316不锈钢在高温熔盐中的腐蚀与防护技术研究

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高温熔盐具有高沸点、高比热、高热传导、良好的化学稳定性、低蒸汽压、低熔点等热物性特点,被认为是极佳的高温传热或储热介质,广泛应用于熔盐堆、聚光型太阳能集热系统、核废料处理以及核能综合利用等领域。316不锈钢是一款成熟的商用结构材料,具有良好的力学性能和高温性能,耐中子辐照,有作为燃料支撑结构材料的使用经验,是通过ASME标准工程许可的材料,广泛应用于商用核反应堆中。高温熔盐对材料的腐蚀问题是316不锈钢应用于熔盐系统必须要解决的一个关键问题。研究316不锈钢在不同熔盐中的腐蚀行为和腐蚀机理,可以有效的进行腐蚀预测和腐蚀控制。本文对316H在氟盐和氯盐两种熔盐体系中的腐蚀行为和腐蚀机理进行了研究,并针对性的开展了腐蚀控制相关工作。研究内容主要包括:1、研究了金属Cr和Cr F2对316不锈钢及其焊接件在700℃FLi Na K熔盐中的腐蚀行为影响。在FLi Na K熔盐中,316不锈钢和焊接件的腐蚀主要是活泼元素Cr和Fe的扩散溶解。由于使用的是净化处理后熔盐,316不锈钢腐蚀较轻,观察不到明显的腐蚀痕迹。在未添加Cr时,试样单位面积失重约0.1 mg/cm~2,316不锈钢和焊接件的母材腐蚀后Cr扩散层深度约9μm,焊缝区扩散层约14μm;添加Cr后,试样单位面积增重约0.3 mg/cm~2,样品表面沉积一层约4μm厚的碳化铬。添加1500ppm的Cr F2,在高于700℃时可以在316不锈钢表面制备一层约10μm厚的Fe-Ni涂层,100小时腐蚀浸泡实验标明,其具备良好的耐蚀能力。2、研究了金属Mg对316H在Na Cl-KCl-Mg Cl2熔盐中的腐蚀行为影响。在氯盐中,316H腐蚀机制与在FLi Na K中类似,都是活性元素Cr的扩散溶解,不同之处是Mg Cl2极易吸水,在加热时易发生水解反应,产生Mg OHCl和HCl加剧腐蚀,同时水解产物Mg O也会沉积在样品表面,影响失重数据准确性。温度对熔盐环境下316H的腐蚀影响很大,500℃时,316H晶间腐蚀特征不明显;当温度达到600℃和700℃时,316H均发生了较严重的晶间腐蚀。腐蚀时间超过1200小时后,三个温度下的试样腐蚀深度分别为40μm、60μm和300μm。600和700℃的试样中观测到有Mg O颗粒侵入到晶界孔隙内。添加金属Mg后,可以显著抑制316H的晶间腐蚀,试样普遍表现为增重,截面形貌未观测到腐蚀痕迹,元素分析发现试样表面有Mg O沉积。3、对比研究了添加Mg对316H在动态腐蚀回路中的腐蚀行为影响。在150℃(700-550℃)温差驱动下测试400小时后,316H的腐蚀行为与报道的高温端活性元素溶解,低温端沉积析出略有出入。实际上是316H在高温端发生Cr、Fe元素沿晶界扩散溶解,Ni、Mo在晶界处富集,表现为严重的晶间腐蚀特征,腐蚀深度达88μm。在低温区腐蚀较弱,无晶间腐蚀特征,腐蚀深度仅有2μm,存在Cr、Fe的贫化层和Ni、Mo富集层,深度约5μm。向体系添加Mg后,316H高温端的晶间腐蚀得到抑制,腐蚀2000小时后试样最大腐蚀深度小于10μm。根据腐蚀深度的时间规律曲线推算通过腐蚀控制的方法可以将316H的腐蚀深度降至低于50μm/年,满足熔盐储能示范装置对材料的设计要求。
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