304NG奧氏體不銹鋼在超臨界水環(huán)境中的腐蝕行為

為了提高先進(jìn)核反應(yīng)堆的發(fā)電效率，在第四代超臨界水冷堆（SCWR）中，冷卻劑出口溫度被提高到550℃，壓力提高到25MPa，其熱效率由目前的第二代輕水反應(yīng)堆（LWRs)的33%提高到44%左右。SCWR運(yùn)行在水的臨界點(diǎn)（374℃,22.1MPa)以上，此時(shí)冷卻劑對(duì)金屬材料的腐蝕性極強(qiáng)，現(xiàn)有的LWR堆芯構(gòu)件和包殼材料已不再適用，結(jié)構(gòu)材料的腐蝕已成為開發(fā)SCWR的一個(gè)關(guān)鍵問題。

上海交通大學(xué)核科學(xué)工程學(xué)院的研究者們對(duì)應(yīng)用于超臨界火電站和壓水堆燃料組件等高溫環(huán)境中的材料進(jìn)行了初步篩選與評(píng)估，提出了一系列SCWR候選材料，其中包括鐵素體-馬氏體鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金及氧化物彌散強(qiáng)化鋼。其中，奧氏體不銹鋼因具有優(yōu)良的耐蝕性、加工性能、可焊性和高溫力學(xué)性能，在核電站結(jié)構(gòu)件中被大量應(yīng)用。

304NG奧氏體不銹鋼（簡(jiǎn)稱304NG鋼）是使用最廣且價(jià)格相對(duì)低廉的一種奧氏體不銹鋼，常用于反應(yīng)堆的堆內(nèi)構(gòu)件中，鉻含量約為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），鎳含量約為9%。與普通的低鉻奧氏體不銹鋼相比，鉻含量超過18%的304NG鋼具有更加優(yōu)良的耐均勻腐蝕性能。為了研究304NG鋼在SCW中的均勻腐蝕性能以及溫度對(duì)其腐蝕性能的影響，研究工作分別在550℃和650℃的低容氧（＜10μg/L)SCW中對(duì)304NG鋼進(jìn)行腐蝕增重試驗(yàn)。

均勻腐蝕試驗(yàn)在高溫高壓循環(huán)水回路腐蝕系統(tǒng)中進(jìn)行。該設(shè)備主要包括一臺(tái)容積為1.5L的高壓釜，為了降低試驗(yàn)過程中其他物質(zhì)由于氧化釋放出雜質(zhì)離子對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，所用高壓釜釜體、斧蓋、熱電偶套管以及斧內(nèi)配件均采用625鎳基合金作為原材料，設(shè)備的低溫管路部分采用316L不銹鋼，設(shè)備中的溫度測(cè)量單元和壓力測(cè)量單元分別為K型熱電偶和4～20mA輸出的高精度的壓力傳感器。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）304NG鋼在550～650℃、25MPaSCW中的腐蝕增重遵循冪指數(shù)規(guī)律，在550℃的SCW中具有較好的抗腐蝕性能，但是當(dāng)溫度升高到650℃時(shí)，其腐蝕增重速率急劇升高。

（2）304NG鋼在SCW中出現(xiàn)癤狀腐蝕，并且溫度能夠極大地加劇癤狀腐蝕。

（3）304NG鋼在SCW中的癤狀腐蝕氧化膜為典型的兩層結(jié)構(gòu)，外層富鐵貧鉻，而內(nèi)層富鉻貧鐵，并且內(nèi)層氧化膜的厚度要大于外層氧化膜的。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕向周圍發(fā)展，最終導(dǎo)致不同的癤狀腐蝕區(qū)域相互融合。

（4）304NG鋼中鉻沿晶界和在晶粒內(nèi)部擴(kuò)散速率的不同，導(dǎo)致癤狀腐蝕在遠(yuǎn)離晶界處形核，并且最終發(fā)展為癤狀腐蝕。