技術論文

改良EPDM材料の高温環境特性の評価

1. はじめに境での評価についても実施することとした。

改良 EPDM 材（当社配合№ H3070）の高温環境特性のな圧縮永久ひずみ試験と、実機フランジを模擬した小型フラ評価実施は、原子炉格納容器（以下PCVという）のシール材ンジによる漏えい試験を実施し、シール健全性を確認することに200℃の高温蒸気、数百kGyの高放射線量が重畳する重とした。

なお、評価手法としては、シール寿命を検証するのに有効維持するシール材を求められたことが発端である。
これまで、PCVに使用されてきたシール材は、一般的に耐熱性に優れているシリコーンゴムやふっ素ゴムが用いられてきWinter 2018

たが、200℃の高温蒸気、数百 kGyの高放射線量が重畳す

バルカー技術誌

大事故時（以下 SA 時という）の環境においてもシール機能をる環境では、ポリマーの構造上の問題から、加水分解による分子量の低下や、γ線のような高エネルギー暴露による低分子量化が進行し、シール機能の喪失が想定されるため、新たな材料への切り替えが必要と考えられた１）。
新たな材料として、高温蒸気環境下での使用を想定して開発された改良 EPDM 材を提案し、今日に至るまで、シール

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健全性確認のため様々な評価を行ってきた。健全性確認のための評価を行うに際し、SA 時のPCVの放射線物質閉じ

Figure1 シール材の一般特性図

込め機能を確保できる条件として設定した200℃、0.854MPa
高温蒸気環境を基本条件として各種試験を行い、当該環境において十分なシール性能を有していることが確認されている２）。

2. 評価２-1）評価温度設定のための予備試験

Figure1は、改良 EPDM 材のデータや、既存シール材で当該評価の目的は、改良EPDM材のシール限界を確認すあるシリコーンゴム、ふっ素ゴムの過去の評価結果から特性ることであるため、材料として有意な変化が生じない温度をを図示したものである。横軸に蒸気温度を、縦軸に放射線上限として評価を行うこととした。手法としては、熱重量分析量を示している。シリコーンゴムやふっ素ゴムは、SA 時の環により判断することとした。Figure2の紫色の曲線が熱重量境ではシール機能の維持が難しい一方で、改良EPDM材は減少率を示しており、300℃を超える温度帯より重量減少が生200℃以上の高温蒸気、かつ、γ線 800kGy 以上の環境におじ始めていることから、300℃までは主骨格構造に大きな変化いても機能を維持することが分かる。
このように、改良 EPDM 材は、SA 時の環境適合性が確は生じていないと考え、上限 300℃の健全性確認を行うこととした。

認され、PCVの新たなシール材料として採用されることとなった。このため、改良 EPDM 材のシール機能が維持できる限２-2）評価方法

界環境を確認し、SA 時の環境に対する優位性を検証するこ2-2-1）圧縮永久ひずみ試験とが非常に重要と考え、SA 時の環境を大きく超えた高温環300℃環境における健全性を確認するため、2 つの評価手
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Figure2

熱重量分析結果Winter 2018

法を用いることとした。そのうちの一つが、シール寿命を確認にて評価を実施する。ただし、SA 時に想定されているPCVする上で、非常に有効な手段である圧縮永久ひずみ試験を内環境は、上限 0.854MPaであるのに対して、今回実施す採用した。

る環境は、飽和蒸気条件下で実施するため、試料にかかる測定方法はJISK6262：2013「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム圧力が格段に高く（200℃の飽和蒸気圧 1.6MPa、300℃の飽- 常温、高温及び低温における圧縮永久ひずみの求め方」

和蒸気圧 8.6MPa）、SA 時のPCV 内よりも厳しくなっている。に準拠する。試料形状は、JIS 大型試験片（直径φ29mm、厚さ12.5mm円柱状試験片）を使用し、圧縮率は25％と設定

Table1

圧縮永久ひずみ試験条件した。

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圧縮永久ひずみは、高温環境下、圧縮状態で使用した場合に生じる塑性変形（必ずしも高温環境に限定するものではない）を数値化したものであり、圧縮状態を開放し、完全に元の形状に復元した状態を0％とし、全く復元しなかった場合を100％として最も悪い状態と定義した。ゴムの劣化は化学反応と考えられるため、Figure3のように横軸に時間、縦軸に圧縮永久ひずみ率をプロットすることで、所定変形までの到達時間を予測することが可能となる。

2-2-2）小型フランジによる漏えい試験

2 つ目の評価手法として、小型フランジによる漏えい試験を
Figure3

圧縮永久ひずみ試験及び寿命予測グラフ採用した。SA時の温度、圧力においてシール機能が維持さ評価条件をTable1に示す。SA 時の環境を踏まえ、飽和れることを確認するために、実機フランジを模擬した小型フラ蒸気環境、γ線照射量 800～1000kGy、温度 200～300℃ンジを用いることとした。小型フランジ略図をFigure4に、小15

技術論文

型フランジ寸法をTable2に示す。フランジ溝断面形状及び断面寸法は実機と同等であり、またガスケットの断面形状及び断面寸法も同等とした。SA時に発生する内圧により、PCVフランジが開口するが、これを模擬するため、小型フランジ内の平滑部に調整シムを挿入して開口量を調整し、小型フランジの内側からHeにて加圧することで、実機環境を模擬した状態での漏えい試験を実施することが可能となった。
Figure5

小型フランジ漏れ試験装置概略

3. 評価結果
圧縮永久ひずみ試験の結果はTable4に示す。Table4の“Cs”が圧縮永久ひずみ率を示しており、温度一定の場合、圧縮永久ひずみ率は、時間が長くなるに従い増加し、時間一定の場合、温度が上昇するに従い増加することが確認された。

Figure4

小型フランジ略図

Table2小型フランジ寸法

圧縮永久ひずみ試験結果

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Table 4

バルカー技術誌３-1）圧縮永久ひずみ試験

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Table3

漏えい試験条件

最も条件の厳しい300℃ 168 時間の試験片（TestNo.6-3）
試験条件はTable3の通りであり、所定温度にフランジ温の外観写真をFigure6に示す。側面には異常は確認されな度が到達後、1MPaのHeにより10 分間加圧し、漏えいの有かったが、シール面の中央付近に凹みが確認されたため、無を判断する。この試験によりHe が漏えいした場合、フラン当該試料を切断し断面を確認した。凹みの原因は内部に発ジ外径側から漏えいが確認されるため、水上置換により漏え生した亀裂によるものであったが、シール面まで貫通していないしたHeを収集し、Heの時間当たりの漏えい率を算出する。

いことが確認された。亀裂が発生した原因は、高圧飽和蒸試験装置概略はFigure5に示す。

気減圧時の圧縮された蒸気の急激な膨張と考えられる。具体的には、300℃飽和蒸気環境での評価のため、8.6MPaの蒸気圧が負荷されており、ゴム中に入り込んだ蒸気も圧縮された状態であるが、評価終了に伴い、高圧蒸気を圧力容器から放出する時点で、急減圧が生じるため、ゴム中で圧縮さ16

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Figure6

Test № 6-3

試験後試料写真

Figure8200 ～ 300℃データによるアレニウスプロット

れていた蒸気が、急激な膨張を生じ、ゴム中で亀裂を生じた

永久ひずみ率 80％３）となる時間で整理した結果（アレニウスと考えられる。

プロット）であり、こちらも非常に高い相関係数を持って直線

ただし、今回の亀裂は、評価設備由来の物理的原因であ近似可能であることが確認できた。

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るところ、SA 時に想定される圧力の上限値は0.854MPaであ

熱劣化は化学反応であるため、投入された熱エネルギーることから、実機のSA時においては、亀裂は生じ得ないと考に則って劣化が進行するため、材料としての限界を大きく超えられる。

えていない温度帯であり、かつ、評価環境が不安定でなければ、規則正しい劣化挙動を示すと考えられる。
よって今回の200℃～300℃飽和蒸気環境においては、化学反応論に則った劣化であり、突発的な異常劣化を生じるものではないため、寿命予測可能な劣化であることが確認できた。

No.34

３-2）小型フランジによる漏えい試験
小型フランジによる漏えい試験の結果、280℃及び 300℃、168 時間飽和蒸気環境で暴露された試料から漏えいは確認されなかった。
評価終了後の小型フランジを分解し、ガスケットの外観を確認した。Figure9に280℃、168 時間暴露後の試料写真を示すが、外観異常は確認されなかった。同様に300℃、168時間暴露後試料には一部周方向に亀裂が確認されたが、漏えいに影響するような内外径方向への亀裂や破損は確認
Figure7

圧縮永久ひずみ試験結果グラフ

圧縮永久ひずみの結果をFigure7にグラフ化した。横軸を時間、縦軸を圧縮永久ひずみ率とし、得られたデータをプロットして各種温度に対する近似曲線を得た。Figure7の通り、いずれも非常に高い相関係数を有しており、かつ、近似曲線の傾きも、近似していることが確認できた。またFigure8は、各温度に対し、一般的にシール機能が確保できる圧縮17されなかった。上記亀裂については、圧縮永久ひずみ試験の内部亀裂と同様に、急減圧による圧縮蒸気の急膨張が原因と考えられる。

技術論文

168 時間の条件では漏えいは認められない。
・上記から、約 300℃までの飽和蒸気環境下で安定的に使用可能なシール材である。

5. おわりに
本評価により、当該環境に限定すれば、EPDM材が300℃という非常に厳しい環境においても、シール機能を維持することが確認できた。このことから、先入観、一般常識にとらわれない自由な発想に基づいて開発、検証を続けること、ユーザの要望に耳を傾けることが如何に大事であるということを改めて実感した。このような報告を、今後発信し続けることがTest № 7-1

漏えい試験後試料写真

よって、280℃、300℃飽和蒸気環境において、168 時間の段階では、有意なシール材の欠損などは確認できないた
め、シール機能は維持できると考えられる。

できるように、現状に甘んじることなく精進し続ける所存である。
なお、今回の報告は、2017 年日本原子力学会秋の大会に発表した内容を一部編集したものである。
本報掲載にあたり、御協力いただきました中部電力株式会社の関係者各位に心より感謝申し上げます。

高温飽和蒸気環境における圧縮永久ひずみ試験及び小型フランジによる漏えい試験より結果をまとめる。
・改良 EPDM 材（当社配合№ H3070）
は、200℃～300℃

6. 参考文献
１）
伊 藤

浩史，
“真空エラストマーの耐放射線性の調査”

第 27 回リニアック技術研究会 , 7P-19の劣化挙動としては同一の機構と考えられ、温度変化

２）鈴木憲：バルカー技術誌 , No.30, 14-19（2016）

による突発的な異常劣化が発生している可能性は低３）川村敏夫“Оリ,ングの寿命と信頼性”, バルカーレビュー

い。

Vol26, 1982

・小型フランジによる漏えい試験の結果、300℃飽和蒸気鈴木 憲
研究開発本部
第 1 商品開発部

松田 真一 中部電力株式会社
杉村 卓哉 中部電力株式会社

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4. まとめバルカー技術誌

Figure9No.34