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地震後の原子炉構造部材の健全性評価法（硬度測定による塑性ひずみ検出法）について
Integrity Assessment Method for Structural Materials of
Nuclear Reactor after Suﬀering an Earthquake‑ An Evaluation Method for Plastic Deformation by Measuring Hardness of the materials ‑戸塚信夫（Nobuo Totuka）＊1

要約
地震被災後の原子炉構造部材の非破壊的健全性評価手法として部材の塑性ひずみをポータブル硬度計による硬度測定により評価する方法が最も有効な方法のひとつと考えられているが，実構造材に適用する具体的手法について必ずしも十分理解されていない．そこで本稿では原
子力安全システム研究所（INSS）で行った検討をまとめ具体的測定法，注意点等について概説する．
キーワード

原子炉構造材，硬度測定，塑性変形，ポータブル硬度計

AbstractHardness measurement is one of the most eﬀective methods for non-destructive
integrity assessment evaluating plastic strain of structural materials of nuclear power plants
after suﬀering an earthquake. However, the actual evaluation method using a portable hardness
tester has not been understood commonly yet. In this article, our study on this method has beensummarized and a practical procedure using a portable hardness tester applicable to actual
plants has been reported.
Keywords

Structural Material of Nuclear Reactor, Plastic Deformation, Portable Hardness Tester

1. はじめに法は目視および探傷試験により損傷が発見されない部位の健全性を更に検証するための追加検証である

2007 年７月に発生した中越沖地震以来，原子力ことは言うまでもない．

発電所が想定を上回る大きな地震動を受ける事例が発生し，原子力発電所の耐震性が懸念される事態と

2. ポータブル硬度計についてなっている（1）．東京電力柏崎刈羽原子力発電所の主要機器において大きな損傷は見られていないが（1），実機の硬度を測定するにはポータブル硬度計によこのことをより定量的に実証するには最も大きな負る測定が必須であるが，ポータブル硬度計は測定者荷がかかった部位の塑性変形量を評価することが有が硬度計を手で支えて測定するため，据え置き式の（2）効である ．原子炉の主要構成材料である金属材料硬度計と比較してどうしても測定者による差異やバは塑性変形により材料硬度が変化するため材料の硬ラツキが大きくなる欠点がある．そこでこれらのバ度変化を測定し，塑性変形量を評価する方法が材料ラツキを抑制する方法についての検討が必要であの健全性評価に最も有効な手法と考えられ研究も行る．なおポータブル硬度計としては直読式ポータブ

（2）〜
（4）

．しかしながら実機において具体ルビッカース硬度計，超音波振動式硬度計，反発式的に測定する方法が十分理解されているとは言い難硬度計の３種類が一般に使用されている．直読式はいのが現状である．そこで本稿では原子力安全シス

ビッカース硬度計と同様のダイヤモンド圧子をバネ,をまとテム研究所（INSS）で行った検討結果（3）（4）式荷重で被測定部材に押し付け，圧痕の大きさを内めて具体的測定方法について述べる．なお当該評価蔵した CCD カメラで直接観察して測定するものでわれている＊ 1 （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

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169あり，超音波振動式は圧子の押し込み深さを，圧子を先端に装着した振動子に与えた超音波振動数の変化として間接的に読み取るものである．反発式硬度計はエコーチップ（圧子を先端に取り付けた反発子）をバネで被測定材に打ち付け，打撃速度と反発速度の差を測定して材料に吸収されたエネルギーから硬度を評価するものである．以下では装置がコンパクトで操作性に優れるものの，ややバラツキが大きくなり易い超音波振動式を用いて行った具体的測定法の検討について述べる．
図１

3. ポータブル硬度計による硬度測定法の検討

ポータブル硬度計外観（3）まずポータブル硬度計の測定者によるバラツキを調べた．図２に異なる４人によるポータブル硬度用いた超音波振動式硬度計（JFE アドバンテック

計を使った測定値のヒストグラムを示す．図の最社製，SH22）の外観を図１に示す．本検討におい上段に据え置き式でのヒストグラムを示した．測ては，据え置き式のビッカース硬度計と同等の測定

