JPH07287094A

JPH07287094A - 応力腐食割れ防止方法およびこれを適用したプラント

Info

Publication number: JPH07287094A
Application number: JP6081671A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kikuchi; 英二菊池; Noriyuki Onaka; 紀之大中; Jiro Kuniya; 治郎国谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-20
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、ＢＷＲプラントの炉内構造
物の応力腐食割れを防止する方法を提供することにあ
る。【構成】炉水のｐＨおよび溶存酸素濃度を、ｐＨ約６
〜１０、溶存酸素濃度５０〜１５０ｐｐｂの範囲内で調
整する。この場合、制御装置１０内に、目標とするｐＨ
および溶存酸素濃度の組合せである運転データを備えて
おく。そして、その時の運転状態などに応じて、最適な
運転データを選択し、当該運転データにおいて規定され
ている数値となるように、炉水のｐＨおよび溶存酸素濃
度を調整する。【効果】少ない水素注入量で大きな応力腐食割れ抑制
効果を得ることができる。運転の自由度が高まる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラント、特に、ＢＷ
Ｒプラント及び火力プラントの炉内構造物の応力腐食割
れを防止するのに適した応力腐食割れ防止方法およびこ
れを適用したプラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲプラントの炉内構造材には、オー
ステナイト系ステンレス綱及びニッケル基合金が多く使
用されている。該プラントには、溶接部が多数存在する
ことから、溶接熱影響部での材料の鋭敏化による応力腐
食割れの発生が懸念されている。応力腐食割れは、冶金
的、力学的諸因子に、環境の腐食作用が重畳して発生す
るため、これら各方面からの対策が提案されてきた。こ
のうち、水素注入法は環境側からの応力腐食割れ対策と
して有効であることが知られ、国外のプラントでは既に
実用化されている。なお、水素注入法とは、炉水中に水
素を注入して酸化剤の濃度を低減することにより応力腐
食割れを防止するという技術である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】水素注入はタービン系
の放射能レベルの上昇を招く。サイト面積の狭い我が国
のＢＷＲプラントにおいて水素注入を行うと、敷地境界
の線量率制限（スカイシャイン）を超えてしまうことが
予想される。そのため、我が国では水素注入は実施され
てない。しかし、交換が困難な炉内材料の健全性向上及
び長寿命化等を考慮すると、国内プラントに対しても水
素注入運転の必要性が高まっている。

【０００４】火力プラントにおいては硼酸ナトリウムと
水酸化アンモニウムの混合溶液を用いたボラタイル処理
が実施されているが、これは金属材料表面からの全面溶
解を防止することを目的として開発されたものであり、
ヒドラジン等を添加して溶存酸素濃度を約１０ｐｐｂ以
下にまで低減するものである。このようなボラタイル処
理法を発電プラントに適用すれば、運転中の炉水の溶存
酸素が完全に除去され、揮発性Ｎ₁₆の濃度が増大するこ
とが懸念されるので応力腐食割れ防止対策として必ずし
も得策ではない。また、溶存酸素濃度を不用意に低減す
ることは粒内型の応力腐食割れを助長することになるの
で応力腐食割れ対策として望ましくはない。

【０００５】したがって、現状ではこのような水処理方
式による応力腐食割れ対策は講じられておらず、炉内構
造物の応力腐食割れを効果的に防止する手段はなかっ
た。

【０００６】本発明は、このような状況を鑑みて材料の
応力割れ防止方法、特に、少ない水素注入量でＳＣＣの
発生を抑制できる応力腐食割れ防止方法を提供すること
を目的とする。

【０００７】また、本発明は、構造材の応力腐食割れを
抑えることのできるプラントを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、様々な実
験を行った結果、応力腐食割れの抑制効果が現れる溶存
酸素濃度はｐＨによって異なるという知見を得た（具体
的なデータについては、後ほど実施例１として説明す
る。）。溶存酸素濃度５０ｐｐｂの場合にはｐＨ６〜１
０の範囲で効果が認められた。溶存酸素濃度１００ｐｐ
ｂの場合にはｐＨ７〜１０の範囲で効果が認められた。
溶存酸素濃度１５０ｐｐｂの場合にはｐＨ８〜９の範囲
で効果が認められた。つまり、炉水のｐＨを所定の範囲
内に保つことによって、少ない注入水素量で応力腐食割
れの発生及び進展を防止できるとの知見を得た。本発明
は係る知見に基づいてなされたものである。

