INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑278

エルボ配管における流れ加速型腐食に対する流速と温度の影響＊ 1
Inﬂuence of Flow Velocity and Temperature on
Flow Accelerated Corrosion Rate at an Elbow Pipe
歌野原陽一（Yoichi Utanohara）＊2

村瀬

道雄（Michio Murase）＊2

要約
流れ加速型腐食（FAC: Flow accelerated corrosion）は火力および原子力発電所の高経年化対策において考慮しなければならない重要な問題の１つである．FAC に対する熱流動場の影響を理解するため，様々な流速と温度条件下でエルボでの FAC 減肉速度を測定した．エルボ
試験体はステンレス鋼（内径 D = 49.5 mm）で作成し，FAC 減肉速度は炭素鋼製のセンサで測定した．溶存酸素濃度は 0.1 ppb 以下となるよう調整し，pH はほぼ中性（約 7.0）に保てていた．
管断面平均流速は 0.39 から 5.74 m/s（Reynolds 数 約 1.0 × 106）に変化させた．ループ水温が150℃の時，エルボにおける FAC 減肉速度は腹側の値が周方向の他の値より低くなり，この傾向はエルボ下流まで続いた．エルボでの FAC 減肉速度はエルボ上流や下流よりも大きく，エルボ
下流の減肉速度は下流に行くにつれて減少した．減肉速度は流速の増加とともに線形ではないが単調に増加した．エルボ上流の直管部の減肉速度を基準とすると，エルボにおける減肉速度の比は約 1.7 から 2.9 となった．ループ水温を 100℃に低下させると，エルボ腹側の減肉速度が他の周方向位置の値に比べ大きくなった．温度をさらに 50℃に低下させると，FAC 減肉速度は低下したが，無視できるほど小さい値ではなかった．流速の影響は 50℃においては無視できるほど小さ
く，100℃および 150℃では顕著となった．流速と温度の複合影響は場所によって異なり，エルボ
において特に強くなった．
キーワード

流れ加速型腐食，エルボ配管，配管減肉速度，電気抵抗法

Abstract
Flow accelerated corrosion（FAC）
is one of the important issues that must be
considered for aging fossil and nuclear power plants. To understand the eﬀect of thermal ﬂow
ﬁeld on FAC, FAC rates at an elbow pipe were measured under diﬀerent ﬂow velocity andtemperature conditions. The elbow test section was made of stainless steel（diameter D = 49.5mm）and FAC rates were measured using corrosion sensors made of carbon steel. The dissolved
oxygen concentration was kept under 0.1 ppb, and pH was nearly neutral（about 7.0）
at room
temperature. The mean cross-sectional velocity was changed from 0.39 to 5.74 m/s（Reynolds
number, about 1.0e6）. When the water temperature was about 150℃, the FAC rate was smallerat the intrados of the elbow pipe than at other circumferential locations. This tendency continued
downstream. The FAC rates at the elbow pipe were larger than those upstream and downstream
from the elbow pipe and the FAC rates downstream from the elbow pipe decreased along the ﬂow
direction. FAC rates increased as ﬂow velocity increased and their relationship was not linear.
The ratios of the maximum FAC rate at the elbow to the FAC rate in the upstream straight pipe
ranged from about 1.7 to 2.9. When temperature decreased to 100℃, FAC rate at the intrados
became the largest of the other circumferential sensors. When temperature decreased further
to 50℃, FAC rate also decreased, but the value was not negligible. The inﬂuence of ﬂow velocity
was negligibly small at 50℃ and remarkable at 100℃ and 150℃. The combination eﬀect of ﬂow
velocity and temperature was diﬀerent from place to place and particularly strong at the elbow.
Keywords

Flow accelerated corrosion, elbow pipe, wall thinning rate, electric resistance method＊ 1 本原稿は Nuclear Engineering and Design（2019）, Vol.342, pp. 20-28（1）で公表したものを和訳し転載したものである．
＊ 2 （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 . 26 2019 NT‑2

1. はじめに

79

肉速度を測定している．また，エルボ部における物質移動係数の測定と流れ場の数値シミュレーション

流 れ 加 速 型 腐 食（Flow accelerated corrosion，も行っている（15）．同じエルボ形状で FAC 減肉速度

以下 FAC）は火力および原子力発電所の高経年化と物質移動係数の比較を行うことで，両者の定量的対策において重要な問題である．FAC はオリフィな相関関係を明らかにすることを試みている．従っスやエルボの下流のように，配管内の流れが強くて，熱流動場が FAC 減肉速度に与える影響を理解

