青木 孝行 Takayuki AOKI
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カテゴリ: 第1回
1.はじめに
どのような機器も時間の経過とともに経年変 化が進展する。しかし、その経年変化は、設計時 の予測を上回って急激に進展することは少なく、 徐々に進展することが多い。すなわち、多くの場 合は、当初計画していた使用期間内に、経年変化 が問題となることは稀である。しかし、稀ではあ っても応力腐食割れ等の経年変化事象が顕在化 することがあり、今後もその可能性は否定できない。保全とは、経年変化の避けられない設備、機器 等に対し、使用期間中に発生する経年変化に対応 してその機能を維持するための行為である。原子力発電所設備の機能を維持管理するため には、経年変化を適切に予測して最適な保全活動 に結びつける必要があり、その予測性の精度向上 が重要である。また、保全活動の最適化を見出す には保全を学術的観点から捉え、その構造を分析 し、体系化することが必要である。 1. 本稿では、保全学の構造、保全方程式、保全の 実務、保全工学といった4つの側面に着目し、保 全学構築に向けて取り組むべき方向性を提示す る。
2.保全学の構造保全の基本原理に階層性という概念を当ては めることを検討すると、原子力プラントが電力を 生産するまでにたどるプロセスは、設計、建設、 運転管理の3つの部分からなり、それらが階層的 な役割を果たしながら全体として電力の安定供 給という機能を果たしているといえる。この階層 性が存在し、階層原理が正常に機能すれば、設計、 建設、運転管理の3つの行為が適切に機能し、そ の結果電力を正常に供給するという目的が達成 される。この階層構造は保全の体系化に必要な基本的 特性であり、普遍的なこの視点に立って、保全の 構造を分析しそこに階層性があるのかどうか、階 層原理がどのように機能しているのかを調べる ことは、保全の体系化を図る上で有用である。保 全の階層原理が時間と空間を体系的な拠りどこ ろとしていることを示せれば、普遍性が確固たる ものになるので、体系化の普遍性につながっていく。保全の目標は、「コストミニマム」と「信頼性 マキシマム」であり、常にこれらの法則に従わな ければならない。保全学の構造には、自然科学と
維持規格保全法則保全規格保全計画立案 3×3マトリクス品質保証期間評|保全評価コスト評価「信賴性評価同じように 3 層の階層構造、「法則-理論-規 格・基準」といった発展性、フラクタル構造性が 潜んでおり、Fig.1 のようにまとめられる。保全方程式 保全理論 点検・理論周期「リスク評価理論維持規格保全法則保全規格保全計画立案 3×3マトリクス品質保証★期間評価|保全評価 | 「コスト評価信賴性評価 Fig. 1 Structure of maintenologyこの図における「保全方程式」から「信頼性評価」 までの9項目が保全工学の実体を表現することに なる。この9項目が保全ラング(保全制度)の骨 格を現しており、保全パロール(保全行為)は「保 全計画立案」で策定される。ここで、保全活動の実施サイクルは、時系列的 に「計画-実行ー評価」の3つの基本要素に分割 され、空間的には「対象一分析 (関係) -基準 (抽 象)」の 3 つの要素で表される。これらは、時間 軸、空間軸に沿って Table 1 のように表すことが でき、この3×3の要素でできたマトリTable 1 Langue of maintenance評価計画 対象「保全対象の明確化保全対象の選択 例:原子力プラント 系統(システム) 機器 部品 末端部品実行 保全の行為の対象 の明確化 保全対象の選択 例:点検 監視 予防保全 補修 取替保全対象に保全行為を 行った結果 例:点検の結果監視の結果 なにがわかるか 保全の結果、対象 物はどうなる」 補修、取替の結果 どうなる」深さ分析 | 系統、機器、部品間で | 保全行為の関係を明 | 結果の関係を明確化 (関係) の機能相関の明確化 |例:点検、監視結果と 例:機能展開 例:点検項目間保全、補修、交換 健全性展開 点検、監視、保全の関係、 それぞれの相関 補修、交換の関連基準 | 機能の判断基準の設定、各行為の判断基準 (抽象)例:機能仕様例:検査基準など 規格基準|維持基準、規格などと 比較して結果はどうな るか 必要とする基準を満足 している 例:機能、健全性展開を再度組み立てて 全体としての判定 基準に対する評価 を行うクス2Iによって保全活動の体系化の一部を構成す ることができる。3.保全方程式3先に述べたように、保全は「コストミニマム」 と「信頼性マキシマム」という法則に支配されて いる。両者は対立関係にあることが多いが、「信 頼性」は日本の原子力の場合には他産業に比べて 深刻な意味を込めて用いられることが多く、コス ト低減を実現する方策があっても信頼性をいく らかでも損なう場合には(信頼性の低下は無視で きる程度であっても)社会的には受け入れられな いことが多い。したがって、実際には「信頼性は 現状維持」の下で「コストミニマム」の方法を検 討することになる。ここで、階層性を持った保全の定式化「保全方 程式」を検討してみる。 - 方程式で扱おうとするプラントがあり、それに 対する保全方式を方程式に代入すると保全にか かる費用が決定されるという構図では、時間と空 間をパラメータとした以下の式で表すことがで きる。保全コスト= Ser. F[保全方式] dvdt-1ここで、Fは保全方式から保全コスト密度を与 える汎関数であり、dV及び dtはプラント空間と 時間に対する微小要素である。また、積分領域は プラント空間 2 及びそのプラントライフT 全体 の直積空間として表現されるものとする。具体的な例として、ある原子力プラントの原子 炉建屋内の主要設備を対象としてみる。時間につ いては、建設から廃炉までの期間を解析すること が考えられ、また、空間については、この連続領 域を構成する小領域に分割される。この時、どの レベルまで分解する必要があるかは解析者の意 図に委ねられる。3.1 保全学の特徴「実時間」と「現状知見」 - 保全学が物理学や数学といった学問分野と異 なる点は、それが実時間を扱っているとうことで ある。例えば、原子力プラントに係わる保全活動 は今現在も実施されており、電力の安定供給を保-172証するという重要な役割を担っている。保全学が そういった現実の絶え間ない活動を対象として いるということを考えるとき、ここでいう実時間 とは正にその流れを寸分も止めることができな いという特性をもつ現実の時間であることがわ かる。 - 未来の予測は、過去の経験と実績を基になされ るため、「保全方式」から期待値としての保全コ ストを算出するためには、「保全方程式」という 時間に普遍な入れ物に、その時点での知見、すな わち「現状知見」を代入する必要があることが分 かる。このことから上記方程式案を、次のように 改める。保全コスト= Sor. F[保全方式;現状知見] dvdt(2) 現状知見には機器の故障モードや故障率、選定 した保全方式に対する過去の実績といったもの から検査方法の精度や構造物の材料の種類、製造 コストといったものまで含まれる。保全計画立案において未来を予測するという とき、いつでも現状知見の精度がその限界を規定 する。そういった限界があるにも係わらず、実時 間が刻々と流れていってしまう現実の世界に生 きる我々は保全活動計画をその時点での未来予 測に基づいて策定しなければならない。 * この現実社会、実時間との非常な密接性が保全 学の最も特徴的な部分と考えられる。3.2 境界条件保全方程式には境界条件が存在し、その境界条 件を満足しつつ、保全コストの最小化を試みるこ とが保全の最適化である。境界条件の典型的なも のとしては、稼働率や炉心損傷頻度といった指標 を現状維持するといった条件が考えられる。3.3 保全計画と保全方程式 - 実際にプラントの保全を定量的に扱うことが できたとしてもその入力パラメータは膨大なも のになる。それを取り得る全ての値についてコス ト計算を行い、その結果を比較して最適な保全を 探すことは現実的ではない。そこで、現状行われ ている保全方式をベースに、いくつかの保全パラ メータを変化させてみて、それが保全全体に及ぼす影響を評価することを考える。その上で、その 新しい保全方式が合理的であれば、それを実際に 実施してみてその結果を見てから、次の合理化を 模索するのが現実的である。その絶え間ない改善 の繰返しこそが保全最適化への確実なステップ である。Fig.2 は保全計画と保全方程式の関係を表した ものである。保全方程式自体は時間の流れに不変 な概念であり、保全計画から保全に係る費用の期 待値や稼働率等の信頼性指標を算出するために は、機器の故障モードや故障率といった「現状知 見」が必要である。「現状知見」に基づいて仮想 的に時間を経過させ、未来の予測を行い、その保 全計画の良否を判断する。前述のように保全計画 の改善を試みる際には境界条件を考慮する。境界条件: 稼働率やCDF、電力需要曲線等保全計画の改善?想時間經過保全に係る費用 各種信賴性指標保全計画保全方程式現状知見: 機器の故障モードや故障率、 最新の検査技術や材料等プラント間の水平展開 含む情報の整理」雲時間經過 実際の保全活動新規知見の獲得Fig.2 Maitenance program and maintenance equation3.4 現状知見の更新と保全計画の修正ある時点の「保全計画」はその時点での「現状 知見」下でベストと判断されたものであって、あ くまで暫定的なものである。プラント運転のある時点で、ある種のトラブル が発生するとその対策がとられ、それ以降の保全 計画にはそのトラブル防止に関する知見が反映 される。すなわち「保全方程式」に代入する「現 状知見」の更新である。このように保全学は実時 間と結びついているために、ある時点で保全方程 式を用いて立案した保全計画は、その後も適宜修 正を行う必要がある。(Fig.3)。-173知見更新知見更新T.保全計画立案 計画修正計画修正 時間Fig.3 Planning and modification ofmaintenance program 4.保全の実務」原子力発電システムは、最高水準の安全性・信 頼性を確保すべく、計画、設計、製作、据付、試 験・検査等の建設の各ステップにおいて、技術基 準、各種規格基準類に基づく厳格なチェックが行 われていて、十分な裕度、マージンが取られてい る。