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1 日本原子力学会 水化学部会 第 5 回定例研究会 水化学による PWR 二次系炭素鋼配管の減肉抑制への取り組み 平成 2 年 1 月 2 日 日本原子力発電 ( 株 ) 杉野亘 1

2 PWR 二次系における防食法 (AVT) <ph と材料腐食速度の関係 ( 概念図 )> 炭素鋼 電位 (V vs.she) 中性純水 AVT ph9.3 腐食速度 銅 低合金鋼 AVT ph ph( log[nh 4 ] ) 鉄系材料 ( 炭素鋼, 低合金鋼 ) は ph 上昇に伴い腐食量が低下 銅系材料は ph 上昇に伴い腐食量が上昇 脱酸素剤 (N2H4) により脱気 アンモニアにより ph 上昇 (ph9.3@25 ) (AVT 処理 :All Volatile Treatment) マグネタイト (Fe 3 O 4 ) 被膜を形成し防食 両者のバランスを勘案し ph9.3 を選定 敦賀発電所 2 号機 (PWR) の給水鉄は 4~5ppb 程度と高かった 2

3 AVT による二次系機器への影響 (1/2) SG 汚れ係数 蒸気発生器 (SG) の性能低下 敦 2 SG 汚れ係数の推移敦 2 SG 伝熱管抜管調査結果 ( 第 8 回定検時 ) 定格電気出力割れ汚れ係数 設計値 SG 汚れ係数 理論的な熱伝達率からのずれ = スケール付着による熱伝達率の変化 運転サイクル SG 伝熱管へのスケール付着により熱効率が低下し, 近い将来には定格電気出力が出せなくなる可能性あり Sludge SG tubing Cu precipitation Inter Granular Corrosion(IGC) 1 μ m スケール堆積部の銅が偏析した部位で微小な粒界腐食の兆候あり スケール堆積部でのイオン不純物濃縮による ph の低下と銅による電位上昇によると推測 今後,IGA/SCC に進展する可能性あり 3

4 AVT による二次系機器への影響 (2/2) 敦賀発電所 2 号機二次系配管の取替え実績 蒸気発生器 23,24 高圧タービン 高圧ヒータ出口弁漏えい (22) 高温単相流系 MSR 1997,1998,24, 高温二相流系 低圧タービン 復水器 22 脱気器 低圧ドレン配管漏えい (24) 復水脱塩装置 ,1997, ,27 PWR 二次系では, 流れ加速型腐食 (FAC) により, 厳密な肉厚管理 配管取り替えが頻発 ( 配管漏えい事象も発生 ) 給水ブースターポンプ出口配管漏えい (26) 発電コスト削減, 安全性確保のため 減肉抑制が重要課題 4

5 PWR 水化学の改善 ( 高 ph 処理の効果 1/2) 1 敦 2 給水 ph と鉄濃度の相関 給水鉄濃度 電位 (V vs.she) AVT (PWR) ph9.3 高 ph (ph 1 ) ph を 1 程度まで高める高 ph 処理により防食効果を向上 ( マク ネタイト溶解度低下 ) 目的 給水鉄濃度を 1ppb 以下まで低減し, 蒸気発生器 (SG) 伝熱管へのスケール付着による性能低下を抑制 全鉄濃度 ( ppb ) 5 AVT NH3:.7ppm N2H4:.3ppm 目標 :<1ppb 25 年 7 月より, アンモニアによる高 ph 処理 (High-AVT) を導入 High-AVT NH3:4ppm N2H4:.1ppm 給水 ph@25 ph9.8 の High-AVT により, 目標としていた防食効果 ( 鉄低減 ) が得られた ( 炭素鋼の平均的な腐食率が従来の ~1/5 に低減 ) 5

6 PWR 水化学の改善 ( 高 ph 処理の効果 2/2) 3. 敦 2 High-AVT 導入前後の SG 汚れ係数の推移 ( サイクル平均値 ) AVT 時の予想線 2.5 定格電気出力割れ汚れ係数 2. SG 汚れ係数 High-AVT サイクル途中までのデータ High-AVT 後の予想線 設計値 運転サイクル SG 性能の低下傾向が抑制され, 目的とした SG の長期的な健全性確保が達成できる見通しを得た 6

