Realistic artificial flaws for NDE qualification : a novel manufacturing method based on thermal fatigue

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-07-14
Major/Subject
Material Science and Engineering
Koneenrakennuksen materiaalitekniikka
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
93, [83]
Series
TKK dissertations, 35
Abstract
Part of regular maintenance of power plants is periodically performed non-destructive in-service inspections (ISIs). The reliability of the ISI is based on the performance of the applied non-destructive inspection procedures and capability of the inspection personnel verified by qualification procedures. In qualification representative flaws are used for simulating postulated or actual service-induced flaws. However, different artificial flaw manufacturing procedures used so far have shown certain limitations in producing representative flaws including variations in reproducibility, introduction of artefacts and non-representative flaw characteristics. Consequently, better artificial flaw manufacturing methods are needed. The aim of this study was to fulfil the need by developing an artificial flaw manufacturing method. The method would allow production of realistic flaws with controllable size, location and characteristics and without additional disturbances, hence, avoiding the current problems. A controlled flaw manufacturing method based on the thermal fatigue damage mechanism was developed. The produced flaws and their characteristics were extensively examined to evaluate their representativeness by means of non-destructive and destructive testing methods. The developed method produces natural thermal fatigue cracks with realistic characteristics, e.g., opening, tortuous propagation, condition of residual stresses, and roughness of the fracture surface. The method is applicable for different materials and components. The produced flaws were compared to service-induced flaws by experimental measurements and by referring the open literature. Produced flaws are judged to be realistic flaws simulating essential characteristics of service-induced flaws and giving realistic NDE response. The developed method overcomes problems related to previous flaw manufacturing methods including, among others, non-representative flaw characteristics, difficulties in applicability to ready-made components and induced artifacts or disturbances.

Ainetta rikkomattomat tarkastukset ovat osa säännöllistä voimalaitosten ylläpitoa. Tarkastusten luotettavuus perustuu käytössä olevien menetelmien suorituskykyyn ja tarkastajien kyvykkyyteen. Ennen tarkastusten käyttöä määräaikaistarkastuksissa niiden suorituskyky osoitetaan menettelyllä, jota kutsutaan pätevöinniksi. Pätevöinnissä menetelmien ja tarkastajien suorituskyky osoitetaan käyttämällä teknisiä perusteluja ja/tai käytännön kokeita, joissa tarvitaan vikoja sisältäviä koekappaleita. Pätevöintikappaleissa käytetään mahdollisimman edustavia, tähän tarkoitukseen valmistettuja vikoja, joilla simuloidaan oletettuja tai havaittuja käytön aikana syntyneitä vikoja. Käytössä olleilla vianvalmistusmenetelmillä ei kuitenkaan voida valmistaa kaikissa tapauksissa edustavia vikoja. Menetelmien käyttöä rajoittavat mm. vaihtelu vikojen valmistuksessa ja huono toistettavuus, valmistusprosessin tuottamat ylimääräiset muutokset materiaaliin ja epäedustavat vikojen ominaisuudet. Niinmuodoin tarvitaan parempia vianvalmistusmenetelmiä. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusi keinovikojen valmistusmenetelmä, jolla ei ole edellä mainittuja rajoituksia. Työssä kehitettiin hallittu keinotekoisten vikojen valmistusmenetelmä, joka perustuu termisen väsymisen vaurioitumismekanismin hyödyntämiseen. Kehitetty menetelmä mahdollistaa todellisten kaltaisten vikojen valmistamisen siten, että niiden koko, sijainti ja ominaisuudet hallitaan ilman, että tuotetaan ylimääräisiä, tarkastusta haittaavia tai helpottavia muutoksia materiaaliin. Työssä valmistettuja vikoja tutkittiin sekä ainetta rikkomattomin että rikkovin menetelmin vikojen edustavuuden arvioimiseksi. Menetelmä tuottaa luonnollisia termisen väsymisen säröjä, jotka ovat ominaisuuksiltaan todellisia, laitoksilla käytön aikana syntyviä vikoja vastaavia. Kehitettyä menetelmää voidaan käyttää erilaisille materiaaleille ja komponenteille. Tuotettuja säröjä verrattiin laitosten käytön aikana syntyneisiin säröihin kokeellisesti sekä kirjallisuuden perusteella. Tuotetut säröt todettiin todellisten, käytössä syntyneiden säröjen kaltaisiksi, ja ne simuloivat hyvin todellisten vikojen olennaisia ominaisuuksia ja antavat todellisen kaltaisen NDE-vasteen. Kehitetyllä menetelmällä ei ole aikaisempien vianvalmistusmenetelmien rajoituksia.
