(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、前記腐食電位測定電極の周囲を絶縁体でシールし、前記沸騰伝熱隙間部以外の前記伝熱管表面にテフロン（登録商標）層を被覆することにより、前記沸騰伝熱隙間部表面の腐食電位のみを捉えられるようにし、測定した前記腐食電位の変化に基づいて前記沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行えることを特徴とする沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電用プラントの熱交換器内にある沸騰伝熱隙間部における水質の変化、特に局部腐食を招く不純物イオンの濃縮度を推定して腐食環境をその場監視する方法に関する。より詳しくは、本発明は、熱の影響を直接受ける沸騰伝熱隙間部について腐食電位をオンラインで測定して腐食環境即ち不純物の濃縮の程度を連続的又は定期的に測定する沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用プラントの熱交換器内にある沸騰伝熱隙間部においては、沸騰現象により湿りと乾きの交番が生じ、給水中に微量に溶解している不純物イオンが濃縮する。不純物イオンの濃縮に伴うｐＨの変化は、隙間部構成材料の局部腐食の発生原因となる可能性がある。例えば、粒界腐食（ＩＧＡ）等の局部腐食の発生は水溶液のｐＨに依存し、アルカリおよび酸性域において進行し易くなる（図１３）。このため、同隙間部の腐食環境即ち不純物の濃縮の程度を監視即ち連続的又は定期的に測定することはプラント運転管理上重要である。
【０００３】
これまで、不純物濃縮の測定法として、沸騰伝熱隙間部内の水溶液を冷却サンプリング抽出し、室温大気圧下でｐＨ計あるいはイオンクロマトグラフ、原子吸光分析装置、誘導結合プラズマ発光分光光度計（ＩＣＰ）等を用いて間接的に水溶液中のイオン濃度を測定する方法が採用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、サンプリングの際、水溶液がサンプリング管壁に付着すること、測定に長時間要すること、沸騰伝熱面上に濃縮した不純物の濃度を直接測定することが困難なこと等の問題がある。即ち、従来の測定方法ではリアルタイムの測定換言すれば腐食環境のその場監視が不可能である。
【０００５】
本発明は、隙間部のなかでも特殊な腐食環境となる沸騰伝熱隙間部に対応し、より簡便でオンラインで腐食環境を連続測定できる沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法は、伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、腐食電位測定電極の周囲を絶縁体でシールし、沸騰伝熱隙間部以外の伝熱管表面にテフロン（登録商標）層を被覆することにより、沸騰伝熱隙間部表面の腐食電位のみを捉えられるようにし、測定した腐食電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行うようにしている。
【０００７】
この場合、伝熱管と接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に沸騰現象により湿りと乾きの交番が生じ給水中に微量に溶解している不純物イオンが濃縮すると、沸騰伝熱隙間部に配置した腐食電位測定電極によって測定される腐食電位は、不純物の濃縮によって変化する。したがって、測定した腐食電位の変化に基づき沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定することができ、不純物の濃縮の程度を連続して観測することで実際のプラントの熱交換器について精度の高い管理を行い得る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１に、本発明を発電プラントの熱交換器にある伝熱管と支持板とで構成される沸騰伝熱隙間部の腐食環境をその場監視する方法に適用した例を示す。熱交換器は、例えば加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の一次系冷却水の熱を二次系冷却水に伝えるもので、入口４１から流入した一次系冷却水は多数の伝熱管４２内を流れて二次系冷却水を加熱した後、出口４３から流出する。一方、入口４４から流入した二次系冷却水は、ダウンカマー４５を通って各伝熱管４２の下方に導かれた後、各伝熱管４２の周囲を上昇しながら加熱されて蒸気となり、気水分離器４６及び湿分分離器４７を通過して蒸気出口４８から流出する。
【００１０】
各伝熱管４２は複数の支持板４９によって束ねられている。即ち、各支持板４９は各伝熱管４２に接触する接触部材であり、ＳＵＳ４０５ステンレス鋼により形成されている。伝熱管４２と支持板４９との間には、図２に示すように、沸騰伝熱隙間部５５が形成されている。沸騰伝熱隙間部５５には、図３に示すように、腐食電位測定電極５０が配置されている。腐食電位測定電極５０は伝熱管４２に取り付けられており、その周囲は絶縁材５７によって絶縁されている。また、支持板４９の沸騰伝熱隙間部５５に望む面には、参照電極５１の液絡管５８の先端が開口している。さらに、二次系冷却水中の伝熱管４２から離れた位置には、バルク水中の腐食電位を測定するための電極５４が設けられている。これら隙間部の腐食電位測定電極５０、参照電極５１及び電極５４はポテンショスタット５２に接続されており、測定されたデータはコンピュータ５３によって処理される。なお、図中符号５６は、フローホールである。
