「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

日本原子力学会「水化学部会」 第5回定例研究会

水化学によるＰＷＲ二次系
炭素鋼配管の減肉抑制への取り組み
平成20年10月20日
日本原子力発電（株） 杉野 亘

The Japan Atomic Power Co.

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

PWR二次系における防食法（AVT）<ｐＨと材料腐食速度の関係(概念図)>

中性純水

腐食速度電位（V ｖｓ．SHE）

炭素鋼
銅低合金鋼
6.5
AVT
ｐH9.3

・脱酸素剤(N2H4)により脱気・ｱﾝﾓﾆｱによりｐH上昇(pH9.3＠25℃)（AVT処理：All Volatile Treatment)

7.5

AVTｐH9.3

8.5
9.5
ｐ Ｈ ( ∝ log[NH4] )10.5

・鉄系材料（炭素鋼，低合金鋼）はpH上昇に伴い腐食量が低下
・銅系材料はpH上昇に伴い腐食量が上昇

両者のバランスを勘案しpH9.3を選定
敦賀発電所2号機(PWR)の給水鉄は4～5ppb程度と高かった。

マグネタイト(Fe3O4) 被膜を形成し防食
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

AVTによる二次系機器への影響(1/2)→①蒸気発生器(SG)の性能低下
敦2 SG伝熱管抜管調査結果(第8回定検時)

敦2 SG汚れ係数の推移

3.0

Cu precipitation
定格電気出力割れ
汚れ係数2.5Sludge

ＳＧ汚れ係数2.0

SG tubing

1.5

設計値

Inter Granular Corrosion(IGC)

1.0【SG汚れ係数】
理論的な熱伝達 率からのずれ＝ ｽｹｰﾙ付着による熱伝達率の変化

0.50.001020304050

運転サイクル

１０ μ m・ｽｹｰﾙ堆積部の銅が偏析した部位で微小な粒界腐食の兆候あり→ｽｹｰﾙ堆積部でのイオン不純物濃縮によるpHの低下と銅による電位上昇によると推測

・今後，IGA/SCCに進展する可能性あり
SG伝熱管へのｽｹｰﾙ付着により熱効率が低下し，近い将来には定格電気出力が出せなくなる可能性あり
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

AVTによる二次系機器への影響(2/2)
敦賀発電所2号機 二次系配管の取替え実績
高温二相流系

ＭＳＲ
２００３，２００４

高圧タービン
１９９７，１９９８，２００４，２００７

高圧ヒータ出口弁
漏えい（２００２）

蒸気発生器

１９９１
２００４

復水器

高温単相流系

２００２

低圧タービン

脱気器

低圧ドレン配管漏えい（２００４）
復水脱塩装置

２００４
１９９１，１９９７，２００４

１９９３，２００７

給水ブースターポンプ出口
配管漏えい（２００６）

PWR二次系では，流れ加速型腐食（ＦＡＣ）により，発電ｺｽﾄ削減，安全性確保のため・厳密な肉厚管理→減肉抑制が重要課題
・配管取り替えが頻発（配管漏えい事象も発生）
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

PWR水化学の改善（高ｐH処理の効果1/2）
敦2 給水ｐHと鉄濃度の相関10高ｐH(pH 10程度＠25℃)

AVT（PWR）
ｐH9.3

全鉄濃度 ( ppb )電位（V ｖｓ．SHE）

給水鉄濃度2005年7月より，ｱﾝﾓﾆｱによる高ｐH処理(High-AVT)を導入

AVT
NH3：0.7ppm
N2H4：0.3ppm

5High-AVT
NH3：4ppm
N2H4：0.1ppm

目標：<1ppb
08.8

9.0

9.2

9.4

9.6

9.8 10.0 10.2

給水pH＠25℃

・ｐHを10程度まで高める高ｐH処理により防食効果を向上(ﾏｸﾞﾈﾀｲﾄ溶解度低下)【目的】給水鉄濃度を1ppb以下まで低減
し，蒸気発生器(SG)伝熱管へのｽｹｰﾙ付着による性能低下を抑制

pH9.8のHigh-AVTにより，目標としていた防食効果（鉄低減）が得られた（炭素鋼の平均的な腐食率が従来の～1/5に低減）
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