4.1 機能回復と保全信頼性と経済性の同時達成を目指すためには、 経年変化に対応してプラントを設計時点の状態 に戻すのではなく、機器や材料の経年による変化 を適切に予測し、この予測に基づいて設計時に確 保したマージンを管理することが有効である(コ ストミニマム、信頼性マキシマム)。 * すなわち、運転経験から得られた知見を設計時 の予測に照らすことにより予測性の精度を向上 させることが有効である。これを踏まえ、実際のプラントでは、設計時の 裕度、マージンを考慮し、機器に想定される経年 変化、損耗を適切に予測して、要求される機能の 達成の可否という観点から保全計画のレビュー とレビュー結果に基づく保全を実施している。4.2 プラントライフマネジメントと維持基準経年プラントの保全計画のレビューにおいて は、実際に経年変化事象が顕在化していないため、 事象の発生可能性に対する評価が主となってお り、経年変化事象が顕在化した後の保全には十分 に言及されていない。しかしながら、事象が顕在 化した場合には、保全計画は維持基準に基づく評 価結果を踏まえて見直されることになる。 - すなわち、経年変化事象に対する体系的な発生 可能性評価と維持基準に基づく「検査」「評価」 「補修」の組合せにより、プラントライフマネジ メントとして保全計画が完結すること、これがプ ラントシステムの保全最適化のアプローチといえる。4.3 保全計画の構造的分析と保全体系化の必要性 - 対象とするプラントシステムの保全計画は極 めて多岐にわたり複雑なものであるため、これを 分析する手がかりとして、現状の保全を不変的な もの(常項)と変化するもの(変項)に分けて考 察する。保全計画の中で、点検もしくは検査、点検結果 の評価、運転継続もしくは補修・取替の3項目は、 順序と内容を変更することができず、すなわち常 項といえる。したがって、保全計画はこの不変的な常項の周 りに変項により様々なバリエーションを持つ世 界と表現することができる。 具体的に維持規格5l6を保全計画の例として常 項、変項に分けて分析する。Fig.4 に示すように 維持規格|HIBWR内構造物LPWR 壁内機造物検査法 トクラス1機器(容器・) クラス2 3 機器管)他1. 水中溶接。当て他人」し常項・変項に分類保全計画 日変項常項検査会社トラブル情報 (国内・海外)検査方式 (TBM、CBM)検査手法 (UT、ECT、PT、RT)損傷下調 (き裂発生試験、UF対象材料 (CS SUS検査員の資格 (I種、III種構造強度解偏欠陥モデル化一検査・評価 補修・取替久陷種類損傷道農予測「欠陥寸法評価手法お欠陥性状 (面状、線状、補修工法取替範囲溶接方法補修工程補修装置補修範朗補修会社再発防止対策材料健全性評価Fig.4 Unchangeable term and changeable term of maintenance program 保全計画を常項、変項に分類することで、検査、 評価、補修・取替のそれぞれの分野ににおいて何-174をどのように開発、整備する必要があるかが見え てくる。保全を体系的に進めていくには、体系化の骨格 となる理念的なものだけではなく、豊富な実例と 広い分野の工学現象が伴っていなければならな いことが容易に想像できる。 - 以上をまとめると、今後の保全の実務の概念は おおよそ Fig.5 のように表現される。変項の各分野の研究、整理が保全を高度化させ ていく上での課題である。知識化適用工学的応用 (保全工学)「人間系:ヒューマンファクターズ の教訓化、知識化、伝承等 ハード系:保全方式、診断技術、 自動化技術等1保全計画」 理論・学問 (保全学)S劣化を論じ、科学するための「法則」Fig.5 Future's maintenance5.保全工学17保全学は、1社会のニーズにしたがって、2使 用する人口物(設備機器)の信頼性を最大限にし、 3コストを最小限にするための手段を提供する 保全科学と、それを基礎にとしてその上に構築さ れ、対象とする系が実時間の進行とともにどのよ うに変化するかを予測、評価し、実施を予定して いる保全の内容を最適化する学術である保全工 学を包含しているが(Fig.6) [8、ここでは保全を 学術的に取り扱う切り口として保全工学を考える。* 各機器の保全では、想定される経年変化事象に ついて、その発生・進展を抑制し、または、発生・ 進展を監視して必要に応じて補修、取替等を実施 する。この時、保全を考える上で重要なポイント は、当該機器の機能が維持されていれば、それを 前提に経年変化の進展を一定の範囲で許容する ことが可能であるということである。この許容に は限界があり、保全工学はその限界を規定する重 要な役割を担っている。2保全計画、 設計への反映|g適用理論の選択の保全活動の流れ、sear社会学、経済学適切な手法を選択 工学体系などの中から24号工学社会科学 外人文科学13×3マトリクス自然科学)11F従来は保全専門家のコ ビ)を経験によっていた。)1統合原理 2投射原理 ◎選択原理Fig.6 Scope of maintenology 保全計画には、「検査→評価→補修・取替」と いう常項が存在することは先にも述べたが、この 中の検査に焦点を当てて考える。 - 検査実施の目的には、検査時点での機器の健全 性を確認することのみならず、経年変化の予測手 法の精度、妥当性を確認することが挙げられる。 