電中研におけるFACの予測技術の開発研究
電力中央研究所
軽水炉保全研究特別チーム
機器・配管健全性ユニット（原子力技術研究所／材料科学研究所）

1

研究の背景（１） 配管減肉現象
流れ加速型腐食（FAC）
 配管の鉄分の溶解（腐食）が、水の流れにより促進される現象
 主に復水系・給水系で発生
 大規模破断に至る可能性あり
水の流れの乱れ溶解の促進により広範囲に亘る減肉

液滴衝撃エロージョン（LDI）
 高速蒸気流中の液滴の衝突で、配管の壁が削られる現象
 主にドレン系・ベント系で発生
 ピンホールからの小規模漏洩
蒸気の早い流れで加速される液滴

液滴の衝突により局所的な減肉

蒸気＋液滴
水

エルボ
オリフィス

オリフィス下流でのFACの模式図※FAC: Flow Accelerated Corrosion

エルボでのLDIの模式図※LDI: Liquid Droplet Impingement Erosion
2

研究の背景（２） 配管減肉管理
肉厚検査計画

PLAN

初期設定
減肉率継続使用（検査箇所の選定）

肉厚差法（PtoP法）

最小自乗法

肉厚公称厚さTnom

肉厚検査実施

公称肉厚法

DO＋公差－公差12

判定基準厚さTm

3

配管余寿命評価4

必要最小厚さTsr

５年

５年

５年

５年

(継続使用の可否判断)
測定④

配管減肉管理の流れ

測定③

配管取替・補修

ACTION

測定②

否

測定①

可CHECK

運転時間

肉厚測定に基づく余寿命評価（PWRの場合）

 日本機械学会（JSME）「配管減肉管理に関する規格」に基づく管理
 配管の肉厚測定により減肉の進展を把握し余寿命を評価

 余寿命評価の精度向上には複数回の肉厚測定が必要
3

研究の目的・内容
配管に対する適切な管理（肉厚検査）によるトラブル防止
肉厚検査の対象範囲や実施時期の最適化

配管条件に基づく減肉現象の予測手法の開発
 現場管理に適用可能な予測ソフトウェアの開発

配管条件を模擬した環境下でFAC/LDIの実験データを取得
 実験データを用いて予測手法の妥当性を確認
4

電中研のFAC試験設備（単相，流動因子） 1/5【設備①】
FAC実験設備（流動因子影響評価，水単相流）

5

電中研のFAC試験設備（単相，流動因子） 2/5

FMORP
DODO

pH
N2H4

純水タンク

CD

イオン交換樹脂

再生
熱交換器

薬注タンク

窒素注入

窒素注入

定量ポンプ

循環ポンプ

Fe

ドレンタンク20kW x 2pH

窒素注入

自動流量制御機能

加熱ヒータ

CD

純水タンク内水質計測系統

FM

冷却器

凝縮器

FM

ループ循環水水質計測系統試験部

圧力調整弁700cc/min

250L/min

高温高圧・高流速ループ (2.2MPa 210oC)

低温低圧ループ

水単相流FAC減肉実験設備概要
Ref.：米田ら，電力中央研究所報告L08016 6

電中研のFAC試験設備（単相，流動因子） 3/5
実験前

実験後

 実験パラメータ
 温度、pH、流速、絞り比

顕著な減肉

流れ方向

減肉実験試験部の概略

実験前後の減肉試験片の例
Ref.：米田ら，電力中央研究所報告L08016 7

電中研のFAC試験設備（単相，流動因子） 4/5
FACの流動因子影響の評価試験設備
水質調整のための低温・低圧ループと，FACを生じさせる高温・高圧ループで構成
温度，pH，DOを水化学条件として任意に設定し，流速や流れの乱れ強さをパラメータとしたFAC試験を実施
可能試験部は矩形流路として上流に乱流促進板を設置してFACを促進．ガラス部を通じてレーザ変位計を用いて減肉量（板厚変化）を計測

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電中研のFAC試験設備（単相，流動因子） 5/5
FAC試験結果例
FACによる減肉の時間変化：概ね線形
流速の影響：流速の増加と共に大きく変化

各流速条件における減肉速度分布

各流速条件における減肉速度の時間変化
Ref.：米田ら，電力中央研究所報告L07015 9

電中研のFAC試験設備（単相，材料・水化学因子） 1/4
 主な使用 最高温度：200℃
 最高圧力：10MPa
 材質：SUS316L
 常用流量：～1.5L/min
 試験片数：4本（直列）FAC抑制法評価試験装置
10電中研のFAC試験設備（単相，材料・水化学因子） 2/4
オンライン減肉モニタリング
lead

直流電源

1.6Φ

38.1

12.7

（内径の約24倍）

電位差測定
88.9[mm]

電位差法による肉厚測定方法
・2点間の電気抵抗の変化から平均肉厚(W)を定期的に測定。

/24/

R：電気抵抗（Ω）ρ：比抵抗(Ω m)
L：電極間距離(m)dO：測定部の外径(m)dI：測定部の内径（m）
W：測定部の肉厚(m)α：補正係数11電中研のFAC試験設備（単相，材料・水化学因子） 3/4

肉厚変化

測定例：145℃，pH25℃7.0の脱塩水中で段階的にDO濃度を上昇

Cr濃度の異なる試験片の肉厚変化

試験後の流路断面
Ref.：藤原ら，電力中央研究所報告Q17004 12電中研のFAC試験設備（単相，材料・水化学因子） 4/4
 基本条件 試験片材質/形状：炭素鋼（STPT480）※/管状 温度：最大180℃
 流速：1.7L/min 特徴
 並列（4系統）に配列した試験片に同一条件の試験水を供給
 試験片にはこれまでと同等の腐食モニタリングシステムを配置
試験水循環系統

イオン交換樹脂

調整タンク

PP

P

予熱器

予熱器

予熱器

薬注
タンク

P 高圧ポンプ
1.5L/min
予熱器

Cr:0.001%
Cr:0.013%
Cr:0.03%
Cr:0.08%

試験部
オンライン
減肉＆ECP測定

並列型FAC抑制法評価試験設備（2017年度導入）

13電中研のFAC予測モデルの開発 1/3
金属

鉄の溶解・拡散酸化物 飽和層
CS,Fe

Fe3O4

拡散層

δ
C∞,FeFe = Fe2+ + 2eJMe,FeJOx,Fe

酸素の供給・消費

沖合い溶液

JFe

C∞,O2CS,O2JO2IO22H+ + 1/2O2 + 2e- = H2O（or H2O + 1/2O2 + 2e- = 2OH- ）CS,H21-θ

水素の発生・拡散C∞,H2JH2IH2【予測手法の仮定】• FACによる減肉は定常状態• マグネタイトを主成分とした酸化皮膜• 酸化皮膜表面の飽和溶解層の存在• 拡散層における拡散が律速過程

2H+ + 2e- = H2

クロムの溶解・拡散

γ-CrOOH
JMe,Crθ

CS,CrJOx,CrJCr

C∞,Cr

ＦＡＣの現象モデルの概念図

 FAC減肉率（TR）の予測式は主要な影響パラメータの積で構成
 流体力学因子：物質移動係数 kM
TR = (1‐)SFekM
 水化学因子：鉄の飽和溶解度 SFe 材料因子：クロム酸化物の面積比 θRef.: 藤原・米田，電中研報告 Q08016など 14

D/d10pH7.0150degC
d=0.5m

1pH9.3150degC
d=0.5m0.1510671010
Reynolds number Re [–]100

pH7.04

SFe= [Fe(OH)b=1

物質移動係数kM(3–b)+
b–1]

10pH9.3

1810

Relative effect of Cr on FAC 1– [–]

0.33

Sc

Saturated Solubility SFe [ppb]0.88

kM0=0.0396Re

0100
200
Temperature [degC]

300

SCrMCr/X Cr
=1/ 1+ –––––––––
SFeMFe/X Fe(1)pH9.3150degC
0.5

pH7.0150degC0–3
10–2–10101010Chromium Content XCr [w t%]

110クロム含有率の影響1‐

鉄の飽和溶解度SFe
d=0.5mV=3m/sCr=0.01wt%

0.6
FAC rate TR [mm/10kh]

Mass transfer coef. kM0 [mm/s]

電中研のFAC予測モデルの開発 2/3

pH7.00.40.2

pH9.300100
200
Temperature [degC]

300

減肉率（(1‐)SFekM）
FAC予測モデルの主要な構成要素と減肉率の予測傾向
15

電中研のFAC予測モデルの開発 3/3
実機プラントのデータによるモデルの検証
実機BWRプラント/PWRプラントの減肉データによる予測モデルの性能評価を実施
概ね保守側の評価，高減肉箇所についてはファクター2以内での評価
FAC予測モデルの予測値と実測値の比較

Ref.：米田ら，電力中央研究所報告L11007

16

FAC予測ソフトウェアの開発 1/4
 配管減肉予測ソフトウェアFALSETの開発
 FALSET：FAC and LDI Prediction Software for Pipe Wall Thinning 実機発電プラントの減肉管理における簡便な利用を想定した、当所独自開発の配管減肉予測ソフトウェア
 FALSETの基本的な設計理念
 現場での実用性
 プラント現場のデータ・情報を基に減肉率・余寿命評価を短時間で評価

 視覚的な理解性
 系統配管の中で管理上の優先度が視覚的に理解しやすい表示 評価の説明性
 公開情報を基にした減肉率・余寿命評価、技術的根拠の参照提示
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FAC予測ソフトウェアの開発 2/4

配管レイアウト入力例

 配管レイアウトの入力
 配管全体レイアウトがアイソメ図面に対応して三次元的に表示
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FAC予測ソフトウェアの開発 3/4
配管要素の相対的な減肉傾向（形状係数Geo）（エルボ・曲り管の例）
エルボ・曲管

109φ=90φ=608
形状係数 Geo [-]上流側要素の影響

VdRφ=457φ=30654321001234
曲率半径／管内径 R/d [-]5

各部位の形状影響評価

 FALSETでの配管レイアウトの影響評価
 流体力学因子の評価手法は詳細なCFDの実施ではなく，配管レイアウトに沿った１次元的な簡易評価手法（形状係数）を使用して適用
Ref.：米田ら，電力中央研究所報告L09006

19FAC予測ソフトウェアの開発 4/4

減肉予測ソフトウェアFALSETによる減肉率予測結果表示の例

FALSETによる残余肉厚予測の例

 国内プラントデータを用いた検証・妥当性確認を実施中
 肉厚検査の対象範囲や実施時期の最適化に、将来的に活用
Ref. 1：米田ら，PVP2013-97601， Ref. 2：内山ら，JSME年次大会，S0820103 20