FR2538111A1 - METHOD FOR DETERMINING RESISTANCE RELATING TO CORROSION OF A ZIRCONIUM ALLOY - Google Patents
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Abstract
IL CONSISTE A: A.SOUMETTRE UNE EPROUVETTE D'UN ALLIAGE DE ZIRCONIUM A UNE ATMOSPHERE DE VAPEUR D'EAU A UNE TEMPERATURE DE 300 A 420C PENDANT UNE PERIODE D'AU MOINS 5 HEURES; B.SOUMETTRE ENSUITE L'EPROUVETTE A UNE ATMOSPHERE DE VAPEUR D'EAU A UNE TEMPERATURE DE 490 A 520C PENDANT UNE PERIODE D'AU MOINS 12 HEURES; ET C.NOTER TOUTE FORMATION DE CORROSION SUR L'EPROUVETTE SOUMISE A LA VAPEUR D'EAU. APPLICATION AUX ELEMENTS ET STRUCTURES DE REACTEURS NUCLEAIRES REFROIDIS PAR EAU.IT CONSISTS OF: A. SUBMITTING A TEST OF A ZIRCONIUM ALLOY TO A WATER VAPOR ATMOSPHERE AT A TEMPERATURE OF 300 TO 420C FOR A PERIOD OF AT LEAST 5 HOURS; B. THEN SUBMIT THE SPECIMEN TO A WATER VAPOR ATMOSPHERE AT A TEMPERATURE OF 490 TO 520C FOR A PERIOD OF AT LEAST 12 HOURS; AND C. NOTE ANY FORMATION OF CORROSION ON THE WATER VAPOR SPECIMEN. APPLICATION TO ELEMENTS AND STRUCTURES OF WATER-COOLED NUCLEAR REACTORS.
Description
Les alliages de zirconium sont largement utilisés dans les composants etZirconium alloys are widely used in components and
structures du coeur des réacteurs à fission nucléaire refroidis par eau à cause de leur faible core structures of water-cooled nuclear fission reactors because of their low
section efficace de capture des neutrons, entre autres pro- neutron capture cross-section, among other things
priétés convenant à un tel service On notera par exemple le brevet des E U A N O 4 212 686 On a développé et mis sur le marché plusieurs nuances d'alliage de zirconium Suitable properties for such a service are, for example, US Pat. No. 4,212,686. Various zirconium alloy grades have been developed and placed on the market.
principalement pour des applications aux réacteurs nuclé- mainly for applications to nuclear reactors
aires Des compositions d'alliage de zirconium types sont les alliages du commerce désignés par Zircaloy-2 et Typical zirconium alloy compositions are the commercial alloys designated Zircaloy-2 and
Zircaloy-4, comprenant les alliages décrits dans les bre- Zircaloy-4, including the alloys described in the
vets des E U A no 2 772 964 et N O 3 148 055 Les brevets des E U A no 3 150 972 et N O 4 212 686 décrivent un alliage de zirconium contenant du niobium destiné à servir U.S. Patent Nos. 2,772,964 and 3,148,056 disclose a zirconium alloy containing niobium for
dans des réacteurs.in reactors.
Les Zircaloys comprennent des compositions d'alliage contenant au moins 95 % environ, en poids, de zirconium et, en pour cent en poids, environ 2, 0 % d'étain, jusqu'à environ 0,5 % de fer, jusqu'à environ 0,5 % de chrome Zircaloys comprise alloy compositions containing at least about 95% by weight of zirconium and, in percent by weight, about 2.0% tin, up to about 0.5% iron, up to about 0.5% by weight. about 0.5% chromium
et de O à 0,15 % environ de nickel. and from 0 to about 0.15% nickel.
Le degré de sensibilité à la corrosion d'un maté- The degree of sensitivity to corrosion of a material
riau est un facteur critique pour son utilisation ou ses is a critical factor for its use or its
performances dans un réacteur refroidi par eau Dans l'en- performance in a water-cooled reactor
vironnement d'un réacteur, les alliages de zirconium for- of a reactor, the alloys of zirconium
ment normalement un oxyde superficiel, foncé et relative- normally a superficial, dark and
ment inoffensif, uniformément réparti à la surface Cet oxyde dit noir fournit une protection du métal sous-jacent et s'épaissit lentement avec l'accroissement du temps de harmless, evenly distributed on the surface This so-called black oxide provides protection of the underlying metal and slowly thickens with increasing
séjour dans le réacteur Cependant, les alliages de zirco- In the reactor, however, the zirconium alloys
nium peuvent en outre développer des nodules de corrosion nium can also develop corrosion nodules
néfastes, quelquefois désignés par "corrosion pustuleuse". harmful, sometimes referred to as "pustular corrosion".
