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Tesis

Resistencia a la corrosión de aceros inoxidables para repositorios nucleares

2015



Tesista Pablo Alonso MARTINEZ
Ing. Electrónico Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Director Dr. Martín Alejandro RODRÍGUEZ, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
CodirectorMag. Ing. Edgar Christian HORNUS, CNEA, UNSAM - Argentina
Lugar de realizaciónDivisión Corrosión Básica - Departamento Corrosión - Gerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 22/05/2015
Jurado Ing. Liliana  BERARDO, INTI Procesos Superficiales - Argentina
Dra. María José CANCIO, Tenaris Siderca - Argentina
Dr. Mariano Alberto KAPPES, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Código Código IS/T 155/15

Título completo

Resistencia a la corrosión de aceros inoxidables para repositorios nucleares

Resumen

Los repositorios geológicos se componen de un conjunto de barreras naturales e ingenieriles cuyo fin es mantener aislados los residuos radioactivos de la biosfera durante cientos de miles de años. La principal barrera ingenieril será el contenedor de residuos. Los aceros inoxidables son una opción promisoria para este tipo de aplicaciones ya que sufren corrosión generalizada en estado pasivo. Sin embargo, las aleaciones pasivas son proclives a sufrir corrosión localizada lo que limitará la vida útil de los contenedores. Por lo tanto resulta de sumo interés su estudio.
En el presente trabajo se aplicaron técnicas electroquímicas tales como polarización potenciodinámica, monitoreos del potencial de corrosión y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), sumadas a la observación microscópica en el estudio del comportamiento frente a la corrosión de los aceros austeníticos altamente aleados 254SMO y 654SMO, y del grado superdúplex 2507 en soluciones de NaCl de 10000 y 100000 ppm de cloruros a las temperaturas de 30, 60 y 90 ºC.
La susceptibilidad a la corrosión en rendijas de los grados mencionados se obtuvo mediante la determinación del correspondiente potencial de repasivación, aplicando los métodos PD-GS-PD (Potenciodinámico-Galvanostático-Potenciodinámico) y PD-PS-PD (Potenciodinámico-Potenciostático-Potenciodinámico). El comportamiento frente a la corrosión generalizada se evaluó mediante la determinación de la velocidad de corrosión por ensayos EIS al potencial de corrosión. Adicionalmente se estudiaron las características de la película pasivante mediante ensayos de Mott Schottky.
El acero inoxidable 654SMO presentó una resistencia a la corrosión en rendijas muy superior a las de los grados 254SMO y 2507 a 30 ºC. Sin embargo el acero 654SMO presentó una importante disminución en su potencial de repasivación conforme aumentó la temperatura de 30 a 60 ºC. En el rango de 60 a 90ºC, todas las aleaciones estudiadas presentaron una susceptibilidad a la corrosión localizada similar en ambas concentraciones de cloruros.
No se observó una dependencia importante de la resistencia a la corrosión en rendijas de las aleaciones estudiadas con la concentración de cloruros en el rango de estudio. El grado dúplex 2507 no mostró una dependencia clara en su resistencia a la corrosión en rendijas con la temperatura, mientras que en los grados austeníticos 254SMO y 654SMO la tendencia fue decreciente.
Los potenciales de corrosión de probetas con rendijas exhibieron un aumento significativo a las 24 horas de inmersión, asociado con un mejoramiento de la pasividad, pero generalmente se mantuvieron por debajo o muy próximos a los respectivos potenciales de repasivación para cada medio.
Las velocidades de corrosión generalizada obtenidas a 60 ºC y 100000 ppm de cloruros fueron bajas; entre 0,3 y 0,7 μm/año. Las mediciones de EIS presentaron un comportamiento fuertemente capacitivo con dos o tres constantes de tiempo.
Los estudios de los respectivos films pasivantes revelaron un comportamiento semiconductor tipo n con densidades de portadores en el orden de los 1020^cm 3.
Palabras Clave: Aceros inoxidables – Cloruros – Corrosión – Rendijas – Pasividad – Dúplex – Austenítico – Molibdeno – Repositorios geológicos

Complete Title

Corrosion resistance of stainless steels for nuclear waste repositories

Abstract

Geological repositories are composed of a set of natural and engineering barriers whose purpose is to keep radioactive waste isolated from the biosphere for hundreds of thousands of years. The main engineering barrier will be the waste container. Stainless steels are a promising option for such applications since they suffer general corrosion in the passive state. However passive alloys are prone to suffer localized corrosion which may limit the lifetime of the containers. Consequenly, their study is of great interest.
In this work electrochemical techniques such as potentiodynamic polarizations, corrosion potential monitoring and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were applied, combined with microscope observations in the study of the corrosion behavior of highly alloyed austenitic stainless steels 254SMO and 654SMO and superduplex 2507, in NaCl solutions of 10000 and 100000 ppm chloride concentrations at temperatures of 30, 60 and 90 °C. The crevice corrosion susceptibility of the mentioned steels were obtained by determining the corresponding repassivation potentials, applying the Potentiodynamic-Galvanostatic-Potentiodynamic (PD-GS-PD) and Potentiodynamic-Potentiostatic-Potentiodynamic (PD-PS-PD) methods. General corrosion of these alloys was evaluated by determining the corrosion rate by EIS tests at the corrosion potential. Semiconducting properties of the passive film were studied by Mott-Schottky technique.
654SMO stainless steel showed a crevice corrosion resistance far superior to those of 254SMO and 2507 stainless steelsat 30 ºC. However 654SMO stainless steel showed a significant decrease in repassivation potential by increasing temperature from 30 to 60 °C. In the 60 90 ºC range all studied alloys showed similar localized corrosion susceptibilities for both chloride concentrations.
A significant dependence of the crevice corrosion resistance of the studied alloys with the chloride concentration in the studied range was not observed. The crevice corrosion resistance of duplex stainless steel 2507 did not show a clear dependence with temperature, while the austenitic steels 654SMO and 254SMO showed a decreasing resistance with increasing temperature and chloride concentration.
Corrosion potentials of creviced specimens showed a significant increase at 24 hour of immersion associated with improved passivity, but generally remained below or very close to their respective repassivation potentials for each system.
General corrosion rates obtained at 60 ºC in 100000 ppm chloride solutions were low: from 0.3 to 0.7 μm/year. EIS tests showed a strong capacitive behavior with two or three time constants.
The passive film of the three tested alloys showed an n-type semiconductor behavior. The donor densities were about 1020^cm 3.
Keywords: Stainless steels – Chloride – Corrosion – Crevice – Passivity – Duplex – Austenitic – Molybdenum – Geological repositories

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