Forskere bruger neutroner til at studere svejseinduceret stressaflastning i infrastruktur for vedvarende energi

Svejsning er en væsentlig del af fremstillingen, og nøglen til at lave revnefrie svejsninger er afhængig af evnen til at forstå, hvordan svejsningen er sat sammen atom for atom.

Før COVID-19-pandemien, kandidatstuderende ved Center for Svejsning, Joining and Coatings Research fra Colorado School of Mines, Tim Pickle og Ben Schneiderman, brugte neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for at forbedre den forståelse. De er en del af et projekt støttet af DOE's SunShot -division og National Renewable Energy Laboratory (NREL). Målet er at undersøge ydeevnen for svejsninger, der bruges til at bygge store termiske energitanke på koncentrerede solcelleanlæg - faciliteter med store netværk af spejle, der bruges til at opsamle solenergi, nogle strækker sig flere millioner kvadratfod i størrelse.

"Det, vi forsøger at gøre, er at sammenligne forskellene i stressprofiler mellem to fremstillingsmetoder, med og uden eftersvejsning varmebehandling, bruges til at oprette lagertanke, "sagde Pickle." Vi forsøger også at validere en endelig elementmodel, der kan bruges af NREL og potentielle producenter til at hjælpe dem med at bestemme de bedste svejsnings- og eftersvejsede varmebehandlingsprocedurer for at afbøde og finde løsninger på revnedannelse. "

Specifikt, teamet studerer stressrelaxering (SRC) - svejsers modtagelighed for revner over tid på grund af faktorer som intern stress og høje temperaturer. Termisk træthed skabt af vekslende stress mellem rum og ekstremt høje temperaturer kan også bidrage til SRC. Hver gang metallet oplever en temperaturændring under svejseprocessen, ny stress tilføjes. De varige ændringer, eller deformationer, kaldes restspændinger, kan have stor indflydelse på svejsens ydeevne under service.

Lagertankene er store strukturer omkring 100 fod brede og 30 fod høje. De bruges til at lagre smeltet saltmateriale, der opvarmes og gøres flydende for at lagre energi, der fanges af solpaneler. Når der er brug for energi, det smeltede salt pumpes ind i et dampsystem, der koger vand, som derefter spinder en turbine, der genererer elektricitet.

I det væsentlige, en tank fremstilles ved at rulle store plader af rustfrit stål ind i en cylinder. Enderne smeltes derefter sammen ved hjælp af sømsvejsninger, som kræver flere lag svejsemetal for at fylde rummet mellem svejsesamlingerne.

"Når de svejsede områder af vægforbindelserne går fra stuetemperatur til over 550 eller 600 grader Celsius, de udvikler spændinger omkring svejsningen, "sagde Pickle." Vi vil vide, om vi kan reducere trækbelastningen ved at bruge en varmebehandling efter svejsning, inden svejsningen går i drift, at forlænge svejsningens levetid og afbøde den revnedannelse, vi tror, ​​der sker. At gøre det, vi er nødt til at måle de resterende spændinger. "

Neutroner er det ideelle værktøj til at undersøge restspænding, fordi de trænger dybt ind i materialer for at afsløre atomændringer i materialets indre struktur. Using the HIDRA instrument (formerly the Neutron Residual Stress Mapping Facility) at ORNL's High Flux Isotope Reactor, the team performed experiments on 2-inch-thick plates of 347 H stainless steel that were joined using a "40-pass" weld—a large weld consisting of 40 total individual weld beads to fuse the two ends together.

"Less sophisticated approaches to measuring stress involve drilling holes in the metal and measuring how the material deforms around the hole, as some of the residual stress is relieved by drilling. Imidlertid, that would limit us to only being able to measure residual stresses in limited locations, not to mention that the thickness of the steel in this experiment would have made it even more difficult, " said Schneiderman.

"To get a complete picture of the stress, we need to look at three principal strain directions from plate edge to weld centerline as a function of plate thickness, which neutrons allow us to measure. The technique has evolved to the point where using neutrons to make this sort of measurement has become more widely available to graduate student researchers like us, which really helps us carry out higher-quality investigations to inform the problem of SRC."