7 High-AVT による減肉抑制効果 (1/6) High-AVT 導入の目的としていた SG の長期健全性の確保は達成 ( これは二次系全体の炭素鋼の平均的な腐食率が従来の ~1/5 となったため ) 一方, 厳密な配管の肉厚管理や頻繁な配管取替えの要因となっている FAC による炭素鋼配管の局所的な減肉についても同様な抑制効果が得られるかを評価した 単相流系配管 評価点一覧 肉厚測定点 高圧タービン MSR SG G 低圧タービン HP ヒーター F 復水器 A 脱気器 B,C H #4 LPヒーター #3 LPヒーター D,E 復水脱塩装置 比較的減肉率が大きい給復水系炭素鋼配管の肉厚測定から High-AVT 導入前後の減肉率の変化を比較 7

8 High-AVT による減肉抑制効果 (2/6) 減肉率 ( 相対値 ) 単相流系配管減肉率の比較 (AVT/High-AVT) 従来水質 (ph9.3) High-AVT(pH1) 系統名部位材料温度 ( ) 流速 (m/s) Re( 1 7 ) A 直管 ( ホ ンフ 出口 ) SF5A B,C 直管 ( 熱交換器出口 ) SB D,E 直管 ( 熱交換器出口 ) SB F エルボ ( 逆止弁下流 ) STPT G T 字管 ( エルホ 下流 ) SB H エルボ ( オリフィス下流 ) SB A B C D E F G H 平均 減肉率が大きく抑制された系統がある一方, ほとんど抑制されない系統あり ( 全系統平均で約 1/2) 効果の差は, 材料, 温度, レイノルズ数との相関なし 局所的な偏流が影響している可能性あり 8

9 High-AVT による減肉抑制効果 (3/6) 系統 Fの詳細な肉厚の経時変化 逆止弁下流に位置するエルホ 系統 F (A 部 ) 肉厚分布の推移 平均流速 3.5m/s 肉厚 (mm) 効果が小さい 11 1 エルボ背側 High-AVT 公称肉厚 (STPT38) AVT Low-AVT 腹側 8 エルホ 入口 (A 部 ) は High-AVT の効果小 14 肉厚 (mm) 13 定検 ( 回 ) 最小肉厚点エルボ背側 系統 F (B 部 ) 肉厚分布の推移 減肉が停止 腹側 B 部以降は減肉が殆ど停止 定検 ( 回 ) 逆止弁下流の偏流の大きい部位はHigh-AVTによる減肉抑制効果が小さい可能性あり 9

10 High-AVT による減肉抑制効果 (4/6) 系統 H の詳細な肉厚の経時変化 系統 H (A 部 ) 肉厚分布の推移 オリフィス下流に位置するエルホ 平均流速 5m/s 肉厚 (mm) 効果無し (SB42) 公称肉厚 Low-AVT High-AVT 定検 ( 回 ) 肉厚 (mm) 効果無し 系統 H (Y 部 ) 肉厚分布の推移 公称肉厚 定検 ( 回 ) エルボ背側腹側 最小肉厚点 エルホ 入口腹側は抑制されない エルボ背側最小肉厚点 腹側 エルホ 出口 ( 溶接線下流 ) も抑制されない オリフィス下流や溶接線下流の偏流の大きい部位では,High-AVT による減肉抑制効果が小さい可能性あり 1

11 High-AVTによる減肉抑制効果 (5/6) 二相流系配管評価点一覧 気 - 液分配係数の大きいアンモニアでは, 二相流系配管の腐食抑制効果が小さいと言われている これを検証するため, 比較的減肉率が大きいクロスアンダー管の減肉率を比較 タービン軸中心 湿分分離再加熱器 流れ方向 4 高圧タービン 3 湿分分離再加熱器 流れ方向 測定点 部位 材料 温度 ( ) 流速 (m/s) 蒸気湿り度 (%) 1 直管 ( エルボ下流 ) SB 直管 ( 高圧タービン出口 ) SB45 SR 直管 ( エルボ下流 ) SB 約 1 4 直管 SB

12 High-AVT による減肉抑制効果 (6/6) 減肉率 ( 相対値 ) 従来水質 (ph9.3) High-AVT 測定点 部位 材料 温度 ( ) 流速 (m/s) 1 直管 ( エルボ下流 ) SB 直管 ( 高圧タービン出口 ) SB45 SR 直管 ( エルボ下流 ) SB 直管 SB (減肉せず)二相流系炭素鋼配管減肉率の比較 (AVT/High-AVT) 平均 評価点を平均した High-AVT 後の減肉率は従来の約 1/2 二相流系においても, 部位によっては単相流系と同様の減肉抑制効果が得られる可能性あり ( 今後のデータの蓄積が必要 ) 12

