オリフィス下流における流れ加速腐食機構に関する実験的研究

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カテゴリ: 第7回
1.緒言
試験部には流れ方向に入り口か 2004年に発生した美浜3号機2次系配管破断事故 において破断の主たる原因とされている流れ加速腐 食(FAC)は、配管内に設置されたオリフィス下流部な どで発生した偏流部が腐食現象を加速させるという 現象である。現在、原子炉配管の安全管理手法の向 上を目的として FACのモデル化の研究が進められて いる。しかし、流れ加速腐食(FAC)には流体力学、水 化学、材料科学など様々な因子が絡み合っており、 現象の理解は非常に複雑なものである。今後、原子炉 の高効率化を目的とした高温高圧プラントの設計が 見込まれるため、配管の安全管理は従来以上に重要 になると考えられる。FAC に関して流体力学の分野 では、配管壁面からのイオンの輸送、すなわち物質 伝達率の測定が非常に重要と考えられている。特に 壁面に生じた粗面形状が物質伝達に与える影響につ いてはほとんど知見が得られていない。本研究では 直管と粗い形状をもつ壁面での物質伝達の測定を行 った。 2. 物質伝達率の測定実験 物質伝達の測定には電気化学法を用いた。この手法 を用いることで物質伝達を直接測定することができ る。配管内に電解液を循環させ、流れを十分に発達 させた後、試験部を通過させた。試験装置を以下の 図1に示す。配管流路は管内径 D=44mm の塩ビ製で 各接続部は段差が生じないような工夫を施してある。 試験部には流れ方向に入り口から x/D=3 の位置まで に作用極を設置する。その電極に電圧をかけ電極表 面で電解液の酸化還元反応をおこす(x は流れ方向の 距離)。本実験では作動流体に拡散係数が鉄イオンに 近く安定な錯イオンであるフェリシアン化カリウム を用い、作用極に負の電圧を与え、鉄(II)イオンから 鉄(II)イオンへの還元反応をおこした。その際電極に 流れる電流(限界電流)の測定を行った。電流測定の際、 電極が常に一定のポテンシャルをたもつようポテン ショスタットを用いて電圧を制御した。作用極の還 元反応と対を成す酸化反応は試験部下流に設置した 対極にて生じる。反応が生じている電極の電位を正 確に測定するため、塩橋をもちいて電位の基準とな る参照極を水路と電通する位置に設置してある。作 用極上で反応するイオンの量は一定以上の電圧を加 えると拡散によって律則されるようになる。この電 流iはj=An FN であらわされる(Aは電極表面積、 nは酸化還元を行うイオンの価数、F はファラデー 定数、N は質量流速である)。また、壁面からの物質 伝達率 k は k=N-(Co-C;)と近似的に表される(C)はバ ルク濃度、C;は壁面での濃度)。よって限界電流を測 定することで物質伝達率を測定することが可能とな る。また試験部壁面には波長 16mm、振幅 0.8mm の 正弦波の粗面形状を作成し、正弦波の山、谷、両中 腹に直径 1mm 金製の電極を設置し、物質伝達率の測 定を行った(以降では、各電極をそれぞれ [top],[down],[up],[bottom)と呼ぶこととする、下図 3 参照)。
図 3.正弦波をもつ壁面上の電極名称3.実験結果限界電流平均値の空間分布を図4に示す。横軸は 主流方向への距離を管直径で無次元化したものであ り、Re 数は 25000、55000 である。直管形状の場合、 流れ方向に一様な空間分布を持つのに対し、粗面形 状の場合、粗面形状の影響を受けて空間的なかたよ りを持つ。また、物質伝達が最大となる位置は谷と 山の中腹[up]の位置であることがわかった。これは 粗面をもつ壁面が流動場に影響を及ぼしたため、物 質伝達率にも空間的な分布が生じたものと考えられ る。また、図5に各位置の電極における物質伝達率 と Re 数の関係を示す。各箇所によって物質伝達率は Re 数に対して異なるべき乗則を持つことがわかる。 各位置でのべき指数は [down] : 1.03,[bottom] : 0.44,[up] : 0.55, [top]: 0.51 となった。このことから 壁面形状の影響は物質伝達のべき指数に影響を与え る、すなわち[up]と[top]の位置における減肉が大きく なることがわかる。これは 2500~4500 の Re 数におい ては「down]の位置で、5500 以上の Re 数では「bottom] の位置で減肉が最も進むと予測される。発表では実 験の詳細、他にとり行った物質伝達率の測定結果に 関して発表をする。o Re=5500(Rough) e Re-5500(Flat) 0 Re=2500(Rough) a Re-2500(Flat)「x101 | TTTT TTTTT 11.1k[m/s]0. 60.811. 21 .41.6x/D図 4. 粗面形状上における物質伝達率の空間分布10.05k [m/s]4.0-1? [bottom][down][top] A [up][×10°」k [m/s]2.0120340 5.0 6.0 7.0Re[x104] 図 5. 各位置における物質伝達率の Re 数依存性4.結言 ・物質伝達率は直管の場合、流れ方向に一様な空間 分布を持つのに対し、粗面形状の場合は粗面形状の 影響を受けて空間的なかたよりを示す。 ・粗面形状をもつ壁面において、物質伝達が最大とな る位置は谷と山の中腹で流れ方向に上昇する位置、 すなわち[up]の位置である。 壁面形状による流れ場の影響は 2500~4500のRe数に おいては「down]の位置で、5500 以上の Re 数では 「bottom]の位置で減肉が最も進むと予測される。「謝辞謝辞:本研究は、原子力安全・保安院の高経 年化対策強化基盤整備事業からの援助を受け、 INSS からの受諾研究として実施しました。5844method in幾「2次系 について 参考文献 [1] T. Mizushina, The electrochemical method intransport phenomena. (1971) [2] 関西電力株式会社,美浜発電所3号機「2次系配管破断事故」発生原因の調査について(2004) [3] 米田公俊,森田良,流れ加速型腐食に対する 影響因子の定量的な評価(その1)-流体力学因子 と減肉率との相関(平成 22年6月11日)- 585 -“ “オリフィス下流における流れ加速腐食機構に関する実験的研究“ “小城 烈,Retsu KOJO,黒田 祐志,Yuji KURODA,近藤 昌也,Masaya KONDO,辻 義之,Yoshiyuki TSUJI
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