217

流れ加速型腐食速度に及ぼすクロム含有量，硬さ，金属組織の影響 ―実機取り替え配管からの検討―
Effect of Cr content, hardness and micro structure on flow-accelerated corrosion
in carbon steel pipes-Examination of replaced carbon steel pipes山田卓陽（Takuyo Yamada)＊

戸塚信夫（Nobuo Totsuka)＊

要約 加圧水型原子力発電所の２次系配管において，68 体の炭素鋼取り替え配管について，減肉状況の確認を実施した．流れ加速型腐食現象は，微量な Cr 等が減肉速度を抑制することが知られているので，本調査ではまず実機で使用される配管の微量元素の含有状況を調査した．加えて，金属組織，硬さについても調べ，流れ加速型腐食との関係について検討した．
その結果，(1)対象配管中の Cr 含有量は 1 体を除いて全て 0.1％以下であった．そのような微量な Cr 含有量の増加でも減肉速度を抑制する傾向が得られた．しかし，その抑制効果は流速条件を越えるものではないものと推察された．(2)全ての配管の硬さは，強度の規格上想定される硬さを示していた．硬さと減肉率の顕著な相関は認められなかった．(3)金属組織と減肉率との相関は認められなかった．
キーワード

加圧水型原子力発電所，2 次系配管，炭素鋼，エロージョン/コロージョン，流れ加速腐食，減肉

Abstract
68 replaced carbon steel piping in secondary system of pressurized water reactor(PWR) has been investigated by visual examination for checking thinning conditions. It is wellknown that the flow-accelerated corrosion (FAC) was inhibited by traces of Cr in steel. Therefore,
the chemical compositions of those steels have been measured. In addition, the micro structure andhardness of those steels have been investigated. And the relationship between those material
variables and FAC rate was considered.
As the results, (1) The Cr contents in those steels were below 0.1 wt% except one sample.
Minute quantities of chromium increase the resistance against FAC. But the water velocity wasthought to be the dominant factor rather than chemical composition in steel, at least such as below
0.1%Cr. (2) Hardness of all piping has been satisfied the specifications of each materials. The
hardness of steels was not correlated with wall thinning rate. (3) The micro structure was also notcorrelated with FAC rate.
Keywords

PWR, secondary piping, carbon steel, erosion/corrosion, flow accelerated corrosion (FAC),thinning1.

はじめに知られている (1)〜(5)．原子力安全システム研究所では，このような背景のもと，FAC に及ぼす 2 次系水Port によれば (1)，流れ加速型腐食（flow acceler-質の影響(6)，流況の影響等を調べる試みや，国内のated corrosion, FAC）については，環境因子として点検方法の健全性を海外の手法と比較するなどの試は 150℃あたりに FAC 速度のピークがあること，酸み(7)(8)を実施している．

素や高 pH が FAC 抑制に働くこと，流速が速い場

本報告では，FAC の材料因子を検討することを目所あるいは偏流の起こる場所で FAC が起こりやす的として，加圧水型原子力発電所（ＰＷＲ）の２次いことが指摘されている．また材料因子としては，系配管において取り替えられた炭素鋼配管 68 体につ微量な Cr，Cu，Mo でも減肉速度を抑制することがいて，減肉状況の確認を実施するとともに，それら＊ (株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

218

配管の材料因子と FAC 速度の相関について検討し番し，それぞれ対応するように示した．

た．本調査対象配管中には，多様な規格の炭素鋼が使用されていたので，配管の化学組成，金属組織，2.2

調査方法

(１)

減肉状況調査硬さ等の確認を実施し，特に Cr 含有量と FAC 速度との相関について検討した．また，材料の金属組織，炭素鋼配管 68 体について内面の外観観察を実施

硬さについても FAC 速度との相関を検討した．

し，減肉状況を確認した．減肉状況の確認はデジタ

2.

