Environmental Behaviour and Weldability of Ni-Base Weld Metals in PWRs
Corrosion et soudabilité des alliages soudés base nickel utilisés dans les REP
1
(EDF R&D)
2
(EDF Generation - Basic Design Department)
3
(EDF Generation - Engineering Division)
4
(EDF Power Generation Division)
Nickel-base weld metals initially used in the world involved coated electrode 182 (15% Cr) and TIG wire or strip 82 (20% Cr). A significant field experience (more than 300 cases) involving PWSCC has been observed, particularly these last 5 years on 182 with limited cases on 82. They seemed to occur in non stress-relieved or repaired or severely cold worked welds without stress relief treatment (SR).
Weld metal 182 is sensitive to SCC in laboratory conditions, the cracking is always intergranular and interdendritic. It involves an initiation period (including some slow propagation regime) and a rapid propagation regime. The time for initiation decreases at high C and Si contents. The activation energy of the process is assessed at 185 kJ/mol, the stress threshold is close to YS (350 MPa), not affected by some "gentle cycling". A detailed analysis of the microstructure has not provided any clear explanation for the behaviours of as-welded I stress relieved (SR) materials : the better SCC resistance of SR (610°C) components could be due partly to a stress relaxation and to some recristallization in the superficial cold worked layer.
The discrepancy between the various crack growth rate data arises from the experimental difficulties of measurements due to uneven fracture surfaces, different test procedures between labs (static I cyclic loading) and the strong orientation resulting from the welding. Taking into account a significant lack of data at low K values, different reference curves for da/dt versus K are proposed. The activation energy is closed to 130 kJ/mol but some laboratories propose a value of 240 kJ/mol. The orientation of the specimen has a marked effect on the CGRs, the fastest CGRs (x3) are obtained when the cracking occurs in the direction of the dendrites. The SR treatment at 610°C introduces a beneficial influence of a factor 2-3.5. The chemical composition of weld metal 182 has a limited (but not understood) effect on SCC crack growth rates. Cold work (10%) increases CGRs by a factor 2-3.
Weld metal 82 is also sensitive to SCC, but its resistance is greater than for weld metal 182: factor at least 6 on the time for initiation at high stress level, 360°C. CGRs are assumed to be 2.6 lower than those of 182. Weld metals with 30% Cr (152 and 52) appear to be very resistant to PWSCC, since no cracking was observed at 360°C. Even very severe tests (SSRTs with welding defects in the specimens) have failed to promote SCC
Weld metals could suffer a very significant reduction of the fracture resistance in hydrogenated water at low temperature (LTCP at 50 to 150°C). Hydrogen content in water (in the range 15 to 150 cc/kg) decreases this fracture resistance in the case of weld metal 82, and to a lesser extend of weld 52, particularly when the temperature is decreased from 150°C to 50°C. Investigations are in progress in order to assess the lack of redhibitory effect during shutdown.
Ni base weld metals frequently present hot-cracking defects (currently 500 um), as a result of the welding process and the chemical composition. This problem is of particular concern with regard to weld metals with 30% Cr, which have proved a greater sensitivity to hot-cracking than welds with 15-20% Cr, despite the Cr content is not the right explanation. Nevertheless, they exhibit a good ability to welding during manufacturing and alloy 52 is now proposed for repair and welding of tubes to tubesheet, though alloy 52 was not used for this welding in replacement steam generators and in the last series of plants in EDF.
A significant effort has still to be done to increase the level of confidence in the results obtained with weld metals. With regard to SCC, an experimental and theoretical approach is under way to precise the influences of parameters in laboratory. Preliminary LTCP results need an experimental confirmation together with a better assessment for the application to plants during shutdown.
Résumé
Les métaux déposés base nickel initialement utilisés dans le monde sont l'électrode enrobée de type 182 (15 % de chrome) et le fil ou feuillard TIG de type 82 (20 % de chrome). D'importantes fissurations par CSC en service (plus de 300 cas) ont été observées, tout particulièrement ces 5 dernières années pour l'alliage 182 et dans une moindre mesure pour l'alliage 82. Ces fissurations concernent les soudures non détensionnées ou réparées ou très écrouies sans traitement de détensionnement.
