非破壊評価の観点から見た 原子力発電所機器の疲労割れ管理方法に関する考察
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カテゴリ: 第10回
緒言
「システム安全」とは、安全確保という共通の目的に奉仕する複数の要素と、要素間の相互依存関係により、リスク（安全設備の機能喪失）を極力低減し、プラント全体として総合的に安全を確保すること、とされている[1]。である。このような考え方に立ち、設備の劣化管理を行えば、従来に増して原子力発電所の安全性を向上させることが期待できる。 原子力発電所は多くの系統、機器から成っており、疲労割れが発生する可能性のある部位は広範囲に分散して存在する。また、疲労割れには高サイクル疲労（機械疲労、熱疲労）、低サイクル疲労およびその組み合わせがあり、その形態は一様ではない。本研究では、原子力発電所のシステム安全の観点から効率的･効果的な疲労割れ管理のあり方について検討する。 2経年劣化の管理方法 2.1経年劣化管理の概要 一般に原子力発電所のような大規模複雑プラントシステムは、複数の系統から構成されており、その系統は機械、電気、制御、土木建築の４つの設備あるいは機器で構成されている。また、プラントはそれを構成する各系統が機能して初めて所期の機能を発揮し、各系統はそれを構成する設備あるいは機器が機能して初めて機能を事は系統や機器の機能を維持することであり、必ずしも個々の設備･機器の経年劣化を管理することではない。したがって、個々の設備・機器の経年劣化を管理するも、その管理は系統の機能あるいは機器の機能を維持するための管理であることが効率的、効果的であり、重要である。（Fig.1） したがって、プラントを管理する場合、系統および機器の単位で経年劣化管理プログラム（AMP: AgeingManagement Program）を確立し、それらの機能を維持することに注力するのが通常である。ただし、便宜的に経年劣化事象毎に管理する場合もある。
系統A機械電気制御土建系統Y機械電気制御土建・・・・・・・・・系統X機械電気制御土建・・・・・・・・・疲労SCC減肉その他ケーブル絶縁低下その他コンクリート強度低下その他機器単位のAMP系統単位のAMP系統単位のAMP系統単位のAMPシステム安全の確保重要系統のロバストなシステム構成（設計）構成機器の正確な状態把握/評価と補修（保全）劣化事象毎のAMPFig.1 Plant Configuration and Ageing Degradation Management 22経年劣化の解析評価と検査の関係 機器の健全性（機器の機能を維持できるか否か）は、 検査（モニタリングも含む。以下同様。）を実施するだけでは判定できない。機器の状態を把握するために検査を実施した上で、その結果を解析評価技術に入力してその後の状態を評価することによって初めて機能が維持されるか否か判定できる（Fig.2）。このように、機器の健全性を評価･判定するには、検査技術と解析評価技術の両方が必要であり、いずれを欠いても評価･判定できない。言い換えると、両技術の組合せは機器の機能が維持されるか否かを評価、判定するのに必要不可欠であり、これら両技術が無いと機器の健全性を証明できない、あるいは機器の健全性に確信を持てない、と言うことができる。 運転時間（実時間）経年劣化潜伏期間AA’BC’B’欠陥検出限界機能機能喪失レベル検査･モニタリング時期実測値○○○C予測評価と実測の組合せで将来予測。これにより予測精度を確保。Fig.2Relationship between Evaluation and Inspection 20.2効率的･効果的な経年劣化評価方法 疲労割れ管理はシステム安全を確保するための1つの重要な要素である。その重要な要素である疲労割れ管理は、これまた複数の要素から成っている。ロバスト性が高く、合理的な疲労割れ管理方法を確立するには、これら複数の要素の特性を十分に理解した上で、総合的に安全を確保できるシステムを構築する必要がある。それには、まず、対象である系統全体の状態を俯瞰的に把握し、詳細把握すべき個所（弱点）を明確にすることが重要である。その上で詳細把握すべき個所の状態を正確に把握することが必要である。これを実現する手段として、系統全体の状況を効率的、効果的に把握するための解析評価技術と検査技術が、また、詳細把握すべき個所の状態を正確に把握するための解析評価技術と検査技術が必要である。（Fig.3） 3．疲労割れ現象とその管理方法 3.1注目すべき疲労割れ現象 疲労割れ現象には、機械振動や熱変動による高サイクル疲労、プラントの起動停止等に伴う低サイクル疲労があることが知られている。我国の原子力発電所の疲労による損傷事例を見ると、下記のケースが大部分を占めて 対象系統全体の状態把握と 詳細把握すべき個所の抽出 詳細把握すべき個所の状態の正確な把握 解析評価技術 検査・モニタリング技術 解析評価技術 検査・モニタリング技術 Fig.3Efficient and Effective Management of Ageing Degradation いる[2]。 . 小口径配管の機械振動による高サイクル疲労割れ . 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れ . 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れに、プラントの起動停止等による低サイクル疲労が重畳したもの 3.2疲労割れの効率的・効果的な管理方法 前項の疲労割れケースを効率的・効果的に評価し、管理する方法として下記が考えられる。 (1) 小口径配管の機械振動による高サイクル疲労割れ 本疲労割れを管理する方法として下記が考えられる。 ①対象系統全体の状態把握 . まず、対象系統全体の把握のため、配管系の振動解析を行い、固有モード（固有振動数と変形モード）を把握する。 . その上で、各固有モードの振動を把握しやすい個所に振動計を設置し、運転中のベースラインの振動データを採取する。この時、定格運転時のみでなく、起動停止などの過渡条件時もすべてデータ採取する。 . 当該配管系の実測振動データを振動解析コードに入力し、当該配管系の応答を解析･評価した結果から疲労割れ感受性の高い小口径配管を抽出する。 ②疲労割れ感受性の高い小口径管の詳細把握 . 必要に応じ、当該小口径配管の振動解析を行い、固有モード（固有振動数と変形モード）を把握する。 . 当該小口径配管の固有振動数を実測する。 . 小口径配管の固有振動数実測値と振動解析結果を比較し、必要に応じて振動解析モデルを調整し、再評価を行う。 . 上記評価を踏まえて、小口径管のサポート部の検査（摩耗の有無等）を計画的に行う。 (2) 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れ 本疲労割れを管理する方法として下記が考えられる。 ①対象系統全体の状態把握 . まず、対象系統全体の把握のため、高低温の冷却材が混合する部位を解析あるいはエキスパート等により抽出する。 . 必要に応じて、対象系統全体の温度変動を実測し、有意な温度変動のあることを確認する。 . その上で、温度実測値を評価して疲労割れ感受性の高い温度変動個所を抽出する。 ②疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細把握 . 疲労割れ感受性の高い温度変動個所の熱流動解析、疲労解析、疲労割れ進展解析等を行い、当該個所の疲労特性を把握する。 . 必要に応じて疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細な温度測定を実施する。 . 疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細な温度測定結果と解析結果を比較し、必要に応じて解析モデルを調整し、再評価を行う。 . 上記評価を踏まえて、疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細検査を計画的に行う。 (3) 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れに、プラントの起動停止等による低サイクル疲労が重畳したもの . 基本的に前項-2と同じである。 4．今後の課題 原子力発電所のシステム安全の観点から効率的･効果的な疲労割れ管理のスキームを構築するためには、下記の課題があると、考えられる。 (1) 検査に関する課題（Fig.4） . 広域検査･連続モニタリング技術の有無調査 . 局部連続モニタリング技術の有無調査 . 局部検査技術の検査精度（限界）の明確化 . 局部検査技術の信頼性の明確化（POD、検査有効度） (2) 解析評価に関する課題（Fig.4） . 広域解析手法の有無調査 . 広域解析手法の精度調査 . 局部解析手法の有無調査 . 局部解析手法の精度調査 (3) 保全指標に関する課題 . 解析評価/検査の信頼性と疲労状態掌握度の関係 . 疲労状態掌握度と保全指標の関係 第１スクリーニング（全体把握）系統全体評価広域検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ第２スクリーニング（局所把握）局部解析評価局部検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ解析精度検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ精度解析精度検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ精度異なる手法の相互補完による状態把握異なる手法による２段階の状態把握解析手法の有無調査、開発検査手法の有無調査解析手法の有無調査、開発連続ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ手法の有無調査検査手法の能力限界調査検査手法の信頼性調査連続ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ手法の有無調査解析手法の精度調査解析手法の精度調査Fig.4Problems to be solved for the efficient and effective fatigue management 1900/01/04．緒言 システム安全の観点から原子力発電所の効率的･効果的な疲労割れ管理のあり方について検討した。また、今後の課題について検討した。 参考文献 [1] MRI株式会社三菱総合研究所: “平成24年度高経年化技術評価高度化事業 成果報告書＜第１分冊＞”, 平成25年3月, pp.2-21～2-22[2] MRI株式会社三菱総合研究所: “平成24年度高経年化技術評価高度化事業 成果報告書＜第２分冊＞”, 平成25年3月, pp.2-873～2-904
“ “非破壊評価の観点から見た 原子力発電所機器の疲労割れ管理方法に関する考察“ “青木 孝行,Takayuki AOKI,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI“ “非破壊評価の観点から見た 原子力発電所機器の疲労割れ管理方法に関する考察“ “青木 孝行,Takayuki AOKI,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI
「システム安全」とは、安全確保という共通の目的に奉仕する複数の要素と、要素間の相互依存関係により、リスク（安全設備の機能喪失）を極力低減し、プラント全体として総合的に安全を確保すること、とされている[1]。である。このような考え方に立ち、設備の劣化管理を行えば、従来に増して原子力発電所の安全性を向上させることが期待できる。 原子力発電所は多くの系統、機器から成っており、疲労割れが発生する可能性のある部位は広範囲に分散して存在する。また、疲労割れには高サイクル疲労（機械疲労、熱疲労）、低サイクル疲労およびその組み合わせがあり、その形態は一様ではない。本研究では、原子力発電所のシステム安全の観点から効率的･効果的な疲労割れ管理のあり方について検討する。 2経年劣化の管理方法 2.1経年劣化管理の概要 一般に原子力発電所のような大規模複雑プラントシステムは、複数の系統から構成されており、その系統は機械、電気、制御、土木建築の４つの設備あるいは機器で構成されている。また、プラントはそれを構成する各系統が機能して初めて所期の機能を発揮し、各系統はそれを構成する設備あるいは機器が機能して初めて機能を事は系統や機器の機能を維持することであり、必ずしも個々の設備･機器の経年劣化を管理することではない。したがって、個々の設備・機器の経年劣化を管理するも、その管理は系統の機能あるいは機器の機能を維持するための管理であることが効率的、効果的であり、重要である。（Fig.1） したがって、プラントを管理する場合、系統および機器の単位で経年劣化管理プログラム（AMP: AgeingManagement Program）を確立し、それらの機能を維持することに注力するのが通常である。ただし、便宜的に経年劣化事象毎に管理する場合もある。
系統A機械電気制御土建系統Y機械電気制御土建・・・・・・・・・系統X機械電気制御土建・・・・・・・・・疲労SCC減肉その他ケーブル絶縁低下その他コンクリート強度低下その他機器単位のAMP系統単位のAMP系統単位のAMP系統単位のAMPシステム安全の確保重要系統のロバストなシステム構成（設計）構成機器の正確な状態把握/評価と補修（保全）劣化事象毎のAMPFig.1 Plant Configuration and Ageing Degradation Management 22経年劣化の解析評価と検査の関係 機器の健全性（機器の機能を維持できるか否か）は、 検査（モニタリングも含む。以下同様。）を実施するだけでは判定できない。機器の状態を把握するために検査を実施した上で、その結果を解析評価技術に入力してその後の状態を評価することによって初めて機能が維持されるか否か判定できる（Fig.2）。このように、機器の健全性を評価･判定するには、検査技術と解析評価技術の両方が必要であり、いずれを欠いても評価･判定できない。言い換えると、両技術の組合せは機器の機能が維持されるか否かを評価、判定するのに必要不可欠であり、これら両技術が無いと機器の健全性を証明できない、あるいは機器の健全性に確信を持てない、と言うことができる。 運転時間（実時間）経年劣化潜伏期間AA’BC’B’欠陥検出限界機能機能喪失レベル検査･モニタリング時期実測値○○○C予測評価と実測の組合せで将来予測。これにより予測精度を確保。Fig.2Relationship between Evaluation and Inspection 20.2効率的･効果的な経年劣化評価方法 疲労割れ管理はシステム安全を確保するための1つの重要な要素である。その重要な要素である疲労割れ管理は、これまた複数の要素から成っている。ロバスト性が高く、合理的な疲労割れ管理方法を確立するには、これら複数の要素の特性を十分に理解した上で、総合的に安全を確保できるシステムを構築する必要がある。それには、まず、対象である系統全体の状態を俯瞰的に把握し、詳細把握すべき個所（弱点）を明確にすることが重要である。その上で詳細把握すべき個所の状態を正確に把握することが必要である。これを実現する手段として、系統全体の状況を効率的、効果的に把握するための解析評価技術と検査技術が、また、詳細把握すべき個所の状態を正確に把握するための解析評価技術と検査技術が必要である。（Fig.3） 3．疲労割れ現象とその管理方法 3.1注目すべき疲労割れ現象 疲労割れ現象には、機械振動や熱変動による高サイクル疲労、プラントの起動停止等に伴う低サイクル疲労があることが知られている。我国の原子力発電所の疲労による損傷事例を見ると、下記のケースが大部分を占めて 対象系統全体の状態把握と 詳細把握すべき個所の抽出 詳細把握すべき個所の状態の正確な把握 解析評価技術 検査・モニタリング技術 解析評価技術 検査・モニタリング技術 Fig.3Efficient and Effective Management of Ageing Degradation いる[2]。 . 小口径配管の機械振動による高サイクル疲労割れ . 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れ . 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れに、プラントの起動停止等による低サイクル疲労が重畳したもの 3.2疲労割れの効率的・効果的な管理方法 前項の疲労割れケースを効率的・効果的に評価し、管理する方法として下記が考えられる。 (1) 小口径配管の機械振動による高サイクル疲労割れ 本疲労割れを管理する方法として下記が考えられる。 ①対象系統全体の状態把握 . まず、対象系統全体の把握のため、配管系の振動解析を行い、固有モード（固有振動数と変形モード）を把握する。 . その上で、各固有モードの振動を把握しやすい個所に振動計を設置し、運転中のベースラインの振動データを採取する。この時、定格運転時のみでなく、起動停止などの過渡条件時もすべてデータ採取する。 . 当該配管系の実測振動データを振動解析コードに入力し、当該配管系の応答を解析･評価した結果から疲労割れ感受性の高い小口径配管を抽出する。 ②疲労割れ感受性の高い小口径管の詳細把握 . 必要に応じ、当該小口径配管の振動解析を行い、固有モード（固有振動数と変形モード）を把握する。 . 当該小口径配管の固有振動数を実測する。 . 小口径配管の固有振動数実測値と振動解析結果を比較し、必要に応じて振動解析モデルを調整し、再評価を行う。 . 上記評価を踏まえて、小口径管のサポート部の検査（摩耗の有無等）を計画的に行う。 (2) 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れ 本疲労割れを管理する方法として下記が考えられる。 ①対象系統全体の状態把握 . まず、対象系統全体の把握のため、高低温の冷却材が混合する部位を解析あるいはエキスパート等により抽出する。 . 必要に応じて、対象系統全体の温度変動を実測し、有意な温度変動のあることを確認する。 . その上で、温度実測値を評価して疲労割れ感受性の高い温度変動個所を抽出する。 ②疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細把握 . 疲労割れ感受性の高い温度変動個所の熱流動解析、疲労解析、疲労割れ進展解析等を行い、当該個所の疲労特性を把握する。 . 必要に応じて疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細な温度測定を実施する。 . 疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細な温度測定結果と解析結果を比較し、必要に応じて解析モデルを調整し、再評価を行う。 . 上記評価を踏まえて、疲労割れ感受性の高い温度変動個所の詳細検査を計画的に行う。 (3) 冷却材の温度変動による高サイクル熱疲労割れに、プラントの起動停止等による低サイクル疲労が重畳したもの . 基本的に前項-2と同じである。 4．今後の課題 原子力発電所のシステム安全の観点から効率的･効果的な疲労割れ管理のスキームを構築するためには、下記の課題があると、考えられる。 (1) 検査に関する課題（Fig.4） . 広域検査･連続モニタリング技術の有無調査 . 局部連続モニタリング技術の有無調査 . 局部検査技術の検査精度（限界）の明確化 . 局部検査技術の信頼性の明確化（POD、検査有効度） (2) 解析評価に関する課題（Fig.4） . 広域解析手法の有無調査 . 広域解析手法の精度調査 . 局部解析手法の有無調査 . 局部解析手法の精度調査 (3) 保全指標に関する課題 . 解析評価/検査の信頼性と疲労状態掌握度の関係 . 疲労状態掌握度と保全指標の関係 第１スクリーニング（全体把握）系統全体評価広域検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ第２スクリーニング（局所把握）局部解析評価局部検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ解析精度検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ精度解析精度検査・ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ精度異なる手法の相互補完による状態把握異なる手法による２段階の状態把握解析手法の有無調査、開発検査手法の有無調査解析手法の有無調査、開発連続ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ手法の有無調査検査手法の能力限界調査検査手法の信頼性調査連続ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ手法の有無調査解析手法の精度調査解析手法の精度調査Fig.4Problems to be solved for the efficient and effective fatigue management 1900/01/04．緒言 システム安全の観点から原子力発電所の効率的･効果的な疲労割れ管理のあり方について検討した。また、今後の課題について検討した。 参考文献 [1] MRI株式会社三菱総合研究所: “平成24年度高経年化技術評価高度化事業 成果報告書＜第１分冊＞”, 平成25年3月, pp.2-21～2-22[2] MRI株式会社三菱総合研究所: “平成24年度高経年化技術評価高度化事業 成果報告書＜第２分冊＞”, 平成25年3月, pp.2-873～2-904
“ “非破壊評価の観点から見た 原子力発電所機器の疲労割れ管理方法に関する考察“ “青木 孝行,Takayuki AOKI,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI“ “非破壊評価の観点から見た 原子力発電所機器の疲労割れ管理方法に関する考察“ “青木 孝行,Takayuki AOKI,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI