Alloy 600/182 with excellent mechanical/chemical properties have been utilized for nuclear power plants. Although both alloys are known to have superior corrosion resistance, stress corrosion cracking failure has been an issue in primary water environment of nuclear power plants. Therefore, primary water stress corrosion crack (PWSCC) growth rate tests were conducted to investigate crack growth properties of Alloy 600/182. To investigate PWSCC growth rate, test facilities including water chemistry loop, autoclave, and loading system were constructed. In PWSCC crack growth rate tests, half compact-tension specimens were manufactured. These specimens were then placed inside of the autoclave connected to the loop to provide primary water environment. Tested conditions were set at temperature of $360^{\circ}C$ and pressure of 20MPa. Real time crack growth rates of specimens inside the autoclave were measured by Direct Current potential drop (DCPD) method. To confirm inter-granular (IG) crack as a characteristic of PWSCC, fracture surfaces of tested specimens were observed by SEM. Finally, crack growth rate was derived in a specific stress intensity factor (K) range and similarity with overseas database was identified.
Often, probabilistic fracture mechanics (PFM) approaches have been adopted to quantify the failure probabilities of Ni-base alloy components, especially due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC), in a primary piping system of pressurized water reactors. In this paper, the key features of an advanced PFM code, PINEP-PWSCC (Probabilistic INtegrity Evaluation for nuclear Piping-PWSCC) for such purpose, are described. In developing the code, we adopted most recent research results and advanced models in calculation modules such as PWSCC crack initiation and growth models, a performance-based probability of detection (POD) model for Ni-base alloy welds, and so on. To verify the code, the failure probabilities for various Alloy 182 welds locations were evaluated and compared with field experience and other PFM codes. Finally, the effects of pre-existing crack, weld repair, and POD models on failure probability were evaluated to demonstrate the applicability of PINEP-PWSCC.
Background: Mitigation of primary water stress corrosion cracking (PWSCC) is a significant issue in the nuclear industry. Advanced nickel-based alloys with lower susceptibility have been adopted, although they do not seem to be entirely immune from PWSCC during normal operation. With regard to structural integrity assessments of the relevant components, an accurate evaluation of crack growth rate (CGR) is important. Methods: For the present study, the extended finite element method was adopted from among diverse meshless methods because of its advantages in arbitrary crack analysis. A user-subroutine based on the strain rate damage model was developed and incorporated into the crack growth evaluation. Results: The proposed method was verified by using the well-known Alloy 600 material with a reference CGR curve. The analyzed CGR curve of the alternative Alloy 690 material was then newly estimated by applying the proven method over a practical range of stress intensity factors. Conclusion: Reliable CGR curves were obtained without complex environmental facilities or a high degree of experimental effort. The proposed method may be used to assess the PWSCC resistance of nuclear components subjected to high residual stresses such as those resulting from dissimilar metal welding parts.
The primary water stress corrosion cracking (PWSCC) of dissimilar metal weld based on Alloy 82/182 is one of major issues in material degradation of nuclear components. It is well known that the crack initiation and growth due to PWSCC is influenced by material's susceptibility to PWSCC and distribution of welding residual stress. Therefore, modeling the welding residual stress is of interest in understanding crack formation and growth in dissimilar metal weld. Currently in Korea, a numerical round robin study is undertaken to provide guidance on the welding residual stress analysis of dissimilar metal weld. As a part of this effort, the present paper investigates distribution of welding resisual stress of a ferritic low alloy steel nozzle with dissimilar metal weld using Alloy 82/182. Two-dimensional thermo-mechanical finite element analyses are carried out to simulate multi-pass welding process on the basis of the detailed design and fabrication data. The present results are compared with those from other participants, and more works incorporating physical measurements are going to be performed to quantify the uncertainties relating to modelling assumptions.
Kim, H.-S.;Hong, J.-D.;Lee, J.;Gokul, O.S.;Jang, C.
Corrosion Science and Technology
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제14권3호
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pp.113-119
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2015
Alloy 82/182 weld metals had been extensively used in joining the components of the PWR primary system. Unfortunately, there have been a number of incidents of cracking caused by PWSCC in Alloy 82/182 welds during the operation of PWR worldwide. To mitigate PWSCC, optimization of water-chemistry conditions, especially dissolved hydrogen (DH) and Zn contents, is considered as the most promising and effective remedial method. In this study, the PWSCC behaviours of Alloy 182 weld were investigated in simulated PWR environments with various DH content. Both in-situ and ex-situ oxide characterizations as well as PWSCC initiation tests were performed. The results showed that PWSCC crack initiation time was shortest in PWR water (DH: 30cc/kg). Also, high stress reduced crack initiation time. Oxide layer showed multi-layered structures consisted of the outer needle-like Ni-rich oxide layer, Fe-rich crystalline oxide, and inner Cr-rich inner oxide layers, which was not altered by the level of applied stress. To analyse the multi-layer structure of oxides, EIS measurement were fitted into an equivalent circuit model. Further analyses including TEM and EDS are underway to verify appropriateness of the equivalent circuit model.
