―― 解

説 ――

293

福井地域を基盤とした近畿圏連携による高経年化対策強化基盤整備事業の実施報告(平成 20 年度)
The Research Project on Technical Information Basis for Aging Managementin Fukui and Kinki Area（2ndReport）
藤村公也（Kimiya Fujimura)＊ 1

渡海親衛（Chikae Watarumi)＊ 2

藤堂二彦（Tsugihiko Toudou)＊ 1

要約 高経年化対策強化基盤整備事業は，経済産業省原子力安全・保安院により，我が国の原子力発電所における高経年化対策に資するため，国内実用原子力発電プラントの高経年化に関する技術
情報基盤整備を行うことを目的として，平成 18 年度に開始され現在に至っている．
具体的研究課題は，高経年化対応の安全研究ロードマップの一部を担うことを念頭に，加圧水型
軽水炉を中心として 15 基の原子力発電設備が立地し，地域内及び近隣の近畿圏に多くの原子力関係の研究機関や大学を有する福井地域の特徴，及び各組織の研究・事業実績を基にその専門性を十分生かせるものとして，下記の 4 つの分野から選定されている．
1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に関する研究
2）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価に関する研究
3）溶接補修技術に関する研究
4）主要構築物の劣化に関する研究研究の推進に当って，原子力安全システム研究所（以下「INSS」という）技術システム研究所
は，福井地域を基盤とした近畿圏連携（以下「福井クラスタ」）による研究の実施母体として，域内の大学，研究機関，電気事業及びメーカーと協力して福井地域高経年化事業コンソーシアムを立ち上げ，その中心として研究の受注，円滑な実施，および報告書の取り纏め業務といった総合的立場
での役割を担ってきた．
平成 20 年度の福井クラスタの事業で実施した研究は，上記の 4 分野別に示せば，配管減肉関連で4 件，検査技術関連で 3 件，補修溶接および主要構築物について各 1 件，計 9 件である．いずれの研究も円滑に実施され，所期の成果を達成することができた．
キーワード

原子力発電プラント，高経年化，配管減肉，検査技術，溶接金属，コンクリート

Abstract
The Research Project on Technical Information Basis for Aging Management was
initiated in 2006 by the Nuclear and Industrial Safety Agency (NISA) of the Ministry of Economy,
Trade and Industry (METI), to promote aging management of domestic nuclear power plants. Its
main objective was to improve the technical basis on which aging plants are regulated.
Upon taking part in the R&D Roadmaps for Aging Management and Safe Long Term Operation,
the experience and results of the participating organizations were considered and the following four
topics were extracted. The regional characteristics of the Fukui and Kinki area where 15 nuclear
power plants, mainly PWRs, and many nuclear related research institutes and universities arelocated, were also considered.
1）The improvement of pipe thinning management in nuclear power plants2）The development of inspection techniques to monitor the initiation and propagation of defects
3）The development of a guideline for evaluating weld repair methods4）The development of a guideline for evaluating the degradation of main structures
To promote this research project, INSS has established a regional consortium（called the ,Fukui
Regional Cluster- in coordination with universities, research institutes, electric utilities andvenders in the Fukui and Kinki area. INSS is acting as of coordinator to make a contracts, facilitate
execution, and compile annual reports.
In FY2008, 11 research subjects were proposed for this project and all were accepted. Of these, 4subjects were related to the first topic（pipe thinning）, 3 subjects were related to the second topic＊1＊2(株)原子力安全システム研究所(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所
技術システム研究所

客員研究員

294

（inspection technique）and 1 subject was related to each of the other two topics（weld repair &main structures ）. All the subjects have been completed, fulfilling the requirements andexpectations.
Keywords

1.

nuclear power plant, plant aging, pipe thinning, inspection technique, weld metal, concrete

序言

マ 4 件を，その目的とともに示す．
①技術情報の基盤整備等：高経年化対策強化基盤

高経年化対策強化基盤整備事業は，経済産業省原整備事業全体を総合的・俯瞰的にとらえつつ，子 力 安 全・保 安 院（以 下「NISA」と い う）が，我本事業の中で産学官が有する知見，施設等を効

が国の原子力発電所における高経年化対策に資する

果的に活用して実施する研究成果に基づき，新ため，国内実用原子力発電プラントの高経年化に関検査制度における高経年化対策のための技術情

する技術情報基盤整備を行うことを目的として，平報の整備を図る．

成 18 年度より開始された．事業の企画・推進に当っ②健全性評価の妥当性確認手法の確立等：高経年ては，より広くかつ深い知識経験に基づくことが重化に対応した照射脆化予測評価の科学的・合理要との考え方から，原子力関連の産・学・官の研究的な技術基盤を与えることを目的として，原子組織の地域連携が基本となっていること，その受け

炉圧力容器鋼の中性子脆化に関して，現行の監皿として，INSS が福井地域高経年化事業コンソー

視試験方法における溶接熱影響部に関わる妥当

シアム（略称：福井クラスタ）を立ち上げ，研究の性を検討するとともに，イオン照射により照射

受注，円滑な実施，および報告書の取り纏め業務と条件や材料条件等を系統的に設定したデータをいった総合的立場での役割を担ってきていることは，取得し，照射脆化予測の技術基盤を整備する．

本誌昨年度報で紹介したとおりである(1)．本報告で③経年劣化事象の解明等：高経年化が進行しつつは，これに引き続き，平成 20 年度事業の成果とともあるプラントの寿命予測精度を向上させ，そのに研究の企画・推進に当っての INSS の活動の概要

科学的合理性を担保するため，劣化メカニズムを紹介する．

に着目し，実験的手法および解析的手法により劣化現象の解明等を行う．

2.

事業の全体概要④経年劣化事象の進展予測・評価手法の確立等：
原子力発電設備の経年劣化対策を科学的・合理原子力安全・保安院より示された平成 20 年度テー的に行うため，過去の研究成果をもとに最新の原子力安全・保安院

図1

高経年化対策強化基盤整備事業の実施体制

295

知見を加味し，経年劣化事象の進展予測並びに3.

