―― 解

説 ――

317

INSS JOURNAL,Vol.17(2010),pp317-330

福井地域を基盤とした近畿圏連携による高経年化対策強化基盤整備事業の実施報告(平成 21 年度)
The Research Project on Technical Information Basis for Aging Managementin Fukui and Kinki Area (3rd Report)
藤村

公也（Kimiya Fujimura)＊ 1

渡海親衛（Chikae Watarumi)＊ 2

藤堂二彦（Tsugihiko Toudou)＊ 1

要約 高経年化対策強化基盤整備事業は，経済産業省原子力安全・保安院により，我が国の原子力発電所における高経年化対策に資するため，国内実用原子力発電プラントの高経年化に関する技術
情報基盤整備を行うことを目的として，平成 18 年度に開始され現在に至っている．
具体的研究課題は，高経年化対応の安全研究ロードマップの一部を担うことを念頭に，加圧水型
軽水炉を中心として 15 基の原子力発電設備が立地し，地域内及び近隣の近畿圏に多くの原子力関係の研究機関や大学を有する福井地域の特徴，および各組織の研究・事業実績をもとにその専門性を十分生かせるものとして，下記の 4 つの分野から選定されている．
1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に関する研究
2）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価に関する研究
3）溶接補修技術に関する研究
4）主要構築物の劣化に関する研究研究の推進にあたって，原子力安全システム研究所（以下「INSS」という）技術システム研究所
は，福井地域を基盤とした近畿圏連携（以下「福井クラスタ」）による研究の実施母体として，域内の大学，研究機関，電気事業及びメーカと協力して福井地域高経年化事業コンソーシアムを立ち上げ，その中心として研究の受注，円滑な実施，および報告書の取り纏め業務といった総合的立場での役割を担ってきた．
平成 21 年度の福井クラスタの事業で実施した研究は，上記の 4 分野別に示せば，配管減肉関連で4 件，検査技術関連で 3 件，補修溶接および主要構築物について各 1 件，計 9 件である．いずれの研究も円滑に実施され，所期の成果を達成することができた．
キーワード

原子力発電プラント，高経年化，配管減肉，検査技術，溶接金属，コンクリート

Abstract
The Research Project on Technical Information Basis for Aging Management was
initiated in FY2006 by the Nuclear and Industrial Safety Agency (NISA) of the Ministry of
Economy, Trade and Industry (METI), to promote aging management of domestic nuclear power
plants. Its main objective was to improve the technical basis on which aging nuclear power plants
are regulated.
Upon taking part in the R&D Roadmaps for Aging Management and Safe Long Term Operation,
the experiences and achievements of the participating organizations were taken into account and thefollowing four topics were chosen. The regional characteristics of the Fukui and Kinki area where 15
nuclear power plants, mainly PWRs, and many nuclear related research institutes and universities
are located, were also considered.
1) The improvement of pipe thinning management in nuclear power plants
2) The development of inspection techniques to monitor the initiation and propagation of defects
3) The development of a guideline for evaluating weld repair methods
4) The development of a guideline for evaluating the degradation of main structures
To promote this research project, INSS has established a regional consortium (called the ,Fukui
Regional Cluster- in coordination with universities, research institutes, electric utilities andvenders in the Fukui and Kinki area. INSS is acting as a coordinator to make contracts, facilitate
execution, and compile annual reports.
In FY2009, 11 research subjects were proposed for this project and all were accepted. Of these, 4subjects were related to the first topic (pipe thinning), 3 subjects to the second topic (inspection＊1＊2(株)原子力安全システム研究所(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所
技術システム研究所

客員研究員

318

technique) and 1 subject to each of the other two topics (weld repair & main structures). All thesubjects have been completed, fulfilling the requirements and expectations.
Keywords

1.

nuclear power plant, plant aging, pipe thinning, inspection technique, weld metal, concrete

序言2.

高経年化対策強化基盤整備事業は，経済産業省原
子力安全・保安院（以下「NISA」という）により，事業の全体概要
原子力安全・保安院より示された平成 21 年度テー

マ 4 件を，その目的とともに示す．

我が国の原子力発電所における高経年化対策に資す①技術情報の基盤整備等：高経年化対策強化基盤るため，国内実用原子力発電プラントの高経年化に整備事業全体を総合的・俯瞰的に捉え，本事業関する技術情報基盤整備を行うことを目的として，で実施してきた成果を踏まえつつ，本事業の中

平成 18 年度より開始された．事業の企画・推進に当で産学官が有する知見，施設等を効果的に活用っては，より広くかつ深い知識経験に基づくことがして実施する研究成果に基づき，新検査制度に重要との考え方から，原子力関連の産・学・官の研おける高経年化対策のための技術情報の整備を究組織の地域連携が基本となっている．そのため，図る．

INSS が福井県と近畿圏の連携の中核として福井地②健全性評価の妥当性確認手法の確立等：原子力

域高経年化事業コンソーシアム（略称：福井クラス

発電設備の経年劣化対策を科学的・合理的に行タ）を立ち上げ，研究の受注，円滑な実施，およびうため，原子炉圧力容器鋼に係る脆化予測，ケ

報告書の取り纏め業務といった総合的立場での役割

ーブルの劣化挙動予測のより定量的な評価や監を担ってきている．これらのことは，本誌過年度報

視・診断法の適用性および，炉内構造物およびで紹介したとおりである(1)(2)．本報告では，これに配管における応力腐食割れに関する健全性評価

引き続き，平成 21 年度事業の成果とともに研究の企手法の妥当性を判断するための技術的基盤の整画・推進に当っての INSS の活動の概要を紹介する．

備を図る．
③経年劣化事象の解明等：高経年化が進行しつつあるプラントの寿命予測精度を向上させ，その原子力 安全・保安院
委託
設置・運営
東日本クラスタ
クラスタ内
検討委員会

（統括：三菱総合研究所）

東北･北海道クラスタ（統括：インテリジェント・コスモス研究機構）

クラスタ内
検討委員会

総括検討会

原子力安全基盤機構
・原子力システム安全部
高経年化対策グループ等

個別討論会
・技術情報基盤・SCC・減肉配管（耐震）・コンクリート劣化・照射脆化・ケーブル劣化・検査・補修技術

技術情報調整委員会
・安全研究 WG
・情報基盤 WG
・国際協力 WG

茨城クラスタ（統括：日本原子力研究開発機構）

クラスタ内
検討委員会

国際ワークショップ

国内シンポジウム学協会
・日本原子力学会
・日本機械学会
・日本電気協会

福井クラスタ（統括：原子力安全システム研究所）

クラスタ内
検討委員会

国際シンポジウム
その他

参画・協力
国内 原子力研究機関・原子力産業界

図1

高経年化対策強化基盤整備事業の実施体制

日本原子力技術協会

319

科学的合理性を担保するため，劣化メカニズムては，①の東日本クラスタが所管する総括検討会おに着目し，実験的手法および解析的手法によりよび個別検討会を中心に行われる．これらを含めた，劣化現象の解明等を行う．

本事業全体の実施体制概要は図 1 に示すとおりであ④経年劣化事象の進展予測・評価手法の確立等：

る．

原子力発電設備の経年劣化対策を科学的・合理的に行うため，最新の知見を加味し，経年劣化

3.

研究課題と実施体制

事象の進展予測並びに評価手法の高精度化や検福井クラスタの平成 21 年度受託研究テーマは「経査技術，補修技術の妥当性評価手法の確立等を

年劣化事象の進展予測・評価手法の確立等」である．

図る．
これらのうち，INSS が福井クラスタ代表として

具体的研究内容の提案に当っては，高経年化対応の受注したテーマが④である．その具体的研究内容に

安全研究ロードマップの一部を担うことを念頭に，ついては次節に紹介する．他のテーマはそれぞれ，

福井クラスタ構成メンバーの研究・事業実績をもと①三菱総合研究所（東日本クラスタ），②（特）日本に，その専門性を十分生かすことを考慮し，表 1 に原子力研究開発機構（茨城クラスタ），③（株）イン

示す形で，下記の 4 分野について，合計 11 件の研究

テリジェント・コスモス研究機構（東北・北海道クを各機関への再委託の形で実施することした．いずラスタ）の取り纏めとなった．また，これらのクラれも，平成 19 年度から引き続いているものである．

スタ相互間の情報の共有や研究内容の調整等につい

1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に

表1

平成 21 年度研究課題と実施担当
担当＊

研究課題
分野
1)
原子力発電プラントの配管
減肉管理の高度化に関する
研究

課題

個別課題

(1)配管減肉予測・評価法の精度向上(2)液滴衝撃エロージョンに対応した配管減肉評価法の構築(3)減肉配管の破壊モード評価法の高度化

機関

取纏め者

名古屋大
大学院
福井大
大学院
福井大
大学院

辻

(4)配管減肉の定量評 a. ガイド波による広域モニタリング手法の 徳島大価法の有効性検証
検証大学院2) 劣 化 発 生・
進展状況把握のための検査技術評価に関する研究

b. ガイド波検査シミュレータの構築および配管減肉サイジングの高度化(1) 高調波によるニッケル基合金溶接部 SCC の評価と画像化に関する
研究

義之
准教授
服部修次
教授
飯井俊行
教授
西野秀郎
准教授

神戸大
小島史男
大学院
教授
超音波
川嶋紘一郎
材料診断
所長
研究所
(名 古 屋 工 (伊藤智啓
大大学院)
准教授)

(2) 3 次元超音波探傷法によるニッケル基合金溶接部 SCC の高精度サ 発電設備
イジング
技術検査
協会

古村一郎
研究グルー
プ長

(3) マイクロ波検出技 a. 放射線照射による経年劣化過程の解明
大阪大術を用いた高分子材
大学院
料への放射線照射に b. 経年劣化測定技術の評価精度向上
福井工大
よる経年劣化測定技
術に関する研究
3) 溶 接 補 修 技 (1)補修溶接施工条件に応じた健全性評価技術の確立，補修後溶接部の 大阪大術に関する研長期使用後における健全性評価技術の確立，および補修溶接方法の 大学院
究実機適用における施工健全性の検証

関4) 主 要 構 築 物 (1)コンクリート構造物のひび割れによる鉄筋腐食評価法の高度化に関の劣化に関す
する研究
る研究

岸本一蔵
准教授

＊

(

)は他機関研究協力者(同一機関内研究協力者は記載省略)

大阪大
大学院

修平
教授
砂川武義
准教授
西本和俊
教授

320

4.

関する研究

研究内容および成果の概要

2）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価
ここでは，各研究課題の内容および得られた成果に関する研究の概要，ならびに今後の課題を紹介する．

3）溶接補修技術に関する研究

1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に

4）主要構築物の劣化に関する研究

関する研究

研究実施者の専門性の活用と連携および事業関係者間の情報の共有化を図るためのクラスタ内検討委

本研究は，炭素鋼配管の減肉管理(3)(4)の充実に向員会の設置，運営を含む，福井クラスタ内の事業活

けての既存技術の応用や新技術の適用の進展に備え，動の全体像を図 2 に示す．なお，図 1 に示す総括検

減肉予測・評価法の精度向上，減肉配管の破壊モー討会および個別検討会や他クラスタの検討委員会へド評価法の高度化および減肉配管の検査技術の高度も積極的に参加協力した．

化等について，測定等により基礎情報を収集し，得また，福井クラスタ事業を締め括る事業成果報告

られた成果を踏まえ，減肉による配管破断リスクを書の作成に当っては，その前提となる各研究担当者考慮した保全を可能にするための技術を整備するこからの報告書について，研究内容の確認とともに当とを目的とするものである．このために以下の 4 つ

