Corrosion of High Temperature Alloys in the Primary Circuit Helium of High Temperature Gas Cooled Reactors. Part II: Experimental Results

The reactive impurities H2O, CO, H2 and CH4 which are present in the primary coolant helium of high temperature gas-cooled reactors can cause scale formation, internal oxidation and carburization or decarburization of the high temperature structural alloys. In Part I of this contribution a theoretical model was presented, which allows the explanation and prediction of the observed corrosion effects. The model is based on a classical stability diagram for chromium, modified to account for deviations from equilibrium conditions caused by kinetic factors. In this paper it is shown how a stability diagram for a commercial alloy can be constructed and how this can be used to correlate the corrosion results with the main experimental parameters, temperature, gas and alloy composition. Using the theoretical model and the presented experimental results, conditions are derived under which a protective chromia based surface scale will be formed which prevents a rapid transfer of carbon between alloy and gas atmosphere. It is shown that this protective surface oxide can only be formed if the carbon monoxide pressure in the gas exceeds a critical value, P, which depends on temperature and alloy composition. Additions of methane only have a limited effect provided that the methane/water ratio is not near to, or greater than, a critical value of around 100/1. The influence of minor alloying additions of strong oxide forming elements, commonly present in high temperature alloys, on the protective properties of the chromia surface scales and the kinetics of carbon transfer is illustrated. Korrosion von Hochtemperaturlegierungen im Helium des Primarkreises von gasgekuhlten Hochtemperaturreaktoren. Teil II: Experimentelle Ergebnisse Die reaktiven Verunreinigungen H2O, CO, H2 und CH4 im Primarkreishelium von gasgekuhlten Hochtemperaturreaktoren konnen Oberflachenschichtbildung, innere Oxidation und Aufkohlung oder Entkohlung der warmetauschenden metallischen Hochtemperaturkomponenten verursachen. In Teil I dieser Veroffentlichung wurde ein theoretisches Modell vorgestellt, das eine Erklarung und Vorhersage der experimentell beobachteten Korrosionseffekte erlaubt. Grundlage des Modells ist ein klassisches Stabilitatsdiagramm fur Chrom, das modifiziert wurde, um kinetisch bedingte Abweichungen von Gleichgewichtszustanden zur berucksichtigen. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie sich ein Stabilitatsdiagramm fur eine kommerzielle Legierung konstruieren last. Anschliesend wird aufgezeigt, wie das Diagramm verwendet werden kann, um Korrosionsergebnisse mit den wichtigsten experimentellen Parametern, Temperatur, Legierungs- und Gaszusammensetzung, zu korrelieren. Anhand der Modellvorstellung und experimenteller Ergebnisse werden Bedingungen abgeleitet, unter denen eine schutzende Oxidschicht auf Chrombasis gebildet und somit eine schnelle Kohlenstoffubertragung zwischen Gas und Werkstoff verhindert wird. Es wird gezeigt, das diese schutzende Oxidschicht nur gebildet werden kann, wenn der Kohlenmonoxiddruck im Gas hoher ist als ein kritischer Wert, P, der von der Temperatur und Legierungszusammensetzung abhangig ist. Methanzusatze haben nur einen geringen Effekt, vorausgesetzt, das das Methan/Wasser-Verhaltnis deutlich kleiner als etwa 100/1 ist. Der Einflus von geringen Anteilen stark oxidbildener Legierungselemente auf die schutzenden Eigenschaften der Chromoxidschichten und auf die Kinetik der Kohlenstoffubertragung wird diskutiert.