研究課題と実施体制

評価手法の高精度化や検査技術，補修技術の妥
福井クラスタの平成 20 年度受託研究テーマは「経当性評価手法の確立等を図る．
これらのうち，INSS が福井クラスタ代表として

年劣化事象の進展予測・評価手法の確立等」である．

受注したテーマが④である．その具体的研究内容に具体的研究内容の提案に当っては，高経年化対応のついては次節に紹介する．他のテーマはそれぞれ，

安全研究ロードマップの一部を担うことを念頭に，①三菱総合研究所（東京クラスタ），②(特)日本原子福井クラスタ構成メンバーの研究・事業実績をもと力研究開発機構(茨城クラスタ), ③(株)インテリに，その専門性を十分生かすことを考慮し，表 1 にジェント・コスモス研究機構（東北・北海道クラス示す形で，下記の 4 分野について，合計 11 件の研究

タ）の取り纏めとなった．また，これらのクラスタを各機関への再委託の形で実施することとなった．

相互間の情報の共有や研究内容の調整等の概要は図

いずれも平成 19 年度に引き続くものである
1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に

1 に示すとおりである．
表1

平成 20 年度研究課題と実施担当

研究課題
分野
1）
原子力発電プラントの配管
減肉管理の高度化に関する
研究

課題

担当＊
個別課題

機関

取纏め者

(1)配管減肉予測・評価法の精度向上

名古屋大
大学院

久木田豊
教授

(2)液滴衝撃エロージョンに対応した配管減肉評価法の構築

福井大
大学院

服部修次
教授

(3)減肉配管の破壊モード評価法の高度化

福井大
大学院

飯井俊行
教授

(4)配管減肉の定量評
価法の有効性検証

a. ガイド波による広域モニタリング手法の
検証

徳島大
大学院

西野秀郎
准教授

b.

ガイド波検査シミュレータの構築

C.

配管減肉サイジングの高度化

神戸大
大学院

小島史男
教授

2）劣 化 発 生・ （1）高調波によるニッケル基合金溶接部近傍の閉口 SCC の評価と画像 超音波材料 川嶋紘一郎
進展状況把握化に関する研究
診断研究所
所長のための検査（京 都 大 大 （琵琶史郎
技術評価に関
学院）
准教授）
する研究
（名 古 屋 工 （林高弘
大大学院）
准教授）
（2）3 次元超音波探傷法によるニッケル基合金溶接部 SCC の高精度サ
イジング

発電設備技 古村一郎
術検査協会 研究グルー
プ長(3)マイクロ波検出技術を用いた高分子
材料への放射線照
射による経年劣化測定技術に関する
研究

大阪大
大学院

関 修平
准教授

福井工大

砂川武義
准教授

a.

放射線照射による経年劣化過程の解明

b. 経年劣化測定技術の評価精度向上

3）溶接補修技術に関する研究(1)補修溶接施工条件に応じた健全性評価技術の確立，補修後溶接部の 大阪大
長期使用後における健全性評価技術の確立，および補修溶接方法の 大学院実機適用における施工健全性の検証

西本和俊
教授

4）主要構築物の劣化に関する研究(1)コンクリート構造物のひび割れによる鉄筋腐食評価法の高度化に関
する研究

大阪大
大学院

岸本一蔵
准教授

＊（

）は他機関研究協力者（同一機関内研究協力者は記載省略）

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図2

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福井クラスタでの高経年化対策強化基盤整備事業活動の全体像関する研究
2）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価

果及び今後の課題を紹介する．
1）原子力発電プラントの配管減肉管理の高度化に関する研究に関する研究3）溶接補修技術に関する研究

炭素鋼配管の減肉管理(2)(3)の充実に向けての既存

4）主要構築物の劣化に関する研究

技術の応用や新技術の適用の進展に備え，減肉予研究実施者の専門性の活用と連携および事業関係測・評価法の精度向上，減肉配管の破壊モード評価

者間の情報の共有化を図るためのクラスタ内検討委

法の高度化及び減肉配管の検査技術の高度化等につ員会の設置，運営を含む，福井クラスタ内の事業活

いて，測定等により基礎情報を収集し，得られた成動の全体像を図 2 に示す．なお，図 1 に示す総括検果を踏まえ，減肉による配管破断リスクを考慮した討会および個別検討会や他クラスタの検討委員会へ保全を可能にするための技術を整備することを目的も積極的に参加協力した．

とするものである．このために以下の 4 つ研究が実

また，福井クラスタ事業を締め括る事業成果報告書の作成に当っては，その前提となる各研究担当者

施された．
①

配管減肉予測・評価法の精度向上からの報告書について，研究内容の確認とともに当流 動 加 速 腐 食（Flow Accelerated Corrosion：

初事業計画との整合性を吟味・確認し，研究成果にFAC）による配管減肉の進展速度に大きな影響を対する事業統括者としての見方を反映するよう努力

及ぼす可能性の高い物質伝達に注目し，壁面近傍

した．

でのイオン輸送を模擬した電気化学実験により局所物質伝達率（観測量は限界電流）を測定しその4.

研究内容および成果の概要

特性を調べるとともに，配管減肉の進展速度が増大する部位の流れに注目した流動実験と流動解析

ここでは，各分野での各課題の研究で得られた成により，流れの剥離，再付着，旋廻等が物質伝達

297に与える影響を調査した．

れに大きな影響を与えることなども明らかになっその結果，電気化学実験では，溶液内の溶存酸

た．解析モデルの調査・評価では，FAC において素及び溶液の経時変化は，物質伝達率の絶対値に特に重要な現象である，高シュミット数条件にお影響を与えるものの，評価の範囲では物質伝達率

ける滑面壁乱流（チャンネル乱流場）での物質伝の定性的な傾向に与える影響は小さいことが分達に関する詳細解析により，高シュミット数乱流

かった．しかし，測定データには電気ノイズなど場では，壁面物質伝達予測では乱流シュミット数の外的要因によるばらつきが見られ，物質伝達率の局所性を反映させる必要性があることや，濃度評価の高精度化に向けては，その原因究明と対策境界層厚が薄くなることにより速度場と濃度場のの必要性が明らかになった．一方，流動実験では，相似性が崩れること，さらには壁面物質伝達率に

