JPH0436638A - すきま腐食モニタリング方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はすきま腐食モニタリングの方法及びその装置に
係り、特にＡＴＲ（新型転換炉）炉心部に設置されたジ
ルコニウム合金製圧力管とステンレス鋼管を接続するロ
ールドジヨイント部（拡管部）におけるすきま腐食や、
ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）の炉心に設置された燃料棒の
ジルコニウム合金製の被覆管とステンレス鋼管の接触部
におけるすきま腐食に際しジルコニウム合金の吸収する
水素量を検出するに好適なすきま腐食モニタリング方法
及びその装置に関する。

〔従来の技術〕

例えｉｆ、ＡｒＲは炉心に核燃料を装填したジルコニウ
ム（Ｚｒ）−２，５％ニオブ（Ｎ　ｂ　）合金製で内径
１１０ｍの圧力管を約６５０本装備しており、この圧力
管はその中に高温高圧の冷却水を流す。また、このＺｒ
−２，５％Ｎｂの圧力管はそれに冷却水を送給するＳ　
Ｕ　Ｓ　４０３　Ｍ　ｏ　ｄのステンレス鋼管と拡管部
を介して接続されている。

拡管部においては、Ｓ　Ｕ　Ｓ　４０３　Ｍ　ｏ　ｄ材
のアノード溶解により水素が発生し、この水素をＺｒ−
２，５％Ｎｂ材がそのカソード反応の過程で吸収してＺ
ｒ−２，５％Ｎｂ合金の強度劣化を引き起こす。

これまでに、Ｚｒ−２，５％Ｎｂの水素吸収に関して、
あるいはステンレス鋼の腐食に関して例えば次のような
報告がなされている。

例えば、報告（１）　　”０ｘｉｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ
　ｄｅｕｔｅｒｉｕｍｕｐｔａｋｅ　ｏｆ　Ｚｒ−２，
５％Ｎｂ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｉｎ　ＣＡＮ
ＤＵ−Ｐ　ＨＷ　ｒｅａｃｔｏｒｓ”、原子カニ業にお
けるジルコニウムに関する国際会議資料（１９−２３Ｊ
　ｕｎｅ１９８８、ＳａｎＤｉｅｇｏ、　ＣＡ　、　Ｕ
　Ｓ　Ａ　）において論じられているように、原子炉炉
心部で用いられているジルコニウム合金製圧力管の水素
吸収の評価は炉心での中性照射を含む実稼動時間やある
いは炉外の配管中での高温水加熱による保持時間をパラ
メータとしておこなわれてきた。

また報告（２）“Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍ
ａｎｃｅｏｆＺｒ−２，５ｗｔ％−Ｎｂ　ｐｒｅｓｓｕ
ｒｅ　ｔｕｂｅ　ｉｎ　０ｎｔａｒｉｏ　Ｈｙｄｒｏ’
ｓｏｐｅｒａｔｉｎｇ　　ＣＡＮＤＵ　　ｎｕｃｌｅａ
ｒ　　ｒｅａｃｔｏｒｓ″’　　、　　　Ｏｎｔ、ａｒ
ｉ。

Ｈｙｄｒｏ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ報告
資料において、圧力管素材であるジルコニウム合金の不
純物としてＦｅやＭｏが水素吸収を高めることが報告さ
れている。

また報告（３）”ステンレス鋼の高温水応力腐食割れ感
受性″、（石川島播磨技報第１７巻第５号１９７７年ｐ
４７２−４７８）において、すきま腐食試験として、ス
テンレス鋼の平板状試験片をグラファイトファイバーと
凹凸の曲げ治具により挾み、曲げ応力を付加した応力腐
食割れ感受性試験方法が論じられている。この方法によ
れば、ステンレス鋼の応力腐食割れ感受性に及ぼす溶接
条件や熱処理条件を評価することができるというもので
ある。本方法はＣｒｅｖｉｃｅ　Ｂ　ｅｎｔ　Ｂ　ｅａ
ｍＴ　ｅｓｔの頭文字をとりＣＢＢ試験として知られて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記報告（１）および（２）に記載する従来技術は、原
子炉中のジルコニウム合金の水素吸収を単に高温高圧冷
却水中での保持時間またはその化学組成中の不純物をパ
ラメータとして評価しているもので、原子炉実機組立時
、あるいは稼動時にジルコニウム合金に作用している応
力あるいはひずみの効果は全く述べられていない。