定サンプルはビッカース硬度計の標準硬度試験片（3）精度を得ることができる手法について検討した ．

図２（HV200）であり，それぞれ 40 点ずつ測定した．

測定者によるポータブル硬度計の測定値のバラツキ（3）INSS JOURNAL Vol . 23 2016 C 1170

図２に示すように，測定者 A および D の測定値タを削除する方法を検討した．図３に測定者 A のは比較的良好な分布状態であるのに対して，C の測測定結果から上下限の一定のデータを削除して解析定値はバラツキが大きく明らかに測定者による個人した場合の平均値および標準偏差の計算結果を示差がある．大きなバラツキの原因は硬度計の押し付す．母数としては，全測定数 n ＝ 40 および，このけ方が安定していないためと考えられる．これは熟中から任意に抽出した n ＝ 30,20,10 のケースについ練により改善されると考えられるがある程度の測定て検討した．図中の左端のデータは通常のビッカー不良値が混入する恐れがある．そこで不適切なデー

ス硬度計による測定値である．いずれの場合も上下

図３（3）
硬度測定値のデータ処理方法による平均値，標準偏差の差異（測定者 A：n ＝ 40,30,20,10）

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171の削除データ点数を増やした場合，平均値には大きな変化は見られないが，標準偏差は小さくなり，全測定データの上下それぞれ 15％を除外することによりほぼ通常のビッカース硬度計に近い標準偏差となる．なお削除データ点数を 20％以上とすると通常のビッカース硬度計の値と平均値の差異がやや大きくなる傾向が見られた．以上のことから，上下15％のデータを除外すれば，平均値を大きく変えることなく，異常なデータを排除し，バラツキ低減できると考えられる．なお測定数 n は 10 で通常のビッカース硬度計の値と平均値の差異がやや大きくなる

図４

硬さ測定値の標準偏差と測定回数の関係（直読式（5）ポータブルビッカース硬度計）ことと作業性を考慮して 20 以上とした．また測定下に安定しており 20 回以上の測定を推奨している（5）者 B および C のバラツキは大きく十分な測定技能をことからもポータブル硬度計による硬度測定では有していないと考えられるので，このような作業者

20 回以上の測定と，前記のような測定者の技能評を排除または技能の向上を促すために，標準サンプ

価を標準試験片での測定値の標準偏差で行うことは

ルによる測定値の標準偏差がある基準値（例えば有効と考える．

12）を超える場合は測定者としない等の対策が必要

次に被測定物の表面研磨の影響について述べる．
一般に硬度測定は表面の凹凸による硬度計圧子の圧である．
以上の検討からポータブル硬度計による実機測定痕のゆがみや表面傷や機械加工による表面加工層の法として以下を設定した．

影響を受けるため，表面が平滑でかつ表面加工層が・一か所 20 点以上測定し，上下 15％ずつのデータ除去されていることが望ましく，ポータブル硬度計を除外し，中央の 70％を測定値とする．
・測定者は標準試験片での測定値の標準偏差が 12は通常のビッカース硬度計よりも測定値がバラツキ易いため，バフ研磨までの５段階の研磨仕上げ状態を超えない測定技能を有する者とする．

での測定値の差異について調査した．試料は市販の

なお「中越沖地震後の原子炉機器の健全性委員会」

炭素鋼（SS400）およびオーステナイトステンレスが直読式のポータブルビッカース硬度計を用いて測鋼（SUS304）を用い，測定は前述の方法に準拠し定回数によるバラツキの変化を検討した結果では図た．図５に測定結果を示すが，SS400 では耐水研磨

４に示すように 20 回以上の測定で標準偏差は 12 以

紙 800 番でも標準偏差がバフ研磨に比較して大きく平均値

平均値

図５

標準偏差

標準偏差

ポータブル硬度計の測定値（平均値，標準偏差）に及ぼす表面研磨仕上げの影響（3）INSS JOURNAL Vol . 23 2016 C 1

172なる傾向を示し，240 番研磨では硬度が高くなり，動により３％以上の塑性変形が加わった後，繰り返表面加工層の影響が残っているものと考えられる．

し変形により見かけ上元の形状に戻ったとしても硬SUS304 では硬度の差異は大きくないものの 600 番度測定では塑性変形の検出は容易になると考えられ以下の研磨では標準偏差が大きくなる傾向が認めらる．以上から原子炉構造材料として多用されているれる．以上の結果から，ポータブル硬度計での測定

