AREVA NP SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 2007

Comportement en fatigue oligocyclique des aciers inoxydables austénitiques en milieu eau primaire REP

Low cycle fatigue behaviour of austenitic stainless steels in Pressurized Water Reactor environment

Olivier CALONNE

Jean Alain LE DUFF, André LEFRANCOISAREVA NP Engineering Division – Materials, Technology & Chemistry Department

Jean Philippe VERNOT, Dominique MARTINAREVA NP Technical Center - Fluids & Structural Mechanics Department

AREVA NP Technical Center - Corrosion Department

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20073 3AREVA NP

Rappel concernant les courbes de conception en fatigue des composants de réacteurs

La conception en fatigue d’un composant REP impose de vérifier l’absence d’amorçage de fissure pour 40 ans ou 60 ans,La démonstration est basée sur des calculs de facteurs d’usages (f.u. < 1) selon des méthodologies codifiées (ASME et RCC-M)Le nombre de transitoires acceptables pour un composant est obtenu en utilisant des courbes S – N de conception codifiées Origine des courbes de conception en fatigue codifiées:

Courbes S-N moyennes en air (criteria ASME III, 1969):Essais en air sur petites éprouvettes polies à déformation imposéeCourbes de fatigue moyennes établies en termes d’amplitudes de déformation « εa » en fonction de NR εa = A NR

- 0,5 + B

Facteurs 2 et 20 pour une transposition éprouvette / composantFacteur 20 sur NR égal au produit de 3 sous facteurs:

- Dispersion des données (écart maximum/moyenne) 2.0- Effet d’échelle entre éprouvette et composant 2.5- Effets d’état de surface, d’atmosphère, etc. 4.0

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20074 4AREVA NP

Courbe de conception en fatigue des composants en acier inoxydable austénitique

(Ncycles / 20)

(εa / 2)

Transposition des résultats d’essais de fatigue oligocyclique obtenus en air sur éprouvettes de laboratoire au cas des composants (ASME III,1969)

Applications des facteurs 20 sur le nombre de cycles et 2 sur l’amplitude de déformation

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20075 5AREVA NP

Effet d’environnement en fatigue oligocycliqueNombreux essais de fatigue oligocyclique au Japon (IHI,MHI) et aux USA (ANL) en milieu eau à haute température depuis:

~ 25 ans pour les aciers au C-Mn et faiblement alliés,~ 10 ans pour les aciers inoxydables austénitiques.

Essais réalisés sur éprouvettes polies en milieu eau REB (Réacteur Bouillant) ou REP (Réacteur à Eau Pressurisé)Influence prépondérante des paramètres suivants sur la durée de vie en fatigue en milieu eau à haute température (< 325°C):

Réduction de durée de vie plus importante à température élevée,Forte réduction de durée de vie à faible vitesse de déformation, Effets néfastes du niveau d’oxygène dissous du milieu eau et de la teneur en soufre (aciers au C-Mn et faiblement alliés).

Proposition d’expressions empiriques pour évaluer des facteurs d’effet d’environnement (Fen) au Japon et aux USA:

Fen = Nair (durée de vie en air) / Neau (durée de vie en eau)

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20076 6AREVA NP

Données Américaines de fatigue oligocycliqueen milieux air et eau à haute température

(aciers inoxydables austénitiques)

(Ncycles / 20)

(εa/2)

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20077 7AREVA NP

Variation du facteur Fen d’effet d’environnement en fonction de la température

(Aciers Inoxydables austénitiques)

Modèles Japonais: Higuchi (IHI) et MITI Modèle US: Chopra (ANL) et NRC

Fen = Nair /Neau

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20078 8AREVA NP

Variation du facteur Fen d’effet d’environnement en fonction de la vitesse de déformation

(Aciers inoxydables austénitiques)

Fen = Nair /Neau

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 20079 9AREVA NP

Méthodologie 2007 de prise en compte des effets d’environnement en fatigue thermique

Facteur d’usage modifié: Ueau = Uair x Fen

Expression de la dernière version du facteur d’effet d’environnement applicable aux USA:

Fen = Nair / Neau = exp (0,734 – T’ O’ ε*)T’ = 0 (T < 150°C); T’ = (T – 150) / 175 pour 150°C < T < 325°C et T’ = 1 pour T > 325°C

