General corrosion and stress corrosion cracking studies on carbon steels for application in nuclear waste disposal containers [report]

E. Smailos, B. Fiehn, J.A. Gago, I. Azkarate
1993
In previous corrosion studies, carbon steels and the alloy Ti 99.8-Pd were identified as promising materials for heat-generating nuclear waste containers acting as a radionuclide barrier in a rock salt repository. To characterize the long-term corrosion behaviour of these materials in more detail, a research programme in-c1uding laboratory-scale and in-situ corrosion studies has been undertaken jointly by KfK and ENRESA/INASMET. Besides carbon steels and Ti 99.8-Pd, also Hastelloy C4 and some
more » ... elloy C4 and some selected Fe-base materials are being examined in order to complete the results available to date. In the period under review, the 18-month immersion experiments and the stress corrosion cracking studies (slow strain rate tests) on three preselected carbon steels in disposal relevant brines at 150°C-170°C were completed. Moreover, first irradiation-corrosion studies were performed on the unalloyed carbon steel TSt E 355 in salt brines at 150°C and a realistic gamma dose rate of 10 Gy/h for thickwalled containers. The corrosion results obtained from the 18-month immersion tests are in good agreement with previous findings for up to 1 year. They confirm thatthe lowalloyed steels TStE 460 and 15 MnNi 6.3 are subjeeted to general corrosion in the brines, and that the linear corrosion rates (56-71pm/a in NaCI-rich brine, 65-203pm/a in MgCl2-rich brines) imply corrosion allowances acceptable for a thickwalled container. For the submerged arc welded (SAW) steel specimens, simulating a potential container c10sure technique, however, severe local corrosion attacks were deteeted for both steels in the heat-affected zone after testing in the MgCl2-rich brines at 150°C. The results obtained from the 100-day experiments undergamma irradiation indicate that a dose rate of 10Gy/h does not diminish the resistance of the unalloyed steel TStE 355 to pitting corrosion in the brine, and that the corrosion rates (21pm/a NaCl-rich brine, 173-208pm/a in MgCl2-rich brines) are reasonable for the corrosion allowance container conceptdiscussed. In the slow strain rate tests at 170°C and 10-4 -10-7 S-1 , a loss of ductility occurred for the steels in an MgCl2-rich brine compared to argon. This was probably due to hydrogen embrittlement. However, this effeet is not significant and noindication for stress corrosion cracking was found for the hot~rolled steels TStE 355 and TStE 460. On the contrary, the for~ed steel 15 MnNi 6.3 was susceptible to stress corrosion cracking at rates of 10-S-1 and 10-6 S-1. Further laboratory-scale and in-situ corrosion studies are in progress. Untersuchungen zur Flächen-und Spannungsrißkorrosion von Stählen als Werkstoff für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle Zusammenfassung Bisherige Korrosionsuntersuchungen ergaben, daß Kohlenstoffstähle und die Legierung Ti 99.8-Pd aussichtsreiche Materialien für langzeitbeständige Behälter zur Endlagerung von wärmeerzeugenden Abfällen in Steinsalzformationen sind. Zur detaillierten Charakterisierung des Korrosionsverhaltens dieser Werkstoffe werden von KfK und ENRESA/INASMET in einem gemeinsamen Forschungsprogramm weitergehende Untersuchungen durchgeführt. Neben Stählen und Ti 99.8-Pd werden zur Vervollständigung der bisher vorliegenden Ergebnisse auch Hastelloy C4 und einige ausgewählte Eisenbasiswerkstoffe untersucht. Im Berichtszeitraum wurden die 18-Monats-lmmersionsexperimente und die Spannungsrißkorrosionsuntersuchungen bei langsamen Dehnungsraten an drei ausgewählten Stählen in endlagerrelevanten Salzlösungen bei 150°C-170°C abgeschlossen. Darüber hinaus wurden erste Korrosionsexperimente (100 Tage) an dem unlegierten Stahl TStE 355 in Salzlösungen bei hoher Temperatur (150°C) und einem realistischen Gamma-Strahlenfeld für dickwandige Behälter von 1OGy/h durchgeführt. Die Korrosionsergebnisse an den niedriglegierten Stählen TStE 460 und 15 Mn Ni 6.3 nach 18 Monaten Immersion in~en drei Salzlösungen (eine NaCI-reich, zwei MgCI2-reich) bei 150°C sind in guter Ubereinstimmung mit den Ergebnissen bisheriger Untersuchungen bis zu 1 Jahr. Sie bestätigen, daß die Grundwerkstoffe beständig gegenüber Lochkorrosion sind und daß die linearen Raten der Flächenkorrosion (56-71pm/a in der NaCI-reichen Lösung bzw, 65-203pm/a in den MgCI2reichen Lösungen) zu technisch akzeptablen Korrosionszuschlägen für einen dickwandigen Behälter führen. Auch die unterpulvergeschweißten Stahlproben (Simulation einer möglichen Behälterverschlußtechnik) blieben nach 18 Monaten Prüfzeit in der NaCI-reichen Lösung beständig gegenüber Lochkorrosion. In den MgCl2-reichen Lösungen hingegen wurden bei den 18-Monats-Schweißproben, wie in den bisherigen Untersuchungen, starke lokale Korrosionsangriffe in der Wärmeeinflußzone festgestellt. Die bisherigen Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen unter Gammabestrahlung zeigen, daß eine Dosisleistung von 10 Gy/h die Beständigkeit des Stahls TStE 355in Salzlösungen gegenüber Lochkorrosion nicht herabsetzt und daß die Korrosionsraten (21pm/a in der NaCI-reichen Lösung, 173-208pm/a in den MgCl2-reichen Lösungen) zu realistischen Behälterwandstärken führen. In den Korrosionsuntersuchun~enin einer MgCl2-reichen Lösung bei 170°C und Dehnungsraten von 10-4 -10-7 s-nahm die Duktilität der Stähle gegenüber Argon deutlich ab, was möglicherweise auf eine H2-Versprödung zurückzuführen ist. Allerdings war dieser Effekt nicht signifikant und es waren keine Anzeichen für eine Spannungsrißkorrosion bei den warmgewalzten Stählen TStE 355 undTStE 460 festzustellen. Der Schmiedestahl 15 MnNi 6.3 hingegen zeigte in der Lösung bei Dehnungsraten von 10-5 s-1 und 10-6 s-1 eine Anfälligkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion. Weitere Labor-und in situ-Korrosionsuntersuchungen sind im Gange.
doi:10.5445/ir/270033630 fatcat:m5irxrllqzcidof3lb7tqenjge