炭素鋼およびオーステナイトステンレス鋼の地震被では 1200 番程度以上の表面研磨が望ましいと考え災後の材料健全性を硬度で評価する方法では３％以られる．

上の塑性変形を受けているかどうかを判別できると考えられる．

4. 硬度測定による塑性ひずみ検出の検討
5. 運転中の熱時効による硬度変化の検討
市販の炭素鋼（SS400）およびオーステナイトステンレス鋼（SUS304）から JIS Z 2201 13B 号試験

次に被災前の材料硬度が，使用環境条件によって片を切り出し，0.8,1.5,3.0,6.0,10.0,20.0％の引張りひは時効により変化する可能性もあるため，オーステずみを付与した試験片を作製し，試験片平行部の硬ナイトステンレス鋼と炭素鋼の時効による硬度変化度を通常のビッカース硬度計およびポータブル硬度を検討した（4）．図８〜 10 に示すように 350℃以下の（3）計で測定した ．なお前記ひずみ量は引張り試験機

3600 時間までの時効による硬度変化挙動は複雑でのクロスヘッド変位値で制御したため，弾性ひずみあり，単調な硬化，あるいは軟化を示していない．

を含み実質的な塑性ひずみ量はこれらの値から約

これは時効による転位の固着（硬化）と回復（軟化）0.3％を引いた値となる．またポータブル硬度計のが競合することによるものと考えられるが材料に測定方法は前述の方法に準拠した．

よっては更に第２相の析出・成長・粗大化による変図６および７に SS400 と SUS304 の結果をそれぞ化が加わり，より複雑になることが考えられる．しれ示す．これからわかるように，ビッカース硬度計，かしながら日本のプラントの多くは 20 年以上の運ポータブル硬度計ともにひずみ量の増加とともに硬転経験のあるものであり，前記の時効挙動が基本的度が上昇している．また１％以下の微小ひずみの検に材料中の種々の原子の拡散に支配されると考えら出は困難であるが，３％以上のひずみが加われば硬れることから長時間側での変化は指数関数的に小さ度は 10 以上上昇しており，測定誤差（標準偏差５くなる可能性が高く，20 年以上の運転後更に時効程度）を考慮しても検出可能と考えられる．なお大により大きく硬度が変化することは考え難いため，きな地震動を想定して一定のひずみを疲労試験機でこれから被災前の硬度測定を実施すれば時効による付与する繰り返しひずみ付加試験（4）においても３％硬度変化は十分小さいことが期待できる．なお 20のひずみ付加試験では繰り返しにより単純引張りひ年以上の長時間時効による材料硬度変化の確認は今ずみ付与材よりも硬度上昇が大きくなるため，地震後 20 年以上運転後に廃炉となる実機材料の調査を

図６

SS400 の歪量と硬度の関係（3）

図７

SUS304 の歪量と硬度の関係（3）INSS JOURNAL Vol . 23 2016 C 1

図８ SUS304の時効による硬度変化（4） 図９ SUS316の時効による硬度変化（4）

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図 10

SS400 の時効による硬度変化（4）行うことで明らかにすることが可能であり今後の課であるが，据え置き式の硬度値に近い値を示す直読題として取り組むことが考えられる．その際，同一式の硬度計で 40 点の測定を推奨している．しかし材料の直管部，エルボー部，低温部，高温部等の硬ながら通常の鉄鋼製品では同一ロットの同一材料で度を測定することで長時間時効に及ぼす加工や温度も試験片の採取位置によってビッカース硬度 10 程の影響が明らかにできると考えられる．また必要な度のバラツキを生じることはあるため，より正確ならば追加時効して更に長時間の時効の検討も可能で評価を行うためには地震被災前に地震によって最もある．

負荷が加わると想定される代表的部位について予め硬度測定しておき，万一大きな地震に見舞われた時

6. 硬度測定による
塑性ひずみ検出法の整理は前回硬度測定位置にできるだけ近接した位置でかつ前回の圧痕の影響を受けない位置（例えば前回の圧痕から圧痕の対角線長さの５倍程度離れた位