Ce type nodulaire de corrosion s'accroit rapidement en dimension ou superficie et profondeur sur la surface de l'alliage, ce qui, dans certaines conditions, peut nuire à l'intégrité de l'alliage La corrosion nodulaire comprend un This nodular type of corrosion increases rapidly in size or area and depth on the surface of the alloy, which, under certain conditions, can adversely affect the integrity of the alloy.
oxyde blanc qui peut grandir de plusieurs ordres de gran- white oxide that can grow from several orders of magnitude
deur plus rapidement que l'oxyde superficiel noir inoffen- faster than the black superficial oxide
sif pour produire une couche épaisse d'oxyde blanc empê- sif to produce a thick layer of white oxide
chant entre autre l'échange de chaleur. singing among other things heat exchange.
On a trouvé que le degré de sensibilité à la corrosion nodulaire des alliages de zirconium soumis à l'environnement d'un réacteur refroidi par eau dépend de plusieurs ou d'une combinaison de facteurs, incluant en particulier la composition de l'alliage, sa microstructure, It has been found that the degree of nodular corrosion sensitivity of zirconium alloys subjected to the environment of a water-cooled reactor is dependent upon several or a combination of factors, including in particular the alloy composition, microstructure
ainsi que les températures du réacteur en fonctionnement. as well as the temperatures of the reactor in operation.
On pourra se reporter, par exemple, aux brevets des E U A. For example, reference may be made to U UA patents.
n 3 150 972, 3 261 682 et 4 212 686. Nos. 3,150,972, 3,261,682 and 4,212,686.
Comme l'indique le brevet des E U A N O 4 238 251, il y a une corrélation évidente entre les caractéristiques As indicated in US Pat. No. 4,238,251, there is an obvious correlation between the characteristics
de la microstructure d'une composition d'alliage de zirco- of the microstructure of a zirconium alloy composition
nium et la résistance à la corrosion de type nodulaire nium and corrosion resistance of nodular type
dans un environnement de réacteur.in a reactor environment.
On a proposé dans la technique la manipulation de la microstructure des alliages de zirconium au moyen de recuits pour améliorer la résistance à la corrosion ainsi que d'autres propriétés essentielles de ces alliages pour l'utilisation dans les réacteurs Les brevets des E U A. It has been proposed in the art to manipulate the microstructure of zirconium alloys by annealing to improve the corrosion resistance and other essential properties of these alloys for use in reactors.
n 2 736 651, 2 894 866 et 3 884 728, par exemple, ensei- Nos. 2,736,651, 2,894,866 and 3,884,728, for example, teaching
gnent le reformage de la microstructure de certains allia- the reformation of the microstructure of certain alloys
ges de zirconium pour accroître leur résistance structurale of zirconium to increase their structural strength
et leur résistance à la corrosion en service dans des réac- and their resistance to corrosion in service in reaction
teurs. Cependant, on a trouvé que la microstructure des alliages de zirconium, et à son tour leur sensibilité à la corrosion, variaient souvent Des recuits défectueux ou tors. However, it has been found that the microstructure of zirconium alloys, and in turn their susceptibility to corrosion, often vary.
incomplets, et l'écrouissage ou des opérations de fabrica- incomplete, and work hardening or manufacturing operations
tion comme la réduction, l'étirage, la mise en forme ou le such as reduction, stretching, shaping or
coupage, et le soudage peuvent se traduire par des microstuc- cutting, and welding can result in microstructures
tures différentes ou non uniformes dans un alliage. different or nonuniform tures in an alloy.
En conséquence, il peut y avoir une grande latitude ou incertitude sur le degré de sensibilité à la corrosion As a result, there may be considerable latitude or uncertainty about the degree of sensitivity to corrosion
pour des composants de réacteur comme les gaines de combus- for reactor components such as fuel ducts
tible, les canaux de combustible qui sont faits d'un tible, the fuel channels that are made of a
alliage de zirconium.zirconium alloy.
La présente invention concerne un procédé de détermination de la résistance relative à la corrosion nodulaire d'un alliage de zirconium dans l'environnement The present invention relates to a method for determining the relative resistance to nodular corrosion of a zirconium alloy in the environment
d'un réacteur de fission nucléaire refroidi par eau. a water-cooled nuclear fission reactor.
