The influence of delivery condition, annealing and pickling on the surface quality of austenitic stainless steel seamless pipes

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Koneenrakennuksen materiaalitekniikka
Mcode
Kon-67
Degree programme
Language
en
Pages
122 + [6]
Series
Abstract
The surface quality of austenitic stainless steel seamless pipes installed in a nuclear power plant primary circuit is essential regarding the activity build-up. A bigger surface roughness results in higher activity levels and higher radiation exposure for the personnel in the plant. Thus, minimizing the surface roughness of the pipes is important. This thesis is related to the modernization of the reactor coolant pressure control system of Loviisa 1 and to the upcoming modernization of the same system of Loviisa 2. The pipes used in the renewal works were austenitic stainless steel (AISI 316Ti) seamless pipes in the size range of 33.4 x 3.38 - 88.9 x 8.0. The set surface roughness limit in Fortum's specification is 1.0 µm Ra and the pipes should be in cold finished state. The pipe bends of Loviisa 1 were cold or induction bent, solution annealed in air, pickled and passivated. During annealing a high-temperature oxide forms on the surface of the pipes and it must be removed to restore the desired corrosion properties. In this thesis factors affecting the surface quality of seamless pipes are described. Manufacturing, delivery conditions, formation of a high-temperature oxide layer, pickling and passivation are covered. In the experimental part nine pipes from a size range of 25.0 x 3.0 - 88.9 x 4.05 were studied. The studied materials were AISI 316Ti and AISI 316L. The experiments included annealing the pipes in air and pickling tests. The surface roughness, microstructure, oxide layer, and pickling behaviour of the pipes were studied. It was found out that the delivery condition of the pipes is the main factor in optimizing the surface roughness of finished pipes. The initial surface roughness of the studied CFA (cold finished bright annealed) pipes were around 0.3, CFD (cold finished heat treated, descaled) pipes 1.5 and HFD (hot finished heat treated, descaled) pipes 6.3 µm Ra. The pickling tests showed that the influence of delivery condition, surface roughness, grade, and grain size of the material are quite small to pickling times. The variation in pickling behaviour seems to stem more from production batch or individual pipe-related differences. From two annealed specimens crack-like features were found and the importance and occurrence of these should be studied further. Both annealing and pickling increased the surface roughness of the pipes. The increase in surface roughness from pipes in delivery condition to annealed and pickled pipes was around 0.4 - 0.7 µm Ra. The surface roughness increase was slightly bigger with CFA pipes than with the other pipes. In the pickled condition CFA pipes were able to achieve the 1.0 µm Ra surface roughness limit. The surface roughness of pickled CFD pipes was around 2 µm and, thus, relatively close to the set limit.

Ydinvoimalaitoksen primääripiiriin asennettujen saumattomien austeniittisten ruostumattomien teräsputkien pinnanlaatu on aktiivisuuden kertymisen suhteen tärkeää. Suurempi pinnankarheus johtaa korkeampiin aktiivisuustasoihin ja aiheuttaa suuremman säteilyaltistuksen laitoksen henkilökunnalle. Täten putkien pinnankarheuden minimointi on olennaista. Tämä työ liittyy Loviisan ydinvoimalaitosyksikössä 1 tehtyyn paineenhallintajärjestelmän modernisointiin, joka tullaan toteuttamaan myös laitosyksikössä 2. Modernisoinnissa käytetyt saumattomat putket olivat austeniittista ruostumatonta terästä (AISI 316Ti) kokovälillä 33.4 x 3.38 - 88.9 x 8.0. Fortumin materiaalispesifikaation mukaan putkille asetettu pinnankarheusvaatimus on 1.0 µm Ra ja putkien tulee olla kylmäviimeistellyssä tilassa. Loviisa 1:llä käytetyt putkikäyrät on kylmä- tai induktiotaivutettu, liuoshehkutettu ilmassa, peitattu ja passivoitu. Hehkutuksen aikana putkien pinnalle muodostuu korkeaIämpötilaoksidi, joka tulee poistaa, jotta toivotut korroosio-ominaisuudet saadaan palautettua. Tässä työssä on kuvattu saumattomien putkien pinnanlaatuun vaikuttavia tekijöitä. Käsiteltyjä asioita ovat valmistus, toimitustilat, korkealämpötilaoksidi, peittaus ja passivointi. Kokeellisessa osassa on tutkittu yhdeksää putkea kokoväliltä 25.0 x 3.0 - 88.9 x 4.05. Tutkitut materiaalit olivat AISI 316Ti ja AISI 316L. Kokeissa putkia on hehkutettu ilmassa ja niille on suoritettu peittauskokeita. Tutkittuja asioita olivat pinnankarheus, mikrorakenne, oksidikerros ja peittautuminen. Saadut tulokset osoittivat, että putkien toimitustila on tärkein tekijä valmiin putken pinnanlaadun optimoinnissa. Toimitustilaisien putkien pinnankarheudet olivat seuraavia: CFA (kylmämuokattu ja kiiltohehkutettu) 0.3, CFD (kylmämuokattu ja lämpökäsitelty, hilseenpoisto) 1.5 ja HFD (kuumamuovattuja lämpökäsitelty, hilseenpoisto) 6.3 µm Ra. Peittauskokeiden tulosten mukaan toimitustilan, pinnankarheuden, materiaalilaadun ja raekoon vaikutus peittausaikaan oli melko pieni. Suurinta hajontaa peittausajoissa näyttää aiheuttavan tuotantoerä- tai putkikohtainen vaihtelu. Kahdesta hehkutetusta näytteestä löydettiin särömäisiä näyttämiä ja niiden merkitystä ja esiintyvyyttä tulisi tutkia tarkemmin. Hehkutus ja peittaus kasvattivat putkien pinnankarheutta. Toimitustilaisien putkien pinnankarheus kasvoi hehkutuksessa ja peittauksessa noin 0.4 0.7 µm Ra. Pinnankarheuden kasvu oli hieman suurempaa CFA-putkilla kuin muilla tutkituilla putkilla. Peitatussa tilassa CFA-putket saavuttivat asetetun 1.0 µm Ra pinnankarheusrajan. Peitattujen CFD-putkien pinnankarheus oli noin 2 µm ja täten CFD-putkilla päästiin verrattain lähelle tavoiteltua pinnankarheusarvoa.
Description
Supervisor
Hänninen, Hannu
Thesis advisor
Korhonen, Ritva
Keywords
austenitic, austeniittinen, stainless steel, ruostumaton teräs, seamless pipe, saumaton putki, delivery condition, toimitustila, annealing, hehkutus, pickling, peittaus, surface quality, pinnanlaatu, surface roughness, pinnankarheus, activity build-up, aktiivisuuden kertyminen
Other note
Citation