原子炉圧力容器の給水ノズルコーナーに対する渦電流探傷技術の開発

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カテゴリ: 第13回
1.緒言
2013年6月、原子力規制委員会より「実用発電用原子炉の運転期間延長認可申請に係る運用ガイド」[1]が制定された。このガイドにおいて、沸騰水型原子炉(以下 「BWR」と称す)では給水ノズルコーナー部(最も疲労損傷係数が高い部位)に対し、磁気探傷試験(MT)もしくは浸透探傷試験(PT)または渦電流探傷試験(以下「ECT」と称す)による欠陥の有無の確認が要求されている。給水ノズル(Fig.1)の材質は低合金鋼(強磁性体)であるが、ECT による点検の場合、日本電気協会の規格である「原子力発電所用機器における渦電流探傷試験指針」(JEAG 4217)[2]はオーステナイト系ステンレス鋼およびニッケル基合金(非磁性体)の母材部および溶接部を対象としているため、本規格をそのまま適用することはできない。また、日本機械学会の規格である「発電用原子力設備規格維持規格」では、ノズルコーナー部での評価不要欠陥寸法の基準を設定していない。
これらの課題を解決するため、BWR電力各社とプラントメーカーは共同研究「原子炉圧力容器の給水ノズルコーナーに対する検査および評価技術開発」を2014年度下半期から2015年度に亘り行った。ここでは、研究成果の うちECT の結果(検出性および長さ寸法測定)につい て報告する。
2.試験体
本研究で用いた試験体を Table1 に示す。試験体の材料 は実機と同じ低合金鋼(SFVQ1A)とした。まず、強磁性体に対する基本特性を確認するため、信号源として複数のノッチを付与した試験体を準備した。次に、実機で生 じる損傷として疲労亀裂(機械疲労亀裂および熱疲労亀 裂)を想定し、これを付与した試験体により検出性および長さ寸法測定精度を確認した。なお、ノズルコーナー形状が検出性に及ぼす影響も確認するため、平板試験体 に加え走査面に曲率を設けた試験体を準備した。試験体 および熱疲労亀裂の例をFig.2~Fig.5に示す。
Table1 List of the specimen Surface shape Crack type*1 Height (mm) Length (mm) Flat N 0.5~5.0 8.4~26.6 Flat F,TF 0.5~(5.0)*2 2.3~30.4 2D N 0.5~5.0 8.4~26.6 2D F 1.4~5.0 13.8~26.9 3D N 1.0 11.8 *1 N:Notch , F:Fatigue crack , TF:Thermal fatigue crack *2 It is planned value. Fig.2 Example of the specimen (Flat shape) Fig.3 Example of the specimen (2D shape) - 422 - Fig.4 Example of the specimen (3D shape) Fig.5 Example of the thermal fatigue crack
3.試験装置
試験には、Table2に示すプローブを用いた。これらは非磁性体に対する試験で実績があるプローブであり、また、探傷器も含めJEAG4217に適合したものである。プローブは、ノッチおよび疲労亀裂の長さ方向に対して平行、直交および斜め45°方向に走査した。プローブの走 査例をFig.6 に示す。 なお、試験開始においては、JEAG4217に準拠した試験 要領を作成し、これに従い試験を行った。 Table2 Examination information(Probe) Probe arrangement Frequency (kHz) Coil layout TR Pancake 25,100 multi Cross coil and pancake coil 250,500 Single Uniform 50,150,250 Single Mutual-induction and differential method 50,150,250 Single Fig.6 Example of the probe scanning 4.試験結果 4.1 検出性 ノッチおよび疲労亀裂に対する各プローブの検出結果 の一部をTable3に示す。 Table3 より、平板および 2 次元形状試験体共に深さ 0.5mm、長さ 8.4mm のノッチを明瞭に検出できること、 プローブ走査面の状態に係らず深さ 1mm 以上のノッチ を明瞭に検出できることが分かる。 一方、製作した試験体の中で最も小さい熱疲労亀裂(深 さ 0.5mm、長さ 2.3mm)においては、JEAG4217 におい て定義されている、欠陥の疑いのある指示部の抽出基準 (基準感度の 20%以上の指示部)[2]および平面展開図(C スコープ)上で識別が不明瞭となり始めるSN比4未満(目 安値)を満たさない結果が多く、検出ができないプロー ブもあった。 一方で、疲労亀裂として 2 番目に小さい深さ 1.4mm、 長さ 13.8mm の検出結果を見ると、全ての手法で検出で きていることから(Cスコープの例をTable 4に、疲労亀 裂の破面開放結果を Fig.7 に示す)、明瞭に検出できる限 界寸法は深さ0.5~1.4mmの間にあると考えられる。 これらの結果およびノッチの検出結果も踏まえると、 亀裂の長さの程度、プローブの走査方向および亀裂長さ 方向との関係にもよるが、本研究における試験要領およ びプローブを適用すれば、深さ1mm以上の亀裂を明瞭に 検出できると考えられる。 