JSME維持規格における周方向欠陥角度制限の代替規定

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カテゴリ: 第5回
1. 緒言
欠陥が検出された原子力用配管の健全性は、(社)日本 機械学会(以降,JSME)の発電用原子力設備規格 維 持規格(以降,維持規格)を用いて評価される.周 方向表面欠陥については、 欠陥角度を 60 度以下に制限 されてきた. この制限は、小口径配管のように厚さが 小さい管の欠陥が,寸法測定誤差によって貫通してし まう場合を想定し,仮に欠陥が貫通した場合でも安定 であるように設けられた深層防護的な制限である.し かし,最近になって BWR の再循環系(PLR) 配管に応 力腐食割れ(SCC)による長い欠陥が検出され,欠陥 の深さに拘らず角度を制限することの非合理性が明ら かになってきた.そこで,60度を超える長い周方向表 面欠陥への適用を目的として欠陥角度制限を代替する 事例規格の検討タスク (以降,欠陥角度制限検討タス ク)が JSME 維持規格分科会の下に設置された. この タスクの成果として,欠陥の寸法測定に対する PD 制 度 (Performance Demonstration 制度)が導入されるまで の暫定的な位置付けとして欠陥角度制限を代替する事 例規格が 2005年 12月に制定された23. - 維持規格では、クラス1配管の破壊評価をオーステ ナイト系ステンレス鋼管に対して EB-4430?EB-4450, フェライト鋼管に対して EB-5420~EB-5460 で規定し ている.破壊評価法の詳細は,「添付 E-8 極限荷重法」, 「添付 E-9 弾塑性破壊力学評価法」,「添付 E-10 2パラメータ評価法」および「添付 E-11 破壊評価法の 選択」に規定され,本文から引用される.これらの添 付では, 周方向表面欠陥の角度が 60度以下に制限され ている.新たに制定された事例規格では,各添付にお ける欠陥角度制限を代替する規定を以下の二つの場合 について記載している. a) ウェルドオーバーレイ(以降,WOL)によって補修する場合 b) 補修を行なわない場合 WOL 補修を行なう場合, 強度は配管の表面に盛られ た溶接金属だけで担保されるように施工される.一方, 補修をせずに欠陥を残したまま配管を継続使用する場 合は、 PD制度が導入されるまでの欠陥の寸法測定に対 する誤差の影響を懸念し,欠陥角度の制限に替えて許 容欠陥深さの制限が設けられている.この深さ制限は 配管システムの安定性に着目したもので,欠陥を有す る配管断面において同じ直径およびスケジュールのエ ルボやティーの崩壊強度を上回るように欠陥深さの制 限されている. この制限により、欠陥部位の作用荷重 が小さく許容欠陥深さが大きくなる場合に欠陥寸法測 定誤差による貫通や破断を防止でき, PD 制度が導入さ れるまでの暫定的な健全性評価法として有効なものと されている.
2.検討経緯
- SCC 欠陥に対する補修工法として,米国では既に WOL が多用され, 継続使用の実績を有している. WOL では,前述のように原配管の強度に期待せず肉盛溶接18部のみで強度を担保することから,原配管の欠陥形状 は本来意味を持たないが,規格上の周方向欠陥角度制 限の制約から,この補修工法が適用できないことが問 題となった.そこで,2004年8月に維持規格分科会の 下に欠陥角度制限検討タスクが設置され,事例規格の 検討を開始された.この活動の成果として,2005 年2 月に事例規格案が維持規格分科会で承認され,同3月 に原子力専門委員会および規格委員会での説明および 審議を経て,2005 年 12 月に規格委員会の公衆審査が 終了し,同月 JSME から事例規格が発行された.事例規格では欠陥寸法測定誤差に対して配管系とし ての安定限界荷重を想定した許容欠陥深さが定められ ており,寸法測定誤差と許容欠陥深さが直接関連付け られていないこれを理由として,原子力・安全保安 院(以降,NISA)発行の技術評価書では,事例規格の 欠陥深さ制限を採用せず,60度以上の長さの欠陥に対 しては, 角度 60 度, 深さ 75%の欠陥に対する限界荷重 を用いた欠陥評価を要求する追加要件が付された.3.事例規格の概要3.1 適用条件 1 事例規格では, WOL 補修を行う場合と補修を行なわ ない場合についての規定が示されている.WOL 補修を行う場合, 原配管の強度を無視し, WOL 部のみで強度を担保するため、欠陥評価において欠陥 寸法測定誤差を考慮する必要がない,図1に示すよう に,疲労による欠陥進展代とフェライト番号が平均で 7.5 以下となる部位を強度部材厚さから差引いて WOL 厚さを定めることが要求される.