電中研
NEWS3

配管減肉予測ソフトウェアFALSETの開発と実用化に向けて実用化に向けて

前述の通り、国内の現行規格では肉厚測定に基づく配管減肉管理が規定されているため、FALSETを用いた減肉予測手法を管理に導入するには、実測と予測とを適切に組み合わせた規格への改訂が必要です。予測手法を管理に適用する具体例として、肉厚測定回数が少なく実測値を用いた余寿命評価の信頼性が低い部位、あるいは水質改善等の運転環境条件が変更され減肉傾向の変化が想定される系統などに対して、検査時期の最適な設定が可能になり、プラントの安全性向上に役立つと考えられます。
このような管理手法の改善を可能とすべく、今後、学会での現行規格の改訂作業にも参画し、FALSETの実機プラント管理での実用化を目指します。

発電プラントの配管減肉管理における肉厚検査の最適化を目指して

電中研ニュース

No.4782015 Feb

エルボ・曲管(430点)

4040原子力発電࢚࣭ࣝ࣎᭤⟶㸦186Ⅼ㸧
0%40degC
30 - 40℃60degC60 - 80℃+1110degC
110 -130℃

㠀ಖᏲഃ%80degC
80 -100℃

3030-10

当研究所が構築したFAC/LDI予測手法が、発電プラン
ト配管の減肉管理において簡便に利用できるように、配管減肉予測ソフトウェアFALSET（FAC and LDI Prediction Software for Pipe Wall Thinning）
を開発しています。FALSETでは、評価対象のプラント配管の諸条件（圧力・温度・流量・水質や各部位の寸法・材料など）に関する情報を入力することにより、各部位における最大減肉速度を予測し、余寿命を評価することができます。
この予測・評
価結果は、パソコンの画面上でカラー表示され（図9）、減肉管理における優先度が高い部位が視覚的に理解しやすくなっています。
またFALSETでは、予測式による予測結果と、発電プラントで実測された配管肉厚データの経時変化（減肉速度）とを比較して、配管の余寿命に基づいて補修・取替時期を検討することができます。
これまでに、原子力発電プラント数基の主要系統配管の肉厚測定データ一式を用いて、FALSETの予測精度の検証を行い、残余肉厚を誤差 10%以内の精度で概ね予測できることを確認しました（図10）。FALSETの予測精度は実機適用が可能なレベルに達しつつありますが、今後さらに検証を進めて必要な改良を行い、精度向上を図る予定です。

ṧవ⫗ཌ㸦ண್㸧残余肉厚（予測値）[ mm[mm]]

配管減肉予測ソフトウェアの開発

140 -150℃
150degC
190degC
180 -190℃

2020

ಖᏲഃ

230degC
220 -230℃

1010000010203010ṧవ⫗ཌ㸦ᐇ20್㸧 [mm] 304040

残余肉厚（実測値）[ mm ]図‒9FALSETの減肉速度分布表示画面

ひとこと

図‒10FALSETによる残余肉厚の予測精度

原子力技術研究所 原子炉システム安全領域 上席研究員

米田 公俊

配管減肉現象は原子力や火力の発電プラントに限らず、水や蒸気が流れる配管において、昔から普遍的に発生する現象です。欧米諸国では、特にFACに関して多くの事例・事故を経験してきたこともあり、20年以上も前からプラント管理に予測手法を導入しています。
この観点で日本は後進国であり、当研究所では国外の既存知見を参照しつつ、これに独自の新しい評価技術を加えて、減肉予測手法およびソフトウェアを開発しています。国内プラントの管理における予測手法の導入による検査の適正化とさらなる安全性の向上に貢献できればと考えています。

発電プラントの配管肉厚検査風景（出典：「原子力の科学館あっとほうむ」ホームページ、原子力トピックスNo.151-4、福井原子力センター）

原子力や火力の発電プラントでは、水や蒸気が流れる配管の肉厚が徐々に薄くなる「配管減肉現象」が一般的に発生します。配管は決められた厚さ以上の肉厚がないと使用できないため、プラントでは配管の肉厚検査による管理が行われ| 関連する研究報告書 |ています。配管の肉厚の減少傾向を充分に把握できないと、配管の破損事故につながる可能性がありますが、過度に保守

