三菱重工技報 VOL.43 NO.4: 2006

特集論41

加圧水型原子炉（PWR）の長期安定運転を支える保全技術（応力腐食割れ対策技術）

文

Maintenance Technologies for SCC which
Support Stable Operations of Pressurized
Water Reactor Power Plants
沖 村 浩 司＊1

堀Koji Okimura

増本光一郎

展之＊1

向 井 正 行＊2

和＊4

黒 川 政 秋＊5

Nobuyuki Hori

＊3

鴨Koichiro Masumoto

彦Kazuhiko Kamo

Masayuki Mukai

Masaaki Kurokawa

日本国内では 23 基の加圧水型原子炉（PWR）が稼働中であり，初期のものは運転開始より 30 年を経過している．設備の高経年化が進む中で，応力腐食割れなどのように運転時間に伴い顕在化する損傷が海外・国内とも PWR プラントにて確認されている．本報では応力腐食割れ対策に着目し，安全安定運転に向けた各技術として，機器の健全性を確認する検査技術，損傷を未然に防止するための劣化緩和技術，損傷に対する補修技術・取替技術など，最新の保全技術を紹介する．

1．はじめ

で使用される場合に，損傷に至るものと考えられていにる．

原子力発電所を始めとしてトラブルの未然防止は重長期安定運転に向け損傷・漏えいを防止するための，要なテーマであり，プラントの高経年化に伴う圧力容最新の検査技術，図１に示す劣化緩和としての応力改器や配管などの構成部位の余寿命診断，劣化緩和，補善技術・材料改善技術，補修技術の代表的な保全技術

修も重要な課題となっている．

を説明する．

運転時間に伴い損傷が顕在化するものとして応力腐2．検食割れ（Stress Corrosion Cracking：SCC）があり，

査

技

術

損傷の要因として，図１に示す，環境，材料，応力の機器の信頼性を確実なものとするため，欠陥検出３因子の重畳によるものと考えられている．近年，加及び欠陥定量化の精度向上に向けた開発を進めてい

圧 水 型 原 子 炉（Pressurized Water Reactor：PWR）

る．例えば，図３に示す蒸気発生器伝熱管（内径約においても，高ニッケル合金 600（以下 600 合金）の20 mm の小口径薄肉管が約 4 000 本の管群で構成され応力腐食割れによる損傷事例が国内外において顕在ている）では，検査時間の短縮及び微小欠陥の検出精化してきている．従来の PWR プラントにおける 600度を向上させる精密検査を目的とし，ノイズ低減効果

合金使用部位を図２に示す．PWR プラント１次系水の高い相互誘導方式のコイルを高密度に配置したイン環境条件下での応力腐食割れは PWSCC（Primary

テリジェント ECT（Eddy Current Test：渦流探傷Water SCC）と言われ，PWSCC 感受性を有してい検査）技術を開発・適用している．また配管溶接部にる 600 合金が加工や溶接などによる高残留応力条件下対しては，フェーズドアレイ UT（Ultrasonic Test：⑩加圧器管台セーフエンド継ぎ手①原子炉容器上蓋管台②同 管台継ぎ手

材料改善（取替，クラッディング等）③原子炉容器出口管台
セーフエンド継ぎ手

材料⑨蒸気発生器伝熱管

SCC
環境
１次系水高温環境⇒環境温度低減

図１

引張残留応力⇒圧縮応力へ改善

応力腐食割れの３因子と劣化緩和対策⑧蒸気発生器入口管台
セーフエンド継ぎ手④原子炉容器入口管台
セーフエンド継ぎ手

応力⑤原子炉容器炉内計装筒⑥同 管台継ぎ手

図２⑦蒸気発生器出口管台
セーフエンド継ぎ手

加圧水型原子炉発電プラント１次系耐圧バウンダリでの高ニッケル合金
600（600 合金）使用部位

＊1

＊4

＊2

＊5

神戸造船所原子力保全技術部計画課
神戸造船所原子力機器設計部機器設計課＊3
神戸造船所品質保証部原子力サービス品質管理課

技術本部高砂研究所製造技術開発センター主席
技術本部高砂研究所電子・光技術研究室主席

三菱重工技報 VOL.43 NO.4: 2006

42（外面）

検出コイル
（２個）

軸

伝熱管

薄膜アレイコイル

SCC

SCC
（内面）

内張り材
バタリング （ステンレス鋼肉盛）（600合金溶接金属）

20.00.08

周方向

斜め励磁
コイル

24.5管台⇒原子炉（低合金鋼） 容器側

軸方向

周溶接継ぎ手（600合金溶接金属）
C16C4−24.5

600合金溶接金属

渦流探傷（ECT）検出例

拡管境界部

複数の検査ヘッドを搭載可能．これにより，ECT，UTなどの多様な検査が可能

検出性向上と探傷高速化に向けたアレイコイル化を実現

図３

きず信号

蒸気発生器伝熱管検査技術

インテリジェント ECT 技術．

図４

溶接部に対する検査技術

原子炉容器出入口管台セーフエンド継ぎ手の例．

超音波探傷検査）法を開発しており，これは複数の振動子を有した UT プローブにて超音波ビームの方向や測する UT プローブを搭載しておくことで，欠陥定量焦点位置を任意に変えることで，複雑形状部位の探傷化（きず深さの確認）も行えることとなる．

