高レベル放射性物質研究施設(CPF)における保全活動への取組み「Ⅰ. 高放射性物質閉じ込め用負圧コントロール弁の経年劣化への対応」
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カテゴリ: 第7回
1. 緒言
高レベル放射性物質研究施設(Chemical Processing Facility 以下、「CPF」と言う。)は、我が国において、 高速増殖炉燃料の再処理試験を行える唯一の施設で あり、高速増殖炉燃料の再処理技術に関する研究開 発及び高レベル放射性廃液の処理・処分技術に関す る研究開発を主な目的として、昭和 57年に試験を開 始した。CPF には、主に再処理試験等を実施するセル(A系 列:5 セル)とガラス固化試験等を実施するセル(B系 列 : 5 セル)のほか、実験室 A/B/C、分析室等に合計 26基のグローブボックスと 10 台のフードを有し、 これまでに照射済燃料を用いた再処理試験を 22 回、 実高レベル廃液を用いたガラス固化試験を 20回実 施している。本施設での研究成果は、高速増殖炉燃 料再処理を目的とした工学試験施設の概念設計や東 海ガラス固化技術開発施設の建設・運転に反映され ている。これらの試験で取り扱う高放射性物質を、セルや グローブボックス内に閉じ込めるため、CPF では管 理区域の負圧を3段階に区分するとともに、各実験 室やセル等の排気側に負圧コントロール弁を設置し、入気側にはインターロック等で作動する弁を設置し て空気の逆流を防止している。CPF には負圧コント ール弁が合計 72 台設置されており、24時間稼働し ている。CPF では、平成 12 年頃から、負圧コントロール弁 の駆動部から駆動用圧縮空気の漏れや動作不良が認 められるようになってきたことから、計画的に駆動 部の更新を実施してきた。本報告では、負圧コント ロール弁の駆動部の更新作業を通して得られた知見、 並びに構成部品の劣化状況から推定される動作不良・ と外的要因(環境、頻度、部位)との関連性を評価し た結果ならびにそれに基づき施した対応について述
2. 換排気設備の概要
図1に換排気設備と負圧コントロール弁駆動部の 関連を示した機器構成を示す。負圧コントロールシ ステムは主に、差圧伝送器、負圧調節計、負圧コン トロール弁により構成されている。負圧をコントロールする弁には入気側の遮断弁と 排気側の調節弁があり、排気側調節弁は差圧伝送器 (検出器)により大気と各セル又は実験室間の差圧を 計測し、制御室に設置している負圧調節計で開度を 自動調整することによって負圧を所定の値に維持す る弁である。また、入気側遮断弁はセルと入気側との差圧を計 測し、当該セルの負圧が入気側と逆転しないよう差 圧が小さくなると自動で全閉となる ON-OFF動作弁連絡先: 小林雄樹、 〒319-1194 茨城県那珂郡東海 村大字村松 4-33、日本原子力研究開発機構 核燃料 サイクル工学研究所 サイクル工学試験部 試験運 転第1課、電話:029-282-1111、 E-mail: kobayashi. yuki 37@jaea. go.jp161である。差圧伝送器「西弁(V)調節弁近所口列セルリーグローブボック!IRE(1)RーBセルコ(第3績)フード (排気第2子)排気商オフガス処理 (時募6手続負圧コントロール弁(PCV)部屋系(アンバー)(排気部4系統)負庄調節計「部屋(グリーン)【排気第5図1 換排気設備の機器構成 3.負圧コントロール弁駆動部の概要本件で更新を行った負圧コントロール弁駆動部の 構造を図2に示す。CPF では、給排気系統の弁のタイプ及び必要とす る開閉操作力に応じて、ダイアフラム式とシリンダ ー式2種類の駆動部を使い分けている。シリンダー式は摺動部に気密を要する箇所が多く エアー漏れによる制御動作の緩慢化が発生しやすい が、開閉操作力が大きく大型ダンパーの開閉操作が 可能である。また、開閉両側に圧空を送り込むこと が可能であり、細かなコントロール動作が可能なこ とから、主に排気側の調節弁として使用している。 * 一方、ダイアフラム式は構造が簡単で小型であり、 一般的に故障発生率が低いと言われているが、シリ ンダー式と比較して開閉操作力が小さい。このため、 主に入気側の遮断弁として用いている。開開エア (1) ダイアフラム式 ○特徴:構造がシンプルでコンパクト。 但し、開閉操作力が小さい。ダイアフラムスプリング(2) シリンダー式 ●特徴:高い開閉操作力が得られる。 但し、摺動部に気密を要する箇所が多い。カムケース(グリス注入部) 開エア1月10P1 シリンダー スプリング ム エアスプリング ムエア図2 負圧コントロール弁の駆動方式 4. 駆動部更新の背景 負圧コントロール弁は、負圧の制御機能を有して いる連続稼働機器であるため、機器を停止した点検 整備により内部構成品等の経年劣化状況を確認する ことが困難であった。しかしながら、施設運開より約 19年が経過し、図 り約 19年が経過し、図 また、その他の要因として周囲環境、駆動頻度及- 162 -3に示すように負圧コントロール弁駆動部からのエ アー漏れによる負圧制御機能の緩慢化や駆動部内カ ムの固着による負圧制御への影響等が見受けられて きた。CPF は空調管理された施設ではあるが、故障 する機器の設置環境を整理すると、高温多湿な研究 棟の地下階に多いことがわかった。 * エアーの漏れ量が増加した場合、負圧制御機能の 喪失に繋がり放射性物質の閉じ込め機能に影響する おそれがあることから、図4に示すように計画的な 駆動部の更新を実施した。