Estudio de la aleación Excel y su potencial uso en tubos de presión de Centrales Nucleares CANDU
2015
| Tesista | Lucio María Emilio PONZONI Ingeniero Mecánico - Universidad Nacional del Comahue - Argentina Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dra. Gladys DOMIZZI. CNEA, UNSAM - Argentina Dr. Juan Ignacio MIEZA. UNSAM, CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - Argentina |
| Fecha Defensa | 02/06/2015 |
| Jurado | Dr. Alberto F. ARMAS. IFIR, UNR, CONICET - Argentina Dr. Claudio Ariel DANÓN. CNEA - Argentina Lic. Roberto Elías HADDAD ANDALAF. CNEA - Argentina |
| Código | IS/TD 92/15 |
Título completo
Estudio de la aleación Excel y su potencial uso en tubos de presión de Centrales Nucleares CANDU
Resumen
En la presente tesis, se estudió el potencial uso de la aleación Excel en la industria nuclear, en particular para su uso como tubos de presión de centrales nucleares tipo CANDU. Para ello, se estudió la aleación Excel desde el punto de vista de la Rotura Diferida Inducida por Hidruros (RDIH) ya que éste es uno de los fenómenos más importantes a tener en cuenta para su evaluación como tubo de presión.
El material Excel fue estudiado en tres condiciones metalúrgicas diferentes logradas a partir de la realización de tratamientos térmicos en el material suministrado.
Los parámetros que se evaluaron de la RDIH en las tres condiciones metalúrgicas del material Excel fueron:
-Velocidades de propagación de la fisura en la dirección Axial y Radial
-Temperatura crítica o Concentración crítica.
-Factor de intensidad de tensiones umbral (KIH)
Para la obtención de los valores de KIH, se desarrollaron y construyeron íntegramente dos dispositivos novedosos automatizados (máquinas) del tipo viga en voladizo (Cantiléver Beam) que permitieron la determinación del KIH y la medición de la velocidad de propagación de la fisura en la dirección radial.
En forma complementaria al estudio de la RDIH, se hizo un estudio exhaustivo de la solubilidad del hidrógeno en la aleación Excel en las tres condiciones metalúrgicas diferentes, como así también se estudiaron los efectos de temperatura máxima, tiempo de permanencia, envejecimiento y, velocidad de enfriamiento sobre la solubilidad.
Los resultados encontrados son muy alentadores respecto del fenómeno RDIH, ya que en líneas generales, el comportamiento de la aleación Excel es mejor al de la aleación Zr-2,5 Nb (empleada actualmente en los tubos de presión CANDU), más aún, la mayor resistencia mecánica respecto del tubo de Zr-2,5 Nb le abre al Excel un espectro de usos en la industria nuclear donde se requieran mayores temperaturas y presiones para aumentar los rendimientos energéticos de los reactores, siendo esta la razón de su selección como aleación candidata para ser usada en los tubos de presión de los reactores CANDU de cuarta generación.
Palabras Claves: Excel, Tubo de presión, Máquina KIH, Solubilidad, RDIH, KIH, Velocidad de propagación, Temperatura Crítica, Concentración Crítica.
El material Excel fue estudiado en tres condiciones metalúrgicas diferentes logradas a partir de la realización de tratamientos térmicos en el material suministrado.
Los parámetros que se evaluaron de la RDIH en las tres condiciones metalúrgicas del material Excel fueron:
-Velocidades de propagación de la fisura en la dirección Axial y Radial
-Temperatura crítica o Concentración crítica.
-Factor de intensidad de tensiones umbral (KIH)
Para la obtención de los valores de KIH, se desarrollaron y construyeron íntegramente dos dispositivos novedosos automatizados (máquinas) del tipo viga en voladizo (Cantiléver Beam) que permitieron la determinación del KIH y la medición de la velocidad de propagación de la fisura en la dirección radial.