前者が重要であることは言うまでもないが、後者 は、その後の保全の内容、時期を決定するという 重大な技術的役割を担っている。この検査について合理的な決定を行うために、 検査対象、内容、方法、時期の観点からその決定 方法について検討する。5.1 検査対象 - 検査対象は、各機器の経年変化の発生可能性、 頻度及び経年変化による故障が発生した場合の 影響度を勘案して決定することが合理的である。 例えば、故障しても安全性の問題がないか、ある いは影響が小さい場合は、経済性の観点から検査 の内容や頻度を決定することが合理的であり、場 合によっては検査を実施せず機器が故障した後 に事後保全として補修することも考えられる。こ れはリスク情報に基づく検査の考え方であり、対 象機器の選定として有効である。5.2 検査内容 - 検査内容の決定方法としては、高経年化に関す る基本的な考え方の手法に則ることが有効であ る。各機器について、部位と想定される経年変化 事象の組合せに関する健全性評価を行い、その機 器に対して必要な検査内容を抽出することによ り、不必要な検査を合理的に排除することが可能 である。-1755.3 検査方法検査手法に要求される性能/能力には、欠陥検 出能力、欠陥位置同定能力、欠陥方向特定能力及 び欠陥サイジング能力が挙げられる。ここで、要 求される精度は、例えば、欠陥の長さ情報のみあ ればよい場合や、特定の範囲のみ健全性を確認す ればよい場合等、検査対象である機器の設計や強 度、経年変化の進展条件によって異なる。検査手 法に対する要求性能は、機器の維持機能に対する 設計余裕の程度と経年変化の進展速度に関連し ており、それらのバランスで決定することが合理 的である。5.4 検査時期 - 経年変化事象の顕在化時期と機器の機能喪失 時期が予測できる場合は、例えば、経年変化事象 が顕在化すると予測される時期に初回検査を実 施すれば、機能喪失に対して余裕があり、経年変 化の予測精度あるいは保守性を確認することが できる。経年変化の予測手法が十分に確立されていな い場合は、設計上の裕度が十分にあり、経年変化 が大きく進展しないうちに、実機データを着実に 採取、蓄積し、それらのデータのトレンドに基づ き経年変化の将来予測をする方法、経年変化対策 材等を採用した場合は、研究データや従来材の検 査頻度を参考に、運転経験を踏まえ徐々に延長し ていく方法等のアプローチが考えられる。 - これらについては、今後、論理体系の構築が必 要であり、検査工学の課題である。-- 以上のように、保全学を保全工学や検査システ ム工学に掘り下げ、これを足がかりに保全学全体 の体系化を検討することも有効である。6.まとめ 1. 保全を体系化し、関連学術との連携を深めるこ とはこれまでも重要課題として認識されてきた。 それにも係わらず、本質的なところは未だ解決さ れていない。 - 保全方程式を用いた保全理論の分析において は、各要素理論の充実を始めとし、対外的説明性 をもった信頼性の定義と境界条件の検討が必要である。また、故障率等推定のためのデータ取得 やベイズ統計採用等のデータ分析手法の検討も 課題である。さらに国内外を問わずに、プラントの横どおし を効率良く行うためのデータ収集、分析・知見の 共有化体制の充実も必要である。保全に関する問題は閉じておらず、空間的にい えば重要な機器について重点的に管理すること 等によって安全性を向上させることが可能であ ること、時間的にいえば絶え間なく情報を収集・ 分析して更新していく必要があることを認識す る必要がある。保全のような科学的な定量性だけでは十分に 記述できない分野の体系化は新しい視点が必要 である。保全の体系化には数学のように全てを定 量的に把握するといった側面は少ないので、言語 のように定性的であっても豊かな創造ができれ ばよい、という視点に立つことも重要である。参考文献[1] 宮健三 他、保全学の構築に向けて(1)、日本AEM 学会「フォーラム保全学」、Vol.1, No.4、2003、pp.71-75. [2]宮健三、織田満之、保全の体系化に関する一
学」、Vol.2,No.1、2003、pp.63-68. [4] 千種直樹 他、保全学の構築に向けて(3)一実務からみた保全学のテーマー、日本保全学会誌「保全学」、Vol.2, No.2、2003、pp.56-61. [5] 日本機械学会、発電用設備規格委員会ホームページ(http://www.jsme.or.jp/std/pgc/) [6] 日本機械学会、発電用原子力設備規格 維持規格(2002 年改訂版) [7] 青木孝行 他、保全学の構築に向けて(4)-「保全工学」構築のアプローチー、日本保全学会誌「保全学」、Vol.3, No.1、2004、pp.57-69. [8] 青木孝行、正森滋郎、保全学の構造と体系に関する検討、日本保全学会誌「保全学」、Vol.2, No.2、2004、pp.3-9. [9] 資源エネルギー庁、高経年化に関する基本的な考え方、1996.-176“ “青木 孝行 Takayuki AOKI “ “高瀬 健太郎,Kentaro TAKASE,千種 直樹,Naoki CHIGUSA,藤井 大士,Takeshi FUJII“ “青木 孝行 Takayuki AOKI “ “高瀬 健太郎,Kentaro TAKASE,千種 直樹,Naoki CHIGUSA,藤井 大士,Takeshi FUJII
