JP2008058229A

JP2008058229A - 金属材料のｓｃｃ判定方法及びｓｃｃ損傷抑制方法

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Publication number: JP2008058229A
Application number: JP2006237739A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kikuchi; 英二菊池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】金属材料のＳＣＣ感受性を簡易的に評価することができ、しかも、鋭敏化材及び非鋭敏化材のＳＣＣ感受性を評価できるようにしたＳＣＣ判定方法並びにＳＣＣ損傷抑制方法を提供する。
【解決手段】金属材料がＳＣＣを発生するか否かの指標となる材料固有の物性値を求めるようにしたＳＣＣ判定方法であり、アニオン不純物を含まない純水中で、界面の電位を一定に制御してＳＣＣを発生させる試験を行い、ＳＣＣを発現する下限界の電位を求めるようにしたものである。上記の試験方法としては、ＳＳＲＴ試験、ＵＣＬ試験、ＣＢＢ試験などが適用でき、この試験でＳＣＣの発生の有無を調べ、界面の電位を変えて試験を繰り返し行ってＳＣＣを発現する下限界の電位を求めるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力プラント、火力プラント、化学プラント等を構成する金属材料のＳＣＣポテンシャルを評価するためのＳＣＣ判定方法及びＳＣＣ損傷を抑制するためのＳＣＣ損傷抑制方法に関する。

金属材料のＳＣＣ(応力腐食割れ)を評価する試験方法には、隙間付きＵＣＬ試験（定荷重引張り試験）、ＣＢＢ（Creviced Bent Beam）試験などがあるが、ＳＣＣ試験に長時間を要する上に、データのばらつきが大きく、金属材料のＳＣＣ感受性を簡易的に評価することができなかった。また、室温付近で高温水粒界型ＳＣＣを簡易的に評価する方法（例えば、特許文献１参照）は提案されているが、鋭敏化しない非鋭敏化材の高温水ＳＣＣを再現できなかった。

特開２００２−３３３３９７号公報（要約）

本発明の目的は、金属材料のＳＣＣ感受性を簡易的に評価することができ、しかも、鋭敏化材及び非鋭敏化材のＳＣＣ感受性を評価できるようにしたＳＣＣ判定方法並びにＳＣＣ損傷抑制方法を提供することにある。

本発明は、ＳＯ_４イオン，Ｃｌイオン，ＮＯ_３イオン，ＢＯ_３イオン，ＰＯ_４イオンを一つ以上含むアニオン含有水中及びアニオン不純物を含まない純水中において、界面の電位を一定に制御してＳＣＣを発生させる試験を行い、材料固有の物性値としてＳＣＣを発現する下限界の電位を求めるようにした金属材料のＳＣＣ判定方法にある。

本発明は、アニオン不純物を含まない純水中で界面の電位を一定に制御してＳＳＲＴ（Slow Strain Rate Tensile）試験，ＷＯＬ（Wedge Opening Loading）試験，ＣＴ（Compact Tension）試験，Ｕベンド（U-Bend）試験，ＵＣＬ試験及びＣＢＢ試験から選ばれたいずれかのＳＣＣ試験を行ってＳＣＣの発生の有無を調べ、このＳＣＣ試験を界面の電位を変えて繰り返し行ってＳＣＣを発現する下限界の電位を求めるようにした金属材料のＳＣＣ判定方法にある。

本発明は、高温水電気化学測定法により金属材料のアノード分極曲線を求め、過不働態ピーク及び第二次不働態領域（過不働態領域）を判定することによりＳＣＣを発現する下限界の電位を求めるようにした金属材料のＳＣＣ判定方法にある。

本発明は、既設プラントのＳＣＣ損傷抑制策として、配管材料及び構造材料の腐食電位がＳＣＣを発現する下限界の電位以下になるように水素注入、ヒドラジン注入等の対策を施して金属材料の腐食電位を低減させ、ＳＣＣによる損傷を抑制するようにした金属材料のＳＣＣ損傷抑制方法にある。

本発明は、金属材料がＳＣＣを発現する下限界の電位を選定基準として、このＳＣＣ発現電位が高い材料を選定するようにした金属材料のＳＣＣ損傷抑制方法にある。

本発明により、金属材料がＳＣＣを発生するか否かの指標となる材料固有の物性値を簡易な方法で求めることができた。本発明により求めたＳＣＣを発現する下限界の電位を基準にして、この下限界の電位が高い材料を選定することによりＳＣＣ損傷を抑制することができる。また、既存材料の腐食電位がＳＣＣ発現電位以下になるように水素注入或いはヒドラジン注入を施すことにより、ＳＣＣによる腐食損傷を抑制することができる。

