DE2709906A1

DE2709906A1 - Weld metal for nuclear reactor pressure vessels - with reduced susceptibility to loss in toughness on neutron bombardment

Info

Publication number: DE2709906A1
Application number: DE19772709906
Authority: DE
Inventors: Eric Curtis Biemueller
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1976-03-08
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1977-09-15
Also published as: JPS5820720B2; JPS52119444A; DE2709906C3; DE2709906B2

Abstract

Weld metal for joints comprises is not >0.15% C, 1-2.2% Mn, is not >0.015% P, is not >0.02% S, is not >0.4% Si, is not >1.2% Ni, is not >2.5% Cr, 0.3-1.2% Mo, is not >0.1% Cu, is not >0.05% V and balance Fe. Ratio (Ni + Si) : (Mn + Cr + Mo) is not >0.4:1. Weld metal has reduced susceptibility to loss in toughness on neutron bombardment. Weld metal with resistance to toughness loss on neutron bombardment equivalent or superior to that of pressure vessel steels pref. contains is not >0.15% C, 1-2.2% Mn, is not >0.015% P, is not >0.02% S, is not >0.4% Si, is not >1.2% Ni, is not >2.5% Cr, 0.03-1.2% Mo, is not >0.1% Cu, 0.05% V, and balance Fe. (Ni + Si) : (Mn + Cr + Mo) =0.4:1.

Description

Beschreibungdescription

zum patentgesuch "Kernreaktordruckqef§ß" Die Erfindung betrifft ein Kernreaktordruckgefäß aus miteinander verschweißten Stahlteilen. to the patent application "Kernreaktordruckqef§ß" The invention relates to a Nuclear reactor pressure vessel made from welded steel parts.

Es wurde beobachtet, daß Stähle, die üblicherweise in Druckbehältern von Kernreaktoren verwendet werden, einer Zähigkeitsveränderung nach länger dauerndem Beschuß mit hochenergetischen (größer als 1 Mev) Neutronen unterliegen. Das Ergebnis ist, daß mit zunehmendem Alter des Druckbehälters niedrigere Zugbelastungen toleriert werden können, was es erforderlich macht, den Anfahr- und Abfahrprozeß zu verlängern. Lange Anfahr- und Abfahrprozesse sind jedoch normalerweise sehr kostspielig. It has been observed that steels commonly used in pressure vessels are used by nuclear reactors, a change in viscosity after a longer period of time Bombardment with high-energy (greater than 1 Mev) neutrons are subject. The result is that with increasing age the pressure vessel tolerates lower tensile loads can be, which makes it necessary to extend the start-up and shutdown process. However, long start-up and shutdown processes are usually very costly.

In einigen Fällen ist nicht das Basismaterial, sondern das Schweißmetall der begrenzende Faktor, welcher die Zugbelastung bestimmt, die der Behälter aufnehmen kann, und damit auch bestimmt, wie lang die Anfahr- und Abfahrprozesse sein müssen. Es ist deshalb vorteilhaft, daß die verwendeten Schweißmetalle eine Widerstandsfähigkeit gegenüber durch Neutronenbeschuß verursachten Xnderungen haben, die ebenso groß oder besser ist als die des Druckbehälterplattenmaterials. Aus diesem Grunde wurden in den letzten 15 Jahren zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um festzustellen, uiche Beiträge die verschiedenen Schweißlegierungsbestandteile zu der Widerstandsfähigkeit der Legierung gegen Neutronenbeschuß verursachten Anderungen haben. Diese Untersuchungen haben zu verschiedenen einzelnen Legierungen geführt, die die notwendige Charakteristik der bleibenden Zähigkeit und Festigkeit mindestens in dem Maße wie das Druckgefäßmaterial aufweisen. In some cases it is not the base material but the weld metal the limiting factor that determines the tensile load that the container can take can, and thus also determines how long the start-up and shutdown processes must be. It is therefore advantageous that the weld metals used have a resistance compared to changes caused by neutron bombardment that are just as great or better than that of the pressure vessel plate material. Because of this, in the past 15 years numerous investigations carried out, to determine uiche contributions the various welding alloy constituents changes caused in the alloy's resistance to neutron bombardment to have. These investigations have led to various individual alloys, which have the necessary characteristics of permanent toughness and strength at least to the same extent as the pressure vessel material.