実験用水ループにオリフィス下流側流れを模擬し最大で 30％程度の局所変動があること等が明らかた試験部を設置し，画像粒子流速計測法を用いて，になった．これらの結果から，解析モデルの改良

配管壁近くの速度勾配変動と流れ場の相関に関すによる評価の高精度化が可能であると考えられるるデータを取得した（図 3）．その結果，配管壁近ものの，レイノルズ数が高い場合（Re ＞〜26000）

くの速度勾配変動に関して，管路中央部のオリ乱れの増加傾向が確認され（図 4），原子炉配管を

フィス下流の大きな流動変動の寄与，再付着点近対象とする定量的評価を行うためには，より高い傍での流れ方向速度や壁垂直方向成分との負の相レイノルズ数乱流場での解析が必要であることが関，速度勾配変動と乱流エネルギーの強い相関等，分かった．また，実機で観察された鱗状粗さのモ

配管減肉の進展速度の予測の高精度化に有用な知デル化，及びモデル化された 3 次元粗面上での壁見が得られた．また，実機条件を想定した旋廻流

面物質伝達に関する直接数値シミュレーションにが存在する場合の実験からは，オリフィス上流でより，任意形状下での粗さを考慮した直接数値解のわずかな偏流履歴の存在やオリフィス下流に設析ができることが確認され，あわせて，高シュ置された突起（表面粗さの模擬）が，下流部の流

ミット数流体の粗面上での準周期的な流れの剥
離・再付着に伴う流動による物質伝達の促進，流

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動条件・粗さの基本スケールが同一であれば，物質伝達の促進速度は異なるが物質伝達の促進機構
そのものは類似であること等，今後の 3 次元粗さ㹢㹢上の解析の改良に繋がる知見が得られた．
今後は，本年度本格化した実験及び解析を，さ㹢㹢

らに広い条件，特に旋回流や壁面粗さといった現

実的な因子を加味した条件で実施し，結果を系統㹢㹢的に整理し，減肉予測の不確かさに関する情報整
図3

実験モデル概要（狭域撮影例)

理につなげることが考えられている．
②

液滴衝撃エロージョンに対応した配管減肉評価法の構築㝀⏲㞹Ὦࠈ(A)Re㹳26000

配管減肉の予測のための試験法確立のための基礎的知見を得るため，従来使用してきたキャビ
テーション噴流試験装置に ASTM G134-9 に基づく改良を加え，各種の液体衝撃エロージョン試験を行った．先ず，炭素鋼配管 STPG370 相当材料

-510の S15C，及 び ス テ ン レ ス 鋼 配 管 相 当 材 料 のSUS304 丸棒材，配管用合金鋼 STPA24 の各材料

104
Reynoldsᩐ
図4

限界電流に及ぼすレイノルズ数の影響について 35℃でのエロージョンの流速依存性測定試験により，限界流速がそれぞれ 80m/秒，120m/
秒，90m/秒であること，およびエロージョン機構
は 3 者とも同様であり塑性変形の進展による結晶

298

a.

液滴エロージョン模擬試験b.

液体衝撃エロージョン試験

図 5 エロージョン過程の SEM 観察写真例

粒界近傍の盛り上がりを基点として脱落が進展すること等が確認された．また，液滴衝撃（Liquid

することを目指すことにしている．
③

減肉配管の破壊モード評価法の高度化

Drop Impact：LDI）エロージョンによる減肉が発この研究では，これまで，減肉（非平面状欠陥）

生しやすい箇所が流れの方向の変化する部分であによる肉厚管理を念頭に置いた強度余裕や内圧破ることに注目して実施した，SUS304 に対する液裂時の破壊モードに関するデータ収集が行われて体の衝突角度を変化させた試験により，衝突角度

きた．しかし，海外で溝状の局部減肉（平面状欠の影響を考慮した流速依存のエロージョン予測式陥）によるギロチン破断事象の発生が明らかにが得られた．これは，Fyall ら (4) 及び Baker ら (4)なったため，改めて曲げ荷重下における平面状欠の液体衝撃エロージョンに対する式と同じ傾向を

陥と非平面状欠陥との間の破壊挙動上の境界を明示すことから，液滴衝撃と液体衝撃の両エロー

らかにし，合わせて両者を統一的に扱える強度評

ジョン機構の類似性を示唆するものと考えられる．

価法を構築することとなった．このため，これま

さらに，平成 19 年度に実施した予備試験で，エでの非平面欠陥内圧破裂試験に加えて，新たに平ロージョンが最大となる液温は 120℃であること

面欠陥内圧破裂試験を実施し，欠陥の形状パラが明らかになったが，本年度は，試験実施の容易

メータ（深さ，長さ，幅［周方向見込み角］等）

さから，ASTEM G134-95 に基づき 35℃程度の液と配管破壊モードの関係を調べ，得られたデータ

温で試験を行った．この点については，35℃およと非平面状欠陥を有する配管の 3 次元弾塑性有限び 120℃で液体衝突時の衝撃力の測定を行い，限要素解析と合わせて，平面状欠陥と非平面状欠陥

界流速近傍の流速 80m/秒から 100m/秒では両者の分類(5)の評価指標を明らかにするための検討をはほぼ同じ傾向を示すこと，および衝撃エネル

行った．その結果，溝状減肉（平面状欠陥）を施

ギーも同等であることを確認し，その妥当性を検した直管に対する内圧破裂試験から，減肉幅が全証した．また，この液体衝撃エロージョン試験装

周にわたる場合は，減肉形状によっては，一般に置が液滴衝撃を適切に模擬できていることを確認考えられている軸方向割れではなく周方向割れがするため，ASTM G73-04 に基づく従来の液体衝

