Feeder pipes are a component of pressurized heavy water reactors (PHWRs) that are directly connected to the reactor core and are fabricated from SA-106 carbon steel which is an ASME specification for seamless carbon steel pipe for high-temperature service. Since 1996, partial through-wall and through-wall cracks have been detected in feeder pipes of some PHWRs. One of the key features in terms of feeder cracking observed to date is the decarburized layer found from the outer diameter of feeder.
Intergranular embrittlement in low alloy steels has been shown to be caused primarily by the segregation of impurities to grain boundaries. The most common embrittling impurity element in low alloy steels is known to be phosphorus.
Effect of decarburization heat treatment (DHT) and chromium addition on the microstructure, phosphorus segregation, corrosion properties and ultrasonic wave behavior in SA-106 carbon steel was studied through Auger Electron Spectroscopy (AES) analysis, electrochemical experiment and ultrasonic test.
Optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS) were performed to clarify the change in microstructure due to DHT and 0.3-0.4wt\% chromium addition.
The microstructure of as-received specimens before DHT consists of ferrite and pearlite and that of decarburized specimens only consists of ferrite. The depth of decarburized layer in specimens increased as the time of decarburization heat treatment increased. The size of grain also increased as the decarburization proceeded.
Effect of DHT and chromium addition on intergranular embrittlement of SA-106 carbon steel was investigated by scanning AES analysis on fractured surface.
The experimental results showed that decarburization process changed the low-temperature fracture mode from transgranular to intergranular. The as-received specimens were fractured by the cleavage mode at liquid helium temperature by impact with a hammer in AES equipment. On the other hands, the decarburized specimens were fractured by the intergranular mode by impact at the same environment. On increasing the bulk concentration of chromium, the degree of segregation of phosphorus increased in the fully decarburized specimens.
Considering the direct and indirect effect of residual tensile stress imposed on SA-106 feeder pipes in heavy water react or during manufacturing and installation, cautions should be taken in the effect of increased phosphorus segregation due to such various causes as tensile stress, DHT and chromium addition on the intergranular embrittlement of SA-106 feeder pipes in heavy water reactors.
Effect of DHT and chromium addition on corrosion behavior of SA-106 carbon steel was investigated by performing electrochemical measurements.
As previously said, DHT changed the microstructure consisting of two phases (pearlite and ferrite) to one phase (ferrite) and the ferrite phase got coarsened as the time of heat treatment increased. These microstructural and compositional differences before and after the DHT and Cr addition changed the electrochemical corrosion potential (ECP) and repassivation behavior of the SA-106 specimens.
Decarburized layer which can be one of major causes of material degradation was found in some feeder pipes in pressurized heavy water reactor. The existence of decarburized layer can be identified by either using optical observation of the microstructure of the materials or measuring the micro-hardness. However, a method that can measure decarburized layer nondestructively is needed. Thus, in this study, we used ultrasonic methods to characterize the decarburized layers, since ultrasonic methods can measure change of grain size and/or hardness using attenuation and sound velocity. For that purpose, we fabricated decarburized SA-106 carbon steel specimens with different chromium contents and decarburizing time. And then, optical microscope analysis was performed to characterize the decarburized layer of SA-106 carbon steel with different chromium contents. From the measured results, we investigated relationship between decarburized layer and ultrasonic attenuation. As the time of decarburization heat treatment increased, the depth of decarburized layer increased and resulted in the more ultrasonic attenuations. Comparing two specimens with different chromium contents, the more chromium were added, the less ultrasonic attenuation resulted in.
중수로 원전에 사용되는 피더배관은 ASME Code SA-106 탄소강으로 제작되며, 1996년 이후 배관 내외부에서 시작한 균열이 발생하였다. 균열된 배관에서는 표면 탈탄층이 확인되었으며, 탈탄시 입계로 편석된 P 등의 불순물은 저합금강 입계취성의 주요 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 탈탄열처리 및 소량의 Cr 첨가로 인한 미세조직상의 변화를 확인하기 위하여 광학현미경, 주사전자현미경 및 투과전자현미경을 사용하여 분석하였으며, 열처리 및 Cr 첨가에 따른 입계 P편석 거동을 확인하기 위해 AES 분석을 수행하였다. 또한, 탈탄열처리 및 Cr 첨가에 따른 부식특성의 변화를 확인하고자, 고온(316℃）및 상온 부식실험을 수행하였으며, 탈탄층의 형성을 비파괴적으로 확인하기 위한 시도로서, 초음파 감쇄와 미세조직 변화와의 상관관계를 고찰하였다.
