ESTUDIO SOBRE LA DISTRIBUCI N DE HIDR GENO EN JUNTAS SOLDADAS DE ZIRCALOY-4

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
ESTUDIO SOBRE LA DISTRIBUCIÓN DE HIDRÓGENO EN
JUNTAS SOLDADAS DE ZIRCALOY-4
R.L.Martínez (a), L. Boccanera (a), L. Fernández (b) y H.L. Corso (b)
(a) INVAP S.E. 8400 Bariloche. Rio Negro. Argentina
(b) Centro Atómico Bariloche. 8400 Bariloche. Rio Negro. Argentina
e-mail: [email protected]
RESUMEN
El Zircaloy-4, que es usado extensamente como material estructural de los reactores nucleares, presenta
baja solubilidad de hidrógeno, lo que provoca la precipitación de hidruros una vez superado el límite de
solubilidad. El efecto de este fenómeno es el de la fragilización por hidrógeno, y las consecuencias más
perjudiciales son la degradación de las propiedades mecánicas y de la resistencia a la corrosión. Debido a
esto, la evaluación del contenido de hidrógeno por muy variados métodos es una herramienta básica para
interpretar la función del hidrógeno en los mecanismos de corrosión y comportamiento mecánico del
Zircaloy-4. Por otro lado, las soldaduras en las aleaciones de circonio producen tensiones residuales y
cambios de textura que pueden provocar una desigual distribución de hidrógeno en el material soldado. En
este trabajo se midieron los contenidos de hidrógeno en las diferentes zonas de soldaduras realizadas por
los procesos de PLASMA (PAW) y TIG (GTAW) en chapas de Zircaloy-4. También se presentan
resultados sobre muestras del mismo material soldado, cargadas electrolíticamente con hidrógeno. El
contenido de hidrógeno en cada muestra fue medido mediante un equipo LECO RH-404. Se agregan
determinaciones de oxígeno y nitrógeno realizadas mediante un equipo LECO TC-436 sobre secciones
similares a las utilizadas para medir hidrógeno. Se muestran los resultados experimentales y se describen
las eventuales diferencias entre los dos métodos de soldadura utilizados.
1.
INTRODUCCION
Las aleaciones de circonio son usadas en variadas
aplicaciones nucleares como, por ejemplo, su empleo en
la parte estructural del núcleo de los reactores.
Durante la operación normal de pressurized water
reactors (PWRs) los materiales estructurales absorben
hidrógeno [1]. Como consecuencia de la gran
importancia tecnológica de estas aleaciones, el deterioro
de sus propiedades mecánicas inducido por el hidrógeno
ha sido extensamente estudiado, ya que estos materiales
sufren considerable desmedro de sus propiedades
mecánicas debido a la progresiva hidruración que
experimentan durante los períodos de operación del
reactor [2-4].
El Zircaloy-4 es una de las aleaciones de circonio que
presenta baja solubilidad de hidrógeno, lo que provoca
la precipitación de la fase hidruro una vez superado el
límite de solubilidad. Estos hidruros fragilizan el
material degradando su comportamiento mecánico como
material estructural. Como el hidrógeno puede moverse
con facilidad a través de la red cristalina del Zircaloy-4,
puede esperarse que grandes concentraciones migren y
se acumulen en regiones locales del material.
En la literatura se reportan, en general, como principales
efectos para la migración de largo alcance del hidrógeno
en Zircaloy-4, gradientes de concentración, gradientes
de temperatura y gradientes de tensión [5]. En
consecuencia, la presencia de un fenómeno de
redistribución de hidrógeno debe esperarse cuando un
material es sometido a gradientes de temperatura
extremos como aquéllos que se producen,
particularmente, durante la fusión del material en los
procesos de soldadura [6].
Por lo tanto, el análisis, estudio y caracterización de
soldaduras que se realizan en materiales de uso nuclear
como el Zircaloy-4 asume particular importancia en la
seguridad de los reactores nucleares.
En este trabajo se presentan los resultados
experimentales del estudio realizado en soldaduras de
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
chapas de Zircaloy-4 de calidad nuclear por medio de las
técnicas de PLASMA y TIG, con el objeto de estimar la
redistribución de hidrógeno en las diferentes zonas de la
soldadura. También se presentan resultados sobre
muestras del mismo material soldado, cargadas
electrolíticamente con hidrógeno. Se agregan resultados
sobre mediciones realizadas para determinar los
contenidos de oxígeno y nitrógeno.