初事業計画との整合性を吟味・確認し，研究成果に研究が実施された．

対する事業統括者としての見方を反映するよう努力①

配管減肉予測・評価法の精度向上
流 動 加 速 腐 食（Flow Accelerated Corrosion：

した．

FAC）に着目し，剥離，再付着，旋回等を伴う流ཋᏄງᏭධ䝿ಕᏭ㝌ཋᏄງⓆ㞹᳠ᰕㄚཋᏄງᏭධ䡮䡯䡵䢃◂✪ᡜ
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図2

福井クラスタでの高経年化対策強化基盤整備事業活動の全体像

321

0.5

Re=25000(⨶ὶ 3 ྒᶭ┞ᙔ)⨶ὶ㻥⣌⫏ཉᖲᆍೋ

0.4

Re 55000∸㈹ఎ㐡౿ᩐ

0.3

5
Re 45000＝0.20DRe 35000

m2/s2ิ᭿⫏ཉ䟺㻔㻓㼐㼐䟻

0

図3

1
2
3
࢛ࣛࣆ࢔ࢪ࠾ࡼࡡ㊝㞫 㸝x/D㸞

＝0.14Dmm

Re 25000

0.2

10限界電流の流れ方向分布に対するレイノルズ数の影響＝0.10D

0.1＝0.04D
0

0

1

2

3

࢛ࣛࣆ࢔ࢪ࠾ࡼࡡ㊝㞫 㸝x/D㸞

図4

限界電流の流れ方向分布に対するオリフィス開口比(y)の影響れ場を対象として，104 オーダーのレイノルズ数（水流）衝撃試験，回転円盤試験，および液滴衝撃における常温流動実験によりオリフィス下流の流試験を実施し，次のようなことが明らかになった．

速分布と乱流エネルギー分布を測定するとともに，

すなわち，S15C 酸化皮膜材および STPA24 酸化物質伝達係数（限界電流に比例）の流れ方向分布

皮膜材の液体（水流）衝撃試験による剥離強度のを測定した．その結果，物質伝達係数の流れ方向

流速依存性調査では，酸化皮膜は流速 100m/s で分布はレイノルズ数によらず相似であること（図も容易に剥離することを見出し（図 5），酸化皮膜3），流れ方向の乱流エネルギー分布と流れ方向のが母材の LDI エロージョンの防止や抑制には寄与

物質伝達係数の分布とが相似であること（図 4）

しないとの見通しを得た．また，回転円盤試験装が明らかになった．また，オリフィス開口比によ置を用いたエロージョン試験のデータをもとに，って，下流での物質伝達係数の大きさならびにそ

液滴径の影響を考慮した液滴 1 個あたりの体積減れが最大となる位置に大きな違いがあり，Kast-

少量予測評価式を導出した．これによれば，液滴

ner 式の幾何形状係数のような一定値では扱えな

1 個あたりの液滴エロージョンによる体積減少量

いことも確認した．さらに，オリフィスを対象とは図 6 に示すように液滴径の約 5 乗に比例して増して LES（Large Eddy Simulation) (5) を用いた数加する．なお，最終目標である，配管素材，液滴

値計算を行い，偏心流れや表面粗さが乱流エネルの流速，衝突粒子径や衝突角度を考慮した，液滴ギー分布に大きく影響し，ひいては物質伝達係数

衝撃エロージョンに対応した配管減肉評価法を構に影響することを確認した．今後は，これらの成築するためには，各種の酸化皮膜を用いた剥離強果をもとに，実機特有の現象である壁面の粗さお度の流速依存性の検討，試験片に衝突する液滴のよび旋回流を考慮した実験・解析による局所の流大きさと流速の測定に基づく実験データの高精度動パラメータと局所の物質伝達との関係の解明，化，さらにはエロージョンに及ぼす衝突角度の影

多次元流動解析コードによる減肉評価に不可欠な響に関する検討結果が必要である．

データベースの構築，さらには半経験ベースではあるが配管減肉の評価に必要な保守的物質伝達係数評価式の導出を行うこととしている．
②

液滴衝撃エロージョン（LDI）に対応した配管減肉評価法の構築③

減肉配管の破壊モード評価法の高度化
破壊モードと強度を念頭に置いて，平面状欠陥（溝状欠陥）と非平面状欠陥（減肉）との境界条件を明確にし，破壊モードによらず適用可能な限界
曲げ荷重評価式を確立することを目的として，こLDI の損傷過程について，メカニズムを考慮しれまでの研究を踏まえ，考えられるすべての欠陥て減肉量の定量的な基礎データを取得することをタイプ（軸方向き裂，軸方向減肉，正方形減肉，目的として，軟質材料である Al および炭素鋼配周方向き裂，周方向減肉）を包絡するような減肉

管材料 STPG370 相当である S15C，配管用合金鋼

寸法を与えた直管の試験体について，内圧破壊実である STPA24 について，腐食性を考慮した液体

験および数値解析による検証を行い，その結果を

322

Volume loss per particle m3

1.E-12

a. 試験開始前

1.E-13
1.E-14
1.E-15
1.E-16
1.E-17

5.06

1.E-18
1.E-19
1.E-201.E-21
1.E-22b. １時間後

10

100

1000

10000

Diameter of droplet µm―流速 100m/s―
図 5 酸化被膜水流衝撃剥離試験 SEM 観察写真例（STPA24，水中被膜［脱気水，150℃，100 時間］）