탈탄열처리후 미세조직을 관찰한 결과, 소량의 Cr 첨가가 탈탄현상에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 탈탄열처리 시간이 증가함에 따라 탈탄층의 깊이는 비례적으로 증가하였으며, Cr이 첨가된 0.005P-0.35Cr 시험편의 경우 탈탄층의 깊이가 0.005P-0.02Cr에 비해 상대적으로 작았다. 기존에 비교적 높은 Cr 함량(2 wt.%이상)에서의 탈탄방지효과를 보여주는 실험이 대부분 이었으나, 금번 실험에서는 소량의 Cr(0.03 wt.%) 첨가로 인한 탈탄방지효과를 확인할 수 있었다. 미세조직 측면에서, Cr이 거의 포함되지 않은 0.005P-0.02Cr 시험편은 24시간 탈탄동안 원주형 결정입자 성장(columnar grain growth) 현상이 관찰되었으나, 0.005P-0.35Cr 시험편은 이러한 원주형 조직으로의 성장 현상이 없었다. 또한 SEM 및 TEM 관찰결과에서 0.005P-0.35Cr 탈탄시험편 결정립계에서 미세한 FeCr7C0.45 석출물이 관찰되었다.
AES를 이용하여 탈탄열처리에 따른 P 입계편석량을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 24시간 탈탄열처리한 경우 입계파면에서 잔존 C peak이 관찰되지 않았으며, P의 입계편석량은 Cr의 함량이 높은 0.005P-0.35Cr 시험편에서 0.005P-0.02Cr 시험편에 비해 많은 경향을 보였다. 이는 Erhart 이후 주장된 P 입계편석에 미치는 Cr의 효과에 있어 C의 역할을 부정하는 근거가 될 수 있는 결과이다. 이러한 결과는 이전 Guttmann의 Cr-P 공동 편석(cosegregation) 모델을 실험적으로 뒷받침한다고 볼 수 있다.
둘째, 12시간 탈탄열처리후에는 입계파면에 잔존 C peak이 관찰되었으며, Cr의 함량이 높은 0.005P-0.35Cr 시험편은 0.005P-0.02Cr 시험편에 비해 상대적 잔존 C peak이 낮고, P 입계편석량도 적은 경향을 보였다.
편석열처리에 따른 파괴 및 P 입계편석 분석결과, 편석열처리만 된 충격시험편의 경우 편석열처리 기간에 관계없이 파면은 입내파괴양상을 보였다. 상대적으로 탈탄열처리된 충격시험편의 경우 탈탄열처리된 시간이 증가함에 따라 입계파면의 비율이 커지고, 24시간 탈탄된 경우 완전한 입계파괴양상을 보였다. 이와 동시에 탈탄열처리후 시험편 입계파면에서 관찰된 P 입계편석량과 비교하여, 탈탄열처리후 편석열처리를 동시에 수행한 경우 입계파면에서 P 입계편석량이 크게 증가하였다. 이러한 파면분석 및 P 입계편석량 측정결과로서, 편석열처리로 인한 P 입계편석 및 입계취화는 탈탄열처리에 의한 입계 C 원소의 제거가 선행되어야 하며, 탈탄열처리 및 편석열처리후 입계파괴의 주원인은 P 입계편석 증가로 인한 입계취화 효과라기 보다는, 상대적으로 결정상간 결합력을 유지하는 입계 C의 제거로 인한 효과가 더욱 큰 것으로 판단되었다. 탈탄열처리 및 Cr 첨가에 따른 부식특성변화에 대한 분석결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 탈탄열처리에 의한 미세조직변화는 재부동태 전류천이특성에 영향을 미치고, 탈탄열처리전 미세한 펄라이트와 페라이트 2상 조직으로 구성된 표면이 탈탄열처리후 조대한 페라이트 단일상으로 변화함에 따라, 정상상태(steady-state) 전류값이 증가하였다. 이는 조대한 단일상으로 된 탈탄층 표면은 산화피막 시작점의 역할을 할 수 있는 결정입계가 상대적으로 적어, 표면피막의 재생속도가 느리고, 산화피막의 안정성이 낮아 Fe 이온이 용액내로 용출되기가 용이하게 되는 것으로 판단하였다.
둘째, 탈탄전후 시험편간 큰 차이를 보였던 재부동태 정상상태 전류값 차이가 Cr이 소량(0.35wt.%) 첨가됨으로 인하여 크게 감소되는 경향이 있었다. 이것은 비록 소량의 Cr이라도 표면피막의 생성속도 및 안정성 측면에서 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
세째, 탈탄열처리 후 단면 미세조직을 SEM/EDS로 분석한 결과, 결정입계에 두께 0.5㎛의 산화막을 발견하였다. Cr 함량에 따라 탈탄층의 깊이가 차이가 있었으며, 0.005P-0.02Cr 시험편의 경우 24시간 탈탄열처리후 약 100㎛ 깊이까지 입계 산화막을 확인하였다. 탈탄열처리 중에 생성된 이러한 결정입계 산화피막은 AES 저온충격시험에서 입계파괴의 시발점이 될 가능성이 높은 것으로 판단하였다.
탈탄열처리에 의한 미세조직 변화와 초음파감쇄간의 상관관계를 분석한 결과, 탈탄열처리 시간이 증가함에 따라 초음파감쇄가 증가하였다. 탈탄열처리후 결정입계성장 및 탈탄층 및 비탈탄층간 결정입상의 상이성을 확인하였으며, 이러한 요소들이 모두 초음파의 산란인자가 되어 초음파감쇄의 주요 원인이 될 수 있다는 결론을 얻었다.
