Разработка хромистой стали с повышенной коррозионной стойкостью для оболочек твэлов реактора со свинцовым теплоносителем (стр. 2 из 3)
Экспериментальные результаты.
На микроструктурах шлифов из образцов сталей после коррозионных испытаний наблюдали зоны взаимодействия, состоящие из оксидного слоя и участков непрокорродировавшей стали. (Рис. 2 и 3.) Как следует из таблицы 2, при испытании в свинце с высоким содержанием кислорода в течение 500 часов наиболее низкие значения глубины взаимодействия показала экспериментальная сталь 18С2ВБФМАЮ - 3 мкм, сталь Х16С2ВБФМАЮ 14 - 42 мкм. Стали Х13С2ВФАР, Х14С2ВБФМАЮ и ЭП 900 имели в пределах точности измерений одинаковые показатели: 17– 50 мкм; сталь ЭП 823 как в состоянии поставки, так и после предва-рительного окисления, имела максимальные значения глубины взаимодей-ствия – 68 - 80 мкм. После 1000 часовых испытаний минимальная зона взаимодействия 12-35 мкм отмечается на сталях Х18С2ВБФМАЮ и Х16С2ВБФМАЮ, максимальная - на сталях Х13С2ВФАР, Х14С2ВБФМАЮ и ЭП 900: от 51 до 150 мкм. Испытания стали ЭП 823 при такой выдержке не проводили. При испытании в течение 500 часов при низком содержании кислорода в свинце наименьшие значения глубины зоны взаимодействия показали экспериментальные стали Х13С2ВФАР, Х14С2ВБФМАЮ, Х16С2ВБФМАЮ и Х18С2ВБФМАЮ- -3мкм. Для стали ЭП 900 глубина зоны взаимодействия составила 18-22 мкм, для стали ЭП 823 от 26 до 30 мкм. После 1000 часовых испытаний зона взаимодействия для всех сталей Х18С2ВБФМАЮ, Х16С2ВБФМАЮ и Х14С2ВБФМАЮ составляла от 7 до 29 мкм; а для остальных сталей диа-
Таблица 2.
Глубина зоны взаимодействия (мкм) после испытаний при температуре 750 о С в свинце с высоким (2·10-2 масс. %) и низким (10-5 - 10-4 масс. %)
содержанием кислорода.
| N | Сталь | Высокое содержание кислорода | Низкое содержание кислорода | ||
время 500 ч | время 1000 ч | время 500 ч | время 1000 ч | ||
| 1 | 16Х12СМВФБР (ЭП-823) | 76±4 | - | 28±2 | - |
| 2 | 16Х12СМВФБР (ЭП-823) предварительное окисление | 70±4 | - | 30±3 | - |
| 3 | 16Х12СМВФМБАР (ЭП-900) | 41±6 | 54±5 | 20±2 | 32±2 |
| 4 | 1Х13С2М2 (ЭИ 852) | - | 37±5 | - | 33±5 |
| 5 | 1Х13С2ВФАР | 32±15 | 88±37 | 3±1 | 35±16 |
| 6 | Х14С2ВБФМАЮ | 35±15 | 74±2 | 3±1 | 14±7 |
| 7 | Х16С2ВБФМАЮ | 28±14 | 27±8 | 3±1 | 24±5 |
| 8 | Х18С2ВБФМАЮ | 3±1 | 22±10 | 2,0±1 | 17±9 |
пазоны изменения глубины зон взаимодействия перекрывались от 19 до 51 мкм. Сравнение величин зон взаимодействия стали ЭП 823 как в состоянии поставки, так и после предварительного окисления свидетель- ствует, что в наших условиях испытаний предварительное окисление не дало эффекта уменьшения коррозии. На рис. 4 и 5 приведены результаты анализа распределения элементов в коррозионной зоне взаимодействия на сталях Х14С2ВБМФАЮ Х18С2ВБМФАЮ после выдержки в свинце с высоким содержанием кислорода в течение 1000 часов при температуре 750 оС.
Рис.4. Распределение элементов по глубине зоны взаимодействия в образце стали Х18С2ВБГФМАЮ при температуре испытания 750 оС в течение 1000 часов. 
Рис.5. Распределение элементов по глубине зоны взаимодействия в образце стали Х14С2ВБГФМАЮ при температуре испытания 750 оС в течение 1000 часов.
Как видно из рис. 4 и 5, зону коррозионного взаимодействия можно разбить на три участка: контактирующая со свинцом –I; c максимальным обогащением легирующими компонентами -II и зона стали-III, непосред-ственно примыкающая к оксидной пленке и, по сравнению с основой стали, обедненная за счет диффузии в пленку легирующими компонента-ми. Усредненное содержание Cr, Si в сталях по зонам представлено в таблице 3. Основное различие в распределении элементов в зоне взаимо-действия состоит в большем обогащении оксидной пленки Cr и Si в стали Х18С2ВБМФАЮ по сравнению со сталью Х14С2ВБМФАЮ.
Таблица 3.
Усредненное содержание Cr и Si в различных частях зоны взаимодей-ствия сталей Х14С2ВБМФАЮ и Х18С2ВБМФАЮ после коррозионн-ых испытаний в свинце с высоким 2·10-2 масс. % содержанием кисло-рода в течение 1000 часов.
 Сталь | Зона Элемент | I | II | III |
| Х18С2ВБМФАЮ | Si | 0,9 | 2,2 | 1,36 |
| Cr | 15,5 | 34,1 | 12,3 | |
| Х14С2ВБМФАЮ | Si | 1,1 | 1,5 | 2,17 |
| Cr | 16,9 | 24,2 | 11,4 |
Анализ полученных результатов свидетельствует, что для проведе-ния отбора сталей 1000 часовая продолжительность коррозионных испыта-ний при низком содержании кислорода в свинце недостаточна, а при высо-ком содержании кислорода в свинце - приемлема.
