(57)【要約】【課題】炭素や酸素が含まれる流体を扱う設備の金属材料が破壊した事故が、爆発事故か液封事故かを特定できる事故原因判定方法を提供する。【解決手段】炭素及び酸素の少なくともいずれか一方を含む流体を扱う設備における金属材料の破壊した際の事故を判定する事故原因判定方法において、破壊した金属材料における前記流体との接触面側から金属材料中に侵入した炭素量又は酸素量を計測し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していたときには前記破壊の原因が爆発による爆発事故であると判定し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していないときには前記破壊の原因が液封による液封事故であると判定する【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素及び酸素の少なくともいずれか一方を含む流体を扱う設備における金属材料の破壊原因を分析し、事故を判定する事故原因判定方法において、破壊した金属材料における前記流体との接触面側から金属材料中に侵入した炭素量又は酸素量を計測し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していたときには前記破壊が爆発事故であると判定し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していないときには前記破壊が液封事故であると判定することを特徴とする事故原因判定方法。
【請求項２】
前記金属材料が鉄、銅又はステンレス鋼のいずれか１種であることを特徴とする請求項１記載の事故原因判定方法。
【請求項３】
前記金属材料中に侵入した炭素量又は酸素量の計測を電子線マイクロアナライザーで行うことを特徴とする請求項１又は２記載の事故原因判定方法。
【請求項４】
前記炭素量又は酸素量の計測は、前記金属材料における前記流体との接触面側から１００μｍ以下で行ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の事故原因判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、事故原因判定方法に関し、詳しくは、炭素や酸素が含まれる流体を扱う設備における貯槽や容器、配管を構成する金属材料が破壊した際の事故を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製の各種機械部品が破壊する事故が発生した際には、事故原因を判定することが、再発を防止する上で極めて重要である。例えば、発電用タービン部材の金属材料が破断した際に、金属材料の破断面と垂直な面を測定面とし、この測定面の複数箇所に電子線を照射して得られた結晶方位に基づいて破断原因を判定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−６４６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、各種炭化水素類を扱う又は混入した設備における貯槽や容器、配管系統では、酸素の存在や静電気などによる急激な化学反応によって爆轟、爆燃、爆発、燃焼などによる事故（以下、これらをまとめて爆発事故という。）が発生するおそれがあり、低温液化ガスを移送する配管では、配管両端のバルブを閉止して液封状態にしてしまったときに、温度上昇に伴う低温液化ガスの気化による内圧上昇によって配管などの設備を破壊する事故（以下、これを液封事故という。）が発生するおそれがある。このため、０．５秒以下の極めて短時間に貯槽や容器、配管などの設備が破壊する事故が発生したときには、事故が、化学反応による爆発事故か、内圧上昇による液封事故かのいずれかを判定し、再発防止を講ずることが必要となる。
【０００５】
そこで本発明は、炭素や酸素が含まれる流体を扱う設備などの金属材料が破壊した事故が、爆発事故か液封事故かを判定することができる事故原因判定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の事故原因判定方法は、炭素及び酸素の少なくともいずれか一方を含む流体を扱う設備における金属材料の破壊原因を分析し、事故を判定する事故原因判定方法において、破壊した金属材料における前記流体との接触面側から金属材料中に侵入した炭素量又は酸素量を計測し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していたときには前記破壊が爆発事故であると判定し、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していないときには前記破壊が液封事故であると判定することを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明の事故原因判定方法は、前記金属材料が鉄、銅又はステンレス鋼のいずれか１種であること、前記金属材料中に侵入した炭素量又は酸素