L11007「配管減肉予測ソフトウェアFALSETの開発」
報告書は当所ホームページよりダウンロードできます一般財団法人 電力中央研究所 広報グループ http://criepi.denken.or.jp/〒100-8126 東京都千代田区大手町1-6-1 大手町ビル7階

TEL：03-3201-6601

的な管理では検査箇所数が膨大となり、検査の時間や作業量などを必要以上に充当することになります。

電力中央研究所では、減肉速度が大きい部位や余寿命の短い部位を確実に特定して、集中的に検査することにより、プラントの安全性向上と検査の効率化が両立するような肉厚検査の最適化を目指して、現象メカニズムに基づいた減肉予
2015年2月発行

測手法の開発と、発電プラントの現場での実用化に向けた研究を行っています。

1

2

配管減肉現象と肉厚検査による管理発電プラントの配管減肉現象

2004年8月、関西電力美浜発電所において、140℃の水が流れる口径54cmの配管が破断し、大量の高温蒸気が漏れたため、作業員11名がやけどにより死傷する事故が発生しました。配管が破断した原因は、配管の肉厚が運転年数とともに徐々に薄くなっていく「減肉」と呼ばれる現象でした。減肉現象の主なものは、流れ加速型腐食（FAC:Flow-Accelerated Corrosion）と液滴衝撃エロージョ
ン（LDI: Liquid Droplet Impingement Erosion）の二つです。FACは、配管内面の腐食が水の流れにより助長される現象で（写真1、図1）、美浜発電所の配管破断の原因でもあります。FACは比較的広い範囲にわたり減肉するため、大規模な配管破損を生じる可能性がありますが、配管検査により比較的検知しやすい面もあります。一方、LDIは蒸気が高速で流れる配管の中で、流れに含まれる微小な水の粒（液滴）が配管内面に衝突し、その衝撃力により配管材料が破損する現象です（写真2、図2）。LDIは減肉範
囲が局所に限定される場合が多いため、検査による検知が難しいですが、配管が破損したとしても小規模に留まります。

配管減肉予測手法の開発

配管減肉管理の現状と課題

日本国内では美浜発電所の事故を受けて、2005年〜2006年に日本機械学会において配管減肉管理に関する規格と、要求事項を具体化した技術規格が策定されました。
これらの規格では、配管の肉厚測定値を用いた減肉速度および余寿命評価に基づく管理が規定されています。
そして原子力および火力発電プラントにそれぞれ対応した技術規格に則り、配管の減肉管理が行われています。
配管の肉厚測定には、通常、超音波厚さ計（図3）が用いられ、配管の周方向と軸方向にそれぞれ特定の間隔で設定された測定点に対して、肉厚を複数回測定することで減肉傾向を把握し、余寿命の評価（図4）が行われています。現行の規格では、プラントによっては一回の定期点検で肉厚測定部位が千箇所以上と膨大な数に及ぶことがあります。
しかし、減肉速度が大きい部位や余寿命が短い部位を特定できれば、そうした部位を集中的に検査することにより、プラントの安全性向上と肉厚検査の効率化に役立つと考えられます。そのための方策として、配管減肉に対する定性的・定量的な予測手法を減肉管理に導入することが挙げられます。

当研究所では、基礎的な実験や数値計算から得られたデータ、および現象メカニズムに基づいた理論式などを用いて、流動、水質、材料などの因子が複合的に関与するFACおよびLDIによる減肉速度の予測手法を開発しています。