どのような機器も時間の経過とともに経年変 化が進展する。しかし、その経年変化は、設計時 の予測を上回って急激に進展することは少なく、 徐々に進展することが多い。すなわち、多くの場 合は、当初計画していた使用期間内に、経年変化 が問題となることは稀である。しかし、稀ではあ っても応力腐食割れ等の経年変化事象が顕在化 することがあり、今後もその可能性は否定できない。保全とは、経年変化の避けられない設備、機器 等に対し、使用期間中に発生する経年変化に対応 してその機能を維持するための行為である。原子力発電所設備の機能を維持管理するため には、経年変化を適切に予測して最適な保全活動 に結びつける必要があり、その予測性の精度向上 が重要である。また、保全活動の最適化を見出す には保全を学術的観点から捉え、その構造を分析 し、体系化することが必要である。 1. 本稿では、保全学の構造、保全方程式、保全の 実務、保全工学といった4つの側面に着目し、保 全学構築に向けて取り組むべき方向性を提示す る。
2.保全学の構造保全の基本原理に階層性という概念を当ては めることを検討すると、原子力プラントが電力を 生産するまでにたどるプロセスは、設計、建設、 運転管理の3つの部分からなり、それらが階層的 な役割を果たしながら全体として電力の安定供 給という機能を果たしているといえる。この階層 性が存在し、階層原理が正常に機能すれば、設計、 建設、運転管理の3つの行為が適切に機能し、そ の結果電力を正常に供給するという目的が達成 される。この階層構造は保全の体系化に必要な基本的 特性であり、普遍的なこの視点に立って、保全の 構造を分析しそこに階層性があるのかどうか、階 層原理がどのように機能しているのかを調べる ことは、保全の体系化を図る上で有用である。保 全の階層原理が時間と空間を体系的な拠りどこ ろとしていることを示せれば、普遍性が確固たる ものになるので、体系化の普遍性につながっていく。保全の目標は、「コストミニマム」と「信頼性 マキシマム」であり、常にこれらの法則に従わな ければならない。保全学の構造には、自然科学と
維持規格保全法則保全規格保全計画立案 3×3マトリクス品質保証期間評|保全評価コスト評価「信賴性評価同じように 3 層の階層構造、「法則-理論-規 格・基準」といった発展性、フラクタル構造性が 潜んでおり、Fig.1 のようにまとめられる。保全方程式 保全理論 点検・理論周期「リスク評価理論維持規格保全法則保全規格保全計画立案 3×3マトリクス品質保証★期間評価|保全評価 | 「コスト評価信賴性評価 Fig. 1 Structure of maintenologyこの図における「保全方程式」から「信頼性評価」 までの9項目が保全工学の実体を表現することに なる。この9項目が保全ラング(保全制度)の骨 格を現しており、保全パロール(保全行為)は「保 全計画立案」で策定される。ここで、保全活動の実施サイクルは、時系列的 に「計画-実行ー評価」の3つの基本要素に分割 され、空間的には「対象一分析 (関係) -基準 (抽 象)」の 3 つの要素で表される。これらは、時間 軸、空間軸に沿って Table 1 のように表すことが でき、この3×3の要素でできたマトリTable 1 Langue of maintenance評価計画 対象「保全対象の明確化保全対象の選択 例:原子力プラント 系統(システム) 機器 部品 末端部品実行 保全の行為の対象 の明確化 保全対象の選択 例:点検 監視 予防保全 補修 取替保全対象に保全行為を 行った結果 例:点検の結果監視の結果 なにがわかるか 保全の結果、対象 物はどうなる」 補修、取替の結果 どうなる」深さ分析 | 系統、機器、部品間で | 保全行為の関係を明 | 結果の関係を明確化 (関係) の機能相関の明確化 |例:点検、監視結果と 例:機能展開 例:点検項目間保全、補修、交換 健全性展開 点検、監視、保全の関係、 それぞれの相関 補修、交換の関連基準 | 機能の判断基準の設定、各行為の判断基準 (抽象)例:機能仕様例:検査基準など 規格基準|維持基準、規格などと 比較して結果はどうな るか 必要とする基準を満足 している 例:機能、健全性展開を再度組み立てて 全体としての判定 基準に対する評価 を行うクス2Iによって保全活動の体系化の一部を構成す ることができる。3.保全方程式3先に述べたように、保全は「コストミニマム」 と「信頼性マキシマム」という法則に支配されて いる。両者は対立関係にあることが多いが、「信 頼性」は日本の原子力の場合には他産業に比べて 深刻な意味を込めて用いられることが多く、コス ト低減を実現する方策があっても信頼性をいく らかでも損なう場合には(信頼性の低下は無視で きる程度であっても)社会的には受け入れられな いことが多い。したがって、実際には「信頼性は 現状維持」の下で「コストミニマム」の方法を検 討することになる。ここで、階層性を持った保全の定式化「保全方 程式」を検討してみる。 - 方程式で扱おうとするプラントがあり、それに 対する保全方式を方程式に代入すると保全にか かる費用が決定されるという構図では、時間と空 間をパラメータとした以下の式で表すことがで きる。