材料試験炉ホットラボ排気筒におけるアンカーボルト減肉及びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間に関する原因調査
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カテゴリ: 第13回
1.緒言
日本原子力研究開発機構(原子力機構)大洗研究開発センターに設置されている材料試験炉ホットラボの排気筒は、気体廃棄設備の一部として1970年に設置された高さ 40m(円筒鋼板部33m、コンクリート基礎部7m)の自立式排気筒である[1](Fig. 1)。2015年、ホットラボの建家屋根の補修中に排気筒基礎部アンカーボルトの1本に減肉が確認されたため、排気筒の状況調査を実施した。その結果、排気筒のアンカーボルト(外側16本、内側16本)のうち、外側アンカーボルトの 5 本、内側アンカーボルトの全数に減肉が確認された。また、フランジプレートとアンカーボルトナット間に隙間が確認された。 これを受け、安全確保のため排気筒円筒鋼板部を撤去したところ、最終的にアンカーボルト全数に減肉が確認された。原子力機構は再発防止を図るため、当該事象の原因調査を実施した。本書はアンカーボルト減肉及びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の発生に 関する原因調査結果について報告する。
2.概要
2.1 アンカーボルト減肉
原子力機構では平成27 年1月末より、排気筒外側に設 置されたアンカーボルト周りのモルタルの補修及び防水 塗装の工事を開始していた。平成27年2月3日ホットラ 連絡先 :柴田 晃、〒311-1393茨城県東茨城郡大洗町 成田町4002、国立研究開発法人 日本原子力研究開発 機構、E-mail: shibata.akira@jaea.go.jp ボの建家屋根の補修中、ひび割れたモルタル(Fig. 2)を撤 去したところ、排気筒基礎部アンカーボルトの1本に減 肉が確認された(Fig. 3)。また、同年6 月29日から7月2 - 290 - (1)アンカーボルトの設置されていた排気筒基礎部の構 日にかけて排気筒外側及び内側のアンカーボルトの状況 調査を実施した。排気筒アンカーボルトは、排気筒西側 造調査。(2)雨天時等における浸水の有無を確認するため より反時計回りにNo. 1~No. 16 まで、排気筒円筒鋼板部 の排気筒基礎部に対する散水試験。(3)減肉した排気筒外 の内側と外側に計 32 本存在し、そのうち、外側で 5 本、 側及び内側のアンカーボルトについて、SEM エネルギー 内側全数で減肉を確認した。内側アンカーボルト減肉の 分散型X 線分析法(SEM-EDX)による母材と腐食生成物 例を Fig. 4 に示す。これを受け、排気筒円筒鋼板部を撤 の境界付近の断面の元素分布分析。(4)腐食生成物につい 去し、ベースプレート下部の調査を実施した。ベースプ ての X 線回折による結晶構造解析(XRD)。(5)アンカー レート下部には礫状の砕屑物が広がっており(Fig. 5)、こ ボルトの材料を確認するための硬さ試験。(6)金属組織観 れを除去したところ、アンカーボルト周りにはラッパ管 察及び鋼材の溶鋼分析方法(JIS G 0320)に従った化学 状の埋め込み跡(ラッパ管部)が存在し、このラッパ管 成分分析。 部内において全数の減肉を確認した。減肉の一例をFig. 6 に示す。アンカーボルトの公称外径は 25mm であるが、 3.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 減肉量が最大のアンカーボルトでは残存直径が 6.75mm の隙間に関する調査方法 であった。アンカーボルトの残存直径をTable 1 に示す。 フランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の 発生について、起こり得る原因の主な候補として、 2.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 1振動等によるアンカーボルトナットの緩み の隙間 2建設時のアンカーボルトナットの締め付け忘れ アンカーボルトの減肉状況を調査する過程で、フラン 3排気筒筒身の沈降 ジプレートとアンカーボルトを固定する全てのナット 4アンカーボルトの伸び (アンカーボルトナット)の間に隙間を確認した。隙間 が挙げられた。原因を特定するために、以下の方法で の一例をFig. 7に示す。フランジプレートとアンカーボル 原因調査を実施した。(a)アンカーボルトナットの状況の トナット間の隙間について、内側を隙間ゲージ、外側を 経年変化を確認するためのアンカーボルトナット状況の 鋼尺で測定した。測定結果をTable 2に示す。フランジプ 写真記録調査。(b)内側アンカーボルト No. 1 及び外側ア レート上面とアンカーボルトナット間の隙間は5~10mm ンカーボルトNo. 1、No. 10について減肉部と荷重分担の であった。 ないアンカーボルトナット上部の金属組織の比較。 (c) ベースプレート及びベースプレート下面の状況調査。 3.調査方法 原因調査は「アンカーボルト減肉の発生」と「フラン 4.結果 ジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の発生」に 4.1 アンカーボルト減肉に関する調査結果 ついて、それぞれ実施した。起こり得る様々な原因を推 (1)、(2)の調査として、排気筒外側からの雨水の浸入の 測し、それに対する評価を行った。 有無を確認するために排気筒外側のベースプレート上面 から散水試験(Fig. 8)を実施した結果、排気筒外側から散 3.1 アンカーボルト減肉に関する調査方法 布された水は、ベースプレート下部を通り、遅滞なく排 アンカーボルト減肉について、起こり得る原因の主な 気筒内側に抜け、ベースプレートに沿って広がっていく 候補として、 ことを確認した。浸水ルートの概念図をFig. 9 に示す。 1排気筒から放出される排気中への腐食性ガスの混入 (3)の排気筒外側アンカーボルト及び内側アンカーボル による腐食 トのSEM-EDXの結果をFig. 10、Fig. 11に示す。