Während jedoch einzelne Legierungen gefunden wurden und noch gefunden werden, bestanden nur sporadische Kenntnisse bezüglich der allgemeinen Effekte der einzelnen Elemente in den Legierungen (vgl. beispielsweise U. Potapovs und J.R. Hawthorne, "The Effect of Residual Elements on 550° F Irradiation Response of Selected Pressure Vessel Steels and Weldments", NRL Report 6803, Naval Research Laboratory, November 22, 1968). Insbesondere hinsichtlich des Einflusses von Nickel bestand ziemliche Unsicherheit (vgl. beispielsweise J.R. Hawthorne, "Radiation Embrittlement Resistance of Advanced NiCrMo Steel Plates, Forgings, and Weldments", NRL Report 7573, Naval Research Laboratory, September 13, 1973; ebenso Pressure Vessel Technology, Part III, ASME 1974, Seiten 231 bis 251).However, while individual alloys have been found and are still being found there was only sporadic knowledge of the general effects of the individual elements in the alloys (see for example U. Potapovs and J.R. Hawthorne, "The Effect of Residual Elements on 550 ° F Irradiation Response of Selected Pressure Vessel Steels and Weldments ", NRL Report 6803, Naval Research Laboratory, November 22, 1968). In particular with regard to the influence of nickel quite a bit of uncertainty (see, for example, J.R. Hawthorne, "Radiation Embrittlement Resistance of Advanced NiCrMo Steel Plates, Forgings, and Weldments ", NRL Report 7573, Naval Research Laboratory, September 13, 1973; also Pressure Vessel Technology, Part III, ASME 1974, pages 231 to 251).

Die Veränderung in der mit Zähigkeit verbundenen Festigkeit ("toughness") (vgl. H.G. Freeman, ~Fachenglisch", Heymanns-Verlag 1969, Seite 73) eines Metalls wird gemessen durch eine Normprüfung unter der Bezeichnung Charpy V-notch impact test. Eine Probe vorgegebener Abmessungen des Metalls, das zu prüfen ist, wird dem Aufschlag eines Pendels ausgesetzt, wobei die Probe zerstört wird. Die Zähigkeit der Probe wird bestimmt durch die Energie, die sie von dem Pendel absorbiert und die Zähigkeitsverlust-Übergangstemperatur für eine gegebene Probe ist die Temperatur, bei der sie eine gegebene Energiemenge von dem auftreffenden Pendel aufnimmt, typischerweise 30 ft.-lbs. (4,15 kgm). Die änderung dieser Größe infolge durch Bestrahlung hervorgerufener Effekte wird als NDTT (nil-ductility transition temperature) bezeichnet. The change in the toughness associated with toughness (cf. H.G. Freeman, ~ Fachenglisch ", Heymanns-Verlag 1969, page 73) of a metal is measured by a standard test called Charpy V-notch impact test. A sample of predetermined dimensions of the metal to be tested is given to the Suspended impact of a pendulum, destroying the sample. The tenacity the sample is determined by the energy it absorbs from the pendulum and the toughness transition temperature for a given sample is the temperature at which it absorbs a given amount of energy from the impacting pendulum, typically 30 ft.-lbs. (4.15 kgm). The change of this size as a result of Irradiation caused effects is called NDTT (nil-ductility transition temperature) designated.

