NDT and SHM for fatigue and fracture mechanical property determination

Plant components in power plants like nuclear power plants (NPP) and chemical plants like refineries are very often manufactured in austenitic stainless steel because of the resistance of the material against corrosion. However, the components are very often under elevated service tem- peratures in the 280° ÷ 300°C regime and under mechanical cyclic deformation. The components – so far designed with sufficient fracture toughness – fail by fatigue crack initiation, crack growth to local leak and normally not break. When the cyclic deformation is in the LCF (low-cycle- fatigue, some thousand load cycles till end of life) regime the cracking is due surface-breaking cracks. nDT technology most applied is MT, i.e. magnetic testing as magnetic particle inspection based on the magnetic leakage fields of the surface cracks. So far the components are not ferromagnetic; PT (penetrant testing) is well introduced. In the nuclear field, because of the reason of contamination of the inspection media very often in the last years eddy current inspection (ET) was introduced and qualified. However, worldwide there is the strategy to life extent the nuclear power plants, and therefore in the last decade R&D to nDT for nuclear safety has concentrated to develop material characterization techniques for early detection of ageing phenomena [1]. The objective is to detect and quantify ageing in the material microstructure before a macroscopic crack occurs. These techniques were applied to monitor the fatigue behavior in the laboratory at servo-hydraulic machines. The next step is planned to implement the technology into lifetime management strategies of nPP to monitor components, i.e. pipes like the surge line or spray lines. The developed techniques also have a high potential to monitor fracture mechanical tests which normally are very time-consuming. First approaches are discussed in the here presented contribution. By using UT and time-of-flight of the surface-acoustic wave (Rayleigh wave) the crack-initiation at a fracture mechanical test specimen can be detected. Streszczenie Elementy elektrowni jądrowych i fabryk chemicznych, np. rafinerii, są wykonywane z wysokostopowych stali austenitycznych ze wzgledu na duzą odpornośc na korozje. Jednak elementy czesto pracują w temperaturze powyzej dopuszczalnej wynoszącej 280÷300 0 C i podda- wane są cyklicznym deformacjom. Elementy zaprojektowane tak by, mialy odpowiednią odpornośc na pekniecia, ulegają zniszczeniu w wyniku rozwoju lokalnej wady. W przypadku gdy cykliczne deformacje znajdują sie w przedziale LCF (male cykliczne zmeczenia, wynoszące kilka tysiecy cykli w calym okresie pracy), nie wystepują groźne zlamania. Ze wzgledu na to, ze stal austenityczna nie jest ferromagnetyczna, nie jest mozliwe wykorzystanie metody strumienia rozproszonego. Do wykrywania wad powierzchniowych uzywana jest metoda penetracyjna. W elektrowniach jądrowych uzywana jest metoda prądow wirowych. Obecnie podejmowane są wysilki mające na celu wydluzenie czasu pracy elektrowni jądrowych. Z tego powodu rozwijane są metody wczesnego wykrywania starzenia sie materialu [1]. Celem jest wykrycie i ilościowa ocena starzenia przed powstaniem wady. Umozliwiają one wczesną ocene stopnia starzenia sie materialu. W pierwszym kroku te metody są uzywane w laboratorium. nastepnie zostaną one wykorzystane w badaniach przemyslowych, w szczegolności w badaniu starzenia sie rurociągow. Rozwijane metody są bardzo uzyteczne w testowaniu pekniec, bez uzycia ich proces jest bardzo czasochlonny. W obecnej pracy jest opisana faza laboratoryjna. Poslugując sie metodą ultradźwiekową, mozna wykryc wade we wczesnej fazie. Metoda powinna byc testowana i oceniana ilościowo. Czas testowania zostanie wyraźnie skrocony. Przewiduje sie dalsze badania. Obecnie w tym celu uzywany jest specjalnie skonstruowany tester ultradźwiekowy EMAT.