【００１１】
かかる構成の熱交換器では、以下のようにして沸騰伝熱隙間部の腐食環境をその場監視する。
【００１２】
伝熱管４２と支持板４９との間に形成された沸騰伝熱隙間部５５では、湿りと乾きの交番によって不純物の濃縮現象が発生する。即ち、沸騰伝熱隙間部５５には伝熱管４２の熱が直接影響し、入り込んだ二次系冷却水が乾くことが繰り返されて不純物が徐々に蓄積し濃縮される。沸騰伝熱隙間部５５には、腐食電位測定電極５０が配置されており、伝熱管４２の腐食電位がオンラインでリアルタイムに連続して測定されている。測定された腐食電位は不純物が濃縮されると変化する。したがって、この電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部５５における不純物の濃縮の程度を推定することができる。
【００１３】
沸騰伝熱隙間部５５において不純物が濃縮されると、この部分のｐＨが変化して伝熱管４２や支持板４９の局部腐食が進行しやすい環境になる。電位の変化を連続して観測し不純物の濃縮の程度を推定することで沸騰伝熱隙間部５５の腐食環境を監視することができ、沸騰伝熱隙間部５５の腐食環境の変化に応じて二次系冷却水の管理や伝熱管４２及び支持板４９等の構造物の管理を適切に行うことが可能になる。
【００１４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００１５】
【実施例】
熱交換器の沸騰伝熱隙間部を模倣した実験装置（図４）を製作し、沸騰伝熱隙間部における不純物イオンの濃縮度をオンラインで測定した腐食電位から算出できることを確認する実験を行った。
【００１６】
ヒーターピン型式の伝熱管１は、図５に示すように、実機を考慮し、直径２２．２ｍｍ、長さが５８０ｍｍの円柱状のインコネル６００合金製とした。隙間部内で沸騰を起こさせ、伝熱管１表面に実機模擬の熱流束を負荷できるよう、図６に示すように、伝熱管１内に最大６．２ｋＷの電気容量を有する電気ヒータ１１を内蔵した。有効発熱部７は２５０ｍｍで、支持板６との間に沸騰伝熱隙間部を構成する部分はこの有効発熱部７に含まれる。水溶液２０中の不純物の沸騰濃縮がもっとも顕著に起こると考えられる沸騰伝熱隙間部の中央に、インコネル６００合金製の腐食電位測定電極１２を設けた。腐食電位測定電極１２の周囲をジルカロイ絶縁体９でシールし、沸騰伝熱隙間部以外の伝熱管１表面に耐熱温度３００℃のテフロン（登録商標）層５を被覆することにより、隙間部表面の電位のみを捉えられるようにした。リード線４はＳＵＳ３１６ステンレス鋼製とし、電気ヒータ１１からの電気的および熱的影響を受けないようリード線４の周囲は絶縁材１０および図示しない断熱材で覆った。また、伝熱管１表面の温度は、熱電対１３により連続測定を行った。
【００１７】
伝熱管１との間で沸騰伝熱隙間部を構成する支持板６（図７）は、測定対象物以外からの電気的絶縁を確保するため、テフロン（登録商標）製とした。支持板６は、伝熱管１への取り付けを容易にするため、半割り型とした。なお、支持板６の厚さ、沸騰伝熱隙間部の形状および寸法は、実機と同一とした。
【００１８】
支持板６の固定には、酸化ジルコニウムを被覆したジルカロイ製のホルダー１６（図８）および図示しないジルカロイ製のピンを用い、支持板６と伝熱管１の電気的絶縁を保つとともに隙間部を同心円状に保持した。
【００１９】
測定セル（本実施例の場合は、オートクレーブ）２３、は、ＳＵＳ３１６ステンレス鋼製であるため、電極１２を内蔵した伝熱管１を周囲の構造物から電気的に絶縁するため、セル２３の伝熱管１取り付け部にテフロン（登録商標）製シート２５を用いた。なお、腐食電位測定のための参照電極１８には、高温高圧水溶液用の銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ、電解液に０．１ｍｏｌのＫＣｌを使用）を用い、同電極１８の液絡管挿入口１５を支持板６の中央に設けた。また、沸騰伝熱隙間部の外にはバルク水中の不純物イオン濃度測定用インコネル６００合金製の電極１９を配置した。腐食電位測定電極１２，参照電極１８及び電極１９をポテションスタット２７に接続し、測定したデータをパソコン２８により処理した。パソコン２８にはプリンタ２９を接続した。なお、図中符号２はＳＵＳ３１６ステンレス鋼製フランジ、３は電気ヒータ用リード線、８はインコネル６００合金製管、１４はジルカロイ製ボルト、１７は止めピン用小孔、２１は試験水溶液入口、２２は試験水溶液出口、２４は電気ヒータ、２６は水冷却システムである。
【００２０】
ヒーターピン型式の伝熱管１を用い、実機の熱流束を模擬した沸騰伝熱条件下（１０００００〜３５００００ｋｃａｌ／ｈｒ・ｍ2 ）において、給水中の代表的不純物である水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および硫酸（Ｈ2ＳＯ4）の濃縮挙動を調べた。
【００２１】
この結果、沸騰伝熱隙間部の腐食電位は、熱流束の負荷に伴い、２７０℃のＮａＯＨ脱気水溶液中では急激に低下し（図９）、Ｈ2ＳＯ4水溶液中では上昇した（図１０）。完全脱気環境下では、インコネル６００合金の腐食電位はアルカリになるにつれ低電圧側へ移行し、酸性側になるにつれ高電位側へ移行する（図１１）ことから、この電位の変化は不純物の濃縮に起因するものと判断され、不純物の沸騰濃縮過程を伝熱管１の隙間部の腐食電位側により、その場測定できることが明らかになった。
【００２２】
（発明の検証）
次に、上記の熱流束域における不純物の濃縮度の試算方法について説明する。
【００２３】