PWR水化学の改善（高ｐH処理の効果2/2）
3.0

敦2 High-AVT導入前後のSG汚れ係数の推移(サイクル平均値)
AVT時の予想線
定格電気出力割れ
汚れ係数2.5

ＳＧ汚れ係数2.0
High-AVT後の予想線

1.5サイクル途中までのデータ

1.0
設計値

0.5
High-AVT

0.0051015202530354045

運転サイクル

SG性能の低下傾向が抑制され，目的としたSGの長期的な健全性確保が達成できる見通しを得た。
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High-AVTによる減肉抑制効果(1/6)
・High-AVT導入の目的としていたSGの長期健全性の確保は達成（これは二次系全体の炭素鋼の平均的な腐食率が従来の～1/5となったため）・一方，厳密な配管の肉厚管理や頻繁な配管取替えの要因となっているFACによる炭素鋼配管の局所的な減肉についても同様な抑制効果が得られるかを評価した。

肉厚測定点

単相流系配管 評価点一覧

高圧タービン
ＳＧMSR

G

低圧タービン

HPﾋｰﾀｰ
脱気器
H

F

復水器

B,C

比較的減肉率が大きい給復水脱塩 復水系炭素鋼配管の肉厚測定からHigh-AVT導入前
装置後の減肉率の変化を比較＃4 LPﾋｰﾀｰ

AD,E＃3 LPﾋｰﾀｰ
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

High-AVTによる減肉抑制効果(2/6)
単相流系 配管減肉率の比較(AVT／High-AVT)

減肉率(相対値)

1 .2

従 来 水 質 (pH9.3)
High-AVT(pH10)

1

系統名A
B,C
D,EFGH0 .80 .60 .47部 位
材 料 温度(℃) 流速(m/ｓ) Re(×10 )SF50A 190
直管(ﾎﾟﾝﾌﾟ出口)
5.72.0直管(熱交換器出口) SB42150
3.40.7直管(熱交換器出口) SB42130
3.40.6エルボ(逆止弁下流) STPT38 150
3.50.7
SB42T字管(ｴﾙﾎﾞ下流)
220
5.73.5エルボ(ｵﾘﾌｨｽ下流) SB42190
5.0
1.80 .20A

BCDEFGH

平均・減肉率が大きく抑制された系統がある一方，ほとんど抑制されない系統あり（全系統平均で約1/2）
・効果の差は，材料，温度，レイノルズ数との相関なし→局所的な偏流が影響している可能性あり
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

High-AVTによる減肉抑制効果(3/6)

平均流速3．5m/s

系統Fの詳細な肉厚の経時変化 ※逆止弁下流に位置するｴﾙﾎﾞ系統F (A部)肉厚分布の推移
公称肉厚肉厚(mm)13系統F (B部)肉厚分布の推移

12Low-AVTAVT

11
効果が小さい肉厚(mm)
13101291176
エルボ背側10High-AVT8（STPT３８）

123 4
腹側

50定検(回)

14678986

最小肉厚点
エルボ背側・ｴﾙﾎﾞ入口(A部)はHigh-AVTの効果小

減肉が停止

70
123 4
腹側

5定検(回)

14678・B部以降は減肉が殆ど停止

逆止弁下流の偏流の大きい部位はHigh-AVTによる減肉抑制効果が小さい可能性あり
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High-AVTによる減肉抑制効果(4/6)
系統Hの詳細な肉厚の経時変化
系統H (A部)肉厚分布の推移
公称肉厚肉厚(mm)20191817
効果無し
16151413 （SB42）
121 2 3
エルボ背側

