DE2746733A1

DE2746733A1 - Rohrschweissverfahren

Info

Publication number: DE2746733A1
Application number: DE19772746733
Authority: DE
Inventors: Richard Michael Chrenko; Rodney Elton Hanneman; Donald Bruce Kittle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-10-20
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1978-04-27
Also published as: JPS5373441A; SE428099B; US4049186A; NL7709805A; ES463332A1; IT1088479B; SE7711795L; DE2746733C2; JPS6242720B2; ZA775157B

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit einer Korrosionsunterdrückung und betrifft im einzelnen ein neues Verfahren zum Ausschalten oder weitgehenden Vermindern der Spannungskorrosionsneigung in geschweißten Wasserrohrleitungen, die in einem nuklearen Reaktor betrieben werden.

Es wurde seit langem erkannt, daß eine Spannungskorrosionsrißbildung in schweißwärmebeeinflußten Zonen von rostfreien bzw. Edelstahlrohrleitungen in nuklearen Reaktoren ein wesentliches Problem darstellt. Zu den zum Lösen dieses Problems vorgeschlagenen Maßnahmen gehören Lösungsvergütungen (solution anneals) (zum Desensibilisieren bzw. Unempfindlichmachen der wärmebeeinflußten Zonen) nach dem Schweißen, ein Steuern der Temperatur der innenseitigen Oberfläche der Rohrleitung während des Schweißens, ein Anwenden von Duplexgußmetall-Rollen- bzw. -Spulenstücken (duplex cast steel spool pieces) und ein Aufbringen von Einlagen aus Schweißmaterial über der schweißwärmebeeinflußten Zone nach dem Schweißen. In jedem Fall kann jedoch die Maßnahme nicht bei Rohrleitungen in bestehenden Anlagen ohne ein öffnen oder Aufschneiden der Rohrleitung angewendet werden, was mit Risikonachteilen und Verzögerungen oder Unterbrechungen des Anlagenbetriebes verbunden ist.

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Auf der Grundlage der zu beschreibenden vorliegenden Erfindung und Feststellungen können geschweißte rostfreie bzw. Edelstahlrohrleitungen an Ort und Stelle und sogar an in Betrieb befindlichen Anlagen entsprechend behandelt werden, um die Beschränkung oder Ausschaltung der vorgenannten Spannungskorrosionsrißbildung zu erzielen. Dieses neue Ergebnis läßt sich darüberhinaus vergleichsweise leicht und wirtschaftlich erreichen, wobei keine wirkliche InstalLstionsarbeit oder Neukonstruktion erforderlich ist, sondern vielmehr nur ein überlagerungs- bzw. Auftragsschweißvorgang zur Anwendung kommt.

Das erfindungsgemäße Prinzip, welches dieses neue Ergebnis ermöglicht, besteht im wesentlichen darin, die begrenzte Schweißzone (weld constraint zone) (das heißt die Zone größerer Festigkeit, und zwar entweder wegen einer größeren Dicke der Schweissung als des Rohrs oder einer größeren Festigkeit des Schweißmetalls als des Rohrmetalls) einer stumpfgeschweißten Rohrleitungsverbindung ausreichend weit zu verlängern, so daß diese Zone jenseits oder außerhalb der bestehenden wärmebeeinflußten Zone der Schweißung an der innenseitigen Rohroberfläche endet. Dieses Prinzip wiederum basiert auf der im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgten Feststellung, daß unter gewissen Bedingungen Schweißmetall auf die Außenseite einer bestehenden Kernreaktor-Wasserrohrleitung aufgebracht werden kann, ohne daß die geschweißte (as-welded) wärmebeeinflußte Zone durch die Rohrwandung zum inneren Oberflächenbereich ausgedehnt wird. Das Prinzip basiert ferner auf der Feststellung, daß die Neigung von geschweißten Rohrleitungen zur Spannungskorrosionsrißbildung beträchtlich reduziert werden kann, und zwar durch Vergrößern der longitudinalen oder axialen Länge des schweißungsverfestigten Bereichs, in einer solchen Weise, daß kein spürbarer plastischer Metallfluß mit dem sensibilisierten Bereich des Rohrs zusammenfallend an der innenseitigen Oberfläche während des Kernreaktorbetriebes auftritt.