カム部0.33Oリングから エアー漏れ0.66図3 過去の故障原因_平成12年度 78%(6台)未実施 39%(27台)平成14年度 22-1581平成19年度 34%(24台)図4 更新実績 5. 更新方法の検討 - 平成19年度に実施した負圧コントロール弁駆動 部 24 台の更新方法に関する事前検討の内容を以下 に示す。 5.1 更新対象の選定それまでに不具合が発生した駆動部は製造メーカ を問わず、全てシリンダー式であった。また、年間 を通して高温多湿となる研究棟の地下階に設置され ている駆動部の故障率が高いことから、地下階に設 置してあるシリンダー式駆動部 20 台を主な更新対 象とした。また、劣化状況確認のため、ダイアフラ ム式駆動部4台を選定し合わせて更新することとした。5.2 劣化状況の評価故障部位ごとの劣化の傾向を評価するため、金属 部、ゴム/パッキン部、グリス部に分類して外観観察 することとし、特にゴム/パッキン類については、こ れまでに発生した駆動用圧縮空気の漏えいによる制 御機能の緩慢化の原因となったケースが多いことか ら経年変化を観察するため、示差熱分析にて評価す ることとした。 また、その他の要因として周囲環境、駆動頻度及|び駆動方式の観点から評価を行うこととした。5.3 更新治具の考案 - 負圧コントロール弁駆動部を単純に取り外すと排 気系統が全閉となり、負圧を維持することが出来な くなる。そのため、負圧コントロール弁の駆動部を更新す る際は、負圧の調整機能を確保する事、即ち、負圧 調節弁の弁開度を保持する必要があった。そこで、 本体と駆動部を連結している弁軸に着目し、この弁 軸を固定することで弁開度を保持し、負圧を維持し た状態で、駆動部の更新を行った。 1 弁軸を固定して弁の開度を保持させる冶具として、 図4に示す開度固定治具を製作した。弁本体と駆動 部を連結している弁軸を SS400製金属プレートでサ ンドイッチし、弁軸径に合わせて溝加工を施した金 属プレートを弁軸締付ボルトにより固定する方式と した。また、冶具自体は弁本体に調整ボルトにより 固定する構造とし、弁軸の稼働トルクに対し、十分 な固定能力を有していることを事前に確認した。軸弁軸締付ボルト調整ボルト本体図5 開度固定治具5.4 作業の効率化CPF では、年間を通じて高放射性物質を使用した 試験を実施しており、試験工程への影響を最小限に 留める必要があった。そこで、主作業班と補助作業 班の二つの作業班体制とし、主作業班は駆動部の更 新、補助作業班は駆動部の更新直前までの準備と作 業分担することで、当初 60日間と計画した作業期間 を約 2/3 に短縮することが出来た。6. 各部の劣化状況 6.1 金属部シリンダー式及びダイアフラム式駆動部の筐体に 使用されている主な素材は一般構造用圧延鋼 SS400 であり、表1に示すように全般的に腐食、変形は認 められなかった。ただし、図6に示すように一部シ リンダー式駆動部のピストン運動を円運動に変換す るカムに赤錆が発生していた。その他の主要部品で あるシリンダープレート、シャフト及びスプリング については、カムに発生していたような赤錆、並び に有害な損傷の発生は無かった。十本体表1 金属部の劣化状況表[駆動方式カム (SS400)スプリング (SUP9SS400シリンダー部品名 機務名電所 POV-51021) |POV-51051) POV-510415) IPOV-510915) 100V-51062 IPCV51070円) IPCV-2010地下 [XV-500日下 10.5019時(地下) 100V-5019日(地下) 134-5105(地下).50年地下階 (.5100 ) [XV-5017A(地下階) XV-5017B地下略) 06-5013 地下階) スト-514地下) 1-5102 ) 114-5103) 103-510 [XV-500名(1階) AV-5011(20) JAV-5013 PCV-51013%)0.0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0????????????????????????00000|000|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|00| |フラム×:劣化あり △:一部劣化あり 0:良好0口 赤錆発生館所図6 カム部(左:新品、右:既設品)6.2 ゴム/パッキン部 - シリンダー式及びダイアフラム式駆動部の気密に 使用されているOリングは一般に広く使用されてい るニトリルゴム材で製作されており、一般的に引張 強さ、耐摩耗性は優れていると言われている。今回 の分解点検では、表2に示すようにピストン運動を 繰り返す摺動部に使用された全てのOリングにおい て、2~3mm程度の摩耗が確認された。図7に示すように気密漏れが確認されたシリンダ ー式駆動部のOリングは、シリンダーのピストン運 動により振られたと推定される痕跡があり、破断し ていた。 ・ ダイアフラム式駆動部においては、クロロプレン 材の硬化と配合剤が表面で結晶化するブルーム現象 *1が確認され、ダイアフラム表面に白粉が付着して いた。 *1ブルーム現象...ゴムの配合剤が配合ゴム表面に 析出し粉がふいたように結晶化、被覆する現象。