2.
-
Buena penetración sin necesidad de aplicar soporte
en el reverso.
Escasa preparación de junta.
Reducción de la distorsión.
Velocidades superiores al GTAW entre el 30% al
50%.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Las muestras estudiadas, que fueron chapas de Zircaloy4 de calidad nuclear de 6 mm de espesor fueron
soldadas, usando los métodos siguientes:
G T A W (Gas Tungsten Arc Welding)
Figura 3: Características del proceso PAW
Las características principales como puede verse en la
figura 1, son las siguientes:
- Haz menos concentrado;
- Parte de la energía se disipa alrededor del haz.
- No se utilizan fundentes ni gases reactivos.
En la figura 4 se muestra la junta utilizada.
6 m m
0 .5 m m
Figura 4: Detalles de la junta utilizada en PAW
Figura 1: Características del GTAW.
En la figura 2 se muestra la junta utilizada.
90°
6 mm
0.5 mm
1.5 - 2.0 mm
Figura 2: Detalles de la junta utilizada en GTAW
Las soldaduras realizadas tanto mediante el método TIG
como el de Plasma han sido analizadas haciendo una
serie de cortes, en forma de láminas de 0.5 y 0.8 mm de
espesor, desde la zona del cordón de soldadura, pasando
por la zona afectada por el calor, y llegando hasta el
material base. Para dicho corte se utiliza una fresadora
con control de posición en los tres ejes y un disco de
corte de 0.3 mm de espesor; la posición de corte fue
determinada por marcas previamente realizadas sobre la
soldadura
El corte de las probetas se realizó seleccionando a través
de una macrografia 9 sectores de los cuales 3
corresponden a la zona de fusión, 3 a la zona afectada
por el calor y 3 al metal base. Esta distribución de los
cortes puede verse en las figuras 5 y 6 para las
soldaduras de PLASMA y TIG.
PAW (Plasma Arc Welding)
Las características principales como puede verse en la
figura 3 son las siguientes:
- Mínima cantidad de aporte
- Diverge muy poco fuera de la tobera
- Concentra más el calor en la zona de soldadura.
- Se transfiere un haz concentrado a la zona de
soldadura entre 10.000 K a 16.000 K .
Figura 5: Macrografia de la soldadura TIG y sectores
donde se extraen las probetas para análisis.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
3.
RESULTADOS
Los análisis de hidrógeno sobre las diferentes zonas se
encuentran representados en la figura 7. Estos resultados
muestran un aumento sensible de la concentración de
hidrógeno en la ZF para las dos técnicas de soldadura
utilizadas.
30
TIG
25
PLASMA
20
H2 (ppm)
La hidruración catódica en muestras soldadas de
Zircaloy-4 por TIG y PLASMA fue realizada a
temperatura de 80 °C. La tensión utilizada entre el
electrodo (que fueron las muestras de Zircaloy-4) y
contraelectrodo (de níquel puro) fue de 6 V, con una
corriente máxima de corte de 0,5 A para la reacción de
hidrólisis en medio básico (solución de 0.1 M de
hidróxido de potasio) [7]. Las superficies de las
muestras fueron pulidas metalográficamente por medios
mecánicos hasta pasta de alúmina y atacadas
químicamente. Las muestras fueron cargadas con
hidrógeno en estas condiciones por un período de 4
horas. El mismo procedimiento de pulido fue utilizado
para las macrografias y el ataque químico fue a través de
una solución de HNO3 / HF / H2O.
15
10
5
0
B
A
D
C
ZF
ZAC
MB
Posición
Figura 7: Valores de hidrógeno (ppm) para los procesos
GTAW y PAW en las diferentes zonas analizadas.