Ferner wurde festgestellt, daß das obige erwünschte Ergebnis gleichermaßen durch Aufbringen einer Vielzahl von separaten, radial verteilten Auftrags- oder Rücklagen- bzw. AufIagenschweißungen über einer Stumpfschweißverbindung wie auch durch einen kontinuierlichen bzw. durchgehenden Überlagerungs- oder Auf-

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lagenschweißring erzielt werden kann. So kann die Verteilung dergestalt sein, daß die effektive Zwangszone der Stumpfschweißung um den Umfang der Rohrleitung und der Schweißung ausgedehnt werden kann, wie es erforderlich ist, um die obigen Ziele zu erreichen. Einsparungen an Schweißmetall sowie an Arbeitskosten und ein leichterer Zugang für Uberwachungszwecke sind Faktoren, die diesen diskontinuierlichen Aufbau gegenüber dem alternativen ringförmigen Aufbau nach der vorliegenden Erfindung begünstigen. Andererseits wäre bei einer automatischen Rohrschweißanlage die Anwendung des Verfahrens mit einer kontinuierlichen bzw. durchgehenden Auflage günstiger.

Es wurde ferner festgestellt, daß es nicht nur möglich ist, die Auflagenschweißung ohne größere Unterbrechung bezüglich der Benutzung der Rohrleitung oder des Reaktors vorzusehen, sondern daß es auch allgemein leichter ist, die erwünschte Ausdehnung der Schweißzwangszone ohne Vergrößerung der sensibilisierten wärmebeeinflußten Zone an dem innenseitigen Oberflächenbereich der Rohrleitung zu erzielen, wenn das Wasser in der Rohrleitung verbleibt. Durch die Rohrleitungen fließendes Wasser ermöglicht es am besten, die Temperatur des Rohrmetalls durch den mittleren Bereich des Rohrs unter dem sensibilisierenden Temperaturschwellwert zu halten, und zwar während der Periode, in der die Auflagenschweißung auf das Rohr aufgebracht wird. Dies ist besonders wichtig, wenn relativ empfindliche Chargen von Edelstahl-Rohrleitungsmaterial einer Auflagenschweißung unterworfen werden.

Wenn es erforderlich ist, kann ein äußeres Bearbeiten oder Schleifen des überlagerten Schweißmetalls durchgeführt werden, um die Ultraschall-Prüffähigkeiten unter der Auflage zu verbessern.

Allgemein beinhaltet der erfindungsgemäße Ablauf den Schritt eines Aufbringens einer sekundären oder Auftrags.schweißung auf die Außenseite einer an Ort und Stelle oder in Betrieb in einem Kernreaktor befindlichen Rohrleitung. Die Uberlagerungs-

bzw. Auf tragsschweißung erstreckt sich über die

Rohrverbindungsstelle und überbrückt an jeder Seite derselben den Bereich bis über die axialen Enden der primären wärmebeeinflußten Zone an der innenseitigen Oberfläche des Rohrs. Wie es oben ange-

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geben ist, kann bei diesem Verfahren ein kontinuierlicher bzw. durchgehender Schweißmetallring ausgebildet werden, der sich um aen Umfang der Rohrleitung erstreckt und vollständig die primäre Schweißung sowie angrenzende ringförmige Oberflächenbereiche des Rohrs abdeckt. Alternativ können nach diesem Verfahren Schweißmetallrippen ausgebildet werden, die sich in Axialrichtung der Rohrleitung erstrecken und die radial um den Umfang der Rohrleitung verteilt sind, wobei sie sich über die volle Länge der primären Schweißung erstrecken. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren die Auflagenschweißung dann aufgebracht, wenn Wasser in der Rohrleitung vorhanden ist, und insbesondere dann, wenn dieses die Rohrleitung durchströmt, um einen wirksamen Wärmekühlzustand zu erreichen.