FACは、主として炭素鋼※製の配管の内面に形成された腐食を防ぐ働きがある酸化皮膜（マグネタイト、Fe3O4）の溶解が、水の流れによって促進される現象です（図5）。
この中で、マグネタイトの溶け易さ（溶解度）と、溶出した鉄イオンが水に流される物質移動が、FAC現象の評価において重要な要素と捉え、当研究所ではこの双方の効果の積を基本としたFACによる減肉予測式を構築しました。溶
解度の評価においては、水の温度、酸性度（pH）、溶存酸素濃度などの水質因子や、配管材料のクロム含有率等の材料因子の影響を考慮しています。
一方、物質移動の効果の評価においては、配管内の平均的な流速だけではなく局所的な流れの乱れも含めた流動因子の影響を考慮しています。
この予測式により、配管の曲り部（エルボ）等におけるFACによる減肉傾向を概ね予測できるようになりました（図6）。

写真‒2（出典：NUCIA通番2490、添付資料）

酸化被膜の溶解の促進による広範囲にわたる減肉

水の流れの乱れ（出典：NUCIA通番8269、添付資料）

蒸気の早い流れで加速される液滴

蒸気＋液滴

水

酸化皮膜（ Fe 3 O4 ）液滴の衝突による局所的な減肉

液滴流体の密度ρ、音速c

平均流速、局所的な乱れ等が影響

クロム含有率等が影響

液滴の数密度配管（炭素鋼）配管12︶
D = 1/2×C

超音波の伝わる速度（C）
× t

超音波厚さ計による配管肉厚測定の原理

図‒4

エルボ5
エルボ60.5

ῶ
ᑐ┦⋡⫗

3
３回目測定

必要最小肉厚

２回目測定

１回目測定

肉 厚︵

超音波の往復時間（t）

D

図‒3公称肉厚

相対減肉速度 [-]超音波を発信する探触子

至近測定値と減肉速度から余寿命を評価

エルボ40.0余寿命

配管余寿命評価の模式図

各エルボの肉厚測定点40箇所のデータを比較
0.00.51.00.8

実測値0.6

予測値

90°

側

肉厚測定履歴から減肉速度を評価

肉厚

相対減肉速度（予測値）[-]図‒２ LDIの模式図（エルボの場合）
エルボ：配管の曲り部

0.4
0.2
0.0010

エルボ
入口

2030

40506070

エルボの軸方向位置 [°]相対減肉速度（実測値）[-]
運転時間

図‒6

材料
硬度0°

腹FACの模式図（オリフィス下流の場合）
オリフィス：管径を細くして流量を測定する所

エルボ3

側
背

図‒11.0

エルボ2

1.0

液膜厚さ

図‒7 LDIに対する影響因子

エルボ1

エルボ

衝撃圧力P∝ρcV

材料の離脱（配管内湿り度・液滴径に関係）

図‒5 FACに対する影響因子

オリフィス

液滴の流速V温度、pH、溶存酸素濃度等が影響

鉄イオンの溶出LDIによる配管減肉事例※炭素鋼：鉄と炭素の合金で、炭素含有量が通常0.02％〜約2％の範囲の鋼。加工が容易で廉価なので一般的によく使用される鉄鋼材料。

配管FACによる配管減肉事例

LDIは、液滴の衝突により配管材料が物理的・機械的に破損する現象であるため（図7）、LDI現象の評価においては、衝突する液滴の挙動に伴い配管材料に作用する衝撃圧と、衝突される配管材料の強さをそれぞれ評価する必要があります。
これに対して当研究所では、特に流動因子である液滴の挙動に着目し、配管内における液滴の数、大きさ、流速、飛跡等を、実験データから導いた独自の相関式や三次元の流体数値計算データ等を用いて詳細に評価しています。
また、配管内面に薄い水の膜（液膜）が存在する場合に液滴の衝撃圧が緩和される効果についても評価しています。
これらの流動因子に、主な材料因子である材料硬度を加えて、各因子の影響を考慮したLDIによる減肉予測式を構築しました。
この予測式により、配管エルボにおけるLDIによる減肉傾向を、FACと同様に概ね予測できるようになりました（図8）。

流れ加速型腐食（FAC）
による減肉予測手法の開発

鉄イオンの物質移動写真‒1

液滴衝撃エロージョン（LDI）
による減肉予測手法の開発

FAC予測手法によるエルボの肉厚測定点における減肉速度

図‒8

LDI予測手法によるエルボの減肉傾向

8090
エルボ
出口

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配管減肉現象と肉厚検査による管理発電プラントの配管減肉現象

2004年8月、関西電力美浜発電所において、140℃の水が流れる口径54cmの配管が破断し、大量の高温蒸気が漏れたため、作業員11名がやけどにより死傷する事故が発生しました。配管が破断した原因は、配管の肉厚が運転年数とともに徐々に薄くなっていく「減肉」と呼ばれる現象でした。減肉現象の主なものは、流れ加速型腐食（FAC:Flow-Accelerated Corrosion）と液滴衝撃エロージョ
ン（LDI: Liquid Droplet Impingement Erosion）の二つです。FACは、配管内面の腐食が水の流れにより助長される現象で（写真1、図1）、美浜発電所の配管破断の原因でもあります。FACは比較的広い範囲にわたり減肉するため、大規模な配管破損を生じる可能性がありますが、配管検査により比較的検知しやすい面もあります。一方、LDIは蒸気が高速で流れる配管の中で、流れに含まれる微小な水の粒（液滴）が配管内面に衝突し、その衝撃力により配管材料が破損する現象です（写真2、図2）。LDIは減肉範囲が局所に限定される場合が多いため、検査による検知が難しいですが、配管が破損したとしても小規模に留まります。

配管減肉予測手法の開発

配管減肉管理の現状と課題

日本国内では美浜発電所の事故を受けて、2005年〜2006年に日本機械学会において配管減肉管理に関する規格と、要求事項を具体化した技術規格が策定されました。
これらの規格では、配管の肉厚測定値を用いた減肉速度および余寿命評価に基づく管理が規定されています。
そして原子力および火力発電プラントにそれぞれ対応した技術規格に則り、配管の減肉管理が行われています。
配管の肉厚測定には、通常、超音波厚さ計（図3）が用いられ、配管の周方向と軸方向にそれぞれ特定の間隔で設定された測定点に対して、肉厚を複数回測定することで減肉傾向を把握し、余寿命の評価（図4）が行われています。現行の規格では、プラントによっては一回の定期点検で肉厚測定部位が千箇所以上と膨大な数に及ぶことがあります。
しかし、減肉速度が大きい部位や余寿命が短い部位を特定できれば、そうした部位を集中的に検査することにより、プラントの安全性向上と肉厚検査の効率化に役立つと考えられます。そのための方策として、配管減肉に対する定性的・定量的な予測手法を減肉管理に導入することが挙げられます。

当研究所では、基礎的な実験や数値計算から得られたデータ、および現象メカニズムに基づいた理論式などを用いて、流動、水質、材料などの因子が複合的に関与するFACおよびLDIによる減肉速度の予測手法を開発しています。

FACは、主として炭素鋼※製の配管の内面に形成された腐食を防ぐ働きがある酸化皮膜（マグネタイト、Fe3O4）の溶解が、水の流れによって促進される現象です（図5）。
この中で、マグネタイトの溶け易さ（溶解度）と、溶出した鉄イオンが水に流される物質移動が、FAC現象の評価において重要な要素と捉え、当研究所ではこの双方の効果の積を基本としたFACによる減肉予測式を構築しました。溶
解度の評価においては、水の温度、酸性度（pH）、溶存酸素濃度などの水質因子や、配管材料のクロム含有率等の材料因子の影響を考慮しています。
一方、物質移動の効果の評価においては、配管内の平均的な流速だけではなく局所的な流れの乱れも含めた流動因子の影響を考慮しています。
この予測式により、配管の曲り部（エルボ）等におけるFACによる減肉傾向を概ね予測できるようになりました
（図6）
。