De cada muestra soldada se han extraído 9 secciones,
representativas de las distintas zonas de la soldadura. En
cada una de estas secciones, de masas variables entre
200 y 1000 mg, se midió el contenido de hidrógeno
mediante un equipo LECO RH-404, que compara dos
corrientes de argón de alta pureza, una que contiene el
hidrógeno liberado por la muestra durante su fusión, y
otra de argón puro, utilizada como referencia. El método
de medición aprovecha la diferencia en un orden de
magnitud entre la conductividad térmica del hidrógeno y
la del argón, mediante una celda de conductividad
térmica, basada en un puente de Wheatstone. El
procesador del sistema integra la señal, y la traduce a
concentración de hidrógeno, en partes por millón en
peso.
Las mediciones de O y N fueron realizadas por un
equipo LECO TC-436. El O es medido por detección
infrarroja. La medición de N se realiza por
conductividad térmica. La precisión del instrumento es
de 2 ppm para N y de 1 ppm para el O. [8]
Las mismas soldaduras fueron hidruradas catódicamente
por electrólisis observándose mayores valores de
hidrógeno para la soldadura GTAW en todas las zonas.
Esta situacion puede observarse en la figura 8.
MUESTRAS CARGADAS ELECTROLITICAMENTE CON H2
120
TIG
PLASMA
100
80
H2 ppm
Figura 6: Macrografia de la soldadura PLASMA y
sectores donde se extraen las probetas para análisis.
60
40
20
0
B
A
MB
ZAC
D
C
ZF
Posición
Figura 8: Valores de Hidrógeno (ppm) para los procesos
GTAW y PAW para las diferentes zonas analizadas.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
A las mismas muestra se le realiza análisis de Oxígeno y
Nitrógeno, en los dos métodos de soldadura utilizados
como se observa en la figura 9.
PLASMA
TIG
1600
1400
REFERENCIAS
[1] Aitchison . In Application-related Phenomena in
Zirconium and its Alloys. ASTM-STP (ASTM
Philadelphia, 1969) 160.
[2] C.E. Coleman and D. Hardie. J. Less Common
Metals (1966) 168.
1200
1000
Oxígeno
800
ppm
5.
[3] D. O. Northwood, and U. Loassih, Int. Metals
Review. 28 (1983) 92.
600
150
[4] C.E. Ells. J. Nuclear Materials 28 (1968) 129.
100
Nitrógeno
50
0
MB
A
ZAC
B
C
ZF
D
Posición
Figura 9: Contenido de Oxigeno y Nitrógeno para las
diferentes zonas de las soldadura PAW y GTAW.
4.
CONCLUSIONES
De los resultados experimentales preliminares que se
muestran en este trabajo pueden extraerse las siguientes
conclusiones:
• Las concentraciones de hidrógeno observadas en las
juntas soldadas con el método TIG en la ZF son
sensiblemente mayores a las que podemos ver en las
mismas zonas soldadas por PLASMA.
En el MB y en ZAC no se observan diferencias
apreciables.
•
En las muestras cargadas con hidrógeno por
electrólisis las mediciones de concentración de
hidrógeno muestran en todas las zonas valores de
concentración mayores para las probetas soldadas
por TIG.
•
Las mediciones sobre presencia de oxígeno y
nitrógeno no muestran diferencias apreciables para
los dos métodos de soldadura utilizados.
Si bien los resultados sugieren que las soldaduras
realizados por PLASMA son menos sensibles a la
contaminación por hidrógeno que las realizadas por
TIG, debe destacarse que en los dos métodos estudiados
los valores de concentraciones de hidrógeno, oxígeno y
nitrógeno no superan los valores estipulados por las
normas [9].
[5] Zammenzind, B. F. Berqist, B.M. Bajaj, R. Kreyns,
P.H. Franklin D.G. 12th. ASTM International
Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry.
Toronto (Canada) 15-18. June 1998.
[6] Kennedy J.R., Adler P.N. Grumman Corp,
Bethpage, N.Y.Corporate Research
Center.
Metallurgical Transactions. A. Physical Metallurgy
and Materials Science. Dec. 1993. V. 24(24)A(12)
2763.
[7] J. Belle, B.B. Cleland, M.W.
Electrochem. Soc. 101 (1954) 211.
Mallett.
J.
[8] Mediciones realizadas por los laboratorios de
CONUAR FAE S.A. Informe de Control fGC-196,
fecha 19-07-04.
[9] Norma ASTM B352. Grado R60804 (Zircaloy-4)