Die Spannungskorrosionsneigung einer in einer Kernreaktor-Wasserleitung benutzten geschweißten Rohrleitung wird somit erfindungsgemäß durch Aufbringen einer sekundären Schweißun'g auf die Außenseite der Rohrleitung reduziert. Die sekundäre Schweißung überbrückt die primäre Schweißung der Verbindungsstelle, und zwar bis über die axialen Enden der primären schweißwärmebeeinflußten Zone und insbesondere den Teil der Zone an der innenseitigen Oberfläche des Rohrs.

Die grundsätzlichen neuen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer schematischen Schnittansicht eine geschweißte

Edelstahl-Rohrleiturigsverbindung, wobei die Lagebeziehung der Schweißung zu ihrer wärmebeeinflußten Zone und die inneren sowie äußeren Oberflächen der Rohrleitung dargestellt sind,

Figur 2 - in einer Figur 1 ähnelnden Ansicht die Überlagerungsbzw. Auflagenschweißung und die Verlängerung der wärmebeeinflußten Zone infolge des Auflagen-Schweißvorgangs ,
Figur 3 - eine axiale Spannungsprofildarstellung, in der die Spannung am Innendurchmesserbereich der Rohroberfläche unter typischen großen aufgebrachten axialen Belastungen als Funktion des Abstandes von der Schweißmittel-

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linie aufgezeigt ist, und zwar für die geschweißte Rohrleitungsverbindung aus Figur 1 und die auflagengeschweißte Rohrleitungsverbindung aus Figur 2,

Figur 4 - in einer perspektivischen Ansicht eine stumpfgeschweißte Edelstahl-Rohrleitungsverbindung einer typischen Kernreaktor-Wasserleitung,

Figur 5 - in einer Figur 4 ähnelnden Ansicht die Rohrleitungsverbindung, die sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt, indem unter Abstand befindliche bzw. verteilte Auflagenschweißungen angebracht werden,

Figur 6 - einen Längsschnitt längs der Linie 6-6 aus Figur 5 und

Figur 7 - eine andere, Figur 5 ähnelnde Ansicht, die die Rohrleitungsverbindung nach dem erfindungsgemäßen Aufbringen einer kontinuierlich oder durchgehend ringförmigen überlagerungs- bzw. Auflagenschweißung auf die geschweißte 'Verbindungsstelle zeigt.

Schweißschatteneffekte (weld shadow effects, das heißt Schweißgeometrieeffekte) dürften die Innendurchmesser-Spannungsprofile durch den Schweißbereich einer Rohrverbindungsstelle beeinflussen. Dieser Effekt ist in vereinfachter Form in den Figuren 1-3 dargestellt. So ist in Figur 1 der gesamtgeometrische Effekt bzw. Einfluß auf den plastischen Strom an der Innendurchmesseroberfläche der geschweißten Rohrleitung dargestellt, die axial über ihren nominellen 'normalen 3o4 Edelstahlwandung¹ Fließpunkt bzw. ihre entsprechende Streckgrenze belastet ist, und zwar für ein geschweißtes (as-welded) typisches 4-Zoll bzw. 1o1,6 mm Rohr A. Das Material der Schweißung B (3o8 Edelstahl) ist bei der Schweissungsbetriebstemperatur viel fester als das 3o4 Edelstahl-Rohrmaterial. Gemäß der Darstellung erstreckt sich das sensibilisierte Band C der wärmebeeinflußten Zone der Schweißung B an der Innendurchmesser-Rohroberflache etwas über die mechanische Schattenoder Zwangszone der Schweißraupe der Schweißung. Das allgemein resultierende axiale Spannungsprofil am Innendurchmesser des Rohrs A, und zwar infolge einer aufgebrachten typischen großen axialen Belastung, wird als Funktion des Abstandes von der Mittellinie der

