Published January 24, 2020 | Version v1
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Influence of aerated transients on the oxidation and stress corrosion cracking of a cold-worked 316L austenitic stainless steel in PWR primary water

Description

Operational feedback on the primary circuit of Pressurized Water Reactors (PWR) shows cases of stress corrosion cracking (SCC) affecting cold-worked stainless steel components. Some working steps require water from auxiliary reservoirs to be added to the primary water. Depending on the operator, this water can be either aerated, or deaerated and monitored. These aerated transients may have a detrimental effect on the SCC susceptibility of stainless steels. In this context, the aim of this work is to study the influence of dissolved oxygen on the oxidation and SCC susceptibility of a cold-worked 316L stainless steel in PWR primary water. For this purpose, oxidation and SCC tests were performed in PWR primary water with nominal (hydrogenated and deaerated), fully aerated, and aerated transients conditions. Dissolved oxygen was found to have a significant impact on the oxidation processes of stainless steels. In particular, the inner surface oxide layer is chromium-rich and dense in nominal conditions, while it is chromium depleted and porous in the two other environments, with the exception of a thin oxide film (10 to 30 nm thick) located at the oxide/alloy interface. Moreover, intergranular oxide penetrations, which can be considered as precursors for SCC initiation, were observed in nominal and aerated transients conditions, but not in fully-aerated ones. Intergranular and micrometric SCC cracks were observed after the SCC tests, in all three environments. A detailed quantification showed that they are more numerous and significantly longer and deeper in nominal conditions, and with aerated transients, compared to the fully-aerated ones. This difference seems coherent with the absence of intergranular oxide penetrations in fully-aerated conditions. Moreover, with aerated transients, oxides at the crack flanks and tip can either have a different morphology than in nominal conditions, suggesting that aerated transients may have an effect on SCC susceptibility. Based on these results, scenarios were proposed for intergranular SCC cracks initiation, in the three environments of this study. (author)

Abstract (French)

Le retour d'experience sur les reacteurs a eau sous pression (REP) fait etat de cas de corrosion sous contrainte (CSC), sur des composants en acier inoxydable ecroui du circuit primaire de ces reacteurs. Le milieu primaire des REP est usuellement desaere et hydrogene. Des transitoires de fonctionnement necessitent des appoints en eau au circuit primaire a partir de reservoirs dont le fluide est, pour certains exploitants, aere, pour d'autres desaere et controle. Ces operations peuvent induire des transitoires oxygenes qui peuvent constituer un facteur aggravant de la CSC des aciers inoxydables. Dans ce contexte, l'objectif de cette these est de determiner l'effet de l'oxygene dissous, en milieu primaire REP, sur l'oxydation et la CSC d'un acier inoxydable 316L ecroui. Pour cela, des essais d'oxydation et de CSC ont ete realises en milieu primaire nominal (hydrogene et desaere), en milieu primaire aere de facon permanente, et en milieu primaire avec transitoires oxygenes. La presence d'oxygene dissous dans le milieu modifie la nature et la composition des couches d'oxyde de surface des aciers inoxydables. Ainsi, la couche interne, compacte et riche en chrome en milieu nominal, est depourvue de chrome et fortement poreuse dans les deux autres milieux, a l'exception d'un film mince (10 a 30 nm d'epaisseur) situe a l'interface metal/oxyde. De plus, des penetrations intergranulaires d'oxyde, susceptibles de constituer des precurseurs pour la fissuration par CSC, sont observees en milieu nominal, sans et avec transitoires oxygenes, mais pas en milieu aere. A l'issue des essais de CSC, des fissures intergranulaires de profondeur micrometrique ont ete obtenues dans les trois milieux. Toutefois, la densite et la profondeur des fissures sont nettement plus elevees en milieu nominal, avec et sans transitoires oxygenes, qu'en milieu aere. Ces differences semblent coherentes avec l'absence de penetrations intergranulaires d'oxyde en milieu aere. De plus, avec transitoires oxygenes, les oxydes observes sur les flancs et en pointe de fissure de CSC ont une morphologie differente de ceux formes en milieu nominal, ce qui suggere que les transitoires oxygenes peuvent avoir un effet sur la sensibilite a la CSC. Ces resultats ont permis de proposer des scenarios pour l'amorcage de fissures intergranulaires de CSC, pour les trois milieux d'interet de cette etude. (l'auteur)

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Original title (French)
Effet de transitoires oxygenes sur l'oxydation et la corrosion sous contrainte d'un acier inoxydable 316L ecroui en milieu primaire des reacteurs a eau sous pression

Publishing Information

Imprint Pagination
261 p.
Report number
FRCEA-TH--12139

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Notes
45 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses