122

INSS JOURNAL,Vol.17(2010),pp122-129

290℃における 600 合金 PWSCC き裂進展速度に及ぼす溶存水素濃度の影響について
Effect of Dissolved Hydrogen Concentration on PWSCC Crack Growth Rateof Alloy 600 at 290℃
福村卓也（Takuya Fukumura)＊ 1

戸塚信夫（Nobuo Totsuka)＊ 1

要約 加圧水型原子炉で使用されているニッケル基合金は PWSCC 感受性を持ち，PWSCC 感受性は水質の影響を受けることが知られている．PWSCC き裂進展速度は溶存水素濃度に依存性し，360℃では溶存水素濃度約 3ppm において，320℃では溶存水素濃度約 1ppm において最大となり，き裂進展速度が最大となる溶存水素濃度は温度により変化することが知られている．しかしながら，下部計装筒等の運転温度である 290℃においては PWSCC き裂進展速度が小さいこともあり，十分な知見はない．また，近年 PWSCC 抑制等を目的とした溶存水素濃度変更が検討されている．そこで本研究では，290℃におけるニッケル基合金の PWSCC き裂進展速度に及ぼす溶存水素濃度の影響を評価するため，20％および 40％冷間加工を加えた 600 合金を用い，溶存水素濃度をパラメータとして，CT 試験片によるき裂進展試験を実施した．その結果，冷間加工を加えた 600 合金の PWSCC
き裂進展速度は 290℃でも溶存水素濃度依存性を示した．290℃でのき裂進展速度は溶存水素濃度の低下とともに増加し，PWSCC き裂進展速度が最大となる溶存水素濃度は 0 と 1pmm 間であると評価された．
キーワード

加圧水型原子炉，PWSCC, 経年劣化，ニッケル基合金，応力腐食割れ，き裂進展速度，溶存水素

Abstract
It is known that nickel based alloy widely used in pressurized water reactors(PWRs) has susceptibility to primary water stress corrosion cracking (PWSCC), which is affectedby water chemistry. It is also known that the PWSCC crack growth rate depends on dissolvedhydrogen (DH) concentration, and the DH concentration which gives the maximum crack growthrate varies with the water temperature, namely it is about 3ppm at 360℃ and 1ppm at 320℃ . No
enough data, however, are available on the PWSCC crack growth rate at 290℃ which is theoperating temperature of such components as the bottom mounted instrument penetration, partly
because the crack growth rate is small at this temperature. In addition, for the purpose ofsuppression of PWSCC and so forth, changing the DH concentration is recently being consideredinternationally. In view of these, the present study has been performed to evaluate the effect of DH
concentration on the PWSCC crack growth rate of nickel based alloy. the crack growth rate wasmeasured with the DH concentration as a parameter, using CT specimens of 600 alloy manufactured
after 20％ and 40％ cold work. The result showed that the crack growth rate of cold worked 600alloy increased with decreasing DH concentration and the maximum crack growth rate wasobserved in between 0 and 1pmm DH concentration.
Keywords

PWR, PWSCC, ageing, Ni based alloy, stress corrosion cracking, crack growth rate, dissolvedhydrogen1.

はじめにPWR は大きく分けて 1 次系，2 次系とその他の系統で構成される．1 次系は 1 次冷却材（軽水）を循環

わが国では 2010 年 3 月末時点で 54 基の原子力発させ，原子炉の炉心で発生した熱エネルギーを蒸気電所が稼動しており，そのうち 24 基が加圧水型原子発生器を介して 2 次系へ伝達する．1 次冷却材が喪炉（pressurized water reactor, PWR）で あ る．

失すれば炉心の冷却に重大な支障を生じるため，1＊1(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

123

次冷却材を内包する機器は圧力バウンダリと呼ばれ，である．そしてニッケル基合金の PWSCC き裂進展

その機能の維持が求められる．1 次系は高温高圧環速度がピークとなる溶存水素濃度は図 2 に示すよう境（最高約 340℃，157 気圧）であるため，1 次冷却に Ni/NiO が平衡となる水素濃度とほぼ対応してい材に接する部位は特に耐食性に優れる材料が用いらることが知られている(7)．

れる．蒸気発生器細管，管台および管台溶接部等にCrack Growth Rate（mils/day）

おいてはニッケル基合金（50％以上の Ni と Cr, Feその他微量元素からなる合金）が用いられ，配管や原子炉容器内面にはステンレス鋼が用いられている．
ニッケル基合金は耐食性に優れるが，経年劣化に伴う多くの損傷を経験してきている．ニッケル基合
金における経年劣化事象として特筆すべきは 1 次冷却材応力腐食割れ（primary water stress corrosion
cracking, PWSCC）である．この PWSCC は，材料

