INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4

99

流れ加速型腐食に及ぼす局所流動状況の影響−エルボ管における減肉速度の計測−
Eﬀects of Local Flow Field on Flow Accelerated Corrosion‑Wall Thinning Rate at Elbow Pipe‑
釜堀

孝一（Koichi Kamahori）＊1

歌野原

中村

晶（Akira Nakamura）＊1

村瀬陽一（Yoichi Utanohara）＊1
道雄（Michio Murase）＊1

要約 流れ加速型腐食（FAC）に及ぼす流れ場の影響について評価するために，著者らはこれまでオリフィス及び玉形弁の下流を対象に，電気抵抗法を用いた減肉速度測定，流速分布測定，数値流体シミュレーションを実施してきた．本研究では，エルボ管を単体で配置した場合を対象に，減肉速度測定を行った．測定には，高温高圧実験ループを用い，試験部は配管内径 50mm，管断面平均流速は 6.22m/s のち 4.98m/s へと実験途中で変化させ，水温は 150 ± 1℃以内に制御した．
減肉速度分布は，エルボ試験部での減肉速度がその上流部および下流部よりも大きくなった．また，減肉速度はエルボ管の周方向に非対称な分布となり，エルボ管内の背側のほうが腹側よりも大きくなった．
キーワード

流れ加速型腐食，エルボ管，減肉速度，電気抵抗法

Abstract
In order to evaluate the eﬀects of a ﬂow ﬁeld on wall thinning rate due to ﬂow
accelerated corrosion（FAC）,the authors have carried out wall thinning rate measurements using
the electrical resistance method, measurements of the velocity proﬁle, and numerical simulationfor each piping component such as an oriﬁce and a globe valve. In this study, wall thinning
rates were measured were conducted at an elbow pipe without the oriﬁce. In the wall thinning
rate measurement, a test loop operated at high temperature and high pressure conditions wasused. The pipe inner diameter was 50mm, and the average velocity was changed during theexperiment from 6.22m/s to 4.98m/s. The water temperature was controlled within 150±1℃.
The wall thinning rates in the elbow pipe were larger than those upstream and downstream
from the elbow pipe. The distribution of wall thinning rates in the elbow pipe was asymmetricalto the center axis in the circumferential direction of the pipe, and the wall thinning rate at theexrtrados of the elbow pipe was larger than that at intrados.
Keywords

ﬂow accelerated corrosion, elbow pipe, wall thinning rate, electrical resistance method

速度は，環境（温度，pH，溶存酸素量などの水質），

1. はじめに材料（炭素鋼のクロムなどの含有量），流れ（配管流れ加速型腐食（Flow Accelerated Corrosion：

形状，流速）などの種々な因子によって影響される．

FAC）は，火力，原子力，化学プラントにおける

FAC のメカニズムは，金属表面に形成された酸配管減肉の重要な要因として知られている．関西電化皮膜の溶解と，流れによる鉄イオンの拡散による

力美浜３号機の２次系配管損傷事故を契機に，日本という説が一般的である（1）．これまで，FAC の減機械学会は 2005 年に「発電用設備規格

配管減肉

,
,
，pH（4），溶存酸素量（5）（6），
肉速度に対する，温度（2）（3）を制定し，FAC と液滴衝撃

流速（3）などの影響が報告されている．Keller（2）は，エロージョンによる配管減肉に対して，民間規格と弁などの配管要素が FAC に及ぼす影響について報して統一した管理方法を定めた．FAC による減肉

告した．減肉メカニズムのモデルと評価式（7）‑（10）（1）

管理に関する規格」＊ 1 （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4100がいくつか提案され，海外では，米国電力研究所

2. 実験方法（11）（EPRI）で開発された CHECWORKS，フラン

ス電力会社（EDF）で開発された BTR-CICERO（12）2.1 実験装置などが減肉評価に用いられている．しかしながらこれらのコードは，減肉速度の具体的な評価手法が開図１に実験装置の概要を示す．実験装置は，温水示されていない場合が多く，また，実機の減肉速度