13 高 ph(high-avt) のまとめ 給水鉄低減を目的として敦賀発電所 2 号機に導入した High- AVT により, 期待通りの効果 ( 給水鉄 <1ppb による SG 長期健全性確保 ) を達成 これは, 二次系全体の炭素鋼の平均的な腐食率が従来の ~1/5 となったため 一方, 炭素鋼配管の減肉率については, 単相流系, 二相流系ともに平均で従来の 1/2 程度に抑制されたが, 流動条件の厳しい部位は抑制されない可能性がある これは, マグネタイト (Fe 3 O 4 ) 被膜で防食を図る AVT 処理の限界を示唆しているものと考える 13

14 配管減肉抑制のための水化学の改善 ( 低濃度酸素処理 ) 電位 (V vs.she) AVT (PWR) ph9.3 酸素処理 (BWR) DO 2~1ppb 減肉率 ( 相対値 ) PWR(AVT) と BWR(OT) の炭素鋼配管減肉率の比較 敦 2(PWR) 東 2(BWR) <BWR> 酸素注入によりヘマタイト (Fe 2 O 3 ) 不動態被膜を形成し腐食抑制 <PWR> AVT 処理によりマグネタイト (Fe 3 O 4 ) 被膜を形成 系統温度 ( ) 減肉率は, 酸素処理を採用しているBWRの方が小さい これは, 被膜の溶解度の違い ( ヘマタイト << マク ネタイト ) による 14

15 配管減肉抑制のための水化学の改善 ( 低濃度酸素処理 ) < 低濃度酸素処理のコンセプト > 電位 (V vs.she) 酸素処理 (BWR) DO 2~1ppb Low-AVT High-AVT + 微量の酸素 High-AVT High-AVT 条件下では, 極僅かな電位上昇 (= 微量酸素濃度 ) でヘマタイト被膜を形成できる可能性あり High-AVT+ 微量酸素注入により, 二相流系を含めた二次系全体の腐食を抑制しつつ, 給復水系炭素鋼配管の減肉を抑制できる可能性あり 15

16 低濃度酸素処理の事前評価結果 < 試験ループ > 水質調整ループ < 低温, 低流速 > 1 より 酸素濃度と炭素鋼 ECP,FAC 率の相関 炭素鋼 ECP(V vs.she) 入口炭素鋼 Fe ECP 炭素鋼腐食率 FAC 率 被膜 Fe 3 O 4 18 ph 9.2 5m/s STPG37 被膜 Fe 2 O 炭素鋼 FAC 率 (mm/y) 1 へ NH 3,N 2 H 4 腐食試験ループ < 高温 高流速 > 冷却器 試験片 オートクレーブ (18 ) 循環ポンプ 酸素注入 ( 大気飽和水注入 ) 酸素濃度 (ppb) ラボ試験の結果,AVT 条件下では僅か 2ppb の酸素でヘマタイト化し, FAC 速度が低減 High-AVT+ 微量酸素注入というコンセプトが基本的に成立する 16

17 PWR における低濃度酸素処理の概念 酸素による蒸気発生器 (SG) 伝熱管健全性への長期的な影響が不明 SG への酸素の持ち込みを回避する必要あり ( 酸素濃度 <5ppb) ヒドラジン ( 脱酸素剤 ) を共存させることにより, SGに酸素を持ち込ませずに給復水系配管のFACを抑制できる水質制御法が成立する可能性あり 実機試験により成立性を評価 脱気器 FAC の厳しい領域 HP ヒーター SG O 2 酸素濃度 2ppb ヒドラジンによる酸素の消費 HP ヒーターで酸素消滅 ppb O2-N2H4 反応は主に配管表面で進行する 表面積 / 体積比の大きな HP ヒーター細管内で酸素消費が進行 17

18 敦賀発電所 2 号機酸素注入調査の概要 (1/2) < 目的 > 1SG への酸素持込抑制技術の確立 2 実機での FAC 抑制効果の評価 減肉率の高い箇所が存在し SG への酸素持込について評価できる 脱気器下流で調査 <AVT 条件 > ph:9.8(high- AVT) ヒドラジン :1ppb SGへ酸素が持ち込まれないことを監視 - ECP(SS) 炭素鋼の表面状態を把握 -ECP(CS) 炭素鋼の減肉状況を把握 - 鉄濃度 鉄形態 気酸素ガス注入装置発生器低脱気器圧給水給水ブースター加加熱器 ECP ポンプ熱器高圧給水 ECP 主給水ポンプ塩装置蒸ECP : 腐食電位 (ECP) 計 : 酸素注入対象範囲 復水脱 復水器 18