酸素(O) 2アンカーボルトの鉄鋼材料に規格外材料を使用した は腐食生成物に分布していること、鉄(Fe)は母材及び腐食 ことによる不純物からの腐食 生成物ともに分布していること、微量の塩素(Cl)が一部の 3雨水の浸入による腐食の促進 試料上に形成された層状の腐食生成物の境界面に存在す 4海塩による腐食の促進 ることが確認された。この塩素(Cl)は雨水等とともに海塩 が挙げられた。原因を特定するために、以下の方法で が浸入した外部由来(環境)のものと考えられる。また、 原因調査を実施した。 (4)の腐食生成物のXRDによる検出物の一覧をTable 3に - 291 - 真をFig. 示す。(3)、(4)より、内側アンカーボルトと外側アンカー 13、Fig. 14 及びFig. 15 に示す。排気筒外側のフ ボルトで腐食の性質に顕著な差がないことから、排気中 ランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間は、外 に腐食性ガスが混入していた可能性は低い。また、ホッ 側アンカーボルトNo.13において平成21年には存在して トラボの使用実績に対する聞き取り調査では腐食性ガス いない。Fig. 14、Fig. 15の写真中の外側アンカーボルト を取り扱う実験は無かったとの回答を得た。これらの結 No. 13のナットの高さ(20mm)より隙間の広さを比例計算 果より、アンカーボルトの減肉には腐食性ガスが関与し で求めた結果、平成24 年には約1mm、平成27年では約 ていないと判断した。 4mmである事が確認された。この事から、隙間は平成24 (6)として外側アンカーボルトNo. 11の分析を行った。 年から平成27年の間に広がっていったことが明らかにな Table 4 にアンカーボルトNo.11の成分分析の結果を示す。 った。 これらの成分は SS400 材の JIS の規格範囲内であること 排気筒のベースプレート下は礫が詰まっており、排気 を確認した。また、(5)としてビッカース硬さ試験法によ 筒が礫を圧縮することにより沈降する可能性について検 り、アンカーボルト健全部分(外側アンカーボルトNo. 11 討した。(c)の調査の結果、 Fig. 16に示す位置で比重の高 上部)の硬度値を調査した。Table 5 に硬さ試験の結果を いモルタルと金属の当て板による支持が存在していたこ 示す。硬度値(平均)は112.8Hvであり、SS400相当の硬 とから、礫の圧縮による沈み込みにより当該事象の様な 度値(約122.9Hv)より低い値であった。これは供試材が 大きな隙間が発生する事は無い事を確認した。 丸鋼材であり、かつ、測定点がアンカーボルトの中心寄 (b)より、アンカーボルトの伸びの可能性について検討 りであったためと考えられる(一般的に、丸鋼は成型時 した。伸びが発生する場合、細くなった減肉部分に応力 の圧延加工により外周部分は硬くなるが、その内部は外 が集中する事から、伸びが発生する可能性のある減肉部 周部分より軟らかい)。よって、硬度値はSS400相当であ 分と、荷重分担のないアンカーボルトの上端部(ナット ると言える。これらの成分分析及び硬さ試験の結果から、 より上部の部分)を切出し、縦断面試料を作製して、当 アンカーボルトの材質は、排気筒と同一材料の SS400 相 該試料の金属組織を現出させるために、ナイタールを用 当であると判断した。 いてエッチング処理を実施してから、光学顕微鏡による これらの結果より、アンカーボルトの減肉は雨水がベ 観察を行い、金属組織中の結晶粒(フェライト)の軸方 ースプレート下へ浸入し易かった事、礫が存在したため 向及び径方向の粒径比の比較を行った。それぞれの金相 ベースプレート下部は雨水が溜まり易い環境であった事 写真から、フェライト結晶の粒径比(軸方向の長さ(縦 が主たる原因であると結論づけた。ラッパ管部及び礫の 長さ)と径方向の長さ(横長さ)の比)を 100 点無作為 存在により雨水の溜まり易い環境を助長し、ラッパ管部 に抽出し、計測した。内側アンカーボルトNo.1について、 内のアンカーボルトは、高湿潤環境を形成しやすい環境 金相写真及びフェライト結晶の粒径比の正規分布を Fig. 下に曝されていた。このような高湿潤環境下においては、 17 に示す。粒径比はアンカーボルトナット上部より減肉 炭素鋼材の腐食が促進され、20°C、100%湿度条件下では 部の方が大きいことが分かった。この傾向は、外側アン 約 0.5mm/年の腐食速度 に達する事が報告されている[2]。 カーボルトNo. 1、No. 10についても同様であった。この アンカーボルト周辺では、天候によって湿潤・乾燥条件 結果、アンカーボルト減肉部では、引張荷重を受け軸方 を繰り返され、腐食が促進されていたものと推察される。 向に伸びが生じていたことが明らかになった。 また、煙突構造設計指針に準じて、排気筒に係る地震 4.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 時水平方向加速度からアンカーボルトに発生する応力の の隙間に関する調査結果 評価を実施した。アンカーボルトの直径をパラメータと 内側アンカーボルトを取り外した直後のフランジプレ して、地震時水平方向加速度とアンカーボルトに発生す ートの写真をFig. 12 に示す。アンカーボルトナットの形 る引張応力の関係の評価の結果を Fig. 18 に示す。仮に 状に塗装がなく地金が露出している部分が存在する事か 1.0G の地震力(地震時水平方向加速度)が発生しても、 ら、建設当時に塗装を行った時点ではナットが締められ アンカーボルトが公称外径の 25mm であれば炭素鋼の設 ていたと判断できる。また、(a)より、平成21 年度に行わ 計降伏点(235MPa)[3]以下であることから弾性領域内で れた補修時、平成24年の東北地方太平洋沖地震(3.11地震) あること、アンカーボルトが平均減肉外径(14.5mm)ま 後調査時及び平成27年の外側アンカーボルトNo. 13の写 で減肉しているとして計算すると、0.5G の地震力でも塑 - 292 - 性領域となり、伸びが発生する結果となることを確認し た。