Environmental effects on the integrity of type 316H stainless steel of an AGR coolant

Abstract

The UK’s Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) nuclear plants, operated by EDF Energy, are using a CO2 based primary circuit gas coolant. The boilers of these reactors have numerous stainless steel (SS) components, which can experience premature cracking due to the severely aggressive environments. Stainless steel components operate in a carburising environment under the creep regime, and thus undergo carburisation over time, which in turn alters the mechanical properties at the surface of the components. Carburised material is more susceptible to premature creep cracking due to the embrittlement of the outer surface, therefore a necessity of new and fundamental understanding of the environmentally assisted degradation and failure mechanisms is required in order to extend the lifetime of the AGRs safely and economically. This study focuses on the use of laboratory oxidation experiments under creep to investigate the interaction of the carburising environment in combination with creep deformation. Parent, cold worked (CW) and cracked SS material, as well as pre-carburised material (used in in-situ high resolution digital image correlation (HRDIC)) were used to further investigate the deformation properties of the carburised layer. Oxidation experiments under creep with parallel and tapered gauge specimens, revealed that carburisation was present on material that was subjected to applied stress whereas oxidation was observed on samples that underwent significant plastic deformation at high temperature. Cold word showed a beneficial effect, as both oxidation and carburisation as well as the total creep elongation were reduced. Overall, surface preparation, cold work and coolant chemistry can be carefully chosen to control the level of oxidation and carburisation, ensuring the safe operation of austenitic stainless steel components in AGR plants. Experiments with cracked specimens highlighted the effects of the carburising environment on oxidation and cracking behaviour of Type 316H SS and in-situ HRDIC experiments with carburised material explored the cracking behaviour of the carburised layer, although further work needs to be performed to investigate its response to deformation. Overall, those findings can be used to increase the service life of these components by extrapolating the materials’ behaviour for long exposures, but more investigative work needs to be performed at more prolonged exposure times since the 500 hour exposure time used in this study may not be totally representative of long term plant conditions.

Οι πυρηνικοί σταθμοί Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) του Ηνωμένου Βασιλείου, που λειτουργούν από την EDF Energy, χρησιμοποιούν ψυκτικό αερίου πρωτεύοντος κυκλώματος με βάση το CO2. Οι λέβητες αυτών των αντιδραστήρων έχουν πολυάριθμα εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα, τα οποία μπορεί να παρουσιάσουν πρόωρη ρωγμή λόγω των εξαιρετικά επιθετικών περιβαλλόντων. Τα εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα λειτουργούν σε περιβάλλον ενανθράκωσης υπό το καθεστώς ερπυσμού, και έτσι υφίστανται ενανθράκωση με την πάροδο του χρόνου, η οποία με τη σειρά της μεταβάλλει τις μηχανικές ιδιότητες στην επιφάνεια των εξαρτημάτων. Το ενανθρακωμένο υλικό είναι πιο ευαίσθητο σε πρόωρη ερπυστική ρωγμή λόγω της ευθραυστότητας της εξωτερικής επιφάνειας, επομένως απαιτείται νέα και θεμελιώδης κατανόηση των μηχανισμών υποβάθμισης και αστοχίας προκειμένου να παραταθεί η διάρκεια ζωής των AGR με ασφάλεια και οικονομία. Αυτή η μελέτη εστιάζει στη χρήση εργαστηριακών πειραμάτων οξείδωσης υπό ερπυσμό για τη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης του περιβάλλοντος ενανθράκωσης σε συνδυασμό με την παραμόρφωση ερπυσμού. Για την περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων παραμόρφωσης του ενανθρακωμένου στρώματος χρησιμοποιήθηκαν μητρικό, επεξεργασμένο εν ψυχρώ, υλικό με ρωγμή, καθώς και προ-ανθρακωμένο υλικό. Πειράματα οξείδωσης υπό ερπυσμό με συμβατικά και κωνικά δείγματα, αποκάλυψαν ότι υπήρχε ενανθράκωση σε υλικό που υποβλήθηκε σε εφαρμοζόμενη τάση ενώ οξείδωση παρατηρήθηκε σε δείγματα που υπέστησαν σημαντική πλαστική παραμόρφωση σε υψηλή θερμοκρασία. Η εν-ψυχρώ κατεργασία έδειξε ευεργετική επίδραση, καθώς μειώθηκαν τόσο η οξείδωση και η ενανθράκωση όσο και η συνολική επιμήκυνση λόγω ερπυσμού. Συνολικά, η προετοιμασία της επιφάνειας, η εν-ψυχρώ κατεργασια και η χημεία του ψυκτικού μπορούν να επιλεγούν προσεκτικά για τον έλεγχο του επιπέδου οξείδωσης και ενανθράκωσης, διασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία των εξαρτημάτων από ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα στις εγκαταστάσεις AGR. Πειράματα με δείγματα που εμπερείχαν ρωγμή τόνισαν τις επιδράσεις του περιβάλλοντος ενανθράκωσης στην οξείδωση και τη συμπεριφορά ρωγμής του 316H ανοξείδοτου χάλυβα και επιτόπου πειράματα HRDIC με ενανθρακωμένο υλικό διερεύνησαν τη συμπεριφορά ρωγμής του ενανθρακωμένου στρώματος, αν και χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για να διερευνηθεί η απόκρισή του σε παραμόρφωση. Συνολικά, αυτά τα ευρήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της διάρκειας ζωής αυτών των εξαρτημάτων μέσω παρέκτασησ της συμπεριφοράς των υλικών για μακροχρόνιες εκθέσεις, αλλά χρειάζεται περισσότερη έρευνα με παρατεταμένους χρόνους έκθεσης, καθώς ο χρόνος έκθεσης των 500 ωρών που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη ενδέχεται να μην είναι απολύτως αντιπροσωπευτικό των συνθηκών και της μακροχρόνιας εκθεσης που συναντάται στους πυρινικούς αντιδραστήρες AGR.