生じ，場合によってはギロチン破断に至る可能性

撃エロージョン試験装置である回転円盤装置を用があること（図 6 の a）
，また減肉幅が ASME 規

いた液滴エロージョン模擬試験・SEM 観察を行

格の平面状欠陥の範囲以下になると，変形が局部

い，そのエロージョン機構が液体衝撃エロージョ

的なものとなり減肉部の長手方向にき裂が入り，ン試験装置の場合と同様であること明らかにした

局部割れと破裂を起こすことが（図 6 の b）確認

（図 5）．今後は，衝突角度の材料依存性や液滴径された．また，減肉配管の破裂内圧評価式についの影響に関するデータを蓄積し，最終的には，配ては，既往（例：Stephens 式）のように減肉部厚

管素材，液滴流速，衝突角度，粒子径データを考みと軸方向長さのみを考慮するものに代えて，新慮した液滴エロージョンによる減肉評価法を構築たに，非平面状欠陥から平面状欠陥まで一括して

299

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減肉長さを変えた場合

b. 減肉幅を変えた場合
図6

内圧下破壊モードマップ

扱うことができる破裂内圧評価式が提案された．

タとの比較によりその除去が可能であることから，さらに，地震等外乱に対する強度評価を念頭に置

検出信号の傾向監視による減肉検出が可能である

いた，非平面状欠陥から平面状欠陥まで一括してことが明らかになった．また，減肉形状に対する扱うことができる限界曲げ荷重評価式を導出する

検出性能評価実験では，平成 19 年度に明らかにため，模擬減肉を施した直管に対する内圧＋曲げなった反射体使用の有効性を再確認するとともに，荷重試験が行なわれ，所期のデータが得られた．

矩形状欠陥での管軸方向幅の増加および減肉深さ

これらのことから，本研究の最終目標とする，直の増加に伴う検出感度の上昇，円弧状欠陥の検出

管部での平面状欠陥と非平面状欠陥の許容判定基

感度が矩形状欠陥の場合に比べ 8 割程度まで低下

準導出及びその結果を踏まえた評価指針作成の見すること等が明らかになった（図 7）．なお，矩形通しが得られ，同時に，その基礎データを得るた

欠陥の管軸方向幅を 3mm から 120mm まで増加さ

めの，より重要な検査部位であるエルボへの適用せた実験では，検出信号の振幅の周期的変動が観に関する調査の道筋も明らかになった．

察され，これが欠陥の両端で発生する反射波の干④

配管減肉の定量評価法の有効性検証

渉によることが判明している．これにより，減肉

この研究のサブテーマは，超音波ガイド波によ欠陥の増大過程での検出信号の変化を観察するこる広域モニタリング手法の検証，ガイド波検査シとにより減肉サイズ同定の可能性が明らかになっミ ュ レ ー タ の 構 築，お よ び 電 磁 超 音 波 探 触 子た．さらに，多重反射エネルギー閉じ込め法の検（Electro

Transducer ：出能力最適化については，直管を用いた実験的なEMAT）による減肉配管サイジングの高度化の 3Magnetic

Acoustic

検証とシミュレーションでの検討により，0.25％

つである．

の断面欠損率の減肉欠陥を検出可能であることが先ず，超音波ガイド波による広域モニタリング

確認され，あわせて通常の反射体 1 個を用いた方手法の検証に関しては，エルボ管での欠陥検出性法に対して最大で 6.4 倍，従来法に比べて 16 倍程能の確認，減肉形状に対する検出特性知見の蓄積，度の感度上昇が見込めることも明らかになった

及び平成 19 年度研究成果として基本構想を提案し（図 8）．これらの成果を踏まえ，今後は実機適用

た多重反射エネルギー閉じこめ法での検査能力のの可能性の確認に向けて，エルボ管，チーズ管お最適化検討を行った．その結果，エルボ管での検よび溶接線近傍での，多様な減肉欠陥形状に対す

出感度は直管の場合の 1/3 から 1/4 であること，る欠陥検出性能の評価および実試験片での検出性

また溶接線やエルボ部の影響等，施工関連の個体能評価等を進めることとしている．

差による不要信号が発生するが，これは初期デー

ガイド波検査シミュレータは，ガイド波検査で

300

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図7

反射波振幅 vs 断面欠損率

図 8 反射波振幅 vs 反射体での反射回数―欠陥深さ 1.50mm（断面欠損率 5.17％）の例―

̿̿  㺑㺥㺂㺯㺅㺑㺃㺲⤎ᯕ̿̿  EMAT ᐁῼೋ̿̿  ᚗඔᙟ≟㸝ᖕ㹺῕ࡈ᥆ᏽೋ࡞ᇱࡘࡂ㸞

図 9 楕円減肉形状の EMAT 実測値とシミュレーション結果との比較の観測可能領域を科学的かつ合理的な形で設定すング計測法の性能を評価した（図 9）．さらに，るための支援ツールである．本研究では，米国でFAC を想定した管試験体に対し，EMAT による先行研究情況調査結果も踏まえて，薄肉近似を用

減肉サイジングの有効性検証試験を行い，減肉面

いて構築したガイド波検査機構の時間進化型モデが十分になだらかな曲面であれば飛行時間（Timeルと，フーリエ・ガラーキン法を用いて導出した

of Flight：TOF）による減肉サイジングの可能性

有限要素数値解析モデルとをもとにシミュレータを確認した．また，経年評価対象である炭素鋼をを作製した．これを用いて，検出効率向上のため用いたエルボ模擬配管に関する予備実験により，の加振周期，加振点数，及び反射体位置等の測定

これまでのステンレス鋼減肉配管の場合と同等の条件の適正化検討を行い，新たに提案された反射減肉サイジング性能を維持できることを確認した．

波伝播時間測定による減肉箇所および減肉幅の同以上のことから，ガイド波による軸方向減肉幅

定方法の有効性を検証した．

の評価と EMAT による定点監視とを組み合わせ

EMAT による配管減肉サイジングの高度化でることにより，日本機械学会配管減肉管理規格(3)は，先ずこれまでの研究成果をもとに，データ収に定められている寸法計測に対応した新たな減肉集用の試験機材を製作・整備し，LDI や FAC を

容量計測を整備することの妥当性が確認された．

想定した減肉欠陥を施した平板試験体に対し減肉

今後はその実現に向けて，複雑形状配管での減肉

サイジング計測法の検討及びシミュレータの改良によるガイド波伝播機構の解明のための解析検討，を行った．これを踏まえて，シミュレーションと検証試験，検査法改良等を行うこととしている．

