304NG奧氏體不銹鋼在超臨界水環(huán)境中的腐蝕行為

為了提高先進核反應堆的發(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堆（LWRs)的33%提高到44%左右。SCWR運行在水的臨界點（374℃,22.1MPa)以上，此時冷卻劑對金屬材料的腐蝕性極強，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的一個關(guān)鍵問題。

上海交通大學核科學工程學院的研究者們對應用于超臨界火電站和壓水堆燃料組件等高溫環(huán)境中的材料進行了初步篩選與評估，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、可焊性和高溫力學性能，在核電站結(jié)構(gòu)件中被大量應用。

304NG奧氏體不銹鋼（簡稱304NG鋼）是使用最廣且價格相對低廉的一種奧氏體不銹鋼，常用于反應堆的堆內(nèi)構(gòu)件中，鉻含量約為20%（質(zhì)量分數(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304NG鋼進行腐蝕增重試驗。

均勻腐蝕試驗在高溫高壓循環(huán)水回路腐蝕系統(tǒng)中進行。該設備主要包括一臺容積為1.5L的高壓釜，為了降低試驗過程中其他物質(zhì)由于氧化釋放出雜質(zhì)離子對試驗產(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，設備的低溫管路部分采用316L不銹鋼，設備中的溫度測量單元和壓力測量單元分別為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，但是當溫度升高到650℃時，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。隨著腐蝕時間的延長，腐蝕向周圍發(fā)展，最終導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)部擴散速率的不同，導致癤狀腐蝕在遠離晶界處形核，并且最終發(fā)展為癤狀腐蝕。