金属材料のＳＣＣ感受性、特に非鋭敏化材のＳＣＣ感受性を簡易的に評価するには、金属と液体が接する電位及び水質を実験室的に再現したラボ試験法の確立が不可欠であることがわかった。

本発明は、アニオン不純物を含まない純水中でも非鋭敏化材にＳＣＣが発生することを明らかにし、更に純水中でのＳＣＣ挙動とアニオン含有水中でのＳＣＣ挙動は等価であることを究明したことに基づいている。すなわち、金属液体界面での電位及びアニオン濃縮を模擬した条件下でＳＣＣ試験を実施した結果、アニオン不純物を含まない純水中でも非鋭敏化材のＳＣＣ発生条件が達成され、ＳＣＣが発生するか否かは電位によって決定されることを明らかにした。

本発明は、金属材料が環境中に曝されたときにＳＣＣが発生する下限界の電位を求める方法を開発し、更にＳＣＣによる金属材料の腐食損傷を防止する方法を提案するものである。以下、ＳＣＣが発生する下限界の電位、言い換えれば、ＳＣＣが発生する限界の電位を、ＳＣＣ発現電位と称する。

本発明を詳述すると、以下のようになる。

耐ＳＣＣ性に優れたＦｅ基材料を用いてＩＧＳＣＣ（粒界型応力腐食割れ）に及ぼすアニオン濃度及び電位の影響、或いは純水中でのＩＧＳＣＣの電位依存性を定電位ＳＣＣ法により検討した。この結果、純水中で得られたＳＣＣ試験結果とアニオン含有水中で得られたＳＣＣ試験結果は一致することが明らかにされた。この結果を踏まえて、実機材料の耐ＳＣＣ性の評価を考案し、更に実機に採用される購入材料の受け入れ、新工法、改良材採用、新材料の迅速な判断を行えるようにしたものである。

これまで、金属材料のＳＣＣを実験室的に再現すべく、実機の配管や構造物に加わる応力／歪の条件、溶接熱等による材料の変質等を実験室的に模擬した条件下でＳＣＣ試験を実施したにもかかわらず、実験室的に再現することは困難であった。これは、ＳＣＣが発生する下限界の電位、すなわちＳＣＣ発現電位より卑側の環境条件下で実施していたことに他ならなかった。

本発明では、まず、炉水不純物の代表として知られる硫酸イオンを用いて、金属材料のＳＣＣに及ぼす硫酸イオン濃度の影響について検討した。次に、この結果を、硫酸イオンを含まない純水中で得られたＳＣＣ試験結果と比較し、ＳＣＣ発生に対する硫酸イオンの影響度について検討した。

ＳＣＣに及ぼす硫酸イオン濃度の影響を種々検討した結果、硫酸イオン濃度によらずＳＣＣ発生条件が達成され、ＳＣＣが発生するか否かは電位によって決定されることがわかった。ＳＣＣが発生するための電位は、材料によって著しく異なるが、添加する硫酸イオンの濃度には依存しないことがわかった。このように、ＳＣＣが発生する下限界の電位、すなわちＳＣＣ発現電位の存在が見出され、ＳＣＣ発現電位は材料固有の特性値で決定されることがわかった。すなわち、ＳＣＣ発現電位以下で材料を使用すれば、ＳＣＣの発生を未然に防止することができることが明らかにされた。

本発明は、以上の経緯を考慮して金属材料の耐ＳＣＣ性を示す物性値を求め、ＳＣＣ対策を図るようにしたものである。原子力プラント、火力プラント、化学プラント等を構成する金属材料に、ＳＣＣ発現電位の高い材料を選定することで、ＳＣＣの発生を抑制することができる。例えば、原子炉圧力容器内のシュラウド、一次系配管等にＳＣＣ発現電位の高い既存材料或いは新材料を選定することで、原子力プラントの安全性を向上させることができる。また、既存プラント材料のＳＣＣ対策として、水素注入やヒドラジンなどの注入を施し、金属液体界面での電位をＳＣＣ発現電位以下に低減することにより、ＳＣＣによる損傷を抑制できる。