これに対して、ジルコニウム合金の水素吸収は自由表面
上の腐食作用によるよりも、ステンレス鋼と接触してい
る環境におけるすきま腐食作用による方がはるかに大き
い。さらに、表面に応力が付加され引張りひずみが存在
すると水素吸収は多くなる。従来技術においては、こう
した表面の物理化学的なパラメータを基にした水素吸収
の評価がなされていない。

また、上記報告（３）記載の従来技術は付加されるひず
み量が計測できないこと、３点曲げとなるために局部的
に降伏した部分を生じたまま試験を行うこととなり、ひ
ずみ量と水素吸収との関係を定量的に評価出来ない。

本発明の目的は、腐食環境においてステンレス鋼と接触
しているジルコニウム合金の水素吸収に及ぼす応力もし
くはひずみの効果を評価するすきま腐食モニタリング方
法との装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のすきま腐食モニタ
リング方法は、ニオブを２．５％以下含有するジルコニ
ウム合金試験片に０．０１〜２．５％の曲げひずみを付
加した状態で、これをステンレス鋼試験片と接触、もし
くは０．５ｍｎ以下のすきまを構成させて保持し、これ
らを冷却水配管路中、あるいはこれと並列回路とした配
管路中に設置し、すきま腐食によりジルコニウム合金が
吸収した水素量を検知することにより、ジルコニウム合
金の破壊強度及び内部に生成された水素物量を推定する
ことを特徴としている。

上記のすきま腐食モニタリング方法において、ジルコニ
ウム合金に付加する曲げひずみは０．０１％以下ではジ
ルコニウム合金の水素吸収量に及ぼすひずみの効果は明
らかでないためにひずみ量は０．０１％以上に限定され
る。また、ひずみ量が２．５％以上ではジルコニウム合
金に亀裂を生しることがあるためにひずみ量は２．５％
以下に限定する。

上記のすきま腐食モニターにおいて、ステンレス鋼試験
片とジルコニウム合金の試験片とで構成されるすきま間
隔は０．５ｎｗｎ以上では、すきま腐食によるジルコニ
ウム合金の水素吸収が殆んど行われないためにすきま間
隔は０．５ｎｎ以下に限定される。

上記目的を達成するために、本発明の腐食モニタリング
装置は平板状のジルコニウム合金試験片と、そのジルコ
ニウム合金試験片を載置する円筒状凹面を有するステン
レス鋼試験片と、ジルコニウム合金試験片の表面に円筒
状の凹面の軸方向に設置した２本の棒材と、その棒材を
介してジルコニウム合金試験片を押圧する押圧手段から
構成したことを特徴としている。そして押圧手段はジル
コニウム合金試験片に与えるべき負荷条件に応じて定常
的な押圧力を発生する定常加圧装置または動的押圧力を
発生する動加圧装置を適用すればよい。

〔作用〕

一般に５ステンレス鋼とジルコニウム合金を接触させて
水中に浸透すると両者の間に腐食が発生する。金属の腐
食により水素が発生し、発生した水素はジルコニウム合
金に吸収される。とくに、ジルコニウム合金の表面に引
張りひずみが残存している場合には、水素の吸収は多く
なる。

また、ジルコニウム合金の水素の固溶限度は温度の上昇
とともに増加するが、加熱冷却過程において降温時に固
溶できなくなった水素はＺｒＨ２などの水素化合物を形
成する。

本発明のすきま腐食モニタリング方法においては、腐食
環境でステンレス鋼に接触させたジルコニウム合金に０
．０１〜２．５％間の任意のひずみを定常的に、もしく
は動的に付加すると前者ではひずみの大きさに対応した
水素吸収がおこり、後者ではひずみの大きさの効果とと
もに疲労強度との関係が得られる。