Es ist wünschenswert, daß das Metall einer Schweißnaht eine mindestens ebenso niedrige a NDTT bei Bestrahlung aufweist wie das Grundmetall, das mit ihm verschweißt wird. Obwohl verschiedene einzelne Schweißmetalle diese Bedingung erfüllen, ist kein breiter Bereich bekannt geworden.It is desirable that the metal of a weld seam have at least one has just as low a NDTT on irradiation as the base metal that accompanies it is welded. Although various individual weld metals meet this condition, no broad area has become known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kernreaktordruckgefäß aus miteinander verschweißten Stahlteilen zu schaffen, das Schweißnähte aufweist, die betriebsmäsiq Neutronenbeschuß ausgesetzt immer eine Widerstandsfähigkeit gegenüber neutronenbeschuf3bedinaten Veränderungen besitzen, die ausreicht, um zu verhindern, daß die Schweißnähte die Zugbelastbarkeit der Konstruktionen begrenzen, deren Teil sie sind, wobei die Schweißnähte eine Zusammensetzung aufweisen, die in relativ weiten Grenzen variieren kann. The object of the present invention is to provide a nuclear reactor pressure vessel to create from welded steel parts, which has welds, the operationally exposed neutron bombardment always has a resistance to neutron-induced changes that are sufficient to prevent that the welds limit the tensile strength of the structures, their part they are, wherein the welds have a composition that in relative can vary widely.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schweißnähte folgende Zusammensetzun in Gew.-% aufweisen: Kohlenstoff 0.00 - 0.15 Mangan 1.00 - 2.20 Phosphor 0.00 - 0.015 Schwefel 0.00 - 0.02 Silizium 0.00 - 0.40 Nickel 0.00 - 1.20 Chrom 0.00 - 2.50 Molvbdän 0.30 - 1!20 Kupfer 0.00 - O.lo Vanadium 0.00 - 0.05 Rest im wesentlichen Eisen, wobei folgerde Bedingung erflillt ist: A/B c o,4, worin A die Summe der Gew.-% von Nickel und Silizium ist, und B die Summe der Gew.-% von Mangan, Chrom und Molybdän. This object is achieved in that the weld seams follow Composition in% by weight have: carbon 0.00 - 0.15 manganese 1.00 - 2.20 phosphorus 0.00 - 0.015 sulfur 0.00 - 0.02 silicon 0.00 - 0.40 nickel 0.00 - 1.20 chromium 0.00 - 2.50 Molvbdenum 0.30 - 1! 20 Copper 0.00 - O.lo Vanadium 0.00 - 0.05 remainder im essential iron, where the following condition is fulfilled: A / B c o, 4, wherein A is the sum of the weight percent of nickel and silicon, and B is the sum of the weight percent of Manganese, chromium and molybdenum.

Der Fachmann weiß, daß die Zusammensetzung des verschweißten Schweißnetalls vorausberechnet werden kann aus der Zusarmnensetzung des Schweißdrahtes und des venvendeten Schweißflußmittels. Beisnielsweise dient bei der Unterpulverbogenschweißung das Flußmittel dazu, das geschmolzene Schweißmaterial gegen die Atmosphäre abzuschirmen, und das Schweißnahtmetall wird im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben wie der Schweißdraht (die Elektrode), obwohl einige chemische Unterschiede bestehen infolae der Wechselwirkung zwischen dem gesciwtolzenen schweißmetall und dem Flußmittel. Those skilled in the art know that the composition of the welded weld metal can be calculated in advance from the composition of the welding wire and the welding flux used. For example, it is used for submerged arc welding the flux to shield the molten welding material from the atmosphere, and the weld metal will be of substantially the same composition like the welding wire (electrode), although there are some chemical differences infolae of the interaction between the bolted weld metal and the flux.

Bei der manuellen Bogenschweißung ist die sich verbrauchende Schweißelektrode mit einem Flußmittel beschichtet, welche die Schweißung beim Verschweißen schützt und außerdem Legierungsbestandteile enthält. Die Wechselwirkung des Flußmittels und der Metallelektrode ergibt die gewünschte Schweißnahtlegierunq.In manual arc welding, the welding electrode is consumed coated with a flux, which protects the weld during welding and also contains alloy components. The interaction of the flux and the metal electrode produces the desired weld seam alloy.

Für Unterpulverbogenschweißungen ist es deshalb nur ertorderlich, Schweißdraht zu verwenden, der im wesentlichen der angegebenen Zusammensetzung entspricht. FBür von Hand auszuführende Bogenschweißungen und Elektroschlackenschweißunqen, bei denen chemische Wechselwirkungen zwischen dem geschmolzenen Flußmittel und dem Metall erfolgen, um die Zusammensetzung der Schweißlegierung zu ergeben, müssen Flußmittel und Schweißmetall so beschaffen sein, daß die Kombination der beiden während des Schweißprozesses eine Schweißnahtlegierung der obigen Zusammensetzung ergibt.For submerged arc welding it is therefore only necessary Use welding wire that essentially corresponds to the specified composition. For manual arc welding and electroslag welding, where chemical interactions between the molten flux and the Metal must be made to give the composition of the welding alloy Flux and weld metal must be such that the combination of the two a weld seam alloy of the above composition during the welding process results.

Der erfahrene Fachmann weiß auch, daß handelsüblicher Schweißdraht, der die angegebene Zusammensetzung aufweisen soll, andere Verunreinigungen enthalten wird, doch werden diese in geringsten Quantitäten bei marktgängigen Qualitäten vorliegen. Solche Verunreinigungen beeinträchtigen höchstens unwesentlich die geforderten Eigenschaften. Es wurde aber im Patentanspruch durch den Ausdruck "Rest im wesentlichen Eisen" verdeutlicht, daß das Eisen Bestandteile enthalten mag, die nicht merkbar die Zusammensetzung gemäß der Erfindung beeinträchtigen, und dan das Eisen demgemäß die handelsübliche Reinheit haben kann. The experienced specialist also knows that commercially available welding wire, which should have the specified composition contain other impurities will, but these will be available in the smallest quantities with marketable qualities. Such impurities affect at most insignificant the required properties. But it was in the claim by the expression "rest essentially iron "makes it clear that the iron may contain components that do not noticeably affect the composition according to the invention, and then that Iron can accordingly have the commercial purity.

Bei Befolgung der Lehre gemäß der Erfinduna besitzen die Druckgefäße Schweißnähte, deren NDTT infolge Bestuhlung geringer ist als die von Stahlplatten gemäß der üblicherweise für die Druckbehälterherstellunq verwendeten Spezifikation. If the teaching according to the invention is followed, the pressure vessels have Weld seams whose NDTT is lower than that of steel plates due to seating according to the specification usually used for the manufacture of pressure vessels.

Es ist festzuhalten, daß die Kriterien gemäß dem Patentanspruch konservativ sind in dem Sinne, daß sie akzeptable Ergebnisse liefern, selbst bei Schweißnähten, die nach der Schweißung Wärmebehandlungen unterworfen werden, welche am wenigsten günstig für die nach der Bestrahlung vorliegende "toughness" (Festiqkeit plus Zähigkeit, vgl. oben) sind; die weniger ausgedehnten Wärmebehandlungen haben normalerweise die Tendenz, geringere änderungen der NDTT zu bewirken. Demgemäß können einige Schweißnähte, welche dem Patentanspruch unterfallen, mit der Ausnahme, daß A/B etwas größer ist als o,4, noch zu brauchbaren Resultaten führen, wenn die nach der Schweißung durchgeführten Wärmebehandlungen relativ kurzdauernd sind. Befriedigende Resultate können jedoch nur garantiert werden, wenn die A/B # o,4 Bedingung erfüllt wird.It should be noted that the criteria according to the patent claim are conservative are in the sense that they give acceptable results, even on welds, which are subjected to heat treatments after welding, which least favorable for the "toughness" (strength plus toughness, see above) are; the less extensive heat treatments usually have the tendency to cause minor changes in NDTT. Accordingly, some welds, which fall under the claim, with the exception that A / B is slightly larger than o, 4, still lead to usable results if those carried out after the weld Heat treatments are relatively short-lived. However, satisfactory results can be obtained can only be guaranteed if the A / B # o.4 condition is met.

Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Schweißnähte der Kernreaktordruckgefäße bei Verwendung von Platten aus ASME A 533 B folgende Zusammensetzung aufweisen: Kohlenstoff 0.00 - 0.10 Mangan 1.00 - 1.25 Phosphor 0.00 - 0.15 Schwefel 0.00 - 0.02 Silizium 0.20 - 0.30 Nickel 0.00 - 0.10 Molybdän 0.40 - 0.60 Kupfer 0.00 - 0.10 Vanadium 0.00 - 0.05 (Rest im wesentlichen Eisen) bei Verwendung von A508, Class 2 Schmiedematerial: Xohlenstoff 0.00 - o.10 Mangan 1.20 - 1.50 Phosphor 0.00 - 0.15 Schwefel 0.00 - 0.02 Silizium 0.30 - 0.40 Nickel 0.50 - 0.60 Chrom 0.45 - 0.65 Molybdän 0.30 - 0.45 Kupfer O.oo - o.10 Vanadium 0.00 - 0.05 (Rest im wesentlichen Eisen) und bei Verwendung von ASME 543 Platten: Kohlenstoff 0.00 - 0.08 Mangan l.lo - 1.30 Phosphor 0.00 - 0.015 Schwefel 0.00 - 0.01 Silizium 0.30 - 0.40 Nickel 0.65 - 0.80 Chrom 1.90 - 2.20 Molybdän 0.90 - 1.10 Kupfer 0.00 - o.10 Vanadium 0.00 - 0.05 (Rest ir wesentlichen Eisen) Die Lehre der Erçindunq ist auch auf andere verschweißte Stahlteile anwendbar, die betriebsmäßig Neutronenbeschuß, insbesondere durch hochenerqetische Neutronen, ausgesetzt sind. In particular, it is useful if the weld seams of the nuclear reactor pressure vessels when using plates made of ASME A 533 B have the following composition: Carbon 0.00 - 0.10 Manganese 1.00 - 1.25 Phosphorus 0.00 - 0.15 Sulfur 0.00 - 0.02 silicon 0.20 - 0.30 nickel 0.00 - 0.10 Molybdenum 0.40 - 0.60 Copper 0.00 - 0.10 Vanadium 0.00 - 0.05 (remainder essentially iron) when used from A508, Class 2 forging material: X carbon 0.00 - o.10 manganese 1.20 - 1.50 phosphorus 0.00 - 0.15 sulfur 0.00 - 0.02 silicon 0.30 - 0.40 nickel 0.50 - 0.60 chromium 0.45 - 0.65 Molybdenum 0.30 - 0.45 Copper O.oo - o.10 Vanadium 0.00 - 0.05 (remainder essentially Iron) and when using ASME 543 plates: carbon 0.00 - 0.08 manganese l.lo - 1.30 phosphorus 0.00 - 0.015 sulfur 0.00 - 0.01 silicon 0.30 - 0.40 nickel 0.65 - 0.80 Chromium 1.90 - 2.20 Molybdenum 0.90 - 1.10 Copper 0.00 - or 10 Vanadium 0.00 - 0.05 (remainder ir essential iron) The teaching of Erçindunq is also welded to others Steel parts applicable to the operational neutron bombardment, in particular by high-energy Neutrons.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h nuclear reactor pressure vessel made of mlteinandor welded steel parts, including that dto weld seams in% by weight have the following composition: carbon 0.00 - 0.15 manganese 1.00 - 2.20 phosphorus 0.00 - 0.015 sulfur 0.00 - 0.02 silicon 0.00 - 0.40 nickel 0.00 - 1.200 chromium 0.00 - 2.50 molybdenum 0.30 - 1.20 copper 0.00 - 0.10 vanadium 0.00 - 0.05 remainder im essential iron, and that the sum of the percentages of Cewleht. of nickel and silicon the weld seam alloy is the sum of the weight percentages of manganese, chromium and Molybdenum behaves like 0.4 or less.