また、実際には地震荷重が発生しても 19mm 厚さの フランジプレート、6mm厚さのリブプレート、9mm 厚さ のベースプレート及び 12mm 厚さの排気筒筒身に挟まれ て配置されている構造物であり複数のアンカーボルトに 分散され、平均化されることなどを考慮すると、上記評 価は今回の隙間の事象として妥当な範囲内である。 5.結言 排気筒のアンカーボルトの減肉及びフランジプレート とアンカーボルトナット間の隙間について調査した結果、 以下のことが確認された。 アンカーボルトの減肉の原因は、雨水がベースプレー ト下の礫(ラッパ管部含む)に染み込み45 年以上に亘っ て高湿潤環境を形成したこと、及び排気の流れや天候に より乾湿が繰り返されて腐食が促進されたことが原因で ある。また、フランジプレートとアンカーボルトナット 間の隙間は、腐食により減肉したアンカーボルトが、3.11 地震で発生した引張応力により伸び、その隙間が 3.11 地 震以降の余震等により進行したことが主な発生原因であ る。 このため、高湿潤・乾湿を繰り返さない環境にするこ とが重要であり、ベースプレート下部への雨水浸入を防 止するための対策をとることでアンカーボルトの減肉及 びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の 発生を防ぐことが可能である。また、排気筒を支える排 気筒基礎部のアンカーボルトナット、ベースプレート、 フランジプレート等の健全性を維持するための適切な保 全活動の実施も今後の再発防止対策として重要である。 Inner Anchor bolt Outer Anchor bolt Motar Cracks of mortar Fig. 2 Cracks of mortar around anchor bolts - 293 - Steel part 33m Concrete part 7m Concrete Fig. 1 Exhaust stack of JMTR Hot laboratory Rib plate Stack cylinder Frange plate Base plate Swing stopper Anchor bolt Rubbles Fig. 5 Photo of under base plate condition Thinning Fig. 3 Thinning of outer anchor bolt Fig. 4 Thinning of inner anchor bolt Nut Flange plate Fig. 7 Gap between flange plate and nut - 294 - Remain of wrapper tube Fig. 6 Thinning of anchor bolts in remain of wrapper tube Gap Outside stack Inside stack Fig. 8 Water infiltration test Inside of exhaust stack Flange plateStack cylinder Anchor bolt Water Fig. 10 Result of SEM-EDX (Inner anchor bolt [No. 2]) Tank Water Deposit Mortar Base plate Concrete Rubble Fig. 9 Schematic drawning of water path Mortar Wrapper tube Outside of exhaust stack Rain Not painted Fig. 12 Photo of flange plate and anchor bolt hole - 295 - Outer anchor bolt(No.13) Outer anchor bolt(No.14) Fig. 11 Result of SEM-EDX (Outer anchor bolt [No. 11]) Outer anchor bolt(No.15) Fig. 13 Photo of outer anchor bolts in 2009 Fig. 15 Photo of the outer anchor bolt No. 13 in 2015 Outer anchor bolt East South West Inner anchor bolt 1098Metal plate 11109 8 7 121176Heavy mortar 12 6North 1313141415155544 3 161 2 3162 1 Fig. 16 Support of heavy mortar and metal plate M25 ボルト 20mm 20mm 1mm Fig. 14 Photo of the outer anchor bolt No. 13 in 2012 Anchor bolt Anchor bolt - 296 - WLength 縦長さ 8 9 htdiLength h tdiW10 1612 11 22 23 13 14 24 15 17 18 2021 26 1929 30 31 25 32 33 34 40 41 42 43 35 36 27 28 37 38 45 473951 44 4648 49 50 52 53 54 55586263 64 65 66 67 68 56 69 5770 59 60 61 75 76 71 72 73747778 79 Upper than nut 50 μm 0Fig. 17 Comparison of the grain size ratio of ferrite crystal 80 81 82 83 848586 87 88908991 92 93 9596 97 98 100 94991.4Upper than nut 1.2Thinning part 10.80.60.40.20.