保全コスト= Ser. F[保全方式] dvdt-1ここで、Fは保全方式から保全コスト密度を与 える汎関数であり、dV及び dtはプラント空間と 時間に対する微小要素である。また、積分領域は プラント空間 2 及びそのプラントライフT 全体 の直積空間として表現されるものとする。具体的な例として、ある原子力プラントの原子 炉建屋内の主要設備を対象としてみる。時間につ いては、建設から廃炉までの期間を解析すること が考えられ、また、空間については、この連続領 域を構成する小領域に分割される。この時、どの レベルまで分解する必要があるかは解析者の意 図に委ねられる。3.1 保全学の特徴「実時間」と「現状知見」 - 保全学が物理学や数学といった学問分野と異 なる点は、それが実時間を扱っているとうことで ある。例えば、原子力プラントに係わる保全活動 は今現在も実施されており、電力の安定供給を保-172証するという重要な役割を担っている。保全学が そういった現実の絶え間ない活動を対象として いるということを考えるとき、ここでいう実時間 とは正にその流れを寸分も止めることができな いという特性をもつ現実の時間であることがわ かる。 - 未来の予測は、過去の経験と実績を基になされ るため、「保全方式」から期待値としての保全コ ストを算出するためには、「保全方程式」という 時間に普遍な入れ物に、その時点での知見、すな わち「現状知見」を代入する必要があることが分 かる。このことから上記方程式案を、次のように 改める。保全コスト= Sor. F[保全方式;現状知見] dvdt(2) 現状知見には機器の故障モードや故障率、選定 した保全方式に対する過去の実績といったもの から検査方法の精度や構造物の材料の種類、製造 コストといったものまで含まれる。保全計画立案において未来を予測するという とき、いつでも現状知見の精度がその限界を規定 する。そういった限界があるにも係わらず、実時 間が刻々と流れていってしまう現実の世界に生 きる我々は保全活動計画をその時点での未来予 測に基づいて策定しなければならない。 * この現実社会、実時間との非常な密接性が保全 学の最も特徴的な部分と考えられる。3.2 境界条件保全方程式には境界条件が存在し、その境界条 件を満足しつつ、保全コストの最小化を試みるこ とが保全の最適化である。境界条件の典型的なも のとしては、稼働率や炉心損傷頻度といった指標 を現状維持するといった条件が考えられる。3.3 保全計画と保全方程式 - 実際にプラントの保全を定量的に扱うことが できたとしてもその入力パラメータは膨大なも のになる。それを取り得る全ての値についてコス ト計算を行い、その結果を比較して最適な保全を 探すことは現実的ではない。そこで、現状行われ ている保全方式をベースに、いくつかの保全パラ メータを変化させてみて、それが保全全体に及ぼす影響を評価することを考える。その上で、その 新しい保全方式が合理的であれば、それを実際に 実施してみてその結果を見てから、次の合理化を 模索するのが現実的である。その絶え間ない改善 の繰返しこそが保全最適化への確実なステップ である。Fig.2 は保全計画と保全方程式の関係を表した ものである。保全方程式自体は時間の流れに不変 な概念であり、保全計画から保全に係る費用の期 待値や稼働率等の信頼性指標を算出するために は、機器の故障モードや故障率といった「現状知 見」が必要である。「現状知見」に基づいて仮想 的に時間を経過させ、未来の予測を行い、その保 全計画の良否を判断する。前述のように保全計画 の改善を試みる際には境界条件を考慮する。境界条件: 稼働率やCDF、電力需要曲線等保全計画の改善?想時間經過保全に係る費用 各種信賴性指標保全計画保全方程式現状知見: 機器の故障モードや故障率、 最新の検査技術や材料等プラント間の水平展開 含む情報の整理」雲時間經過 実際の保全活動新規知見の獲得Fig.2 Maitenance program and maintenance equation3.4 現状知見の更新と保全計画の修正ある時点の「保全計画」はその時点での「現状 知見」下でベストと判断されたものであって、あ くまで暫定的なものである。プラント運転のある時点で、ある種のトラブル が発生するとその対策がとられ、それ以降の保全 計画にはそのトラブル防止に関する知見が反映 される。すなわち「保全方程式」に代入する「現 状知見」の更新である。このように保全学は実時 間と結びついているために、ある時点で保全方程 式を用いて立案した保全計画は、その後も適宜修 正を行う必要がある。(Fig.3)。-173知見更新知見更新T.保全計画立案 計画修正計画修正 時間Fig.3 Planning and modification ofmaintenance program 4.保全の実務」原子力発電システムは、最高水準の安全性・信 頼性を確保すべく、計画、設計、製作、据付、試 験・検査等の建設の各ステップにおいて、技術基 準、各種規格基準類に基づく厳格なチェックが行 われていて、十分な裕度、マージンが取られてい る。4.1 機能回復と保全信頼性と経済性の同時達成を目指すためには、 経年変化に対応してプラントを設計時点の状態 に戻すのではなく、機器や材料の経年による変化 を適切に予測し、この予測に基づいて設計時に確 保したマージンを管理することが有効である(コ ストミニマム、信頼性マキシマム)。 * すなわち、運転経験から得られた知見を設計時 の予測に照らすことにより予測性の精度を向上 させることが有効である。これを踏まえ、実際のプラントでは、設計時の 裕度、マージンを考慮し、機器に想定される経年 変化、損耗を適切に予測して、要求される機能の 達成の可否という観点から保全計画のレビュー とレビュー結果に基づく保全を実施している。4.2 プラントライフマネジメントと維持基準経年プラントの保全計画のレビューにおいて は、実際に経年変化事象が顕在化していないため、 事象の発生可能性に対する評価が主となってお り、経年変化事象が顕在化した後の保全には十分 に言及されていない。しかしながら、事象が顕在 化した場合には、保全計画は維持基準に基づく評 価結果を踏まえて見直されることになる。 - すなわち、経年変化事象に対する体系的な発生 可能性評価と維持基準に基づく「検査」「評価」 「補修」の組合せにより、プラントライフマネジ メントとして保全計画が完結すること、これがプ ラントシステムの保全最適化のアプローチといえる。4.3 保全計画の構造的分析と保全体系化の必要性 - 対象とするプラントシステムの保全計画は極 めて多岐にわたり複雑なものであるため、これを 分析する手がかりとして、現状の保全を不変的な もの(常項)と変化するもの(変項)に分けて考 察する。保全計画の中で、点検もしくは検査、点検結果 の評価、運転継続もしくは補修・取替の3項目は、 順序と内容を変更することができず、すなわち常 項といえる。したがって、保全計画はこの不変的な常項の周 りに変項により様々なバリエーションを持つ世 界と表現することができる。 具体的に維持規格5l6を保全計画の例として常 項、変項に分けて分析する。Fig.4 に示すように 維持規格|HIBWR内構造物LPWR 壁内機造物検査法 トクラス1機器(容器・) クラス2 3 機器管)他1. 水中溶接。当て他人」し常項・変項に分類保全計画 日変項常項検査会社トラブル情報 (国内・海外)検査方式 (TBM、CBM)検査手法 (UT、ECT、PT、RT)損傷下調 (き裂発生試験、UF対象材料 (CS SUS検査員の資格 (I種、III種構造強度解偏欠陥モデル化一検査・評価 補修・取替久陷種類損傷道農予測「欠陥寸法評価手法お欠陥性状 (面状、線状、補修工法取替範囲溶接方法補修工程補修装置補修範朗補修会社再発防止対策材料健全性評価Fig.4 Unchangeable term and changeable term of maintenance program 保全計画を常項、変項に分類することで、検査、 評価、補修・取替のそれぞれの分野ににおいて何-174をどのように開発、整備する必要があるかが見え てくる。保全を体系的に進めていくには、体系化の骨格 となる理念的なものだけではなく、豊富な実例と 広い分野の工学現象が伴っていなければならな いことが容易に想像できる。 - 以上をまとめると、今後の保全の実務の概念は おおよそ Fig.5 のように表現される。変項の各分野の研究、整理が保全を高度化させ ていく上での課題である。知識化適用工学的応用 (保全工学)「人間系:ヒューマンファクターズ の教訓化、知識化、伝承等 ハード系:保全方式、診断技術、 自動化技術等1保全計画」 理論・学問 (保全学)S劣化を論じ、科学するための「法則」Fig.5 Future's maintenance5.保全工学17保全学は、1社会のニーズにしたがって、2使 用する人口物(設備機器)の信頼性を最大限にし、 3コストを最小限にするための手段を提供する 保全科学と、それを基礎にとしてその上に構築さ れ、対象とする系が実時間の進行とともにどのよ うに変化するかを予測、評価し、実施を予定して いる保全の内容を最適化する学術である保全工 学を包含しているが(Fig.6) [8、ここでは保全を 学術的に取り扱う切り口として保全工学を考える。* 各機器の保全では、想定される経年変化事象に ついて、その発生・進展を抑制し、または、発生・ 進展を監視して必要に応じて補修、取替等を実施 する。この時、保全を考える上で重要なポイント は、当該機器の機能が維持されていれば、それを 前提に経年変化の進展を一定の範囲で許容する ことが可能であるということである。この許容に は限界があり、保全工学はその限界を規定する重 要な役割を担っている。2保全計画、 設計への反映|g適用理論の選択の保全活動の流れ、sear社会学、経済学適切な手法を選択 工学体系などの中から24号工学社会科学 外人文科学13×3マトリクス自然科学)11F従来は保全専門家のコ ビ)を経験によっていた。)1統合原理 2投射原理 ◎選択原理Fig.6 Scope of maintenology 保全計画には、「検査→評価→補修・取替」と いう常項が存在することは先にも述べたが、この 中の検査に焦点を当てて考える。 - 検査実施の目的には、検査時点での機器の健全 性を確認することのみならず、経年変化の予測手 法の精度、妥当性を確認することが挙げられる。 前者が重要であることは言うまでもないが、後者 は、その後の保全の内容、時期を決定するという 重大な技術的役割を担っている。