19 敦賀発電所 2 号機酸素注入調査の概要 (2/2) サンプリング配管内でのヒドラジンによる酸素消費により, 既存の酸素濃度計では酸素濃度を精確に測定できないため ECP 計により系統内の酸素濃度を評価 ECP 装置概要 主給水配管から ECP センサー ( 腐食電位計 ) までの距離は約 5cm SG へ 蒸気発生器へ サンプリングラック 既設仮設装置 主給水配管 腐食電位計 < 作用電極 > SUS 第 6 高圧 HPヒーター給水加熱器サンプリング配管 タービン動主給水ポンプ 腐食電位計 < 作用電極 > 炭素鋼 SUS 脱気器より 酸素注入 サンプリングラック ECP 指示値確認用 ECP 校正用大気飽和水注入装置 母管直近にセンサーを取り付け, サンフ リンク 配管内での酸素消費の影響を排除 センサー上流に ECP 値の妥当性を評価できる装置を組み込んだ 19

20 酸素注入調査における酸素注入実績 (1/2) 酸素注入量 (L/h) 酸素濃度 (ppb) 給水 DO 基準値 <5ppb 給水 DO 基準値 <5ppb 段階注入 Step 最適注入 Step 4/24 最大 5ppb 酸素注入量 ( 実績 ) 酸素濃度計算値 ( 給水 ) 給水フ ースターホ ンフ 出口 ( 実測値 ) 高圧給水加熱器入口 ( 実測値 ) 高圧給水加熱器出口 ( 実測値 ) 酸素濃度 (ppb) 7/2 7/3 7/4 7/5 7/6 7/7 7/8 給水酸素濃度管理値の 5ppb となるまで段階的に注入量を増加 しかし 給水系 ( 高圧給水加熱器入口 ) における実測の酸素濃度は殆ど上昇せず 2

21 酸素注入調査における酸素注入実績 (2/2) 酸素濃度の実測値と計算値の関係 5 4 HPH 入口 ( 溶存酸素計 ) HPH 入口 (ECP より換算 ) 酸素濃度 ( 実測値 :ppb) 酸素濃度 ( 計算値 :ppb) 表面積 / 体積比の大きなサンプリング配管内では O2-N2H4 の反応が促進 ヒドラジン共存下における高温系統の微量酸素濃度は 従来の方法 ( サンプル配管で移送 冷却後溶存酸素計にて測定 ) では精度が低い ECP による高精度の監視が有効 21

22 調査結果 1SG への酸素持込抑制技術の確立 (1/2) 酸素注入量 (L/h) 酸素注入パターン 給水 DO 管理値 <5ppb 酸素注入実績 酸素注入量 ( 実績 ) 酸素濃度計算値 ( 給水 ) 溶存酸素濃度 (ppb) 最大 5ppb.1 ECP 測定結果. 大気飽和水注入 (5ppb) -.1 ECP(VvsSHE) <AVT 条件 > ph:9.8(high-avt) ヒドラジン :1ppb 高圧給水加熱器入口 (CS) 高圧給水加熱器入口 (SS) 高圧給水加熱器出口 (SS) 27/3 27/3 27/4 27/5 27/5 27/6 27/6 27/7 27/8 27/8 27/9 高圧給水加熱器(HPH) 入口 ECPは 酸素注入量に応じて変化,HPH 出口の ECPは ほぼ一定で推移 HPH 入口では, 炭素鋼表面被膜がヘマタイト化する SG 給水 (HPH 出口 ) の酸素濃度は上昇しない 22

23 調査結果 1SG への酸素持込抑制技術の確立 (2/2) 脱気器 酸素濃度 (ppb) 酸素注入点下流側の酸素濃度分布評価結果 FW BP O 2 FAC の厳しい領域 酸素濃度解析値 酸素濃度 (ECP から換算 ) 必要酸素濃度確保 HP Hx SG 酸素注入点 注入点からの距離 (m) HP ヒーター 高圧給水加熱器 (HPH) により酸素が消費 ( 表面積 / 体積比の大きな給水加熱器細管内で O2-N2H4 反応が促進 ) 酸素濃度が 5ppb 程度であれば,SG に酸素を持ち込ませない制御が可能 SG 23