本発明により、耐ＳＣＣ性に優れた新材料を開発する際に、ＳＣＣ発現電位の高い材料を開発するようにした耐ＳＣＣ材料開発の手法が確立された。また、耐ＳＣＣ性に優れた既存材料及び新材料を選定する際に、ＳＣＣ発現電位の高い材料を選定するようにした耐ＳＣＣ材料選定の手法が確立された。また、耐ＳＣＣ性に優れた既存材料及び新材料を選定する際に、ＩＧＳＣＣ破面率の小さい材料を選定するようにした耐ＳＣＣ材料選定方法が確立された。

以上のように、本発明により、構造材料や配管材料にＳＣＣ発現電位の高い材料を使用してＳＣＣの発生を抑制するか、或いは、水素注入やヒドラジンなどの添加により金属液体界面での電位をＳＣＣ発現電位以下に低減することで、ＳＣＣの発生を抑制する技術が確立された。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。特に、ＳＣＣ発現電位を指標とした新材料の開発や既存材料の選定及びＳＣＣ対策を目的とする水質管理について説明する。なお、以下の実施例ではＦｅ基材料について説明するが、Ｎｉ基材料にも適用できる。

本実施例では、金属液体界面で起こるアニオン濃縮の現象とＯ_２，Ｈ_２Ｏ_２等の高酸化剤の存在による電位上昇の重畳により、金属材料にＩＧＳＣＣが発生するのか否かを明らかにするために、アニオン濃縮を想定した条件下で金属液体界面の電位を規制した定電位ＳＣＣ法により検討した。ＳＣＣ試験法にはＳＳＲＴ試験法を用いた。すなわち、金属材料のＩＧＳＣＣ感受性に及ぼすアニオン濃度及び電位の影響を定電位ＳＣＣ試験法により検討し、更に、この結果を純水中で得られたＳＣＣ試験結果と比較検討し、ＳＣＣに及ぼすＳＯ_４イオン濃度及び電位の影響を明らかにした。

図１は、２８８℃の中性硫酸イオン含有水中におけるＳＵＳ３１６Ｌ鋼（Ｃ：０．０１０重量％）のＩＧＳＣＣに及ぼす硫酸イオン濃度及び電位の影響について検討した結果である。図１には、硫酸イオンを含まない純水中で得られたＳＣＣ試験結果も記載してある。供試材には、予め素材に６２０℃で２４ｈの熱処理を施したものを用いた。ＳＯ_４イオンの有無に関わらず、電位１００ｍＶ_ＳＨＥ以上の領域でＩＧＳＣＣの発生が見られたが、電位０ｍＶ_ＳＨＥ以下の領域ではＳＣＣの発生は認められなかった。

図２は、図１の結果をＩＧＳＣＣ破面率と電位の関係で整理したものである。ＩＧＳＣＣ破面率は材料のＳＣＣ感受性を表し、ＩＧＳＣＣ破面率が小さい程ＳＣＣ感受性も小さいことを示している。純水中及び硫酸イオン含有水中のいずれの場合も、ＩＧＳＣＣの電位依存性はほぼ同一の結果を示すことから、アニオン濃縮、すなわち硫酸イオン濃縮によるＳＣＣの加速性は極めて小さいものと考えられる。

このように、ＳＣＣが発生するか否かは電位によって決定され、ＳＣＣが発生しなくなる電位のしきい値、すなわちＳＣＣ発生限界の電位、言い換えればＳＣＣが発生する下限界の電位であるＳＣＣ発現電位の存在が見出された。以上より、新材料の開発及び既存材料の選定には、ＩＧＳＣＣ破面率の小さい材料の選定或いはＳＣＣ発現電位の高い新材料及び既存材料の開発選定が不可欠であり、既設プラント及び新規プラントの防食設計に貢献するものである。

本実施例では、ＳＣＣ発現電位を指標として金属材料の耐ＳＣＣ性を評価した結果の一例について述べる。図３は、２８８℃の中性硫酸イオン含有水中におけるＦｅ基材料のＩＧＳＣＣを検討した結果を示している。Ｆｅ基材料には、ＳＵＳ３０４鋼（Ｃ：０．０５０％）及びＳＵＳ３１６Ｌ鋼（Ｃ：０．０１０％）を用いた。ＳＵＳ３１６Ｌ鋼には、化学組成の異なる二つのヒートＡとヒートＢを用いた。その結果、ＳＵＳ３０４鋼のＳＣＣ発現電位は−２３０ｍＶ_ＳＨＥ付近にあり、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼のＳＣＣ発現電位はヒートにより異なり、ヒートＡ及びヒートＢはそれぞれ１００ｍＶ_ＳＨＥ及び２００ｍＶ_ＳＨＥであることがわかった。これより、ＳＵＳ３０４鋼に比べてＳＵＳ３１６Ｌ鋼の方が、ＳＣＣ発現電位が著しく貴側にあり、耐ＳＣＣ性が優れていることが分かった。