乱れた箇所で発生する．FAC により配管は減肉し，するには，流速と温度をパラメータとした，より詳

（2）

．従来，

細な実験が必要となる．特に，FAC は通常，100 〜

事業者は独自にガイドラインを定め，非破壊検査に

280℃の範囲において発生し，130 〜 150℃近辺で減よる肉厚測定から余寿命を評価し配管肉厚を管理し,．し肉速度が最大となることが知られている（3）（16）てきたが，2005 年に日本機械学会による「配管減かし，米田ら（17）によると，50℃という比較的低い

肉管理に関する規格」（2） が制定され，日本の発電温度においても無視できない大きさの FAC 減肉速所における配管減肉管理方法が統一された．以後，度が確認されている．従って，本研究では 50℃に原子力プラントでは，日本機械学会の規格に基づいまで温度を低下させて FAC 減肉速度を計測した．

て，実測を主体とした配管減肉管理が行われている．

ここでは，いくつかの流速と温度条件下で FAC 減

時として配管破断に至る可能性がある

一方，配管減肉管理の合理化に向け，減肉速度の予測に関する研究も進められている．減肉予測には
FAC の影響因子の理解が重要である．FAC の影響
因子は一般に，環境因子（温度，pH，溶存酸素濃度等の水質），材料因子（クロム等の含有量等），流（3）

体力学因子に分類される．従来，流体力学因子

（4）（
, 5）

肉速度を測定し，得られた知見を述べる．

2. 実験方法
2.1 実験ループを用いることが多かった

FAC 減肉速度測定に用いた実験ループを図１にが，最近では FAC と局所の流れ場の相関に関する示す．実験方法は既報（11）〜（14） とほぼ同じである．

研究が行われるようになってきた（6）〜（10）．FAC の循環ポンプは試験体の下流に設置し，ポンプで発生

本質的な流体力学因子は壁面近傍の物質移動係数とする乱れが試験部に及ばないようにした．ループ水

されており，多くの研究がその点を踏まえて行われは給水前に脱気装置で溶存酸素濃度をある程度低減ている．減肉速度の予測には，実測値による妥当性させた上で注入し，ヒータで目的の温度まで加熱し検討が必要である．これまでの発電所での肉厚測定

た．実験中，
溶存酸素濃度は0.1 ppb 以下に抑制した．

により多くの実機減肉データが存在するが，一般にpH の調整は行っていないが，室温においてほぼ中局所の運転条件や水質の点で不確かさが大きい．そ性に保たれていることを確認した．鉄イオン濃度はれゆえ著者らは，十分に実験条件を管理した上で実験実施中にループ水の一部を脱塩装置に通すことには管断面平均流速

（11）〜
（13）

（14）

で上昇を抑制した．ループ水温度はヒータと試験部での減肉速度測定を行ってきた．これらの一連の研下流に設けた冷却器により制御した．実験定常状態

究は，FAC に対する局所の流れ場の影響を評価ででは循環ポンプにより入熱が発生するため，冷却器

きる数値シミュレーション手法を開発することが最により除熱する必要がある．実験ループ中でのキャ終目標である．

ビテーション発生を防止するため，窒素ガスの注入

FAC 実験を行い，オリフィスやエルボ

本研究では，配管要素としてエルボに注目し，でループ水の圧力を 1.5 MPa に自動制御した．実験

FAC 減肉速度測定を行った．エルボは発電所にお中は温水タンク圧力，水温，流量を継続的に計測しいて必要不可欠な配管要素である．エルボの FAC

た．ループ水サンプリング装置では，ループ水を大研究事例として，エルボでの物質移動係数を測定し気圧まで減圧し，室温まで冷却した上で溶存酸素濃

（7）

（8）

があ

度，導電率を計測し，再度実験ループに合流させた．

るが，エルボでの FAC 減肉速度を実験で計測した，実機の減肉速度を分析した事例

さらに，ループ水を定期的に採取し，室温まで冷却事例はこれまで見当たらない．著者らのこれまでのした上で pH と鉄イオン濃度を手動で計測した．手

た実験

（14）

では，内径 49.5 mm のエルボ配管を対象に，動計測においては採取したループ水が大気に暴露し

流速約 5 m/s，温度約 150℃の一定の条件で FAC 減

ないよう，窒素ガス雰囲気中で行った．水質の計測

研究

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑280㻿㼍㼒㼑㼠㼥㻌㼢㼍㼘㼢㼑㻼㻺㼕㼠㼞㼛㼓㼑㼚㻌㼓㼍㼟㼏㼥㼘㼕㼚㼐㼑㼞