Description
Väitöskirjassa tutkittiin nykyistä edustavampien keinovikojen valmistamista ja kehitettiin uusi särönvalmistusmenetelmä rikkomattoman tarkastuksen koulutus- ja pätevöintikäyttöön. Tutkimus liittyy ydinvoimateollisuuden laitteiden ja putkistojen määräaikaistarkastusten luotettavuuden varmistamiseen. Määräaikaistarkastusten luotettavuus varmistetaan tarkastusmenetelmän ja tarkastajan arvioinneilla. Arvioinneissa käytetään keinovikoja sisältäviä koekappaleita. Arvioinnin luotettavuuden kannalta oleellista on valmistaa tarkastettavan kohteen kanssa samanlaiset koekappaleet ja keinoviat. Nykyisin käytettävissä vianvalmistusmenetelmissä on puutteita, jotka rajoittavat niillä valmistettujen vikojen käyttöä ja heikentävät arviointien luotettavuutta. Työssä tutkittiin nykyistä edustavampien vikojen valmistamista ja kehitettiin uusi vianvalmistusmenetelmä, jolla ei ole olemassa olevien menetelmien rajoituksia. Kehitetty menetelmä patentoitiin työn aikana. Kehitetty särönvalmistusmenetelmä perustuu luonnolliseen vikaantumismekanismiin, joka voi aiheuttaa säröjä myös todellisiin, käytössä oleviin komponentteihin. Uusi menetelmä tuottaa hyvin todellista vastaavia vikoja. Tutkimuksessa osoitettiin menetelmällä tuotettujen vikojen vastaavuus vertaamalla niitä todellisiin vikoihin. Työssä osoitettiin kehitetyn menetelmän soveltuvuus erilaisille materiaaleille ja kappaleille.
Supervising professor
Hänninen, Hannu, Prof.
Thesis advisor
Virkkunen, Iikka; D.Sc. (Tech.)
Keywords
thermal fatigue, artificial flaw, flaw manufacturing method, non-destructive evaluation qualification, performance demonstration, ultrasonic testing, terminen väsyminen, keinotekoinen vika, vian valmistusmenetelmä, ainetta rikkomattoman tarkastuksen pätevöinti, tarkastuksen suorituskyvyn osoittaminen, käytännön koe, ultraäänitarkastus
Other note
Parts
  • Elfving, K., Hänninen, H., Kemppainen, M., Saarinen, P. and Virkkunen, I., 2004. Method for Producing Defects and Tensile Residual Stresses. United States Patent, US6723185 (B1), 20 April, 2004. [article1.pdf] © 2004 by authors.
  • Kemppainen, M., Virkkunen, I., Pitkänen, J., Paussu, R. and Hänninen, H., 2003. Realistic Cracks for In-Service Inspection Qualification Mock-ups. The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics, ISSN: 1435-4934. Vol. 8, no. 3, March 2003. pp. 1-8. [article2.pdf] © 2003 NDT.net. By permission.
  • Kemppainen, M., Virkkunen, I., Pitkänen, J., Paussu, R. and Hänninen, H., 2003. Comparison of Realistic Artificial Cracks and In-Service Cracks. The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics, ISSN: 1435-4934. Vol. 8, no. 3, March 2003. pp. 1-6. [article3.pdf] © 2003 NDT.net. By permission.
  • Kemppainen, M., Virkkunen, I., Pitkänen, J., Paussu, R. and Hänninen, H., 2003. Advanced Flaw Production Method for In-Service Inspection Qualification Mock-ups. Nuclear Engineering and Design, 224. pp. 105-117. [article4.pdf] © 2003 Elsevier Science. By permission.
  • Pitkänen, J., Kemppainen, M. and Virkkunen, I., 2003. Ultrasonic Study of Crack under a Dynamic Thermal Load. Proceedings of the Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Conference, Vol. 23, 27 July - 1 August 2003, Green Bay, Wisconsin, USA. Thompson, D. O. and Chimenti, D. E., eds., American Institute of Physics Conference Proceedings, Vol. 700, 2004. pp. 1582-1586. 0-7354-0173-X/04. [article5.pdf] © 2003 American Institute of Physics. By permission.
  • Kemppainen, M., Pitkänen, J., Virkkunen, I. and Hänninen, H., 2003. Advanced Flaw Manufacturing and Crack Growth Control. Proceedings of the Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Conference, Vol. 23, 27 July - 1 August 2003, Green Bay, Wisconsin, USA. Thompson, D. O. and Chimenti, D. E., eds., American Institute of Physics Conference Proceedings, Vol. 700, 2004. pp. 1272-1279. 0-7354-0173-X/04. [article6.pdf] © 2003 American Institute of Physics. By permission.
  • Virkkunen, I., Kemppainen, M., Pitkänen, J. and Hänninen, H., 2003. Effect of Thermal Stresses along Crack Surface on Ultrasonic Response. Proceedings of the Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Conference, Vol. 23, 27 July - 1 August 2003, Green Bay, Wisconsin, USA. Thompson, D. O. and Chimenti, D. E., eds., American Institute of Physics Conference Proceedings, Vol. 700, 2004. pp. 1224-1231. 0-7354-0173-X/04. [article7.pdf] © 2003 American Institute of Physics. By permission.
  • Kemppainen, M., Virkkunen, I., Pitkänen, J., Hukkanen, K. and Hänninen, H., 2003. Production of Realistic Artificial Flaw in Inconel 600 Safe-end. Proceedings of the Conference on Vessel Penetration Inspection, Crack Growth and Repair, sponsored by USNRC and Argonne National Laboratory, 29 September - 2 October 2003, Washington D.C., Gaithersburg, USA. NUREG/CP-0191, Vol. 1, pp. 51-60 and Vol. 2, pp. 181-196 (presentation slides). [article8.pdf] © 2003 by authors.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-007086