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1. 入力

2. 流動評価/配管レイアウト/上下流流動条件①質量流量評価
m＝f（形状、圧力、湿り度…）②流動場評価
液滴径

オリフィス

AB

圧力D

オリ A
フィス

熱交換器

C復水器

流速

B C D E 復水器③液滴挙動評価E

液滴径
流速1μm[m/s]2001501005003.LDI 評価

/LDIと流動の相関（相対評価）
・減肉量∝（流速）4〜5・衝撃圧力∝（流速）4〜5など/ 減肉量計算（絶対評価）
・Sanchez モデル
・Heymann モデル
・Springer モデルなど

液滴径10μm

4. 出力

計測優先度（相対評価）、減肉量（絶対評価）など

エルボ
位置計測の優先度

A

1B-C

4D

3E

2

液滴径100μm

液滴衝撃エロージョン（LDI）評価システムの概要と計測箇所の選定評価イメージ

プラント配管の減肉トラブルの根絶を目指して
─液滴衝撃エロージョン（LDI）評価システムの開発─
■ 配管減肉のメカニズムを解明■ 予測・評価ツールの開発に向けて■ プラントの稼働率・信頼性の向上を目指して● ひとこと軽水炉高経年化研究総括プロジェクト
主任研究員 森田 良

配管減肉ユニット

配管減肉のメカニズムを解明
火力発電所や原子力発電所などをはじめとする各種のプラントでは、配管の中を流れる水や蒸気によって内面の腐食や侵食※1が進み、配管の肉厚が薄くなる「減肉」と呼ばれる現象が生じます。そして最悪の場合、配管破断事故などにつながることがあります。このため、プラントを健全に保ち続けるには、こうした現象を早期に発見するための配管の保守管理が非常に重要となります。
電力中央研究所では、こうした配管減肉の発生メカニズムを解明し、その予測手法の確立に取り組むことで、配管減肉を起因とする事故の未然防止に寄与するのはもちろんのこと、配管検査の方法を最適化し、重要な部分をより効率的に保守管理できるようにすることを目指しています。

■事故防止に重要な減肉管理■二つの配管減肉現象

2004 年、福井県の美浜原子力発電所で、配以前、減肉現象は、「エロージョン・コロージョ

管内面が減肉したことによる配管破損事故が起ン」などの名前でひとまとめにして考えられてこりました。これを受け電気事業では、今後こいましたが、現在では「流れ加速型腐食：以下うした事故を二度と起こさないように、学会にFAC（Flow Accelerated Corrosion）」、「 液 滴おいて規格を策定し、プラント配管減肉の早期

衝撃エロージョン：以下 LDI（Liquid Droplet

発見とそれらの厳密な管理に取り組んでいまImpingement Erosion）」として大きく 2 種類す。しかし、１つのプラント内に膨大な数の検に分けられています。

査対象配管があり、個々の配管の余寿命評価のFAC は、配管金属の化学的な腐食が水の流際に過度に保守的に見積もっている箇所がある

れによって加速する減肉現象（図１）で、美浜ため、将来的にはより合理的な管理手法を確立

原子力発電所での原因はこの FAC であったこすることが期待されています。とが分かりました。FAC は配管の曲がり部分

このため当研究所では、配管減肉のメカニズや配管径が細くなる絞り部分など、流れに乱れム解明・減肉予測手法の確立に取り組んでいまが生じる場所に発生することが多い現象です。

す。これらを用いることで、従来よりもより合また、化学的な腐食が面的に広く発生すること理的な減肉管理が可能となり、さらに見落としから、配管が破損する際には大規模な配管損傷の少ない効率的なメンテナンス計画が策定できが生じる可能性があります。

るようになると考えられます。またそれは、こ一方 LDI は、FAC と同様に配管の曲がり部分れまで以上に事故を未然に防止できるようになや絞り部分で発生するものですが、こちらは蒸気ることにも直結します。

が流れる配管において生じます。秒速 100m 以上にもなる高速蒸気中に混ざった液滴が配管壁に衝

配管母材（炭素鋼）

材料

酸化皮膜（Fe3O4）

水質

溶解

流動

流れによる物質移動

図1 流れ加速型腐食（FAC）による減肉メカニズム

突し、その衝撃力で機械的に減肉が起こる現象です（図２）。LDI は、面的に生じる FAC より狭い範囲で局所的に発生することから、配管の大規模な損傷事象にはつながりにくい面はありますが、局所的であるがために、減肉箇所の正確な検出が難しい場合があります。
※ 1 用語解説：「エロージョン」＝物理的または機械的な作用による侵食「コロージョン」＝電気化学的作用による腐食予測・評価ツールの開発に向けて■減肉現象の解明に取組む■独自の評価手法を開発