タンク・試験部・循環ポンプ・配管等で構成される

（13）
（14）
,

の予測値と測定値のばらつきが大きく精度よく予測できる段階に至っていない．

流動ループと，窒素加圧装置，水質調整系，水質測定系で構成される．

プラントの系統の中で減肉の起こりやすい部位と温水タンクは，温度 200℃，圧力は 2MPa まで設

しては，配管の流路断面積を変化させるような弁，定可能である．循環ポンプは，インバータ制御のポオリフィス，レデューサ，デフューザが挙げられ，ンプを使用しており最大流量 48m3/h まで流量制御

また流れの方向を変化させるようなエルボ，
ベント，が可能である．また，ループの水の温度は，温水タ

分岐，合流管が挙げられる．これらの配管要素によンクに設置されている電気ヒータ（10kW × 2）でる流れの変化は，その下流にある直管や弁，エルボ

加熱することにより昇温する．当該ヒータは，温度といった部位での減肉速度にも影響を与えると考え制御器により設定温度± 1℃の精度で温水タンク温られる．現在，FAC に及ぼす流れ因子の影響を解度を制御可能である．温水タンク・循環ポンプ・配明し，その影響の程度を定量的に評価することを目

管はステンレス鋼製であり，試験体を除いた流動（15）

ループでの FAC 発生は考慮する必要はない．系統といった比較的単純な形状での減肉速度のの圧力調整に使用している窒素ボンベは純窒素（純的とした研究が多数行われており，オリフィス
（16）

や堰

測定も行われている．

度：99.999％）を使用しており，系統加圧による溶

著者らは，FAC に及ぼす局所的な流れの影響を

存酸素濃度への影響を排除している．

調査するために，これまで基礎的な配管形状として

水質調整系として，給水処理用の脱酸素装置・イ

オリフィス下流を対象に，流れ場の計測および数値

オン交換樹脂ユニット，薬品注入用のタンクおよび解析により局所流れ場を把握するとともに，減肉速薬注ポンプが３組あり，ヒドラジン・希硫酸・アン度測定を実施し，流れ場と減肉速度との関係についモニアを注入可能である．脱酸素装置は給水時に使

（17）
（
‑ 25）

．また，玉形弁単体の下用する他に，水張り後の系統水に対しても脱酸素処流を対象とした流れ場の計測と数値解析シミュレー

理に使用するために主系統からの通水ラインを設けて検討を進めてきた（26）の検討を進めるとともに，減肉速度デーている．なお，実験装置には，実験期間中の鉄イオタを取得した（27）．さらに，配管要素が組み合わさっン濃度が上昇しないよう，試験進行に伴い溶出するた場合のケーススタディとして，上流に玉型弁を配鉄イオンを除去するための浄化装置も備えられてい置した場合のオリフィス下流を対象に減肉速度デー

る．

ション

（28）

タを取得した．

水質測定系は，手分析のための採水ラインがあ

オリフィスについては，ある程度知見がまとまり,
が，他の配管要素については知見がつつある（29）（30）

安全弁
P

まだ十分備わっていない．よって，著者らは，実機
水質測定系

配管系統で多用され，減肉事例も多く報告されていDO C

本報告では，新たに製作したエルボ試験体を用いpHて，エルボ管を単体で配置した場合の減肉速度測定

イオン
交換

冷却器

サンプリング系

るエルボに注目した．

Fe

循環ポンプ
減圧弁
〜48m3/h（インバータ）制御
流量計
冷却器を実施し，これまでのオリフィスや玉形弁だけでなくエルボでの減肉傾向の把握を試みた．
T

温水タンク
〜2MPa
〜200℃
電気ヒータ
20kW

給水

整流部
試験部
内径50mm
流速〜7m/s

図１

局所熱流動実験装置の概要

水質調整系

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4

101

表１

るほか，溶存酸素分析計と導電率計が設けてあり，

水質測定機器仕様

常時モニタリングが可能である．水質測定系は，

測定機器

FAC において影響が大きいとされる pH，溶存酸素

測定範囲：
溶存酸素 日機装
0 〜 20 〜 200ppb
7115-22 型
分 析 計
株式会社
隔膜型
ポ ーラログラフ 式

濃度，鉄濃度に異常な変化がないか監視しており，
pH と鉄濃度の測定は適宜採水したサンプル水を窒素雰囲気中で手分析により行っている．表１に水質測定機器の仕様を示す．