量の計測を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で行うこと、また、前記炭素量又は酸素量の計測は、前記金属材料における前記流体との接触面側から１００μｍ以下で行ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の事故原因判定方法によれば、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していることが確認されたときには、事故発生時に金属材料が高温高圧状態に晒されたためであるから、破壊原因が爆轟、爆燃、爆発、燃焼などによる事故（爆発事故）が発生したと判定することができ、炭素又は酸素の金属材料中への侵入深さにより、爆発事故が爆轟、爆燃、爆発、燃焼のいずれによるものかも判定できる。また、金属材料中に炭素又は酸素が侵入していないときには、金属材料が高温状態になっていないことから、破壊原因が液封による事故（液封事故）であると判定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における炭素量計測結果を示す図である。
【図２】実施例２において爆轟時の酸素進入深さと爆燃時の酸素進入深さとを比較して示す図である。
【図３】実施例２においてメタン濃度が低いときの炭素量計測結果を示す図である。
【図４】実施例２においてメタン濃度が高いときの炭素量計測結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の事故原因判定方法は、炭素及び酸素の少なくともいずれか一方を含む流体を貯留する金属製設備、例えば、鉄、銅、ステンレス鋼のいずれか１種の金属材料で形成された貯槽や容器、流体を移送する配管系で、これらを構成する金属材料が破壊した際に、いずれの事故かを判定するためのものであって、破壊した金属材料の破断面をＥＰＭＡで計測し、金属材料中に侵入した炭素量や酸素量を求めることにより、いずれの事故かを判定する。また、金属材料中への炭素や酸素の侵入深さを計測することにより、爆発事故が爆轟、爆燃、爆発、燃焼のいずれかも判定できる。さらに、金属材料中に侵入した炭素量や酸素量を求めることにより、事故時点における流体中の炭素濃度や酸素濃度を求めることもできる。
【００１１】
すなわち、事故によって破壊された貯槽や容器、配管系などの設備を構成する金属材料の流体接触面、通常は設備内側面から金属材料中に侵入した炭素量や酸素量、金属材料中への炭素や酸素の侵入深さ、金属材料中の炭素や酸素の分布をＥＰＭＡで計測し、破壊の影響を受けていないブランク試料と比較することにより、０．５秒以下の極めて微小な時間に発生した破壊が、爆轟、爆燃、爆発、燃焼、液封のいずれかによる急激な圧力上昇が原因であったかを明らかにすることができる。
【００１２】
例えば、破壊された金属材料中の炭素量の計測結果が、ブランク試料に含まれる通常の炭素量よりも多い場合には、破壊時に金属材料中に炭素が侵入したことが明らかであり、破壊された設備の内側面が８５０〜１２００℃の高温に晒されたことによって流体中からの炭素が金属材料中に侵入したことがわかる。すなわち、爆発などに必要な燃料に含まれる炭素や、支燃剤としての酸素が、高温高圧下での条件で金属材料中に侵入したものである。
【００１３】
この場合は、金属材料の破壊が、爆轟、爆燃、爆発、燃焼のいずれかであり、液封が原因ではないと判定でき、逆に、金属材料中の炭素量の増加が認められなかった場合は、金属材料の破壊が高温への温度上昇を伴わない液封であると判定できる。
【００１４】
さらに、金属材料中への炭素や酸素の侵入深さや侵入範囲を計測することにより、圧力上昇の程度を知ることができ、侵入状態が深く、広範囲にわたっているときには爆轟に近く、侵入状態が浅く、狭い範囲のときには燃焼（爆燃）に近いと判定できる。したがって、侵入深さと侵入範囲とから、破壊の種類が、爆轟、爆燃、爆発、燃焼のいずれかであるかを判定できる。
【００１５】
また、ＥＰＭＡで計測する試料は、数ｍｍ程度の小さな断片であっても試料として十分な大きさであり、大きなものならば適宜切断すればよい。すなわち、爆発などで炭素や酸素が金属材料中に侵入する深さが、最大でも数十μｍ程度であるから、ＥＰＭＡでの計測範囲は、金属材料の流体接触面から肉厚方向へ１００μｍ未満の極めて浅い範囲で十分であり、数ｍｍ角程度の小さな試料で十分な計測を行うことができる。
【００１６】
ＥＰＭＡでの試料の計測は、通常の手順で行うことができる。まず、破壊発生現場から回収した試料（回収試料）と、該回収試料と同じ種類の金属材料からなるブランク試料とを用意する。両試料は、計測に適した大きさにするため、冷却しながら切断が可能な湿式精密切断機を使用し、両試料を５×２５ｍｍ程度の大きさに切断する。切断後の両試料は、計測面の凹凸を除去するため、例えば、バインダを含む銅粉やフェノール樹脂中に埋め込んだ状態で、＃８０〜８００の耐水研磨紙を使用して下処理を行う。次に、６μｍ程度のダイヤモンド粒子、０．０５μｍ程度のアルミナ粒子の耐水研磨紙を使用して計測面の一次鏡面仕上げを行う。さらに、イオンミリング装置を使用して計測面の二次鏡面仕上げを行う。