4腹側

平均流速５m/s※ｵﾘﾌｨｽ下流に位置するｴﾙﾎﾞ

AVT
Low-AVT系統H (Y部)肉厚分布の推移

肉厚(mm)
201918
効果無し
1716High-AVT15定検(回)140131412567 8
最小肉厚点

・ｴﾙﾎﾞ入口腹側は抑制されない

公称肉厚0123定検(回)1445

エルボ背側 最小肉厚点678

腹側・ｴﾙﾎﾞ出口(溶接線下流)も抑制されない

オリフィス下流や溶接線下流の偏流の大きい部位では，High-AVTによる減肉抑制効果が小さい可能性あり
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20High-AVTによる減肉抑制効果(5/6)
二相流系配管 評価点一覧
・気－液分配係数の大きいアンモニアでは，二相流系配管の腐食抑制効果が小さいと言われている
これを検証するため，比較的減肉率が大きいクロスアンダー管の減肉率を比較
ター

湿分分離再加熱器
ビン

流れ方向軸

中④心③
高圧タービン
湿分分離再加熱器①②②③測定点④①

流れ方向①②③④部 位材 料
温度(℃) 流速(m/ｓ) 蒸気湿り度(%)
直管（エルボ下流）
SB4661.5直管（高圧タービン出口） SB450 SR64.1
190
約10直管（エルボ下流）
SB4661.5直管
SB4661.5

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

High-AVTによる減肉抑制効果(6/6)
二相流系 炭素鋼配管減肉率の比較(AVT／High-AVT)
1.2①②③④0.8部 位材 料
温度(℃) 流速(m/ｓ)
直管（エルボ下流）
SB4661.5直管（高圧タービン出口） SB450 SR
64.1190
直管（エルボ下流）
SB4661.5直管
SB4661.50.6（減肉せず）

減肉率（相対値）

1.0

測定点

従来水質(pH9.3)
High-AVT

0.40.20.0①②③④

平均・評価点を平均したHigh-AVT後の減肉率は従来の約１／２
・二相流系においても，部位によっては単相流系と同様の減肉抑制効果が得られる可能性あり （今後のデータの蓄積が必要）
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

高ｐH（High-AVT）のまとめ・給水鉄低減を目的として敦賀発電所2号機に導入したHighAVTにより，期待通りの効果（給水鉄＜1ppbによるSG長期健全性確保）を達成
・これは，二次系全体の炭素鋼の平均的な腐食率が従来の～1/5となったため
・一方，炭素鋼配管の減肉率については，単相流系，二相流系ともに平均で従来の1/2程度に抑制されたが，流動条件の厳しい部位は抑制されない可能性がある

・これは，マグネタイト(Fe3O4)被膜で防食を図るAVT処理の限界を示唆しているものと考える
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

配管減肉抑制のための水化学の改善（低濃度酸素処理）

AVT（PWR）
ｐH9.3

PWR（AVT）とBWR（OT）の炭素鋼配管減肉率の比較

1.2

敦２(PWR)

減肉率（相対値）

電位（V ｖｓ．SHE）

酸素処理（BWR）
DO 20～100ppb

1.0

東２(BWR)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

＜BWR＞
酸素注入によりヘマタイト(Fe2O3)
不動態被膜を形成し腐食抑制＜PWR＞
AVT処理によりマグネタイト(Fe3O4)被膜を形成

050 100 150 200 250
系統温度（℃）

・減肉率は，酸素処理を採用しているBWRの方が小さい。
・これは，被膜の溶解度の違い（ﾍﾏﾀｲﾄ<<ﾏｸﾞﾈﾀｲﾄ）による
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

配管減肉抑制のための水化学の改善（低濃度酸素処理）

電位（V ｖｓ．SHE）＜低濃度酸素処理のコンセプト＞
High-AVT＋微量の酸素酸素処理（BWR）
DO 20～100ppb

Low-AVT

High-AVT・High-AVT条件下では，極僅かな電位上昇（＝微量酸素濃度）でヘマタイト被膜を形成できる可能性あり
・ High-AVT＋微量酸素注入により，二相流系を含めた二次系全体の腐食を抑制しつつ，給復水系炭素鋼配管の減肉を抑制できる可能性あり

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

低濃度酸素処理の事前評価結果＜試験ループ＞炭素鋼ECP(V vs．SHE)

0.1
0

被膜
Fe3O4

①へ

-0.1

0.1

-0.2-0.3

オートクレーブ(180℃)