F. * US-Standards, s. z. E. Handbook of Chemistry and Physics, 1967- 6 δΥ—

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Schweißung B in Figur 3 durch die Kurve D beschrieben. Wie es durch die Kurve D angegeben wird, hat die normale Rohrleitungsschweißung einen Bereich hoher Spannung, und dieser Bereich fällt mit der freiliegenden Oberfläche des relativ hoch sensibilisierten Materials zusammen. Wenn das Rohr einem Arbeitszyklus mit einer ausreichend großen Belastung und ausreichend aggressiven Siedewasserreaktorbedingungen ausgesetzt wird, tritt eine Spannungskorrosionsrißbildung (stress corrosion cracking) des Rohrs A auf.

In dem Fall aus Figur 2 hat das Rohr G, das dieselben Abmessungen wie das Rohr A hat und aus derselben Legierung besteht, eine entsprechende Schweißung H und eine wärmebeeinflußte Zone oder sensibilisierte Zone J, die sich von der Zone C des Rohrs A unterscheidet, und zwar wegen des Aufbringens einer Rücklagenschweißung (backlay weld) K über der Schweißung H. Da während des Aufbringens der Schweißung K die Sensibilisierung durch die Anwesenheit von Kühlfluid in dem Rohr gesteuert wurde, hat die Zone J an der Innendurchmesseroberfläche etwa dieselbe Größe wie die Zone C. Jedoch wurde die Rohrleitungswandung durch die Rücklagenschweißung verdickt, und die aufgebrachte Schicht bzw. Rücklage erstreckt sich klar über den Kopf bzw. den Ballen der Schweissung H, so daß sich der Bereich niedriger Spannung beträchtlich über die Enden der Zone J an der Innendurchmesser-Rohroberfläche erstreckt. Obwohl die nominell aufgebrachten Rohrbelastungen in den zwei Fällen vergleichbar sind, ist dementsprechend das durch die Kurve L für das Rohr G wiedergegebene axiale Spannungsprofil von demjenigen der Kurve D ziemlich unterschiedlich, und es zeigt sich das Fehlen des geometrischen Zusammenfallens einer großen Belastung bzw. Spannung und Sensibilisierung, wodurch die Bedingungen gelindert werden, die für die im Betrieb auftretende Spannungskorrosionsrißbildung zuständig sind.

In der perspektivischen Ansicht aus Figur 4 ist ein kurzes Segment einer typischen Edelstahl-Wasserleitung eines Siedewasserreaktors dargestellt, um aufzuzeigen, daß die Leitung aus einer Anzahl von Rohrleitungslängen hergestellt ist, die in einer solchen Weise stumpfgeschweißt sind, daß die wärmebeeinflußten Zonen dem Wasserfluß durch die Rohrleitungen ausgesetzt sind. So

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sind 4-Zoll bzw. 1o0 mm Rohrleitungsabschnitte 1o und 11 fest und fluiddicht durch eine Schweißung 13 miteinander verbunden, die in der gewöhnlichen Weise aufgebracht worden ist, mit dem Ergebnis, daß der rostfreie bzw. Edelstahl in den entgegengesetzten Endbereichen der zwei Rohrleitungsabschnitte sensibilisiert ist, wie es oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurde.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird gemäß der Darstellung in den Figuren 5 und 6 eine Reihe von Auftrags- oder Rücklagenschweißungen 2o, 21 und 22 auf die Aussenseite der Rohrleitungen 1o und 11 über der Schweißung 13 angebracht. Diese Auflageschweißungen sind etwa 5o mm (2 Zoll) lang und sind um den Umfang der Rohre unter einem Abstand von typischerweise 25 mm (1 Zoll) verteilt, um die Zwangszone der Rohrleitungsverbindung in der axialen Rohrleitungsrichtung von dem Maß 17 zum Maß 24 zu erweitern. Diese Auflageschweißungen werden an dem Rohr ausgebildet, während sich Wasser in Berührung mit der innenseitigen Oberfläche des Rohrs befindet, so daß nur der äußere Bereich des Rohrs sensibilisiert wird, wie es in Figur 6 dargestellt ist. Das Wasser kann wie bei dem normalen Betrieb der Reaktorleitung durch die Rohrleitung strömen oder als ein Sprühnebel gegen die innenseitige Oberfläche des Rohrleitungssegments, an dem die Auflagenschweißung angebracht wird, gerichtet werden. Um eine Dampftaschenausbildung zu vermeiden und für eine bessere Wärmeübertragung zu sorgen, wird die Auflagenschweißung vorzugsweise nicht durchgeführt, wenn das Wasser in dem Schweißsegment nicht fließt. In speziellen Fällen könnten andere nicht aggressive Fluidkühlmittel am Rohrleitung-Innendurchmesserbereich während des Auflagenschweißungsvorgangs benutzt werden. Als Folge dieses Vorgangs wird die anfänglich in der stumpfgeschweißten Verbindungsstelle aus Figur 4 vorhandene Belastungskorrosionsneigung ausgeschaltet oder weitgehend reduziert, und zwar durch die Ausschaltung der Zwangszonenbegrenzung (constraint zone termination) innerhalb der wärmebeeinflußten Zone in dem Bereich der inneren Oberfläche des Rohrs.

Das zu dem alternativen Aufbau aus Figur 7 führende alternative Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Aufbringen von Auftrags- oder Rücklagenschweißmaterial

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in einem kontinuierlichen bzw. durchgehenden Ring um das Rohr und über die Länge der Schweißung 13. Das Auflagenschweißmaterial wird in typischer Weise in drei Schichten 21, 22 und 23 aufgebracht, um eine axiale Verlängerung der Zwangszone über die äußeren Grenzen der sensibilisierten oder wärmebeeinflußten Zone der Schweißung 13 sicherzustellen. In dem resultierenden Gebilde wird somit die in Figur 6 dargestellte Beziehung hergestellt, wie es für den Fachmann verständlich ist.

Um die speziellen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung näher zu erläutern, und nicht zum Zwecke einer Beschränkung der vorliegenden Erfindung, werden die nachfolgenden detaillierten Beispiele einer praktischen Durchführung der Erfindung angegeben.

Beispiel I

Zum Zwecke einer überprüfung des erfindungsgemäßen Prinzips wurde ein geschweißtes Rohr aus zwei Rohrleitungssegmenten aus 3o4 Edelstahl mit einem Durchmesser von 4 Zoll bzw. 1oö nun hergestellt, wobei die zwei Segmente in einer der üblichen Praxis beim Herstellen von Siedewasserreaktor-Wasserleitungen entsprechenden Weise stumpfgeschweißt wurden. So wurde als erster Schritt eine Wurzeleinsatzschweißung (root insert fusion; 3o8L Legierung-

Grinnel) mit einem WIG-Lichtbogen (Argon) — durchgeführt,

wonach eine zweite Schicht aus 3o8L Schweißmetall auch durch einen WIG-Lichtbogen aufgebracht wurde. Dritte und vierte