163表2 ゴム/パッキン部の劣化状況表Oリング (ER)ダイアフラム (クロロプレン」シリンダーPCV-51001 PC15106(1階) PCV510415) PCV-5100(1階) PC1510662 PCV-51070 PC4-5016地下階 AV-50206地下 KV-50194地下階) KV-50196 KV-5106(地下) JAY-5104地下V-5105(地下 KV-20174地下階) x450175地下略)2013地下) 11-010地下階)4-5102 ) KV-5101 ) [XV-510 XV-502 (1) XV-5011 XY-5012 IPCV-51010フラム×:劣化あり △:一部劣化あり O:良好XV-5014ピストンロ/Fons18図7 破断した 0リング6.3 グリス部 - シリンダー式摺動部に使用されているグリスは工 業用に広く使用されているリチウム石鹸グリス(通 称イモグリース)であり、使用前はクリーム色、石鹸 臭であるものが、図8に示すように黒色、酸廃臭を 発する状態まで劣化していた。また、表3に示すよ うに5台のシリンダー式駆動部は、グリスが完全に 液状化し、パッキンの隙間より液だれが発生し、油 だまりを形成していた。なお、駆動部筐体のシリンダーケース内壁には、 据付け時やメンテナンス時に、シリコングリスを塗 布しているが、今回のケース解放時における目視点 検ではシリコングリスは認められず、喪失していた。表3 グリス部の劣化状況表3名グリス リチウム石)グリス (シリコン)x|KIKIXIPCV-51021 [FCV-5105(1 [PCV-51041) IPCV-510613) [PCV-51062 IPCV-510725) PCV-8016 地下略) JXV.502089 FR 0019(地下) XV-50198(地下略。 by-5105(地下階 IV-5104(地下階 kv-5106(地下階) [V-5017-(地下階) JAV-5017日 地下階) [xv-5012地下) KV-01年 ) [XV-5102 )-5101(38) PV-5102 ) XV-50515) XV-9911438 10-50123) JPCV-5101 )KIKIKIK x xxx KIKIKKシリンダーパーメメメメ|メ||||||||民Traxxxxxフラム×:劣化あり A:一部劣化あり O:良好?色窗所図8 液状化、変色したカム部のグリス7. 評価及び考察 - 本更新作業を通して得られた知見を基に劣化状況 を評価するとともに、劣化の原因を考察し、今後の 対応について検討した。7.1 金属部筐体、カム、シリンダー及びスプリング部につい て観察を行ったところ、全体的に錆による腐食、変 形は認められなかった。これは、設置環境が結露の発生を抑制するよう空 調管理されていたためと考えられる。 * 一部のカムに赤錆が確認されたが、同様の設置環 境であったにも関らず、同型式の他の駆動部の多く に赤錆が確認出来なかったことから、赤錆が確認さ れたカムはカムケース部へのグリス注入量が少なく、 液状化していたことが原因と推察される。上記の発錆を除き、屋内に設置されている駆動部 の金属部品は、約 25 年の使用では更新する必要性は 低いことが分かった。1647.2 ゴム/パッキン部ゴム製品は気密用 Oリング、シリンダープレート Oリング、金属部材間のパッキン及びダイアフラム 部に使用されており、Oリング類及びパッキンはニ トリルゴム材、ダイアフラムはクロロプレン材を使 用している。 ・ピストン運動を繰り返す摺動部に使用された全て のOリングにおいて、2~3mm程度の摩耗が見られ た一方、ダイアフラム部は若干の硬化とブルーム現 象が認められるものの、使用上有害な癖や傷は認め られなかった。ゴム/パッキン部の不具合としては、シリンダー式 駆動部の気密用Oリングの破断及び亀裂の発生が確 認されていることから、ニトリルゴム材の劣化状況 を確認するため、破断したOリングのサンプルと新 品を示差熱分析装置を用いて測定し、比較評価した。 測定結果を図9及び図 10 に示す。 1 - 新品のOリングは、200°C弱より徐々に重量減少 が 410°Cまで確認された。反応開始温度が 200°C弱で あることから、これは脱水反応によるものであり、 410°C以降は分解反応により重量が減少したものと 推察される。DTA に2つの吸熱ピークがあることか ら、異なる2段階の反応の可能性がある。また、510°C 付近からは別の分解反応で重量減少している。これに対して既設のOリングは、新品と同様に 200°C弱から脱水反応と推察される反応があるが重 量減少量が少ないことから、既設品は水分含有量が 減少し硬化しているものと推察される。また、410°C 以降の DTA の吸熱ピークが新品と比較し鈍くなっ ていることから、ニトリルゴム材の弾性や強度を確 保するための配合剤含有量が減少しているものと推 察される。 * 本測定結果から、約25年経過したニトリルゴム材 は水分の減少と弾性や強度を確保するための配合剤 含有量の減少が発生し、その特性が失われていると 推察されることから、より短周期での更新の必要性 が示唆された。本件では経年状況による評価を行え なかったため、CPF のメンテナンス実績により更新 頻度を検討することとした。DTATOATempN160002000150000140000130000-1000421000~20:0010000-3000500Time (min)図9 示唆熱分析結果(新品)100ml/minDTATGA mg,Temp3000400F5000020004000130000200000Temp100-10005000Time (min)1000図 10 示唆熱分析結果(破断していたOリング、地下階)測定条件(図9及び図 10 とも共通) 雰囲気 :乾燥空気(湿分 10ppm 以下)、100ml/min 昇温速度 : 10°C/min 温度範囲:室温~600°C7.3 グリス部 * 一般的にグリスの劣化条件としては高温、異物(塵 埃、水分の混入等が考えられる。 - CPF の負圧コントロール弁駆動部の設置環境は施 設全体としては空調が効いているものの、リチウム 石鹸グリスの劣化(液状化)が確認された駆動部周辺 には、大型の排風機が設置されており、年間を通し て気温が約 30°Cと他の設置場所と比較して高い。リ チウム石鹸グリスが注入されているカムケースはゴ ム製パッキンで当該室雰囲気と分けられているが、 酸化した金属部品がリチウム石鹸グリスに混入して いるため、リチウム石鹸グリスの劣化速度に影響を 与えたと推察される。シリンダーケース内壁に塗布しているシリコング リスは、不具合が発生した O リングと接する部位で あり、ケース解放時にシリコングリスが喪失してい たことから、ピストン運動により Oリングが捩じら れ破断した原因はシリコングリス切れと推察される。7.4 評価取り纏め - 本件を通して得られた知見より、故障発生傾向を 整理した。1これまでに発生した故障傾向から不具合発生率が 高い部位は、駆動用圧縮空気の気密に使用され、 且つ摺動する箇所のOリングである。また、Oリングは、グリス切れによりピストン 運動に巻き込まれ、捩じられ破断していると推察 される。 20 リングの不具合が確認された駆動部はコントロ ール弁よりも遮断弁が多い。 これは摺動距離が短く頻繁に動作するコントロー ル弁よりも、摺動距離が長く動作頻度が少ない遮 断弁の方がOリングへの負荷が大きいためと推察 される。故障発生傾向を165 3故障が発生した駆動部は全てシリンダー式であっ た。これは、シリンダー式はダイアフラム式と比 較して構造が複雑であり、気密を要する摺動部が 多いことが原因と推察される。7.5 経年劣化への対応 * 本更新作業で確認されたダイアフラム式及びシリ ンダー式駆動部の各部品の劣化状況を、表4及び表 5に示す。 * 本結果から、CPF では駆動部筐体等の金属部の更 新は基本的に行わないこととし、予防保全の観点か らゴム/パッキン部の更新は10年毎の周期で行うこ とした。グリスの入替は劣化状況を監視しながら、 ゴム/パッキン部の更新と同周期で行うことした。1表4 部品劣化状況(ダイアフラム式)| スプリング | シリンダー | リング | 51754 | クリス...スプリング (SS400) (SUPE 0 10 10シリンダーリング (SB42) (NBR)|ダイアフラムグリス (クロロプレン)(リチウム論)(SS400)---1045025(18) [XV5011(25) [XV-5012(20) PC4-5101(29)--0:00:00x|xix-×:劣化あり A:一部劣化あり :良好表5 部品劣化状況(シリンダー式)Oリングダイアフラムグリスイクコスプレン:リチウム石グリス (シリコン」器名に変場(SS-400)あそ(金)PC50G IPCV-5106 [POV-51045 [A01-51095 [PC4-51062 JPCH-510)PC1-50地下着 [15016 AV-5012-地下 XV-3056 TS 14515(地下K-5104(下部 | 09-5105(地下) [x4.5017地下階) [XV-50770地下)xv-50042 778) 11:32:50 地下)???????????????????????????????????$$ 0.00|00000000|0|0|0|0|00000jojojojojojojojojojojojojojojojojojojoloraニニニニニニニニニニニニニニニニニXK K1X TKIKIKIKIK1510(3) 0.51回×:劣化あり A:一部劣化あり 0:良好ント 8.結言 負圧を維持した状態で負圧コントロール弁の駆動 部を更新するという課題に対して、考案した開度固 定冶具を採用することで運転中のホット施設の負圧 維持機能を停止させることなく、無事故で更新作業 を完遂すると共に、作業体制の合理化により作業期 間も予定の 2/3 に短縮することで試験工程への影響」 を最小限に留めることが出来た。今回の更新作業時の分解点検により、当該機器の 稼働寿命を延長することが出来た。また、設置後約 25年を経過した負圧コントロール弁駆動部の劣化! 状況を把握し、更新を必要とする部位を特定するこ とにより、表6に示すように未更新の駆動部 27 台の コストを約 40%、廃棄物発生量を 1/10 程度に削減出 来る見通しを得た。今後は、メンテナンス頻度及び対象の選定基準の 標準化を目的としたデータの蓄積を継続する。また、 本更新作業により特定された更新すべき部位の保全 計画を検討する。 表6 更新方法の比較平成19年度更新方法により平成12年度更新方法により) 駆動部を更新した場合約4.5ヶ月消耗品のみ交換した場合約3ヶ月作業期間コスト約1億4千万円約8千万円発生廃棄物約3m'約0.3m'試験工程への影響- 166 -“ “?高レベル放射性物質研究施設(CPF)における保全活動への取組み I.高放射性物質閉じ込め用負圧コントロール弁の経年劣化への対応“ “小林 雄樹,Yuki KOBAYASHI,高橋 哲郎,Teturo TAKAHASHI,篠崎 忠宏,Tadahiro SHINOZAKI,小笠原 甲士,Kouji OGASAWARA,小泉 健治,Kenji KOIZUMI,中島 靖雄,Yasuo NAKAZIMA