2.2 試験体
図２に，減肉速度試験で使用した試験部の構成を示す．試験部は，上流側から順に，エルボ上流側試
験部配管（長さ 650mm），直配管（長さ 180mm）
，

製造者

型

式

仕

様

導電率計

日機装
株式会社

9792 型

測定範囲：
0〜0.2/2.0/20.0mS/cm

pHメータ

株式会社
堀場製作所

D-51

ガラス電極法
分解能：0.01pH

TPTZ 法
Pocket
検出限界：
HACH
鉄濃度計
Colorimeter
0.01mg/L Fe
COMPANY
Ⅱ
精度：
1.0 ± 0.02mg/L Fe

エルボ試験部（90°ロングエルボ相当）とエルボ下

エルボ入口




エルボ試験部流れƴ

背側 エルボ出口


腹側





エルボ上流側試験部







エルボ下流側試験部

Unit [mm]上背ƴ PP

腹

上流側から見て

下
図２

減肉速度測定試験部の構成および腐食速度センサの配置

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4102

流側試験部配管（350mm）から構成されており，
直配管とエルボ試験部のフランジ接続部にオリフィを製作したため，エルボ試験部は，エルボ内 45°位
置に約 54mm（1.08D）の直線部をもつ形状となり，スを設置できる仕様となっている．配管は，内径一般の 90°ロングエルボのような一定曲率をもつ形

50mm の SUS304 製の円管である．なお，管中心軸状とは異なるものとなった．従って，一般の 90°ロ

は同一の水平面上となるよう試験体を配置していングエルボでの流れ場における計算結果と比較する

る．つまり，エルボは水平面上で曲がるよう配置し場合には，エルボの形状の違いに十分留意する必要

た．

がある．

エルボ上流側試験部配管には，エルボ入口より上
流 462.6mm（9.25D）の位置に腐食速度センサ（測2.3 腐食速度センサの測定原理

定原理等については後述）を４個設置しており，エルボ上流側直管部の減肉速度を測定する．エルボ下

腐食速度センサの取付方法を図４に示す．腐食速

流側試験部は，エルボ出口より下流 133.8，183.8，
233.8，283.8mm（2.68D，3.68D，4.68D，5.68D） の度センサは，図４のように炭素鋼製の試験片を配管位置に腐食速度センサをそれぞれ４個，４個，２個，で固定している．露出試験片の両端に取り付けられ２個の合計 12 個設置しており，エルボ下流側直管

たリード線により外部から電気抵抗を測定する構造

部の減肉速度を測定する．図２に流れ上流側から見となっており，露出試験片の初期形状は図５の通り

た腐食速度センサの配置を示す．以降，配管周方向である．配管内表面に露出した試験片は，腐食減肉の呼称（背・腹・上・下）は本定義に従う．

の進行により試験片厚さが減少するが，試験片厚さ

エルボ試験部の流路形状の詳細を図３に示す．エルボ試験体は，曲率半径 80mm の 45°エルボ２個により減肉速度測定センサを挟み込む構造になっている．加工精度は公差 0.1mm 以下である．

PP
'

エルボ出口

内表面に段差がないように露出させ，絶縁材の樹脂の減少に伴う断面積の減少により，電気抵抗が増加する．この電気抵抗 R の変化を計測することにより，
厚み d の変化を測定する . なお，腐食速度センサの電気抵抗値と厚み d の関係式は式（1）の通りである．

G=ρ

/ 
Z5

（1）

ここで ρ は電気抵抗率，L，d，w は露出試験片の長さと厚みと幅である．
具体的な換算方法については，
既報（25）にて報告している．

エルボ入口

流れ
PP
'

PP
'

流れの向き

ステンレス配管

樹脂
（絶縁）
露出試験片
（炭素鋼STPT42）

図４
図３

腐食速度センサ取付方法

エルボ試験部の形状

エルボ試験部の腐食速度センサの取り付けにあたっては，エルボ前後の配管と干渉しないように，
リード線を横から取り出すスペースを確保する必要G PPがあった．また，耐圧の観点から，エルボ 45°位置/ PPのフランジに対し一定の厚みを持たせる必要があった．これらの設計上の制約を考慮してエルボ試験部

