Estudio comparativo de forjas de contenedor para el transporte y almacenamiento de combustible nuclear gastado

Abstract

RESUMEN: El estudio de la mejora de las propiedades de piezas forjadas y la optimización de sus procesos de fabricación ha sido ampliamente desarrollado por los principales aceristas y maestros forjadores de todo el mundo. Para cierto tipo de diseños con gran responsabilidad durante su servicio, como piezas relacionadas con la seguridad de las personas, los bienes y el medio ambiente para la industria nuclear o piezas para la fabricación de rotores y ejes para turbinas, se requieren forjas de grandes dimensiones, geometrías complejas y buenas propiedades mecánicas. Esto implica un lingote de partida de gran tamaño, micro estructuralmente uniforme, bajo de inclusiones no metálicas y libre de gases en su microestructura como el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, y en el que se tenga que realizar el menor descarte posible por defectos de segregación y porosidad del tipo V en la cabeza y del tipo A en el pie del lingote. Implica también un adecuado proceso de forjado y un adecuado ciclo de tratamientos térmicos que caractericen las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas. Las características tanto del acero de partida como del producto final están reguladas estrechamente por normativas de entidades como ASTM (American Society for Testing and Materials), ASME (American Society of Mechanical Engineers) y AISI (American Iron and Steel Institute) entre otras. No obstante, cada fabricante puede mejorar las características mínimas exigidas por regulación, mediante la introducción de mejoras en los procesos productivos y en los tratamientos industriales, a través de tácticas de innovación industrial y conocimiento propio. Los productos fabricados se van a diferenciar primordialmente en las propiedades mecánicas obtenidas mediante la combinación del acero de partida, del proceso de forjado y de los tratamientos térmicos aplicados sobre las piezas. El propósito de este trabajo es el estudio comparativo de las forjas de acero SA-350 LF3 Cl2 que forman el vaso estructural y tapa interior de un contenedor metálico para el almacenamiento en seco y transporte de combustible nuclear gastado de centrales nucleares. El SA-350 LF3 Cl2 es un acero forjado ligeramente aleado con buenas propiedades mecánicas a baja temperatura. En este trabajo se estudiarán los procesos utilizados por dos organizaciones de material (OM-A y OM-B) cada una a cargo de la fabricación de diez fondos, diez virolas inferiores, diez virolas superiores y diez tapas interiores. Se compararán sus procesos de fabricación, los análisis químicos de colada obtenidos y los resultados de los ensayos mecánicos. Ambas organizaciones cumplen el objetivo de obtener un material de altas prestaciones, consiguiendo una de ellas mejores propiedades de impacto a baja temperatura. Los resultados obtenidos son de interés para la industria del acero y forjadores, en relación a la calidad y propiedades del acero obtenido, y a los tratamientos térmicos del material, así como para la industria de diseño y fabricación de bienes de equipo utilizados en el proceso de desmantelamiento de centrales nucleares, en relación a los contenedores fabricados.

ABSTRACT: The study of the improvement of the properties of forged parts and the optimization of their manufacturing processes have been extensively developed by the main steelmakers and forge-masters around the world. Designs with great responsibility during their service, such as safety related parts for nuclear industry or the manufacturing of rotors and shafts for turbines, large-sized forgings with complex geometries and good mechanical properties are required. It implies a large starting ingot, with an uniform microstructure, free of non-metallic inclusions and free of gases such as oxygen, nitrogen and hydrogen, and in which the least possible discarding due to segregation and porosity defects has to be carried out, type V at the head and type A at the foot of the ingot. It also implies an adequate forging process and an adequate heat treatment cycle that characterizes the mechanical properties of the manufactured parts. The characteristics of the starting steel and the final product are closely regulated by standards from entities such as ASTM (American Society for Testing and Materials), ASME (American Society of Mechanical Engineers) and AISI (American Iron and Steel Institute), among others. However, each material organization may improve the minimum characteristics required by the applicable standards, introducing improvements in production processes and industrial treatment, through industrial innovation tactics and know-how. The manufactured products will differ primarily in the mechanical properties obtained through the combination of the starting steel, the forging process and the heat treatments applied to the pieces. The purpose of this master’s thesis is the comparative study of SA-350 LF3 Cl2 steel forgings that are part of the structural vessel and inner lid of a dry storage and transportation of spent nuclear fuel metal cask from nuclear power plants. SA-350 LF3 Cl2 is a low alloy forged steel with good mechanical properties at low temperature. Processes used by two material organizations (MO-A and MO-B) will be studied, each one in charge of the manufacturing of ten bottom plates, ten lower shells, ten upper shells and ten inner lids. Their manufacturing processes, the chemical heat analysis obtained and the mechanical tests results will be compared. Both organizations meet the objective of obtaining a high-performance material, one of them achieving better low-temperature impact properties. The results obtained are of interest to the steel industry and forger-masters, in relation to the quality and properties of the steel obtained, and to the thermal treatments of the material, as well as for the industry of design and manufacture of goods used in the process of dismantling of nuclear power plants, in relation to the manufactured containers.