Nagra Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfãlle Cédra Société coopérative nationale pour I' entreposage de déchets radioactifs Cisra Società cooperativa nazionale per I'immagazzinamento di scorie radioattive TECHNISCHER / BERICHT 83-17 Korrosionsverhalten von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen in verschiedenen Medien im Anhydrit- und Gipsbergwerk Felsenau/AG D. Laske K. H. Wiedemann Oktober 1983 Eidg. Institut für Reaktorforschung, Würenlingen Parkstrasse 23 5401 Baden/Schweiz Telephon 056/205511
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TECHNISCHER BERICHT 83-17 - Nagradefault… · RESUME Lors du stockage définitif de déchets radioactifs dans des formations géolo giques ... wuiden an den Proben haftende Schich-ten
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Nagra Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfãlle
Cédra Société coopérative nationale pour I' entreposage de déchets radioactifs
Cisra Società cooperativa nazionale per I'immagazzinamento di scorie radioattive
TECHNISCHER / BERICHT 83-17
Korrosionsverhalten von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen in verschiedenen Medien im Anhydrit- und Gipsbergwerk Felsenau/AG
3 Aluminiumlegierungen (2 unbesehiehtet, l eloxiert)
6 Kunststoffe
2 glasfaserverstarkte Kunststoffe (GFK)
In den Tabellen I und II sind die Werkstoffe eharakterisiert.
Die Werkstoffproben waren meist l mm dieke Bleehe bzw. Platten, 10 x 30 em2 .
Die frei im Stollen aufzuhangenden proben hatten ein Aufhangeloeh an einer
Sehmalseite. Sie wurden satzweise an Bügeln aus rostfreiem Stahl aufgehangt.
Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion mit den metallisehen Proben waren die
Bügel mit einem Polyethylensehlaueh überzogen und die Abstandshalter zwi
sehen den proben bestanden ebenfalls aus Polyethylen. Der Probenabstand
war jeweils l 'em.
* Dekapieren: Beseitigung von Anlauffilmen oder dünnen Sehiehten naeh Lagern
an Luft als Vorbehandlung vor Besehiehtungen.
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3. EXPONIERUNGSARTEN
Entsprechende Probensatze der verschiedenen Werkstoffe wurden folgender-
massen exponiert:
o l. In Stollenatmosphare frei hangend (Temperatur im Stollen: 9 .•• 13 C;
60 % relative Luftfeuchtigkeit)
2. In Anhydritpulver gesteckt (Felsenau, Kornung < 0.5 mm)
3. In Gipspulver gesteckt (FeLsenau, Kornung < 0.5 mm)
4. In Gips eingegossen (Gips Union, "Lentolit Maschinenputz")
5. In Zement eingegossen ("Sulfazem")
Die Medien der Exponierungen 2. - 5~ befanden sich in offenen Polyethylen
Gefassen. Für jede Variante (Werkstoff; Exponierungsart; Zeit) wurden je
weils 3 Proben eingesetzt.
Von allen Werkstoffen wurde eine Anzahl Proben für Vergleichsmessungen im
EIR an Zimmerluft aufbewahrt.
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4. UNTERSUCHUNGEN UND ERGEBNISSE
4.1 Meta11ische Werkstoffe
Um Korrosionsangriffe am Meta11 bzw. Veranderungen der Beschichtungen er
kennen und charakterisieren zu kõnnen, wuiden an den Proben haftende Schich-
ten der festen Medien sowie a11fa11ige Korrosionsprodukte mechanisch oder
chemisch-mechanisch so entfernt, dass die zu beurtei1ende Probenoberf1ache
nicht zusatz1ich angegriffen wurde.
Die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen sind in den Tabe11en 111 und IV
zusammengeste11t. Darin sind die Art des Korrosionsangriffes und der, zustand
der Beschichtungen vermerkt. Typische Ste11en der Probenoberflachen und
Probenquerschnitte sind zur I11ustration des Korrosionsangriffs in den
Bildern 1.1 bis 14.4 wiedergegeben. Diese Bildnummern sind ebenfalls in
den Tabellen 111 und IV aufgeführt.
