[发明专利]用温度控制施加于金属氧化物表面的金属量的方法

说明书

发明领域

本发明一般涉及降低置于高温水中的部件的腐蚀电势。更具体地说，本发明涉及一种用温度来控制贵金属在沸水反应堆及其部件上的沉积量，以便在这些部件表面上形成所选的加载(1oading)金属类的方法。

发明背景

核反应堆用于中心站的电力产生，研究和推进。反应堆压力容器含有能去除来自核芯的热用的反应堆冷却剂，即水。有关的管道系统向蒸汽发生器或涡轮传输热水或蒸汽和传输循环水或给水，使其返回该容器。对于沸水反应堆(BWR)，该反应堆压力容器的工作压力和温度大约为7MPa和288℃，对于增压水反应堆(PWR)则大约为15MPa和320℃。用于BWR和PWR二者的这些材料必须经受各种加载，环境和辐射条件。

置于高温水的一些材料包括碳钢，合金钢，不锈钢，镍基，钴基和锆基合金。尽管对水堆用的这些材料作了仔细的选择和处理，腐蚀还是在置于高温水中的那些材料上发生。上述腐蚀造成了许多问题，例如，应力腐蚀裂纹，裂隙腐蚀，浸蚀腐蚀，卸压阀卡住和放射伽玛辐射Co-60同位素的产生。

应力腐蚀裂纹(SCC)是发生在置于高温水中的例如结构元件，管道，紧固件和焊接件之类的反应堆部件上的一种熟悉的现象。此处使用的SCC指的是由静态或动态拉伸应力与在裂纹尖端处的腐蚀结合造成的裂纹扩展。这些反应堆部件承受各种与以下有关的因素造成的应力，例如热膨胀的不同，保持反应堆冷却水所需的功作压力，和其它原因，例如由焊接，冷加工和其它不对称金属处理造成的剩余应力。此外，水的组成和化学性质，焊接，热处理，和辐射能够增加部件内的金属对SCC的敏感性。

众所周知，当氧在反应堆水中的浓度约为5ppb或更高时，SCC以较高的速率发生。在高的辐射通量作用下，在由于反应堆用水的辐射分解而产生诸如氧，过氧化氢，和短寿自由基之类的氧化性物质处，SCC进一步增加。上述氧化性物质增加了金属的电化学腐蚀电势(ECP)。电化学腐蚀是由金属表面上从正极区到负极区的电子流引起的。ECP是腐蚀现象发生的热力学倾向的度量，并是确定例如SCC的速率，腐蚀疲劳，腐蚀层的厚度和总腐蚀的基本参数。

在BWR中，在反应堆堆芯里的初次冷却水辐射分解引起一小部分的水净分解为化学产物H₂,H₂O₂,O₂和氧化性自由基和还原性自由基。对于稳态工作条件下，O₂,H₂O₂,和H₂的平衡浓度在再循环的水和通往涡轮的蒸汽二者之间建立起来。这些O₂,H₂O₂,和H₂的浓度环境是氧化性的，从而导致了促进结构敏感材料的晶间应力腐蚀裂纹(IGSCC)产生的条件。缓和敏感材料的IGSCC所使用的一种方法是应用氢水化学原理(HWC)，借此使BWR的氧化特性环境改变成更为还原的状态。这效果可通过将氢气加入反应堆给水的办法来实现。当氢到达反应堆容器后，它与辐射分解形成的氧化性物质起反应还原成水，从而降低了在金属表面附近的溶解氧化性物质在水中的浓度。这些再化合反应的速率依赖于局部辐射场，水的流动速率和其它可变因数。

注入的氢降低了氧化性物质例如溶解氧在水中的水平，因此减小了金属在水中的ECP。可是，诸如水流动速度的变化和暴露在中子或伽马射线下的时间或密度等因素，能导致在不同反应堆中产生不同水平的氧化性物质。于是，要求改变氢的量以使氧化性物质的水平降至足以保持ECP低于在高温水中防止IGSCC出现所要求的临界电势。此处使用的术语“临界电势”指的是，以标准氢电极(SHE)标尺为基准，腐蚀电势等于或低于约-0.230～-0.300V。当系统中的ECP高于临界电势时，IGSCC在系统中以加速速率进行，而当系统中的ECP低于临界电势时，则IGSCC基本上以较低的或零速率进行。含有氧化性物质例如氧的水，会使置于该水中的金属的ECP增加超过临界电势，反之，几乎不含氧化性物质的水能导致ECP低于临界电势。

与含有氧化性物质的反应堆用水相接触的不锈钢，通过向水中注入氢使溶解氢的浓度约为50～100ppb或更大的方法，能将其腐蚀电势降至低于临界电势。对于适当的给水氢添加比率，为抑制IGSCC所需要的条件能在反应堆的某些部位上建立。在该反应堆系统上，不同的位置要求不同的氢添加水平。在反应堆堆芯高辐射通量区内，或当氧化阳离子杂质例如铜离子存在时，为了降低ECP，必需要有高得多的氢注入水平。