なお、ECT における影響因子について、次のような 基礎確認を行っている。 Specimen (1)材質の違い Probe 本研究で準備した試験体の材料はSFVQ1A であるが、 一部の実機プラントではSFVQ2A相当の材料が使われて いるため、材料の違いによる検出性の差異についてノッ チを付与した平板試験体で確認した。その結果、差異は 見られず、材料の違いは検出性に影響しないことを確認 した。 Manual scanner (2)プローブ走査面の粗さ 検査対象部位の表面粗さの違いによる検出性の差異を、 ノッチを付与した表面粗さの異なる平板試験体で確認し た。その結果、算術平均粗さ(Ra)が最大0.9mm程度の範 囲では差異は見られず、実機機械仕上げ程度であれば、 表面粗さは検出性に影響しないことを確認した。 (3)酸化被膜 実機では、酸化被膜が検査対象部位表面に存在する。 また、亀裂内部にも存在することを想定した場合、これ が検出性に影響を及ぼす可能性がある。このため酸化被 膜なし、表面に酸化被膜あり(ノッチ内あり、なし)の3 種類の試験体を準備し、検出性の差異を確認した。その 結果、差異は見られず、酸化被膜の有無は検出性に影響 しないことを確認した。 (4)プローブ走査面の形状 実機では、検査対象部位は曲率を有する形状であり、 これが検出性に影響を及ぼす可能性があることから、深 さ1mm、長さ11.8mmのノッチを平板、2次元および3 次元形状の試験体に付与し、検出性の差異を確認した。 その結果、差異は見られず、プローブ走査面の形状は検 出性に影響しないことを確認した。 (5)プローブ走査方向と亀裂長さ方向との関係 実機では、検査対象部位の形状および周辺の干渉物の影 響により、プローブ走査方向が限定される場合がある。亀 裂を効率よく検出するためには、使用するプローブに応じ て、亀裂長さ方向に対し直交または平行にプローブを走査 することが理想であるが、上記制約により必ずしも理想の 走査ができるとは限らない。そこで、一部の平板試験体で は斜め45°方向にプローブを走査し、また、3D形状の試 験体にはノズル軸方向に対して45°傾けたノッチを付与 して検出性を確認した。その結果、斜め45°でも明瞭に 検出できることを確認した。 (6)ステンレス鋼クラッドの有無 ステンレス鋼クラッドがある場合、一部のプローブを 除き、クラッドが無い場合と同等の検出性であることを 確認した。 - 423 - Table 3 Result of detection Probe Target TR CP UP MP Specimen Flat (Ra=0.3μm) Notch (H=1mm,L=11.8mm) ◎ ◎ ◎ ○* Flat (Ra=0.9μm) Notch (H=1mm,L=11.8mm) ◎ ◎ ◎ ○* Flat (With oxidation film) Notch (H=1mm,L=11.8mm) ◎ ◎ ◎ ○* Flat (With clad) Notch ○* ◎ ×* ○* (H=1mm,L=11.8mm) Notch Flat (H=0.5mm,L=8.4mm) ◎ ◎ ◎ ◎ Thermal fatigue crack Flat (H=0.5mm,L=2.3mm) △* ◎ ×* ○* 2D Notch (H=0.5mm,L=8.4mm) ◎ ◎ ◎ ◎ 2D Fatigue crack (H=1.4mm,L=13.8mm) ◎ ◎ △* ◎ 3D (Actual shape) Notch (H=1mm,L=11.8mm) ◎ ◎ ◎ ◎ 2D (Nozzle inside) Notch (H=1mm,L=11.8mm) ◎ ◎ ◎ ◎ TR:TR Pancake CP: Cross coil and pancake coil UP:Uniform MP: Mutual-induction and differential method ◎:Signal amplitude is 20% or more of specified sensitivity and signal to noise ratio is more than 4. ○:Signal amplitude is 20% or more of specified sensitivity or signal to noise ratio is more than 4. △:Signal amplitude is less than 20% of specified sensitivity or signal to noise ratio is less than 4. ×:Not detect *:It shows the worst case. 13.8mm - 424 - Table 4 Example of C-scope (crack height:1.4mm,crack length:13.8mm, probe scan direction:vertical) TR pancake (V scan mode) 25kHz 100kHz Cross coil and pancake coil (Cross) 250kHz 500kHz Uniform 50kHz 250kHz Mutual-induction and differential method 50kHz 250kHz Fig.7 Example of the fatigue crack shape 4.3 長さ寸法測定精度 検出できたノッチおよび疲労亀裂に対して長さ寸法測 定を行い、測定精度を確認した。