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Grain size ratio of ferrite crystal(Length/Width)) Tensile stress applied on anchor bolt (MPa) Fig. 18 Evaluation of stress applied on anchor bolt by horizontal acceleration 123 4 Diameter of bolt :25 mm (nominal diameter) Diameter of bolt :20 mm Diameter of bolt :14 mm (Average diameter of thinning point)Horizontal acceleration (G) 5 6 7縦長さ 2 81 10 11 3 4 5 9 12 Thinning part 50 μm 13 14 16 1819 20 15172122 23 24 2627 28 2533 34 29 30 31 32 41 42 3536 37 38 39 40 4344 45 46 47 48 49 50 51 52 53 5455 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 74 75 76 67 68 69 70 77 78 71 72 73 80 82 85 86 8990 79 81 838791 95 96 99 841008892 94 98 97 93 Design yield point of carbon steel (235MPa) 67Table 1 Remaining diameter of anchor bolts No. Upper than base plate In wrapper tube Minimum Outer 1 20.90 9.00 9.00 Outer 2 16.40 12.00 12.00 Outer 3 21.00 20.30 20.30 Outer 4 18.80 20.30 18.80 Outer 5 23.80 9.75 9.75 Outer 6 25.50 21.30 21.30 Outer 7 25.20 20.00 20.00 Outer 8 25.30 7.50 7.50 Outer 9 25.50 14.50 14.50 Outer 10 24.30 11.80 11.80 Outer 11 25.30 13.00 13.00 Outer 12 25.10 21.50 21.50 Outer 13 21.30 18.50 18.50 Outer 14 24.60 21.00 21.00 Outer 15 24.80 20.00 20.00 Outer 16 24.40 20.30 20.30 Inner 1 9.46 21.80 9.46 Inner 2 12.70 22.80 12.70 Inner 3 11.90 14.00 11.90 Inner 4 15.60 17.00 15.60 Inner 5 16.60 14.50 14.50 Inner 6 18.60 19.30 18.60 Inner 7 19.40 15.00 15.00 Inner 8 19.80 6.75 6.75 Inner 9 17.40 15.00 15.00 Inner 10 16.50 18.00 16.50 Inner 11 9.79 19.00 9.79 Inner 12 15.70 18.50 15.70 Inner 13 9.85 20.00 9.85 Inner 14 10.00 21.00 10.00 Inner 15 13.00 19.00 13.00 Inner 16 10.60 20.50 10.60 Table 2 Gaps between flange plate and nuts No. Gap (mm) No. Gap (mm) Inner 1 8.35 Outer 1 10 Inner 2 7.85 Outer 2 10 Inner 3 8.70 Outer 3 10 Inner 4 7.30 Outer 4 10 Inner 5 7.25 Outer 5 8 Inner 6 6.40 Outer 6 8 Inner 7 7.15 Outer 7 7 Inner 8 7.05 Outer 8 8 Inner 9 6.65 Outer 9 8 Inner 10 6.25 Outer 10 8 Inner 11 6.30 Outer 11 7 Inner 12 6.15 Outer 12 5 Inner 13 6.80 Outer 13 5 Inner 14 6.95 Outer 14 5 Inner 15 6.55 Outer 15 5 Inner 16 7.90 Outer 16 7 (mm) Table 3 Result of XRD analysis Fe3O4 FeO FeOOH SiO2 CaCO3 TiO2 Outer anchor bolt(No.2) ○ ○ ○ ○ Outer anchor bolt(No.11) ○ ○ ○ Inner anchor bolt(No.1) ○ ○ ○ Inner anchor bolt(No.8) ○ ○ ○ Table 4 Results of chemical composition analysis C Si Mn P S Ni Cr SS400 JIS G 3101 - - - ≦0.05 ≦0.05 - - Anchor bolt 0.21 0.06 0.49 0.011 0.021 0.02 0.02 (wt%) Table 5 Results of Hardness test No. Hardness(Hv) Remarks 1 113.0 Hardness of SS400 is equivalent to 122.9Hv - 297 - 2 112.4 3 112.9 Ave. 112.8 参考文献 [1] 日本原子力研究開発機構, “独立行政法人日本原 子力研究開発機構大洗研究開発センター(北地区) 核燃料物質使用変更許可申請書.” p. 42, 2009. [2] Bruce D. Craig et al., Handbook of Corrosion Data. ASM International., 1995. [3] 日本機械学会, 発電用原子力設備規格 材料規格. 2012“ “材料試験炉ホットラボ排気筒におけるアンカーボルト減肉及びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間に関する原因調査“ “柴田 晃,Akira SHIBATA,北岸 茂,Shigeru KITAGISHI,渡士 克己,Katsumi WATASHI,松井 義典,Yoshinori MATSUI,近江 正男,Masao OHMI,相沢 静男,Shizuo SOZAWA,那珂 通裕,Michihiro NAKA