das Schichten aus derselben 3o8L Edelstahllegierung wurden durcfi/Metall Lichtbogenschweißvorgang unter Schutzgas (shielded metal arc weld, SMAW) aufgebracht, um die Verbindungsstelle in der in den Figuren 1 und 4 dargestellten Form zu vervollständigen. Während dann die Innenseite der Rohrleitungsverbindungsstelle ständig durch einen Wassersprühnebel bei Leitungswassertemperatur (etwa 16° C bzw. 6o F) gekühlt wurde, wurde auf die Rohraußenfläche eine Rücklagen-Schweißschicht in Form eines Rings aufgebracht, der eine Breite von etwa 76 mm (3 Zoll) hatte, gegenüber der Schweißraupe der Stumpfschweißung zentriert war und eine minimale Gesamthöhe von 6,35 mm (o,25 Zoll) hatte. Wiederum wurde das SMAW Verfahren für diesen Zweck und zum Ablagern einer zweiten sowie einer dritten Schient aus Schweißmetall über dem ersten Auflagenring benutzt,

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um die in Figur 7 dargestellte Form nach der vorliegenden Erfindung herzustellen. Die zweiten und dritten Schichten hatten eine der Dicke der ersten Schicht entsprechende Dicke, und die Gesamtdicke der Auflagenschweißung war im wesentlichen gleichförmig und betrug etwa 19 mm (o,75 Zoll). Die zweiten und dritten Schichten der Auflage waren jedoch etwas kürzer in der axialen Richtung des Rohrs, wie es auch in Figur 7 dargestellt ist.

Es stellte sich heraus, daß das axiale Spannungsprofil der sich ergebenden Rohrleitungsverbindung weitgehend dem durch die Kurve L aus Figur 3 aufgezeigten Fall entsprach.

Beispiel II

In einem Beispiel I ähnlichen Experiment, bei dem jedoch die Auflagenschweißung in Form einer Anzahl separater, sich axial erstreckender Rippen statt in Form des Rings aus dem Beispiel I erfolgte, wurde die Ausführungsform gemäß Figur 5 hergestellt. Die Rippen erstreckten sich über etwa 38 mm (1,5 Zoll) an jeder Seite der Rohrleitungsschweißung und hatten einen gleichförmigen gegenseitigen Abstand von etwa 5o mm (2 Zoll). Auch waren die zweiten und dritten Schichten einer jeden Rippe kurzer und schmaler als die erste oder Grundschicht, die gemäß der Darstellung in jedem Fall über ihre volle Länge eine Breite von etwa 25 mm (1 Zoll) hatte.

Es hat sich herausgestellt, daß das axiale Spannungsprofil der sich ergebenden Rohrverbindung durch den Stumpfschweißteil im wesentlichen demjenigen der Rohrverbindung aus dem Beispiel I entsprach.

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Claims

Ansprüche

Θ Verfahren zum Ausschalten oder weitgehenden Vermindern der Spannungskorrosionsneigung in einer in einer primären schweißwärmebeeinflußten Zone endenden Schweißungszwangszone von einer stumpfgeschweißten austenitischen Stahlrohrverbindung in einer in einem nuklearen Reaktor betriebenen Rohrleitung, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite der Rohrleitung eine sekundäre oder überlagernde Schweißung aufgebracht wird, die sich über die Rohrleitungsverbindung erstreckt und an jeder Seite derselben die axialen Enden der primären schweißwärmebeeinflußten Zone an der inneren Oberfläche der Rohrleitung überbrückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Schweißung in Form eines Rings durchgeführt wird, der sich um den Umfang der Rohrleitung erstreckt und der die primäre Schweißung sowie die angrenzenden ringförmigen Oberflächenbereiche des Rohrs abdeckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Schweißung in Form einer Serie von separaten Schweißsegmenten oder Rippen durchgeführt wird, die sich in Axialrichtung der Rohrleitung erstrecken und die radial am Umfang des Rohrs verteilt sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus 3o4 Edelstahl und die primären sowie sekundären Schweißungen aus 3o8L Edelstahl bestehen. (US-Standards)

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Schweißung aufgebracht wird, während Wasser oder ein anderes Kühlmittel in Berührungskontakt mit dem primären schweißwärmebeeinflußten Zonenabschnitt des Rohrs durch das Rohr strömt.

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