Z PP

図５

露出試験片の初期形状

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4

‑ 25）
今回使用した腐食速度センサは，既報（23）（で103

おり，この誤差は十分小さい．

使用したセンサとは異なり，温度補償用の参照試験片をなくし露出試験片のみとした．
形状を簡単にし，

2.4 計測システム

露出試験片の電気抵抗測定回路を２系統（図８）にすることで，センサ故障による測定データ欠落を低

電気抵抗の計測システムおよび計測回路図をそれ減することができる．但し，温度変動による影響をぞれ図７，図８に示す．計測システムは，腐食速度強く受けるため，以下，電気抵抗に及ぼす温度の影センサ，データ収集装置およびパソコンで構成され響について検討する．

ており，データ収集装置には 12 台の CorrOcean 製

金属の電気抵抗は，温度の増加に従い，直線的にり，腐食速度センサの抵抗を計測する．パソコンに増加するため，以下の近似式が成り立つ．

5W = ρ W { + α (W − W  )}データロガー（製品名：CorrLog）が収納されておは，CorrLog 用計測ソフト MultiTrend をインストー

/
6

（2）

ルしており，計測データのログ管理，計測システムの監視およびオンラインでのモニタリングが可能でここで RT は温度 t の時の電気抵抗，ρt0 は温度 t0 時の電気抵抗率，t0 は基準温度，Ơ は温度係数，L と S はある．
&RUURFHDQ製
データーロガー ×台（&RUU/RJ）

露出試験片の長さと断面積である．図６は昇温時の電気抵抗特性例であるが，基準温度 t0 ＝ 0℃とすると，昇温特性の傾き a と切片 b は以下の通りである．
図 ６ の 場 合， 昇 温 特 性 の 傾 き， 切 片 が そ れ ぞ れ

ρ /

D=

6

α，E=

腐食速度センサ

ρ /

（3）

6

データ収集装置（センサ12台
同時計測）

試験体

56&
パソコン

a=0.0153，b=4.0159 であることから温度係数 Ơ は以
下の通りとなる．

α=

図７D 
==  >&@E 

（4）

電気抵抗計測システム

腐食速度センサ

炭素鋼の温度係数を実測した例では，Ơ ＝ 0.0037

露出試験片抵抗［1/℃］との報告（31） もあり，ほぼ同じ値であることから妥当と判断した．試験期間を通して温度が約149.2℃（表２参照）とほぼ一定であり，センサ厚さ d ＝ 500µm とすると，± 1℃の精度で制御できていることから，± 0.2µm の誤差となる．減肉速度算

切替スイッチ出には 10µm 以上減肉させた時刻歴データを用いて電圧計
V

電気抵抗 Rt ［mΩ］

〜

5W W


交流電源
CorrLog



図８
















水温 t ［℃］

図６

昇温時のセンサ電気抵抗特性例



電気抵抗計測回路図

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4104

2.5 試験条件

3. 実験結果と考察

減肉速度測定の試験条件を表２に示す．試験時間

3.1 エルボ管における減肉速度分布

は系統水の昇温を含め３週間を目安に実施した．流
4.98m/s へと実験途中で変化させた．系統圧力は約

図９
（a）
（b）
（c）にそれぞれ昇温完了以降のエルボ
試験部，エルボ下流 2.68D，3.68D およびエルボ上

1.5MPa，温度はほぼ 150℃に維持しており，キャビ

流 9.25D での減肉量の推移を示す．溶存酸素濃度 0.1

テーションが発生しない条件としている．溶存酸素〜 0.2ppb，pH は 6.9 〜 7.0 である．20 分間隔で測定

速条件については，管断面平均流速を 6.22m/s から濃度については，給水時および低温時ループ水の脱酸素装置通水により 20ppb 以下に低減した後，昇温150℃時点で 1ppb 以下に下げることができている．
また，これまでの試験では，薬液注入による pH 調
整は行っておらず，試験期間中の pH は平均で 6.9 〜
7.0 とほぼ中性であった．鉄濃度は，流れ加速型腐食による減肉量に影響する可能性のあるパラメータと考えられることから，鉄濃度の飽和による減肉速

