DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Charakterisierung der Druckprüfung und der Schallemissionsuntersuchung im Vergleich zu anderen zerstörungsfreien Prüfungen

Franz Rauscher, Technische Universität Wien, Wien, Österreich
Kontakt: Dr. Franz Rauscher

Kurzfassung

Es wird kurz dargestellt welche Fehler durch eine einfache Druckprüfung ohne Schallemissionsuntersuchung und welche Fehler mit Hilfe der Schallemissionsuntersuchung, welche während einer Druckprobe durchgeführt wird, gefunden werden können. Für die Druckprüfung kann dies relativ leicht abgegrenzt werden, für die Schallemissionsuntersuchung werden Mechanismen angegeben, welche ein Auffinden von Fehlern ermöglichen.
Danach werden die Druckprüfung und die Schallemissionsuntersuchung bezüglich anderer charakteristischer Eigenschaften, wie Anwendbarkeit, Robustheit, Komplexität und Wiederholbarkeit charakterisiert.

Einleitung

Arten der Druckprüfung

Hier wird zwischen verschiedenen Arten der Druckprüfung unterschieden:

  1. Standarddruckprüfung: Als Standardruckprüfungen werden hier alle hydraulischen Druckprüfungen bezeichnet, bei denen der erforderliche Probedruck nach Druckgeräterichtlinie (DG-Richtlinie [1]) erreicht wird. Laut DG-Richtlinie ist dieser vorgeschriebene Probedruck das 1.43-fache des maximal zulässigen Drucks bzw. das 1.25-fache eines entsprechend des Temperatureinflusses korrigierten maximal zulässigen Drucks; der größere Wert ist zu verwenden.
  2. Druckprüfung mit erhöhtem Probedruck: Dies sind Druckproben bei denen der Probedruck höher ist als der nach DG-Richtlinie erforderliche aber kleiner als der maximal zulässige Probedruck. Die DG-Richtlinie lässt eine Erhöhung des Probedrucks bis zum maximal zulässigen Probedruck zu.
  3. Druckprüfung mit vermindertem Probedruck: In begründeten Fällen lässt die DG-Richtlinie ein Herabsetzen des Probedrucks zu. Solche Druckprüfungen werden als Druckprüfungen mit vermindertem Probedruck bezeichnet.
  4. Pneumatische Druckprüfung: In begründeten Fällen sind laut DG-Richtlinie pneumatische Druckprüfungen mit entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen (Schallemissionsuntersuchung, zerstörungsfreie Prüfungen) zulässig. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Reste der Druckprobenflüssigkeit Probleme im Betrieb (z.B. Korrosionsprobleme) verursacht oder wenn der hydrostatische Druck während der Druckprobe zu statischen Problemen führt.

Im Prinzip ist die Schallemissionsprüfung (z.B. nach [2, 3]) im Zusammenhang mit allen angeführten Druckprüfungen anwendbar und sinnvoll. Meist wird sie jedoch im Zusammenhang mit pneumatischen Druckprüfungen durchgeführt. In diesem Fall handelt es sich dann meist um eine Druckprüfung mit vermindertem Probedruck.

Druckprüfung: Auffindbare Fehler

Bei der Druckprüfung führen im allgemeinen nur kritische Fehler (dies sind Fehler, die mit nicht akzeptierbarer Wahrscheinlichkeit zum Versagen während der nächsten Betriebsperiode führen) zum Versagen. Es ist aber keinesfalls damit zu rechnen, dass alle kritischen Fehler entdeckt werden. In Ausnahmefällen können auch gravierende Fehler bei der Durchführung der Druckprüfung zum Versagen führen.
Beispiele für Fehler, die bei der Druckprobe entdeckt werden können, sind:

  • Grobe Konstruktions- und Berechnungsfehler
  • Lange und tiefe Risse und Fehler
  • Ungenügende Zähigkeit


Werkstoff Max. zulässiger Druck Durchmesser/ Wanddicke Restwanddicke Berstdruck
Gasflaschen 34CrMo3 200 bar Ø230/6.4 mm 3.2 mm 300 bar
Versuchsbehälter St52
Ø350/3.5 mm 1.4 mm 72 bar
Tabelle 1: Beispiele von Berstversuchen