図6

液滴 1 個当たりの体積減少量の液滴径依存性

もとに破裂内圧評価式および限界曲げ荷重評価式

している．これらの成果をもとに，直管に対しての検討を行った．これにより，破裂内圧評価式に提案した減肉形状評価基準の数値解析による補強，

ついて，既存の軸方向に長いき裂の破裂内圧評価

エルボ管に対する実験および数値解析による検証，式（たとえば Kiefner の式 (6)）の適用限界を明ら

さらにはエルボに対する減肉形状分類基準および

かにすることができ，減肉欠陥の形状的な分類基

破壊モードを考慮した局部減肉破壊評価式の検討

準を明確にして（図 7），すべての減肉欠陥に精度も行い，これまでの成果と合わせて，合理的な減よく適用できる（図 8）新しい破裂内圧評価式を

肉評価指針の実現に向けての情報として取りまと提案することができた．また，減肉直管の内圧＋めることとしている．

曲げ荷重下での限界曲げ荷重評価についても，同④

配管減肉の定量評価法の有効性検証

様に，周方向に長いき裂の限界曲げ荷重に対する本研究のサブテーマは，超音波ガイド波 (8)によ

既存の評価式（たとえば Kanninen の式 (7)）の適る広域モニタリング手法の検証ならびにガイド波用限界と減肉欠陥の形状による分類基準を明確に検査シミュレータの構築および減肉配管サイジン

し，全ての減肉欠陥に適用できる新限界曲げ荷重

グの高度化の 2 つである．まず，ガイド波による評価式の提案の前段として，周方向き裂と周方向

広域モニタリング手法の検証では，溶接線やエルに長い減肉に対する限界曲げ荷重評価式を提案し

ボ近傍に減肉が発生した場合を想定し，日本機械

た．いずれの評価式も，日本では必要最小肉厚管学会技術規格 (4) 記載の通常検査部位 10 箇所に漸理を行っていることを念頭に置き，最も薄い部分

増減肉欠陥を導入した試験体を用いた探傷試験にの肉厚に対する基準強度に形状関数を乗じる形とより，エルボ部や溶接線近傍においても良好に検

t1/t = 0.5
D

M

1.4

145

1.3
1.2

t

p

t1

1

M

1.1

6.7

60

120

360

内圧下破壊モードマップと欠陥分類基準例（配管サイズ 100A の場合）

0.167
0.333

pf /pFU

0.9
0.75

50

図7

0.003
0.019

1.1

100

50.75

100.75150.75pf 㸯◒⿛හᅸᐁ㥺ೋpfU㸯◒⿛හᅸビ౮ೋ㸝᩺ᥞ᱄ᘟ㸞pfK㸯◒⿛හᅸビ౮ೋ㸝Kiefner ࡡᘟ㸞

図8

破裂内圧評価式の精度比較

323

査可能であること，特にエルボ背側では，図 9 に上のための検査法改良検討（図 10），常時定点監

示すようにガイド波エネルギーの集中により直管視を想定した EMAT による周方向減肉寸法計測部よりも高い検出感度を有していることを確認しに関するシミュレーションのモデリングと精度検た．また，FAC を視野に，薄く広く成長した減肉

証実験，および EMAT による寸法計測の精度確について，模擬減肉を付与した配管での検出性確認を行い，さらに関西電力火力センターの協力の認試験とモデル計算との比較を実施し，両者の良下，実機プラントでの実地検査実験により，既存

好な一致を確認できた．これにより，任意の形状の超音波探傷法による配管検査と同等の精度で測の薄肉減肉に対する検出感度が，解析により推定定できることを確認した．また，解析コードを用できる見通しを得た．また，内部に存在する減肉

いた減肉進展予測に基づき，FAC や LDI に対応を非常に高感度で検出できる方法として，本事業した減肉監視のための最適なセンサの個数と配置で提案し，直管に対する有効性が確認されている，を選定する際の考え方について検討し，EMAT に

多重反射エネルギー閉じ込め（MGET）法についよる運転中モニタリングへの適用を前提とした配て，エルボ下流に設置した減肉の検出感度が従来

管減肉進展予測コード整備の必要性等新たな技術のガイド波法に比べ 1.7 倍程度向上すること，ま

課題を確認した．なお，ガイド波と EMAT の統

た複数の減肉が存在する場合，各減肉の管軸方向合化については，全周減肉および部分減肉を施し位置の特定は困難になるものの，減肉の存在を検た炭素鋼配管の直管および溶接部を含むエルボ管

知することは可能であり，合計した断面欠損率にでの計測実験により，その有効性を検証する必要

該当する信号の変化をとらえることができることがあることも明らかになった．今後は，これらのを確認した．さらに，関西電力火力センターの協技術課題について研究を進め，ガイド波による力の下で実施した実機プラントでの検証実験や，中・広域監視と EMAT の運転中複数定点観測に東京電力から提供された FAC 減肉配管の計測をよる高度な配管減肉管理の確立を目指すこととし通して，今後の改良検討のための有益なデータをている．

得た．今後は，これらの成果を踏まえ，本手法の2）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価に実機適用をより確実なものとするため，エルボ管関する研究の減肉部位全体での検出感度の詳細評価，電磁超原子力発電所の容器や配管に用いられているニッ

音 波 探 触 子（Electro Magnetic Acoustic Trans-

ケル基合金やステンレス鋼溶接部に発生し得る応力

ducer：EMAT）狭域計測法と連携した傾向監視

腐 食 割 れ（Stress Corrosion Cracking：SCC）を 極手法の提案等の改善検討を行うこととしている．

めて高感度，高精度で検出，サイジングできるよう

ガイド波検査シミュレータの構築および減肉配管

意図した非破壊検査技術の妥当性評価に関する 2 件

サイジングの高度化に関しては，超音波ガイド波と，原子炉格納容器内で用いられている安全系ケーによる広域監視と EMAT による定点常時監視を

ブル絶縁材のプラントの高経年化により進展する絶組み合わせた検査法について，シミュレータを用

縁性の劣化を高感度，高精度で測定するよう意図しいた超音波ガイド波による配管減肉検出精度の向た診断技術の妥当性検証に関する 1 件の，計 3 つの


䐖 䐗 䐘

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

100

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38

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64

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図9

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エルボ部周辺における探傷試験験結果（例）Ḗ㝏᳠ฝវᗐ㸝mV/%㸞
21.1
21.4
17.0
16.3
38.2
35.2
19.6
24.1
12.3
3.2