【０００９】本発明は上記目的を達成するためになされ
たものであり、その一態様としては、水溶液中における
材料の応力腐食割れ防止方法において、水溶液中におけ
る材料の応力腐食割れ防止方法において、ｐＨ６〜１
０、溶存酸素濃度１５０ｐｐｂ以下の条件を満たす範囲
内で、上記水溶液のｐＨおよび溶存酸素濃度を互いに連
携して調整することを特徴とする材料の応力腐食割れ防
止方法が提供される。

【００１０】上記ｐＨの調整は、アルカリ性物質の添加
により行なうものであってもよい。上記記載のアルカリ
性物質には、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（Ｏ
Ｈ）₂、ＮＨ₄ＯＨからなる群のうちの少なくとも１つが
含まれることが好ましい。

【００１１】上記酸素濃度の調整は、水素の注入により
行なってもよい。

【００１２】上記材料は、ステンレス鋼または、ニッケ
ル基合金であることが好ましい。

【００１３】本発明の第２の態様としては、水を保持す
る反応炉と、上記反応炉中の水のｐＨを調整するｐＨ調
整装置と、上記反応炉中の水の溶存酸素濃度を調整する
溶存酸素濃度調整装置と、上記水のｐＨと、上記水中の
溶存酸素濃度と、の予め定められた対応関係を規定した
運転データを備え、該運転データに規定されているｐＨ
と溶存酸素濃度との対応関係が実現されるように上記ｐ
Ｈ調整装置および溶存酸素濃度調整装置を制御する制御
装置と、を有することを特徴とするプラントが提供され
る。

【００１４】上記溶存酸素濃度調整装置は、上記水中に
水素を注入することによって、溶存酸素濃度を低減させ
るものであることが好ましい。

【００１５】上記ｐＨ調整装置は、上記水中にアルカリ
性物質を注入することによって、ｐＨを調整するもので
あることが好ましい。

【００１６】上記アルカリ性物質は、リチウム元素を含
んだものであることが好ましい。

【００１７】上記ｐＨ調整装置は、上記アルカリ性物質
を上記水中から除去する除去手段を更に有することが好
ましい。

【００１８】上記除去手段は、上記アルカリ性物質を吸
着するイオン交換樹脂であってもよい。

【００１９】

【作用】制御装置は、運転データに規定されているｐＨ
と溶存酸素濃度との対応関係が実現されるように、ｐＨ
調整装置および溶存酸素濃度調整装置を制御する。ｐＨ
調整装置は、アルカリ性物質（例えば、ＬｉＯＨ、ＫＯ
Ｈ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＮＨ₄ＯＨ）を水に注入
して、ｐＨを調整する。また、注入したアルカリ性物質
は、イオン交換樹脂を用いてアルカリ性物質を除去す
る。溶存酸素濃度調整装置は水中に水素を注入して、溶
存酸素濃度を調整する。

【００２０】反応炉を構成する材料が、ステンレス鋼、
ニッケル基合金である場合には、上記水溶液のｐＨを６
〜１０に調整し、かつ、溶存酸素濃度を５０ｐｐｂ〜１
５０ｐｐｂに調整する。運転データを、この範囲内で適
当なものとしておくことによって、様々な運転条件等に
あわせて最適な運転を行うことができる。例えば、水素
注入量をできるだけ抑えた運転、あるいは、逆に、アル
カリ性物質の注入量をできるだけ抑えた運転とすること
ができる。

【００２１】なお、ｐＨ調整装置に、アルカリ性物質の
除去手段としてイオン交換樹脂を設けておけば、ｐＨ調
整の応答性が向上する。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【００２３】実施例１図１は、応力腐食割れに対するｐＨの影響を調べた結果
である。