ε* = 0 pour ε’ > 0,4 %/s

ε* = ln (ε’ / 0,4 %/s) pour 0,0004 < ε’ < 0,4 %/s

ε* = ln (0,0004 / 0,4 ) pour ε’ < 0,0004 %/s

O’ = 0,281 quel que soit le niveau d’oxygène

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200710 10AREVA NP

Evaluation du facteur Fen d’effet d’environnement sous sollicitations de fatigue thermique

Intégration des vitesses moyennes de déformation

choc thermique froid

choc thermique chaud

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200711 11AREVA NP

Programme de R&D sur le comportement en fatigue oligocyclique d’un acier 304L en milieu eau REP

Mise au point des essais de fatigue oligocyclique en autoclaveEquipement de deux machines pour essais en milieu eau REP:

Aménagements d’autoclaves pour essais à 300°C et ~ 150 bars,

Mise en place de systèmes de conditionnement du milieu eau REP,

Usinage de montages pour la fixation des capteurs de déformation,

Calibrations du système de pilotage à déformations imposées,

Mise au point d’essais avec signaux triangulaires et complexes,…

Fixation du capteur de déformation sur les épaulements de l’éprouvette afin éviter tout risque d’amorçage sur la partie utile sous les couteaux de fixation du capteur de déformation

Réalisation d’essais de fatigue oligocyclique préliminaires:Essais sur éprouvettes cylindriques Ø 9 mm en air et eau à 300°C,

Essais avec ε’ = 0,4 %/s pour ∆εt / 2 = ± 0,2 %, ± 0,4 % ou ± 0,6 %,

Essais en eau primaire REP avec ε’ = 0,01 %/s (∆εt / 2 = ± 0,6 %).

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200712 12AREVA NP

Développement de moyens d’essais de fatigue oligocyclique en milieu eau primaire REP à 300°C et ~ 150 bars

au Centre Technique d’AREVA NP au Creusot

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200713 13AREVA NP

Eprouvette de fatigue et extensomètre utilisés pour les essais de fatigue oligocyclique en milieu eau REP

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200714 14AREVA NP

Extensomètres utilisés pour les essais de fatigue oligocyclique en air à 300°C et en milieu eau REPConfiguration d’étalonnage

Milieu air

Configuration d’essais

Milieu eau primaire REP

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200715 15AREVA NP

Essais préliminaires de fatigue oligocyclique à 300°C en air et en eau avec ε’= 0,4 %/s - Courbes moyennes ASME et ANL

0,01

0,1

1

10

100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000

Cycles

Déf

orm

atio

n

Langer ANL (2007) Essais en Air à 300°C Essais en Eau à 300°C

Essais réalisés avec des signaux triangulaires

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200716 16AREVA NP

Exemple d’évaluation des sollicitations thermiques sur une soudure entre ligne auxiliaire et piquage primaire

Position soudure entre une ligne auxiliaire et un piquage primaireVariation de température en

surface interne au cours d’un double choc thermique

Déformation cyclique induite en surface interne par le double choc thermique

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200717 17AREVA NP

Essai de fatigue oligocyclique sous chargement complexe proche d’un transitoire thermique de

fonctionnement (double choc thermique)

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200718 18AREVA NP

Exemples d’endommagements observés sur la surface d’éprouvettes polies pré-cyclées en air ou en milieu eau REP à différentes vitesses de déformation

Surface désquamée - éprouvette tractionnée en fin d’essai pour

ouvrir les microfissuresEprouvettes sollicitées à même niveau en air et en eau REP à

300°C durant 300 cycles

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200719 19AREVA NP

Premières conclusions du programme d’essais de fatigue oligocyclique en cours sur acier 304L en milieu eau primaire REP (état poli laboratoire)

Résultats d’essais effectués avec des signaux triangulaires relativement proches de ceux prévus par les modèles d’évaluation des facteurs « Fen » Japonais et US

Durées de vie obtenues sous chargements complexes représentatifs bien supérieures àcelles prédites à l’aide des expressions de calcul des facteurs « Fen » Japonais ou US

Pour des signaux complexes, mise en évidence, sur acier 304L, du conservatisme excessif des méthodes applicables d’évaluation des effets d’environnement en fatigue thermique

SF2M JP2007 Paris les 23 et 24 mai 200720 20AREVA NP

Perspectives du programme d’essais de fatigue en milieu eau primaire REP

Reproduction en laboratoire d’histoires de chargements thermiques réalistes proches de ceux imposés sur certains composants REP en service comme les piquages primaires

