Metallien ainetta lisäävä valmistus ydinvoima-alalla
Korhonen, Ulla (2021)
2021
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104304210
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104304210
Tiivistelmä
Metallien ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä on käytetty laajalti eri teollisuuden aloilla, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, mutta ydinvoima-alalla niiden käyttö on vielä harvinaista. Ydinvoima-ala asettaa tiukat kriteerit hyväksyttäville materiaaleille ja valmistusmenetelmille. Lisäksi valinnat perustuvat vahvasti aikaisempaan kokemukseen samankaltaisesta käyttöympäristöstä. Keskeneräinen standardointi ja vähäinen kokemus ydinvoimalan käyttöympäristössä vaikeuttavat ainetta lisäävien menetelmien käyttöä. Näiden menetelmien hyväksyminen vaihtoehtoisiksi valmistusmenetelmiksi voi kuitenkin tarjota useita hyötyjä. Niiden avulla on esimerkiksi mahdollista valmistaa kappaleita, joita ei ole muutoin kaupallisesti saatavilla tai joiden valmistaminen vaatii kappaleen uudelleen suunnittelun. Ydinvoimaloiden ikääntyessä näiden kappaleiden saatavuusongelmat usein kasvavat.
Diplomityössä tutkitaan tavanomaisten painelaitemateriaalien, kuten austeniittisten ruostumattomien terästen, käyttöympäristöä Teollisuuden Voima Oyj:n (TVO:n) ydinvoimaloissa. TVO:lla on kahdenlaisia kevytvesireaktoreita: Olkiluoto 1 ja 2 ovat kiehutusvesireaktoreita (BWR, Boiling Water Reactor) ja Olkiluoto 3 on eurooppalainen painevesireaktori (EPR, European Pressurized Reactor). Vesiympäristöt eroavat toisistaan pääasiassa siinä, että BWR-laitoksilla reaktorin jäähdytysvedessä on mukana happea, kun taas EPR-laitoksella happi on pelkistetty vedyllä. Lisäksi EPR-laitoksella on korkeampi säteilytaso ja käyttölämpötila kuin BWR-laitoksella. Alan kirjallisuuden perusteella näillä laitoksilla, erityisesti BWR-laitoksella, käytettävien painelaitteiden tyypillinen vauriomekanismi on jännityskorroosio.
Kokeellinen tutkimus toteutettiin ainetta lisäävästi 316L-teräksestä valmistetuille veto- ja iskukoesauvoille. Koesauvat on valmistettu kolmen eri valmistajan toimesta ja ne on lämpökäsitelty joko myöstö- tai liuoshehkutuksella. Koesauvoista saatuja mekaanisia ominaisuuksia verrataan EN 10222-5 painelaitetakeiden standardin asettamiin vaatimuksiin vastaavalle materiaalille. Tulosten perusteella osoitetaan, että standardin asettamat vaatimukset täyttyvät valmistajasta riippumatta, kun koesauvat on liuoshehkutettu.
Kokeellisen tutkimusten tulokset rohkaisevat ainetta lisäävien menetelmien käyttöönottoon painelaitteiden valmistuksessa. Myötö- ja murtolujuudet ovat korkeampia ja venymäarvot lähes yhtä suuria tai suurempia kuin painelaitetakeiden standardissa esitetyt vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että kappale voidaan valmistaa suurella kerrospaksuudella ilman, että saadut mekaaniset ominaisuudet heikkenevät. Alttiuden jännityskorroosiolle arvioidaan olevan pieni, koska valmistetuissa kappaleissa ilmeni erittäin vähän sisäistä huokoisuutta. Ydinvoimaloissa ainetta lisäävää valmistusta voisi hyödyntää erityisesti laitoksen toiminnan kannalta kriittisten kappaleiden saatavuuden turvaamiseksi. Hyvänä lähtökohtana on valmistaa ensin ei-ydinteknisesti turvaluokiteltuja kappaleita ja edetä käyttökokemuksen karttuessa turvaluokiteltuihin kappaleisiin.
Diplomityössä tutkitaan tavanomaisten painelaitemateriaalien, kuten austeniittisten ruostumattomien terästen, käyttöympäristöä Teollisuuden Voima Oyj:n (TVO:n) ydinvoimaloissa. TVO:lla on kahdenlaisia kevytvesireaktoreita: Olkiluoto 1 ja 2 ovat kiehutusvesireaktoreita (BWR, Boiling Water Reactor) ja Olkiluoto 3 on eurooppalainen painevesireaktori (EPR, European Pressurized Reactor). Vesiympäristöt eroavat toisistaan pääasiassa siinä, että BWR-laitoksilla reaktorin jäähdytysvedessä on mukana happea, kun taas EPR-laitoksella happi on pelkistetty vedyllä. Lisäksi EPR-laitoksella on korkeampi säteilytaso ja käyttölämpötila kuin BWR-laitoksella. Alan kirjallisuuden perusteella näillä laitoksilla, erityisesti BWR-laitoksella, käytettävien painelaitteiden tyypillinen vauriomekanismi on jännityskorroosio.
Kokeellinen tutkimus toteutettiin ainetta lisäävästi 316L-teräksestä valmistetuille veto- ja iskukoesauvoille. Koesauvat on valmistettu kolmen eri valmistajan toimesta ja ne on lämpökäsitelty joko myöstö- tai liuoshehkutuksella. Koesauvoista saatuja mekaanisia ominaisuuksia verrataan EN 10222-5 painelaitetakeiden standardin asettamiin vaatimuksiin vastaavalle materiaalille. Tulosten perusteella osoitetaan, että standardin asettamat vaatimukset täyttyvät valmistajasta riippumatta, kun koesauvat on liuoshehkutettu.
Kokeellisen tutkimusten tulokset rohkaisevat ainetta lisäävien menetelmien käyttöönottoon painelaitteiden valmistuksessa. Myötö- ja murtolujuudet ovat korkeampia ja venymäarvot lähes yhtä suuria tai suurempia kuin painelaitetakeiden standardissa esitetyt vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että kappale voidaan valmistaa suurella kerrospaksuudella ilman, että saadut mekaaniset ominaisuudet heikkenevät. Alttiuden jännityskorroosiolle arvioidaan olevan pieni, koska valmistetuissa kappaleissa ilmeni erittäin vähän sisäistä huokoisuutta. Ydinvoimaloissa ainetta lisäävää valmistusta voisi hyödyntää erityisesti laitoksen toiminnan kannalta kriittisten kappaleiden saatavuuden turvaamiseksi. Hyvänä lähtökohtana on valmistaa ensin ei-ydinteknisesti turvaluokiteltuja kappaleita ja edetä käyttökokemuksen karttuessa turvaluokiteltuihin kappaleisiin.