実験データを用いて，新たに策定した減肉サイジ

3012）劣化発生・進展状況把握のための検査技術評価に

従来の超音波法よりも S/N 比が大きいので，画像関する研究のコントラストも強く（図 11），切断実測深さ約

本研究は，原子力発電所の容器・配管に用いられ7mm にある 3 個の粒界 SCC に対する超音波によているニッケル基合金・ステンレス鋼溶接部に発生る深さ測定の誤差は，2 個については 1mm 以内，し得る応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking：1 個については 3mm 以内であった．このような誤SCC）を極めて高感度，高精度で検出，サイジング差が生じる理由として，粒界 SCC 面が疲労き裂のできるよう意図した非破壊検査技術の妥当性評価にような平面でなく結晶粒単位で異なる方位を持つ関する研究 2 件と，原子炉格納容器内で用いられて3 次元的な凹凸を伴うことが考えられるため，さいる安全系ケーブル絶縁材がプラントの高経年化にらなる信頼性の向上策として，複数の探触子を用より進展する絶縁機能の劣化を高感度，高精度で測いる方法やフェイズドアレイ装置のように，ある

定するよう意図した診断技術の妥当性検証に関する範囲の散乱波を収録し開口合成法を適用する方法

研究 1 件の，計 3 つの研究から成っている．

等の採用を検討した．具体的には，接触式焦点型①

斜角入射探触子により超音波を入射し，レーザー

高調波によるニッケル基合金溶接部 SCC の評価と画像化に関する研究

ドップラ振動計を用いて走査が容易な非接触で散超音波を用いた高精度の非破壊的き裂寸法評価乱された縦波及び横波を受信できることの確認，技術の研究の一環であり，高調波及び分調波を用および空気超音波探触子を用いて 300kHz 程度のいた SCC の画像化法の構築を主眼に，さらなる高板波を送信し，60kHz の低周波加振を重畳したと度化のため基盤整備としてのポンピング波励起サ

きの信号を空気超音波探触子及びレーザードップ

イドバンドを用いた微細き裂の検出，および二周

ラ振動計により受信し，サイドバンドを用いてき波数バースト波送信による非線形超音波特性の解裂の有無を非接触で検出できることの確認等であ明とき裂の評価を行った．

る．

先ず，高調波及び分調波を用いた SCC の画像化

ポンピング波励起サイドバンドを用いる微細き法の構築では，画像化によるサイジングの技術の裂の検出は，超磁歪アクチュエータによって励振

実機適用性検証のため，SUS316 板上に肉盛溶接される数 kHz の低周波振動と超音波探触子によりしたインコネル 600 部分に導入した 3 つの粒界入力される 100kHz 程度の高周波振動を用いたと

SCC を有する試験体に大振幅バースト波を入射きに生じる，き裂の開閉口によるサイドバンド

し，SCC 部の繰返打撃やすべりにより励起されるピークを測定することにより閉じたき裂を検出す

高調波あるいは分調波の振幅を，水浸法及び接触るものである．最大のポンピング波が得られる条背面散乱波法により画像化し（図 10），その寸法

件 で，人 工 欠 陥 を 付 与 し た SUS304 配 管 試 験 体を評価した．粒界 SCC からの散乱波高調波信号は（長さ 2m）を用いたサイドバンド検出実験では，

0

図 11
図 10

超音波画像と欠陥の対応関係

10

20MHz

試験片の高調波 SCC 画像例
上：平面図，中：縦断面図，
下：受信波形と振幅スペクトル302

鍛接 模 擬損傷（閉 口 き 裂 模 擬）の 場 合 の 方 が，合金溶接部 SCC 画像化」に絞って研究を進めるこノッチ（開口き裂模擬）の場合より大きなサイドとが望ましいと考えている．

バンドピークが検出された．これにより，この測定法の配管への適用性は確認できたが，実機配管②

3 次元超音波探傷法によるニッケル基合金溶接部 SCC の高精度サイジングへの適用には，計測信号に対する配管長さ，接続

本研究では，3 次元超音波探傷法のニッケル基

機器や支持構造等の影響の解明が不可欠である．

合金溶接部 SCC の高精度サイジングに対する適用

二周波数バースト波送信による非線形超音波特性確証のための探傷特性データ拡充を目的とした性の解明とき裂の評価に関しては，密着き裂の評

探傷試験等を行っている．その内容および主な成価において高調波測定を補完すると考えられる二果は次の通りである．

周波数バースト波を入射した場合の非線形超音波

先ず，比較的小肉厚・小口径の水位計装ノズル

特性（和差調波発生特性）について，非線形界面

セーフエンド異材継手の EDM ノッチ試験体の探モデルに基づく理論解析および SUS304 ステンレ

傷試験を行い，本方法が溶接並行欠陥に対しては

ス鋼溶接部の疲労き裂を対象とした実験的検討をやや過大評価があったが，現行 UT 法のような過行っている．具体的には，理論解析により，密着

小評価は無く，また溶接直行欠陥に対しては良好

き裂面で二周波数の和および差の周波数成分が発な深さサイジング精度を持つことを確認した．一

生し，その振幅は入射した二周波数の振幅の積に方，同じ水位計装ノズルセーフエンド異材継手に比例することを明らかにし，その検証および特性付与された SCC に関しては，き裂の先端近傍の開解明のため，4.5MHz と 5.5MHz の周波数を含む

口が著しく小さいことによる過小評価が見られた

バースト波を用いた実験を行い，溶接部にスリッ

ものの，現行 UT 法よりは良好なことが判明し

ト状欠陥を導入した試験片あるいは欠陥を導入した．これらの結果を含め，これまでの各種試験体

ない試験片に比べて，透過波に含まれる差の周波に対する全ての探傷結果を総合評価した結果，数（1MHz）成分が有意に大きいことを確認して

SCC の深さ測定率および深さ測定精度の点で，3いる．これにより，この特性に着目した密着き裂

次元 UT 法は現行 UT 法に比較して優れているこの有無や閉口状態評価の可能性は確認されたが，とが明らかになった（図 12）．さらに，この 3 次実用化に向けては実際的な条件でのこの特性の優