Réalisation en milieu eau REP à 300°C et ~ 150 bars d’essais de fatigue oligocyclique sur éprouvettes meulées ayant un état de surface voisin de celui des composants

2 mm

rugosité de l'état meulé

-32

-22

-12

-2

8

18

28

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

longueur (mm)

rugo

sité

(µm

)

Echantillon meulé M

longueur (mm)

rugo

sité

(µm

)

Rugosité Rt ≈ 50 µm

AREVA NP

High Cycle Thermal Fatigue Issues in PWR Nuclear Power Plants

Life Time Improvement of some Austenitic stainless Steel Components

Jean Alain LE DUFF, André LEFRANCOIS, Yves MEYZAUD AREVA NP – Materials Technology & Chemistry Department

Jean Philippe VERNOT, Dominique MARTINAREVA NP- Fluids & Structural Mechanics Department

José MENDEZ, Yoann LEHERICYENSMA – Laboratoire de Mécanique et de Physique des Matériaux

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30,31 - June 1st, 2006

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20062 2AREVA NP

AREVA NP ActivitiesReactors & Services Division

Design and Building of both types of light water reactors, the PWR and the BWR.

Reactors & Services Division Provides the necessary services and equipment for power plant maintenance and operations.

AREVA NP is the world’s leading supplier of nuclear power equipment and services.

Manufacturing facilities are located primarily in France (Chalon-sur-Saône, Jeumont), Germany and the United States

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20063 3AREVA NP

High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causes

Thermal Fatigue concerns essentially 304L and 316L austenitic stainless steel componentsResidual Heat Removal System (1988)

High Cycle Thermal fatigue in RHRS mixing tees

Safety injection lines and dead legs (1987)Hot vortices coming from main coolant lines in connected lines and cold valve leakage coming from charging pumps

Reactor coolant pumps (first issues in 1986)Network of cracks in pump shafts, thermal barriers,…

Regenerative heat exchangers (Japan, 99/03)Mixing of main flow and by pass flow at low ∆T inside an elbow located after outlet nozzles.

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20064 4AREVA NP

High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causesResidual Heat Removal System mixing tees

CIVAUX 1: 180mm through wall crack (May 1998)Through wall crack found in an elbow weldLeak of ~ 30 m3/h in the containmentMixing of cold and hot water (∆T ≈ 150°C)Fatigue damage in all 900/1300 MWe & N4 plantsStrong aggravating effect of local weld geometryDetrimental effect of high surface roughness with network of cracks in grinding areas

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20065 5AREVA NP

Overall view of the RHRS loop of CIVAUX 1

Location of thermal fatigue damage (1500 h) :(a) Trough crack in the elbow located after the mixing tee(b) Appearance of a network of cracks in the mixing tee(c) Network and cracks near the root of the tee/elbow weld (d) Network and cracks in the straigth piping section

Total flow rate ≈ 550 m3/hQcold / (Qcold + Qhot) ≈ 20 %

Cold leg

Hot leg

∆T ≈ 180°C - 30°CP ≈ 36 bars

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20066 6AREVA NP

CIVAUX 1 EVENT

Fatigue cracks

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20067 7AREVA NP

High Cycle Thermal Fatigue issues in PWR Nuclear Power plants & root causes

Safety injection lines from charging pumpsHot vortices in connected dead legs (high ∆T)

Interaction of hot turbulent penetration coming from main coolant line with cold valve leakage

Unexpected cold valve in-leakage coming from higher pressures in charging system

Detrimental effects of weld geometry and of high roughness profiles of ground surface

Leak events in Farley (1987), Tihange (1988), Dampierre 2 (1992), Dampierre 1 (1996), …

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20068 8AREVA NP

Thermal fatigue in Dead leg - Unisolable piping connected to PWR Reactor Coolant SystemSafety injection dead legs (Farley, Tihange,…)

Up / Horizontal Branch line piping configuration

RCS header

Interaction region

Cold stratifiedlayer due to valvein-leakage

U, T o

Check valve

Hot Vortex in connected line

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 20069 9AREVA NP

Thermal Fatigue in reactor coolant pump

Location of thermal fatigue damage (1986)(a) Pump shaft (network of surface cracks)(b) Thermal barrier flange (very low ∆T)(c) Thermal barrier envelope and diffuser

(a) (b)(c)