【００２４】試験は、溶存酸素２００ｐｐｂを含む炉水
水質模擬環境下において、定荷重応力腐食割れ試験方法
により行った。被試験材には、主要炉内機器構成材料と
して使用され、溶接等の熱影響により応力腐食割れ感受
性を有するＳＵＳ３０４鋼を用いた。ｐＨの調整には硫
酸及び水酸化リチウムを用いた。付加応力は設計許容応
力の２．５倍とした。試験の結果（図１）からわかると
おり、ｐＨ１．０〜６．０の範囲では０．３〜１０時間
の範囲で破断した。しかし、ｐＨ７．５〜１０の範囲で
は１０００時間経過後も破断しなかった。このことか
ら、応力腐食割れが酸性側で発生し易く、アルカリ側で
は発生しないことがわかった。

【００２５】図２は、溶存酸素濃度の低減による応力腐
食割れ抑制効果に及ぼすｐＨの影響を調べた結果であ
る。図２は、溶存酸素を２００ｐｐｂ含む通常炉水水質
模擬環境下における、ＳＵＳ３０４鋼の応力腐食割れ感
受性について定歪速度引張試験法による試験結果であ
る。ｐＨ１〜１０の全ての範囲で割れが認められるが、
ｐＨ７の領域で応力腐食割れの破面率が最も小さい。こ
れよりｐＨが高くても低くても破面率が増加する傾向が
みられる。

【００２６】図３〜図５は、溶存酸素濃度を、それぞれ
５０ｐｐｂ，１００ｐｐｂ及び１５０ｐｐｂまで低減し
た場合の鋭敏化ＳＵＳ３０４鋼の応力腐食割れ感受性に
ついて低歪速度引張試験法により検討した結果である。
溶存酸素濃度１５０ｐｐｂの場合、ｐＨ８．０〜９．０
の範囲では応力腐食割れの発生がみられなかった。応力
腐食割れの抑制効果がみられるｐＨ領域は、溶存酸素濃
度が低下するにつれて拡大する傾向がみられる。

【００２７】図６は、アルカリ性物質の種類による応力
腐食割れ抑制効果の違いを検討した結果である。試験
は、低歪速度引張試験法により行った。また、アルカリ
性物質としては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮＨ₄ＯＨの３種
類を用いた。図６から明らかなように、応力腐食割れの
ｐＨ依存性は、アルカリ性物質の種類にはよらず、一定
である。このことから、溶存酸素濃度の低減による応力
腐食割れの抑制効果はアルカリ性物質の種類ではなく、
溶液中のｐＨに依存することがわかった。

【００２８】図７は、ｐＨ上昇による応力腐食割れの抑
制効果が、ニッケル基合金にも認められるか否かを検討
した結果である。試験は、溶存酸素を１００ｐｐｂ含む
高温水中において低歪速度引張試験法により行った。被
験材は、インコネル６００である。図７から明らかなよ
うに、ステンレス鋼の場合と同様インコネル６００につ
いても、ｐＨ７．５〜１０の範囲で応力腐食割れ抑制効
果がみられた。

【００２９】第１表は、本発明の効果を実証することを
目的として、ｐＨの違い（つまり、アルカリ性物質添加
の有無）による、材料の応力腐食割れ発生寿命を比較検
討したものである。本実験は、全て実機と同一の環境条
件下で実施したものであるが、応力レベル及び鋭敏化度
については実機環境より過酷な加速条件下で行ったもの
である。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から明らかなように、アルカリ性物質
を添加しない場合に比べてアルカリ性物質を添加した場
合の方が、応力腐食割れ破断寿命が約３０倍以上に延び
ることがわかる。つまり、本発明により応力腐食割れ対
策を立てた場合のプラント寿命は少なくとも３０倍以上
延びることになる。このことから本発明は、実際の応力
腐食割れ対策として極めて有効であることがわかる。

【００３２】以上述べたように、溶存酸素濃度が１００
ｐｐｂ以下の場合、ｐＨ７．５〜１０の範囲では応力腐
食割れの発生は認められなかった。このように、ｐＨを
７．５〜１０に保つことは、応力腐食割れ抑制の効果を
高める上で極めて有効であることがわかった。