Hydrogen Concentration（cc/kg）

因子，環境因子と応力因子が組み合わさって発生するものであり，実験室的には 1959 年にフランスの

図2

Henri Coriou により報告された(1)．実機においては1980 年代から多くの蒸気発生器細管で発生し(2)，そニッケル基合金（X750）の PWSCC き裂進展速度と溶存水素濃度および Ni/NiO が平衡となる水素濃度との関係(7)の後加圧器管台，ヒータスリーブ，原子炉容器上蓋

しかしながら，PWR ではさらに温度の低い 290℃

管台および溶接部，蒸気発生器管台溶接部，原子炉でも下部計装筒等，ニッケル基合金が使用されてい容器管台溶接部等の 600 合金および 600 系合金溶接る部位がある．290℃における PWSCC き裂進展速部でも PWSCC が発生している(3)(4)．

度に及ぼす溶存水素濃度の影響については，き裂進PWR の 1 次冷却材には中性子の制御のためにホ展速度が小さいこともあり，十分に把握されていなウ素がほう酸として，pH の調整のために水酸化リい．さらに近年，PWSCC 抑制等を目的として，1チウムが，そして水の放射線分解で生じる酸化性物次系の溶存水素濃度を変更する検討がなされている質の除去等のために溶存水素が添加されている(5)．

(8) 〜 (10)．そのため，本研究では冷間加工を加えた

PWSCC き裂進展速度は溶存水素濃度に依存性し，600 合金を用い，290℃における PWSCC き裂進展速その依存性は温度によって変化することが知られて度に及ぼす溶存水素濃度の影響を compact tension

いる(6)．図 1 に 360℃および 320℃における PWSCC（CT）試験片によるき裂進展試験により評価した．

き裂進展速度の溶存水素濃度依存性を示す．いずれの温度でも PWSCC き裂進展速度はある溶存水素濃2.

試験方法

2.1

供試材度でピークを示し，そのピークを示す溶存水素濃度は 360℃と 320℃でそれぞれ約 3ppm および 1ppm

供試材には mill annealed（MA）600 合金を圧延により 20％および 40％冷間加工したものを用いた．
供試材の化学組成および機械的性質を表 1 に示す．
冷間加工後，図 3 に示すように T-L 方位の試験片を切り出し，CT 試験片に加工した．CT 試験片の形状は ASTM（E399）にて標準化されたハーフインチサイズの CT（0.5TCT）とした．CT 試験片は大気中で約 2mm の疲労予き裂を導入した．

図1

MA600 合金の PWSCC 感受性に及ぼす溶存水素濃度の影響（360℃および 320℃)(6)2.2 CT 試験片によるき裂進展速度
図 3 に示した CT 試験片を図 4 に示す循環式腐食124

表1600 合金の化学成分（上）および機械的性質（下）単位：重量％

CSiMnPSNiCr

Ti

Cu

B

0.03

0.270.29

0.010.001

72.90

16.20

0.200.050.0001

温度（℃）
RT
290

加工度（％）

耐力（MPa）

引張強さ（MPa）

伸び（％）

絞り（％）

20745

819

18.2

66.1

40862

915

12.8

60.7

20716

764

14.0

56.6

40829

853

9.953.4

図3

CT 試験片の採取方位および形状

図4

循環式応力腐食割れ試験装置系統

125

表2

40％冷間加工材の破面観察結果を図 6 に示す．

1 次冷却材模擬水試験条件

温度（℃）

290

20％ 冷 間 加 工 材 と 同 様 に，溶 存 水 素 濃 度 0, 0.5,

ほう酸濃度 as B（ppm）
LiOH as Li（ppm）

500
21.0, 2.7ppm のいずれの場合も主として粒界破面が溶存水素濃度（ppm）0, 0.5, 1.0, 2.7観察された．溶存水素濃度による破面形態の違いは見られなかった．ただし，40％冷間加工材のほうが20％冷間加工材に比べて結晶粒が圧延方向により偏試験装置に取り付け，表 2 に示す条件の PWR1 次冷平化していた．