日本原子力研究開発機構(原子力機構)大洗研究開発センターに設置されている材料試験炉ホットラボの排気筒は、気体廃棄設備の一部として1970年に設置された高さ 40m(円筒鋼板部33m、コンクリート基礎部7m)の自立式排気筒である[1](Fig. 1)。2015年、ホットラボの建家屋根の補修中に排気筒基礎部アンカーボルトの1本に減肉が確認されたため、排気筒の状況調査を実施した。その結果、排気筒のアンカーボルト(外側16本、内側16本)のうち、外側アンカーボルトの 5 本、内側アンカーボルトの全数に減肉が確認された。また、フランジプレートとアンカーボルトナット間に隙間が確認された。 これを受け、安全確保のため排気筒円筒鋼板部を撤去したところ、最終的にアンカーボルト全数に減肉が確認された。原子力機構は再発防止を図るため、当該事象の原因調査を実施した。本書はアンカーボルト減肉及びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の発生に 関する原因調査結果について報告する。
2.概要
2.1 アンカーボルト減肉
原子力機構では平成27 年1月末より、排気筒外側に設 置されたアンカーボルト周りのモルタルの補修及び防水 塗装の工事を開始していた。平成27年2月3日ホットラ 連絡先 :柴田 晃、〒311-1393茨城県東茨城郡大洗町 成田町4002、国立研究開発法人 日本原子力研究開発 機構、E-mail: shibata.akira@jaea.go.jp ボの建家屋根の補修中、ひび割れたモルタル(Fig. 2)を撤 去したところ、排気筒基礎部アンカーボルトの1本に減 肉が確認された(Fig. 3)。また、同年6 月29日から7月2 - 290 - (1)アンカーボルトの設置されていた排気筒基礎部の構 日にかけて排気筒外側及び内側のアンカーボルトの状況 調査を実施した。排気筒アンカーボルトは、排気筒西側 造調査。(2)雨天時等における浸水の有無を確認するため より反時計回りにNo. 1~No. 16 まで、排気筒円筒鋼板部 の排気筒基礎部に対する散水試験。(3)減肉した排気筒外 の内側と外側に計 32 本存在し、そのうち、外側で 5 本、 側及び内側のアンカーボルトについて、SEM エネルギー 内側全数で減肉を確認した。内側アンカーボルト減肉の 分散型X 線分析法(SEM-EDX)による母材と腐食生成物 例を Fig. 4 に示す。これを受け、排気筒円筒鋼板部を撤 の境界付近の断面の元素分布分析。(4)腐食生成物につい 去し、ベースプレート下部の調査を実施した。ベースプ ての X 線回折による結晶構造解析(XRD)。(5)アンカー レート下部には礫状の砕屑物が広がっており(Fig. 5)、こ ボルトの材料を確認するための硬さ試験。(6)金属組織観 れを除去したところ、アンカーボルト周りにはラッパ管 察及び鋼材の溶鋼分析方法(JIS G 0320)に従った化学 状の埋め込み跡(ラッパ管部)が存在し、このラッパ管 成分分析。 部内において全数の減肉を確認した。減肉の一例をFig. 6 に示す。アンカーボルトの公称外径は 25mm であるが、 3.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 減肉量が最大のアンカーボルトでは残存直径が 6.75mm の隙間に関する調査方法 であった。アンカーボルトの残存直径をTable 1 に示す。 フランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の 発生について、起こり得る原因の主な候補として、 2.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 1振動等によるアンカーボルトナットの緩み の隙間 2建設時のアンカーボルトナットの締め付け忘れ アンカーボルトの減肉状況を調査する過程で、フラン 3排気筒筒身の沈降 ジプレートとアンカーボルトを固定する全てのナット 4アンカーボルトの伸び (アンカーボルトナット)の間に隙間を確認した。隙間 が挙げられた。原因を特定するために、以下の方法で の一例をFig. 7に示す。フランジプレートとアンカーボル 原因調査を実施した。(a)アンカーボルトナットの状況の トナット間の隙間について、内側を隙間ゲージ、外側を 経年変化を確認するためのアンカーボルトナット状況の 鋼尺で測定した。測定結果をTable 2に示す。フランジプ 写真記録調査。(b)内側アンカーボルト No. 1 及び外側ア レート上面とアンカーボルトナット間の隙間は5~10mm ンカーボルトNo. 1、No. 10について減肉部と荷重分担の であった。 ないアンカーボルトナット上部の金属組織の比較。 (c) ベースプレート及びベースプレート下面の状況調査。 3.調査方法 原因調査は「アンカーボルト減肉の発生」と「フラン 4.結果 ジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の発生」に 4.1 アンカーボルト減肉に関する調査結果 ついて、それぞれ実施した。起こり得る様々な原因を推 (1)、(2)の調査として、排気筒外側からの雨水の浸入の 測し、それに対する評価を行った。 有無を確認するために排気筒外側のベースプレート上面 から散水試験(Fig. 8)を実施した結果、排気筒外側から散 3.1 アンカーボルト減肉に関する調査方法 布された水は、ベースプレート下部を通り、遅滞なく排 アンカーボルト減肉について、起こり得る原因の主な 気筒内側に抜け、ベースプレートに沿って広がっていく 候補として、 ことを確認した。浸水ルートの概念図をFig. 9 に示す。 1排気筒から放出される排気中への腐食性ガスの混入 (3)の排気筒外側アンカーボルト及び内側アンカーボル による腐食 トのSEM-EDXの結果をFig. 10、Fig. 11に示す。