324

>ࢢ࣭ࢪ㸦@>ࢢ࣭ࢪ㸧@ͤ ΅⫏న⨠࡛ࡢ୕ᅒࡡ΅⫏ᕞ❻న⨠࡚࠵ࡾࠊ

図 10

FAC 減肉位置推定法のシミュレーションによる開発と実測検証例

研究を行った．

の SCC の画像化およびサイジングが可能であるこ①

高調波を用いた高散乱ニッケル基合金溶接部粒とを確認した（図 11）．水浸法についても，焦点界型応力腐食割れ（IGSCC）の非破壊評価法に関

探触子縦波垂直入射・焦点探触子斜角受信法で一する研究部の SCC の画像化が可能であること，また単独の本研究では，実機異種材料継手部模擬試験体の焦点探触子を用いる場合でも，SCC 反対面からのバタリング部と突合せ溶接部に導入した SCC を対適切な角度での縦波斜角入射・背面散乱高調波受象とした高調波を用いた IGSCC の画像化およびサ信を行うことにより深い SCC の画像化が可能であ

イジング性能の検証と，波動伝播数値シミュレー

ること，SCC 面からの適切な角度での縦波斜角入ションを用いた粗大結晶材料中の SCC からの高調

射・背面散乱高調波受信によりほとんどの SCC の波散乱伝播特性の解明と，これに基づくフェーズ

画像化が可能であり，これによるサイジング精度

ドアレイに代わる簡易複数探触子を用いたき裂検もさらなる検討が必要ではあるが概ね良好との見出法の検討を行った．その結果，画像化とサイジ通しを得た（表 1）．数値シミュレーションによるング性能の検証では，焦点探触子波縦波垂直入高調波散乱特性の解明と複数探触子を用いたき裂

射・フェーズドアレイ探触子受信法においてバン検出法の検討に関しては，密着き裂部先端におけ

ドパスフィルターを適用すれば，接触法ですべてる散乱波高調波の伝播特性を解析し，前方散乱波表1方法⁈᥃㒂 ᑚ SCC῕䛛 4.3mm

୯ 4.8mm

ኬ
7.8mm
3ḗ㧏ㄢἴ(7.5MHz)

䠌㏞ಘ䠌2.5MHz
4䜹䜨䜳䝯
ུಘ30CH.
䝔䝷䝍䝕䜽䝙䜧
䝯䝃 5䟿䠉䠀䠇
MHz
0

図 11

10MHz

0

焦点探触子波縦波垂直入射・フェーズド
アレイ探触子受信法での画像化(突合せ溶接部の例)

突合溶接部(単位 mm)バタリング部

小

中

大

小

中

大

4

5

8

6

9

9

−

5

9

3

6

7.5

−

7

9

3

6

7.5

パルス波

3

4

7

−

4

−

切断面実測

未

未

6.4

未

4.6

未

加工時
計画

3

5

10

3

5

10

フェイズド
アレイ
外面
水
浸
入力
高
SCC
側
調
波
入力

⿤㟻

SCC 深さ測定結果の比較

10MHz

325

と後方散乱波が強度，方向性ともほぼ同様な伝播

陥の検出性および深さサイジング精度の超音波入特性を示すことが分かり，両者はともにき裂検出

射方向依存性に着目した探傷試験データの収集・に利用できることが明らかになった．また，高調評価を行った．その結果，長さサイジングに関し

波受信波形の包絡線をもとに開口合成法により求ては，少なく見積もっても真正面から 25°程度まめた再構成波形を用いて欠陥部位を画像化する手で異なった方向からでも，± 1mm 程度の正しい法の成立性を数値解析により確認し，実験により長さサイジングが可能であり（図 12），深さサイ検証した．以上のことから，大振幅バースト波をジングに関しては，真正面から 60°程度まで外れ用いた，フェーズドアレイによる高周波画像化法

た方向からでも± 1mm 程度の正しい深さサイジ

および水浸高調波画像化により，ニッケル基合金

ングが可能であることが分かった．また，高温継を用いた異種材料溶接部の高散乱粗大結晶粒領域

続（定点）モニタリングや比較的短時間での高温に発生した SCC を検出・確認できることが判明し

探傷への本方法の適用性・実現性検証のため探触た．しかし，実機適用に向けては，バタリング部

子シューなどの部品レベルでの基礎試験を行い，からのノイズによる長さおよび深さの過大評価傾

冷却機能付高温用シューを用いた探傷は比較的短向，縦波に対するバタリング部と突合せ溶接部と時間に限られるとの見通しを，高温用マトリックの減衰の差に対する補正，さらにはバタリング部

スアレイ探触子については試作探触子の前面の遅と突合せ溶接部の双方にまたがる SCC のサイジン

延材を十分に厚い材料とすることで良好な探傷画

グ精度の検討等が必要であること等，今後の課題像が得られる見通しを得た．以上の成果を踏まえも明らかになった．

た本方法の実機適用に向けた今後の課題としては，② 3 次元超音波探傷法によるニッケル基合金溶接

実際の SCC を持つ試験体での検証と改良型の高温部 SCC の高精度サイジング

用マトリックスアレイ探触子の作製・検証である．

本研究では，3 次元超音波探傷法の特徴を生か③

マイクロ波検出技術 (9)を用いた高分子材料へのし，探傷不可能範囲を減少させる技術としての有放射線照射による経年劣化測定技術に関する研究

効性検証のため，ノズルセーフエンド異材継手部

本研究では，改良型マイクロ波誘電吸収測定装のように，現行の超音波探傷試験では探触子走査置（空洞共振器）を用いたケーブル絶縁材の経年の障害となる場合の SCC 探傷を想定し，放電加工