【００３３】水素注入と、ｐＨ調整とを組み合わせたこ
とにより、実際のプラント運転に適用した場合のプラン
ト制御の自由度が高まる。例えば、なんらかの理由によ
って、水素注入量を最小限に抑えたい場合には、ｐＨを
８〜９にする。このようにすれば、酸素濃度が１５０ｐ
ｐｂ程度であっても応力腐食割れを防止できる。一方、
ｐＨをあまり高くしたくない場合には、その代わりに水
素の注入量を増大させる。例えば、水素注入量を増やし
て酸素濃度を５０ｐｐｂ程度にまで下げる。このように
すれば、ｐＨが６程度であっても応力腐食割れを防止で
きる。なお、ここで述べたようなｐＨと溶存酸素濃度と
の組合せが、後述する運転データ１００に相当するもの
である。

【００３４】第２の実施例を図８を用いて説明する。

【００３５】本実施例は、本発明の応力腐食割れ抑制方
法を適用したＢＷＲ型原子力プラントである。

【００３６】該ＢＷＲプラントは、原子炉１、アルカリ
性物質注入装置２、水素注入装置３、再循環系４、原子
炉炉心５、再循環ポンプ６、ジェットポンプ７、主蒸気
系８、主給水系９、制御装置１０を含んで構成されてい
る。原子炉１等の各構造部材は、ステンレス（ＳＵＳ３
０４）を用いて構成されている。

【００３７】原子炉１中の炉水が沸騰してできた蒸気
は、主蒸気系８によって発電タービンに導かれる。そし
て、復水器を経て、主給水系９を通じて再び原子炉１に
戻される。また、これとは別に、原子炉１中の炉水は、
炉内ジェットポンプ７および再循環ポンプ６によって、
原子炉１と再循環系４との間を循環されている。アルカ
リ性物質注入装置２および水素注入装置３は、該再循環
系４に設けられている。

【００３８】アルカリ性物質注入装置２は、再循環系４
にアルカリ性物質を注入するためのものである。本実施
例においては、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）を注入す
る。また、アルカリ性物質注入装置２は、ｐＨを検出す
るための機器も備えている。検出したｐＨ値は、制御装
置１０へ出力している。この他、アルカリ性物質注入装
置２は、炉水中の様々な不純物などを除去するためのイ
オン交換樹脂も備えている。該イオン交換樹脂は、注入
するアルカリ性物質を除去しないように、Ｌｉ型のもの
を使用している。

【００３９】水素注入装置３は、水素を注入して、炉水
中の溶存酸素濃度を低減させるためのものである。水素
注入装置３は、溶存酸素濃度を検出するための機器も備
えている。検出した溶存酸素濃度は、制御装置１０へ出
力している。