元 UT 法を，SCC が検出された際の高温継続モニ

位性確証も含めた更なる研究調査が必要である．

タリングに適用することを念頭に，高温モニタリ

以上の結果を踏まえ，今後は早期の実機適用のング要素の仕様検討および要素試験を行った．具

可能性が高い「高調波及び分調波を用いた Ni 基

体的には，3 次元 UT 法のマトリックスアレイ探㻗‫ ۔‬3DUT NZ ഁ‫ ې‬3DUT SE ഁ
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溶接並行 EDM 欠陥の場合

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㻛b. 溶接直交 EDM 欠陥の場合

図 12 EDM 欠陥深さサイジング精度の比較(赤丸が 3DUT 法，他は現行 UT 法およびフェーズドアレイ法)

㻔㻓

303

触子を耐熱シューに取り付けて使用する方式（耐を試料加工せず直に検査可能な非破壊手法を新た

熱シュー方式）と高温で直接使用可能なマトリッに開発した．また，実機適用の自由度向上のため

クスアレイ探触子方式（高温マトリックスアレイ

小型化を目指して，より検出感度の高い K-band

探触子方式）に関するものである．前者について（約 25GHz）のマイクロ波対応の空洞共振器を製

は，シューの材料検討および冷却機能に関する熱作し，これらを用いて，ポリエチレン（PE），シ

伝導解析及び検証実験によりその成立性が確認さリコンゴム及びエチレンプロピレン（EP）ゴムのれ，後者については，高温マトリックスアレイ探劣化供試材に対する劣化測定精度検証実験を行っ触子の設計・試作とシミュレーション解析によるた．その結果，いずれの測定法についても，その開口合成信号処理に適した音場の観点からの評価

妥当性が確認された．特に，K バンド非接触式ピをもとに，形成される超音波の音場の超音波可視ンホール型検出器により導体を含むケーブルを対化法による観察，常温および高温での超音波送受象とした測定法が確立されたこと（図 13）は，実

信試験により，室温と同レベルの検出性能を持つ機適用に向けての重要な成果である．また，劣化ことが確認された．

過程解明を目的として，高分子化合物の熱，光及③マイクロ波検出技術を用いた高分子材料への放射線照射による経年劣化測定技術に関する研究

び放射線による劣化反応で最も注目される高分子
架橋反応に注目し，ケーブル母材（PE および EP

本研究は，ポリエチレン（PE），シリコンゴム

ゴム）に架橋反応誘起材として使用される脱水素

等高分子ケーブル絶縁材の放射線や熱による劣化機能を持つベンゾフェノン（以下 BP と略記する）の過程解明およびマイクロ波検出技術（6）を用いを添加した試料について，マイクロ波の共振周波

た劣化検出法の確立と測定精度の向上を目的とし

数シフトを与える化学反応活性種・化学種との時ている．この測定法の基本原理は，高分子化合物

間相関関係分析を行ったが，時間相関測定・化学の放射線や熱劣化によって生じた電荷や化学構造

反応速度論的評価のいずれからも，有効な相関関の変化による電気双極子モーメントの増加をマイ係は見出されなかった．これに対し，PE 高分子

クロ波の共振周波数の変化として検出するという内添加物の分析の結果をもとに，共振周波数シフものである．測定に用いるマイクロ波空洞共振器

トの要因候補となる物質として可塑剤（酸化防止は，これまでの研究で X-band（約 9GHz）対応で剤）ブチルヒドロキシトルエン（BHT）に注目

開発済みの試料挿入型（試料を共振器内に挿入固し，BP と BHT を添加した試料について上記時間定）およびピンホール型（試料を共振器壁面に開相関分析を行ったところ，良い相関関係が得られけたピンホールに接触固定）である．ピンホール

た（図 14）．これらのことから，観測された共振型については，構造上の利点を生かし，ケーブル

周波数シフトの要因は，母材であるポリエチレン

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図 13

導体を含む熱・放射線劣化架橋
ポリエチレンの共振器出力電圧と破断時の伸びとの相関例

図 14

ベ ン ゾ フ ェ ノ ン（BP）と ブ チ ル ヒ ド ロ キ シ ト ル エ ン（BTH）添加系での時間相関測定結果

304

及びエチレンプロピレン共重合体そのもの,以外-の評価を実施し，施工健全性を確保のための規制の，例えば BHT に代表される酸化防止剤に起因基準の基礎となる知見を得た．主なものとして，する可能性がきわめて高いと考えられる．また，

690 系合金溶接部におけるミクロ割れを防止する

マイクロ波共振周波数シフトを利用した本技術が，には，溶接金属部の P および S 含有量が P + 1.2S

酸化防止剤漏出による高分子母材の酸化劣化の早＜ 30 ppm を満たすことが必要と考えられること

期診断（予防診断）技術となり得ることが確認さ（図 15），SUS316L 鋼の多層盛溶接金属中の高温れたとも言える．なお，その実用化に向けての今割 れ 感 受 性 の 調 査 で，0.22 ＜ Ce/（P + S）＜