センサの厚みの変化量［µm］することにより，ヒドラジンを追加することなく

流速変更
6.22m/s 4.98m/s-35

度の鈍化を監視する目的でデータを採取している．

‑30

エルボ 背

‑25

エルボ 腹

‑20
‑15
‑10
‑5
0

次

試験条件

Run1-1【流動条件】
管断面平均流速
（流量）
温

エルボ単体
6.22m/s（44.0m3/h）−

度 [℃] 150 ± 1℃

149.3

4.98m/s（35.2m3/h）
149.2

300

261

計 測 時 間 [h]

89

112

データ点数

267

336

【使用した試験体】

初期形状20mm × 3mm × 0.5mm
材質 炭素鋼 STPT42（Ni；0.02%，
Cr；0.04%，
Mo；0.01%）

腐 食 速 度
セ
ン
サ
【水

質】

溶存酸素濃度
5ppb 以下
[ppb]
pH＊

0.2

500

0.1

中性付近 6.9（6.5 〜 7.6） 7.0（6.2 〜 7.5）

鉄

濃 度＊＊
参考データ
[ppm]

0.00 〜 0.04

0.01 〜 0.04

導

電 率＊＊
参考データ
[µS/cm]0.22 〜 0.69

0.37 〜 0.41

＊注１： 溶存酸素濃度，pH の実測データについては，試験期間内の平均値を記載．
（）内については，指示値の最大値と最小値を記載．
＊＊注２： 鉄濃度，導電率の実測データについては，試験期間における最大値と最小値を記載．

6.22m/s 4.98m/s‑30

下流2.68D 背下流2.68D 腹‑25

下流3.68D 背下流3.68D 腹

‑20
‑15
‑10
‑5

計測時間

計測時間

0

90°エルボ相当
曲率半径 80mm

ボ

400

流速変更

‑35

試 験 時 間 [h]ル300
時間［hr］（a）
エルボ試験部【計測時間】

エ200

Run1-2

0

100

200

300
時間［hr］

400

500

（b）
エルボ下流部
流速変更
6.22m/s 4.98m/s‑35センサの厚みの変化量［µm］

回

100

減肉速度測定の試験条件

センサの厚みの変化量［µm］

表２

計測時間

計測時間

0

‑30

上流9.25D 背‑25

上流9.25D 腹

‑20
‑15
‑10
‑5
計測時間

計測時間

0
0

100

200

300
時間［hr］

400（c）
エルボ上流部

図９

エルボ管の減肉量の推移

500

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4

105

した電気抵抗値 R から，露出試験片の減肉量 Ƌd を求めた．具体的には，電気抵抗値 R からセンサの厚間（それぞれ（a）は 89 時間，（b）は 112 時間）を計測

み d へ換算し , 当該データの前後２時間のデータ（計時間とし，この期間に対し減肉量データの時間変化

15 点）を使って，センサの厚みの変化量の傾きを率を求め，減肉速度を算出した．

図９に見られるように減肉量の推移が安定した期求めることにより算出した . 実験途中（試験開始か

エルボ管の減肉速度の分布は，エルボ内で最大とら 300 時間後）で，管断面平均流速を 6.22m/s からなり，管周方向分布は腹側よりも背側で大きくなっ4.98m/s に変化させている．

た．また，エルボ下流における減肉速度の分布は，

図９（a）（b）を見ると，実験初期の 50 時間程度を下流に行くに従い減少する傾向を示した．

除いて，エルボ試験部およびエルボ下流部での減肉
量がほぼ直線的に変化していることを確認できる．

3.2 考察

一方，図９（c）を見ると，エルボ上流部において，時間の経過とともに徐々に曲線の勾配が減少した．

今回は，エルボ単体でのエルボ管での減肉速度測

この傾向は以前実施したオリフィスでの減肉速度測定を実施している．試験開始後および流速変更後

（20）
（24）
,

でも確認され，オリフィス上流で時間ととのしばらくの期間は減肉量の推移が一定にならな

もに減肉速度が減少する対数則的な時間変化となっかったので，その期間を除く一定した減肉速度とていた．エルボ上流では物質移動係数が低く，酸化なった期間を計測時間の対象とし，減肉速度を算出

