Open this publication in new window or tab >>2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
When assessing nuclear power plant life, stress corrosion cracking (SCC) plays an important role. Stress corrosion cracking in nuclear power plants is well recognized and heavily researched. Still due to its complicated nature it is not completely understood. There are many different damage mechanisms behind SCC. The focus in this thesis is on the slip-oxidation model. In the slip-oxidation model, the aggressive ions are diffused to the crack tip. In the crack tip the aggressive ions act as a catalyst to slow down the repassivation rate of the oxide film. At the crack tip the localized anodic dissolution occurred until an oxide film was produced to repassivate the corrosion process. Due to the constant stresses applied, the oxide film ruptured, and new virgin material was exposed to be dissolved and finally repassivated. This process is consequently repeated. The first part of the work introduces a new formulation of a cohesive element with extended environmental degradation capability, which is essential to create the later SCC models. The new degradation method was evaluated against a Hydrogen Embrittlement (HE) experiment showing improved agreement with the experiment compared to the literature. The effect of different susceptibility zones at the crack tip was also investigated, showing that a uniform degradation throughout the susceptible zone is more influenced by the χ parameter than a triangular susceptible zone. In the second part a phenomenological SCC model was created with the purpose to model primary water conditions in pressurized water reactors (PWR). It used the slip-oxidation model for considering SCC in boiling water reactors (BWR) under normal water chemistry (NWC). The PWR model was implicit, coupled with a segregated solution scheme including a diffusion equation based on Fick’s second law and a cohesive zone description for the fracture mechanics part. The degradation was modelled with an anodic slip-dissolution equation that uses the effective cohesive traction and concentration as the main parameters. The model was evaluated against experiments on the effects of cold work on intergranular stress corrosion cracking (IGSCC). The model showed good agreements for both shifting amount of cold work illustrated by only changing the yield stress in the bulk material and for shifting the stress intensity factor. The model versatility was also shown by simulating IGSCC in Alloy600, also with good agreements. The BWR model was multi-physical including a slip-oxidation, diffusion model and had adaptive oxide thickness developed into the cohesive element framework. The oxide thickness was derived from the slip-oxidation model and updated in every structural iteration to fully couple the fracture properties of the cohesive element. The cyclic physics of the slip oxidation model was replicated. The model results agreed with experiments in the literature for changes in the stress intensity factor, yield stress representing cold work and environmental factors such as conductivity and corrosion potential. The adaptive model was also expanded into a duplex oxide model with an inner and outer oxide. The model showed agreeing results with literature and the model was used to simulate different oxide growth kinetics
Abstract [sv]
Spänningskorrosion (SCC) har stor inverkan vid bedömningen av kärnkraftverkens livslängd. Spänningskorrosionssprickor i kärnkraftverk är ett välkänt fenomen och är intensivt undersökta, men än i dag är den grundläggande orsaken inte helt förstådd pga. dess komplicerade natur. Det finns många olika skademekanismer bakom SCC. Fokus i denna avhandling ligger på slip-oxidation modellen. I slip-oxidation modellen diffunderar de aggressiva jonerna till sprickspetsen, de fungerar där som en katalysator för att bromsa återväxt av oxidfilmen. Vid sprickspetsen inträffar den lokaliserade anodiska upplösningen ända tills en oxidfilm byggts upp och passiverat korrosionsprocessen. En yttre last skapar konstanta spänningar, vilka i sin tur leder till att oxidfilmen spricker efter att ha växt ett tag. Detta skapar tillväxt av ny oxid och processen upprepas cykliskt. I den första delen av arbetet introduceras en ny formulering av ett kohesivt element med utökad förmåga at simulera olika miljöförhållanden. Vilket ingår i de senare SCCmodellerna. Den nya degraderingsmetoden utvärderades mot ett väteförsprödningsexperiment (HE). Resultaten av simuleringarna med den nya modellen för degradering överensstämde bättre med experimentet än tidigare simuleringar i litteraturen. I den andra delen skapades en fenomenologisk SCC-modell som är baserad på slipoxidation modellen. Den simulerar vattenkemin i primärkretsen hos tryckvattenreaktorer (PWR) och i kokvattenreaktorer (BWR) under normal vattenkemi (NWC). PWR-modellen var implicit, med ett segregerad lösningsschema inklusive en diffusionsekvation baserad på Ficks andra lag och en kohesiv brottzonsbeskrivning för sprickmekanismen. Degraderingen simuleras med en anodisk slip-oxidation modell som använder den effektiva kohesiva normalkraften och koncentrationen av de aggressiva jonerna som huvudparametrar. Modellen utvärderades mot experiment som visar effekten av kallbearbetning på intergranulär spänningskorrosion (IGSCC). Modellen överensstämmer för skiftande mängd kallbearbetning, vilket illustrerades genom att endast ändra flytspänningen i bulkmaterialet. Modellen överensstämde även för olika spänningsintensitetsfaktorer. Mångsidigheten av modellen illustrerades genom att simulera IGSCC i Alloy600, även det med bra överenstämmelse. BWR-modellen är en multifysikmodell som bygger på en slip-oxidation modell, diffusionsmodell och en adaptiv oxidtjocklek som utvecklats i det kohesiva elementet. Oxidtjockleken utgick från slip-oxidationsmodellen och uppdaterades i varje strukturell iteration för att helt koppla samman det kohesiva elementets sprickegenskaper. Den cykliska fysiken i slip-oxidationsmodellen replikerades. Modellresultaten överensstämde med experiment i litteraturen för förändringar i stressintensitetsfaktor, flytspänning som representerar kallbearbetning och miljöfaktorer som konduktivitet och korrosionspotentialen. Den adaptiva oxidmodellen utvecklades också till en duplex modell där två oxider simulerades. Den totala oxiden delades upp i en inre oxid med både logaritmisk och exponentiell tillväxtlag och en yttre oxid som styrdes av slip-oxidationsmodellens totala oxidation.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2020. p. 38
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2020:06
Keywords
Cohesive Zone Model, Fracture Mechanics, Diffusion, Duplex oxide, Multi-physics, Finite Element Model
National Category
Applied Mechanics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-271572 (URN)978-91-7873-483-2 (ISBN)
Public defence
2020-04-21, https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_kGQFlf_7QB-7Cr1yIE9cvw, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20200327
2020-03-272020-03-272025-03-17Bibliographically approved