24 調査結果 2 実機での FAC 抑制効果の評価 (1/3) 鉄イオン濃度 (ppb) 酸素注入は 鉄の溶出抑制( 形態変化による溶解度低下 ) を目的としているため 鉄イオンの挙動を把握 酸素注入量 (L/h) E+1 1.E+ 1.E-1 ph9.8 酸素注入実績 給水フ ースタホ ンフ 出口 高圧給水加熱器出口 ph9.6 酸素注入量 ( 実績 ) 酸素濃度計算値 ( 給水 ) 高圧給水加熱器入口 ph 溶存酸素濃度 (ppb) 1.E-2 7/2 7/3 7/4 7/5 7/6 7/7 7/8 酸素注入により 鉄イオン濃度は低下 ph が低下すると鉄イオンは上昇するケース有り High-AVT + 微量酸素注入が有効 24

25 調査結果 2 実機での FAC 抑制効果の評価 (2/3) 高圧給水加熱器入口炭素鋼 ECP 値からの被膜形態変化の考察 入口炭素鋼 Fe ECP( 実機試験 ) 炭素鋼 ECP( ECP( 実機試験自社ラボ試験 ) ) 炭素鋼腐食率炭素鋼 FAC 率 ( 自社ラボ試験 ) 炭素鋼 ECP(V vs.she) 被膜 Fe 3 O 4 被膜 Fe 2 O 炭素鋼 FAC 率 (mm/y) 酸素濃度 (ppb) 実機でも, ラボ試験同様に酸素濃度 2ppb 以上で炭素鋼表面の被膜がヘマタイト (Fe 2 O 3 ) 化 微量の酸素でFACを抑制できる可能性あり 25

26 調査結果 2 実機での FAC 抑制効果の評価 (3/3) 含有率 (%) 1% 8% 6% 4% 2% % 脱気器出口鉄形態の比較 Lo-AVT Hi-AVT OWC Fe2O3 Fe3O4 α-feooh γ-feooh 鉄クラッド形態からの被膜形態変化の考察 脱気器出口鉄形態の比較高圧給水加熱器入口鉄形態の比較高圧給水加熱器出口鉄形態の比較 酸素注入 含有率 (%) 1% 8% 6% 4% 2% % Lo-AVT 時データ無し HPH 入口鉄形態の比較 マク ネタイト ヘマタイト Lo-AVT Hi-AVT OWC Fe2O3 Fe3O4 α-feooh γ-feooh 酸素注入 含有率 (%) 1% HPH 出口鉄形態の比較 % % % % % Lo-AVT Hi-AVT OWC Fe2O3 Fe3O4 α-feooh γ-feooh 酸素注入 脱気器 O 2 Inj. A2 2ppb A1 B2 B1 FWBP S FWBPO A 1ppb B FWP S DeaO HPH HPHO S (ECP) 酸素注入 (OWC) によりヘマタイト (Fe2O3) が増加 酸素注入によるヘマタイト化を形態からも把握 酸素注入時も SG は全てマグネタイト (Fe3O4) SG 内は還元性が維持 ( 酸素の持込み無し ) S 5ppb HPHI (ECP) SG へ SG 含有率 (%) 1% 蒸気発生器 (SG) 鉄形態の比較 SG 鉄形態の比較 8% 6% % 2% % Lo-AVT Hi-AVT OWC Fe2O3 Fe3O4 α-feooh γ-feooh 酸素注入 26

27 PWR における低濃度酸素処理のまとめ High-AVT+ 微量酸素注入という PWR 二次系 FAC 抑制コンセプトを構築 実機試験により, 高圧給水加熱器内で酸素が消費され,5ppb 以下の給水酸素濃度では SG に酸素を持ち込まない制御が可能であることを実証 ラボ試験と同様に 2ppb 程度の僅かな酸素濃度で, 炭素鋼の ECP がヘマタイト域まで上昇し,FAC 抑制効果が実機でも得られることが期待できる ヒドラジン共存下での低濃度の酸素測定には ECP 計が有効 High-AVT 条件下での微量酸素注入という, 二相流系を含めた二次系全体の腐食を抑制しつつ, 給復水系炭素鋼配管の減肉抑制策が実機で成立することを実証 27

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