以上超音波振動式のポータブル硬度計による硬度置（約 2mm 程度））の硬度を測定することでより正測定法について具体的に述べたが，２で述べたよう確なひずみ測定，材料の健全性評価が可能になるもに他の硬度計よりややバラツキ易い傾向があるたのと考える．なお硬度測定によるひずみ量の評価はめ，本稿で述べたデータ処理法，表面処理法，測定硬度の絶対値を評価するものではなく，変化量を評者の管理は必要である．なお地震被災後の塑性変形価するものであるため２で述べたいずれのタイプの量を評価するためには被災前の材料硬度の評価が必ポータブル硬度計でも使用可能であるが，被災前と要であるが，これについては「中越沖地震後の原子後で同一の硬度計を使用する必要がある．以上ポー炉機器の健全性評価委員会」で検討が行われ，評価

タブル硬度計による硬度測定法についてまとめると対象部位と同一ロットの同一材料で地震動による影以下のようになる．

響が小さいと評価される部位の硬度で評価可能であ・ポータブル硬度計は通常の硬度計に比較してバラ（2）（5）,るとされている．また当該委員会ではポータブ

ル硬度計 3 種のいずれでも塑性ひずみの検出が可能

ツキ易いため以下のような対策が必要である．
測定者の選定：標準硬度サンプルの測定値の標準174

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偏差が一定値（例えば 20 点測定で 12）以下の者

参考文献を測定者とする．
測定部位の研磨：耐水研磨紙 1200 番以上の研磨が望ましい．

（1） 原子力安全・保安院，“ 柏崎刈羽原子力発電所の設備健全性について ”，平成 21 年３月．

測定回数およびデータ整理：一か所 20 点以上測

（2） 日本原子力技術協会，中越沖地震後の原子炉定し，測定点のうち上下各 15％の測定値を削除

機器の健全性評価委員会，“ 中越沖地震後のし，中央 70％の測定値を採用する．

原子炉機器の健全性評価，平成 22 〜 23 年度

・当該硬度測定法では３％以上の塑性ひずみが検出

報告 ” 平成 24 年３月．

可能と考えられるので，地震動によって部材の健（3） 戸 塚 信 夫， 松 崎 明 博，“ 原 子 炉 構 造 材 の 非全性に影響する局所的塑性ひずみが加わったかど

破 壊 的 評 価 手 法 の 検 討（ そ の １）” INSSうかを判定できると考えられる．

JOURNAL, Vol.17（2010）,pp200‑213.
（4） 戸 塚 信 夫， 松 崎 明 博，“ 原 子 炉 構 造 材 の 非7. まとめと留意点

破 壊 的 評 価 手 法 の 検 討（ そ の ２）” INSSJOURNAL, Vol.18（2011）,pp170‑180.

地震被災後のひずみ評価をより正確に行うために（5） 日本原子力技術協会，“ 地震後の機器健全性は，地震動によって最も大きな荷重が加わる可能性評価ガイドライン〔検査手法−配管・基礎ボの高い代表的部位を適切に選定し，事前に硬度測定ルト等〕” 平成 24 年３月．

することが重要である．このとき，事前の硬度測定時から地震被災までの材料の時効による硬度変化が，どの程度かを評価する必要がある．これには前述したように，20 年以上運転して廃炉となる複数の実機材の同一材料の直管部，エルボー部，低温部，高温部の硬度を測定することにより，長時間時効に及ぼす加工や温度の影響を明らかにすることが，地震被災前の硬度測定を実施した後，地震被災までの時効による硬度変化を評価する一助となると考えられる．なお必要があれば当該材料を廃炉プラントから切り出して，追加時効すればさらに長時間の時効効果の評価が可能となる．
また，測定部位によっては作業姿勢等の制約からデータがよりバラツキ易くなる可能性もあるため，実機に即した作業者の訓練を行う必要がある．
以上ひずみ測定の留意点については以下のようにまとめられる．
・地震被災前に測定された代表部位が，必ずしも地震被災後の実地震動による最高負荷部とは限らないものの，被災前の測定値は参照値として有効活用できることを認識する必要がある．
・バラツキを小さくするための測定者の訓練が必要であり，これには廃炉が決定している実機の活用が有効と考えられる．