svetsningen år utförd med TIG i roten och manuell svetsning för täcklagren.» skarpa "veck" Fig.l 4-7 mm

S T K : All Sveriges li-ltniski Konliolliiisliliil 9. REFERENSER 1. Stal-Laval Turbin PM Lb 38/77, 77-12-13 Forsmark 1 System 411,415. Analys av risken för utmattningsbrott i svetsskarv. 2. ASEA-ATOM PM KU 76-1205, 76-12-30 Forsmark 1. System 411. Brottmekanisk analys av veckbildning i svetsrot. 3. Sv. Maskinverken, Rolf-Bertil Eklund Meddelande 76-05-19 "UL-kontroll och mikroskopering av svetsarbetsprov. Rör av kol stål S mi - n ca 23 mm". 4. ASEA/KYDB PM TK 77-278, 1977-11-11 Forsmark 1 - Rapport om utförda försök och provningar med ångledningssvetsar ( system 411 ). 5. ASEA-ATOM : Brev till Statens Vattenfallsverk 77-08-16 "Forsmark 1 - Slutrapport efter bortslipning av veckbildning i roten på svetsskarvar i system 411 och 415". 6. ASEA/KYDC, R.rorin, Laboratorieprotokoll 76-05-18 " Undersökning av svetsskarv till system 411 Forsmark 1". 7. ASEA-ATOM TK 77-317 8. Brev från Framatome, Mr A Loupoff, 1978-08-23 9. C.J. Abrahams, "Ultrasonic examination of circumferential butt welds in pipelines. 10. IAEA Technical Committee on "Repair Aspects and Procedures" 13-15 september 1978, Risö National Laboratory, Denmark. K.Kussmaul and D.Blind "Repair Methods in the Field of Light Water Reactors (LWR). 11. Deutsche Babcock. Untersuchungsbericht Axw 76/134, 1976-05-20 12. Her Majesty's Stationery Office D.P. Rooke and D.J. Cartwright."Compendium of stress intensity factors". 13. ARG.Untersuchungsbericht Kom.-Nr. 6.103.005.8 "Schweissnåhte aus Werkstoff X20CrMoV121 der HZU. 14. Deutsche Babcock, Untersuchungsbericht Axw 76/261, 76-10-11

,STK; All Sveriges lukiiiskiikiiiilrolliiisliliil Bilaga 1. BERÄKNING AV TILLÅTNA SPRICKDJUP I RUNDSVETSAR I RÖRLEDNINGAR Beräkningar har utförts av ASEA-ATOM och SLF för att visa att existerande fel kan accepteras. Syftet med denna beräkning är att försöka få fram hur stora sprickor som är godtagbara i rörledningar med olika dimensioner. Vi har då utgått ifrån fall 3.2.1 på sidan 237 i DP Rooke, DJ Cartwright, Compendium of stress intensity factors. "External circumferential tensile stress". > crack in a tube: uniform uniaxial f (a) a = sprickdjupet 0JJ = dragspänningen i rören Visserligen gäller det aktuella fallet för rör med utvåndig spricka, men det torde inte påverka resultatet nämnvärt. Vi förutsätter vidare att linjär brottmekanik kan tillämpas (t ex visar ASEA-ATOMs beräkning att korrektionen för plastisk zon vid sprickspetsen har liten inverkan). A. Spänningar i ledningarna 1. P g a inre övertryck. 2. P g a termisk expansion + egenvikter (3. P g a temperaturtransienter) Spänningen axiellt p g a inre övertryck är: 40 - S n/m2 p = tryck i bar D ra = medeldiameter i mm s = godstjocklek i mm

\ S T K r AK S\crimes lekniska Konlntlliiisliliil - 2 - Spänning p g a termisk expansion och egenvikter framgår av expansionsberäkningarna för rörledningarna. Enligt Rörledningsnormer 1967 gäller om z = 1 vilket förutsätts här. (z är styrkefaktorn för rundsvets) * - oä, er + <r* +3t z Om man bortser från skjuvspänning och axieli dragspänning utöver den p g a inre tryck fås <Tj -Ob % Dvs <T m ber f TT5T cr b o,7. <r ber Axieli spänning i ledningen p g a trycket är - 3.

;S 1 K: \It Sveriges U-knisliiiKuiilmlliiisliHil - 3 - Total spänning i ledningen p g a inre övertryck, termisk expansion och egenvikt. ======= B. Kritisk spricklängd utan hänsyn till spänningar p g a temperaturtransien er K ic a krit "(<. f(a) sy Enligt ASEA-ATOHs beräkning är K JC i pulverbågsvetsgods ts 80 HN/m Om materialet är 15Mo3 v i d 300 C f fås = 2 1 6 MN/m 2 rör 609,6 x 25 Ansätt f(a) = 1,5 fe 4 5 ) 2 > 0437 0,0437 Men I = WSZ5 = ' 76 Tabell 1 (se längst bak) = f(a) = 2,08 Ansätt f(a) = 1,8 a = 0,0437 (y^) 2 = 0,135; = 0,54; f(a) = h Ansätt f(a) = 1,68 a = 0,0437 (y^s) 2 = 0,0154; = 0,62; f(a) = 1,65 Här blir a^^x = 15_mj - 4.