写真‒2

（出典：NUCIA通番2490、添付資料）

酸化被膜の溶解の促進による広範囲にわたる減肉

水の流れの乱れ（出典：NUCIA通番8269、添付資料）

蒸気の早い流れで加速される液滴

蒸気＋液滴

水酸化皮膜（ Fe 3 O4 ）液滴の衝突による局所的な減肉

液滴流体の密度ρ、音速c

平均流速、局所的な乱れ等が影響

クロム含有率等が影響

液滴の数密度配管（炭素鋼）配管

12︶D = 1/2×C

超音波の伝わる速度（C）
× t

超音波厚さ計による配管肉厚測定の原理

図‒4エルボ5
エルボ60.5

ῶ
ᑐ┦⋡
⫗

3
３回目測定

必要最小肉厚

２回目測定

１回目測定

肉 厚︵超音波の往復時間（t）

D

図‒3公称肉厚

相対減肉速度 [-]超音波を発信する探触子

至近測定値と減肉速度から余寿命を評価

エルボ40.0
余寿命

配管余寿命評価の模式図

各エルボの肉厚測定点
40箇所のデータを比較
0.00.51.00.8

実測値

0.6

予測値

90°側

肉厚測定履歴から減肉速度を評価

肉厚

相対減肉速度（予測値）[-]図‒２ LDIの模式図（エルボの場合）
エルボ：配管の曲り部

0.40.20.0010

エルボ
入口203040506070

エルボの軸方向位置 [°]相対減肉速度（実測値）[-]
運転時間

図‒6

材料
硬度0°

腹FACの模式図（オリフィス下流の場合）
オリフィス：管径を細くして流量を測定する所

エルボ3

側
背図‒11.0

エルボ21.0

液膜厚さ

図‒7 LDIに対する影響因子

エルボ1

エルボ

衝撃圧力
P∝ρcV

材料の離脱

（配管内湿り度・液滴径に関係）

図‒5 FACに対する影響因子

オリフィス

液滴の流速V

温度、pH、溶存酸素濃度等が影響

鉄イオンの溶出LDIによる配管減肉事例※炭素鋼：鉄と炭素の合金で、炭素含有量が通常0.02％〜約2％の範囲の鋼。加工が容易で廉価なので一般的によく使用される鉄鋼材料。

配管FACによる配管減肉事例

LDIは、液滴の衝突により配管材料が物理的・機械的に破損する現象であるため（図7）、LDI現象の評価においては、衝突する液滴の挙動に伴い配管材料に作用する衝撃圧と、衝突される配管材料の強さをそれぞれ評価する必要があります。
これに対して当研究所では、特に流動因子である液滴の挙動に着目し、配管内における液滴の数、大きさ、流速、飛跡等を、実験データから導いた独自の相関式や三次元の流体数値計算データ等を用いて詳細に評価しています。
また、配管内面に薄い水の膜（液膜）が存在する場合に液滴の衝撃圧が緩和される効果についても評価しています。
これらの流動因子に、主な材料因子である材料硬度を加えて、各因子の影響を考慮したLDIによる減肉予測式を構築しました。
この予測式により、配管エルボにおけるLDIによる減肉傾向を、FACと同様に概ね予測できるようになりました（図8）。

流れ加速型腐食（FAC）
による減肉予測手法の開発

鉄イオンの物質移動写真‒1

液滴衝撃エロージョン（LDI）
による減肉予測手法の開発

FAC予測手法によるエルボの肉厚測定点における減肉速度

図‒8

LDI予測手法によるエルボの減肉傾向

8090
エルボ
出口電中研NEWS3

配管減肉予測ソフトウェアFALSETの開発と実用化に向けて実用化に向けて

前述の通り、国内の現行規格では肉厚測定に基づく配管減肉管理が規定されているため、FALSETを用いた減肉予測手法を管理に導入するには、実測と予測とを適切に組み合わせた規格への改訂が必要です。予測手法を管理に適用する具体例として、肉厚測定回数が少なく実測値を用いた余寿命評価の信頼性が低い部位、あるいは水質改善等の運転環境条件が変更され減肉傾向の変化が想定される系統などに対して、検査時期の最適な設定が可能になり、プラントの安全性向上に役立つと考えられます。
このような管理手法の改善を可能とすべく、今後、学会での現行規格の改訂作業にも参画し、FALSETの実機プラント管理での実用化を目指します。

発電プラントの配管減肉管理における肉厚検査の最適化を目指して

電中研ニュース

No.4782015 Feb

エルボ・曲管(430点)

