Published 2008 | Version v1
Miscellaneous

Numerical and experimental analysis of the residual stress field in cladded components

  • 1. Fraunhofer Inst. fuer Werkstoffmechanik, Freiburg (Germany)

Description

The inner surface of a ferritic reactor pressure vessel is protected against corrosion by an austenitic cladding that is usually performed by a double-pass welding in order to avoid under-clad defects und to improve the microstructural properties of the cladding material. On the other hand the different thermal expansion coefficients of the cladding and the base metal induce a complex residual stress field. This has a non-negligible influence on the fracture mechanical assessment of postulated flaws within or under the cladding. The determination of the residual stress field was achieved by numerical simulation of the cladding process. The calibration of the used equivalent heat sources for the modelling of the heat input within the simulation was performed using measured data of the temperature field in a KTA compliant cladding process of test plates made of plant-representative materials. The simulation of the welding process used the temperature dependent material characteristics taking into account the transformation behaviour of the ferritic base metal. The resulting residual stress field shows significant tensile stresses within the cladding with a subsequent compressive stress field under the cladding. The calculated residual stress field is in good agreement with the experimental data. A comparison of the calculated residual stress field using the process simulation with the results of a simplified modelling assuming an increased stress-free temperature in the range of the operation temperature shows also a good agreement, esp. using the materials characteristics of KTA

Abstract (German)

Die Innenoberflaeche von Reaktordruckbehaeltern aus ferritischen Werkstoffen wird zum Schutz gegen Korrosion mit einer austenitischen Plattierung versehen. Diese wird ueblicherweise als zweilagige Schweissplattierung ausgefuehrt, um die Bildung von Unterplattierungsfehlern zu vermeiden und die mikrostrukturellen Eigenschaften des Plattierungswerkstoffs zu verbessern. Auf der anderen Seite bildet sich, durch den Schweissprozess und die unterschiedlichen Thermaldehnungskoeffizienten der Plattierung und des Grundwerkstoffs bedingt, ein komplexes Eigenspannungsfeld aus. Dieses hat einen nicht vernachlaessigbaren Einfluss auf die bruchmechanische Bewertung postulierter Fehler innerhalb oder unter der Plattierung. Zur Bestimmung des Eigenspannungsfelds wurde der Plattierungsprozess numerisch simuliert. Die Kalibrierung des Waermeeintrags der in der Simulation verwendeten Ersatzwaermequelle erfolgte durch einen Abgleich mit Messergebnissen des Temperaturfelds bei einer KTA-konformen Schweissplattierung von Versuchsplatten aus anlagenrelevanten Werkstoffen. In der Simulation des Schweissprozesses wurden die temperaturabhaengigen Materialparameter unter Beruecksichtigung des Umwandlungsverhaltens des ferritischen Grundwerkstoffs verwendet. Im Anschluss erfolgte eine Simulation der Waermebehandlung. Das Ergebnis zeigt ein Eigenspannungsfeld, welches in der Plattierung signifikante Zugeigenspannungen aufweist, an die sich ein Druckeigenspannungsfeld unter der Plattierung anschliesst. Das berechnete Eigenspannungsfeld steht in guter Uebereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Ein Vergleich des durch die Prozesssimulation berechneten Eigenspannungsfelds mit einer vereinfachten Modellierung durch Annahme einer erhoehten Spannungsfreiheitstemperatur in Hoehe der Betriebstemperatur zeigt eine gute Uebereinstimmung insbesondere unter Verwendung der in der KTA-Regel angegebenen Werkstoffkennwerte. (orig.)
Part of:
34. MPA seminar 2008. Proceedings

Additional details

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Original title (German)
Numerische und experimentelle Bestimmung des Eigenspannungszustands in plattierten Komponenten

Publishing Information

Imprint Title
34. MPA seminar 2008. Proceedings
Imprint Pagination
985 p.
Journal Page Range
18 p.
ISSN
1861-5414
Report number
INIS-DE--0519

Conference

Title
34. MPA seminar 2008
Original Conference Title
34. MPA Seminar 2008
Dates
9-10 Oct 2008
Place
Stuttgart (Germany)

Optional Information

Notes
Imprint:Available as CD-ROM;34. MPA Seminar 2008. Vortraege