高レベル放射性物質研究施設(Chemical Processing Facility 以下、「CPF」と言う。)は、我が国において、 高速増殖炉燃料の再処理試験を行える唯一の施設で あり、高速増殖炉燃料の再処理技術に関する研究開 発及び高レベル放射性廃液の処理・処分技術に関す る研究開発を主な目的として、昭和 57年に試験を開 始した。CPF には、主に再処理試験等を実施するセル(A系 列:5 セル)とガラス固化試験等を実施するセル(B系 列 : 5 セル)のほか、実験室 A/B/C、分析室等に合計 26基のグローブボックスと 10 台のフードを有し、 これまでに照射済燃料を用いた再処理試験を 22 回、 実高レベル廃液を用いたガラス固化試験を 20回実 施している。本施設での研究成果は、高速増殖炉燃 料再処理を目的とした工学試験施設の概念設計や東 海ガラス固化技術開発施設の建設・運転に反映され ている。これらの試験で取り扱う高放射性物質を、セルや グローブボックス内に閉じ込めるため、CPF では管 理区域の負圧を3段階に区分するとともに、各実験 室やセル等の排気側に負圧コントロール弁を設置し、入気側にはインターロック等で作動する弁を設置し て空気の逆流を防止している。CPF には負圧コント ール弁が合計 72 台設置されており、24時間稼働し ている。CPF では、平成 12 年頃から、負圧コントロール弁 の駆動部から駆動用圧縮空気の漏れや動作不良が認 められるようになってきたことから、計画的に駆動 部の更新を実施してきた。本報告では、負圧コント ロール弁の駆動部の更新作業を通して得られた知見、 並びに構成部品の劣化状況から推定される動作不良・ と外的要因(環境、頻度、部位)との関連性を評価し た結果ならびにそれに基づき施した対応について述
2. 換排気設備の概要
図1に換排気設備と負圧コントロール弁駆動部の 関連を示した機器構成を示す。負圧コントロールシ ステムは主に、差圧伝送器、負圧調節計、負圧コン トロール弁により構成されている。負圧をコントロールする弁には入気側の遮断弁と 排気側の調節弁があり、排気側調節弁は差圧伝送器 (検出器)により大気と各セル又は実験室間の差圧を 計測し、制御室に設置している負圧調節計で開度を 自動調整することによって負圧を所定の値に維持す る弁である。また、入気側遮断弁はセルと入気側との差圧を計 測し、当該セルの負圧が入気側と逆転しないよう差 圧が小さくなると自動で全閉となる ON-OFF動作弁連絡先: 小林雄樹、 〒319-1194 茨城県那珂郡東海 村大字村松 4-33、日本原子力研究開発機構 核燃料 サイクル工学研究所 サイクル工学試験部 試験運 転第1課、電話:029-282-1111、 E-mail: kobayashi. yuki 37@jaea. go.jp161である。差圧伝送器「西弁(V)調節弁近所口列セルリーグローブボック!IRE(1)RーBセルコ(第3績)フード (排気第2子)排気商オフガス処理 (時募6手続負圧コントロール弁(PCV)部屋系(アンバー)(排気部4系統)負庄調節計「部屋(グリーン)【排気第5図1 換排気設備の機器構成 3.負圧コントロール弁駆動部の概要本件で更新を行った負圧コントロール弁駆動部の 構造を図2に示す。CPF では、給排気系統の弁のタイプ及び必要とす る開閉操作力に応じて、ダイアフラム式とシリンダ ー式2種類の駆動部を使い分けている。シリンダー式は摺動部に気密を要する箇所が多く エアー漏れによる制御動作の緩慢化が発生しやすい が、開閉操作力が大きく大型ダンパーの開閉操作が 可能である。また、開閉両側に圧空を送り込むこと が可能であり、細かなコントロール動作が可能なこ とから、主に排気側の調節弁として使用している。 * 一方、ダイアフラム式は構造が簡単で小型であり、 一般的に故障発生率が低いと言われているが、シリ ンダー式と比較して開閉操作力が小さい。このため、 主に入気側の遮断弁として用いている。開開エア (1) ダイアフラム式 ○特徴:構造がシンプルでコンパクト。 但し、開閉操作力が小さい。ダイアフラムスプリング(2) シリンダー式 ●特徴:高い開閉操作力が得られる。 但し、摺動部に気密を要する箇所が多い。カムケース(グリス注入部) 開エア1月10P1 シリンダー スプリング ム エアスプリング ムエア図2 負圧コントロール弁の駆動方式 4. 駆動部更新の背景 負圧コントロール弁は、負圧の制御機能を有して いる連続稼働機器であるため、機器を停止した点検 整備により内部構成品等の経年劣化状況を確認する ことが困難であった。しかしながら、施設運開より約 19年が経過し、図 り約 19年が経過し、図 また、その他の要因として周囲環境、駆動頻度及- 162 -3に示すように負圧コントロール弁駆動部からのエ アー漏れによる負圧制御機能の緩慢化や駆動部内カ ムの固着による負圧制御への影響等が見受けられて きた。CPF は空調管理された施設ではあるが、故障 する機器の設置環境を整理すると、高温多湿な研究 棟の地下階に多いことがわかった。 * エアーの漏れ量が増加した場合、負圧制御機能の 喪失に繋がり放射性物質の閉じ込め機能に影響する おそれがあることから、図4に示すように計画的な 駆動部の更新を実施した。