Наиболее вероятно, что более высокая коррозионная стойкость стали ЭП 900, являющейся модификацией стали ЭП 823, по сравнению со сталью ЭП 823 обусловлена тем, что в нее в процессе плавки для образова-ния высоко дисперсных термостойких нитридов циркония вводили N, а в качестве раскислителей Al и Ce /7/.
Более высокая коррозионная стойкость исследованной стали ЭИ 852 по сравнению со сталью ЭП 900 возможно обусловлена большим содержа-нием Si и меньшим содержанием Ni. Максимальная коррозионная стой-кость стали Х18С2ВБМФАЮ обусловлена наличием большего легирова-ния Cr и оптимальным содержанием Si, Al и N. На основании полученных результатов исследований был разработан ориентировочный состав новой
хромистой стали Х18С2ВБМФАЮ, которую предполагается использовать в качестве материала наружного слоя биметаллических оболочечных труб для твэлов реактора БРЕСТ-ОД-300, где в качестве внутреннего слоя выбрана жаропрочная сталь ЭП 900.
Заключение
Статические испытания в свинце с содержанием кислорода ≈ 2·10-2 масс.% и 10 –5 - 10 -4 масс. % при температуре 750 оС продолжительностью до 1000
часов экспериментальных сталей с содержанием от 13 до 18 масс. % хрома и промышленных сталей ЭИ 852, ЭП 823, ЭП 900 показали, что:
1. В наиболее агрессивных условиях испытаний при содержании кисло-рода в свинце 2·10-2 масс.% лучшие результаты по коррозионной стой-кости, оцениваемой по глубине взаимодействия, показала сталь Х18С2ВБФМАЮ. Величина зоны взаимодействия у нее составила 2-4 мкм, что на порядок меньше, чем у стали ЭП 823, рассматриваемой в качестве возможного материала для оболочки твэлов реактора типа БРЕСТ.
2. После коррозионных испытаний в свинце зона взаимодействия на сталях состояла из слоя оксида и частиц непрокорродировавшей стали. Оксид-ная пленка на стали Х18С2ВБМФАЮ по сравнению со сталью Х14С2ВБМФАЮ больше обогащена хромом и кремнием, что, возмож-но, обусловило лучшие коррозионные свойства .
3. На основе термодинамических расчетов сделан вывод, что при возрас-тании температуры на оболочке твэла реактора БРЕСТ от эксплуатаци-онной до максимальной - 650 оС содержание кислорода в свинце, при котором коррозия от механизма растворения переходит к механизму окисления, сдвигается в область более высокого содержания кислорода в свинце - в диапазон > 1,9·10 -6 масс.%.
Список литературы
1.Иолтуховский А. Г., Леонтьева- Смирнова М.В. и др. Разработка 12%
хромистых сталей нового поколения для атомной техники России., Российская конференция: “ Материалы ядерной техники“, г. Агой, сентябрь 2002 г.
2. Rusanov A.E., Troyanov V.M., Belomytscev Y.S. et. al. Heavy Liquid Metal Coolants in Nuclear Technology, Materials of Conference, Obninsk, 1999, vol.2, p. 633.
3. Bibilashvili Y.K., Ioltukhovskiy A.G., Kazenov Y.I. et al. in: Heavy Liquid Metal Coolants in Nuclear Technology, Materials of Conference, Obninsk, 1999
vol.2, p.337
4. Gorynin I.V. and others. Heavy liquid metal coolants in nuclear technology, "Structural materials for power plants with heavy liquid metals as coolants", v 1, p. 120, Obninsk, 1999.
5. Gromov B. F., Orlov P.N. and others. Liquid Metal Systems, N.Y., p 339, 1995
6.. Кунин Л.Л. и др. Проблемы дегазации металлов. (Феноменологическая теория). А.Н. СССР, Ордена Ленина институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского, М., " Наука", 1972.
7.Rusanov A.E. and others. Developing and Studying the Cladding Steels for the Fuel Elements of the NPIs with Heavy Coolant, " Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", V 2, p. 633, Obninsk, 1999.
Higher Corrosion Resistance of Chromium Steel as Fuel Element Claddings of Lead Cooled Reactor.
G.K.Zelenskiy, V.P. Velioukhanov, A.G. Ioltukhovsky, M.V. Leont'eva-Smirnova, V.S. Mitin, I.A. Mescherinova, E.M. Mozhanov, V.P. Pogodin.
The Federal State Unitarian Enterprise
A.A.Bochvar All-Russia Research Institute of Inorganic Materials
VNNNM, p/b 369, Moscow,123060
ABSTRACT
As a result of thermodynamic calculations and analysis of different alloying element on corrosion resistance to be tested in lead corrosion-resistant chromium steel experimental compositions Cr13Si2WNbVNAl, Cr14Si2WNbVNAl, Cr16Si2WNbVNAl and Cr18Si2WNbVNAl as well as commercial 12% chromium steels EP 823 and EI 852 were proposed. Static corrosion tests in lead containing 2·10-2 mass % and ≈ 10-4-10-5 mass % oxygen were conducted at 750оC within 500 and 1000 hours. The best results in terms of corrosion resistance under most severe conditions of testing (at 2·10 -2 mass % oxygen in lead) were acquired for affected steels Cr18Si2WNbVNAl and Cr16Si2WNbVNAl. The corrosion-affected zone in these samples was an order of magnitude less than the one in the commercial steel EP 823 considered to be a feasible cladding material for fuel element of BREST-reactor.
4.Тезисы.
Разработка хромистой стали с повышенной коррозионной стойкостью для оболочек твэлов реактора со свинцовым теплоносителем.