Caracterización Mecánica y Microestructural de Daño por Fretting en Materiales para Tubos de Generadores de Vapor

Abstract

En esta tesis se realiz´o la caracterizaci´on mec´anica y microestructural del da˜no por fretting en tubos de generadores de vapor (TGVs) de la industria nuclear. Se estudiaron tubos de Incoloy 800 (I 800) e Inconel 690 (I 690) en contacto con distintos aceros inoxidables que com´unmente son utilizados en la fabricaci´on de las placas soporte en un generador de vapor. Para ello, se desarroll´o un dispositivo para realizar los ensayos. En los primeros estudios sobre I 800 se evalu´o la influencia de un aumento en la amplitud de desplazamiento relativo δ a carga normal constante P as´ı como la influencia de la composici´on qu´ımica del material en contacto con el TGV a δ y P constantes. Se hall´o que las capas de debris compactados sobre las superficies en contacto son diferentes para distintas δ as´ı como la estructura cristalina de los debris desprendidos del contacto. La naturaleza de dichos debris tiene un fuerte influencia en el mecanismo de desgaste presente. A su vez, un cambio en la composici´on qu´ımica de los materiales en contacto lleva a un cambio en el mecanismo principal de desgaste y la estructura cristalina de los debris desprendidos. Se realizaron estudios sistem´aticos para determinar los mapas de las condiciones de fretting en funcionamiento (Running Condition Fretting Map, RCFM) y los mapas de fretting de la respuesta de material (Material Response Fretting Map, MRFM) en aire a temperatura ambiente, en TGVs de I 800 en contacto AISI 304L y AISI 420. En el RCFM se presentaron los tres reg´ımenes de fretting: r´egimen de deslizamiento parcial (Partial Slip Regime, PSR), r´egimen de fretting mixto (Mixed Fretting Regime, MFR) y r´egimen de deslizamiento total (Gross Slip Regime, GSR). A su vez, el MRFM present´o solos dos regiones: la regi´on sin da˜no y la de da˜no por desgaste. Para las cargas de contacto t´ıpicas en los TGVs, no se observ´o la formaci´on temprana de fisuras. No se presentaron cambios en los mapas ni en el material desprendido al cambiar de AISI 304L a AISI 420. Por ´ultimo, se analizaron los cambios que generan otras variables del proceso en el da˜no por fretting. En particular, se estudio la repetitividad de los ensayos con el dispositivo utilizado, se compar´o el da˜no al cambiar el material del TGV de I 800 a I 690 y se evalu´o el cambio en el da˜no bajo distintos reg´ımenes de fretting ante diferente n´umero de ciclos. Adem´as, se compararon los resultados obtenidos de ensayos a temperatura ambiente en aire y en agua destilada. Por ´ultimo, es estim´o el tiempo de vida ´util del TGV, en millones de ciclos, en base a los resultados obtenidos para los diferentes pares de materiales.

In this thesis, the mechanical and microstructural characterization of the fretting damage in the steam generator tubes (SGT) of the nuclear industry was carried out. Incoloy 800 (I 800) and Inconel 690 (I 690) tubes were studied in contact with different stainless steels that are commonly used in the manufacture of support plates in the steam generator. To this end, a test rig was developed to carry out the tests. In the first studies on I 800 the influence of an increase in the relative displacement amplitude δ at constant normal load P was evaluated as well as the influence of the chemical composition of the material in contact with the SGT at constant δ and P. It was found that the compacted debris layers on the surfaces in contact and the crystalline structure of the detached debris are different for different δ. The nature of debris has a strong influence on the wear mechanism present. At the same time, a change in the chemical composition of the material generate a change in the main wear mechanism and the crystalline structure of the detached debris. After that, systematic studies were carried out to determine the Running Condition Fretting Map (RCFM) and the Material Response Fretting Map (MRFM) in air at room temperature, on I 800 SGTs against AISI 304L and AISI 420. In the RCFM, the three fretting regimes were found: Partial Slip Regime (PSR), Mixed Fretting Regime (MFR) and Gross Slip Regime (GSR). On the other hand, the MRFM presented only two regions: no degradation and wear region. Early crack formation was not observed at the typical contact loads in SGTs. There were no changes in the maps or detached debris when changing from AISI 304L to AISI 420. Finally, the changes originated by other variables in fretting damage were analyzed. In particular, the repeatability of results with the test rig used was studied, the changes in the damage due the changing the SGT material from I 800 to I 690 was compared, and the damage at different fretting regimes for different number of cycles was evaluated. In addition, the results obtained from tests in air were compared with tests carried out in distilled water at room temperature. Finally, lifetime of the SGT in millions of cycles is determinated, based on the results obtained for the different pairs of materials.