また、腐食環境において、ステンレス鋼試験片と接触さ
せたジルコニウム合金試験片に片振りまたは両振りの荷
重をかけて引張りひずみ、もしくは圧縮ひずみを繰返し
付加すると応力振幅に対応したジルコニウム合金の水素
吸収を評価することができる。

また、−船釣に腐食環境でステンレス鋼にジルコニウム
合金を接触させて繰返し摺動させるとフレッティング腐
食により、ジルコニウム合金は水素吸収を起こすので、
ジルコニウム合金に付加される面圧や摺動速度、回数な
どの条件に対応したジルコニウム合金の水素吸収を評価
することができる。

また、本発明の水食モニタリング装置によれば、ジルコ
ニウム合金試験片を２本の棒材を介して押圧手段により
ステンレス鋼試験片の凹面に押し付け、所定の曲げひず
みをジルコニウム合金試験片に与え、また所定のすきま
をジルコニウム合金試験片の中央と凹面の間に形成する
。ジルコニウム合金試験片はその両端を凹面に支持され
、２本の棒材で２点で押圧される。いわゆる４点支持法
で曲げられるので、均一な曲げひずみが加えられる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の実施例のすきま腐食モニタリング方法
を実施するに好適な腐食試験装置の全体構成図である。

この腐食試験装置により、原子炉の炉内温度とその炉内
の冷却水の受ける圧力を模擬して模擬水をつくり、その
模擬水の流れの中でステンレス鋼試験片とジルコニウム
合金試験片とを接触させてすきま腐食試験を行う。

第１図において、腐食試験装置は、２８８℃の純水が８
０ａｔ＋ｍの圧力で満たされたオートクレーブ１と、オ
ートクレーブ１に供給する純水を貯えた純粋タンク２と
、純水タンク２とオートクレーブ１間で純水を循環させ
る高圧ポンプ３とを備えた循環管路を有している。さら
に高圧ポンプ３からオートクレーブ１への往きの管路に
は純水を所定温度に加熱する加熱器８が設置され、また
オートクレーブ１から純水タンク２への戻り管路には純
水を室温まで冷却する冷却装置１３が設置されている。

加熱器８からオートクレーブ１への管路と並列に、並列
管路りが接続されており、その並列管路りには試料設置
室４が設けられ、この試料設置室４の中に後述するすき
ま腐食モニター装置が設置されている。また、タンク２
にはその８口側配管及び入口側配管にそれぞれ純水を流
したり、止めたりするストップバルブ５，６が設けられ
ており、同様に、加熱器８にはストップバルブ６．７が
、試料室４にはストップバルブ９，１０が、オートクレ
ーブ１にはストップバルブ１１．１２が設けられている
。

さらに純水タンク２には循環ポンプ１８とイオン交換樹
脂１９を備えた循環管路が設けられ、循環ポンプ１８に
より純水タンク２から送給された純水はイオン交換樹脂
１９により浄化される。浄化された純水の成分、水質は
水質センサ２０により測定され、また記録計２１に記録
されて管理される。なお、これら管路にもそれぞれスト
ップバルブ１５，１６．１７が設けられている。

次に第２図に、試料室４に設置されたすきま腐食モニタ
ー装置を構成する腐食センサの概念を示す。すきま腐食
モニター装置は円筒凹面を有するステンレス鋼試験片２
２と、その円筒凹面に押し付けられる平板状のジルコニ
ウム合金試験片２３と、ジルコニウム合金試験片２３の
押し付は側表面に貼付されたストレンゲージ２５と、押
し付けるための２個の丸棒２４から構成されている。ス
テンレス鋼試験片２２の円筒凹面はその円筒面にジルコ
ニウム合金試験片２３を押し付けて接触させた場合に、
ジルコニウム合金試験片２３の表面に０．０１〜２．５
％の引張りひずみが付与されるような曲率半径を有する
。２個の丸棒２４は平板２３を押し曲げる際に、丸棒２
４，２４間にあるストレンゲージ２５を損傷しないよう
に、間隔Ωを以て設置されている。さらに曲げ応力を四
点支持の状態で均一に付加するために、ジルコニウム合
金試験片２３の両端の角隅部に適当な曲率半径Ｒを付加
した。