Als Anhaltspunkt werden hier zwei Beispiele von Berstversuchen (Tabelle 1) aufgeführt:
Bei Versuchen wurden in Gasflaschen (ca. 50 l) Kerben im Zylindermantel (Längsrichtung) mit einer Länge von 350 mm eingebracht und danach durch zyklische Druckbelastung ein Ermüdungsriss erzeugt [4, 10]. Bei einer Restwanddicke von ungefähr der halben Wanddicke betrug der Berstdruck immer noch 300 bar.
Für andere Versuche wurden Behälter mit absichtlich nicht durchgeschweißter Längsnaht erzeugt [5, 7]. Um den Berstdruck auf einen Wert, der für Druckproben von derartigen Behältern realistisch ist, zu senken, wurde die Schweißnahtüberhöhung abgeschliffen. Bei einer Restwanddicke von 1.4 mm (Wanddicke 3.5 mm) betrug der Berstdruck immer noch 72 bar.

Probleme im Zusammenhang mit der Druckprüfung

Schädigungen

Schädigungen bei der Druckprobe sind vor allem dann zu erwarten, wenn gravierende Fehler vorhanden sind, aber der Behälter bei der Druckprobe nicht birst:
Berechnungsfehler und/oder ungenügende Festigkeit des Materials können bei der Druckprüfung zu unzulässigen Verformungen oder Rissinitiierung führen. Bei ungenügender Festigkeit und Berechungsfehlern ist der Druckbereich vom Auftreten unzulässiger Verformungen bis zum Bersten relativ groß (Grobe Abschätzung: Dehngrenze/Zugfestigkeit).
Ungenügende Zähigkeit kann bei der Druckprobe zur Rissinitiierung bzw. Risswachstum führen. Falls der Riss in zäherem Material aufgefangen wird, kommt es nicht zum Bersten. Bei Rissen und rissähnlichen Fehlern in duktilem Material muss man mit stabilem Risswachstum vor dem Bersten rechnen.
Ein Auffinden der ursprünglichen Fehler durch die Druckprobe ist dann gegeben, wenn die durch die Druckprobe hervorgerufenen unzulässigen Verformungen, Rissinitiierungen oder Risswachstum während oder nach der Druckprobe entdeckt werden. Leider ist es meist schwierig solche unzulässigen Verformungen, Rissinitiierungen oder Risswachstum nach der Druckprobe zu finden. Spröde Bruchvorgänge, wenn auch nur im mikroskopischen Bereich, können durch die Schallemissionsuntersuchung schon während der Druckprobe entdeckt werden.
Der Fall des stabilem Risswachstums während der Druckprobe im Zusammenhang mit Ermüdungsbelastung wurde in [4-10] untersucht. Im Falle der untersuchten Beispiele wurde keine Verminderung der Ermüdungsfestigkeit auf Grund des stabilen Risswachstums während Druckprobe festgestellt. Der Grund dafür ist, dass in den untersuchten Fällen durch die plastischen Verformungen ein Verlangsamen des zyklischen Risswachstums verursacht wird, welches die Auswirkungen des stabilen Risswachstums kompensiert.

Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck der durch das Gewicht der Druckprobenflüssigkeit hervorgerufen wird, erfordert in manchen Fällen eine Verstärkung der Konstruktion.

Reste der Druckprobenflüssigkeit

Reste der Druckprobenflüssigkeit, das sind Restfeuchtigkeit oder Rückstände nach dem Trocknen, können im nachfolgenden Betrieb Probleme verursachen, z.B. Korrosionsprobleme.

Was bringt die Druckprüfung?

Verminderung der Ausfallswahrscheinlichkeit

Im Zuge der Druckprüfung können grobe, unvorhersehbare Mängel entdeckt werden, die sonst mit großer Wahrscheinlichkeit zum katastrophalen Versagen führen würden. Vor allem bei sehr langsam wachsenden Fehlern bedeutet dies eine beträchtliche Verminderung der Ausfallswahrscheinlichkeit. Langsam wachsend in diesem Zusammenhang bedeutet, dass Fehler die bei einer Druckprobe gerade nicht zum Bersten führen, in der folgenden Betriebsperiode (bis zur nächsten Druckprobe) nicht die Größe erreichen, dass Bersten im Bereich des Betriebsdrucks auftritt.
Für reine Ermüdungsbelastung kann hier ein Beispiel angegeben werden:
Gasflaschen mit langen Rissen in Längsrichtung des Zylindermantels [4, 10] brauchen ca. 250 Druckzyklen von 0 bis 200 bar um den Berstdruck von 300 auf 200 bar zu senken.
Bei Zylinderschalen hängt die Anzahl der Druckzyklen neben dem Probedruck, dem zyklischen Betriebsdruck, dem Material und der spezifischen Form des Fehlers stark von Formabweichungen des Zylinders (Aufdachungen) ab [4-7,9].