この検査について合理的な決定を行うために、 検査対象、内容、方法、時期の観点からその決定 方法について検討する。5.1 検査対象 - 検査対象は、各機器の経年変化の発生可能性、 頻度及び経年変化による故障が発生した場合の 影響度を勘案して決定することが合理的である。 例えば、故障しても安全性の問題がないか、ある いは影響が小さい場合は、経済性の観点から検査 の内容や頻度を決定することが合理的であり、場 合によっては検査を実施せず機器が故障した後 に事後保全として補修することも考えられる。こ れはリスク情報に基づく検査の考え方であり、対 象機器の選定として有効である。5.2 検査内容 - 検査内容の決定方法としては、高経年化に関す る基本的な考え方の手法に則ることが有効であ る。各機器について、部位と想定される経年変化 事象の組合せに関する健全性評価を行い、その機 器に対して必要な検査内容を抽出することによ り、不必要な検査を合理的に排除することが可能 である。-1755.3 検査方法検査手法に要求される性能/能力には、欠陥検 出能力、欠陥位置同定能力、欠陥方向特定能力及 び欠陥サイジング能力が挙げられる。ここで、要 求される精度は、例えば、欠陥の長さ情報のみあ ればよい場合や、特定の範囲のみ健全性を確認す ればよい場合等、検査対象である機器の設計や強 度、経年変化の進展条件によって異なる。検査手 法に対する要求性能は、機器の維持機能に対する 設計余裕の程度と経年変化の進展速度に関連し ており、それらのバランスで決定することが合理 的である。5.4 検査時期 - 経年変化事象の顕在化時期と機器の機能喪失 時期が予測できる場合は、例えば、経年変化事象 が顕在化すると予測される時期に初回検査を実 施すれば、機能喪失に対して余裕があり、経年変 化の予測精度あるいは保守性を確認することが できる。経年変化の予測手法が十分に確立されていな い場合は、設計上の裕度が十分にあり、経年変化 が大きく進展しないうちに、実機データを着実に 採取、蓄積し、それらのデータのトレンドに基づ き経年変化の将来予測をする方法、経年変化対策 材等を採用した場合は、研究データや従来材の検 査頻度を参考に、運転経験を踏まえ徐々に延長し ていく方法等のアプローチが考えられる。 - これらについては、今後、論理体系の構築が必 要であり、検査工学の課題である。-- 以上のように、保全学を保全工学や検査システ ム工学に掘り下げ、これを足がかりに保全学全体 の体系化を検討することも有効である。6.まとめ 1. 保全を体系化し、関連学術との連携を深めるこ とはこれまでも重要課題として認識されてきた。 それにも係わらず、本質的なところは未だ解決さ れていない。 - 保全方程式を用いた保全理論の分析において は、各要素理論の充実を始めとし、対外的説明性 をもった信頼性の定義と境界条件の検討が必要である。また、故障率等推定のためのデータ取得 やベイズ統計採用等のデータ分析手法の検討も 課題である。さらに国内外を問わずに、プラントの横どおし を効率良く行うためのデータ収集、分析・知見の 共有化体制の充実も必要である。保全に関する問題は閉じておらず、空間的にい えば重要な機器について重点的に管理すること 等によって安全性を向上させることが可能であ ること、時間的にいえば絶え間なく情報を収集・ 分析して更新していく必要があることを認識す る必要がある。保全のような科学的な定量性だけでは十分に 記述できない分野の体系化は新しい視点が必要 である。保全の体系化には数学のように全てを定 量的に把握するといった側面は少ないので、言語 のように定性的であっても豊かな創造ができれ ばよい、という視点に立つことも重要である。参考文献[1] 宮健三 他、保全学の構築に向けて(1)、日本AEM 学会「フォーラム保全学」、Vol.1, No.4、2003、pp.71-75. [2]宮健三、織田満之、保全の体系化に関する一
学」、Vol.2,No.1、2003、pp.63-68. [4] 千種直樹 他、保全学の構築に向けて(3)一実務からみた保全学のテーマー、日本保全学会誌「保全学」、Vol.2, No.2、2003、pp.56-61. [5] 日本機械学会、発電用設備規格委員会ホームページ(http://www.jsme.or.jp/std/pgc/) [6] 日本機械学会、発電用原子力設備規格 維持規格(2002 年改訂版) [7] 青木孝行 他、保全学の構築に向けて(4)-「保全工学」構築のアプローチー、日本保全学会誌「保全学」、Vol.3, No.1、2004、pp.57-69. [8] 青木孝行、正森滋郎、保全学の構造と体系に関する検討、日本保全学会誌「保全学」、Vol.2, No.2、2004、pp.3-9. [9] 資源エネルギー庁、高経年化に関する基本的な考え方、1996.-176“ “青木 孝行 Takayuki AOKI “ “高瀬 健太郎,Kentaro TAKASE,千種 直樹,Naoki CHIGUSA,藤井 大士,Takeshi FUJII“ “青木 孝行 Takayuki AOKI “ “高瀬 健太郎,Kentaro TAKASE,千種 直樹,Naoki CHIGUSA,藤井 大士,Takeshi FUJII