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㻹㼑㼍㼟㼡㼞㼑㼙㼑㼚㼠㼟㻌㼛㼒㼣㼍㼠㼑㼞㻌㼏㼔㼑㼙㼕㼟㼠㼞㼥㻿㼍㼙㼜㼘㼕㼚㼓㻌㼟㼥㼟㻚㼜㻴㻌㼍㼚㼐㻌㻵㼞㼛㼚㻌㼏㼛㼚㼏㼑㼚㼠㼞㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼣㼑㼞㼑㻌㼙㼑㼍㼟㼡㼞㼑㼐㻌㼟㼑㼜㼍㼞㼍㼠㼑㼘㼥㻌㼍㼚㼐㻌㼙㼍㼚㼡㼍㼘㼘㼥㻚

図１

FAC 減肉速度測定

装置は表１に示すものを用いた．

実験装置

減肉速度計測用の試験体を図２に示す．試験体の配管はステンレス鋼（SUS304）製で，内径 D =

表１
測定項目

製造者

形式

溶存酸素
濃度

日機装

7115-22

導電率

日機装

9792

pH
鉄イオン
濃度

仕様
隔膜型ポーラ
ログラフ式
ガラス
電極法

堀場製作所 D-51
Hach

49.5 mm である．腐食センサは炭素鋼（STPT42:

水質測定機器仕様

PocketTPTZ 法colorimeter II

Ni, 0.02 wt. %; Cr, 0.04 wt. %; Mo, 0.01 wt. %）製のプレートで，図３に示すように配管の内面に設置した．腐食センサとステンレスパイプとは樹脂で絶縁しており，センサの炭素鋼プレート表面が温水に露出するようにした．
腐食センサ設置数は合計 20 箇所で，エルボ入口
から 9.25D 上流の直管部に４箇所，エルボ管の中央に４箇所，エルボ出口から 2.68D，3.68D 下流に４箇所ずつ，4.68D，5.68D 下流に２箇所ずつ設置した．

図２

減肉速度測定試験体，俯瞰図（単位：mm）

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑2

図３

なお，エルボの曲げ方向は水平面内，つまり，上流
直管，エルボ管，下流直管は全て水平面内に設置されている．
図４に実験で使用したエルボ試験体の詳細形状を示す．通常のエルボ形状では管内面に腐食センサの設置が困難であったため，工業用に使用される一般的なエルボ形状とは異なる形状を採用した．これま
（11）
（12）
,

で著者らが作成した試験体

81

腐食センサ

2.2 FAC 減肉速度測定方法
FAC による減肉速度は電気抵抗法で計測する．
電気抵抗 R と炭素鋼試験片厚さ d とは式（1）で関係付けられる．

R =ȡe

では管内面を滑

L
L
=ȡe
S
d uw

（1）

らかにするために中ぐり加工を行い，腐食センサとここで ρe は炭素鋼の電気抵抗率，S，L，d，w は管内面が面一になるようにしていた．しかし，その図３に示すように，それぞれ腐食センサの炭素鋼プような加工はエルボ管内面で行うことができない．

レートの断面積，長さ，厚さ，幅である．炭素鋼プレートの厚さ d は電気抵抗 R から計測することがで

従って，54 mm の直管部を２つの 45°
エルボ（曲率R
半径 e = 76.2 mm）で挟み，直管部に腐食センサを取り付けた．作成したエルボ試験体の等価曲率半
径は Rep = 114.4 mm である．

き，炭素鋼プレートの減肉速度は減肉量の時間履歴の勾配から算出することができる．ρe は温度に依存

上流側から下流を見た場合の腐食センサの位置関するため，測定データは温度変動の影響を受けることになる．ここでは ρe を一定値として取り扱うこと係を図４に示す．エルボ試験体中央には４つの腐食にし，測定データに対する温度変動の影響は 3.1. 節