劣化測定技術の精度向上と，その基本である測定（EMD）により模擬欠陥（欠陥開口部長さ 25mmに係るケーブルの経年劣化過程の解明を行っていと 15mm，欠 陥 深 さ 22.5mm，15mm，7.5mm）

る．経年劣化測定技術の精度向上に関しては，ポを付与した試験体に対する探傷試験を実施し，欠リエチレンを主体とした平成 20 年度の研究に引き㺡㺴㺰㺅㺡㺳㛜ཾ㒂㸝㉝⥲㸞࡛Ḗ㝏࡛ࡡన⨠㛭౿㻖㻓㻨㻧㻰῕䛛ῼᏽೋ㻃㻋㼐㼐㻌

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a.
図 12

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画像および深さ測定値の角度依存性（開口部長さ 15mm，深さ 15mm の人工欠陥先端部の例）

326

続 き，EP ゴ ム を 主 体 と し て 種々 の 劣 化 供 試 体（0.05wt％）以上の成分を 12 種見い出し，このう（導体を含まない）に対する測定実験を実施し，Xち同定に至った着色色素 4 種を含む 7 種について，

バンド（9GHz）および K バンド（23GHz）のピ酸化反応に伴うマイクロ波共振周波数シフトの挙ンホール型空洞共振器による容易かつ高精度の測動を確認したところ，いずれも劣化進行メカニズ

定手法を確立した．また，より高感度での測定をムに深く関与する化学種ではないことが判明した．

可能とする Q バンド（43GHz）ピンホール型空洞以上のことから，シリコンゴムの場合の共振周波共振器についても所期の性能を持つことを確認し

数シフトと高分子劣化の相関性は，平成 20 年度にた（図 13，図 14）．また未劣化の実機ケーブルに確認したポリエチレン（PE）の場合と同様，高分対する試用，JAEA 原子炉廃止措置研究センター

子材料内添加物の漏出・化学変化に強く関連して（ふげん）および関西電力火力センターの協力の下いると判断でき，マイクロ波による高分子材料劣でそれぞれの実機プラントでのケーブル敷設・使化の診断が，酸化防止剤漏出に伴う高分子劣化の用状況や測定環境の調査を行った．その結果，実早期診断（予防診断）技術となる可能性が一層高機適用に向けては，測定法の適正化と狭隘な場所

まったと考えられる．なお，シリコンゴム中の劣での使用を想定した，装置の小型軽量化が重要な

化促進化学種（マイクロ波による検出ターゲット）

課題であることを確認した．今後はこれらの成果については，メーカ機密の壁と作業の技術的困難を踏まえ，実機適用可能な装置を製作し，実機デさもあり，未だ同定には至っていない．この点は，ータの収集実績を積むとともに，種々の劣化試料

マイクロ波誘電吸収に影響を与える劣化機構を確に対する測定を通して本装置の劣化測定検証デー

定し，マイクロ波誘電吸収とケーブル劣化との相タの更なる充実を図ることとしている．また，経関の定量化，さらには保全のベースとなる劣化予

年劣化過程の解明に関わる検討では，高分子材料

測法等の検討を進める上で，今後の重要な課題で劣化と化学構造変化の定量的相関や劣化予測診断あり，その解決に向けて研究を継続し，本測定技の信頼性に影響を与える実材料での可塑剤等添加

術の測定精度および信頼性の向上を図り，実用化物の影響の定量化について検討した．その結果，の基礎を固める方針である．

脱水素反応促進添加物系においてシリコンゴムの

3）溶接補修技術に関する研究母材となるポリシロキサンのみでは，時間相関測本研究は，690 合金と SUS316L 鋼の異材補修溶接

定・化学反応速度論的評価のいずれからも，有効に関するもので，その課題は，大きく分けて，補な相関関係は見い出されず，実際のポリシロキサ

修溶接施工条件に応じた健全性評価，補修溶接部

ン系ゴム材料で観測された共振周波数シフトの要の再供用における信頼性評価，および補修溶接の因が，ポリシロキサン骨格そのもの,以外-に起実機適用における施工健全性および再供用信頼性

因する可能性がきわめて高いと考えられること，の検証の 3 つである．

シリコンゴム高分子内添加物の分析を行い，9 種の実際のシリコンゴム被覆材において，重量比

㻖㻓㻓①

補修溶接施工条件に応じた健全性評価
本項の実施項目は， 材料学的観点からの補修溶

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䝢䜨䜳䝱ἴ࿔ἴᩐ㻃㻋㻪㻫㼝㻌

図 13

ピンホール型空洞共振器の性能比較

図 14 Q バンドピンホール型空洞共振器での測定結果（難燃 EP ゴムケーブル・導体あり）

327

接健全性技術指針の検討，および 力学的観点か

数回 DTR 温度域を通過し，DTR 中の加熱過程ではらの補修溶接健全性技術指針の検討の 2 つである．

圧縮の塑性ひずみが付与され，冷却過程では引張の

材料学的観点からの補修溶接健全性技術指針の検討

塑性ひずみが付与されることや施工条件の点からは入熱量が小さく溶接速度が速い場合に DTR 塑性ひ高速度カメラを用いた溶接割れのその場観察を実

ずみが低減されること，また DTR 温度域の点から施し，割れ発生に至る局所ひずみおよび温度条件なは，100℃の場合は 400℃の場合に比べ大幅に低減さどの影響を定量的に明らかにした．また，これまでれることが明らかになった．なお，比較のためレーの成果を踏まえ，材料組成や希釈（施工条件）によ

ザ溶接についても同様な手法で予備的検討を行い，る多層盛溶接金属の組成変化や不純物のコンタミを

冷却時の塑性ひずみの方向が，入熱量が大きい TIG考慮した溶接割れ感受性について，系統的な試験・溶接では引張であるのに対し，入熱が小さいレーザ評価を実施し，溶接健全性を確保するための不純物