【００４０】アルカリ性物質注入装置２および水素注入
装置３は、制御装置１０からの指示に従って作動してい
る。

【００４１】炉内ジェットポンプ７は、ダウンカマ−の
炉水を直接吸込むように設計され、その流量はプラント
の大きさによって若干異なるが２Ｎｍ³／ｓ程度であ
る。

【００４２】制御装置１０は、本実施例の原子力プラン
ト全体を制御するものであり、コンピュータ、記憶装
置、表示装置等を含んで構成されている。該制御装置１
０は、検出されたｐＨ値、溶存酸素濃度に基づいて、ア
ルカリ性物質注入装置２および水素注入装置３をフィー
ドバック制御し、炉水の溶存酸素濃度及びｐＨをコント
ロールする構成となっている。この場合の炉水の酸素濃
度およびｐＨは、上記第１の実施例で示した範囲内（す
なわち、酸素濃度５０〜１５０ｐｐｂ、ｐＨ６〜１０）
となるようにする。該制御装置１０の記憶装置内には、
放射性廃棄物の増大等を考慮して決定された、［ｐＨ−
−酸素濃度］の組合せを規定した運転データ１００が格
納されており、実際の制御は該運転データ１００を参照
しつつ行う。該運転データ１００として格納されるｐＨ
と酸素濃度との組合せは１組だけに限らない。該組合せ
を複数用意しておき、その時のプラントの状態等に応じ
て、適宜最適な組合せを選択し、該選択した組合せの
［ｐＨ−−酸素濃度］を実現するようにアルカリ注入装
置２、水素注入装置３を制御してもよい。例えば、本実
施例においてはアルカリ性物質としてリチウムを含んだ
ものを使用しているが、該リチウムは放射化しないとい
う利点がある反面、燃料棒に付着（あるいは燃料棒内に
侵入）しやすいという問題がある。従って、燃料棒を取
り替えてからの期間が長くなるにつれてアルカリ物質の
注入量をできるだけ少なくした運転データ１００を選択
して運転を行うようにしてもよい。あるいは、敷地面積
が小さいＢＷＲにおいては、できるだけ水素注入量が少
ない運転データ１００を選択して運転を行うようにして
もよい。

【００４３】該プラントについて、水素注入量と酸素濃
度との対応関係が予めわかっているのであれば、上記運
転データ１００として、［ｐＨ−−水素注入量］の組合
せを示すデータを有するようにしてもよい。同様に、ア
ルカリ物質注入量とｐＨとの関係が予めわかっているの
であれば、［アルカリ物質注入量−−酸素濃度（あるい
は、水素注入量）］の組合せを運転データ１００として
備えるようにしてもよい。

【００４４】該運転データ１００は、本発明の応力腐食
割れ方法を適用するプラントの目的、種類、運転上の制
約に応じて、最適なものを用意することが好ましい。例
えば、本発明の方法を火力発電プラント等に適用する場
合には、放射性廃棄物の増大等の問題が生じることはな
いため、運転データ１００は、ＢＷＲプラントにおける
それとは異なるものとなるはずである（もちろん、同じ
になることもあり得る。）。

【００４５】以上説明したとおり、本実施例では、アル
カリ性物質注入装置２によって、炉水のｐＨを６〜１０
の所望の値にすることができる。これにより、水素の注
入量をできるだけ少なくしつつ、応力腐食割れを抑制す
ることができる。従って、プラントの寿命が長くするこ
とができる。

【００４６】本実施例では、注入するアルカリ性物質と
してＬｉＯＨを採用している。リチウムは、中性子を吸
収せず放射化することがないため放射性廃棄物（特に、
放射性Ｎ¹⁶）の増大を招くこともない。これは、運転コ
ストの低減、安全性の向上につながる。アルカリ性物質
は、これに限定されるものではなく、他にも、ＫＯＨ、
ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＮＨ₄ＯＨ等を適用すること
ができる。但し、これにあわせて、イオン交換樹脂も適
宜最適なものに変更する必要がある。例えば、ＮＨ₄Ｏ
Ｈを使用する場合には、ＮＨ₄ＯＨ型イオン交換樹脂を
用いる。

【００４７】上記実施例においては、原子力プラントに
ついて説明したが、本発明の適用対象はこれに限定され
るものではない。他のプラント、特に、発電プラントへ
適用することもできる。

【００４８】上記実施例においては、注入するアルカリ
性物質を除去しないようなイオン交換樹脂を用いてい
た。しかし、注入するアルカリ性物質も吸着するような
イオン交換樹脂を用いてもよい。この場合には、水のｐ
Ｈは、アルカリ性物質の注入量と、イオン交換樹脂によ
るアルカリ性物質の吸着能力と、のバランスの上に成立
することになる。その結果、ｐＨを下げようとする作用
が強まるため、ｐＨ調整（特に、ｐＨを下げること）を
より迅速に行うことができる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば注
入する水素濃度を最小限に抑えつつ応力腐食割れ防止効
果を上げることができる。水素注入量が同じであれば、
応力腐食割れ破断寿命を大幅（約１３倍以上）に延ばす
ことができる。また、アルカリ性物質として、リチウム
を含んだものを使用すれば、主蒸気系に揮発するＮ¹⁶の
問題がなく、Ｎ¹⁶の抑制にも有効である。