当研究所では、実際の配管内の流動条件を模

配管内のさまざまな場所における液滴の状態を擬した実験や数値計算によって、減肉速度や減把握するために、当研究所ではまず、蒸気実験

肉量の定量的な評価を行い、進展予測や余寿命装置（図３）を用いた高速蒸気流中の液滴径の計評価に必要な減肉モデルや、それぞれの減肉現測実験と、独自に開発したプログラムによる数値象評価システムの開発を進めています。

計算を組合せた研究を行い、液滴の大きさと流二つの減肉現象に対して、影響を与える要素速などの状態量との相関式を作りました。

は解明されつつあります。そこで本稿では、以さらに、従来は液滴の挙動を 3 次元計算で下特に至近で研究が進展してきた LDI につい行っていたため、非常に長い計算時間が必要て、詳細に紹介します。

でしたが、配管内の蒸気流に対象を絞ることLDI は、配管材料も影響する要素となりますで計算方法を 1 次元計算とし、所要時間を約が、一番重要なのは、蒸気中の液滴の速度や大1/1000 と大幅に短縮することが可能になりまきさ（液滴径）などの流れの要素になります。

した。また、その結果も 3 次元計算と定量的にこのため、減肉発生個所を予測する上では、配よく一致することを見出しました。

管内のさまざまな場所における液滴の状態（流これまでに得られた液滴の状態を評価する研速・液滴径など）を把握することが必要になり究の成果や、LDI と液滴の状態との相関に関すます。

る既存の知見などを基にして、発電所などの現場でも簡便に用いることが可能な、LDI 発生箇所の予測・評価ツール（LDI 評価ツール）の開

蒸気中の高速の液滴発を最終的な目標として研究を進めています。

衝突による材料の減肉

湿り蒸気試験部
蒸気＋液滴

液滴

衝突

液滴径の計測装置

蒸気

図2

液滴衝撃エロージョン（LDI）の模式図

図3

蒸気実験装置による液滴径の計測実験

プラントの稼働率・信頼性の向上を目指して■ LDI 評価システムを構築■さらなる知見の蓄積が重要

単純な個々の配管形状における液滴の状態評

LDI 評価システムは、現在はまだプロトタイ

価に関しては、既に数値計算による評価が可能プの段階ですが、今後は入力環境の整備や局所になっています。しかし、実プラントにおける流動評価に関するデータベース化などを行い、複雑なレイアウトの配管系全体での LDI の評

近い将来、電力会社の現場で容易に使うことが価を行うためには、これまでの個々の技術・知できる実用ツールにしていく予定です。

見を組み合わせて、評価の手順・方法などを改科学的な根拠に基づく配管減肉の実用的な評めて整理し、体系だった評価システムを構築す

価方法を確立することは、管理やメンテナンスる必要があります。このため、配管系の上下端の合理化の鍵となるばかりでなく、社会から広での流動条件や、配管レイアウトの要素を加えく理解や信頼を得るためにも欠かせません。て、①流動評価（配管内の流動（液滴）の状態

当研究所ではFAC、LDIといった減肉現象それ評価）、② LDI 評価（評価対象個所での LDI にぞれに対する知見を今後もより深め、減肉トラブルよる減肉量と流速などの関連性評価）を同時にの根絶を目指すと同時に、将来的には設備の稼働自動的に行える、「LDI 評価システム」を新た率向上などにも役立てていければと考えています。に提案しました（表紙図）。

● ひとことそして、本システムで配管絞り部のあるモデルを用いた試計算を行った結果、液滴の配管に対する衝突割合の評価が、減肉の可能性を判断する
上では、流速、湿り度などと同様に重要な要素になることが、また新たにわかってきました（図４）。

液滴の軌跡：配管に衝突：配管を通過図4

液滴挙動計算による液滴衝突割合の評価

関 連報告書

配管減肉は原子力発電所だけではなく、火力発電所などでも昔から生じている一般的な現象ですが、そのメカニズムや発生箇所の予測は複雑で、奥の深い研究対象となっています。
FAC・LDI の予測手法の軽水炉高経年化構築、それらを１つにまとめ研究総括プロジェクト
配管減肉ユニット たツールの開発は研究の段階的な目標であり、最終的主任研究員な目標はツールの現場への森田 良
適用による減肉管理の最適化・プラント信頼性の向上であるため、これからも所内外において議論を行いながら研究を推進していく体制を取っていきたいと思います。

●「液滴衝撃エロージョン評価システムの構築」電力中央研究所報告：L07017●「液滴衝撃エロージョンに関わる流動特性の解明（その2）－流動評価技術の高度化－」電力中央研究所報告：L07016●「液滴衝撃エロージョンに関わる流動特性の解明（その1）－蒸気実験による液滴径の計測－」電力中央研究所報告：L06008
2009 年５月 11 日発行〒 100-8126（財）電力中央研究所 広報グループ
東京都千代田区大手町 1-6-1（大手町ビル 7 階） TEL.
（03）
3201-6601 FAX.
（03）3287-2863※この冊子は大豆油インキと
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