酸素(O) 2アンカーボルトの鉄鋼材料に規格外材料を使用した は腐食生成物に分布していること、鉄(Fe)は母材及び腐食 ことによる不純物からの腐食 生成物ともに分布していること、微量の塩素(Cl)が一部の 3雨水の浸入による腐食の促進 試料上に形成された層状の腐食生成物の境界面に存在す 4海塩による腐食の促進 ることが確認された。この塩素(Cl)は雨水等とともに海塩 が挙げられた。原因を特定するために、以下の方法で が浸入した外部由来(環境)のものと考えられる。また、 原因調査を実施した。 (4)の腐食生成物のXRDによる検出物の一覧をTable 3に - 291 - 真をFig. 示す。(3)、(4)より、内側アンカーボルトと外側アンカー 13、Fig. 14 及びFig. 15 に示す。排気筒外側のフ ボルトで腐食の性質に顕著な差がないことから、排気中 ランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間は、外 に腐食性ガスが混入していた可能性は低い。また、ホッ 側アンカーボルトNo.13において平成21年には存在して トラボの使用実績に対する聞き取り調査では腐食性ガス いない。Fig. 14、Fig. 15の写真中の外側アンカーボルト を取り扱う実験は無かったとの回答を得た。これらの結 No. 13のナットの高さ(20mm)より隙間の広さを比例計算 果より、アンカーボルトの減肉には腐食性ガスが関与し で求めた結果、平成24 年には約1mm、平成27年では約 ていないと判断した。 4mmである事が確認された。この事から、隙間は平成24 (6)として外側アンカーボルトNo. 11の分析を行った。 年から平成27年の間に広がっていったことが明らかにな Table 4 にアンカーボルトNo.11の成分分析の結果を示す。 った。 これらの成分は SS400 材の JIS の規格範囲内であること 排気筒のベースプレート下は礫が詰まっており、排気 を確認した。また、(5)としてビッカース硬さ試験法によ 筒が礫を圧縮することにより沈降する可能性について検 り、アンカーボルト健全部分(外側アンカーボルトNo. 11 討した。(c)の調査の結果、 Fig. 16に示す位置で比重の高 上部)の硬度値を調査した。Table 5 に硬さ試験の結果を いモルタルと金属の当て板による支持が存在していたこ 示す。硬度値(平均)は112.8Hvであり、SS400相当の硬 とから、礫の圧縮による沈み込みにより当該事象の様な 度値(約122.9Hv)より低い値であった。これは供試材が 大きな隙間が発生する事は無い事を確認した。 丸鋼材であり、かつ、測定点がアンカーボルトの中心寄 (b)より、アンカーボルトの伸びの可能性について検討 りであったためと考えられる(一般的に、丸鋼は成型時 した。伸びが発生する場合、細くなった減肉部分に応力 の圧延加工により外周部分は硬くなるが、その内部は外 が集中する事から、伸びが発生する可能性のある減肉部 周部分より軟らかい)。よって、硬度値はSS400相当であ 分と、荷重分担のないアンカーボルトの上端部(ナット ると言える。これらの成分分析及び硬さ試験の結果から、 より上部の部分)を切出し、縦断面試料を作製して、当 アンカーボルトの材質は、排気筒と同一材料の SS400 相 該試料の金属組織を現出させるために、ナイタールを用 当であると判断した。 いてエッチング処理を実施してから、光学顕微鏡による これらの結果より、アンカーボルトの減肉は雨水がベ 観察を行い、金属組織中の結晶粒(フェライト)の軸方 ースプレート下へ浸入し易かった事、礫が存在したため 向及び径方向の粒径比の比較を行った。それぞれの金相 ベースプレート下部は雨水が溜まり易い環境であった事 写真から、フェライト結晶の粒径比(軸方向の長さ(縦 が主たる原因であると結論づけた。ラッパ管部及び礫の 長さ)と径方向の長さ(横長さ)の比)を 100 点無作為 存在により雨水の溜まり易い環境を助長し、ラッパ管部 に抽出し、計測した。内側アンカーボルトNo.1について、 内のアンカーボルトは、高湿潤環境を形成しやすい環境 金相写真及びフェライト結晶の粒径比の正規分布を Fig. 下に曝されていた。このような高湿潤環境下においては、 17 に示す。粒径比はアンカーボルトナット上部より減肉 炭素鋼材の腐食が促進され、20°C、100%湿度条件下では 部の方が大きいことが分かった。この傾向は、外側アン 約 0.5mm/年の腐食速度 に達する事が報告されている[2]。 カーボルトNo. 1、No. 10についても同様であった。この アンカーボルト周辺では、天候によって湿潤・乾燥条件 結果、アンカーボルト減肉部では、引張荷重を受け軸方 を繰り返され、腐食が促進されていたものと推察される。 向に伸びが生じていたことが明らかになった。 また、煙突構造設計指針に準じて、排気筒に係る地震 4.2 フランジプレートとアンカーボルトナット間 時水平方向加速度からアンカーボルトに発生する応力の の隙間に関する調査結果 評価を実施した。アンカーボルトの直径をパラメータと 内側アンカーボルトを取り外した直後のフランジプレ して、地震時水平方向加速度とアンカーボルトに発生す ートの写真をFig. 12 に示す。アンカーボルトナットの形 る引張応力の関係の評価の結果を Fig. 18 に示す。仮に 状に塗装がなく地金が露出している部分が存在する事か 1.0G の地震力(地震時水平方向加速度)が発生しても、 ら、建設当時に塗装を行った時点ではナットが締められ アンカーボルトが公称外径の 25mm であれば炭素鋼の設 ていたと判断できる。また、(a)より、平成21 年度に行わ 計降伏点(235MPa)[3]以下であることから弾性領域内で れた補修時、平成24年の東北地方太平洋沖地震(3.11地震) あること、アンカーボルトが平均減肉外径(14.5mm)ま 後調査時及び平成27年の外側アンカーボルトNo. 13の写 で減肉しているとして計算すると、0.5G の地震力でも塑 - 292 - 性領域となり、伸びが発生する結果となることを確認し た。また、実際には地震荷重が発生しても 19mm 厚さの フランジプレート、6mm厚さのリブプレート、9mm 厚さ のベースプレート及び 12mm 厚さの排気筒筒身に挟まれ て配置されている構造物であり複数のアンカーボルトに 分散され、平均化されることなどを考慮すると、上記評 価は今回の隙間の事象として妥当な範囲内である。 