被膜の成長速度が溶解速度を上回ることが一因と考

した．

定

えられる．

今回の測定では，流速が遅くなったにもかかわら

図 10
（a）
（b）は，エルボ内及びその上・下流部にず，エルボ内およびエルボ下流における背側の減肉

おける減肉速度分布である．管断面平均流速は（a）

速度は大きくなった．流速条件を変化させたことにが 6.22m/s，（b）が 4.98m/s である．

より，エルボ内およびエルボ下流における流れ場が減肉速度［mm/y］

変化した可能性がある．今後，エルボ内の流れ場の0.6構造について可視化実験や数値シミュレーションに0.5より検討する必要がある．
また，エルボ下流における減肉速度の分布は，下背(6.22m/s)

0.4

エルボ45°
位置

腹(6.22m/s)

流に行くに従い減少する傾向を示したが，エルボか

0.3

らの距離が長くなるにつれ，エルボでの局所流動の0.2

影響が徐々に小さくなることを示唆している．

0.1

エルボ入口

なお，エルボ内およびエルボ下流での減肉速度のエルボ下流側エルボ出口

エルボ上流側

0.0
‑10

‑8

‑6

値は，エルボ上流部（直管）での減肉速度の値の数
‑4

‑2

0

2

4

6

8

10

エルボ入口からの距離［['］とにより，減肉速度の測定精度をあげ，再現性を確（a）管断面平均流速 6.22m/s

かめる必要がある．
エルボ単体の場合では，オリフィス下流等と比較

0.6

減肉速度［mm/y］

倍以下であり，今後追加で減肉データを拡充するこ

して減肉速度が１桁ほど小さいため，酸化被膜の変

0.5
0.4

背(4.98m/s)

化や経過時間の影響が大きく，高精度測定にはより腹(4.98m/s)

長時間の実験が必要である．

0.3
0.2

4. まとめエルボ45°
位置

0.1

エルボ入口

エルボ上流側

0.0
‑10

‑8

‑6

‑4

‑2

エルボ下流側

エルボ出口

0

2

エルボ単体の場合のエルボ管の減肉速度測定を実
4

6

8

10

エルボ入口からの距離［['］（b）管断面平均流速 4.98m/s

図 10

エルボ内及びその上・下流部における減肉速度分布

施した結果，以下のことを確認した．
（1）エルボ管の減肉速度の分布は，エルボ内で最大となり，管周方向分布は腹側よりも背側で大きくなった .

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 4

106（2）エルボ下流における減肉速度の分布は，下流に行くに従い減少する傾向を示した .

of steels in water and wet steam, Proc. of
the Second Meeting on Water Chemistry

なお，エルボ管を対象として，FAC の直接的なof Nuclear Reactors, British Nuclear

流体力学的因子と言われている物質移動係数の計

Engineering Society, London, 5（1980）．

測実験を計画している．今後は，物質移動係数と（8） L. E. Sanchez-Caldera, The Mechanism of

FAC 減肉速度との比較・分析を進めていく予定で

Corroson-Erosion in Steam Extract Lines ofある．

Power Stations, Ph. D. Thesis, Massachusetts

また，配管要素が組み合わされることで，配管要素単体に比べ流れ場の構造がどのように変化し，減肉速度分布が変化するかを今後確認していく予定である．

Institute of Technology, Cambrige,
Massachusetts（1984）．
（9） W. Kastner and R. Riedle, Empirisches
Modell zur Berechung von Materialabtagen

さらに，実機減肉データについても，代表的な配管要素の組み合わせについて順次データを蓄積し，配管要素組み合わせの影響について確認していく予定である．

durch Erosionkorrosion, VBG-Kraftwerkstechik, 66, 12, p.1171（1986）．
（10） V. K. Chexal, H. Horowitz, R. Jones, et al.,Flow-Accelerated Corrosion in Power Plants,
EPRI TR-106611, Electric Power ResearchInstitute, Palo Alto（1996）．

文献（11） H. M. Crockett and J. S. Horowitz, U. S.
（1） 日本機械学会，発電用設備規格

配管減肉管

Approach to Flow-Accelerated Corrosion,

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