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200610 10AREVA NP

Operating experience and incidents on austenitic stainless steel components

Thermal loads like stratification, vortex penetrations or mixing of hot and cold water are the main root causes of incidents

Incidents occur in different systems with only few leaks (RHRS, SIS/Dead Legs, RCP)

Following aggravating factors identifiedDetrimental effects of local weld geometry and of high surface roughness (ground area) on HCF strength of austenitic stainless steel components

Reduction of HCF strength with the mean stress due to stratification & high temperature gradients

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200611 11AREVA NP

Fatigue test programs conducted on an austenitic stainless steel type 304L

Objectives was to increase knowledge about the LCF & HCF behavior of austenitic stainless steels Three R & D programs on LCF & HCF were carried on the following subjects by AREVA NP & ENSMA:

Evaluation of the effect of loading conditions (∆σ or ∆ε with and without mean stress or mean strain) on cyclic stress strain behavior and lifetime of polished samples1st ENSMA doctoral thesis (2003) on the effect of mean stress and surface finish on HCF strength of 304L SS at RT (effect of polishing, turning and grinding conditions)2nd ENSMA doctoral thesis (2006) on the effect of LCF pre-damage on the subsequent HCF strength of a 304L SS at RT for polished and ground surface conditions

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200612 12AREVA NP

1st program on effect of loading conditionsCyclic stress strain behavior of 304L SS

0

100

200

300

400

500

600

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1ε a (%)

∆σ /

2 (M

Pa)

Bettis 20°C∆ε (20°C)∆σ (20°C)Bettis 150°C∆ε (150°C)∆σ (150°C)ANL

Comparison of LCF test results obtained under cyclic stress or strain loadings with published cyclic curves∆ o : hollow points for RT tests▲ ● : Full points for tests at 150°C

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200613 13AREVA NP

1st program on effect of loading conditions

LCF tests under stress or strain control

0,01

0,1

1

10

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

N (Cycles)

ε a (%

)

TSUTSUMI (2000)

ANL 2 (2006)

∆ε (20°C)

∆σ (20°C)

∆ε (150°C)

∆σ (150°C)

∆ o : hollow points for RT tests▲ ● : Full points for tests at 150°C

Comparison of LCF lifetimes obtained under cyclic stress or strain loadings with published S – N curves

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200614 14AREVA NP

Mean stress and surface finish effects on HCF strength of 304L (ENSMA thesis, S. Petitjean)

3D cartography of turned or ground sample surface:Turned sample T4 surface striations with Rt ~ 80 µm (other turned samples with Rt ~ 10 µm and ~ 40 µm)Ground sample surface striations with Rt ~ 40 µmEvaluation of stress concentration factors at the bottom of turned (1 < Kt < 1.1) and ground samples (Kt ~ 3.2)

Turned sample Ground sample(T4)

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200615 15AREVA NP

Mean stress and surface finish effects at RT (304L)HCF strength (107cycles) versus mean stress for three surface conditions (Polished, Turned, ground samples)

Polished samples

Turned samples

Ground samples

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200616 16AREVA NP

LCF behavior of 304L SS in air at RT (εa = ± 0,3 %)Comparison of the LCF behaviors and lifetimes of polished (Rt < 1 µm) & ground samples (Rt ~ 40 µm)

180190200210220230240250260270280290300

1 10 100 1000 10000 1000

Nombre de cycles

∆σ

/2 (M

Pa)Ground sample (8 500 cycles)

Polished sample (25 000 cycles)

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200617 17AREVA NP

Effect of LCF pre-damage on HCF strength

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

10000 100000 1000000 10000000

Number of cycles

∆σ

/2 (M

Pa)

3750

2000

1000

500

0

Pre-damage

Ground samples (σmean = 0)304L at RT

SF2M J I P 2 0 0 6 Paris – May 30, 31 – June 1st, 200618 18AREVA NP

Main conclusions on the LCF & HCF programsNo effect of loading conditions on the cyclic stress strain behavior of polished 304L stainless steel

No mean strain effect on LCF & HCF behavior

Some effect of the mean stress on HCF strength

Very detrimental effect of mean stress on HCF strength of ground samples at room temperature

Detrimental effect of LCF pre-damage loadings on the subsequent HCF strength much important on ground samples than on polished specimens

Manufacturing improvement as removal of weld roots and polishing of inner surface of austenitic stainless steel components can increase very significantly their HC thermal fatigue strength