また, WOL の有効厚 さは,原配管を含む全厚さの 25%以上でなければなら ないとの制限も設けられている.Weld joint Padded weld metal |- C <0.03%Effective WOL thickness, -Average FN27.5% - Min. FN 25%Original pipeCrackFN: ferrite numberIneffective WOL thickness; - Fatigue crack growth depth -Average FN <7.5%・ - Min. FN <5%Fig. 1 WOL working for a circumferential crackDetection of defectsDetection of defecte20~60deg.>NEApplication ofFFSRepair/ ReplaceAllowable Primary bending stressPbcrRepair/ ReplaceDetection of defectsa,20<20>60deg.>NApplication ofFFSApplication of proposed C.C.>84mmRepair/ ReplaceApplied primary bending stressP6Allowable Primary bending stressPbcrPbNSRepair/ ReplaceContinuous useFig. 2 Evaluation flow chart for the pipes usedcontinuously without any repair補修を行わず欠陥を残したまま継続使用する場合の 評価フローを図 2 に示す.事例規格では,検出可能な 最小欠陥深さ(2mm)と欠陥の寸法測定誤差(4.4mm) を考慮し,適用可能な配管の厚さを 8.6mm 以上に制限 する. 3.2 破壊評価法 * 破壊評価では,配管材質や欠陥の位置に応じて極限 荷重評価法,弾塑性破壊力学評価法および 2 パラメー タ評価法を使い分ける.欠陥の角度が 60度を超えた場 合,欠陥が圧縮応力場に入る場合が想定されることか ら,これを考慮した塑性崩壊時の一次曲げ応力Pの評 価式が評価法に追加された. 一例として,弾塑性破壊 力学評価法における許容曲げ応力 Scは,以下の式で評 価される2).For B 51-0;-1---- (2sing-game) so -(--)-2(1-2-1) For B51-0;(ing - sino)19For B>1-0; :(-9)singz = 1047|0292 16 (27) +098)b) オーステナイト系ステンレス鋼管(SAW, フェライ ト量 20%以下の鋳鋼)* 2-10afosson( 29 ) 1215)c) フェライト鋼管21137fa2885 no 9).0937)ここで, SF は安全率,P,'は塑性崩壊時の曲げ応力, Pは熱膨張応力, Pは一次膜応力, orは流動応力, Zは Z 係数,aは欠陥深さ,tは管厚さ,0は欠陥半 角度,Bは全断面降伏状態における中立軸の移動角で ある.欠陥の角度が 60度を超える場合のZ係数は配管 呼び径(OD)をパラメータとして,以下の式で表される. _a) オーステナイト系ステンレス鋼管(GTAW, SMAW)_ z - lon [o2oz wa 97.09)-2b) オーステナイト系ステンレス鋼管(SAW, フェライ ト量20%以下の鋳鋼)Z-1 of osowa(22)+1.ans]c) フェライト鋼管*z = 113028850ef927-09570-43.3 許容欠陥深さ ・上述の評価法によって求まる許容曲げ応力や欠陥深 さは,維持規格が規定する安全率(供用状態 A, B に対 して 2.77, C, D に対して 1.39)を有するため,荷重が 大きい場合には安全率が欠陥寸法測定誤差をカバーす ることが期待できる.しかし,作用応力が小さい場合 は,荷重に対して設けられた安全率が欠陥寸法測定誤 差をカバーできなくなる懸念がある.特に,薄肉とな る小口径管では,作用荷重が極端に小さい場合であっ ても,寸法測定誤差が大きければ貫通や破断が生じる 可能性を否定できない.そこで,事例規格では,欠陥 寸法測定誤差に対する懸念を払拭するため、欠陥を有 する管の崩壊強度を配管系として一般に発生応力が高 く崩壊が生じ易いティーやエルボの崩壊強度以上にMerl(b) Tee(a) ElbowCrackMer?Allowable crack depth _MerrMor2(c) Cracked pipeFig. 