カム部0.33Oリングから エアー漏れ0.66図3 過去の故障原因_平成12年度 78%(6台)未実施 39%(27台)平成14年度 22-1581平成19年度 34%(24台)図4 更新実績 5. 更新方法の検討 - 平成19年度に実施した負圧コントロール弁駆動 部 24 台の更新方法に関する事前検討の内容を以下 に示す。 5.1 更新対象の選定それまでに不具合が発生した駆動部は製造メーカ を問わず、全てシリンダー式であった。また、年間 を通して高温多湿となる研究棟の地下階に設置され ている駆動部の故障率が高いことから、地下階に設 置してあるシリンダー式駆動部 20 台を主な更新対 象とした。また、劣化状況確認のため、ダイアフラ ム式駆動部4台を選定し合わせて更新することとした。5.2 劣化状況の評価故障部位ごとの劣化の傾向を評価するため、金属 部、ゴム/パッキン部、グリス部に分類して外観観察 することとし、特にゴム/パッキン類については、こ れまでに発生した駆動用圧縮空気の漏えいによる制 御機能の緩慢化の原因となったケースが多いことか ら経年変化を観察するため、示差熱分析にて評価す ることとした。 また、その他の要因として周囲環境、駆動頻度及|び駆動方式の観点から評価を行うこととした。5.3 更新治具の考案 - 負圧コントロール弁駆動部を単純に取り外すと排 気系統が全閉となり、負圧を維持することが出来な くなる。そのため、負圧コントロール弁の駆動部を更新す る際は、負圧の調整機能を確保する事、即ち、負圧 調節弁の弁開度を保持する必要があった。そこで、 本体と駆動部を連結している弁軸に着目し、この弁 軸を固定することで弁開度を保持し、負圧を維持し た状態で、駆動部の更新を行った。 1 弁軸を固定して弁の開度を保持させる冶具として、 図4に示す開度固定治具を製作した。弁本体と駆動 部を連結している弁軸を SS400製金属プレートでサ ンドイッチし、弁軸径に合わせて溝加工を施した金 属プレートを弁軸締付ボルトにより固定する方式と した。また、冶具自体は弁本体に調整ボルトにより 固定する構造とし、弁軸の稼働トルクに対し、十分 な固定能力を有していることを事前に確認した。軸弁軸締付ボルト調整ボルト本体図5 開度固定治具5.4 作業の効率化CPF では、年間を通じて高放射性物質を使用した 試験を実施しており、試験工程への影響を最小限に 留める必要があった。そこで、主作業班と補助作業 班の二つの作業班体制とし、主作業班は駆動部の更 新、補助作業班は駆動部の更新直前までの準備と作 業分担することで、当初 60日間と計画した作業期間 を約 2/3 に短縮することが出来た。6. 各部の劣化状況 6.1 金属部シリンダー式及びダイアフラム式駆動部の筐体に 使用されている主な素材は一般構造用圧延鋼 SS400 であり、表1に示すように全般的に腐食、変形は認 められなかった。ただし、図6に示すように一部シ リンダー式駆動部のピストン運動を円運動に変換す るカムに赤錆が発生していた。その他の主要部品で あるシリンダープレート、シャフト及びスプリング については、カムに発生していたような赤錆、並び に有害な損傷の発生は無かった。十本体表1 金属部の劣化状況表[駆動方式カム (SS400)スプリング (SUP9SS400シリンダー部品名 機務名電所 POV-51021) |POV-51051) POV-510415) IPOV-510915) 100V-51062 IPCV51070円) IPCV-2010地下 [XV-500日下 10.5019時(地下) 100V-5019日(地下) 134-5105(地下).50年地下階 (.5100 ) [XV-5017A(地下階) XV-5017B地下略) 06-5013 地下階) スト-514地下) 1-5102 ) 114-5103) 103-510 [XV-500名(1階) AV-5011(20) JAV-5013 PCV-51013%)0.0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0????????????????????????00000|000|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|00| |フラム×:劣化あり △:一部劣化あり 0:良好0口 赤錆発生館所図6 カム部(左:新品、右:既設品)6.2 ゴム/パッキン部 - シリンダー式及びダイアフラム式駆動部の気密に 使用されているOリングは一般に広く使用されてい るニトリルゴム材で製作されており、一般的に引張 強さ、耐摩耗性は優れていると言われている。今回 の分解点検では、表2に示すようにピストン運動を 繰り返す摺動部に使用された全てのOリングにおい て、2~3mm程度の摩耗が確認された。図7に示すように気密漏れが確認されたシリンダ ー式駆動部のOリングは、シリンダーのピストン運 動により振られたと推定される痕跡があり、破断し ていた。 ・ ダイアフラム式駆動部においては、クロロプレン 材の硬化と配合剤が表面で結晶化するブルーム現象 *1が確認され、ダイアフラム表面に白粉が付着して いた。 *1ブルーム現象...ゴムの配合剤が配合ゴム表面に 析出し粉がふいたように結晶化、被覆する現象。