Lämpökäsittely kasvattaa nikkeliseoshitsien murtumisvastusta

DI Matias Ahonen tutki väitöstyössään ydinvoimalaitosten eripariliitoksissa käytettävien nikkeliseoshitsien murtumiskäyttäytymistä vetypitoisessa vedessä.

- Mitä parempi hitsien murtumisvastus on, sitä turvallisempaa laitosta on käyttää. Rakenteiden pitää olla sitkeitä ja kestää kuormia kaikissa olosuhteissa, vaikka teräksessä tai hitsissä olisi jännityskorroosiosärö tai muu alkuvika, Ahonen sanoo.

Vetyä raerajoilla

Väitöstyössä simuloitiin ydinvoimalaitoksen olosuhteita pitämällä koekappaleita kuukauden ajan 300 °C-asteen lämpötilassa ja 100 baarin paineessa, jonka jälkeen lämpötila laskettiin 55 °C-asteeseen.

Tutkimuksen kohteena oli neljä nikkeliseoshitsiä, Alloy 182 ja 82 sekä Alloy 152 ja 52. Näitä hitsiaineita käytetään yleisesti ydinvoimalaitoksissa reaktoripaineastian suuttimien ja primääripiirin putkiston välisissä liitoksissa. Suuttimet ovat ferriittistä paineastiaterästä ja primääripiirin putkistot austeniittista ruostumatonta terästä.

Tulosten mukaan perinteinen, edelleen laajasti käytössä oleva Alloy 182 on selvästi alttiimpi matalan lämpötilan särönkasvulle vetypitoisessa vedessä kuin uudempi, kromipitoisempi Alloy 52.  

- Lämpökäsittelyn vaikutusta tutkittiin hitsiaineilla 182 ja 52. Altistuminen korkeaan lämpötilaan ennen kokeen aloittamista kasvatti kummankin hitsiaineen murtumisvastusta. Hitsauksen jälkeen tehty lämpökäsittely vaikutti myös myönteisesti, vaikkakin melko vähän murtumisvastukseen, Ahonen toteaa.

Eri nikkeliseoshitsien toisistaan poikkeavan murtumisvastuskäyttäytymisen oletetaan johtuvan pääasiassa erityyppisistä karbideista, jotka joissain tapauksissa madaltavat murtumisvastusta. Karbidit aiheuttavat vedyn loukkuuntumista raerajoille ja vaikuttavat raerajojen venymäjakaumaan, mikä puolestaan vaikuttaa vedyn saatavuuteen särön kärjen läheisyydessä.

Karbideilla on kuitenkin myös hyviä vaikutuksia: ne parantavat materiaalien virumiskestävyyttä ja lujuutta.

Riskit minimiin

Väitöskirja on aihepiirissään ensimmäinen tutkimus, jossa vertaillaan tutkimuskäyttöön valmistettujen puhtaiden hitsiaineiden ja laitoshitsejä vastaavien materiaalien käyttäytymistä. Oikeiden laitoshitsien tapauksessa hitsiaineet eivät säily hitsauksessa puhtaina vaan sekoittuvat perusaineen kanssa.

Matalan lämpötilan särönkasvun mekanismilla tapahtuvaa jännityskorroosiota ei ole todettu ydinvoimalaitoksissa. Ahosen mukaan mekanismia kuitenkin tutkitaan, koska ydinvoiman tuotannon turvallisuusriskit halutaan minimoida.

- Vaikka väitöstyössä esitettyä mekanismia ei ole vielä raportoitu tapahtuneen, ei se tarkoita, että se olisi mahdoton. Ydinvoimatuotannon lisäksi tutkimus tuo lisätietoa vedyn aiheuttamaan jännityskorroosioon liittyvästä ilmiöstä monille muille aloille, joissa rakennetaan hitsattuja rakenteita, Ahonen sanoo.

Väitöstyö tuotti numeerista tietoa, jota voidaan käyttää hyväksi FEM-laskennalla tehtävässä mallinnuksessa. FEM-laskentaa käytetään laajalti eri aloilla rakenteiden ominaisuuksien arviointiin.

DI Matias Ahonen väitteli 18.9.2015 Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa aiheesta Mikrorakenteen vaikutus nikkeliseoshitsien vedyn aiheuttamaan murtumiseen matalissa lämpötiloissa. Väitöskirjan nimi on Effect of microstructure on low temperature hydrogen-induced cracking behaviour of nickel-based alloy weld metals.

Väitöskirjan verkko-osoite on: http://www.vtt.fi/inf/pdf/science/2015/S105.pdf

Väittelijän yhteystiedot:

Matias Ahonen, puh. 040 1508774, matias.ahonen@vtt.fi