調査方法

ルカメラによる目視で実施した．対象部位は，その形状ごとに，直管部，チーズ，エルボ（45°），エル2.1

調査対象

ボ（90°），レヂューサを含む．各形状ごとの調査数
は，図 2 に示したとおりであり，直管部の多くはオ

本調査の対象配管は，PWR2 次系配管において取リフィスの下流等偏流の想定される部位である．直り替えられた炭素鋼配管 68 体である．対象配管の減管部の取り替え数が多いのは，知見拡充のための取肉率と使用環境の関係を図 1 に示す．減肉率は，実り替え配管を含むためである．

測の肉厚測定値から算出される減肉量を運転時間で(２)材料分析除した値で，関西電力（株）が実施した肉厚測定部

配管の材料分析対象元素は，JIS 規格で規定され点結果整理票の数値を引用した．横軸は使用温度をる C，Si，Mn，P，S の他，減肉の抑制効果が報告

25℃（常温）から 275℃までを 25℃刻みでプロットされている Cr (1)〜(5)，Cu，Mo (2)(5) とした．材料成した．湿り度とは湿り蒸気中に含まれる水分の量を分分析は発光分光分析法により実施した．測定は各示す値で，湿り度 100 の場合は単相流を示す．湿り配管から，溶接熱影響や切断影響のない部分から一度 100 は，図中●で，湿り度 15〜100 未満と 5 未満

部を切り出し，外面皮膜をグラインダで研削後，はそれぞれ◆と■で示した．流速は 0（常圧）から2〜3 箇所の測定を繰り返しその平均値を材料成分と臨界流速まで 10 段階で色分けして示した．また，各した．発光分光分析で材料成分分析を実施するにあ

マークは各温度，湿り度，流速ごとに識別番号を付たり，代表的な 10 個の配管については，別途化学分

2.0

使用温度−湿り度−流速
使用温度（℃） 識別番号
25−50
150−75275−100
3100−1254125−150
5150−1756175−200
78200−225
225−250
9250−275
10−4減肉率（×10 mm/h)

1.5

湿り度
（％） 識別番号 マーク
5未満
115〜21003

1-2-601-3-3

流速（m/s) 識別記号 色分け−
00−1
0.5〜112−3
33−4
44−6
610−20
20
30−40
40
50以上
50
臨界流速
臨

4-1-50
4-3-0.5
4-3-3
5-1-臨
5-3-1
6-1-401.0

7-2-50
7-3-0
7-3-1
7-3-3

0.5

7-3-6
8-1-2010-1-臨

0.0
024

図168
温度（×25℃）

対象配管の減肉率と使用環境の関係

1012219

析（湿式分析）を実施し，その信頼性を確認した．

3.

調査結果

3.1

配管内面状況観察結果

Cr 濃度の測定結果の代表例を図 3 に示す．発光分光分析による測定値が，化学分析に比較してやや大きくなる傾向（0.01〜0.02％程度）が見られるものの，配管減肉状況観察結果の代表例を図 4 と図 5 に示

化学分析の結果とほぼ一致する．
(３)

す．図 4 は単相流で特有の鱗片状模様が観察された金属組織，硬さ

金属組織用試料は，対象配管から溶接や切断の影

も の の 代 表 例 で，90°エ ル ボ 部，温 度 条 件 は響のない部分を切断し，配管の軸方向断面が現出す

175〜200℃，流 速 条 件 は ２ 〜3m/s，湿 り 度 100 でるように樹脂埋めし，鏡面仕上げ（コロイダルシリあった．このような単相流特有の鱗片状模様は，調カ）とした．研磨後 5％ナイタール溶液でエッチン

査配管 68 体中 48 体で確認した．

グを施し，光学顕微鏡で組織観察を行った．組織観

図 5 は 2 相流特有の流れ上流側に鋭い突起を持つ

察は，基本的に板厚中央部で実施したが，一部特徴減肉模様の代表例で，温度条件は 100〜125℃，流速的な鱗片状模様が見られた場合は内面側も撮影した．

条件は 50m/s 以上，湿り度は 5 未満であった．この硬さ試験は，組織観察用に樹脂埋めした試験片をような２相流特有の減肉模様は調査配管 68 体中 10組織観察後，再度ダイヤモンドペースト 3 μm 仕上げとし，板厚中央部をビッカース硬度計，荷重 2kg体で確認した．
調査対象配管中，常温で使用される配管 5 体については，温度条件 25〜50℃，流速条件 2〜3m/s，湿で 5 点計測し平均値とした．