L'alliage 182 est sensible à la CSC en laboratoire, la fissuration est toujours intergranulaire et interdendritique. Elle comporte une période d'incubation suivie d'une propagation lente, et une phase de propagation rapide. Le temps d'amorçage diminue avec les teneurs en carbone et en silicium. L'énergie d'activation est estimée à 185 kJ/mol, le seuil de contrainte est voisin de 350 MPa, peu sensible à des fluctuations de contrainte de faibles amplitude et fréquence. Une analyse détaillée de la microstructure n'a pas fourni d'explication sur la différence de comportement entre états "brut de soudage" et détensionné : le meilleur comportement de l'état détensionné pourrait être en partie lié bien sûr à un niveau de contraintes résiduelles plus faible, mais aussi à une recristallisation en couche superficielle écrouie.
Des différences importantes dans les cinétiques de propagation entre laboratoires surviennent du fait des difficultés expérimentales inhérentes aux métaux déposés, dont les faciès de rupture présentent un aspect très irrégulier, à des modes opératoires significativement différents entre laboratoires et à la forte orientation résultant du soudage. Du fait du manque de données à K faible, les laboratoires proposent pour l'instant des courbes de référence "vitesse de propagation en fonction de K" assez différentes. L'énergie d'activation est proche de 130 kJ/mol mais quelques laboratoires retiennent une valeur de 240 kJ/mol. Le prélèvement / l'orientation des éprouvettes ont un impact très marqué sur les vitesses mesurées, les plus élevées étant 3 fois plus rapides dans le sens des dendrites que dans le sens perpendiculaire. Le traitement de détensionnement à 610°C produit un effet bénéfique d'un facteur 2 à 3,5 sur les vitesses. La composition chimique a un effet limité, pas encore compris, et l'écrouissage aggrave (facteur 2 à ) les vitesses par rapport à l'état non écroui.
L'alliage 82 est également sensible à la CSC mais son comportement est meilleur que celui du 182 : un gain d'un facteur 6 est obtenu sur le temps d'amorçage à contrainte élevé, à 360°C, et les vitesses de propagation sont 2,6 fois plus faibles. Les métaux déposés à 30% de chrome (152 et 52) sont très résistants à la CSC, puisque aucune propagation n'a été obtenue à 360°C lors d'essais très sévères.
Par ailleurs, les métaux déposés sont particulièrement sensibles à la propagation à basse température (50- 150°C) en milieu primaire hydrogéné. La teneur en hydrogène dans l'eau (entre 15 et 150cc/kg) diminue la résistance à la déchirure ductile dans le cas du 82, et dans une moindre mesure dans le cas du 52, particulièrement lorsque la température diminue de 150°C à 50°C. Des essais sont en cours pour évaluer cet impact lors des transitoires d'arrêt.
En outre, les métaux déposés base nickel présentent fréquemment des défauts de fissuration à chaud (typiquement 500 um), du fait du procédé de soudage et de leur composition chimique. Ce problème affecte tout particulièrement les métaux à 30 % de chrome, qui ont révélé une plus grande sensibilité à la fissuration à chaud que les métaux à 15-20 % de chrome, en dépit du fait que la teneur en chrome n'est pas seule en cause. Ils présentent néanmoins une bonne aptitude au soudage et de fait, l'alliage 52 est maintenant proposé pour les réparations et le soudage de la liaison tubes-plaque, bien qu'il n'ait pas été utilisé dans les GV de remplacement et la réalisation de nouveaux GV à EDF.
Un effort important reste à réaliser pour augmenter le niveau de confiance dans les résultats acquis sur métaux déposés. Une approche à la fois expérimentale et théorique est en cours pour préciser l'influence des divers paramètres sur la CSC en laboratoire. Par ailleurs, les premiers résultats sur la chute de ténacité en milieu primaire à basse température nécessitent confirmation, tout comme sa pertinence lors des transitoires d'arrêt-redémarrage.
© SFEN 2007