【００１７】
このようにして計測面を鏡面とした両試料に対し、ＥＰＭＡによって金属材料に対応した元素及び破壊原因を特定するために必要な元素の計測を行う。例えば、金属材料がステンレス鋼の場合は、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、酸素、炭素の各元素について、計測面から肉厚方向に、例えば５０μｍ程度走査することによって計測を行う。また、金属材料が銅の場合は、銅、酸素、炭素について計測すればよい。
【００１８】
なお、ブランク試料には、前述のように、同種の金属材料の他、同一設備中の破壊の影響を受けていない部分から切り出した試料や、同一金属材料で形成した物品をあらかじめ設定した条件で破壊した試料を使用することができる。また、計測する元素は、炭素及び酸素だけでもよいが、金属材料中の各種元素も同時に計測することにより、炭素や酸素の侵入の程度を容易に比較することができ、より確実にいずれに起因する事故かを判定することができる。
【００１９】
また、爆発などの原因となる物質としては、炭素を含む各種物質、例えば、メタン、アセチレン、プロパン、ブタンなどの炭化水素の他、一酸化炭素や二酸化炭素などを挙げることができ、酸素を含む物質としては、酸素単独だけでなく、一酸化炭素や水も挙げることができる。また、液封の原因となる物質は、液体窒素、液体酸素、液化天然ガス、液化プロパンなどの各種低温液化ガスを挙げることができる。
【実施例１】
【００２０】
金属材料としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を使用した２００Ａ配管（外径：２１６．３ｍｍ、板厚：２．８ｍｍ）を、アセチレンを燃料とした化学反応で破壊させたときの破断部から採取した破断試料（１５×２５ｍｍ）と、破壊前に同じ配管から切り出したブランク試料とを、ＥＰＭＡによって配管内面から肉厚方向に約５０μｍ走査し、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、酸素、炭素の各元素についてそれぞれ計測した。
【００２１】
図１に、鉄の計測結果Ａと、ブランク試料における炭素の計測結果Ｂ及び破断試料における炭素の計測結果Ｃとをそれぞれ示す。この結果から、破断試料では、ブランク試料に比べて２μｍ深い位置まで炭素が計測されているので、破断試料は、配管内部でアセチレンを燃料とした爆発などが発生し、爆発などの際の高温高圧条件によって金属材料であるＳＵＳ３０４中に炭素が侵入していることが明らかとなった。
【実施例２】
【００２２】
実施例１と同じ配管を使用し、液封によって配管を破壊させた。このときの破断部から採取した破断試料に対して前記同様の各元素について計測を行ったが、両試料中の各元素の分布にはほとんど変化はなかった。これにより、液封によって配管が破壊したときには、炭素や酸素が金属材料であるＳＵＳ３０４中に侵入していないことがわかる。したがって、実施例１と実施例２との結果から、炭素の侵入の有無によって配管の破裂の原因が爆発などによるものか、液封によるものかから、爆発事故か、液封事故かを判定することができる。
【実施例３】
【００２３】
材質Ｃ１０２０の銅製容器内に酸素及びメタンを封入し、酸素及びメタンの濃度を変化させた状態で、それぞれ放電により着火して急激な圧力上昇を発生させた。このときの破片部試料（３×３ｍｍ）について、ＥＰＭＡによって銅内への酸素及び炭素の侵入状態を計測した。その結果を、図２乃至図４に示す。
【００２４】
図２は、爆轟発生時の酸素の侵入状態Ｄと爆燃発生時の酸素の侵入状態Ｅとを示している。この結果から、爆轟発生時には、銅中に酸素が深さ６μｍ以上にまで侵入しているのに対し、爆燃発生時の侵入深さは、５μｍ弱であることがわかる。したがって、急激な圧力上昇が発生したときの破片部試料における酸素の侵入深さを計測することにより、破壊原因が、爆轟、爆燃、爆発、燃焼のいずれの爆発事故であるかも判定できる。
【００２５】
図３及び図４は、銅中への炭素の侵入状態を示すもので、銅には炭素がほとんど固溶しないことを利用し、侵入した炭素成分の分析から、爆発などが発生したときの銅製容器内における気相中の炭素存在濃度を推定することが可能である。すなわち、爆発などが発生したときに銅中に侵入した炭素濃度のピークや侵入炭素量を計測すると、図３及び図４に示すように、炭素濃度のピークの位置やピーク高さの違いによって気相中の炭素存在濃度を推定することができる。図３の計測結果の解析からは、破壊原因は爆轟で、気相中のメタンは、０．０７７モル、酸素は０．０９５モルであることがわかり、図４の計測結果の解析からは、破壊原因は爆燃で、気相中のメタンは、０．１２２モル、酸素は０．０９９モルであることがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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