り度 100 の条件で，減肉模様は確認されなかった．

0.53530

Cr 濃度wt%（発光分光分析）

0.4

数量2520151050
直管部

チーズエルボ（45°） エルボ（90°） レヂューサ
部位0.30.20.10.000.10.20.30.4

Cr 濃度wt%（湿式分析）

図2

取り替え配管の部位数

図3

Cr 濃度の発光分光分析と湿式分析の比較

流れ方向

溶接線

図4

配管減肉状況の観察結果の代表例 1（単相流）

0.5

220

材料成分は，強度成分である C，Si，Mn 量に差異があるが，耐食性の観点からは本質的な違いは無く，ほぼ同等の成分となっている．強度の規定では，例
えば STPT370 の場合，370 は強度の規格を示し，引張強さ 370MPa 以上，STPT480 では 480MPa 以上となる．化学成分の一般的傾向としては，強度の高い規格の場合に C 量および Mn 量が高い設定となっており，この両元素が強度をあげる場合に積極的に添加される元素である．全ての規格において，化学成分の規格上 Cr，Cu，Mo は規定されておらず，またこれらは P，S のような有害元素ではないので，どの程度材料中に含まれているかは材料規格からは判断できない．
発光分光分析の結果，対象配管中の C，Si，Mn，P，S の含有量は全て JIS 規格で規定される含有量に収まっていた．Cr については，0.1％を越えたのは一体のみで，その他の配管は全て Cr 量 0.1％未満であった．また，対象配管中の Cu 含有量の最大値は0.028％，Mo 含 有 量 は 0.017％ で あ っ た．Huijbregts によれば (5)，各元素の減肉抑制効果は，R＝ 0.61 ＋ 2.43Cr ＋ 1.64Cu ＋ 0.3Mo で表される．
図5

配管減肉状況の確認結果の代表例 2（2 相流）

この式から，係数の小さい Cu と Mo は，Cr に比べて減肉抑制効果が小さいものと考えられ，かつ Cu

また，温度条件 80℃の 2 体，185℃〜240℃の 3 体にと Mo 含有量は Cr 含有量に比べて少ないので，こついても，減肉模様が観察されなかった．これは，の含有量では減肉速度に影響しないものと推定され湿り度が 5 未満で，空気抜き管など水分をほとんどる．
なお，SGP は一般配管用炭素鋼鋼管の規格で，圧含まない系統や，間欠的に使用される系統であるた力のかかる部位や高温配管では使用されない．本調めと推定された．

査対象の SGP 配管は，前述のとおり全て常温常圧の3.2

材料分析結果配管で使用されていたものであり，また内面観察結果から FAC の兆候は見られなかった．

炭素鋼配管 68 体について発光分光分析による材料
分 析 を 実 施 し た．本 調 査 の 対 象 配 管 中 に は，3.3

金属組織

STPT38，STPT49，SF490A，SB42，SB46，SS41，
SGP の 7 種類の規格の鋼材が使用されていた．表 1

炭素鋼配管の金属組織の代表例を図 6 に示す．調に各規格の化学成分をまとめて示す．各材料規格の査対象 68 体は，全て典型的な炭素鋼のフェライト／表1JISG3101G3452

炭素鋼配管の化学成分 JIS 規格（抜粋）

新名

旧名C

Si

Mn

P

SS41―
STPT38
STPT49SF50A――
0.25 以下
0.33 以下
0.6 以下

G3103
同上

SB410
SB450

SB42
SB46

0.24〜0.3
0.28〜0.33――
0.1〜0.35
0.1〜0.35
0.15〜0.50
0.15〜0.30
0.15〜0.30

―
―

G3456
同上
G3201

SS400
SGP
STPT370
STPT480
SF490A

0.05 以下
0.04 以下
0.035 以下
0.035 以下
0.03 以下
0.035 以下
0.035 以下

0.3〜0.9
0.3〜1.0
0.3〜1.2
0.9 以下0.9 以下S0.05 以下
0.04 以下
0.035 以下
0.035 以下
0.035 以下
0.04 以下
0.04 以下

221

図6

炭素鋼配管の金属組織の代表例

パーライト組織であった．炭素量が多い配管についマークは鋼種に対応して示した．図では使用環境がてはパーライト組織量が多いもの，圧延材を巻いて多岐にわたるため Cr 濃度依存性は判然としない．

配管にしたものについては，圧延方向の層状組織がそこで，本調査対象中で比較的使用条件の近いもの見られるもの等の違いがあるが，基本的組織に大きを 抽 出 し て 議 論 す る．図 8 は，温 度 条 件 175℃な違いは無かった．

〜200℃，湿り度 100（即ち単相流）のものを抽出して示した．また図中流速条件ごとにマークと色を変3.4

硬度測定結果えて示した．流速条件ごとに比較すれば，Cr 濃度の増加に伴い，緩やかに減肉率が低下しているように対象炭素鋼配管 68 体について硬度を測定した．硬も見えるが，データ点数が少ないため判然としない．

さは概ね HV（2kg）＝ 120〜150 の間に収まっていまた，流速条件が 4〜6m/s の減肉速度は，Cr 濃度た．その中でも強度規格の高い SB46 が比較的高いが比較的多いにもかかわらず，流速条件の低いもの値を示し（HV（2kg）＝ 138〜149），強度規格の低の減肉率よりも速い傾向が見られる．このことは，い SGP が低い値を示す（HV（2kg）＝ 108〜145）

たとえ Cr による減肉率の抑制があったとしても，等，強度の規格上想定される範囲の硬さを示していこの程度の Cr 含有量では流速条件の方が減肉率にた．硬さと減肉率との相関については，考察の項で影響することを示唆する．

議論する．

次に，湿り度 100 以外のものを抽出して整理したものを図 9 に示す．図から，同一条件であれば Cr

4.

考察濃度の増加に伴い減肉率が減少する傾向が見られる．
しかし，図 8 同様，流速条件が厳しいほど，減肉率4.1

減肉率の Cr 濃度依存性が速くなる傾向が見られる．これは，ほとんどの配管が 0.1％以下の Cr 濃度であり，この範囲において材料組成分析の結果から Cu および Mo については，Cr 濃度が減肉率を抑制する効果は流速条件（あは，その含有量が全体に少ないことから，減肉率にるいは温度条件）に比べて小さいためと推察される．

対する Cr の影響についてのみ検討する．図 7 に減Chexal ら(3)によれば，炭素鋼配管の減肉率を一桁

肉 率 と Cr 含 有 量 の 関 係（全 デ ー タ）を 示 す．各抑制するために必要な Cr 含有量は，流速条件にも222よるが 0.5％ないし 1％程度であり，本配管調査で得減肉率（×10 mm/hr）10られた最大 Cr 量約 0.1％でもまだ少ない．本調査にSTPT38
STPT49SF490A
SB42SB46SS411

おける対象配管 68 体だけでは統計的に十分とは言えないが，このことは現状の規格の炭素鋼を使用する
限り Cr の含有による十分な減肉率の抑制は期待で−4きないものと考えられる．従って，積極的な対策として Cr 含有量を制御する場合には，クロムモリブ
デン鋼等 Cr 量が 1％程度以上であることが規格で規0.1定されている鋼材を用いるのが妥当であろう．

0.010.001

4.2
0.010.1
Cr含有量(%)

図7

減肉率の硬さ依存性

1

減肉率と硬さの関係（全データ）を図 10 に示す．

減肉率と Cr 含有量の関係（全データ）

各マークは図 7 と同様に鋼種に対応して示した．比較的高強度の SB46 の減肉率が高いように見えるが，これは硬さあるいは強度と減肉率が相関しているわ
けではなく，設計上高強度材がより厳しい条件で使

使用温度：175-200℃
湿り度：100（単相流）
流速：1、2-3、4-6用されるためである．図 11 と図 12 に，それぞれ図8 と図 9 で示したデータを硬さに対してプロットし1たものを示す．同一の鋼種で比較すれば，硬さと減−4減肉率（×10 mm/hr)

10肉率に顕著な相関は見られない．また，STPT49 や
SB46 など，比較的高強度材がより厳しい条件で使用されている．キャビテーション・エロージョン性0.1については，同系統の材料であれば硬いほどエロージョン性に優れる(9)ことが知られているが，本調査
0.01
0.01

対象配管においては，硬さとの相関が見られないこ
0.1
Cr含有量(%)

1とから，キャビテーション・エロージョンのような物理的作用は少ないものと推察される．

図8

減肉率と Cr 含有量の関係（単相流，温度範囲175〜200℃）

減肉率（×10−4mm/hr)

10

減肉率と金属組織の関係

図 13 に FAC 特有の鱗片状模様を示した配管の断使用温度：150-200℃
湿り度：0 〜 15（2 相流）
流速：30 〜 40（150℃）
50 以上（175℃）
臨界流速（250℃）

面観察結果を示す．図から鱗片状を呈す窪みの大きさは 1mm 程度であり，フェライト・パーライト組織よりも数 10 倍大きく，金属組織との相関は見られ

1ない．
0.10.010.01

図94.30.1
Cr含有量(%)

1減 肉 率 と Cr 含 有 量 の 関 係（2 相 流，温 度 範 囲
150〜200℃）

223

減肉率 (×10−4mm）

101

STPT38
STPT49SF490A
SB42
SB46
SS410.1

1 mm
0.01100120

図 10減肉率（×10−4mm/hr)

10140160180
ビッカース硬さHV(2kg)200

減肉率と硬さの関係

使用温度：175-200℃
湿り度：100（単相流）
流速：1、2-3、4-6200µm
1SF490A
STPT38

図 13STPT49

SB420.15.

鱗片状模様の断面観察結果

まとめPWR2 次系配管から採取した 68 体の試料につい0.01
100て減肉状況調査を実施し，それらの減肉率と Cr 含120140160180
ビッカース硬さ, HV(2kg)200

有量，硬さ，金属組織との相関を検討した結果，以下の結論が得られた．

図 11

減肉率と硬さの関係（図 8 に対応）

(１)

本調査対象配管において，0.1％以下という微量な Cr 含有量の増加でも，減肉率を抑制す減肉率（×10−4mm/hr)

10る傾向が得られた．しかし，この範囲の Crの抑制効果は流速条件を越えるものではない

使用温度：150-200℃
湿り度：0 〜 15（2 相流）
流速：30 〜 40（150℃）
50 以上（175℃）
臨界流速（250℃）

ものと考えられる．
(２)

1

全ての配管の硬さは，強度の規格上想定される硬さを示していた．硬さと減肉率の間に相SB46関は認められなかった．
STPT38(３)

金属組織と減肉率との間にも相関は認められなかった．

0.1

謝辞
0.01100

図 12120140160180
ビッカース硬さ, HV(2kg)

減肉率と硬さの関係（図 9 に対応）

200

本配管調査を実施するにあたり，配管内面調査およびデータ整理には，当社藤井登氏と石田仁志氏の多大な貢献があった．また，配管内面調査，試料準備等には，関電プラント村上公冶氏（現ＩＮＳＳ派224遣社員）の多大な協力があった．また，発光分光分
析の実施にあたり，日鉄テクノリサーチ水津昭氏から有益な助言を頂いた．ここに記して謝意を表する．

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材料