第３図は上記の概念に基づいて作られた本発明による実
施例のすきま腐食モニタ装置のセンサの詳細図である。

同図中、容器２６は耐食性の良いステンレス鋼（ＳＵＳ
３１６）からなり、順次５ＵＳ４０３製のステンレス鋼
試験片２２、平板状のジルコニウム合金試験片２３等を
収納している。容器の上部内周面にはネジが加工され、
また内周面には容器の軸方向にステンレス鋼試験片２２
等を回り止めするためのガイド溝ａが加工されており、
さらにジルコニウム合金試験片２３の設置位置にあたる
円周に２個の取水口すが円周中心に関し対称に加工され
ている。

ステンレス鋼試験片２２は曲率半径３００〜２０００ｍ
の凹面を有し、この凹面にジルコニウム合金試験片２３
　（５＋ｎｍＸ　１３＋ｎｍＸ　２ｍｎ）が、曲げ治具
２８により丸棒２４を介して押し付けられる。曲げ治具
２８による押し付は力は、容器２６内周面のねじと噛み
合うボルト２７を締付けることにより、スペーサ２９を
介して付与される。

なお、ボルト２７はＳＵＳ　３１６製とし、曲げ治具２
８、スペーサ２９は５ＵＳ４０３製とした。

ここで、スペーサー２９には突起が付加されており、こ
の突起が容器２６のガイド用溝ａに挿入されて、スペー
サ２９の回り止めとなり、ボルト２７の回転力を上下の
推進力として曲げ治具２８に伝達する。

ジルコニウム試験片２３に貼けたストレンゲージ２５は
応力が付加された場合のすきま表面側の引張りひずみを
求めるためのものである。

本実施例においてはステンレス鋼試験片２２の凹面にジ
ルコニウム合金試験片２３を完全に接触することなく、
任意のすきまを構成させることも可能である。この場合
には、容器２６に加工した取水口すの他端から平行光線
をステンレス鋼試験片２２とジルコニウム合金試験片２
３のすきま部分に照射して、他端にメモリースコープを
設置してすきまを測定し、ボルト２７の締付状態を調整
することにより、すきま最大幅を規制することができる
。

以上のようにして組立てた本実施例の装置にょる実験結
果を第４図、第５図および第６図に示す。

第４図はジルコニウム合金試験片２３に種々の曲げひず
みを付加して２８０℃の純水中に１００ｏｈ保持した後
、ジルコニウム合金試験片２３の水素分析を行って得ら
れた曲げひずみと水素吸収量の関係を示す。同図から、
ジルコニウム合金試験片２３の水素吸収量はひずみの増
加とともに多くなるものの、ひずみ量が一定値を越える
と水素吸収量は飽和することがわかる。

第５図はジルコニウム試験片２３に応力をかけてひずみ
を付加した状態とジルコニウム試験片２３に応力を付加
せずステンレス鋼試験片２２と平滑接触させた状態で各
種温度の純水中に１０００ｈ保持した後に、ジルコニウ
ム合金試験片２３の水素分析を行って得られたひずみ温
度−水素吸収量の関係を示す。同図からジルコニウム合
金試験片２３にひずみが付加されない場合は曲線ｅで示
すように水素吸収に及ぼす温度の効果は認められないが
、ジルコニウム合金試験片２３にひずみが付加されると
曲線ｄで示すように温度の上昇とともに水素吸収量は増
加することがわかる。