3 Decision of allowable crack depth 制限している(図3参照). このように荷重に裕度を持 たせた背景には, PD制度が導入されるまでは欠陥寸法 測定誤差そのものを議論することが困難との判断がな されている. ティーやエルボの塑性崩壊強度という仮 想的に大きな荷重を条件とすることで,許容欠陥深さ は欠陥の角度と材質に応じて表 1~表 4 に示すように 設定されている。4.事例規格の妥当性4.1 欠陥深さの測定精度が評価に及ぼす影響維持規格では,測定された欠陥寸法に基づいて評価 期間中の欠陥進展を予測し,評価期間末期の欠陥寸法 に対して破壊評価を行う.従って,評価上重要となる1.2COINNONNOND CanCano・。Probability of detectionFloo0.218- POD CurveO Observed data 00Wo1 24 68_10 12Crack Depth [mm]Fig. 4 Probability of detection for stress corrosion cracks206090Table 1 Allowable crack depth for schedule 40 pipeRelative crack depth: alt Crack Austenitic stainless steelFerritic 20 [deg.] Base metal GTAW*1 SAW*2 steel0.75 0.75 0.750.75 0.75 0.75 0.75 0.75 1200.75 0.75 0.75 0.75 1500.75 0.75 0.75 0.75 180 0.75 0.75 0.72 0.73 210 0.75 0.73 0.67 0.68 240 0.750.640.65 270 0.73 0.68 0.63 0.64 >300 0.72 0.67 0.630.64 *1: GTAW and SMAW *2: SAW and casting pipe less than 20% ferrite contents0.7Table 3 Allowable crack depth for schedule 120 pipeRelative crack depth: alt CrackAustenitic stainless steel Ferritic | 20 [deg.Base metal GTAW*1 SAW*2steel 60 0.75 0.75 0.750.75 90 0.75 0.750.68 0.74 120 0.750.72 0.54 0.58 150 0.71 0.61 0.46 0.46 180 0.640.55 0.42 0.45 210 0.6 0.52 0.40.43 240 0.580.5 0.39 0.41 270 0.570.39 0.41 >300 0.570.50.39 0.41 *1: GTAW and SMAW *2: SAW and casting pipe less than 20% ferrite contents0.5のは測定時の欠陥寸法ではなく,破壊評価時の欠陥寸 法である.この考えに沿って,欠陥寸法測定誤差が破 壊評価に及ぼす影響を評価した. * 実機では, BWR の PLR 配管に SCC 欠陥が検出され ている.図4は SCC 欠陥の深さと検出確率の関係を示 す3図より,欠陥深さが 5mm 以上であれば概ね全て の欠陥が検出できることがわかる.これより,初期欠 陥の深さを 5mm,長さを 10mm と仮定して,欠陥寸法 測定誤差がある場合(欠陥深さを 4.4mm 小さく測定し てしまった場合)とない場合の欠陥の進展を評価し, 評価期間末期における欠陥寸法測定誤差の影響を求め また,600A 配管と 300A 配管(共にスケジュール 100)に対する欠陥の進展挙動の一例を図5 および図6に示 す. 600A 配管の場合,仮に欠陥寸法測定誤差があった 場合でも,欠陥の進展とともに実際の欠陥の寸法と評 価上の欠陥の寸法の差が小さくなり、欠陥の安定性を 評価する場合は,初期の欠陥寸法測定誤差の影響は非 常に小さくなることがわかる. ちなみに,評価期間を 30 年とした場合の欠陥深さは以下のとおりとなり,差 は僅かであって,欠陥寸法測定誤差の影響は無視でき0.75120Table 2 Allowable crack depth for schedule 80 pipeRelative crack depth: alt Crack Austenitic stainless steelFerritic 20 [deg. Base metal GTAW*1 SAW*2 steel 60 0.75 0.750.75 90 0.75 0.75 0.750.75 0.75 0.75 0.670.71 150 0.750.7 0.570.6 180 0.70.63 0.52 0.54 2100.65 0.58 0.49 0.51 2400.62 0.56 0.47 0.49 270 0.61 0.550.47 >300 0.610.550.47 0.49 *1: GTAW and SMAW *2: SAW and casting pipe less than 20% ferrite contents0.49600.39Table 4 Allowable crack depth for schedule 160 pipeRelative crack depth: alt Crack Austenitic stainless steelFerritic 20 deg. Base metal GTAW*1 SAW*2 steel 0.75 0.75 0.650.75 90 0.75 0.690.46 1200.64 0.54 0.31 0.37 150 0.55 0.470.26 0.32 180 0.5 0.420.24 0.29 210 0.47 0.40.23 0.27 240 0.450.39 0.23 0.27 270 0.45 0.39 0.23 0.27 >300 0.450.39 0.230.27 *1: GTAW and SMAW *2: SAW and casting pipe less than 20% ferrite contentsる程度であることが分かる.欠陥寸法測定誤差なし:16.6mm欠陥寸法測定誤差あり:16.5mm - 300A 配管の場合,600A 配管に比べて若干欠陥寸法 測定誤差の影響が大きく残るが,傾向としては 600A 配管と同様であり,評価期間を10年とした場合の欠陥 深さは以下のとおりとなる.欠陥寸法測定誤差なし:13.9mm欠陥寸法測定誤差あり:13.5mm これらの結果から,欠陥寸法測定誤差は評価の段階で は大きな影響がなく,事例規格による深さ制限は保守 性を有していることが分かる. 4.2 事例規格が有効となる領域 * 前述のように,事例規格の欠陥深さの適用は荷重が 非常に小さい場合に限定される.これを確認するため, 荷重と欠陥角度をパラメータとして限界欠陥深さを評 価した.評価対象は図 5 および図6と同様にスケジュ ール 100 とした. 許容状態 A, B に対する評価結果を図 7 にまとめる.ここでは,簡単化のため,一次一般膜 応力(Pm)と一次曲げ応力(Pb)の割合を 1:1 とし21| Initial crack length = 10mmCrack depth [mm]CracInitial crack depth = 5 mm ---...--Initial crack depth = 5 - 4.4 mm010506020.0 30.0 40.0 Operation time [y]Fig. 5 Crack growth behavior due to SCC in 600A pipe た.図に示すように作用応力が Pm=Pb=0.2Sm と小さい 場合,評価上の許容される欠陥深さ(図中の Pm=Pb=0.2Sm の線)は事例規格による線よりも大きく なり,この程度の応力では全周欠陥であっても評価上 は板厚の 75%(維持規格上の許容深さであって評価上 の許容深さは更に大きい)の欠陥が許容されることが 判る.許容欠陥深さが大きいという事は限界状態にお いて残存リガメントが小さいことを意味し,欠陥寸法0.8TITIMES.S. B.M. (C.C.)Pm=Pb=0.2Sm S.S. GTAW (C.C.) --- Pm=Pb=0.45m + --S.S. SAW (C.C.) ...... Pm=Pb=0.68m 1F.S. (C.C.)0.0L 0_130036060120 180 240Crack angle (deg.] Fig. 7 Allowable crack depthInitial crack length = 10mmwww.seeeee...““Crack depth [mm]-- Initial crack depth = 5mm .......Initial crack depth = 5 - 4.4 mm024. 0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 Operation time [y]Fig. 6 Crack growth behavior due to SCC in 300A pipe 測定誤差によっては欠陥が貫通,または破断に至る可 能性が大きいことを示唆する. 