試験片
循環ポンプ
冷却器

酸素注入
(大気飽和水注入)

0.08

-0.4
-0.50.06

被膜Fe2O3

-0.6
-0.7
00.01

腐食試験ループ ＜高温・ 高流速＞

0.12

炭素鋼FAC率（mm／ｙ）

0.20.14180℃
pH 9.25m/s
STPG370

炭素鋼ECP
入口Fe
炭素鋼FAC率
炭素鋼腐食率①より

NH3，N2H4

酸素濃度と炭素鋼ECP，FAC率の相関
0.3

水質調整ループ ＜低温， 低流速＞

0.04
0.1

1

10100

酸素濃度(ppb)・ラボ試験の結果，AVT条件下では僅か2ppbの酸素でヘマタイト化し，FAC速度が低減
・High-AVT＋微量酸素注入というコンセプトが基本的に成立する
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

PWRにおける低濃度酸素処理の概念
・酸素による蒸気発生器（SG）伝熱管健全性への長期的な影響が不明→SGへの酸素の持ち込みを回避する必要あり（酸素濃度<5ppb）

ヒドラジン(脱酸素剤)を共存させることにより， SGに酸素を持ち込ませずに給復水系配管のFACを抑制できる水質制御法が成立する可能性あり →実機試験により成立性を評価

O2

酸素濃度

脱気器

FACの厳しい領域
ヒドラジ

２ppb

0HP
ﾋｰﾀｰンによる酸 素の消費

ＳＧ

HPﾋｰﾀｰで酸素消滅0ppb※O2－N2H4反応は主に配管表面で進行する→表面積／体積比の大きなHPﾋｰﾀｰ細管内で酸素消費が進行

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

敦賀発電所2号機 酸素注入調査の概要（１/2）＜目的＞①SGへの酸素持込抑制技術の確立②実機でのFAC抑制効果の評価

炭素鋼の減肉状況を把握－鉄濃度、鉄形態

酸素ガス注入装置

脱気器
高圧給水加熱器

ECP

給水ブースター
ポンプ

ECP

主給水ポンプ

ECP ： 腐食電位(ECP)計

低圧給水加熱器

SGへ酸素が持ち込まれないことを監視－
ECP(SS）
炭素鋼の表面状態を把握－ECP(CS）

蒸気発生器＜AVT条件＞
ｐH：9.8（HighAVT）
ヒドラジン：100ppb

減肉率の高い箇所が存在し、ＳＧへの酸素持込について評価できる、脱気器 下流で調査

復水器

復水脱塩装置： 酸素注入対象範囲

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

敦賀発電所2号機 酸素注入調査の概要（2/2）
・サンプリング配管内でのヒドラジンによる酸素消費により，既存の酸素濃度計では酸素濃度を精確に測定できないためECP計により系統内の酸素濃度を評価
既設
仮設装置

ECP装置概要

SGへ

蒸気発生器へ

脱気器よりHPﾋｰﾀｰ
第6高圧
給水加熱器

タービン動
主給水ポンプ

主給水配管

主給水配管からECPセンサー（腐食電位計）までの距離は約50cm

酸素注入

腐食電位計

＜作用電極＞
サンプリングラック
ＳＵＳ

サンプリング配管

腐食電位計＜作用電極＞
炭素鋼、ＳＵＳ
サンプリングラック

ECP指示値確認用
ECP校正用大気飽和水注入装置
・母管直近にセンサーを取り付け，ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ配管内での酸素消費の影響を排除・センサー上流にECP値の妥当性を評価できる装置を組み込んだ。
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

酸素注入調査における酸素注入実績（1/2）
酸素注入量（実績）

酸素注入量（L/h）

最適注入Step

酸素濃度計算値(給水)4/2410820106
給水DO
基準値<５ｐｐｂ

42

最大5ppb0

酸素濃度（ｐｐｂ）

段階注入Step300

酸素濃度（ｐｐｂ）

20
給水ﾌﾞｰｽﾀｰﾎﾟﾝﾌﾟ出口（実測値）

高圧給水加熱器入口（実測値）

高圧給水加熱器出口（実測値）

15105

給水DO
基準値<５ｐｐｂ

007/207/307/407/507/607/707/8

・給水酸素濃度管理値の5ppbとなるまで段階的に注入量を増加
・しかし、給水系（高圧給水加熱器入口）における実測の酸素濃度は殆ど上昇せず
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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