寸法は、12dBドロップ 指示長さおよび信号消失指示長さにて求めた。疲労亀裂 における長さ寸法測定結果をFig.8 に示す。 本結果は、各プローブにおいて、周波数、プローブ走 査方向および励磁モードごとに得られた複数測定結果の うち、最大長さの値を用いて纏めたものである。いずれ のプローブにおいても 12dB ドロップ指示長さの精度が 良い結果であった。 TRパンケーキプローブおよびクロスコイル&パンケー キコイルプローブでは、信号消失指示長さが過大評価傾 向にあるが、信号消失指示長さの測定方法を見直すこと で、実寸法に近い値で測定できる可能性がある。一様化 プローブおよび相互誘導自己比較プローブでは、12dBド ロップ指示長さと信号消失指示長さの測定精度は同等で あった。 また、これまで実績のある、非磁性体である低炭素ス テンレス鋼における SCC の長さ寸法測定精度(国プロ NSA成果)[3]と比較した結果をTable5 に示す。本研究結 果は非磁性体に対する結果と同等であった。 50400.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 TR pancake Fig.8(1/2) Result of length sizing (fatigue crack) 5040302010-12dB drop Disappearance 0.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 Length(mm) 0(a) Cross coil and pancake coil 5040301900/01/191900/01/09-12dB drop Disappearance 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 (b) Uniform 0:00:000:00:001900/01/1910-12dB drop Disappearance Length(mm) 1900/02/181900/02/080.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 (c) Mutual-induction and differential method 1900/01/291900/01/19Fig.8(2/2) Result of length sizing (fatigue crack) 1030-12dB drop Disappearance Length (mm) Length(mm) - 425 - [3] Table 5 Length sizing accuracy (fatigue crack) (独)原子力安全基盤機構、”低炭素ステンレス鋼の Probe 非破壊検査技術実証に関する事業報告書”、2009、 arrangement pp.64 - 426 - Threshold level Error average deviation Standard RMSE TR Pancake 12dB drop +0.9 1.7 1.8 disappearance +12.5 3.4 12.9 Cross coil and pancake coil 12dB drop -0.6 1.5 1.6 disappearance +10.2 4.3 11.0 Uniform 12dB drop +4.3 3.6 5.6 disappearance +4.9 3.6 6.0 Mutual-induction and differential method 12dB drop +4.3 2.8 5.0 disappearance +5.1 3.0 5.8 NSA(SCC) (Parallel for a welding line) 12dB drop -8.03 7.80 11.16 disappearance +0.38 6.05 6.03 NSA(SCC) (Vertical for a welding line) 12dB drop -7.40 4.81 8.79 disappearance -2.46 6.41 6.78 5.結言 本研究では、今回使用したプローブを用いてJEAG4217 に準拠した試験を行うことにより、強磁性体(低合金鋼) である給水ノズルコーナー内面の点検がECTで可能であ ることを確認した。また、深さが1mm以上の亀裂であれ ば安定して検出できる見通しを得たとともに、12dBドロ ップ法により指示長さを精度よく測定できることを確認 した。 今後、本研究成果は JEAG4217 へ反映していく予定で ある。 参考文献 [1] 原子力規制委員会、”実用発電用原子炉の運転期間延 長認可申請に係る運用ガイド”、平成 25 年 6 月 19 日 [2] (一社)日本電気協会原子力規格委員会、”原子力発 電所用機器における渦電流探 傷試験指針 (JEAG4217-2010)”、2010、3100項“ “原子炉圧力容器の給水ノズルコーナーに対する渦電流探傷技術の開発“ “神長 貴幸,Takayuki KAMINAGA,吉川 祐明,Hiroaki KIKKAWA,山田 浩二,Koji YAMADA,平崎 孝幸,Takayuki HIRASAKI,西岡 朋美,Tomomi NISHIOKA,首藤 浩丈,Hirotake SYUTOU,齋藤 康二,Koji SAITO,東海林 一,Hajime SHOHJI,江原 和也,Kazuya EHARA,土橋 健太郎,Kentaro TSUCHIHASHI
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