163表2 ゴム/パッキン部の劣化状況表Oリング (ER)ダイアフラム (クロロプレン」シリンダーPCV-51001 PC15106(1階) PCV510415) PCV-5100(1階) PC1510662 PCV-51070 PC4-5016地下階 AV-50206地下 KV-50194地下階) KV-50196 KV-5106(地下) JAY-5104地下V-5105(地下 KV-20174地下階) x450175地下略)2013地下) 11-010地下階)4-5102 ) KV-5101 ) [XV-510 XV-502 (1) XV-5011 XY-5012 IPCV-51010フラム×:劣化あり △:一部劣化あり O:良好XV-5014ピストンロ/Fons18図7 破断した 0リング6.3 グリス部 - シリンダー式摺動部に使用されているグリスは工 業用に広く使用されているリチウム石鹸グリス(通 称イモグリース)であり、使用前はクリーム色、石鹸 臭であるものが、図8に示すように黒色、酸廃臭を 発する状態まで劣化していた。また、表3に示すよ うに5台のシリンダー式駆動部は、グリスが完全に 液状化し、パッキンの隙間より液だれが発生し、油 だまりを形成していた。なお、駆動部筐体のシリンダーケース内壁には、 据付け時やメンテナンス時に、シリコングリスを塗 布しているが、今回のケース解放時における目視点 検ではシリコングリスは認められず、喪失していた。表3 グリス部の劣化状況表3名グリス リチウム石)グリス (シリコン)x|KIKIXIPCV-51021 [FCV-5105(1 [PCV-51041) IPCV-510613) [PCV-51062 IPCV-510725) PCV-8016 地下略) JXV.502089 FR 0019(地下) XV-50198(地下略。 by-5105(地下階 IV-5104(地下階 kv-5106(地下階) [V-5017-(地下階) JAV-5017日 地下階) [xv-5012地下) KV-01年 ) [XV-5102 )-5101(38) PV-5102 ) XV-50515) XV-9911438 10-50123) JPCV-5101 )KIKIKIK x xxx KIKIKKシリンダーパーメメメメ|メ||||||||民Traxxxxxフラム×:劣化あり A:一部劣化あり O:良好?色窗所図8 液状化、変色したカム部のグリス7. 評価及び考察 - 本更新作業を通して得られた知見を基に劣化状況 を評価するとともに、劣化の原因を考察し、今後の 対応について検討した。7.1 金属部筐体、カム、シリンダー及びスプリング部につい て観察を行ったところ、全体的に錆による腐食、変 形は認められなかった。これは、設置環境が結露の発生を抑制するよう空 調管理されていたためと考えられる。 * 一部のカムに赤錆が確認されたが、同様の設置環 境であったにも関らず、同型式の他の駆動部の多く に赤錆が確認出来なかったことから、赤錆が確認さ れたカムはカムケース部へのグリス注入量が少なく、 液状化していたことが原因と推察される。上記の発錆を除き、屋内に設置されている駆動部 の金属部品は、約 25 年の使用では更新する必要性は 低いことが分かった。1647.2 ゴム/パッキン部ゴム製品は気密用 Oリング、シリンダープレート Oリング、金属部材間のパッキン及びダイアフラム 部に使用されており、Oリング類及びパッキンはニ トリルゴム材、ダイアフラムはクロロプレン材を使 用している。 ・ピストン運動を繰り返す摺動部に使用された全て のOリングにおいて、2~3mm程度の摩耗が見られ た一方、ダイアフラム部は若干の硬化とブルーム現 象が認められるものの、使用上有害な癖や傷は認め られなかった。ゴム/パッキン部の不具合としては、シリンダー式 駆動部の気密用Oリングの破断及び亀裂の発生が確 認されていることから、ニトリルゴム材の劣化状況 を確認するため、破断したOリングのサンプルと新 品を示差熱分析装置を用いて測定し、比較評価した。 測定結果を図9及び図 10 に示す。 1 - 新品のOリングは、200°C弱より徐々に重量減少 が 410°Cまで確認された。反応開始温度が 200°C弱で あることから、これは脱水反応によるものであり、 410°C以降は分解反応により重量が減少したものと 推察される。DTA に2つの吸熱ピークがあることか ら、異なる2段階の反応の可能性がある。また、510°C 付近からは別の分解反応で重量減少している。これに対して既設のOリングは、新品と同様に 200°C弱から脱水反応と推察される反応があるが重 量減少量が少ないことから、既設品は水分含有量が 減少し硬化しているものと推察される。また、410°C 以降の DTA の吸熱ピークが新品と比較し鈍くなっ ていることから、ニトリルゴム材の弾性や強度を確 保するための配合剤含有量が減少しているものと推 察される。 * 本測定結果から、約25年経過したニトリルゴム材 は水分の減少と弾性や強度を確保するための配合剤 含有量の減少が発生し、その特性が失われていると 推察されることから、より短周期での更新の必要性 が示唆された。本件では経年状況による評価を行え なかったため、CPF のメンテナンス実績により更新 頻度を検討することとした。DTATOATempN160002000150000140000130000-1000421000~20:0010000-3000500Time (min)図9 示唆熱分析結果(新品)100ml/minDTATGA mg,Temp3000400F5000020004000130000200000Temp100-10005000Time (min)1000図 10 示唆熱分析結果(破断していたOリング、地下階)測定条件(図9及び図 10 とも共通) 雰囲気 :乾燥空気(湿分 10ppm 以下)、100ml/min 昇温速度 : 10°C/min 温度範囲:室温~600°C7.3 グリス部 * 一般的にグリスの劣化条件としては高温、異物(塵 埃、水分の混入等が考えられる。 - CPF の負圧コントロール弁駆動部の設置環境は施 設全体としては空調が効いているものの、リチウム 石鹸グリスの劣化(液状化)が確認された駆動部周辺 には、大型の排風機が設置されており、年間を通し て気温が約 30°Cと他の設置場所と比較して高い。リ チウム石鹸グリスが注入されているカムケースはゴ ム製パッキンで当該室雰囲気と分けられているが、 酸化した金属部品がリチウム石鹸グリスに混入して いるため、リチウム石鹸グリスの劣化速度に影響を 与えたと推察される。シリンダーケース内壁に塗布しているシリコング リスは、不具合が発生した O リングと接する部位で あり、ケース解放時にシリコングリスが喪失してい たことから、ピストン運動により Oリングが捩じら れ破断した原因はシリコングリス切れと推察される。7.4 評価取り纏め - 本件を通して得られた知見より、故障発生傾向を 整理した。1これまでに発生した故障傾向から不具合発生率が 高い部位は、駆動用圧縮空気の気密に使用され、 且つ摺動する箇所のOリングである。また、Oリングは、グリス切れによりピストン 運動に巻き込まれ、捩じられ破断していると推察 される。 20 リングの不具合が確認された駆動部はコントロ ール弁よりも遮断弁が多い。 これは摺動距離が短く頻繁に動作するコントロー ル弁よりも、摺動距離が長く動作頻度が少ない遮 断弁の方がOリングへの負荷が大きいためと推察 される。故障発生傾向を165 3故障が発生した駆動部は全てシリンダー式であっ た。これは、シリンダー式はダイアフラム式と比 較して構造が複雑であり、気密を要する摺動部が 多いことが原因と推察される。7.5 経年劣化への対応 * 本更新作業で確認されたダイアフラム式及びシリ ンダー式駆動部の各部品の劣化状況を、表4及び表 5に示す。 * 本結果から、CPF では駆動部筐体等の金属部の更 新は基本的に行わないこととし、予防保全の観点か らゴム/パッキン部の更新は10年毎の周期で行うこ とした。グリスの入替は劣化状況を監視しながら、 ゴム/パッキン部の更新と同周期で行うことした。1表4 部品劣化状況(ダイアフラム式)| スプリング | シリンダー | リング | 51754 | クリス...スプリング (SS400) (SUPE 0 10 10シリンダーリング (SB42) (NBR)|ダイアフラムグリス (クロロプレン)(リチウム論)(SS400)---1045025(18) [XV5011(25) [XV-5012(20) PC4-5101(29)--0:00:00x|xix-×:劣化あり A:一部劣化あり :良好表5 部品劣化状況(シリンダー式)Oリングダイアフラムグリスイクコスプレン:リチウム石グリス (シリコン」器名に変場(SS-400)あそ(金)PC50G IPCV-5106 [POV-51045 [A01-51095 [PC4-51062 JPCH-510)PC1-50地下着 [15016 AV-5012-地下 XV-3056 TS 14515(地下K-5104(下部 | 09-5105(地下) [x4.5017地下階) [XV-50770地下)xv-50042 778) 11:32:50 地下)???????????????????????????????????$$ 0.00|00000000|0|0|0|0|00000jojojojojojojojojojojojojojojojojojojoloraニニニニニニニニニニニニニニニニニXK K1X TKIKIKIKIK1510(3) 0.51回×:劣化あり A:一部劣化あり 0:良好ント 8.結言 負圧を維持した状態で負圧コントロール弁の駆動 部を更新するという課題に対して、考案した開度固 定冶具を採用することで運転中のホット施設の負圧 維持機能を停止させることなく、無事故で更新作業 を完遂すると共に、作業体制の合理化により作業期 間も予定の 2/3 に短縮することで試験工程への影響」 を最小限に留めることが出来た。今回の更新作業時の分解点検により、当該機器の 稼働寿命を延長することが出来た。また、設置後約 25年を経過した負圧コントロール弁駆動部の劣化! 状況を把握し、更新を必要とする部位を特定するこ とにより、表6に示すように未更新の駆動部 27 台の コストを約 40%、廃棄物発生量を 1/10 程度に削減出 来る見通しを得た。今後は、メンテナンス頻度及び対象の選定基準の 標準化を目的としたデータの蓄積を継続する。また、 本更新作業により特定された更新すべき部位の保全 計画を検討する。 表6 更新方法の比較平成19年度更新方法により平成12年度更新方法により) 駆動部を更新した場合約4.5ヶ月消耗品のみ交換した場合約3ヶ月作業期間コスト約1億4千万円約8千万円発生廃棄物約3m'約0.3m'試験工程への影響- 166 -“ “?高レベル放射性物質研究施設(CPF)における保全活動への取組み I.高放射性物質閉じ込め用負圧コントロール弁の経年劣化への対応“ “小林 雄樹,Yuki KOBAYASHI,高橋 哲郎,Teturo TAKAHASHI,篠崎 忠宏,Tadahiro SHINOZAKI,小笠原 甲士,Kouji OGASAWARA,小泉 健治,Kenji KOIZUMI,中島 靖雄,Yasuo NAKAZIMA