酸素注入調査における酸素注入実績（2/2）
酸素濃度の実測値と計算値の関係
5

HPH入口(溶存酸素計)
HPH入口（ECPより換算）

酸素濃度（実測値：ｐｐｂ）

43
2
100

1

2

34

酸素濃度（計算値：ｐｐｂ）

5・表面積／体積比の大きなサンプリング配管内では、O2-N2H4の反応が促進
・ヒドラジン共存下における高温系統の微量酸素濃度は、従来の方法（サンプル配管で移送・冷却後溶存酸素計にて測定）では精度が低い。
・ECPによる高精度の監視が有効
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調査結果 ①SGへの酸素持込抑制技術の確立（1/2）
酸素注入パターン酸 素 注 入 量 （実 績 ）酸 素 濃 度 計 算 値 (給 水 )

酸素注入実績

820

給水DO
管理値＜5ppb
106420

最大5ppb10
溶存酸素濃度（ｐｐｂ）

酸素注入量（L/h）

30

00 .1

大気飽和水注入（5ppb）

ECP測定結果
0 .0

ＥＣＰ（ＶｖｓＳＨＥ）- 0 .1- 0 .2- 0 .3- 0 .4＜AVT条件＞
ｐH：9.8（High-AVT）
ヒドラジン：100ppb- 0 .5

高 圧 給 水 加 熱 器 入 口 （C S）
高 圧 給 水 加 熱 器 入 口 （SS）
高 圧 給 水 加 熱 器 出 口 （SS）

- 0 .6
2007/3

2007/3

2007/4

2007/5

2007/5

2007/6

2007/6

2007/7

2007/8

2007/8

2007/9・高圧給水加熱器（HPH）入口ECPは、酸素注入量に応じて変化 ，HPH出口のECPは、ほぼ一定で推移→HPH入口では，炭素鋼表面被膜がヘマタイト化する。
→ SG給水（HPH出口）の酸素濃度は上昇しない。
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調査結果 ①SGへの酸素持込抑制技術の確立（2/2）
酸素注入点下流側の酸素濃度分布評価結果
FWBP

脱気器

FACの厳しい領域

酸素濃度（ｐｐｂ）

108

HPHｘ

ＳＧ

150200酸素濃度解析値
酸素濃度（ECPから換算）

O2642

必要酸素濃度確保

00

酸素注入点

50100

注入点からの距離（ｍ） HPﾋｰﾀｰ

SG・高圧給水加熱器（HPH）により酸素が消費（表面積／体積比の大きな給水加熱器細管内でO2－N2H4反応が促進）→酸素濃度が5ppb程度であれば，SGに酸素を持ち込ませない制御が可能
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調査結果 ②実機でのFAC抑制効果の評価（1/3）
・酸素注入は、鉄の溶出抑制（形態変化による溶解度低下）を目的としているため、鉄イオンの挙動を把握
108206410200

1.E+01

給水ﾌﾞｰｽﾀﾎﾟﾝﾌﾟ出口
高圧給水加熱器出口

pH9.8

鉄イオン濃度（ｐｐｂ）

溶存酸素濃度（ｐｐｂ）

酸素注入量
（L/h）

酸素注入量（実績）
酸素濃度計算値(給水)

酸素注入実績

30

高圧給水加熱器入口

pH9.6

pH9.8

1.E+00

1.E-01

1.E-0207/2

07/3

07/407/507/607/707/8

・酸素注入により、鉄イオン濃度は低下
・ｐHが低下すると鉄イオンは上昇するケース有り→High-AVT ＋ 微量酸素注入が有効
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調査結果 ②実機でのFAC抑制効果の評価（2/3）
高圧給水加熱器入口炭素鋼ECP値からの被膜形態変化の考察
0.14