や微小欠陥の定量化精度の向上を図ることができ，こまた，検出性向上は劣化緩和を行う前の機器の健全れにより従来は困難であった部位についても検査が可性確認（施工前検査）としてもニーズがある．施工前能となると考えている．

検査による健全性確保と劣化緩和による損傷抑制の相600 合金は，原子炉容器管台セーフエンド継ぎ手（管台（ノズル）と配管を接続するための短管）などの複雑な形状や異材継ぎ手に用いられている．PWSCC に乗効果にて，より信頼性を増すことができると考える．

3．応力改善技術

起因する劣化事象に対しては，１次系水接液表面からPWSCC 発生因子の一つである高残留応力への対策の損傷発生であり，表面検査が有効な手法と考え，遠の一つとして，対象機器が施工時に気中環境の場合隔化・自動化を前提とした ECT について，実機適用はショットピーニング，水中環境の場合はウォータに向け開発検証中である．図４に原子炉容器出入口管ジェットピーニングを適用し，１次系水接液面の引張台セーフエンド継ぎ手（600 合金）に対する検査技術残留応力を圧縮応力に改善している．図５にこれらのの一例を示す．当該溶接部に対する ECT では非常にピーニング技術の概要を示す．ウォータジェットピー

小さなきずを識別できるめどを得ている．

ニングではキャビテーション崩壊時の衝撃圧にて，また複数の検査ヘッドを搭載できるようにすること

ショットピーニングではショット材の衝突力にて，材で，異なった検査手法を同時に適用できることとなり，料表面に塑性ひずみを付与することで，内表面近傍を例えば，ECT できずを検出した場合，きず深さを計圧縮応力に改善できることを確認している．ショット

ウォータジェットピーニング

超音波ショットピーニング
ショット材駆動源（ピエゾ素子）

キャビテーション気泡群を伴う
ウォータジェット

粒径の大きいショット材

キャビテーション崩壊時の衝撃圧にて，表層面に塑性ひずみを付与
原理と特徴

ウォータジェットによるキャビテーション衝撃圧により材料表層面を圧縮応力に改善

ショット衝突力にて，表層面に塑性ひずみを付与
ショット材の衝突力により材料表層面を圧縮応力に改善

ウォータジェットピーニング施工状況の一例（原子炉容器炉内計装筒管台継ぎ手）

引張残留応力場で内表面近傍を圧縮応力に改善

図５

ピーニングによる応力改善技術

WJP ノズルキャビテーション
ジェット

三菱重工技報 VOL.43 NO.4: 200643

ピーニングにおいては深い応力改善効果と異物管理の容易化などを目的に，粒径の大きいショット材を用い，概 要・600 合金の上に，耐 SCC 性の優れた 690 合金クラッディング（肉盛溶接）
し，600 合金の接液を防止し，SCC の発生を防止

ショット材の駆動源としてコンパクトで大きな力を出せるピエゾ素子による超音波振動を用いた手法での適・従来と同等の流路確保・検査性の観点から，溝加工部にクラッド溶接を行う．低合金鋼への熱影響防止のため，３層テンパービードクラッド溶接法を適用用を計画している．
一方，配管など内表面にアクセスが困難な場合，外690 合金クラッド面からの応力改善手法が必要であり，その手法の一つ

管台
セーフエンド（低合金鋼） （ステンレス鋼）
溶接（600 合金）
管台内面自動溶接状況
工事イメージとして，高出力レーザビームを外面に移動させながら照射し，外面を急速加熱することで板厚内温度差による熱膨張ひずみを用い，内面を圧縮応力に改善する手法（レーザ外面照射応力改善法）を開発している．本

図７

手法はレーザ照射による急速加熱を実現できることか

環境遮断・クラッディング技術

原子炉容器出口管台セーフエンド継ぎ手の例．

ら，適切な条件を選定することにより内面の水冷効果を期待することなく，適用可能とする特徴を持つ．図

肉盛溶接を実施している．溶接後熱処理を不要にでき

６は管台周継ぎ手への適用例を示しており，内表面のる，自動溶接による３層テンパービードクラッド溶接

溶接部及び溶接部近傍の高い引張残留応力を圧縮応力法を開発し実機に適用している．また補修技術としてに改善できることを確認している．

も上部原子炉容器管台継ぎ手へ適用している．

4．材料改善・環境遮断技術

5．取替による材料改善技術

材料を変更して１次系水接液表面に耐 PWSCC 性

耐 SCC 性の優れた材料を用いて製作した機器へのの優れた材料である高ニッケル合金 TT 690（690 合一体取替（上部原子炉容器取替，蒸気発生器取替，炉金）を用いる対策がある．690 合金は 600 合金に対し内構造物取替など）がある．図８に大型機器取替の一クロム（Cr）量をおよそ倍量に増加させることで耐例として，炉内構造物一体取替を示す．PWR プラン