却材模擬水中で一定荷重を負荷した．試験荷重は応力拡大係数 K が約 30MPa・m0.5 となる条件を選定

3.2

き裂進展速度の評価した．K 値の算出には，ASTM（E399）に規定される式（1）を用いた．試験時間は約 1000 時間とし，20％および 40％冷間加工を加えた 600 合金（T-L

試験片を取り出し，破面解放後，走査型電子顕微鏡

方位，応力拡大係数 K ＝約 30MPa・m0.5）の 290℃（SEM）等で破面を観察した．破面観察から平均的での PWSCC き裂進展速度に及ぼす溶存水素濃度のなき裂長さを求め，式(2)により，PWSCC き裂進展影響を図 7 に示す．冷間加工度 20％では溶存水素濃速度（PWSCC CGR）を求めた．

度が 0ppm から 2.7ppm の範囲で溶存水素濃度の減少に伴い PWSCC き裂進展速度が増加する傾向が見

K=31.62P
 f αBB W (1)

2+α0.886+4.64α−13.32α +14.72α −5.6α f α=

1−α

られる．一方，冷間加工度 40％では溶存水素濃度 0,1.0, 2.7ppm で顕著な差がないが，溶存水素濃度0.5ppm で PWSCC き裂進展速度若干上昇している．
また溶存水素濃度 0ppm から 2.7ppm の範囲で冷間加工度 40％のほうが冷間加工度 20％よりも PWSCC

ここで K：応力拡大係数（MPa・m ）き裂進展速度が大きく，冷間加工度への依存性が見α ：a/Wられる．

a ：き裂長さ（mm）
W ：板幅（mm）

4.

P ：荷重（kN）
B ：板厚（mm）

考察
冷間加工を加えた 600 合金の破面観察では，温度B ：サイドグルーブ底間の正味板厚（mm）

290℃でも PWSCC 特有の粒界破面が主として観察されたことから，290℃においても 320℃以上で観察

L
PWSCCCGR=t(2)

ここでPWSCCCGR：PWSCC き裂進展速度
L ：平均的な PWSCC き裂長さ
t ：試験時間

3. 試験結果
3.1 破面観察
20％冷間加工材の試験後の破面観察結果を図 5 に示す．溶存水素濃度 0, 0.5, 1.0, 2.7ppm のいずれの場合も主として粒界破面（IGSCC）が観察された．
溶存水素濃度による破面形態の違いは見られなかった．

されていた PWSCC と同じき裂進展挙動であることを確認した．
冷間加工度 20％より，40％のほうが PWSCC き裂
進展速度が大きく，温度 290℃でも冷間加工度依存性が見られた．600 合金のき裂進展速度が冷間加工を加えることにより増加することは文献にも示されており(11)(12)，本研究の結果と整合する．
冷 間 加 工 度 20％，40％ と も に 温 度 290℃ で もPWSCC き裂進展速度に溶存水素濃度への依存性が見られた．冷間加工度 20％と 40％では PWSCC き裂進展速度の溶存水素濃度依存性に細かい差異は見られるが，傾向としては，溶存水素濃度 0〜2.7ppmの範囲で溶存水素濃度の低下とともに PWSCC き裂進展速度は増加し，溶存水素濃度が 0 から 1ppm の間で PWSCC き裂進展速度が最大となる．
過去の研究 (4)(11)(13) が示すように PWSCC き裂進126

Ề⣪⃨ᗐ
(ppm)
␺ຘ஢ࡀ⿛01mm

IGSCC

0.1mm

␺ຘ஢ࡀ⿛

0.51mm

IGSCC

0.1mm

IGSCC
1.01mm
0.1mm

␺ຘ஢ࡀ⿛
2.7
IGSCC
1mm

図520％冷間加工材破面（試験温度 290℃）

0.1mm

127

Ề⣪⃨ᗐ
(ppm)

0␺ຘ஢ࡀ⿛

IGSCC
1mm

0.1mm

␺ຘ஢ࡀ⿛
0.5
IGSCC
1mm
0.1mm
␺ຘ஢ࡀ⿛

1.0
IGSCC
1mm

0.1mm

␺ຘ஢ࡀ⿛
2.71mm

IGSCC

図640％冷間加工材破面（試験温度 290℃）

0.1mm

128

工の影響が強いため，環境の影響が現れにくくなっ㻖㻨㻐㻔㻓㻳㻺㻶㻦㻦㻃㻦㻪㻵㻃 㻋㼐㻒㼖㻌ているものと考えられる．
以上より，冷間加工を加えた 600 合金は 290℃の㻕㻨㻐㻔㻓