Abbau von Eigenspannungen

Durch die Fertigung, vor allem Schweißen und Kaltumformen, können in Druckbehältern Eigenspannungen bis zur Höhe der Streckgrenze vorhanden sein. Durch die Überlagerung der Spannungen zufolge der ersten Druckprobe kommt es zu plastischen Verformungen, die einen Abbau von Eigenspannungen verursachen. Im Falle von lokalen Kerben können durch die Druckprobe günstige Druckeigenspannungen aufgebaut werden.
Der verbesserte Eigenspannungszustand kann das Verhalten bei zyklischer Ermüdung und bei Spannungsrisskorrosion durch Verminderung der Mittelspannung verbessern.
Je höher einzelne Komponente des Behälters bei der Druckprobe belastet werden, desto besser ist der Abbau von Eigenspannungen. In Teilen in denen die Druckprobe keine Belastung hervorruft, tritt dieser Effekt nicht auf. Falls die Belastungsrichtung bei der Druckprobe nicht die gleiche ist als im Betrieb (Innendruck bei der Druckprobe und Außendruck im Betrieb), kann es zu negativen Auswirkungen kommen.

Verminderung von Formabweichungen

Formabweichungen (Aufdachungen, Versetzungen) in Zylinder und Kugelschalen können beträchtliche Spannungskonzentrationen verursachen. Bei erhöhter Belastung, wie sie bei der Druckprobe auftritt, kann es im Bereich solcher Aufdachungen zu plastischen Verformungen kommen [4]. Bei Innendruckbelastung werden durch diese plastischen Verformungen die Formabweichungen vermindert, bei Außendruckbelastung werden die Formabweichungen vergrößert. Da durch eine Verminderung der Formabweichungen die Schwankungsbreite der Spannungen vermindert wird, wird das Ermüdungsverhalten verbessert. Um durch die Druckprobe eine signifikante Verbesserung zu erzielen, müssen die betrachteten Zylinder und Kugelschalen bei der Druckprobe so hoch belastet werden, dass im Bereich von Formabweichungen entsprechende plastische Verformungen auftreten. Damit kann erst gerechnet werden, wenn die Vergleichsspannungen in den ungestörten (ohne Betrachtung der Formabweichungen) Zylinder oder Kugelschalen relativ nahe an die (tatsächliche) Fließgrenze herankommen (z.B. 80%) [4].

Schallemissionsuntersuchung (z.B. nach [2, 3])

Dabei wird ein oder mehrere Schallemissionssensoren am Behälter angebracht, um Körperschall zu messen. Danach wird der Behälter durch Druckaufbringung belastet. Gemessen werden Schallemissionen, die durch Vorgänge (z.B. mikroskopische Bruchvorgänge) bei der Belastung an Fehlern entstehen. Aus diesem Grund können nur Fehler gefunden werden, die während der Druckprobe belastet werden.
Der verwendete Frequenzbereich liegt zwischen 20 bis 500 kHz. Diese Schallwellen werden fast ausschließlich in Festkörpern und Flüssigkeiten übertragen
. Störgeräusche werden über die Anschlüsse und Auflagerungen in den Behälter übertragen, aber nicht über die Atmosphäre oder eine Gasfüllung. Natürlich können Reibgeräusche von Gasströmungen an der Oberfläche (z.B. Wind) sowie das Auftreffen von Partikeln und Tropfen (z.B.: Regen) Störungen verursachen.

Die wichtigsten Schallemissionsquellen sind:

  • Spröde Bruchvorgänge [11-13]: Schon spröde Bruchvorgänge im mikroskopischen Bereich verursachen messbare Schallemissionen. Bei den heute üblichen Untersuchungen verursacht zum Beispiel der Bruch einer Bleistiftmine mit 0.33 mm Durchmesser ein Schallemissionssignal, das deutlich über der Nachweisschwelle liegt.
    Grundsätzlich werden bei Druckbehälterstählen große Anforderungen an die Zähigkeit gestellt. Sprödes Bruchverhalten, welches durch ungenügende Zähigkeit verursacht wird, bringt großes Risiko. Bei ungenügender Zähigkeit treten spröde Bruchvorgänge, die mit Hilfe der Schallemissionsuntersuchung detektiert werden können, schon vor dem eigentlichen Bruch auf.
  • Reibungsvorgänge: Durch Fehler werden oft große Verformungen verursacht (z.B. plastische Deformationen). Diese Verformungen verursachen Reibungsvorgänge (Reiben von Rissufern, Reibungen an Auflagern), die Schallemissionen verursachen.
  • Plastische Deformation von zähen Stählen ist meist eine schwache Schallemissionsquelle [12, 13]. Lokale plastische Deformationen können je nach Werkstoff kaum detektiert werden. Erstmalige plastische Deformation kann besser detektiert werden als wiederholte.
  • Zähes Risswachstum, welches durch Gleitbruch und Hohlraumkoaleszenz bestimmt ist, ist eine schwache Schallemissionsquelle [11-13]. Gut messbare Schallemissionen treten immer dann auf, wenn durch Unregelmäßigkeiten im Material mikroskopische, spröde Bruchvorgänge auftreten.
  • Strömungsgeräusche: Turbulente Strömungen, wie sie bei Leckagen auftreten, verursachen erhebliche Schallemissionen. Aus diesem Grund müssen Leckagen beseitigt werden, um überhaupt messen zu können; man kann auch sagen eine Schallemissionsprüfung ist immer auch eine Dichtheitsprüfung. Die Empfindlichkeit ist natürlich um Größenordnungen kleiner als bei einer Dichtheitsprüfung mit Helium oder Wasserstoff aber im allgemeinen besser als dies mit einer normalen Wasserdruckprobe möglich wäre.
  • Aktive Korrosion: Aktive Korrosion verursacht Schallemissionen. Dies wird zum Beispiel bei der Prüfung von Flachbodenlagerbehältern genutzt.

Mechanismen für das Auffinden von Rissen und rissähnlichen Fehlern

Bild 1 zeigt einen typischen Schweißnahtfehler nach dem Schweißen (a) und nach einer Betriebsperiode (b). Nach dem Schweißen ist ein Schlackeneinschluss gefüllt mit Schlacke vorhanden. An den Enden des Schlackeneinschlusses schließt ein Bindefehler an. Außerdem befinden sich noch weitere Einschlüsse im Bereich der Schmelzlinie.


Bild 1: Schweißnahtfehler; a) nach dem Schweißen, b) nach Betrieb

Nach einer gewissen Betriebsperiode ist der Steg zwischen dem Schlackenanschluss und der inneren Behälteroberfläche aufgebrochen. Das Betriebsmedium ist in den Fehler eingedrungen und hat eine Korrosions- bzw. Ablagerungsschicht gebildet. Der Bindefehler ist aufgebrochen und ein verzweigter Riss hat sich gebildet. Der Riss verbindet einige der schon vorhandenen Einschlüsse.
Wenn nun der Fehlerbereich belastet wird, ist mit folgenden Vorgängen, die Schallemissionen verursachen, zu rechnen:


Bild 2: Verkeilung der Rissoberfläche

  • Brechen und Ablösen der spröden Einschlüsse und Aufbrechen des Bindefehlers: Dies sind spröde Bruchvorgänge und gut mit der Schallemissionsmessung detektierbar
  • Plastische Verformungen am Ende des Bindefehlers bzw. an der Rissspitze: Die plastische Verformung von fehlerfreiem Druckbehälterstahl ist zwar eine schwache Schallemissionsquelle, aber im Bereich der Wärmeeinflusszone, gerade dort wo Schweißnahtfehler auftreten ist die Zähigkeit meist vermindert.
  • Rissinitiierung und stabiles Risswachstum: Hier gilt das Gleiche wie bei der plastischen Verformung. Im Bereich der Wärmeeinflusszone, gerade dort wo Schweißnahtfehler liegen, treten vermehrt spröde Bruchvorgänge auf.
  • Reibung an den Rissflanken, Verkeilen der Rissflanken bzw. der Einschlüsse (Bild 2): Falls der Werkstoff im Bereich des Fehler zäh ist, treten beträchtliche Verformungen auf bevor das Versagen auftritt. Da die Oberflächen des Fehlers gerade bei Schweißnahtfehlern meist uneben und ineinander verkeilt sind, ist beim Öffnen des Risses mit Reibungsvorgängen zu rechnen.
  • Brechen und Ablösen von Korrosionsschichten und anderer betriebsbedingter spröder Oberflächenschichten.