PWSCC 性を向上させている．

トの炉内構造物は取外し可能な構造であることから，具体的には１次系水接液表面に肉盛溶接すること一体で保管容器に収納・保管し，新しい炉内構造物にで，600 合金を接液させないようにする環境遮断ク取替えている．炉内構造物一体取替は世界初であり，ラッディングと，次節の取替による材料改善がある．

３つの国内 PWR プラントで実施されている．

劣化緩和技術の原子炉容器出口管台セーフエンド継一体取替が困難な場合や万一の損傷時の補修としぎ手（600 合金）への適用例として，図７に原子炉容て，部分取替（例えば管台セーフエンド継ぎ手取替な器ノズル溶接部へのクラッディング技術を示す．流路ど）技術も開発している．部分取替は補修だけでな確保や検査性確保のため，あらかじめ溝加工を行い，く，予防保全としての材料改善手法の一つとしても計

レーザ発振器ΔTTemp

加熱時−σy−Stress++σy+σyΔT＝0 Temp

・外表面を急速に加熱すると板厚内で温度差が生じて熱膨張ひずみが発生し，冷却過程において，内面側が圧縮応力になる+冷却後

・この熱源に高エネルギーであるレーザを用い，かつ移動熱源とすることで，急速加熱と内面温
板厚内温度分布 板厚内応力分布度上昇抑制を実現
加熱時配管内外面温度（解析）−−σy原理と特徴

レーザ外面照射応力改善法施工状況の一例（機器管台周溶接）

引張残留応力場（溶接残留応力）においても，内表面を圧縮応力に改善可能

図６

レーザ外面照射による応力改善技術

光学ヘッド

三菱重工技報 VOL.43 NO.4: 2006

44①旧炉内構造物の吊上／収納③機器搬入口から屋外搬出

欠陥除去

ポーラクレーン

機器構造上，許容できる範囲 炉内計装筒の外側に新の欠陥サイズの場合，内径を たな耐圧バウンダリ拡大することで欠陥を除去． （キャップ）を設置することで，欠陥部から漏えいしてもキャップ内で留めることでプラントとしての漏えいを防ぐ．
内径拡大
原子炉
元の内径
初期
炉内計装筒 容器下部鏡（内径10 mm）

仮設
揚重設備

仮設床

外部遮へい
格納容器

旧炉内構造物
保管容器
反転架台

想定欠陥

原子炉容器への炉内構造物吊込み状況②旧炉内構造物の反転／横引き

図８

キャップ

大型機器取替技術

炉内構造物一体取替の例

概

炉内計装筒

図 10

要・600 合金継ぎ手を含めて周辺を撤去し，新たな部材（スプールピース）を耐SCC 性の優れた 690 合金にて溶接．
・低合金鋼への溶接熱影響防止のため，特殊溶接法（テンパービード溶接法
あるいは狭域溶接後熱処理）を適用．
600 合金継ぎ手部

主冷却材管（ステンレス鋼）

切削後（内径16 mm）

補修技術

原子炉容器炉内計装筒の例．

を取付けることで，キャップなどを耐圧バウンダリと溶接ステップ1：バタリング溶接し，損傷からの漏えいをキャップ内に留めることで漏えいを防止する技術である．

7．お管台（低合金鋼）

図９

新バウンダリ設置（キャップ補修）

わりに当社の取組んでいる検査技術，応力改善技術，材料改善・取替技術及び補修技術の最新保全技術について
溶接ステップ２：周溶接部分取替技術

原子炉容器出口管台セーフエンド継ぎ手の例．

述べたが，これら保全技術によって原子力発電プラントの安全性と信頼性を向上させ，長期間の運転にわたって経済的に運転を継続するのに役立つものと考えている．今後とも，検査技術，劣化緩和・補修取替な画されている．図９には一例として，原子炉容器出口どの開発・検証を積極的に推進し，高度化・高性能化

管台セーフエンド継ぎ手取替技術を示す．600 合金継を進めていく．

ぎ手を含む短管を撤去し，新たな短管を取付ける際に耐 SCC 性の優れた 690 合金溶接材料にて溶接する方法である．

6．補修

技術

万一損傷指示があった場合の補修技術として，欠陥除去，新バウンダリ設置がある．図 10 に原子炉容器炉内計装筒に対する補修技術一例を示す．

沖村浩司

堀展之

向井正行

増本光一郎

鴨和彦

黒川政秋

欠陥除去とは，きずを除去しても機器の構造が許容される場合，部分的に若しくは周囲も含め全面的に切削除去することで機器の健全性を確保する技術である．
新バウンダリ設置とは，機器の外側にキャップなど