液滴衝撃エロージョン実験による配管減肉メカニズムに関する研究
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カテゴリ: 第6回
1. 緒言
現在、国内の多くのプラントは高経年化しつつあ る、このような発電所を使用していく上で安全性や 稼働率向上のためには高レベルの管理保全技術が必 須となってくる。この障害となる発電所内で発生す るトラブルの中に、配管の減肉による配管内物質の 漏洩がある。配管が減肉する要因は大きく分けて2つある。1 つ目は機械的な要因で、2つ目は、化学的な要因で ある。前者は配管内を流れる高速二相流中に含まれ る液滴が配管壁にぶつかることで発生し、後者は配 管内の蒸気に含まれる腐食性物質が配管壁を腐食す ることで発生する。 本研究では、前者について行った。配管内を流れる 高速二相流中の液滴が配管壁を減肉する現象は「液滴衝撃エロージョン(Liquid Droplet Impingement Erosion)」と呼ばれる。高速二相流中の液滴が配管壁面 などに衝突すると、局所的に大きな衝撃力が発生し、 機械的な減肉現象を発生させる。本研究では高速回転円盤エロージョン試験装置を用 いて、エロージョンの発生メカニズムの究明及び衝突 速度、経過時間における減肉速度の定量的評価手法の 検討を行った。 [1] [2]
2.液滴衝撃エロージョン実験
2.1 実験方法本研究で用いた実験装置を Fig.1 に示す。実験装置内 には Fig.2 で示すような高速で回転する円盤があり,そ の円盤の外縁部に2つの試験片を取り付けられる構造 になっている.そして、細い水流が噴出するノズルが, 試験片の回転軌道を水流が横切る様に取り付けてある. この円盤が高速で回転し,試験片が水流を横切ること で液滴衝撃エロージョンが発生する.415Fig. 1 Experiment overviewtest piecethickness 5mmwater jet (diameter 1.5mm) --Fig. 2 Experiment model実験に用いた試験片の材料は、アルミニウム (A5052)、真鍮(C2801)、ステンレス(SUS304) である。実験パラメータは、試験片衝突速度、試験 時間である。なお、ノズルから噴出す水流の直径は 1.5mm、流量は 260/h であり、フィルターを通してろ 過を行っている。2.2 実験結果各試験片に発生した液滴衝撃エロージョンを観察 した結果、Table 1、Table 2、Table 3 の結果が得られ た。この結果から、アルミ、真鍮、ステンレスの順 に材料の硬さが増すにつれて、耐エロージョン性が 上昇していることが分かる。また、各試験片に発生 したエロージョンの深さを測定し、その深さを1年 間でどのくらいの深さになるかを計算したところ Fig.3 のような結果が得られた。Fig.3 は、1 年間で 2mm 以上のエロージョンが発生する可能性の有無 を示しているが、今回の実験条件と実際の発電所のNo.配管内の状態を比べると、湿りが多いことに相当する ため、液滴衝撃エロージョンが厳しい結果となってい る。Table 1 (aluminum) | rotation impingement test timeerosion (rpm) | speed (m/s) | (hour) | Al | 1250 | 25 | 41 | A2 | 1500 | 30 | 1.5 | A3 | 150030 13.33 A4| 1650331.5 A5 1750 351.5 A61 1750 352.86 A7 | 2000 40 | 2.5 | o | A8 | 2250 | 45 | 2.22 | 0150 | 1.5 | 0 A101 2500 50Table 2 (brass) | rotation impingement test time (rpm) | speed (m/s) | (hour)erosion 2000 401.5 200019.5 C3| 225045 118 C4 2500501.5 2500 50 | 18A9 20002.540Table 3 (stainless steel) rotation Jimpingement| test time No.(rpm) | speed (m/s) | (hour) S11 1750 35410erosionS220004096S34019740240 7445|2000 20002250 S61 22502250 S8 | 2500| |A|A|A|A|A|o|o452404531250312S9 | 30006048S101 40008025Wastage speed over 2mm/yearImpingement speed (m/s)Wastage speed under 2mm/year |AluminumBrassStainlessmaterialsteelFig. 3 Wastage speed distribution4169次に、ステンレスを用いた試験片のエロージョン深 さを測定し、年間の減肉速度を求めてグラフにプロ ットしたところ Fig.4 が得られた。減肉速度の予測は各国で進められており、代表的 なものに Sanchez らによる減肉速度予測式がある。 なお、この予測式は経験式である。Sanchez らによる 減肉速度予測式及び各パラメータ以下の通りである。 [3]Cpm to (1-x)V*F.F.PE?AC m: Wastage speed per unit area : wear coefficient : Liquid density : Total mass flow rate : Quality : Drop Velocity : Entrainment fraction : Hitting fraction : Oxide Hardness: Critical Strain to Fracture Ac : Characteristic area k : Constant number A : Section areaこの予測式と、本研究で得られた減肉速度を比 較してみると、衝突速度が速くなるにつれて減 肉速度は加速度的に上昇している。また、予測 式を変換していくと減肉速度は衝突速度の5乗 に比例するとなり、実際の測定データと比較す ると互いに近い値をとることがわかった。_Cprin no (1-x)V*F.F.P2EAC oc km V4-1ただし、Sanchez らによる減肉速度予測式は 配管に対応することを目的とした予測式である ため、本研究で得た実験データを使用するため には各種パラメータを対応させねばならない、 これは今後の課題である。4experimental value CY=aX^5wastage speed (mm/year)112010012040 60 80_ Impingement speed (m/s)Fig. 4 wastage speed and approximate curve(Stainless steel)3. 液滴衝撃エロージョンの発生メカニズムエロージョンの発生メカニズムを調べるため、試験 片にステンレスを用いて、衝突速度を 50m/s に固定し、 試験時間を徐々に長くして実験を行った。Table 4 はそ の結果である。Fig.5 は S8-1 の表面画像であり、僅かな凹凸が確認 できる、これは液滴の衝突する箇所にのみ確認できた。 次に、このマイクロスコープを用いて、エロージョン の深さを測定した。最大で 2.1 um の凹凸が確認できた。Fig.6 は S8-3 の表面画像である。画像中央部分が液 商衝突箇所であり、左右両端は液滴が衝突していない 部分である。これを見ると凹凸の大きさにばらつきが 確認できる。矢印で示した部分は、周囲に比べて大き く凹んでいる。矢印 a の深さは 17.9μm、矢印 b の深 さは 35.8 um であった。この画像から、エロージョン はすべての衝突箇所で等しい速度で進行するのではな く、進行速度は異なることがわかった。Fig.7 は S8-4 の表面画像である。試験片表面にある 白い部分は、液滴が衝突していない部分で、黒くえぐ られている部分が、液滴の衝突によりエロージョンが 発生した部分である。この画像を観察すると、S8-3 で 見られたエロージョン痕が広範囲に広がっていること がわかる。このエロージョンの最大深さは 87.6 um で あった。また、エロージョンの出来方は液滴の衝突し た部分で一様ではなく、液滴衝突箇所の中心部では、 エロージョンは小さく、外縁部の方がより大きくエロ417 -ージョンが発生していた。この周速を固定した実験から、実験初期段階では エロージョンの発生は確認出来ず、長時間実験を続 けることでエロージョンが発生することがわかった。これは、液滴の衝突によるエネルギーが金属疲労 となって、試験片表面に蓄積し、それがある程度蓄 積され表面に剥離が発生してエロージョンとなると 考えられる。Table 4 | -| impingement | test time | impingement | | speed (m/s) | (hour) | freauencyerosion S8-1250000 S8-2 5016.7 2500000 S8-3 50166.7 | 25000000 S8-4 50312 | 46800000501.7Fig.5S8-1Fig.688-3Fig.7S8-4-. 結言液滴衝撃エロージョンに対する、耐エロージョン性 は金属によって異なり、金属材料の硬さに依存する。 また、衝突速度が速くなると液滴衝撃エロージョン| の進行速度(減肉速度)は速くなる。液滴衝撃エロージョンは実験開始直後から発生す」 るのではなく、かなりの数の液滴が何度も衝突する」 ことにより金属表面に疲労が蓄積し、それがある程 度蓄積されて初めて、金属表面が剥離し、それがエ ロージョンとして現れる。辞本研究は、東京電力株式会社との共同研究である。参考文献| EPRI. “Erosion/Corrosion in Nuclear Plant SteamPiping: Causes and Inspection Program Guidelines” ] 奈良林 直,村瀬 敏博,大森 修一,森 治嗣 “原子力発電プラントの信頼性向上に資する熱流動現 象に関する研究(1)高速回転円盤を用いた液滴衝撃 エロージョン試験”, K22, 日本原子力学会 2007年秋の大会. ] R. G. Keck, P. Griffith. “Prediction and Mitigation ofErosion-Corrosive Wear in Secondary Piping Systems of Nuclear Power Plant” U. S. Nuclear Regulatory Commission (1987).“ “?液滴衝撃エロージョン実験による配管減肉メカニズムに関する研究“ “東 侑麻,Yuma HIGASHI,奈良林 直,Tadashi NARABAYASHI,島津 洋一郎,Yoichiro SHIMAZU,辻 雅司,Masashi TSUJI,森 治嗣,Michitugu MORI,手塚 健一,Kenichi TEZUKA
