2024:14 Residual stress distributions in nickel-based dissimilar metal pipe welds

SSM perspektiv

Bakgrund

Det är vanligt att nickelbasmaterial används som tillsatsmaterial vid svetsning av så kallade blandskarvar, det vill säga svetsning av olika metaller exempelvis austenitiskt rostfritt stål, ferritiskt stål eller nickelbaserade legeringar. Svetsfogen i sådana blandskarvar tillverkas vanligtvis genom att först svetsa ett nickelbasmaterial på den ferritiska komponenten för att bilda en övergångssektion kallad buttring. Därefter värmebehandlas och maskinbearbetas svetsfogen för att minska svetsegenspänningar i det ferritiska stålet respektive bereda svetsfogen. Slutligen svetsas komponenten av austenitiskt rostfritt stål eller nickelbaserad legering till buttringen.

Vid tillverkning av blandskarvar uppstår vanligtvis höga restspänningar. Restspänningar som i sin tur har stor inverkan på initiering och tillväxt av sprickliknande defekter som kan uppstå i mekaniska anordningar. Vid brottmekanisk utvärdering används vanligtvis ett konservativt tillvägagångssätt genom att anta övre gränsdata för restspänningsfördelningen i kombination med övre gränsdata för spricktillväxt för spänningskorrosion. Konservatismerna resulterar ibland i mycket höga postulerade spricktillväxthastigheter och motsvarande korta inspektionsintervall. Erfarenheterna av skador i drift stämmer dock inte överens med detta, och det fnns därför ett behov av att skapa mer realistiska restspänningsprofler.

Resultat

Restspänningar har modellerats och beräknats för ett antal vanligt förekommande stumsvetsar i nickelbasmaterial. Svetsarna skiljer sig åt bland annat vad gäller material, utförande på buttring, godstjocklek, radie, antal svetssträngar, sträckenergi och svetsprocess. De erhållna resultaten har jämförts med väldokumenterade experiment och visar god överensstämmelse mot uppmätningar. Baserat på resultaten har så kallade ”best-estimate” restspänningsprofler utvecklats längs svetsens centrumlinje och längs värmepåverkad zon samt buttring. Känslighetsanalyser har utförts av tillförd sträckenergi, vilka visar på att ändringar i tillförd sträckenergi har störst påverkan på restspänningens storlek för så kallade medeltjocka rör.

Relevans

Det genomförda projektet har förbättrat förståelsen kring restspänningars storlek och fördelning för ett antal vanligt förekommande stumsvetsar i nickelbasmaterial i svenska kärnkraftsreaktorer. Resultaten från projektet är viktiga för att kunna ta fram ändamålsenliga skadetålighetsanalyser för inspektionsprogram eller för att bedöma säkerhetsmarginaler vid eventuella defekter.

Behov av fortsatt forskning

Det genomförda projektet har tagit fram restspänningsprofler grundade på axisymmetri. En sådan approximation innebär att lokala efekter från exempelvis start[1]och stoppositioner för svetssträngen inte beaktas. Lokala efekter kan vara av särskilt intresse vid skadetålighetsanalys av montagesvetsar med ansamlingar av start- och stoppositioner. I två pågående projekt (SSM2018-1621 och SSM2021-3706) undersöks efekter av start- och stoppositioner i montageskarvar.