【J. Mater. Sci. Technol.】 核级分散剂与镍基690合金在高温水中的相容性研究取得进展
镍基690合金(Inconel 690, Ni-30Cr-10Fe)因其在高温水环境中优异的抗应力凯发k8国际首页登录开裂(SCC)性能,自上世纪70年代以来已被广泛用于压水堆(PWR)蒸汽发生器(SG)的传热管。然而,在服役过程中,690合金在SG二次侧常出现点蚀和凹蚀等局部凯发k8国际首页登录现象。这些凯发k8国际首页登录主要归因于SG中碳钢部件凯发k8国际首页登录产物在传热管表面的沉积。沉积物不仅降低了传热效率,还会形成缝隙,导致侵蚀性杂质离子的浓缩,从而显著增加传热管局部凯发k8国际首页登录的敏感性。为减少SG中的凯发k8国际首页登录产物沉积,近年来业内提出使用聚丙烯酸(PAA)作为分散剂。然而,PAA与SG结构材料之间的相容性尚未完全明确。
近日,我院与中国科学院金属研究所相关团队在前期研究PAA与800合金传热管交互机制的基础上(Z. Zhang et al., Elucidating the interaction mechanisms between polyacrylic acid and Alloy 800 oxide films under pressurized water reactor steam generator conditions, Corros. Sci. 236 (2024) 112258.),进一步探讨了PAA对690合金在SG条件下凯发k8国际首页登录行为的影响。研究发现,在SG环境下,PAA能够显著提高690合金的耐蚀性,表明二者具有良好的相容性。相关研究结果以“Effect of polyacrylic acid on the corrosion behavior of Alloy 690 in pressurized water reactor secondary water”为题,发表在材料领域知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》(http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.011)上。
论文原文
在模拟SG功率运行环境下PAA添加实验中,研究人员发现,PAA的加入显著减少了690合金表面氧化物颗粒的沉积,展现了其优异的阻垢性能(图1)。此外,通过氧化膜截面EDS分析,研究发现PAA能够提高690合金内层氧化膜中的Cr含量,同时降低Fe含量(图2)。内层Cr含量的增加被认为是提高氧化膜抗氧化性能的关键因素。然而,当PAA浓度达到500 ppb及以上时,氧向基体的渗入现象显著加剧(图2),可能对合金的抗SCC性能产生不利影响。进一步的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析显示,PAA的存在导致690合金内层氧化膜从多晶态转变为非晶态,这种转变被认为是耐蚀性能提升的另一重要原因(图3至图6)。此外,研究还发现,加入PAA后,690合金内层氧化膜的厚度显著减小,其中250 ppb PAA浓度条件下形成的内层氧化膜最薄,对应的凯发k8国际首页登录速率最低(图7)。
综上所述,本研究明确了PAA与690合金在高温水环境下的良好相容性,并确定250 ppb为PAA的最佳添加浓度,这为实现PAA在PWR二回路中的工业应用奠定了重要基础。
图1. 不同PAA添加量下690合金截面氧化膜的STEM-HAADF图像:(a) 无PAA;(b) 250 ppb;(c) 500 ppb;(d) 750 ppb;
图2. 不同PAA添加量下690合金截面氧化膜EDS面扫和线扫结果:(a) 无PAA;(b) 250 ppb;(c) 500 ppb;(d) 750 ppb
图3. 无PAA下690合金截面氧化膜的TEM/HRTEM图像,以及相应的FFT图案
图4. 250 ppb PAA下690合金截面氧化膜的TEM/HRTEM图像,以及相应的FFT图案
图5. 500 ppb PAA下690合金截面氧化膜的TEM/HRTEM图像,以及相应的FFT图案
图6. 750 ppb PAA下690合金截面氧化膜的TEM/HRTEM图像,以及相应的FFT图案
图7. 不同PAA添加量下690合金内层氧化膜的厚度。
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