現在、国内の多くのプラントは高経年化しつつあ る、このような発電所を使用していく上で安全性や 稼働率向上のためには高レベルの管理保全技術が必 須となってくる。この障害となる発電所内で発生す るトラブルの中に、配管の減肉による配管内物質の 漏洩がある。配管が減肉する要因は大きく分けて2つある。1 つ目は機械的な要因で、2つ目は、化学的な要因で ある。前者は配管内を流れる高速二相流中に含まれ る液滴が配管壁にぶつかることで発生し、後者は配 管内の蒸気に含まれる腐食性物質が配管壁を腐食す ることで発生する。 本研究では、前者について行った。配管内を流れる 高速二相流中の液滴が配管壁を減肉する現象は「液滴衝撃エロージョン(Liquid Droplet Impingement Erosion)」と呼ばれる。高速二相流中の液滴が配管壁面 などに衝突すると、局所的に大きな衝撃力が発生し、 機械的な減肉現象を発生させる。本研究では高速回転円盤エロージョン試験装置を用 いて、エロージョンの発生メカニズムの究明及び衝突 速度、経過時間における減肉速度の定量的評価手法の 検討を行った。 [1] [2]
2.液滴衝撃エロージョン実験
2.1 実験方法本研究で用いた実験装置を Fig.1 に示す。実験装置内 には Fig.2 で示すような高速で回転する円盤があり,そ の円盤の外縁部に2つの試験片を取り付けられる構造 になっている.そして、細い水流が噴出するノズルが, 試験片の回転軌道を水流が横切る様に取り付けてある. この円盤が高速で回転し,試験片が水流を横切ること で液滴衝撃エロージョンが発生する.415Fig. 1 Experiment overviewtest piecethickness 5mmwater jet (diameter 1.5mm) --Fig. 2 Experiment model実験に用いた試験片の材料は、アルミニウム (A5052)、真鍮(C2801)、ステンレス(SUS304) である。実験パラメータは、試験片衝突速度、試験 時間である。なお、ノズルから噴出す水流の直径は 1.5mm、流量は 260/h であり、フィルターを通してろ 過を行っている。2.2 実験結果各試験片に発生した液滴衝撃エロージョンを観察 した結果、Table 1、Table 2、Table 3 の結果が得られ た。この結果から、アルミ、真鍮、ステンレスの順 に材料の硬さが増すにつれて、耐エロージョン性が 上昇していることが分かる。また、各試験片に発生 したエロージョンの深さを測定し、その深さを1年 間でどのくらいの深さになるかを計算したところ Fig.3 のような結果が得られた。Fig.3 は、1 年間で 2mm 以上のエロージョンが発生する可能性の有無 を示しているが、今回の実験条件と実際の発電所のNo.配管内の状態を比べると、湿りが多いことに相当する ため、液滴衝撃エロージョンが厳しい結果となってい る。Table 1 (aluminum) | rotation impingement test timeerosion (rpm) | speed (m/s) | (hour) | Al | 1250 | 25 | 41 | A2 | 1500 | 30 | 1.5 | A3 | 150030 13.33 A4| 1650331.5 A5 1750 351.5 A61 1750 352.86 A7 | 2000 40 | 2.5 | o | A8 | 2250 | 45 | 2.22 | 0150 | 1.5 | 0 A101 2500 50Table 2 (brass) | rotation impingement test time (rpm) | speed (m/s) | (hour)erosion 2000 401.5 200019.5 C3| 225045 118 C4 2500501.5 2500 50 | 18A9 20002.540Table 3 (stainless steel) rotation Jimpingement| test time No.(rpm) | speed (m/s) | (hour) S11 1750 35410erosionS220004096S34019740240 7445|2000 20002250 S61 22502250 S8 | 2500| |A|A|A|A|A|o|o452404531250312S9 | 30006048S101 40008025Wastage speed over 2mm/yearImpingement speed (m/s)Wastage speed under 2mm/year |AluminumBrassStainlessmaterialsteelFig. 3 Wastage speed distribution4169次に、ステンレスを用いた試験片のエロージョン深 さを測定し、年間の減肉速度を求めてグラフにプロ ットしたところ Fig.4 が得られた。減肉速度の予測は各国で進められており、代表的 なものに Sanchez らによる減肉速度予測式がある。 なお、この予測式は経験式である。Sanchez らによる 減肉速度予測式及び各パラメータ以下の通りである。 [3]Cpm to (1-x)V*F.F.PE?AC m: Wastage speed per unit area : wear coefficient : Liquid density : Total mass flow rate : Quality : Drop Velocity : Entrainment fraction : Hitting fraction : Oxide Hardness: Critical Strain to Fracture Ac : Characteristic area k : Constant number A : Section areaこの予測式と、本研究で得られた減肉速度を比 較してみると、衝突速度が速くなるにつれて減 肉速度は加速度的に上昇している。また、予測 式を変換していくと減肉速度は衝突速度の5乗 に比例するとなり、実際の測定データと比較す ると互いに近い値をとることがわかった。_Cprin no (1-x)V*F.F.P2EAC oc km V4-1ただし、Sanchez らによる減肉速度予測式は 配管に対応することを目的とした予測式である ため、本研究で得た実験データを使用するため には各種パラメータを対応させねばならない、 これは今後の課題である。4experimental value CY=aX^5wastage speed (mm/year)112010012040 60 80_ Impingement speed (m/s)Fig. 4 wastage speed and approximate curve(Stainless steel)3. 液滴衝撃エロージョンの発生メカニズムエロージョンの発生メカニズムを調べるため、試験 片にステンレスを用いて、衝突速度を 50m/s に固定し、 試験時間を徐々に長くして実験を行った。Table 4 はそ の結果である。Fig.5 は S8-1 の表面画像であり、僅かな凹凸が確認 できる、これは液滴の衝突する箇所にのみ確認できた。 次に、このマイクロスコープを用いて、エロージョン の深さを測定した。最大で 2.1 um の凹凸が確認できた。Fig.6 は S8-3 の表面画像である。画像中央部分が液 商衝突箇所であり、左右両端は液滴が衝突していない 部分である。これを見ると凹凸の大きさにばらつきが 確認できる。矢印で示した部分は、周囲に比べて大き く凹んでいる。矢印 a の深さは 17.9μm、矢印 b の深 さは 35.8 um であった。この画像から、エロージョン はすべての衝突箇所で等しい速度で進行するのではな く、進行速度は異なることがわかった。Fig.7 は S8-4 の表面画像である。試験片表面にある 白い部分は、液滴が衝突していない部分で、黒くえぐ られている部分が、液滴の衝突によりエロージョンが 発生した部分である。この画像を観察すると、S8-3 で 見られたエロージョン痕が広範囲に広がっていること がわかる。このエロージョンの最大深さは 87.6 um で あった。また、エロージョンの出来方は液滴の衝突し た部分で一様ではなく、液滴衝突箇所の中心部では、 エロージョンは小さく、外縁部の方がより大きくエロ417 -ージョンが発生していた。この周速を固定した実験から、実験初期段階では エロージョンの発生は確認出来ず、長時間実験を続 けることでエロージョンが発生することがわかった。これは、液滴の衝突によるエネルギーが金属疲労 となって、試験片表面に蓄積し、それがある程度蓄 積され表面に剥離が発生してエロージョンとなると 考えられる。Table 4 | -| impingement | test time | impingement | | speed (m/s) | (hour) | freauencyerosion S8-1250000 S8-2 5016.7 2500000 S8-3 50166.7 | 25000000 S8-4 50312 | 46800000501.7Fig.5S8-1Fig.688-3Fig.7S8-4-. 結言液滴衝撃エロージョンに対する、耐エロージョン性 は金属によって異なり、金属材料の硬さに依存する。 また、衝突速度が速くなると液滴衝撃エロージョン| の進行速度(減肉速度)は速くなる。液滴衝撃エロージョンは実験開始直後から発生す」 るのではなく、かなりの数の液滴が何度も衝突する」 ことにより金属表面に疲労が蓄積し、それがある程 度蓄積されて初めて、金属表面が剥離し、それがエ ロージョンとして現れる。辞本研究は、東京電力株式会社との共同研究である。参考文献| EPRI. “Erosion/Corrosion in Nuclear Plant SteamPiping: Causes and Inspection Program Guidelines” ] 奈良林 直,村瀬 敏博,大森 修一,森 治嗣 “原子力発電プラントの信頼性向上に資する熱流動現 象に関する研究(1)高速回転円盤を用いた液滴衝撃 エロージョン試験”, K22, 日本原子力学会 2007年秋の大会. ] R. G. Keck, P. Griffith. “Prediction and Mitigation ofErosion-Corrosive Wear in Secondary Piping Systems of Nuclear Power Plant” U. S. Nuclear Regulatory Commission (1987).“ “?液滴衝撃エロージョン実験による配管減肉メカニズムに関する研究“ “東 侑麻,Yuma HIGASHI,奈良林 直,Tadashi NARABAYASHI,島津 洋一郎,Yoichiro SHIMAZU,辻 雅司,Masashi TSUJI,森 治嗣,Michitugu MORI,手塚 健一,Kenichi TEZUKA