このように、金属材料のＳＣＣ発現電位を評価することにより、耐ＳＣＣ性の差別化が可能であるので、材料選定及び新材料開発に適用することが可能である。

原子力プラントの炉内構造物及び一次系配管のＳＣＣ対策を施すため、腐食電位の実測結果並びに炉内構造物及び一次系配管に用いられているＳＵＳ３１６Ｌ鋼（Ｃ：０．０１０重量％）のＳＣＣ発現電位の評価結果をもとに、ＳＣＣ対策を講じた結果について説明する。図４はＢＷＲプラントの概略図を示している。炉心部１、シュラウド２及び再循環系配管３でのＳＵＳ３１６Ｌ鋼の腐食電位を測定した結果、腐食電位は１００〜３００ｍＶ_ＳＨＥの範囲にあることがわかった。尚、符号の４はポンプ、５は圧力容器であり、図中の矢印は水の流れ方向を示している。これに対し、ＳＣＣ対策として水素注入を施してＳＵＳ３１６Ｌ鋼のＳＣＣ発現電位を評価した結果、ＳＣＣ発現電位は、再循環系配管で−５５０ｍＶ_ＳＨＥ、炉底部で−３４０ｍＶ_ＳＨＥ、炉心上部で−１５０ｍＶ_ＳＨＥとなり、ＳＣＣ割れが発生しにくくなった。したがって、炉内構造物及び一次系配管のＳＣＣ対策として環境改善、材料改善などの対策を講じ、ＳＣＣ発現電位以下になるように設定することが望ましい。

ＳＵＳ３１６Ｌ鋼のＩＧＳＣＣ発現領域を現す電位と腐食性アニオンを代表する硫酸イオン濃度の関係を示した図である。硫酸イオン含有水中及び純水中におけるＳＵＳ３１６Ｌ鋼のＩＧＳＣＣ破面率と電位の関係を示した図である。各種Ｆｅ基材料のＳＣＣ発現電位を求め、耐ＳＣＣ性を序列化した結果の一例を示す図である。ＢＷＲプラントの炉内各部位及び配管の構成を示す図である。

符号の説明

１…炉心部、２…シュラウド、３…再循環系配管、４…ポンプ、５…圧力容器。

Claims

金属材料がＳＣＣを発生するか否かの指標となる材料固有の物性値を求めるようにしたＳＣＣ判定方法であり、アニオン不純物を含まない純水中において界面の電位を一定に制御してＳＣＣを発生させる試験を行い、ＳＣＣを発現する下限界の電位を求めることを特徴とする金属材料のＳＣＣ判定方法。
金属材料がＳＣＣを発生するか否かの指標となる材料固有の物性値を求めるようにしたＳＣＣ判定方法であり、ＳＯ_４イオン，Ｃｌイオン，ＮＯ_３イオン，ＢＯ_３イオン，ＰＯ_４イオンを一つ以上含むアニオン含有水中及びアニオン不純物を含まない純水中で界面の電位を一定に制御してＳＳＲＴ試験，ＷＯＬ試験，ＣＴ試験，Ｕベンド試験，ＵＣＬ試験及びＣＢＢ試験から選ばれたいずれかのＳＣＣ試験を行ってＳＣＣの発生の有無を調べ、このＳＣＣ試験を界面の電位を変えて繰り返し行ってＳＣＣを発現する下限界の電位を求めることを特徴とする金属材料のＳＣＣ判定方法。
既設プラントのＳＣＣ損傷抑制策として、配管材料及び構造材料の腐食電位がＳＣＣを発現する下限界の電位以下になるように水素注入またはヒドラジン注入を施して金属材料の腐食電位を低減させ、ＳＣＣによる損傷を抑制することを特徴とする金属材料のＳＣＣ損傷抑制方法。
金属材料がＳＣＣを発現する下限界の電位を簡易的に求める方法であり、高温水電気化学測定法により金属材料のアノード分極曲線を求め、過不働態ピーク及び第二次不働態領域（過不働態領域）を判定することによりＳＣＣを発現する下限界の電位を求めることを特徴とする金属材料のＳＣＣ判定方法。
金属材料がＳＣＣを発現する下限界の電位を選定基準として、このＳＣＣ発現電位が高い材料を選定することを特徴とする金属材料のＳＣＣ損傷抑制方法。