溶接では圧縮となり，かつ値も非常に小さくなると元素（P，S）や微量元素（Ce）の含有量，溶接施工の結果が得られた．このことは，レーザ溶接では施条件（希釈率）範囲の規制基準を明確にした．具体

工裕度が TIG 溶接に比べて大きくなる可能性を示唆

的には，Ce 添加材を用いた多層盛溶接試験により，しており，今後より詳細な検討により確認する必要

割れ発生防止のための溶接金属中の P および S 量にがあると考えている．

対する適正 Ce 量は，これらの原子比が 0.22＜Ce/②

補修溶接部の再供用における信頼性評価（P ＋ S)＜1.1 の範囲であることを明確にした（図補修溶接後再使用時の信頼性担保ならびに信頼性15）．さらに，これに基づき算出した適性 Ce 添加量評価の基礎検討として，600 合金，690 合金および超の溶加材を用いて多層盛溶接試験を行い，溶接金属

高純度 690 合金，またこれらの溶接材について，中での割れが全く認められないことを確認した．さPWR 環境を模擬した最高 360℃の水素雰囲気の高温らに，延性低下温度域（DTR）と粒界濃度の関係お高圧水中での低ひずみ速度試験（SSRT）法により，よび多層盛溶接における熱弾塑性解析によって，レ

応力腐食割れの発生の金属組織学的特徴ならびに表

ーザ多層肉盛溶接における延性低下割れ発生を予測

面 状 況 を 解 析 し た．そ の 結 果，600 合 金 に 対 し てする手法で基礎的検討を行い，P および S 量の多い

IGSCC 発生の感受性が著しく高まることが確認され溶加材はアーク溶接のみならずレーザ溶接においてている特殊表面研磨を施した 690 合金および超高純も延性低下割れが発生するが，高純度溶加材では極度 690EHP 合金では，いずれも IGSCC の発生は観端に速い溶接速度を除き，レーザ溶接においても延察されなかった．一方，溶接材については，600 合性低下割れが発生しないと予測される結果を得た．

金 で は 溶 接 金 属，熱 影 響 部 と も に 母 材 と 同 様 にまた，スポットバレストレイン試験をその場観察す

IGSCC が 発 生 し た が，690 合 金 お よ び 超 高 純 度ることにより，DTR の割れ発生限界を求めることが690EHP 合金では IGSCC の発生はなかった．さら

可能であり，ミクロ割れ感受性に対する詳細な材料に，溶接割れ対策として導入された Ce 入り 690 合

学的評価が可能であるとの見通しを得た．

金溶接材についても IGSCC の発生は見られなかっ

た．また，X 線回折残留応力測定システムを主に用

力学的観点からの補修溶接健全性技術指針の検討いて得られたミクロ残留応力分布の周期的な特異性

反復サブストラクチャ法を用いた 3 次元熱弾塑性

と電子後方散乱回折法（EBSD）で観察された溶接解析による，690 合金の多層溶接時のマクロ的な応

金属部の平均結晶粒界間隔観察結果との対応が確認

力・ひずみの評価と実継手において観察される延性された．なお，結晶方位分布を考慮した数値解析手

低下割れの形態とを対比させることにより，割れの法として基本的な部分を構築済みのマルチスケール

駆動力の大きさを表す指標として DTR 塑性ひずみ解析法に改良検討を加え，実際の SCC 試験片でのマを定義した．この DTR 塑性ひずみについて，入熱

クロ・ミクロ応力場評価に適用可能な手法として完や溶接速度などの溶接施工条件や材料の耐割れ性を成させ，これを用いて結晶粒界近傍におけるミクロ

表す DTR 温度幅による影響について検討を行い，残留応力分布と隣接結晶粒間の方位差などの結晶異さらに DTR 塑性ひずみと限界ひずみとの差を指標

方性の関係や，高い応力値を示す部位が割れ発生位

として，溶接施工裕度の評価を行った．その結果，置に対応すること等を確認した（図 16）．今後はこTIG 溶接では，多重熱サイクルの間に溶接金属は複

れらの成果をもとに，最終目標である SCC 発生に及

328

0.06

Ce/(P+S)=0.22
Solidification crack
Ductility-dip crack

P+S content (at%)

0.05

No Crack

0.04
0.03
0.02

Ce/(P+S)䠏1.1

0.01
00.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Ce content (at%)

図 15

SUS316L 鋼多層盛溶接金属中のミクロ割れ防止
条件（Ce 含有率と P ＋ S 含有率）

(a) SSRT 試験片表面
EBSD IQ マップ(赤点は割れ発生点)
図 16(b) ミクロ残留応力
数値解析応力分布(黒点は左図赤点重書き)

SSRT 試験結果と残留応力数値解析結果の比較

ぼすミクロ残留応力特性の影響の解明を進める．

週間の促進試験期間（コンクリート試験基準は無い③

ため，メッキ耐食試験に係る JIS-H-8502 を参照し補修溶接の実機適用における施工健全性および再供用信頼性の検証た．これによると汀線環境下で 1.5 年から 4.5 年に実際の高経年化プラントを補修する際に生じる可相当）での鉄筋周りの塩化物濃度はひび割れ幅に関能性がある問題点を，国内外の損傷事例や予防保全

係なく供試体外部（ひび割れ外部）の濃度と同程度事例を参考にして抽出した．これをもとに，本研究ないし 10〜20％程度高い値を示すこと（図 17），まで検証された補修プロセスを実施工に適用した際の，た鉄筋腐食はひび割れ幅の大小によらずひび割れ近施工健全性とその後の供用中の信頼性が担保される