センサが周方向に取り付けられており，それぞれで述べるように，減肉速度算出過程で除去した．

upper（上），lower（下），extrados（背），intrados（腹）とする．

View fromthe upstream

Extrados

Upper

Intrados
Lower

図４

エルボ試験体の詳細形状（単位：mm）

Verticaldirection

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑282

2.3 実験条件あるためと考えられる．より詳細な議論は 3.1 節にて述べる．Run6 以後，温度を段階的に下げ 100℃

実験条件を表２に示す．実験は Run1 から Run9

（Run6，
Run7），
50℃（Run8，
Run9）で実験を行った．

まで中断することなく実施し，次の Run に移る際

溶存酸素濃度はほとんど常に 0.1 ppb 以下を保つこに流速や温度などの条件を変更した．それぞれのとができた．なお，PWR2 次系における溶存酸素濃Run における実験時間は数日以上となった．Run1

度管理値は復水で 10 ppb 以下，給水で 5 ppb 以下を始める前に，腐食センサの表面を紙やすりで磨である．一般に，FAC は溶存酸素濃度が低い条件

き酸化被膜を除去した．実験中，流速は Run1 か下で発生し，溶存酸素濃度の増加とともに FAC 減ら Run3 にかけて流速を徐々に増加させた．表２の

肉速度が減少する．これは，溶存酸素濃度が増加す2014 Run4 と標記した Run は以前実施した計測のもると酸化被膜が Fe3O4（マグネタイト）から溶解度のであり，参考値として示した．温度は Run1 からの低い Fe2O3（ヘマタイト）に変化するためである．

Run5 まで 150℃に調整したが，実際の計測値は Run

本実験では，溶存酸素濃度を 0.1 ppb 以下に低下さ毎に異なっていた．その理由として，熱バランスがせたことで，溶存酸素濃度の FAC 減肉速度への影

Run 毎に異なっていることが考えられる．つまり，響を無視できると考えられる．

速度の増加とともに試験部に流入するエンタルピ量

図５に Run1 から Run9 まで間の pH と鉄イオン濃は増加するが，試験部からの放熱量はほぼ一定で度を示す．pH と鉄イオン濃度は断続的に計測した．

表２

FAC 実験条件

Run

１

２

３

４

５

６

７

８

９

2014 Run 4

実験時間［h］

444

175

141

332

78

145

113

580

1624

503

管断面平均
流速［m/s］

0.39

1.40

4.34

5.74

4.73

4.73

1.37

1.34

4.78

3.64

145.2

148.8

149.2

149.2

149.2

99.2

98.9

49.0

49.2

149.2

温度［℃］
Reynolds 数

9.7 × 104 3.6 × 105 1.1 × 106 1.4 × 106 1.2 × 106 8.0 × 105 2.3 × 105 1.2 × 105 4.3 × 105 9.0 × 105

溶存酸素濃度［ppb］

0.1 以下0.1 以下6.8
6.8（6.4〜7.3）（6.7〜7.0）

7.3

7.5

7.3
7.1
（6.9〜7.3）（7.2〜7.4）

6.6

7.5

---

6.9
（6.5〜7.2）

鉄イオン
0.02〜0.06 0.03〜0.07
濃度［ppm］

0.05

0.05

0.06〜0.11

0.06

0.02〜0.03

---

0.03

pHa

0.05

a：pH は 1Run 当たりの平均値，括弧内の数字は最小値と最大値を示した．

Run 1

2

3

4

5 6

7

9
8

8
Not
measured

pH

pH

0.16

0.1

Iron concentration

4

Not
measured

3
2
1

0.18

0.12

6

10-Jul-16

0.2

0.14

7
5

9

0.08
0.06
0.04
0.02

25-Jul-16

9-Aug-16
図5

24-Aug-16

8-Sep-16

pH と鉄イオン濃度の履歴

23-Sep-1608-Oct-16

Iron concentration [μg/g]

10INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑2

保つことができた．鉄イオン濃度は Run5 の場合を除 き 0.04 ± 0.02 μg/g に 保 つ こ と が で き た．Run5における鉄イオン濃度の上昇した原因は不明であるが，FAC 減肉速度に大きな影響は無いと考えられる．

3. 実験結果

Metal loss [μm]pH の値は調整していないが，室温下でほぼ中性を

10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

83

Run 1, Elbow, extrados
Run 1, -9.3D, extrados
Run 1, 3.7D, extrados

0120

3.1 減肉量の時間履歴
図６に Run1 〜 Run4 における腐食センサの減肉

2.5

た．変動の幅は速度増加とともに減少した．変動の主な原因は，ループ水の温度変動に起因するセンサ
厚みの測定誤差と考えられる．式（1）の電気抵抗とセンサ厚さの関係において，電気抵抗率 ρe は水温に