La méthode de distinction consiste à soumettre une éprou- The method of distinction consists in submitting a test
vette d'un alliage de zirconium à une atmosphère de vapeur d'eau à haute pression appliquée suivant une séquence de zirconium alloy to a high pressure water vapor atmosphere applied in a sequence of
températures croissantes, et consiste à évaluer tout chan- increasing temperatures, and consists of evaluating any changes
gement apparaissant dans le poids ou l'aspect superficiel appearing in the weight or surface appearance
de l'éprouvette L'invention est capable d'établir une dis- The invention is capable of establishing a
tinction de la sensibilité des alliages de zirconium à la corrosion de type nodulaire en termes de gain de poids par the sensitivity of zirconium alloys to nodular corrosion in terms of weight gain by
corrosion et aussi d'aspects visuels. corrosion and also visual aspects.
La présente invention a donc pour but: The present invention therefore aims:
de fournir des moyens pour déterminer la résis- to provide means to determine the resistance
tance relative à la corrosion des alliages de zirconium; de distinguer la sensibilité à la corrosion des alliages de zirconium pour leur utilisation dans des relative corrosion rate of zirconium alloys; to distinguish the corrosion sensitivity of zirconium alloys for their use in
réacteurs de fission nucléaire refroidis par eau. water cooled nuclear fission reactors.
La suite de la description se réfère au dessin The rest of the description refers to the drawing
annexé qui représenté une courbe d'une corrélation entre la corrosion apparaissant dans un réacteur et celle produite annexed which represents a curve of a correlation between the corrosion appearing in a reactor and that produced
par le procédé de l'invention.by the process of the invention.
Selon l'invention, on peut déterminer la sensibi- According to the invention, it is possible to determine the sensitivity
lité à la corrosion des alliages de zirconium dans l'envi- corrosion of zirconium alloys in the envi-
ronnement d'un réacteur en soumettant une éprouvette de l'alliage à de la vapeur d'eau à haute pression appliquée successivement à deux niveaux de température, et ensuite reactor by subjecting a specimen of the alloy to high-pressure water vapor applied successively at two temperature levels, and then
à évaluer toute modification physique qui en résultent. to evaluate any resulting physical changes.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, on nettoie de toute souillure et matière étrangère une éprouvette d'alliage de zirconium ou un échantillon convenable de celui-ci, et on en détermine précisément le poids Le In the practice of the invention, a specimen of zirconium alloy or a suitable sample thereof is cleaned of any dirt and foreign matter, and its weight is precisely determined.
nettoyage peut s'effectuer par des moyens classiques com- cleaning can be done by conventional means such as
prenant un bain d'acide ou "décapage", suivi de rinçage dans l'eau. On soumet ensuite l'éprouvette d'alliage à de taking an acid bath or "stripping", followed by rinsing in water. The test piece of alloy is then subjected to
la vapeur d'eau dans un autoclave à une pression de mano- water vapor in an autoclave at a pressure of
mètre d'environ 70,3 kg/cm 2 à 105,5 kg/cm 2 On amène et maintient la température de la vapeur appliquée à un niveau initial de 300 à 420 'C environ pendant une période d'au moins 5 heures, et on l'augmente ensuite à un niveau suivant de 490 à 5200 C environ pendant une période d'au moins 12 heures Des périodes spécifiques d'application meter from about 70.3 kg / cm 2 to 105.5 kg / cm 2 The temperature of the vapor applied is brought to and maintained at an initial level of 300 to 420 ° C for a period of at least 5 hours, and then increased to a next level of from 490 to 5200 C for a period of at least 12 hours. Specific periods of application
effective de la vapeur d'eau comprennent, après échauffe- effective water vapor include, after warming
ment jusqu'à la température, 5 à 15 heures au niveau ini- temperature, 5 to 15 hours at the initial level.
tial de température de 300 à 420 'C pour la phase initiale, et 12 à 30 heures pour le niveau de température de 490 à tial temperature of 300 to 420 'C for the initial phase, and 12 to 30 hours for the temperature level of 490 to
5200 C.5200 C.
Une réalisation recommandée pour la mise en oeuvre de la présente invention comprend une température initiale de la vapeur d'eau de l'ordre de 410 'C pendant une durée de 8 à 10 heures suivie par une température ultérieure de la vapeur de l'ordre de 5100 C pendant une durée de 16 à A preferred embodiment for the implementation of the present invention comprises an initial temperature of the steam of the order of 410 ° C for a period of 8 to 10 hours followed by a subsequent temperature of the steam of the order from 5100 C for a duration of 16 to
24 heures.24 hours.
Après enlèvement de l'autoclave et refroidisse- After removing the autoclave and cooling
ment aux conditions ambiantes, on pèse l'éprouvette d'al- at ambient conditions, the test piece of
liage traitée à la vapeur d'eau et on note toute augmenta- binding treated with water vapor and any increase in
tion de poids On peut également examiner l'éprouvette trai- The test specimen can also be examined.
tée visuellement pour s'assurer de la formation de corrosion visually to ensure corrosion
nodulaire sur sa surface.nodular on its surface.