傍にある部位で最も進むことが分かった．一方，塩ことを検証し，さらに今後の高経年化プラントの予水噴霧試験からは，鉄筋周りの塩化物濃度はひび割

防保全・補修技術の技術情報基盤整備のための実補れ幅とほぼ比例するが，ひび割れ幅が約 0.5mm 以修溶接部の施工健全性確認モックアップ試験の実施上になれば供試体外部（ひび割れ外部）の濃度と同に向けて，試験条件を明確にした上で試験計画を立程度となること，また鉄筋腐食はひび割れ近傍にあ案した．なお，試験では，加圧器の管台異材継手部る部位で最大で塩化物濃度が大きいほど大きいことを模擬したモックアップ試験片に，本研究の対象と等を確認した．この結果を踏まえ，耐久性評価手法

している Ce 添加材と現状の 52 溶材による溶接を施の基礎となるコンクリート供試体に用いたものと同し，PT，UT，断面金相試験などを行うこととしてじ鉄筋（公称直径 22mm）を用い，鉄筋のみを腐食いる．

促進させた場合の降伏強度低下率を計測し，このデ4）主要構築物の劣化に関する研究ータをもとにひび割れのある鉄筋コンクリートを自本研究では，原子力発電所の鉄筋コンクリート構然曝露した場合の降伏強度（すなわち引張強度）低造物の耐久性評価確認のための技術基盤の整備の一下率の暫定算定式を導出した．また，平成 20 年度に環として，ひび割れの発生したコンクリートでの鉄導出した「ひび割れ内部への中性化進展予測式」の筋腐食に着目し，その進展挙動データの収集，およ

実際の建物への適用に向けての精緻化のため，ひび

びこれをもとにした腐食進展評価式の導出等，耐久

割れ内部での換気状態の数値流体力学（CFD）解析

性評価法に関する調査・検討を行っている．平成 21を行った．その結果は，0.1mm 程度のひび割れ幅で年度は，ひび割れが鉄筋位置まで達している鉄筋コ

あっても，風による換気効果により，中性化は予測

ンクリート供試体に対して，中性化の有無も考慮し式より早めに進行するというものであり，平成 20 年

た腐食促進試験および解析を行い，中性化および塩度から継続して行っている原子力発電所立地地域で分浸透に係る高経年化特性を把握するとともに，鉄の自然曝露試験の結果とも整合する．このことから，

筋腐食発生の経時的な影響も考慮した基本特性を調建屋外壁等屋外に発生するひび割れの予測評価には査した．その結果，塩水浸漬試験では，3 週間から 9

風による影響の補正が必要であることが確認できた．

329

1.8

හ㒂⃨ᗐአ㒂⃨ᗐ

1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
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図 17

ひび割れ幅と内部濃度／外部濃度との関係（塩水噴霧試験結果）

今後は，この点も含め，評価精度を高めるために必ての研究実施機関・研究者各位のご努力・ご協力に要な実験データの収集・充実を図り，自然環境下で感謝いたします．また，福井工業大学柴田俊夫教授

継続中の自然曝露試験結果も反映し，より信頼性のからは検討委員会主査として的確なご指導・ご助言

高い経年化鉄筋コンクリートの降伏強度低下率算定を頂戴しました．この場をお借りして感謝の意を表式の導出等，耐久性評価に関する基盤整備を進める

します．

こととしている．

5. 結言

文献(１) 藤村公也，渡海親衛，藤堂二彦，,福井地域を

平成 21 年度は当事業の当初目論見の 5 年計画の 4基盤とした近畿圏連携による高経年化対策強化年目であり，来期最終年度に向けて「評価指針や技基盤整備事業の実施報告-，INSS JOURNAL,

術基準の素案策定を念頭に，より実用性の高い研究Vol. 15, p. 345 (2008).

成果の達成を目指す」という本事業の最終目的を見(２) 藤村公也，渡海親衛，藤堂二彦，,福井地域を据えた，成果見通しの具体化が全クラスタ共通の大基盤とした近畿圏連携による高経年化対策強化

きな課題であった．福井クラスタにおいては，ここ

基 盤 整 備 事 業 の 実 施 報 告-（平 成 20 年 度），に報告したように，これまでにも増しての研究実施

INSS JOURNAL, Vol. 16, p. 293 (2009).

機関・研究者各位の精力的な努力，検討委員会委員(３),発電用設備規格 配管減肉管理に関する規各位のご指導・ご協力により，この課題に円滑かつ格-，JSME S CAI-2005，日本機械学会発行，

適切に対処できたと評価している．INSS としては，

丸善，2005 年 3 月

各研究実施機関の社会的役割である，人材育成，研(４),発電用原子力設備規格

加圧水型原子力発電

究意欲の増進，技術シーズ開発等にも適切に配慮し所配管減肉管理に関する技術規格-，JSME Sながら，最終年度である平成 22 年度での本事業最終

NG1-2006，日本機械学会発行，丸善，2006 年

目標の達成に向けた研究の企画・推進，さらには本

11 月

事業の次の段階に向けてのシーズの発掘・事業化計
画の具体化に努力することとしている．

(５) 梶山岳夫，,乱流数値シミュレーション-，養賢堂，2003 年 7 月(６) Kiefner JF et. al., ,Failure stress levels of

謝辞

flaws in pressurized cylinders, Progress inflaw growth and fracture toughness testing.

平成 21 年度の福井クラスタの事業の遂行にあたっPhiladelphia, America Society for Tesiting and330

Materials, 1979, pp. 461-481(７) Kanninen MF et. al., Instability predictions
for circumferentially cracked Type-304 stainless steel pipes under dynamic loading. Palo
Alto, EPRI, 1982(８),発電用火力設備規格

火力設備配管減肉管理

技術規格-，JSME S TB1-2009，日本機械学会
発行，丸善，2009 年 7 月(９) A. Saeki, S. Seki, S. Sunagawa et. al.,Philosophical Magazine 86, pp. 1261-1276,
2006