1.5
1

0.5
0

依存するので，減肉量も水温に影響を受けて変動す

0

24

ることになる．水温が変動する主な原因としては，に関係すると考えられる．系外への放熱量は流速に6関係無くほぼ一定と考えられるが，試験部への流入

部への流入エンタルピが増加するため，試験部の水温低下量は小さくなり，温度変動も小さくなる．室
温の日変動も水温に影響し，図６（b）〜（d）に示す024

る特定の時間幅で傾きを移動平均処理することで変12動の影響を除去することが可能である．

10

Metal loss [μm]14は腐食センサ上に酸化被膜が全く無く，酸化被膜が72Time [h]120144

Run 4, Elbow, extrados
Run 4, -9.3D, extrados
Run 4, 3.7D, extrados

8
6
4
2
0

0

120

形成されるとともに減肉速度が減少しているものとTime [h]240（d）Run 4考えられる．
減肉量時間履歴の傾きが一定になると，酸化被膜厚さは定常に達したと考えられる．Run2，

48（c）Run 3

速度は減肉量時間履歴の傾きから算出するため，あの早い段階から比較的一定である．Run1 開始直後

96

2になったと考えられる．いずれにせよ，FAC 減肉ている．一方，Run2 〜 Run4 では傾きは Run 開始

1443

ため，室温の日変動が塗りつぶされずに目立つよう的一定となった．類似の傾向は既報（14）でも示され

120

4

0

流速増加とともに試験部の水温低下幅も小さくなる

加し，実験開始から約 190 時間経過後に傾きが比較

961

ように24時間周期の変動が現れている．
上述の通り，

図６（a）に示す Run1 では減肉量は時間とともに増72Time [h]Run 3, Elbow, extrados
Run 3, -9.3D, extrados
Run 3, 3.7D, extrados

5

Metal loss [μm]部の水温も低下する．逆に，流速が増加すると試験

48（b）Run 2

ヒータ入熱量と系外への放熱量のエネルギバランス

エンタルピは流速低下とともに減少するため，試験

480

Run 2, Elbow, extrados
Run 2, -9.3D, extrados
Run 2, 3.7D, extrados

2

Metal loss [μm]量は時間とともに線形に増加したが，変動も見られ

360（a）Run 1

量時間履歴を示す．全て，エルボ背側に沿った値である．管路流れ方向原点はエルボ入口とした．減肉

240Time [h]図6腐食センサの減肉量時間履歴360

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑2

84

FAC rate [mm/y]

0.10
0.08

RUN 1 (U = 0.39 m/s)
upperextrados

lower

intrados

downstream
from the elbow

0.06
0.04

upstreamfrom the elbow

0.02
0.00

-10 -8

-6

-4

-2

0

RUN 2 (U = 1.40 m/s)

at the elbow

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]

FAC rate [mm/y]

0.12

10

0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00

upper

extrados

lower

intrados-10 -8 -6 -4

lower

intradosat the elbow
downstream
from the elbow

upstreamfrom the elbow-10 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]

10

FAC rate [mm/y]

FAC rate [mm/y]

extrados

-2

0

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]10（b）Run 2

RUN 3 (U = 4.34 m/s)
upper

downstream
from the elbow

upstreamfrom the elbow（a）Run 1

0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

at the elbow

0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

581 8  PV

upper

extrados

lower

intradosat the elbow
downstream
from the elbow

upstreamfrom the elbow-10 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]（c）Run 3

10（d）Run 4
図7

FAC 減肉速度分布（Run1 〜 Run4）

Run3 および Run4 では，腐食センサ上に酸化被膜面近傍の流速が低下したことが原因の１つと考えらが既にある状態から開始しているので，Run1 に比れる．既報（15）において，実験で用いたエルボ形状

べて比較的すぐに酸化被膜厚さが定常に達すると考を対象に図８に示すような流れ場の数値シミュレー

えられる．よって，Run1 では定常状態に達したとションを実施している．図ではショートエルボ，ロ

想定される実験開始後 192 時間後から 384 時間後まングエルボ，本実験で用いたエルボの３種類で流速での 192 時間（８日間）の減肉量時間履歴を対象に，分布を比較している．その結果，本実験で用いたエ

24 時間の区間幅で傾きを移動平均処理し，算出さルボでは腹側で比較的低い流速になっており，そのれた値をさらに時間平均して減肉速度を算出した．

3.2 FAC 減肉速度分布
図７に FAC 減肉速度分布を示す．3.1 節で述べたように，減肉量時間履歴の傾きを移動平均および
時間平均処理した値を示している．分布の傾向は既報（14）での計測値と類似するものだった．つまり，エルボにおける FAC 減肉速度は腹側の値が周方向の他の値より低くなり，エルボにおける FAC 減肉
速度はエルボ上流や下流の減肉速度に比べて大きくなった．そして，エルボ下流の減肉速度は下流に行
くにつれて減少している．エルボ腹側における低い
減肉速度については，エルボ内で流れがはく離し壁

図8

（15）
，
エルボでの時間平均流速分布（流れ方向成分）
Re = 45000，INSS エルボは本実験のエルボ形状を示す．

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑20.4腹側の物質移動も低下していた可能性がある．流れ

0.35のはく離はショートエルボで最も強く発生していたが，ロングエルボでは発生していない．本実験で用いたエルボ形状では１段目のエルボで比較的弱いはく離が発生するとともに，エルボ背側での流速がFAC rate [mm/y]

傾向がエルボ下流まで続いている．従って，エルボ

85

U = 5.74 m/s (Run 4)
U = 4.73 m/s (Run 5)
U = 4.34 m/s (Run 3)
U = 3.64 m/s (2014Run 4)
U = 1.40 m/s (Run 2)
U = 0.39 m/s (Run 1)

Extrados

0.3
0.25

0.15
0.1
0.05

なっている．このように，エルボ形状は流れ場に影0

響を与えており，壁面近傍の物質移動にも影響を与

-12

-10

-8
-6
-4
-2
0
2
4
Distance from entrance of elbow, x/D

より詳細に議論するには，実験による FAC 減肉速

0.4

度と数値シミュレーションによる熱流動場を比較す

U = 5.74 m/s (Run 4)
U = 4.73 m/s (Run 5)
U = 4.34 m/s (Run 3)
U = 3.64 m/s (2014 Run 4)
U = 1.40 m/s (Run 2)
U = 0.39 m/s (Run 1)

Intrados

0.35

る必要があり，今後の検討課題となる．

た．エルボ上流側の直管での減肉速度を基準として

FAC rate [mm/y]

0.3が最大となる箇所は Run1 〜 Run4 とも背側であっ68（a）エルボ背側えていると考えられる．エルボ形状の影響について

布は同様な傾向を示した．エルボにおいて減肉速度

downstream
from the elbow

upstreamfrom the elbow

0.2

ショートエルボ，ロングエルボの場合よりも速く

異なる流速同士で比較すると，FAC 減肉速度分

at the elbow

0.25
0.2

at the elbow

downstream
from the elbow

upstreamfrom the elbow

0.15
0.1
0.05

エルボにおける最大減肉速度の比を示すと，Run1

0

では 2.4，Run2 では 1.7，Run3 では 2.9，Run4 では 2.14

-12

-10

-8
-6
-4
-2
0
2
4
Distance from entrance of elbow, x / D

となった．

6

8

（b）エルボ腹側3.3 流速の影響

図９0.4

速度に対する流速の影響を示す．Run3 を除き，全0.35

測定点で流速増加とともに減肉速度は増加する傾向を示す．流速が変化しても分布の形状は類似しており，エルボにおいて最も減肉速度が大きい．
流速の影響を調べるために，図 10 にエルボ背側FAC rate [mm/y]

図９にエルボ背側および腹側に沿った FAC 減肉

異なる流速間での FAC 減肉速度の比較

Elbow extrados

Run 3
Run 4

0.3
0.25

Run 5

0.2

2014Run 4

0.15

Run 2

0.1

および腹側での流速依存性を示す．図において減肉

0.05

速度は流速の増加とともに増加する傾向を示した．

0

Run3 を除外すれば，減肉速度は流速の増加ととも

Run 1

0

1

に単調に増加した．Run3 の傾向が他と異なる原因

2
3
4
5
Mean cross-sectional velocity [m/s]6（a）エルボ背側（4）（5）, （12）,（17）,は不明である．既往の研究においても減0.4

肉速度が流速とともに増加する傾向が報告されていて異なり，減肉速度が流速の 1.0 乗に比例する例か（17）

ら 2.3 乗に比例する例まで指数に幅が存在する．

理由として，減肉速度は流速だけでなく流れの乱れにも依存するが，実験装置ごとに流れの乱れの強さが異なるためと考えられる．よって，FAC 減肉速
度に対する流れ場の影響を調べるためには，壁面近FAC rate [mm/y]

る．
しかし，減肉速度と流速の相関関係は実験によっ

Elbow intrados

0.35
0.3

Run 3

Run 4

0.25
Run 5

0.2

2014Run 4

0.15
0.1
0.05
0

Run 2

Run 1

0

傍の流れ場を数値シミュレーションなどで詳しく知

1

2
3
4
5
Mean cross-sectional velocity [m/s]（b）エルボ腹側る必要がある．
図 10

FAC 減肉速度に及ぼす流速影響

6

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑286

3.4 温度の影響

ど，流れ場の構造が変化したことが原因として考えられる．

図 11 に異なる温度条件における FAC 減肉速度分

温度がさらに 50℃まで低下した時，FAC 減肉速

布を示す．150℃（Run3）の場合，3.2 節で述べた度は全体的に低下した．エルボ腹側の減肉速度がように，エルボ腹側の FAC 減肉速度は周方向の他

周方向の他の位置よりも大きくなる傾向は 100℃のの位置よりも小さくなった．しかし，温度を 100℃時と同様だった．１章で述べたように，FAC は通まで下げた場合（Run6），傾向が変化し，エルボ腹常 100℃以上で発生し，130 〜 150℃近辺で最大値と側の減肉速度が周方向の他の位置よりも大きくなっなる（16）．しかし，50℃における FAC 減肉速度は無た．Run3 と Run6 で流速はほぼ同じなので，傾向視できるほど小さい値ではなく，エルボ腹側で 0.09の変化は 150℃から 100℃への温度変化に起因する

mm/y となった．100℃における FAC 減肉速度の最ものと考えられる．理由は明確でないが，物性値の大値を基準に 50℃における FAC 減肉速度の最大値変化によりエルボ腹側のはく離点位置がずれたなを表すと 0.2 となった．低温環境下でも FAC が発生

FAC rate [mm/y]する傾向は米田らによる実験結果（17）と整合する．
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

581 r&8  PV

upper

extrados

lower

intrados

図 12 は FAC 減肉速度に対する流速と温度の影

at the elbow
downstream
from the elbow

響を示す．同じ流速条件で比較すると，100℃での FAC 減肉速度は 150℃や 50℃での値に比べ大きい．この傾向は，既往研究（16） での 130 〜 150℃で最大値が現れるという知見とは異なっている．また，50℃の FAC 減肉速度（Run8 および Run9）はupstreamfrom the elbow-10 -8-6-4-2

150℃，1.40 m/s（Run2）における減肉速度と同等
0

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]

10
0.4

0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

5XQ r&8  PV

upper

extrados

lower

intradosat the elbow
downstream
from the elbow

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

intrados

0.1

0.45

-6

at the elbow
downstream
from the elbow

-4

-2

0

x/D

2

4

6

8

10

2

4

6

8

10

Elbow intrados

0.4

upstreamfrom the elbow

-8

（a）背側

FAC rate [mm/y]

FAC rate [mm/y]

extrados

0.15

10&DVH r&8  PV

lower

0.2

-10

Distance from entrance of elbow [x/D]

upper

0.25

0

（b）Run6（100℃ , 4.73 m/s）
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

150deg-C, 4.73 m/s (Run 5)
150deg-C, 1.40 m/s (Run 2)
100deg-C, 4.73 m/s (Run 6)
100deg-C, 1.37 m/s (Run 7)
50deg-C, 4.78 m/s (Run 9)
50deg-C, 1.34 m/s (Run 8)

0.3

0.05

upstreamfrom the elbow-10 -8

Elbow extrados

0.35

FAC rate [mm/y]

FAC rate [mm/y]（a）Run3（150℃ , 4.34 m/s）

150deg-C, 4.73 m/s (Run 5)
150deg-C, 1.40 m/s (Run 2)
100deg-C, 4.73 m/s (Run 6)
100deg-C, 1.37 m/s (Run 7)
50deg-C, 4.78 m/s (Run 9)
50deg-C, 1.34 m/s (Run 8)

0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05

-10 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Distance from entrance of elbow [x/D]

10

0
-10

（c）Run9（50℃ , 4.78 m/s）
図 11

異なる温度間での FAC 減肉速度の比較

-8

-6

-4

-2

0

x/D

（b）腹側
図 12

FAC 減肉速度に及ぼす流速と温度の影響

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑2

表３87

流速増加による FAC 減肉速度の増加率
上流

エルボ

下流

温度［℃］

流速［m/s］

背側

腹側

背側

腹側

背側

腹側

150

1.40 to 4.73

1.5

1.1

2.1

2.8

2.0

1.8

100

1.37 to 4.73

1.7

1.8

1.8

1.9

1.7

1.7

50

1.34 to 4.78

0.7

0.8

0.9

0.9

0.7

0.7

であった．

流や下流よりも大きくなり，エルボ下流では下流に流速と温度の複合影響をより明確にするために，行くにつれて減肉速度が低下した．流速増加にとも

表３に流速増加による FAC 減肉速度の増加率を示

ない FAC 減肉速度は増加したが，線形的な相関関す．ここで，50℃における増加率は 1.0 以下となり，係とはならなかった．エルボ上流の直管部の減肉速

流速増加にともない FAC 減肉速度が低下したかの度を基準とすると，エルボにおける減肉速度の比はような，不合理な結果となった．そこで，FAC 減

約 1.7 から 2.9 となった．

肉速度の変化は無視できるほど小さかったとして温度を 100℃に低下させると，エルボ腹側の減肉

50℃での増加率は全て 1.0 として取り扱うことにし速度が他の周方向位置の値に比べ大きくなった．温た．いずれにせよ，50℃における流速の影響は小さ

度をさらに 50℃に低下させると，FAC 減肉速度は

く，100℃および 150℃で比較的大きくなった．同低下したが，エルボ腹側で 0.09 mm/y と無視でき（16）

でも 130 〜 150℃において流速るほど小さい値ではなかった．同程度の流速で測定の影響が大きくなったと報告されている．エルボに結果を比較すると，100℃での減肉速度が 150℃や

おける FAC 減肉速度の増加率はエルボ上流や下流

50℃での減肉速度に比べて高くなった．流速と温度に比べて大きくなった．このことから，流速と温度の複合影響について，50℃においては流速影響が無の複合影響は場所によって異なり，エルボにおいて視できるほど小さく，100℃および 150℃では顕著

特に強くなることが示された．

となった．
また，
流速と温度の複合影響は場所によっ様に，既往研究

一般に，FAC は腐食（鉄母材の酸化と酸化被膜て異なり，エルボにおいて特に強くなった．流速と（3）の溶解）と物質移動の２つのプロセスで進行する ．

温度の複合影響は腐食過程と物質移動によって説明

温度は酸化や溶解に影響し，流れ場（流速や乱れ）可能である．50℃の時は鉄の溶解度が小さいため，は物質移動に影響する．すなわち，鉄イオンの溶解

流れ場の変化（流速，配管形状）が減肉速度にそれ

度は温度上昇とともに増加し，物質移動は流速増加

ほど影響を与えなかった．

にともなって促進される．また，エルボのような配管形状は乱流混合を引き起こして流れ場に影響を与え，物質移動を促進させる．しかし，50℃における5. 参考文献

実験結果では，鉄の溶解度が減少したためか，流れ（1） Utanohara, Y. and Murase, M., Influence場（流速，配管形状）の変化はそれほど減肉速度に

of flow velocity and temperature on flow

影響していない．このことから，低温での FAC で

accelerated corrosion rate at an elbow pipe,

は鉄の溶解過程が律速となっているため，流れ場のNuclear Engineering and Design, Vol.342

影響に対して感度が低くなっている可能性がある．

（2019）, pp. 20‑28.

4. 結論（2） 日本機械学会，発電用設備規格

配管減肉管

理に関する規格（2005 年版）（増訂版）（2006）．
（3） R. B. Dooley and V. K. Chexal, “Flow-

本研究では，エルボにおける FAC 減肉速度を異Accelerated Corrosion of Pressure Vessels

なる流速と温度条件下で計測し，熱流動場が FAC

in Fossil Plants,” International Journal of

減肉速度に与える影響を調べた．

Pressure Vessels and Piping, 77（2-3）,

150℃のループ水においては，FAC 減肉速度はエ

pp.85‑90（2000）．

ルボ腹側の値が他の周方向位置の値に比べ小さく（4） G. J. Bignold, K. Garbett, R. Garnsey and I.

なった．エルボにおける FAC 減肉速度はエルボ上

S. Woolsey: “Erosion-Corrosion in Nuclear

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑2

88

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pp. 138‑147（2013）．

Vol. 1, British Nuclear Engineering Society,pp. 243‑252（1983）．

（13） K. Kamahori, Y. Utanohara, A. Nakamura, M.
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