条件でも PWSCC 感受性を有し，その傾向は 320℃
以上の場合と同様であり，Ni/NiO が平衡となる溶存水素濃度付近で PWSCC き裂進展速度が最大とな㻔㻨㻐㻔㻓ることが分かった．ただし，その PWSCC き裂進展෫㛣ຊᕝᗐ㻕㻓㻈෫㛣ຊᕝᗐ㻗㻓㻈

速度の増加度合いは 320℃以上の温度に比べて顕著ではなく，290℃での PWSCC き裂進展速度の絶対㻓㻓図7㻓㻑㻘㻔㻔㻑㻘㻕㻕㻑㻘㻧㼌㼖㼖㼒㼏㼙㼈㼇㻃㼋㼜㼇㼕㼒㼊㼈㼑㻃㻋㼓㼓㼐㻌

値も 320℃以上の場合に比べて小さいことから，溶㻖

存水素濃度を変化させても温度 290℃では 600 合金

冷間加工を加えた 600 合金の PWSCC き裂進展
速度に及ぼす溶存水素濃度の影響

展速度が最大となる溶存水素濃度は 360℃では約の PWSCC き裂進展速度に与える影響は限定的であると考えられる．

5.

まとめ3ppm，320℃では約 1ppm となり，温度の低下ととも に 溶 存 水 素 濃 度 も 低 下 す る 傾 向 が あ る．こ の20％および 40％の冷間加工を加えた 600 合金を用PWSCC き裂進展速度に最大となる溶存水素濃度がい，290℃での 1 次冷却材模擬水中で溶存水素濃度をあり，その濃度が温度とともに変化する機構につい0ppm から 2.7ppm まで変化させて，CT 試験片によては必ずしも明確になっていないが，ニッケル基合るき裂進展試験を実施し，PWSCC き裂進展速度に金母材と冷却材界面に存在する酸化皮膜性状と深く及ぼす溶存水素濃度の影響を評価した結果，以下の関係していることが指摘されている(14)．1 次冷却材

知見を得た．と接するニッケル基合金の表面酸化皮膜は溶存水素(1) 冷 間 加 工 度 20％，40％ と も に 溶 存 水 素 濃 度

濃度が低い場合は酸化ニッケルが熱力学的に安定で0〜2.7ppm の範囲で PWSCC 特有の粒界破面を主あり，溶存水素濃度が高くなると金属ニッケルの状として示す．

態が安定であることが知られている(7)．そして金属(2) 冷 間 加 工 度 40％ の ほ う が 20％ の 場 合 よ り

ニッケルが安定な状態から酸化ニッケルが安定な状

PWSCC き裂進展速度が大きい．

態に変化する Ni/NiO が平衡となる水素濃度が温度(3)冷間加工度 20％，40％ともに PWSCC き裂進展によって変化し (15)，320℃以上の温度ではちょうど速度は溶存水素濃度依存性を示し，その最大値を与PWSCC き裂進展速度のピークを与える溶存水素濃え る 溶 存 水 素 濃 度 は 0 か ら 1ppm の 間 で あ り，度とほぼ対応することが知られている．Andresen

Ni/NiO が平衡となる水素濃度とほぼ対応する．

は Ni/NiO が平衡となる水素濃度 CDH（cc/kg）は(4)溶存水素濃度 0〜2.7ppm の範囲で PWSCC き裂

冷却材の温度を T（℃）とすると，式（3）で与え進展速度の最大値と最小値の比は 2 以下であり，溶られるとしている(8)．

存水素濃度が PWSCC き裂進展速度に与える影響は小さい．

C =10∙

(3)

式(3)によると，温度 290℃での Ni/NiO が平衡と文献なる水素濃度は約 0.4ppm となり，本研究の結果と(１) H. Coriou, L. Grall, M. Pelras, S. Vettier,整合する．
本研究で得られた PWSCC き裂進展速度の最大値と最小値は，冷間加工度 20％ではそれぞれ 1.59 ×-10-11ÓStress Corrosion Cracking of Inconel in High
Temperature

Water,Ô

Third

Metallurgy

m/s，冷間加工度 40％ではConference on Corrosion, Saclay, North Hol-

それぞれ 2.26 × 10-10 および 1.69 × 10-10 m/s であland Publishing Co., Amsterdam, 161 (1959).

り，最大値と最小値の比が 2 以下と小さく，冷間加(２) H. J. Schenk, Material Performance, Vol. 15,10および 9.51 × 10

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