【００５０】さらには、その時のプラントの状態に合わ
せて、［水素注入量（酸素濃度）−−アルカリ物質注入
量（ｐＨ）］の組合せを、適宜、変更して適用すること
ができる。従って、プラント運転上の自由度が高い。例
えば、アルカリ性物質の注入量を抑えて、水素注入量を
増やすといったことも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】応力腐食割れ発生時間と、ｐＨとの関係を示し
たグラフである。

【図２】溶存酸素濃度２００ｐｐｂの条件下における、
応力腐食割れの破面率とｐＨとの関係を示すグラフであ
る。

【図３】溶存酸素濃度５０ｐｐｂの条件下における、応
力腐食割れの破面率とｐＨとの関係を示すグラフであ
る。

【図４】溶存酸素濃度１００ｐｐｂの条件下における、
応力腐食割れの破面率とｐＨとの関係を示すグラフであ
る。

【図５】溶存酸素濃度１５０ｐｐｂの条件下における、
応力腐食割れの破面率とｐＨとの関係を示すグラフであ
る。

【図６】ｐＨ調整に用いるアルカリ性物質の種類毎の、
応力腐食割れの破面率とｐＨとの関係を示すグラフであ
る。

【図７】本発明をニッケル基合金およびステンレス鋼に
適用した場合の効果を比較したグラフである。

【図８】本発明の第２の実施例である原子力プラントの
概要構成図である。

【符号の説明】

１…原子炉、２…アルカリ性物質注入装置、３…水
素注入装置、４…再循環系、５…原子炉炉心、６
…再循環ポンプ、７…ジェットポンプ、８…主蒸気
系、９…主給水系配管、１０…制御装置、１００
…運転データ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水溶液中における材料の応力腐食割れ防止
方法において、ｐＨ６〜１０、溶存酸素濃度１５０ｐｐｂ以下の条件を
満たす範囲内で、上記水溶液のｐＨおよび溶存酸素濃度
を互いに連携して調整することを特徴とする材料の応力
腐食割れ防止方法。
【請求項２】上記ｐＨの調整は、アルカリ性物質の添加
により行なうこと、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ防止方法。
【請求項３】上記記載のアルカリ性物質には、ＬｉＯ
Ｈ、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＮＨ₄ＯＨから
なる群のうちの少なくとも１つが含まれること、を特徴とする請求項２記載の応力腐食割れ防止方法。
【請求項４】上記酸素濃度の調整は、水素の注入により
行なうこと、を特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ防止方法。
【請求項５】上記材料は、ステンレス鋼または、ニッケ
ル基合金であること、を特徴とする請求項１記載の応力腐食防止方法。
【請求項６】水を保持する反応炉と、上記反応炉中の水のｐＨを調整するｐＨ調整装置と、上記反応炉中の水の溶存酸素濃度を調整する溶存酸素濃
度調整装置と、上記水のｐＨと上記水中の溶存酸素濃度との予め定めら
れた対応関係を規定した運転データを備え、該運転デー
タに規定されているｐＨと溶存酸素濃度との対応関係が
実現されるように上記ｐＨ調整装置および溶存酸素濃度
調整装置を制御する制御装置と、を有することを特徴とするプラント。
【請求項７】上記溶存酸素濃度調整装置は、上記水中に
水素を注入することによって、溶存酸素濃度を低減させ
るものであること、を特徴とするプラント。
【請求項８】上記ｐＨ調整装置は、上記水中にアルカリ
性物質を注入することによって、ｐＨを調整するもので
あること、を特徴とするプラント。
【請求項９】上記アルカリ性物質は、リチウム元素を含
んだものであること、を特徴とする請求項８記載のプラント。
【請求項１０】上記ｐＨ調整装置は、上記アルカリ性物
質を上記水中から除去する除去手段を更に有すること、を特徴とする請求項８記載のプラント。
【請求項１１】上記除去手段は、上記アルカリ性物質を
吸着するイオン交換樹脂であること、を特徴とする請求項１０記載のプラント。