第６図はジルコニウム合金試験片２３にひずみを付加し
た状態でステンレス鋼試験片２２とのすきま最大値を変
化させて、２８０℃の純水中に１０００ｈ保持した後に
、ジルコニウム合金試験片２３の水素分析を行って得ら
れたすきま最大値とジルコニウム合金試験片２３の水素
吸収量の関係を示す。同図から、ジルコニウム合金試験
片２３にひずみが付加されていても、すきまが一定値以
上になるとジルコニウム合金試験片２３は水素吸収を殆
んどしなくなることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ジルコニウム合金と接触し、すきま構
造を形成するステンレス鋼との間で発生するすきま腐食
作用によるジルコニウム合金の水素吸収特性、例えば、
ひずみ、すきま間隔、温度、液質などの効果を定量的に
評価できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のすきま腐食モニタリング方法を用いる
腐食試験装置の構成図、第２図は本発明のすきま腐食モ
ニタリング装置の概念図、第３図は本発明の実施例のす
きま腐食モニタリング装置の構成図、第４図は水中にス
テンレス鋼と接触して設置されたジルコニウム合金の水
素吸収特性及ぼすひずみの影響を示す図、第５図は水中
にステンレス鋼と接触して設置されたジルコニウム合金
の水素の吸収に及ぼす水温の影響を示す図、第６図は水
中にステンレス鋼と接触して設置されたジルコニウム合
金の水素の吸収に及ぼすすきまの影響を示す図である。 １・・・オートクレーブ、２・・・純水タンク、３・・
・高圧ポンプ、４・・・試料設置室、５〜１２゜１４〜
１７・・・ストップバルブ、１３・・・冷却装置、１８
・・・循環ポンプ、１９・・・イオン交換樹脂、２０・
・・水質センサー　２１・・・記録計、２２・・・ステ
ンレス鋼試験片、２３・・・ジルコニウム合金試験片、
２４・・・丸棒、２５・・・ストレンゲージ、２６・・
・容器、２７・・・ボルト、２８・・・曲げ治具、２９
・・・スペーサー 図 ２４・丸棒 ２５・ストレンケーソ ２６、廂１η ２７・ボ′Ｊレト ◇ 糺シト ２８０°Ｃ，８０ａｔｍ ＋０００ｈ　　ｆ？：ｉ 第５ 第６ 図 純水 ＋ｏｏｏｈ株将 ｆｒｌｅＪ＋ ２８０’Ｃ，１００Ｏｈ −Ｉ、に’Ｔ”、ｂ　２．５％ 盗り度 （０Ｃ） 最大すきま （ｕｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジルコニウム合金を曲げて０．０１〜２．５％のひ
   ずみを付加し、ステンレス鋼とすきまを０．５ｍｍ以下
   にして接触させ、前記ジルコニウム合金とステンレス鋼
   を流水中に設置して所定時間後、前記すきまで生ずるす
   きま腐食に際しジルコニウム合金が吸収した水素量を検
   出することを特徴とするすきま腐食モニタリング方法。 ２、ジルコニウム合金とステンレス鋼を流水中で互いに
   接触させ、該ジルコニウム合金に０．０１〜２．５％の
   曲げひずみを、該曲げひずみ時に前記ジルコニウム合金
   とステンレス鋼の間にすきまを０．５ｍｍ以下に構成す
   るように、所定時間繰り返し与え、前記すきまで生じる
   すきま腐食に際しジルコニウム合金が吸収した水素量を
   検出することを特徴とするすきま腐食モニタリング方法
   。 ３、ジルコニウム合金の吸収した水素量から該ジルコニ
   ウム合金の破壊強度を推定することを特徴とする請求項
   １または２記載のすきま腐食モニタリング方法。 ４、ジルコニウム合金の吸収した水素量から該ジルコニ
   ウム合金中に生成された水素化物量を推定することを特
   徴とする請求項１または２記載のすきま腐食モニタリン
   グ方法。 ５、平板状のジルコニウム合金試験片と、該ジルコニウ
   ム合金試験片を載置する円筒凹面を有するステンレス鋼
   試験片と、前記ジルコニウム合金試験片の表面に前記円
   筒状の凹面の軸方向に設置する２本の棒材と、該２本の
   棒材を介して前記ジルコニウム合金試験片を押圧する押
   圧手段から構成したすきま腐食モニタリング装置。 ６、押圧手段は定常的押圧力を発生することを特徴とす
   る請求項５記載のすきま腐食モニタリング装置。 ７、押圧手段は動的押圧力を発生することを特徴とする
   請求項５記載のすきま腐食モニタリング装置。