Kim, Sung-Woo;Eom, Ki-Hyun;Lim, Yun-Soo;Kim, Dong-Jin
Nuclear Engineering and Technology
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제51권4호
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pp.1060-1068
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2019
This work aims to establish a model of a primary water stress corrosion crack growth rate of Alloy 690 material for the head penetration nozzles of Korean pressurized water reactors. The test material had an inhomogeneous microstructure with bands of fine-grains and intragranular carbides in the matrix of coarse-grains, which was similar to the archive materials of the head penetration nozzles. The crack growth rate was measured from the strain-hardened materials as a function of the stress intensity factor in simulated primary water at various temperatures and dissolved hydrogen contents. The effects of strain-hardening, temperature, and dissolved hydrogen on the crack growth rate were analyzed independently, and were then introduced as normalizing factors in the crack growth rate model. The crack growth rate model proposed in this work provides a key element of the tools needed to assess the progress of a stress corrosion crack when detected in thick-wall Alloy 690 components in Korean reactors.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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제37권1호
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pp.47-54
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2013
This study investigates the crack growth behavior due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC) in the dissimilar metal butt weld of a reactor piping using Alloy 82/182. First, detailed finite element stress analyses were performed to predict the stress distribution of the dissimilar metal butt weld in which the hydrostatic and the normal operating loads as well as the weld residual stresses were considered to evaluate the stress redistribution due to mechanical loadings. Based on the stress distributions along the wall thickness of the dissimilar metal butt weld, the crack growth behavior of the postulated axial and circumferential cracks were predicted, from which the crack growth diagram due to PWSCC was proposed. The present results can be applied to predict the crack growth rate in the dissimilar metal butt weld of reactor piping due to PWSCC.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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제8권1호
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pp.8-18
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2012
In early constructed nuclear power plants, Ni-based Alloys 82/182 had been widely used for dissimilar metal welds (DMW) as a weld filler metal. However, Alloys 82/182 have been proven to be susceptible to primary water stress corrosion cracking (PWSCC) in the nuclear primary water environment. The formation of crack due to PWSCC is also influenced by weld residual stresses. Thus, the accurate estimation of weld residual stresses of DMW is crucial to investigate the possibility of PWSCC and instability behaviors of crack due to PWSCC. In this context, the present paper investigates weld residual stresses of nuclear reactor piping nozzles based on 2-D axi-symmetric finite element analyses based on layer-based approach using maximum molten bead temperature. In particular, the effect of analysis parameters, i.e., a thickness of weld layer, an initial molten bead temperature, convection heat transfer coefficient, and geometric constraints on predicted weld residual stresses was investigated.
Stress corrosion cracks in Alloy 600 compact tension specimens tested at $325^{\circ}C$ in a simulated primary water environment of pressurized water reactor were analyzed by analytical transmission electron microscopy and secondary ion mass spectroscopy (SIMS). From a fine-probe chemical analysis, oxygen was found on the grain boundary just ahead of the crack tip, and chromium oxides were precipitated on the crack tip and the grain boundary attacked by the oxygen diffusion, leaving a Cr/Fe depletion (or Ni enrichment) zone. The oxide layer inside the crack was revealed to consist of a double (inner and outer) layer. Chromium oxides existed in the inner layer, with NiO and (Ni,Cr) spinels in the outer layer. From the nano-SIMS analysis, oxygen was detected at the locations of intergranular chromium carbides ahead of the crack tip, which means that oxygen diffused into the grain boundary and oxidized the surfaces of the chromium carbides. The intergranular chromium carbide blunted the crack tip, thereby suppressing the crack propagation.
Inconel 600 alloy is used as the material of nuclear steam generator tubing because of its mechanical properties, formability, and corrosion properties. According to reports, the life time of nuclear power plants decreases because of the pitting, intergranular attack, primary water stress corrosion cracking(PWSCC), and intergranular stress corrosion cracking(IGSCC), and denting in the steam generator. The SCC test is very important because of SCC appears in various environment such as solutions, materials, and stress. The C-Rig specimen was made of the steam generator welded sleeve repairing by the pulsed Nd:YAG laser. In the corrosion invironment, corrosion solutions are Primary Water, Caustic, and Sulfate solution and corrosion time is 1624-4877hr. The permitted stress is 30-60ksi.In this C-Ring SCC test is the relationship between corrosion depth, crack and corrosion environment is evaluated. SCC was happens in Sulfate and Corrosion solution but doesn't happen in Primary Water. The corrosion time and stress is very affected by the severely environment of Sulfate or Caustic solution. The microstructure observation indicates that SCC causes interganular failure in the grain boundary of vertical direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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