5.結言 排気筒のアンカーボルトの減肉及びフランジプレート とアンカーボルトナット間の隙間について調査した結果、 以下のことが確認された。 アンカーボルトの減肉の原因は、雨水がベースプレー ト下の礫(ラッパ管部含む)に染み込み45 年以上に亘っ て高湿潤環境を形成したこと、及び排気の流れや天候に より乾湿が繰り返されて腐食が促進されたことが原因で ある。また、フランジプレートとアンカーボルトナット 間の隙間は、腐食により減肉したアンカーボルトが、3.11 地震で発生した引張応力により伸び、その隙間が 3.11 地 震以降の余震等により進行したことが主な発生原因であ る。 このため、高湿潤・乾湿を繰り返さない環境にするこ とが重要であり、ベースプレート下部への雨水浸入を防 止するための対策をとることでアンカーボルトの減肉及 びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間の 発生を防ぐことが可能である。また、排気筒を支える排 気筒基礎部のアンカーボルトナット、ベースプレート、 フランジプレート等の健全性を維持するための適切な保 全活動の実施も今後の再発防止対策として重要である。 Inner Anchor bolt Outer Anchor bolt Motar Cracks of mortar Fig. 2 Cracks of mortar around anchor bolts - 293 - Steel part 33m Concrete part 7m Concrete Fig. 1 Exhaust stack of JMTR Hot laboratory Rib plate Stack cylinder Frange plate Base plate Swing stopper Anchor bolt Rubbles Fig. 5 Photo of under base plate condition Thinning Fig. 3 Thinning of outer anchor bolt Fig. 4 Thinning of inner anchor bolt Nut Flange plate Fig. 7 Gap between flange plate and nut - 294 - Remain of wrapper tube Fig. 6 Thinning of anchor bolts in remain of wrapper tube Gap Outside stack Inside stack Fig. 8 Water infiltration test Inside of exhaust stack Flange plateStack cylinder Anchor bolt Water Fig. 10 Result of SEM-EDX (Inner anchor bolt [No. 2]) Tank Water Deposit Mortar Base plate Concrete Rubble Fig. 9 Schematic drawning of water path Mortar Wrapper tube Outside of exhaust stack Rain Not painted Fig. 12 Photo of flange plate and anchor bolt hole - 295 - Outer anchor bolt(No.13) Outer anchor bolt(No.14) Fig. 11 Result of SEM-EDX (Outer anchor bolt [No. 11]) Outer anchor bolt(No.15) Fig. 13 Photo of outer anchor bolts in 2009 Fig. 15 Photo of the outer anchor bolt No. 13 in 2015 Outer anchor bolt East South West Inner anchor bolt 1098Metal plate 11109 8 7 121176Heavy mortar 12 6North 1313141415155544 3 161 2 3162 1 Fig. 16 Support of heavy mortar and metal plate M25 ボルト 20mm 20mm 1mm Fig. 14 Photo of the outer anchor bolt No. 13 in 2012 Anchor bolt Anchor bolt - 296 - WLength 縦長さ 8 9 htdiLength h tdiW10 1612 11 22 23 13 14 24 15 17 18 2021 26 1929 30 31 25 32 33 34 40 41 42 43 35 36 27 28 37 38 45 473951 44 4648 49 50 52 53 54 55586263 64 65 66 67 68 56 69 5770 59 60 61 75 76 71 72 73747778 79 Upper than nut 50 μm 0Fig. 17 Comparison of the grain size ratio of ferrite crystal 80 81 82 83 848586 87 88908991 92 93 9596 97 98 100 94991.4Upper than nut 1.2Thinning part 10.80.60.40.20.