En forma complementaria al estudio de la RDIH, se hizo un estudio exhaustivo de la solubilidad del hidrógeno en la aleación Excel en las tres condiciones metalúrgicas diferentes, como así también se estudiaron los efectos de temperatura máxima, tiempo de permanencia, envejecimiento y, velocidad de enfriamiento sobre la solubilidad.
Los resultados encontrados son muy alentadores respecto del fenómeno RDIH, ya que en líneas generales, el comportamiento de la aleación Excel es mejor al de la aleación Zr-2,5 Nb (empleada actualmente en los tubos de presión CANDU), más aún, la mayor resistencia mecánica respecto del tubo de Zr-2,5 Nb le abre al Excel un espectro de usos en la industria nuclear donde se requieran mayores temperaturas y presiones para aumentar los rendimientos energéticos de los reactores, siendo esta la razón de su selección como aleación candidata para ser usada en los tubos de presión de los reactores CANDU de cuarta generación.
Palabras Claves: Excel, Tubo de presión, Máquina KIH, Solubilidad, RDIH, KIH, Velocidad de propagación, Temperatura Crítica, Concentración Crítica.
Complete Title
Study of the Excel Alloy and its potential use in pressure tubes of Candu Nuclear Reactors
Abstract
In the present thesis, the potential use of the Excel alloy in the nuclear industry was studied, particularly for its use in pressure tubes of CANDU nuclear reactors. So the Excel alloy was studied from the point of view of the Delayed Hydride Cracking (DHC) phenomenon due to its relevance for its evaluation as a pressure tube.
Excel material was studied in three different metallurgical conditions obtained from some heat treatments applied to this.
The parameters tested in DHC for all metallurgical conditions of the Excel alloy were:
-Rate of crack propagation in Axial and Radial directions.
-Critical temperature or Hydrogen concentration limit.
-Threshold stress intensity factor (KIH)
For KIH tests, two innovate automated machines of cantilever beam type were developed and built to determine the KIH and measure propagation rates of cracks in radial direction.
On the other hand, a depth study was done of the hydrogen solubility in Excel alloy in the same three metallurgical conditions, as well the effects of maximum temperature, holding time, ageing and cooling rate in its hydrogen solubility were studied.
The results obtained are very successful respect to the DHC phenomenon due to, generally, the behavior of the Excel alloy is better than the Zr-2,5Nb alloy (currently used in CANDU pressure tubes). Even more, its higher mechanical resistance than the Zr-2,5Nb brings to the Excel alloy the opportunity of being used in nuclear components were high temperatures and pressures are required to increase reactors energetic performance. So this is why the Excel alloy is selected as a candidate in pressure tubes for fourth generation CANDU reactors.
Keywords: Excel, pressure tube, KIH machine, Solubility, DHC, KIH, Propagation rate, Critical temperature, Hydrogen concentration limit.
Excel material was studied in three different metallurgical conditions obtained from some heat treatments applied to this.
The parameters tested in DHC for all metallurgical conditions of the Excel alloy were:
-Rate of crack propagation in Axial and Radial directions.
-Critical temperature or Hydrogen concentration limit.
-Threshold stress intensity factor (KIH)
For KIH tests, two innovate automated machines of cantilever beam type were developed and built to determine the KIH and measure propagation rates of cracks in radial direction.
On the other hand, a depth study was done of the hydrogen solubility in Excel alloy in the same three metallurgical conditions, as well the effects of maximum temperature, holding time, ageing and cooling rate in its hydrogen solubility were studied.
The results obtained are very successful respect to the DHC phenomenon due to, generally, the behavior of the Excel alloy is better than the Zr-2,5Nb alloy (currently used in CANDU pressure tubes). Even more, its higher mechanical resistance than the Zr-2,5Nb brings to the Excel alloy the opportunity of being used in nuclear components were high temperatures and pressures are required to increase reactors energetic performance. So this is why the Excel alloy is selected as a candidate in pressure tubes for fourth generation CANDU reactors.
Keywords: Excel, pressure tube, KIH machine, Solubility, DHC, KIH, Propagation rate, Critical temperature, Hydrogen concentration limit.
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