0.30.2

入口Fe
炭素鋼ECP（実機試験）
炭素鋼ECP（実機試験）
炭素鋼ECP（自社ラボ試験）
炭素鋼腐食率炭素鋼FAC率（自社ラボ試験）

炭素鋼ECP(V vs．SHE)

0-0.1-0.20.1

被膜Fe3O4

被膜Fe2O3

炭素鋼FAC率（mm／ｙ）

0.12

0.1

0.08

-0.3
-0.4
-0.5

0.06

-0.6
-0.7
00.01

0.04
0.1

110100酸素濃度(ppb)

・実機でも，ラボ試験同様に酸素濃度２ppb以上で炭素鋼表面の被膜がヘマタイト（Fe2O3）化 →微量の酸素でFACを抑制できる可能性あり
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調査結果 ②実機でのFAC抑制効果の評価（3/3）
鉄クラッド形態からの被膜形態変化の考察
脱気器出口鉄形態の比較
脱気器出口鉄形態の比較

34.9
4220%0%0
Lo-AVT

Fe2O3

Fe3O460%
40%

Lo-AVT時
データ無し
20%

21.7
Hi-AVT

0%

OWC
酸素注入

α-FeOOHＯ２ Ｉｎｊ．
20ｐｐｂ
Ａ１

Fe2O3

Fe3O4

ＨＰＨＩ

Ｓ ＦＷＢＰＯＳ （ＥＣＰ）

Hi-AVT
α-FeOOH

OWC
酸素注入
γ-FeOOH

SG

100%

Lo-AVT
Fe3O4

Hi-AVT
α-FeOOH

酸素注入
OWC
γ-FeOOH

ＨＰＨＯ

Ａ

ＦＷＰ

59.4
35.1

Fe2O3

蒸気発生器（SG）鉄形態の比較
SG鉄形態の比較
00000

080%

５ｐｐｂ

ＳＧへＢ
Ｂ１

27.7

40% 51.3

17.9

Ｂ２

ＦＷＢＰ

60%0%

Ｓ （ＥＣＰ）

S DeaO

10ｐｐｂ

27.3

9.6

20%35.24.710.359

ﾍﾏﾀｲﾄ
Lo-AVT

γ-FeOOH

Ａ２脱気器

ﾏｸﾞﾈﾀｲﾄ 56含有率（％）

4280%

418.6

27.6

20.580%

21.7

77.8

05.6
3.24.6

6.6

60%
40%

11.4

21.7

100%

含有率（％）含有率（％）

80%15.6

高圧給水加熱器出口鉄形態の比較
ＨＰＨ出口鉄形態の比較

高圧給水加熱器入口鉄形態の比較
ＨＰＨ入口鉄形態の比較 0100%

含有率（％）

100%

60%

100

100

10040%

ＨＰＨ

・酸素注入（OWC)によりヘマタイト（Fe2O3）が増加→ 酸素注入によるヘマタイト化を形態からも把握

20%
0%

Fe2O3000

Lo-AVT

Hi-AVT

酸素注入
OWC

Fe3O4

α-FeOOH

γ-FeOOH・酸素注入時もSGは全てマグネタイト（Fe3O4）→SG内は還元性が維持（酸素の持込み無し）
The Japan Atomic Power Co.

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「水化学部会」 第5回定例研究会 2008.10/20

PWRにおける低濃度酸素処理のまとめ
・High-AVT＋微量酸素注入というPWR二次系FAC抑制コンセプトを構築
・実機試験により，高圧給水加熱器内で酸素が消費され，5ppb以下の給水酸素濃度では、SGに酸素を持ち込まない制御が可能であることを実証・ラボ試験と同様に2ppb程度の僅かな酸素濃度で，炭素鋼のECPがヘマタイト域まで上昇し，FAC抑制効果が実機でも得られることが期待できる。
・ヒドラジン共存下での低濃度の酸素測定にはECP計が有効

High-AVT条件下での微量酸素注入という，二相流系を含めた二次系全体の腐食を抑制しつつ，給復水系炭素鋼配管の減肉抑制策が実機で成立することを実証
The Japan Atomic Power Co.

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