Une augmentation du poids de l'éprouvette attri- An increase in the weight of the specimen
buable au procédé mentionné ci-dessus nettement supérieure à environ 300 à 400 mg/dm 2 de surface indique qu'un alliage de zirconium tel que le Zircaloy-2 peut être sensible à la corrosion nodulaire La figure 1 illustre ce point en comparant la résistance à la corrosion en laboratoire et dans un réacteur d'un tube de Zircaloy-2 La figure montre une corrélation entre de la corrosion nodulaire dans le réacteur et les gains de poids résultant du procédé d'essai à la vapeur en laboratoire selon l'invention (effectué à 410 'C et 5100 C) avec des barreaux de Zircaloy-2 De plus, The process of the above-mentioned method substantially greater than about 300 to 400 mg / dm 2 of surface area indicates that a zirconium alloy such as Zircaloy-2 may be sensitive to nodular corrosion. Figure 1 illustrates this point by comparing the resistance. Zircaloy-2 tube corrosion in the laboratory and in a reactor The figure shows a correlation between nodular corrosion in the reactor and the weight gains resulting from the laboratory steam test method according to the invention. (carried out at 410 ° C. and 5100 ° C.) with Zircaloy-2 bars.
une formation de corrosion nodulaire quelconque attribua- any nodular corrosion formation attributed to
ble au procédé ci-dessus et couvrant plus de 20 à 30 % de la superficie totale de l'éprouvette indique également que the above process and covering more than 20 to 30% of the total area of the test
l'alliage peut être sensible à un endommagement par corro- the alloy may be susceptible to corro-
sion nodulaire.nodular growth.
On a découpé une éprouvette dans un récipient tubulaire pour du combustible nucléaire fait d'un alliage A specimen was cut into a tubular container for nuclear fuel made of an alloy
de zirconium, et on l'a ébarbée et nettoyée On doit enle- zirconium, and it has been debarked and cleaned.
ver, s'il y en a, l'oxyde superficiel en utilisant un papier abrasif Le nettoyage comprend l'attaque dans une solution acide renfermant, par exemple, 2,5 à 5,0 % en volume d'acide fluorhydrique concentré (HF), 45 % en volume d'acide nitrique concentré (HNO 3), le complément étant de worm, if any, surface oxide using abrasive paper Cleaning includes etching in an acid solution containing, for example, 2.5 to 5.0% by volume of concentrated hydrofluoric acid (HF ), 45% by volume of concentrated nitric acid (HNO 3), the balance being
l'eau distillée.distilled water.
Après l'attaque, on lave l'éprouvette, on la After the attack, the test tube is washed,
sèche et la pèse à 0,2 mg près.dry and weigh to the nearest 0.2 mg.
On suspend alors l'éprouvette ainsi préparée dans un autoclave-, on applique de la vapeur d'eau et on amène le système à un équilibre à 410 'C et à une pression de The test piece thus prepared is then suspended in an autoclave, steam is applied and the system is brought to equilibrium at 410 ° C. and at a pressure of
,5 kg/cm 2 On maintient cet équilibre température- , 5 kg / cm 2 This temperature balance is maintained
pression de l'atmosphère de vapeur pendant environ 8 heures pressure of the steam atmosphere for about 8 hours
pour la phase initiale après quoi on augmente la tempéra- for the initial phase, after which the temperature is increased
ture pour la phase suivante.for the next phase.
Lorsqu'on atteint une température de 510 'C, on amène à nouveau le système à l'équilibre et on-le maintient à 5100 C et à une pression d'environ 105,5 kg/cm 2 pendant When a temperature of 510 ° C. is reached, the system is again brought to equilibrium and maintained at 5100 ° C. and at a pressure of approximately 105.5 kg / cm 2
environ 16 heures pendant cette phase ultérieure. about 16 hours during this subsequent phase.
A la fin des périodes de traitement à la vapeur d'eau aux deux niveaux de température, on ramène l'autoclave aux conditions ambiantes, on enlève l'éprouvette, on la sèche et on la pèse et l'examine visuellement On note toute augmentation de poids de l'éprouvette, et on peut l'examiner visuellement pour se prononcer sur l'existence d'une corrosion nodulaire. At the end of the steam treatment periods at the two temperature levels, the autoclave is returned to ambient conditions, the specimen is removed, dried and weighed and examined visually. of the test piece, and can be examined visually for the existence of nodular corrosion.
Claims (9)
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