Published 2008 | Version v1
Miscellaneous

Environmental effects on fatigue of steels for structural parts in water-steam-circuits of light water reactors. Considerations concerning the question of transferability of results from laboratory tests to real operating conditions

Creators

  • 1. AREVA NP GmbH, Erlangen (Germany)

Description

Based on material science and physical chemistry it seems plausible that a corrosive medium can influence the fatigue behaviour of structural materials, i.e. steels. It has been shown decades before that high temperature water has significant effects on the fatigue behaviour of steels, decreasing the crack initiation time or increasing the growth rate of existing cracks. At the beginning of nuclear regulations this expected influence of the medium on fatigue of components of nuclear power plants was worldwide not accounted for in the relevant standards (for instance ASME Boiler and Pressure Vessel Code, section III). There was a general consideration of medium effects on the da/dN crack growth curves in the ASME Code, section XI for the assessment of the surface flaw behaviour during operation. Historically, these regulations were implemented long before the experimental observation of medium effects on crack initiation and crack growth during fatigue of steels in high-temperature water. Besides this fact there have been worldwide no generic, systematic damages of medium containing components in light-water reactors due to corrosion fatigue. Singular damages with significant medium influenced fatigue features could always be explained by not specified operational transients, like thermal stratification or local flow-induced vibrations. The contribution provides considerations that explain the discrepancy between to worldwide positive operational experience and the definitive experimental indication of a medium-enhanced fatigue. Based on these considerations the author scrutinizes critically the US NRC Regulatory Guide 1.207 with respect to the medium influence on the component's fatigue behaviour. Possibilities for experimental assessment of the discussed hypothesis are shown

Abstract (German)

Es erscheint aus werkstoffkundlichen und physikalisch-chemischen Gruenden grundsaetzlich plausibel, dass ein korrosives Medium das Ermuedungsverhalten von Strukturwerkstoffen, z.B. von Staehlen, beeinflussen kann. Schon vor einigen Jahrzehnten wurde experimentell nachgewiesen, dass z.B. Hochtemperaturwasser in Laborversuchen zur Untersuchung des Ermuedungsverhaltens von Staehlen zu deutlichen Effekten fuehrt. Dabei wird je nach Versuchsfuehrung entweder die Zeit bis zur Initiierung von Anrissen verkuerzt oder die Wachstumsgeschwindigkeit vorhandener Risse erhoeht. Dieser zu erwartende Einfluss des Mediums auf den Ermuedungsprozess wurde in den Anfaengen der Regulierung von Konstruktion und Auslegung von Bauteilen und Komponenten fuer Kernkraftwerke in den relevanten Regelwerken (z.B. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III) weltweit nicht explizit beruecksichtigt. Pauschal beruecksichtigt werden Umgebungseffekte dagegen in den entsprechenden da/dN-Risswachstumskurven des ASME Code, Section XI zur Bewertung des betrieblichen Verhaltens von Oberflaechenfehlern. Historisch betrachtet erfolgte in den Regelwerken die Festlegung der Vorgehensweise zur Komponentenauslegung allerdings lange vor dem gezielten experimentellen Nachweis der Umgebungseffekte auf Rissinitiierung und Risswachstum durch Ermuedung von Staehlen in Hochtemperaturwasser. Trotz dieser Erkenntnis ist es weltweit nicht zu generischen, systematischen Schaeden in Medium fuehrenden Systemen von Leichtwasserreaktoren (LWR) durch Korrosionsermuedung infolge von Fehlauslegung gekommen. Vereinzelt aufgetretene Schaeden mit deutlichen Merkmalen umgebungsbeeinflusster Ermuedungsvorgaenge konnten immer eindeutig auf das Vorkommen von unerwarteten, nicht im spezifizierten Belastungskollektiv enthaltenen Betriebstransienten zurueckgefuehrt werden. Zu diesen Ursachen zaehlen z.B. das Auftreten von thermischer Schichtung oder lokale, stroemungsinduzierte Vibrationen. In diesem Beitrag werden Ueberlegungen vorgestellt, welche die zu beobachtende Diskrepanz zwischen der diesbezueglich weltweit ueberwiegend positiven Betriebserfahrung und den Ergebnissen aus Laborversuchen mit dem eindeutigen Nachweis einer die Ermuedung beschleunigenden Wirkung des Mediums erklaeren koennen. Auf dieser Grundlage wird schliesslich kritisch hinterfragt, ob die augenblickliche Vorgehensweise der US-amerikanischen Genehmigungsbehoerde NRC mit dem im Regulatory Guide 1.207 beschriebenen Prozess zur Beruecksichtigung des Mediumseinflusses den tatsaechlich zu erwartenden Vorgaengen am Bauteil in angemessener Weise gerecht wird. Schliesslich wird aufgezeigt, welche Moeglichkeiten zum experimentellen Nachweis der dargestellten Hypothese bestehen. (orig.)
Part of:
34. MPA seminar 2008. Proceedings

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Original title (German)
Der Einfluss des Mediums auf Ermuedungsvorgaenge in Staehlen fuer Strukturbauteile in Wasser-Dampf-Kreislaeufen von Leichtwasserreaktoren. Ueberlegungen zur Frage der Uebertragbarkeit von Ergebnissen aus Laborversuchen auf den realen Anlagenbetrieb

Publishing Information

Imprint Title
34. MPA seminar 2008. Proceedings
Imprint Pagination
985 p.
Journal Page Range
36 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