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Grain size ratio of ferrite crystal(Length/Width)) Tensile stress applied on anchor bolt (MPa) Fig. 18 Evaluation of stress applied on anchor bolt by horizontal acceleration 123 4 Diameter of bolt :25 mm (nominal diameter) Diameter of bolt :20 mm Diameter of bolt :14 mm (Average diameter of thinning point)Horizontal acceleration (G) 5 6 7縦長さ 2 81 10 11 3 4 5 9 12 Thinning part 50 μm 13 14 16 1819 20 15172122 23 24 2627 28 2533 34 29 30 31 32 41 42 3536 37 38 39 40 4344 45 46 47 48 49 50 51 52 53 5455 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 74 75 76 67 68 69 70 77 78 71 72 73 80 82 85 86 8990 79 81 838791 95 96 99 841008892 94 98 97 93 Design yield point of carbon steel (235MPa) 67Table 1 Remaining diameter of anchor bolts No. Upper than base plate In wrapper tube Minimum Outer 1 20.90 9.00 9.00 Outer 2 16.40 12.00 12.00 Outer 3 21.00 20.30 20.30 Outer 4 18.80 20.30 18.80 Outer 5 23.80 9.75 9.75 Outer 6 25.50 21.30 21.30 Outer 7 25.20 20.00 20.00 Outer 8 25.30 7.50 7.50 Outer 9 25.50 14.50 14.50 Outer 10 24.30 11.80 11.80 Outer 11 25.30 13.00 13.00 Outer 12 25.10 21.50 21.50 Outer 13 21.30 18.50 18.50 Outer 14 24.60 21.00 21.00 Outer 15 24.80 20.00 20.00 Outer 16 24.40 20.30 20.30 Inner 1 9.46 21.80 9.46 Inner 2 12.70 22.80 12.70 Inner 3 11.90 14.00 11.90 Inner 4 15.60 17.00 15.60 Inner 5 16.60 14.50 14.50 Inner 6 18.60 19.30 18.60 Inner 7 19.40 15.00 15.00 Inner 8 19.80 6.75 6.75 Inner 9 17.40 15.00 15.00 Inner 10 16.50 18.00 16.50 Inner 11 9.79 19.00 9.79 Inner 12 15.70 18.50 15.70 Inner 13 9.85 20.00 9.85 Inner 14 10.00 21.00 10.00 Inner 15 13.00 19.00 13.00 Inner 16 10.60 20.50 10.60 Table 2 Gaps between flange plate and nuts No. Gap (mm) No. Gap (mm) Inner 1 8.35 Outer 1 10 Inner 2 7.85 Outer 2 10 Inner 3 8.70 Outer 3 10 Inner 4 7.30 Outer 4 10 Inner 5 7.25 Outer 5 8 Inner 6 6.40 Outer 6 8 Inner 7 7.15 Outer 7 7 Inner 8 7.05 Outer 8 8 Inner 9 6.65 Outer 9 8 Inner 10 6.25 Outer 10 8 Inner 11 6.30 Outer 11 7 Inner 12 6.15 Outer 12 5 Inner 13 6.80 Outer 13 5 Inner 14 6.95 Outer 14 5 Inner 15 6.55 Outer 15 5 Inner 16 7.90 Outer 16 7 (mm) Table 3 Result of XRD analysis Fe3O4 FeO FeOOH SiO2 CaCO3 TiO2 Outer anchor bolt(No.2) ○ ○ ○ ○ Outer anchor bolt(No.11) ○ ○ ○ Inner anchor bolt(No.1) ○ ○ ○ Inner anchor bolt(No.8) ○ ○ ○ Table 4 Results of chemical composition analysis C Si Mn P S Ni Cr SS400 JIS G 3101 - - - ≦0.05 ≦0.05 - - Anchor bolt 0.21 0.06 0.49 0.011 0.021 0.02 0.02 (wt%) Table 5 Results of Hardness test No. Hardness(Hv) Remarks 1 113.0 Hardness of SS400 is equivalent to 122.9Hv - 297 - 2 112.4 3 112.9 Ave. 112.8 参考文献 [1] 日本原子力研究開発機構, “独立行政法人日本原 子力研究開発機構大洗研究開発センター(北地区) 核燃料物質使用変更許可申請書.” p. 42, 2009. [2] Bruce D. Craig et al., Handbook of Corrosion Data. ASM International., 1995. [3] 日本機械学会, 発電用原子力設備規格 材料規格. 2012“ “材料試験炉ホットラボ排気筒におけるアンカーボルト減肉及びフランジプレートとアンカーボルトナット間の隙間に関する原因調査“ “柴田 晃,Akira SHIBATA,北岸 茂,Shigeru KITAGISHI,渡士 克己,Katsumi WATASHI,松井 義典,Yoshinori MATSUI,近江 正男,Masao OHMI,相沢 静男,Shizuo SOZAWA,那珂 通裕,Michihiro NAKA