Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys

Transkriptio

1 KYT2010 Kuparikapselin pitkäaikaiskestävyys Pertti Auerkari, Stefan Holmström & Jorma Salonen VTT, Espoo Tapio Saukkonen TKK Materiaalitekniikan laboratorio, Espoo

2 Sisällys Johdanto: tausta ja tavoitteet Tutkimusmenetelmät ja yleistilanne Esimerkkihavaintoja: FSW-hitsauksen vaikutus virumislujuuteen Johtopäätöksiä

3 Johdanto: tausta - kuparikapseli: tekninen vapautumiseste (korroosiosuoja) - loppusijoitusolosuhteissa myös viruminen on mahdollista Temp Slow time corrosion irradiation Creep damage & failure multiaxiality (Fast strain) Rajat annetulle eliniälle Kapselin OFP-kupari, ~ 50 ppm P Odotettu lämpötila max C Odotettu jännitystaso max ~ 50 MPa (?) Turvallinen v? Stress

4 Raiko 2005

5 Tavoitteet määrittää kokeellisesti ja mallintaa kapselikuparin ja sen hitsien pitkäaikaiskäyttäytyminen, mukaan lukien pitkäaikainen primääriviruminen, mikrorakennemuutokset ja mahdollisten vikojen vaikutus; ja määrittää kokeellisesti ja mallintaa loppusijoitusolosuhteissa odotetun hapetusastetransition vaikutus yhdistetyn virumisen ja korroosion elinikävaikutuksiin Toteutusperiaate Hanke toteutetaan yhteistyönä (VTT, TKK, JRC), KYT-ohjelman ja SKI:n toimeksiannosta; samalla osana kahden tutkijan jatko-opintoja Odotettu päätulos Realistinen arvio kapselin kuparivaipan pitkäaikaiskäyttäytymisestä, eliniästä ja suojauskyvystä loppusijoitusolosuhteissa

6 Tutkimusmenetelmät Kiihdytetyt kokeet: - viruminen (kupari: perusaine ja hitsausliitos) yksi- ja moniaks. (lieriösauva, CT): C / < 100 MPa - viruminen pohjavesiympäristössä: ~ 90 C Koekappaleiden metallografia: - LOM, SEM, EBSD, XRD - mikrorakennemuutokset, muutosten nopeus Mallintaminen: - viruminen, virumismurtuma, moniaks. vaikutukset - hitsausvirheiden vaikutukset - mikrorakennemuutosten vaikutukset - elinikäennusteet

7 Kokeiden kiihdytys - eliniän ennustaminen Menetelmä Ominaispiirteitä Lämpötilan kohottaminen >> C (realistinen σ) Jännityksen kohottaminen >> + 50 MPa (realistinen T) Jännitystilan kohottaminen Korroosio Yhdistelmät Alennettu ΔT Tapauskohtaisia Mekanismimuutosten välttäminen - hitsit ja hitsausvirheet? - kestävyys vuotta?

8 Virumisvenymän mallinnus: MHG & LCSP -> FEM

9 Yleistilanne Yksiaksiaaliset virumiskokeet - max ~5 vuotta ( h) Moniaksiaaliset -"- - max ~1,5 vuotta ( h) ( C: kiihdytys käyttöön verrattuna yhä ~ 1000x) Yhdistetyn virumisen ja korroosion vaikutusten määrittämiseen rakenteilla uusi koelaitteisto Mikrorakenne muuttuu ilmeisesti myös loppusijoitusolosuhteissa (raeraja-alueiden toipuminen, kokeet C) Hitsausvirheiden vaikutus - vikoja sisältävät koesauvat Virumiseliniän mallintaminen: primaariviruminen mukana

10 Esimerkkihavaintoja: FSW-hitsauksen vaikutus virumiselinikään Yksiaksiaalinen hitsin koe (aksiaalinen / radiaalinen) Moniaksiaalinen hitsin koe (CT, compact tension)

11 Liitosvirhe ja sulkeumia hitsin (FSW) juuressa liitosvirhe raon kärki

12 Liitoksen raon kärki (CT-sauva) ennen koetta CT3

13 Liitosvirhe ja sulkeumia hitsin (FSW) juuressa

14 Virumiskoe vian (sulkeuma-alueen) sisältävän hitsin poikki 126 MPa/175 C/15 h 0,1 0,01 Strain rate (1/h) 0,001 0,0001 0, Time (h) 106 MPa/175 C/144 h

15 Virumiskoe hitsin poikki (kapselin radiaalisuunta) Koesauvan VT3 murtopinnat (126 MPa/175 C/15 h)

16 Radiaalinen virumiskoe hitsin poikki: 136 MPa/175 C (sauva VT2)

17 VT5-80 MPa (nim), tr = 16650

18 Radiaalinen liitoksen vs. perusaineen/aksiaalinen liitoksen virumislujuus Stress (MPa) VTT- CW-defect VTT - FSW IM - FSW VTT -PM IM - PM 175 C Ilman vikaa (aksiaalinen) A ~ 40-50% Vikojen kanssa (radiaalinen) A ~ 10-15% a Time (h)

19 Moniaksiaalinen viruminen ja mikrorakennemuutos Inspection 5000 h / 175 C / 34 MPa

20 5000 h / 175 C Raon avauma noin 10 µm Ei voimakkaita raon kärkialueen venymiä Ei selvää särön etenemistä liitokseen viasta huolimatta

21 5000 h / 175 C Raerajamuutos loven molemmilla puolilla: -raerajan "leveneminen" - enimmäkseen lovitasoa vastaan

22 10000 h / 175 C Virumisen aiheuttamia raerajakoloja

23 Johtopäätöksiä - viruminen Pienet hitsausvirheet (liitosvirhe/sulkeumat) OFP-kuparissa: kokeiden vika myös simuloi pintavikoja ja moniaksiaalisuusvaikutuksia Sulkeuma-alue voi pudottaa kuparin virumiselinikää useita kertaluokkia vaikka virhettä ei voi NDT:llä havaita Mikrorakennemuutokset raerajoilla: selvä raerajan toipuminen (potentiaalinen virumislujuuden alenema, näkyy kuitenkin virumiskokeissa)