後の課題としては，実機適用に向けたマイクロ波

2.11 において延性低下割れ，凝固割れおよび液化

誘電吸収測定装置の改良，及び劣化による高分子

割 れ の い ず れ も 発 生 し な い こ と（図 16），ま た

材料の化学構造変化とマイクロ波吸収の相関の定

ビードごとに P ＋ S 含有量を考慮して適切な Ce

量的確認による診断メカニズムの確立がある．

を添加することにより，異材多層盛溶接部においてもミクロ割れが抑制できることが挙げられてい

3）溶接補修技術に関する研究る．今後の課題としては，バレストレイン試験

本研究は，大きく分けて，a. 補修溶接部の施工健（溶接割れ試験）によって得られた割れ感受性の差

全性評価技術の確立，b. 補修後溶接部における信頼

異の材料学的観点からの検証のための，割れ発生性評価技術の確立，及び c. 実機適用条件による評価に至る局所ひずみ及び温度条件などの影響の定量

技術の検証，の 3 つから成っている．各研究の概要

的確認，さらには異材溶接部における溶接割れ感は以下のとおりである．

受性に及ぼす材料学的要因を明らかにするための，① 補修溶接部の施工健全性評価技術の確立

材料組成や希釈（施工条件）による多層盛溶接金

本研究での実施項目は，多層盛溶接機構に基づ
く補修溶接部の健全性評価手法の研究と多層盛溶

属の組成変化や不純物の混入を考慮した溶接割れ感受性の系統的評価がある．

接部の健全性評価の力学的評価技術の研究である．

多層盛溶接部の健全性評価の力学的評価技術の多層盛溶接機構に基づく補修溶接部の健全性評確立に関しては，上記研究の実験結果を活用した，

価手法の研究では，原子力プラント用耐食ニッケ

スポットバレストレイン試験（延性低下割れ試験）

ル 合 金（イ ン コ ネ ル 690）お よ び ス テ ン レ ス 鋼を再現できる解析モデルを構築し，これを用いた（SUS316）の既存材料に対する不純物元素の違い解析による，延性低下割れ発生に及ぼす材料の割による影響も含めた補修溶接の健全性評価技術をれ感受性及び外部負荷の影響の調査が行った．な確立することを目的として，690 系合金とステン

お，採用した解析モデルは，界面要素を結晶粒界レス鋼（SUS316L）の異材溶接部における溶接割に配置し結晶組織全体の挙動を扱うミクロ組織

れ感受性の評価，不純物元素及び Ce の添加が異オーダーでの割れ発生解析モデルであり，材料固材溶接割れ性に与える影響の評価，溶接金属の組有の割れ感受性を粒界固着力として考慮している．

織解析および添加元素が溶接割れ性に与える影響

その結果，延性低下割れが発生するためには界面

図 15690 合金溶接金属中の P および S 含有量と延性
低下温度域（DTR）との関係

図 16

SUS316L 鋼多層盛溶接金属中のミクロ割れ防止
条件（Ce 含有率と P ＋ S 含有率）

305

結合強度が材料の延性低下温度領域での降伏応力

力腐食割れ試験も実施した．その結果，以下のよ

以下でなければならないこと，粒界滑りが延性低

うな知見が得られた．すなわち，高温高圧水中で下割れに大きな影響を及ぼすこと，延性低下割れの長期間後供用後の全面腐食による表面形状変化

発生予測手法としては，連続体モデル（マクロ応

模擬のため考案したシリカコロイダル研磨を用い力，ひずみ予測）と結晶組織を考慮した割れモデ

た特殊な表面処理法が，平板試料で 600 系合金に

ル（延性低下および割れ発生予測）の組合せによ

IGSCC を発生させる加速試験法として有効なこる手法が，簡潔かつ一貫性の点で優れていることと，PWSCC 環境中での冷間加工を受けた 600 系が明らかになった．今後の課題としては，本年度

合金の IGSCC 感受性は 20％加工材よりも 10％加開発した溶接割れ解析手法を，結晶組織と粒界を工材の方が SCC 破面率，き裂進展速度ともに大き有するモデルに拡張し，より高度な知見を得るとな値を示すこと，および PWSCC 環境中での 600

ともに，将来の補修溶接への適用が期待される系合金の IGSCC は主にランダム粒界で発生し，対レーザ溶接を対象にした施工健全性評価のための応粒界を避けて進展する傾向があったこと等であ基礎的検討としての 3 次元熱弾塑性有限要素法をる．

用いた解析によるマクロ応力・ひずみの把握等が今後の課題としては，これまでに確立した粒界ある．

応力腐食割れ発生・進展の解析手法を用いた，高② 補修後溶接部における信頼性評価技術の確立
本研究では，ミクロ及びマクロ応力場による補修溶接部の力学的評価と，応力腐食割れに及ぼす不均一応力場の効果の調査が実施された．

ニッケル合金の補修溶接後の PWSCC 発生・進展挙動の特性の解明がある．
③

実機適用条件による評価技術の検証
本研究は，実際の高経年化プラントを補修する

ミクロ及びマクロ応力場による補修溶接部の力際に生じる可能性のある問題点を抽出し，本研究学的評価は，微視的不均質を考慮した補修後溶接で実証された補修プロセスを実施工に適用した際部のミクロ残留応力ならびに補修溶接始終端部及の施工健全性と耐食安全性が担保されることを検び熱サイクル重畳部を含めたマクロ残留応力の数証するとともに，高経年化プラントの予防保全・値解析技術の確立を目的としている．本年度は，補修技術の技術情報基盤を整備することを目的と

これまでの成果を踏まえての，多層盛補修溶接のしている．本年度は，その基盤情報として，国内

熱サイクル重畳部の代表例としてテンパービード

PWR における主な損傷事例と溶接補修実績，規工法による残留応力分布の解析的評価，及び結晶格基準の現状の調査を行った．その結果の要点は組織の不連続性を微視的不均質としたモデルの下

以下の 2 つである．すなわち，国内で平成 15 年以での，応力腐食割れ試験に対応する 600 系合金及降に確認された多数の 600 系合金部位での損傷例

び 690 系合金のミクロ残留応力場の評価を行った．

のいずれについても，適用された 690 系合金によその結果，高応力域と割れ発生位置が良い対応をる補修事例で施工直後及び供用後において損傷が示すことが明らかになった．これにより，本手法発生したとの報告は無く，現状の補修技術は適切が応力腐食割れ評価に有効であることが確認されであると考えられること，及び溶接補修に関するた．今後の課題としては，X 線回折残留応力測定

規格・基準に関しては，日本機械学会の維持規格

システムによる計測結果を用いた補修溶接部全体（2004）の補修章 (7) に具体的手法が示されているのマクロ残留応力評価技術検証や，内部組織の微ものの，未だ規制上正式に認可されておらず，円視的不均質を考慮したミクロ残留応力数値解析モ