: Alt Sveriges lukuisku Konlrolliiislitiil - 4 - På samma sätt fås: D y (mm) s (mm) a.j (mm) a-: (mm) 609,6 508 450 323 25 20 20 17,5 15 13 13 12 1,5 1,3 1,3 1,2 Enligt ASME XI 1977, är a f «i Där a f = the maximum size to which the detected flaw is calculated to grow during the remaining service lifetime of the component.» a i = the minimum critical flaw size of the indication for initiation of nonarresting growth under postulated design, emergency and faulted conditions. Paris lag = f(a). Tabell 2 (se längst bak) visar att om sprickdjupet < 10% av väggtjockleken^f(a) < 1,15. = 1,15 c. (i,i5a<r\f3k:) n da.= C. dn da = C. dn "5. STK 1.O7O "f

\ S T K : Alt Sveriges IcKiiisKii Konlrolliiiilitiil - 5 - (1,15 C N Använd ASME-sorter och data för materialet SA 508 enl ASME XI i i n = 3,73; C = 0,38 10 in/cycle Här 4<T= 216 N/mm* =31,3 ksi. l-n/2 l-n/2 1 a i a o (1,15 32:"'* ( 1- n 1- = C N 1 - n 7 - C. N (1,15-AO-)' n/2 = b a o b o a. b - C N (1,15 A<r ) n % a 0 - [a^ - e N (1,15 -A<r) n - 3f H/l - l/b N = 2000 A0"= 216 N/mm 2 = 31,3 ksi (för 609,6 x 25) b «l - i 0,865 a i» 1,5 mm = 0,06 n a Q =[Ö,06 ~ 0 ' 865-0,38 10" 9. 2000. (1,15 31,3) 3 ' 73. JC Z - (-0,865) I J 1 a ft = (11,4+ 3,55) " ' 865-0,043 n = 1,1 mm - 6.

isrk- li'liiiisk;il\<iiiir<illitisliltil - 6 - Man får 25 20 17,5 1,5 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 a f = slutligt defektdjup (flaw). a Q = defektdjup från början Med N = 2000 starter och spänningen p g a inre övertryck + termisk expansion + egenvikt = den tillåtna. Denna beräkning har gjorts för att få en uppfattning om hur stora defekter som kan tillåtas. Vi har använt oss av rördimensioner, väggtjocklekar och beräkningsdata som ingår i huvudångledningen på turbinsidan i Forsmark och förutsatt att spänningen i ledningen åtminstone på något ställe där defekter kan förekommt är lika med den tillåtna.

1 ;STKr ll'liiiiskii Koulmllinslilul - 7 - Kl. K0 SDM FUNKTIDN flv fl FOR DLIKfl RDPIUMENSIONER RÖRCIM VSG6TJ 0.1..3.4.5.6.7.8.9 60S». 6 5. 0 1. 1 1. 15 1. 19 1. 5 1.33 1.44 1.60 1. 84. 4 3. 17 508. 0 0. 0 1. 12 1. 15 1. 19 1. 5 1.33 1.44 1.60 1. 84. 4 3. 17 457. 5. 0 1. 12 1. 15 1. 19 1.25 1.33 1.44 1.60 1. 84. 6 3. 0 406. 4 5. 0 1. 12 1. 14 1. 13 1. 4 1.3 1.44 1.60 1. 84. 6 3. 355. 6 0. 0 1. 1 1. 14 1. 19 1. 5 1.33 1.44 1.60 1. 84. 6 3. 1 355. 6 14. 1. 12 1. 15 1. 19 1.25 1.33 1.44 1.60 1. 84.24 3. 17 323. 9 17. 5 1. 1 1. 15 1. 19 1. 5 1.33 1.44 1.60 1. 84. 6 3. 0 323. 9 14. 1. 1 1. 15 1. 19 1.25 1.33 t.44 1.60 1. 84. 5 3. 18 73. 0 16. 0 1. 1 1. 14 1. 19. 1. 4 1.33 1.44 1.60 1. 84. 6 3. 1 19. 1 IDB60 14. 1. 1 SI DP 1. 14 1. 18 1. 4 1.32 1.44 1.60 1. 34. 7 3. 3 Tabell 2 SIK I 070