事例規格(図中の太線) ではこのように小さな荷重条件では許容欠陥深さを評 価上許容される欠陥よりも小さく抑える効果があり, 欠陥寸法測定誤差に対する懸念を反映した深さ制限が 有効に機能していることが分かる. 作用荷重を倍の Pm=Pb=0.48m とすると評価上許容される欠陥深さは 浅くなり,事例規格の許容欠陥深さの平均程度の値と なる.更に作用荷重が大きい場合(Pm=Pb=0.68m のケ ース参照)は、許容される欠陥深さが急激に浅くなり, このようなケースでは事例規格の深さ制限は適用され ず,例えば式(1)に基づいた破壊力学的評価結果がその まま適用される.これらの結果からも,事例規格の欠 陥深さ制限が,荷重が小さい場合に深い欠陥が許容さ れた場合の欠陥寸法測定誤差に配慮したものであるこ とがわかる.5.維持規格の改訂に対する課題- オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れの寸 法測定に対する PD 制度は既に確立しており,複数の 試験体の計測で欠陥寸法測定誤差の二乗和平均誤差が 3.2mm 以上,欠陥寸法測定が一つでも 4.4mm を下回っ た場合は不合格となる.このようにオーステナイト系 ステンレス鋼のSCCに対する欠陥寸法測定誤差が明確 になっている一方,それ以外の欠陥に対する欠陥寸法 測定誤差や欠陥検出限界寸法は未だ明確でないこれ らの課題を解決し,維持規格の欠陥角度制限を改訂す1900/01/20維持規格の欠陥長さ制限に関する主な課題は以下の項 目であり,この成果を反映した維持規格の改定案の整長い欠陥に対する破壊評価式の妥当性既存の試験結果から,事例規格の破壊評価式が 欠陥角度に関係なく適用可能であることの確認欠陥寸法測定誤差を考慮した場合の規格の制限 - 欠陥寸法測定誤差を考慮した場合の配管寸法適 用限界,または安全率の検討 るための条件を明らかにし,規格改定案を検討するこ とを目的とした新たなタスクが維持規格分科会の下に 設置され,2007 年 11 月から検討が開始されている. 維持規格の欠陥長さ制限に関する主な課題は以下の項 目であり,この成果を反映した維持規格の改定案の整 備が望まれる。 1) 長い欠陥に対する破壊評価式の妥当性 - 既存の試験結果から,事例規格の破壊評価式が欠陥角度に関係なく適用可能であることの確認 * 2) 欠陥寸法測定誤差を考慮した場合の規格の制限欠陥寸法測定誤差を考慮した場合の配管寸法適 用限界,または安全率の検討 3) Z係数の改訂欠陥角度に応じたZ係数の設定6.結言 (社)日本機械学会の発電用設備規格 維持規格の周方 向表面欠陥角度の制限を代替する事例規格が, PD 制度 が導入されるまでの暫定的な規格として 2005 年 12 月 に制定された.この事例規格は,作用荷重が小さく許 容欠陥深さが大きくなる場合の欠陥寸法測定誤差に対 して保守的な欠陥深さを与えることが分かった.現在 は,既に PD 制度の運用が開始されていることから, これを反映した維持規格の改訂が望まれる.参考文献「11 発電用原子力設備規格維持規格(2002 年改訂(社)日本機械学会の発電用設備規格 維持規格の周方 向表面欠陥角度の制限を代替する事例規格が, PD 制度 が導入されるまでの暫定的な規格として 2005 年 12 月 に制定された.この事例規格は,作用荷重が小さく許 容欠陥深さが大きくなる場合の欠陥寸法測定誤差に対 して保守的な欠陥深さを与えることが分かった.現在 は,既に PD 制度の運用が開始されていることから, これを反映した維持規格の改訂が望まれる. [1] 発電用原子力設備規格維持規格(2002 年改訂 * 版), (社)日本機械学会, JSME S NA1-2002. [2] 発電用原子力設備規格維持規格周方向欠陥に対する許容欠陥角度制限の代替規定,(社)日本 - 機械学会, JSME S NA-CC-002 [3] 発電用原子力設備規格 設計・建設規格(2005 1. 年版), (社)日本機械学会, JSME S NC1-2005. ●制度12月 さく許 に対 現在 から,三改訂司欠陥 二)日本(2005S NA-CC-002 備規格 設計・建設規格(2005 幾械学会, JSME S NC1-2005.- 23 -
“ “JSME 維持規格における周方向欠陥角度制限の代替規定“ “町田 秀夫,Hideo MACHIDA
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