2 In den Tabellen 111 und IV sind ferner in K1ammern die Metallverluste (mg/cm )
angegeben. Die Ermitt1ung dieser Gewichtsver1uste durch Korrosion war nur
sinnvo11 an B1echproben ohne nichtmeta11ische Beschichtungen, narn1ich an
dekapiertem Eisenb1ech (Kenn-Nr. l)
verzinktem Eisenb1ech (Kenn-Nr. 6)
verzinntem Eisenb1ech (Kenn-Nr. 8)
Für diese drei Werkstoffe sind die Gewichtsverluste über der Zeit in den
Bi1dern 15a bis e aufgetragen.
Bei den Meta11verlusten handelt es sich nicht um einen gleichmassigen Flachen
abtrag, sondern um Mu1denkorrosion bzw. Lochfrasskorrosion (LFK). Die Zah
lenwerte der Gewichtsver1uste reprasentieren daher das Ausmass der rnu1den-
bzw. lochfõrmigen Korrosionen als Integra1 über der probenoberf1ache (vg1.
Bi1der 1.2 bis 1.4; 6.2 bis 6.5; -8.2 bis 8.4).
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Erwartungsgemass ist an unbesehiehtetem Eisenbleeh der Korrosionsangriff
arn grossten, wobei Gips am starksten und die Stollenatmosphare naeh Zement
arn wenigsten aggressiv wirken (Bild l5a). Dureh eine Verzinkung oder eine
Verzinnung wird der Korrosionsfortsehritt nur verzogert, weil aueh Zink
und Zinn von den betreffenden Medien (ausser von der Stollenatmosphare)
angegriffen werden (Bilder l5a und b).
Aueh eine Bleisehieht vermag Eisenbleeh nieht in allen Medien zu sehützen;
in Anhydritpulver, Gipspulver und Gips findet eine Loehfrasskorrosion an
der Bleisehieht und als Folge aueh eine solehe am darunter liegenden Eisen
bleeh statt. Die Bleisehieht erwies sieh nur gegenüber der Stollenatmosphare
und Zement wahrend 5 Jahren als bestandig (s. Tabelle 111, Kenn-Nr. 9 und
Bilder 9.2 bis 9.5) und dürfte aueh darüber hinaus für sehr lange Zeiten
einen sieheren Korrosionssehutz für Eisenbleeh bieten, sofern sie meehaniseh
nieht verletzt wird.
Die auf Eisenbleeh applizierten niehtmetallisehen Besehiehtungen wie Laeke,
Einbrennlaeke und Kunstharze sowie die Einbrennlaekierung auf verzinktem
Eisenbleeh beginnen sieh praktiseh in allen Medien meist sehon naeh 1- 2 Jah-
ren mehr oder weniger stark vom Bleeh zu losen und ermogliehen dadur eh eine
Korrosion des darunter liegenden Metalls (s. Tabelle 111, Kenn-Nr. 2, 3, 4,
5 und 7 sowie Bilder 2.1 bis 2.5; 3.3 bis 3.5; 4.1 bis 4.5; 5.1 bis 5.5;
7.1 bis 7.5). Das Loslosen dieser Besehiehtungen vom Bleeh beginnt an den
Bleehkanten*.
Dieser Befund sehliesst natürlieh nieht aus, dass es andere Typen oder Arten
von niehtmetallisehen Besehiehtungen gibt, die in den untersuehten Medien
einen sieheren Korrosionssehutz auf Eisenbleeh gewahrleisten.
* Im Versuehsprogramm war die Prüfung der niehtmetallisehen Besehiehtungen auf Eisenbleeh mittels Eriehsentiefung vorgesehen, um eine mogliehe Versprodung unter der Einwirkung der Medien zu erfassen. Da diese Besehiehtungen aber sehon deshalb keinen Korrosionssehutz gewahrleisten, weil sie sieh vom Bleeh losen, ist somit die Versprodung der Sehiehten als Kriterium für ihre Korrosionssehutzwirkung nieht relevant.
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Die beiden untersuchten rostfreien Stahle AISI 304 und AISI 316 zeigen
nach 5 Jahren in allen Medien keinerlei Korrosion (s. Tabelle IV, Kenn
Nr. 10 und 11), mit einer Ausnahme: Nach 5 Jahren wurde an einem Proben
blech aus AISI 304 in Anhydritpulver an einer einzigen Stelle Lochfrass
korrosion festgestellt (Bilder 10.2a und b). Dies ist wahrscheinlich auf
die Einwirkung von chloridhaltigem Tropfwasser zurückzuführen. Wahrend
rund einem Monat war der Verschlussvorhang vor dem Stolleneingang defekt,
so dass aus anderen Teilen des Grubenbaues Feuchtigkeit in den Stollen
eindringen konnte, wo sie an der Stollendecke kondensierte und NaCl leste,
welches in fast jedem natürlichen Anhydritgestein enthalten ist. Es ist
bekannt, dass chloridhaltige Lesungen an Chrom-Nickel-Stahlen Lochfrass
korrosion verursachen.