滑に実機適用できる状況にはないが，新たな保全

デルの構築・解析・検証がある．

技術等を円滑に導入する環境整備を目的とした検また，応力腐食割れに及ぼす不均一応力場の効討が，平成 20 年度より NISA の原子炉安全小委

果の調査では，補修溶接後 Ni 合金の再供用時の

員会・検査技術評価 WG で進められていることで信頼性担保ならびに信頼性評価の基礎として，600ある．なお，今後は，690 系合金による溶接施工

系合金の 1 次冷却材 SCC（Primary Water SCC :の確実性を向上させる必要性が高い箇所を中心に，

PWSCC）環境における IGSCC 発生とミクロ応力

本プロジェクトやその他の研究の成果をもとに，場，金属組織との対応の検討を行った．また，690

モックアップ試験による実補修溶接部の施工健全

系合金溶接割れ対策材の PWSCC 環境での長期応性検証の実施に向けた検討を進める必要があると

306

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図 17 ひび割れ幅の中性化深さ進展への影響(実験データおよび予測式による評価値（黄線）)

している．

した「曲げひび割れ」法では曲げ作用による鉄筋とコンクリートの肌離れの影響が懸念されるため，純4）主要構築物の劣化に関する研究

粋に「引張を受けて発生するひび割れ」を対象に腐本研究の目的は，原子力発電所の鉄筋コンクリー

食促進試験を行い，肌離れがない場合の発錆およびト構造物の耐久性評価手法の構築に向けて，これま

塩分浸透状況を検討した．その結果，ひび割れ形式

での成果を踏まえ，ひび割れのあるコンクリートでの違い（曲げ，引張）による差異はなく，腐食，塩の中性化進展や塩分浸透を念頭に，鉄筋腐食に影響

分浸透において両者を同様に扱うことが可能であるを及ぼす要因及びその特性を実験的に把握し，これことが確認された．あわせて鉄筋腐食に係る塩分浸を基にひび割れを通してのコンクリート構造物の耐透の基礎データを収集・検討を通して，塩分浸透予

久性評価に関する基礎情報を整備するものである．

測式導出の見通しが得られている．また，鉄筋腐食

具体的な実施内容及び成果は下記のとおりである．

の観点から許容されるひび割れ幅の判定のための，先ず，ひび割れ内部の中性化進展に関しては，

ひび割れ幅，周辺環境条件，コンクリートの品質及

ひ び 割 れ 幅（0.1，0.2，0.5mm）と 水 セ メ ン ト 比

びかぶり厚さに基づいた，原子力プラントの鉄筋コ（45％，55％，65％）を主要パラメータとして二酸化

ンクリート構造物の高経年化の下での耐久性評価の炭素濃度の異なる条件（CO2濃度 1％，3％，5％）に基本体系の検討も行った．今後の主な課題は，塩分

おいて中性化促進試験を行い，その結果を用いて中浸透データ蓄積と塩分浸透予測式導出及び解析的裏性化進展（ひび割れ内部への中性化深さ）予測式を付けによる精度向上，及び実機環境下での自然曝露導出した．なお，この過程で得られた「ひび割れ内試験によるデータの蓄積と，これらをもとにして耐部の中性化進行速度は，水セメント比が大きいほど，

久性評価のための具体的な劣化予測法を構築するこ

すなわち低強度のコンクリートほど小さくなる．」ととである．

いう知見は，従来の考えられていた事象とは全く異なり重要な項目と考えられる（図 17）．また，この

5.

結言

実験式に理論的裏付けを与えるため，「中性化の進展
はひび割れ外からひび割れ内に供給される二酸化炭

このように，平成 20 年度の福井クラスタの事業

素量と，ひび割れ内のひび割れ面から二酸化炭素がは，これまでにも増しての研究実施機関・研究者各吸収される量に依存する」という仮説に基づく解析

位の精力的な努力，検討委員会委員各位のご指導・を行い，その結果が実験結果を良い精度で再現できご協力により円滑に遂行でき，所期の研究成果を達ることを確認した．次に，鉄筋引張により発生した成することができた．なお，平成 20 年度は当事業のひび割れ内の鉄筋腐食に関して，平成 19 年度に実施

当初目論見の 5 年計画の中間点であり，研究の遂行

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および成果の取り纏めに当っては「規制情報としての活用に資する」という本事業の最終目標をより強く意識してきたが，成果の具体化という面では更なる調査研究を行う必要があるものが大部分である．
個々の研究案件の今後の取り扱いについては，委託元である NISA の本事業計画の検討を待つことになるが，INSS としては，福井・近畿圏内の各研究実
施機関の 持つ，人 材 育成，研 究 意 欲 の 増 進，技術
シーズ開発等の社会的役割を適切に勘案して，2 年
後の上記の本事業最終目標の達成に向けた研究の企画・推進に努力することとしている．

謝辞
平成 20 年度の福井クラスタの事業の遂行に当っての，研究実施機関・研究者各位のご努力・ご協力に感謝いたします．また，福井工業大学教授柴田俊夫
氏からは検討委員会主査として的確なご指導・ご助言を頂戴しました．この場を借りて感謝の意を表します．

文献(１) 藤村公也，渡海親衛，藤堂二彦，,福井地域を基盤とした近畿圏連携による高経年化対策強化
基盤整備事業の実施報告-，INSS JOURNAL，Vol.15，p.345，（2008）．
(２) 2,発電用設備規格

配管減肉管理に関する規格-，JSME S CAI-2005，日本機械学会発行，
丸善，2005 年 3 月(３),発電用原子力設備規格

加圧水型原子力発電

所配管減肉管理に関する技術規格-，JSME S
NG1-2006，日本機械学会発行，丸善，2006 年
11 月(４) J.H.Brunton,M.C.Rochester,,Erosion of Solid
Surfaces by the Impact of Liquid Drops-，
Treaties on Materials Science and Technology，vol.16，pp.185-248，（1979)(５) ASME，,Requirements for analytical evaluation of pipe wall thinning Section XI-，Case
N-597-2，（2003）(６) A.Saeki，S.Seki，S.Sunagawa et.al.，Philosophical Magazine 86，pp.1261-1276，(2006)(７),発電用設備規格

維持規格-，JSME S NA1-

2004，日本機械学会発行，丸善，2004 年 12 月