一般に、完全脱気環境下においては、合金の腐食電位のｐＨ依存性は、水素還元反応のｐＨ依存性と対応し、合金の腐食電位ＥとｐＨとの間には近似的に数式１の関係が成り立つ。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
但し、Ｒは気体定数（＝８．３１４４（Ｊ／ｋ・ｍｏｌ））、Ｔは絶対温度（Ｋ）、ＦはＦａｒａｄａｙ定数（＝９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ））である。隙間内におけるインコネル６００合金伝熱管１表面の腐食電位Ｅの測定結果を数式１に代入すると、隙間内のｐＨが算出される。一方、ＮａＯＨの解離反応の平衡定数Ｋq1は、数式２および数式３で与えられる。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
【数３】
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【００２８】
但し、Ｋw は絶対温度ＴにおけるＨ2Ｏ の解離定数、Ｃ1 は溶液の濃度、α1 はＮａＯＨの解離度である。このときのｐＨは数式４で求められ、数式１で得られたｐＨを数式４に代入することにより、Ｃ1 が求まる。
【００２９】
【数４】
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【００３０】
一方、Ｈ2ＳＯ4は、Ｈ+ とＳＯ42- とに完全解離するものと仮定すると、解離反応の平衡定数Ｋq2は、数式５および数式６で与えられ、ＮａＯＨ水溶液の場合と同様にしてｐＨおよび濃度Ｃ2 を算出できる。
【００３１】
【数５】
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【００３２】
【数６】
0003880019.tif 000007
【００３３】
隙間部におけるＮａＯＨおよびＨ2ＳＯ4の濃度Ｃ1 およびＣ2 が求まり、これをバルク水の濃度Ｃ1 ’およびＣ2 ’で除することにより沸騰伝熱隙間部における濃縮度ＣF が求まる。
【００３４】
【数７】
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【００３５】
【数８】
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【００３６】
こうして上記の熱流束域における不純物の濃縮度を試算した結果、ＮａＯＨ水溶液中では１０4 〜５×１０5 程度、また、Ｈ2ＳＯ4水溶液中では１０4 程度濃縮することが明らかとなった。これらの値は、図１２に示すように、コードを用いた計算値とも良い対応を示したことから、腐食電位に基づいて沸騰伝熱隙間部の不純物濃縮度を推定することが可能である。即ち、水溶液中に含まれるイオン種が単独の場合、本発明により、腐食電位の変動に伴う隙間部のｐＨの変化から不純物濃縮のオンライン測定が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法は、伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、測定した腐食電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行えるので、特に腐食環境が厳しい沸騰伝熱隙間部に即したデータをオンラインで得ることができる。このため、冷却水や構造物の管理を適切に行うことが可能になると共に、今後プラントの新しい給水処理を適用する際等に特に重要となる沸騰伝熱隙間部の水質評価に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を実施する熱交換器の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１の熱交換器の沸騰伝熱隙間部を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を実施するシステムの概略構成図である。
【図４】腐食電位に基づいて不純物の濃縮度を算出できることを確認するための実験装置を示す概略構成図である。
【図５】図４の実験装置の伝熱管を示す概略構成図である。
【図６】図５の伝熱管に取り付けられた腐食電位測定電極を示す拡大断面図である。
【図７】図４の実験装置の支持板を示す斜視図である。
【図８】図４の実験装置のホルダを示す斜視図である。
【図９】脱気ＮａＯＨ水溶液中における沸騰伝熱隙間部および沸騰伝熱隙間部以外の部分の電位の経時変化の一例を示す特性図である。
【図１０】脱気Ｈ2ＳＯ4水溶液中における沸騰伝熱隙間部および沸騰伝熱隙間部以外の部分の電位の経時変化の一例を示す特性図である。
【図１１】脱気ＮａＯＨおよびＨ2ＳＯ4水溶液中におけるインコネル６００合金の腐食電位のｐＨ依存性の一例を示す特性図である。
【図１２】脱気ＮａＯＨおよびＨ2ＳＯ4水溶液中における沸騰伝熱隙間部の濃縮度と熱流束との関係の一例を示す特性図である。
【図１３】インコネル６００合金の粒界腐食（ＩＧＡ）発生環境条件の一例を示す特性図（２８０〜３２０℃）である。
【符号の説明】
４２  伝熱管
４９  支持板（接触部材）
５０  腐食電位測定電極
５１  参照電極
５２  ポテンショスタット
５３  パソコン
５５  沸騰伝熱隙間部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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