Die Leichtmetallwerkstoffe Peraluman 25 R, Anticorodal und eloxiertes Rein
aluminium sind erwartungsgemass nur in der Stollenatrnosphare nicht kor ro
diert worden. In Anhydritpulver, Gipspulver und Gips tritt die für Alu
minium und seine Legierungen typische Lochfrasskorrosion auf, wahrend in
Zernent die Bleche schon nach einem Jahr fast vollstandig in Aluminium
hydroxid umgewandelt wurden (s. Tabelle IV, Kenn-Nr. 12 bis 14 sowie Bilder
12.2 bis 14.4).
Die Brauchbarkeit eines korrosionsanfalligen Metalls mit irgendeiner Art
von Oberflachenbeschichtung als Behaltermaterial ist danach zu beurteilen,
ob die Schicht gegen das betreffende Medium resistent ist oder nicht. Weist
die Schicht nach z.B. 5 Jahren auch nur kleine oder wenige Defekte auf,
ist kein vollstandiger Korrosionsschutz des Metalls mehr gegeben, und das Mate
rial kann als Behalterwerkstoff für eine Langzeitlagerung nicht empfohlenwerden.
Bei unbeschichteten Metallen entscheidet natürlich die Korrosionsbestan
digkeit des Blechwerkstoffes selbst über die Brauchbarkeit als Langzeit
behalterwerkstoff.
Nach diesen Kriterien lassen sich die untersuchten Werkstoffe im Hinblick
auf ihre Eignung als Behaltermaterialien für eine Langzeitlagerung in den
verschiedenen Medien (Atmosphare in einem Anhydritstollen; Anhydritpulver;
Korro- Mulden- Mulden- Mul d enkorrosion O O (-0,65 ) korr. korr. (-32 ) (-62 ) (-82 ) (-1,6 ) dekopiert sion * n n (-25 ) n n (- 55) n n
Bi1d- Nr: 1.1. 1.2.a,b 1.3.0 j b 1.4. 1.5.
einbrennlackiert Korro - Schicht Sch.blCittert ob, Schicht bU:tttert o b, Schicht bl<1ttert ob, Schicht obgebltlttert, O O blOttert O sion * ob dorunter Korr. darunter Korrosion darunter Korrosion Probe Ko rrodie rt
lackiert Korro - O O O O O O Schicht bltittert a b, Schicht bllittert a b, Schicht blOttert ob, sion * darunter Korros ion. darunter Korrosion darunter Korrosion
(Epoxiharzbasis) Bild-Nr. 3.3. 3.4. 3.5. lackiert Korro- Schicht lost Sch. bltlttert leicht ab, Schicht bltlttert ab, Schicht blêittert ob, Sch icht a bgeblattert, Blei mennige + O Eisenglimmer sion * sich etwas darunter Korrosion darunter Korrosion darunter Korrosion Probe Korrodiert ( Chlorkautschukbasisl Bild-Nr. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.
Korro- Sch. blattert Schicht Sch. blêittert a b, Sch.blOttert ob Sch icht blattert a b, sion * O O O blattert O O
Ei nbrennho rz etwas ab ab darunter Korr. darunter Korr. darunter Korrosion Bild-Nr. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 1
Korro- Zn z. T. oelost j Zn z.T. oelost ; Zn aufoelost; Zn z:Ioelostj
verzinkt sion * O O O n Mulden korrosion n Muldenkorrosion n Muldenkorrosion n Muldenkorrosion 1(-14 ) (-28) (-43}J(-55) (- 5 ) I
Bild-Nr. 6.1.a,b 6.2.0-c 6.3.c,d 6.3.o,b 6.4. b 6.4. a 6.5.c 6.5.o,b I
verzinkt+ Korro- O ~~icht bltittert ab O Zn v.Schichtnoc~ O H::hlcht blãttert ab, Schicht bltittert a b, Schlcht und Zn fast sion * Zn intakt te i Iw. gesch üt zt darunter Korr. darunter Korrosion vollst. verschwunden