Weitere charakteristische Eigenschaften der Druckprüfung und der Schallemissionsuntersuchung

Integrale Prüfmethoden

Sowohl die Druckprüfung als auch die Schallemissionsprüfung sind integrale Prüfmethoden. Das heißt, dass einerseits die gesamte drucktragende Struktur geprüft wird, und dass andererseits auch unerwartete Fehler gefunden werden können.

Anwendbarkeit

Die Druckprüfung ist fast immer anwendbar - vor allem weil heutzutage bei fast allen Behältern die Druckprüfung bei der Auslegung berücksichtigt wird.
Die Schallemissionsprüfung ist nur unter gewissen Voraussetzungen anwendbar bzw. sinnvoll:

Einerseits können Störquellen die Anwendung der Schallemissionsprüfung unmöglich machen. Andererseits müssen Fehler bei der angewendeten Druckaufbringung mit ausreichender Wahrscheinlichkeit Schall emittieren. Mögliche Fehler müssen durch die Druckbelastung ausreichend belastet sein, und der erwartete Fehlertyp muss im Zusammenhang mit dem im Bereich des Fehlers erwarteten Materialeigenschaften Schallemissionen (mit ausreichender Wahrscheinlichkeit) emittieren.
Natürlich ist die Anwendung der Schallemissionsuntersuchung, um Hinweise auf mögliche unerwartete Fehler zu bekommen, d.h. ohne spezielle Fehlertypen zu betrachten, auch sinnvoll.
Die Schallemissionsuntersuchung ist im Zusammenhang mit pneumatischen Druckprüfungen möglich. Falls durch andere Maßnahmen die pneumatische Druckprüfung nicht so durchgeführt werden kann, dass ein eventuelles Bersten zu keiner Gefährdung führt, ist derzeit die Schallemissionsprüfung die einzige Methode, um die entsprechende Sicherheit zu gewährleisten.

Robustheit, Komplexität

Die Druckprüfung ist eine einfache Methode mit großer Robustheit. Die Schallemissionsprüfung erfordert spezifische Ausrüstung, spezifisch ausgerüstetes Personal und eventuell Vorversuche.

Wiederholbarkeit

Die Druckprüfung ist im Prinzip wiederholbar. Im Prinzip heißt hier, dass die Vorgänge bei der ersten Druckprobe zwar anders sind als diejenigen bei einer unmittelbar darauf folgenden Druckprobe, aber das Ergebnis, bestanden oder nicht bestanden, wird (bis auf Grenzfälle) das Gleiche sein.
Die Schallemissionsprüfung ist nicht beliebig wiederholbar. Viele der Vorgänge, die Schallemissionen verursachen, wie zum Beispiel mikroskopische Bruchvorgänge, treten nur einmal auf. Dieses Verhalten wird durch den Kaiser Effekt beschrieben. Zwei unmittelbar aufeinander folgende Schallemissionsprüfungen ergeben daher im allgemeinen verschiedene Ergebnisse.

Reparaturmöglichkeit

Nach einer nicht bestanden Druckprobe ist eine Reparatur wegen der großen plastischen Verformungen im allgemeinen schwierig oder unmöglich.
Bei der Schallemissionsuntersuchung sind es Bruchvorgänge im mikroskopischen Bereich, die zum Abbruch der Druckprobe und zur Detektieren von Fehlern führen. Wenn die Fehler danach mit Hilfe anderer zerstörungsfreier Prüfverfahren gefunden werden können, sind die Möglichkeiten einer Reparatur gut.

Zusammenfassung

Sowohl die Druckprüfung als auch die Schallemissionsprüfung sind integrale Prüfmethoden.
Die Druckprüfung hat nur eine sehr geringe Empfindlichkeit. Es wird vor allem in Fällen mit geringem Fehlerwachstum die Ausfallswahrscheinlichkeit verringert, es wird das Eigenspannungsfeld verbessert, und es werden Formfehler in Zylinder und Kugelschalen verkleinert (nur bei der ersten Druckprüfung und bei Innendruckbelastung).
Die Schallemissionsprüfung hat eine sehr hohe Empfindlichkeit, wenn spröde Bruchvorgänge auftreten. Wenige Schallemissionen sind bei rein plastischer Deformation und duktilem Risswachstum (vor allem zähe Druckbehälterstähle im unteren Festigkeitsbereich, wenn die geforderten Zähigkeit erreicht wird) zu erwarten. Fehler in Behältern aus solchen Stählen werden meist auf Grund anderer Mechanismen wie z.B. Reibvorgänge oder Brechen von spröden Einschlüssen gefunden. Oft ist die Zähigkeit des Werkstoff im Bereich von Fehlern nicht ausreichend. Dieser besonders gefährliche Fall kann durch Schallemissionsprüfung gut entdeckt werden.

Literatur:

  1. Directive 97/23/EC of the European Parliament and of the Council of 29 May 1997 on the approximation of the laws of the Member States concerning pressure equipment
  2. prEN 15584:2002(E), Non-destructive testing - Acoustic emission -Examination of metallic pressure equipment during proof testing - Planar location. CEN European Committee for Standardization 2002.
  3. ASTM E1930-02 Standard Test Method for Examination of Liquid Filled Atmospheric and Low Pressure Metal Storage Tanks Using ACOUSTIC EMISSION
  4. Rauscher F.: Pressure Test and Acoustic Emission Examination. Habilitationsschrift, Technische Universität Wien, 2004.
  5. Rauscher F.: Pressure Vessels: The Determination of the Relation between the Fatigue Strength and Hydrotest Pressure - Thin Walled Vessels. Part 1: Experiments Series BB and BC. Bericht Nr. 23, Institut f. Apparate- u. Anlagenbau, Technische Universität Wien, 2001.
  6. Rauscher F., Bayray M.: Pressure Vessels: The Determination of the Relation between the Fatigue Strength and Hydrotest Pressure - Thin Walled Vessels. Part 3: Microscopic investigations of fracture. Bericht Nr. 25, Institut f. Apparate- u. Anlagenbau, Technische Universität Wien, 2002.
  7. Rauscher F.: Pressure Vessels: The Determination of the Relation between the Fatigue Strength and Hydrotest Pressure - Thin Walled Vessels. Part 2: Additional Experiments, Analyses and Summary. Bericht Nr. 24, Institut f. Apparate- u. Anlagenbau, Technische Universität Wien, 2001.
  8. Rauscher F.: Fatigue life and burst pressure of pressure vessels with incompletely penetrated longitudinal seams. ICPVT-9 (Ninth International Conference on Pressure Vessel Technology) Sydney Australia 9th -14th April 2000.
  9. Rauscher F.: The Effect of Pressure Tests on Cyclic life. Proceedings ICPVT-10 July 7th - 10th 2003, Vienna, Austria
  10. Rauscher F.: Gas Cylinders with Longitudinal cracks - Cyclic Fatigue Life after a Pressure Test. Proceedings ICPVT-10 July 7th - 10th 2003, Vienna, Austria.
  11. Kobayashi T., Shockey D. A.: Identifying Acoustic Emission Sources in Aging Bridge Steel. J. Acoustic Emission, 21 (2003) Seiten 1-13.
  12. Wadley H. N. G., Simmons J. A.: Microscopic Origins of Acoustic Emission. In: Nondestructive testing Handbook Volume Five Acoustic Emission Testing. American Society for Nondestructive Testing (1987).
  13. Bassim M. N.: Macroscopic Origins of Acoustic Emission. In: Nondestructive testing Handbook Volume Five Acoustic Emission Testing. American Society for Nondestructive Testing (1987).
  14. Palmer I. G.: Acoustic Emission Measurements on Reactor Pressure Vessel Steel. Materials Science and Engineering, 11 (1973) pp227-236.

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