4040

原子力発電

࢚࣭ࣝ࣎᭤⟶㸦186Ⅼ㸧
0%40degC
30 - 40℃
60degC
60 - 80℃+1110degC
110 -130℃

㠀ಖᏲഃ%80degC
80 -100℃

3030-10

当研究所が構築したFAC/LDI予測手法が、発電プラン
ト配管の減肉管理において簡便に利用できるように、配管減肉予測ソフトウェアFALSET（FAC and LDI Prediction Software for Pipe Wall Thinning）を開発しています。FALSETでは、評価対象のプラント配管の諸条件（圧力・温度・流量・水質や各部位の寸法・材料など）に関する情報を入力することにより、各部位における最大減肉速度を予測し、余寿命を評価することができます。
この予測・評
価結果は、パソコンの画面上でカラー表示され（図9）、減肉管理における優先度が高い部位が視覚的に理解しやすくなっています。
またFALSETでは、予測式による予測結果と、発電プラントで実測された配管肉厚データの経時変化（減肉速度）とを比較して、配管の余寿命に基づいて補修・取替時期を検討することができます。
これまでに、原子力発電プラント数基の主要系統配管の肉厚測定データ一式を用いて、FALSETの予測精度の検証を行い、残余肉厚を誤差 10%以内の精度で概ね予測できることを確認しました（図10）。FALSETの予測精度は実機適用が可能なレベルに達しつつありますが、今後さらに検証を進めて必要な改良を行い、精度向上を図る予定です。

ṧవ⫗ཌ㸦ண
್㸧
残余肉厚
（予測値）
[ mm[mm]]

配管減肉予測ソフトウェアの開発

140 -150℃
150degC
190degC
180 -190℃

2020

ಖᏲഃ

230degC
220 -230℃

1010000010203010ṧవ⫗ཌ㸦ᐇ20್㸧 [mm] 304040

残余肉厚（実測値）[ mm ]図‒9FALSETの減肉速度分布表示画面

ひとこと図‒10

FALSETによる残余肉厚の予測精度

原子力技術研究所 原子炉システム安全領域 上席研究員

米田 公俊

配管減肉現象は原子力や火力の発電プラントに限らず、水や蒸気が流れる配管において、昔から普遍的に発生する現象です。欧米諸国では、特にFACに関して多くの事例・事故を経験してきたこともあり、20年以上も前からプラント管理に予測手法を導入しています。
この観点で日本は後進国であり、当研究所では国外の既存知見を参照しつつ、これに独自の新しい評価技術を加えて、減肉予測手法およびソフトウェアを開発しています。国内プラントの管理における予測手法の導入による検査の適正化とさらなる安全性の向上に貢献できればと考えています。

発電プラントの配管肉厚検査風景（出典：「原子力の科学館あっとほうむ」ホームページ、原子力トピックスNo.151-4、福井原子力センター）

原子力や火力の発電プラントでは、水や蒸気が流れる配管の肉厚が徐々に薄くなる「配管減肉現象」が一般的に発生します。配管は決められた厚さ以上の肉厚がないと使用できないため、プラントでは配管の肉厚検査による管理が行われ| 関連する研究報告書 |ています。配管の肉厚の減少傾向を充分に把握できないと、配管の破損事故につながる可能性がありますが、過度に保守

L11007「配管減肉予測ソフトウェアFALSETの開発」
報告書は当所ホームページよりダウンロードできます

一般財団法人 電力中央研究所 広報グループ http://criepi.denken.or.jp/〒100-8126 東京都千代田区大手町1-6-1 大手町ビル7階

TEL：03-3201-6601

的な管理では検査箇所数が膨大となり、検査の時間や作業量などを必要以上に充当することになります。

電力中央研究所では、減肉速度が大きい部位や余寿命の短い部位を確実に特定して、集中的に検査することにより、プラントの安全性向上と検査の効率化が両立するような肉厚検査の最適化を目指して、現象メカニズムに基づいた減肉予
2015年2月発行

測手法の開発と、発電プラントの現場での実用化に向けた研究を行っています。