JP2517723B2 - 金属部材の水素割れ防止方法 - Google Patents

金属部材の水素割れ防止方法

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JP2517723B2 JP62111746A JP11174687A JP2517723B2 JP 2517723 B2 JP2517723 B2 JP 2517723B2 JP 62111746 A JP62111746 A JP 62111746A JP 11174687 A JP11174687 A JP 11174687A JP 2517723 B2 JP2517723 B2 JP 2517723B2
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  • Prevention Of Electric Corrosion (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属部材の水素割れ防止方法に係り、特
に、原子力プラントの炉内構造材および配管材の水素割
れ防止方法に関する。
〔従来の技術〕
原子力プラントの炉内構造材料には、ステンレス鋼,
ニツケル基合金,低合金鋼等が使用されているが、これ
らの材料の水素割れが概念されている。
高張力鋼等を用いた化学プラントの水素脆化防止対策
としては、N−CoCO,β−amino,propionic acidを添加
する方法が実用化されているが、原子力プラントにおい
ては、薬剤が放射線で分解してしまうため、実用化が困
難となつている。
一方、原子力プラント炉内構造材および配管の応力腐
食割れ(SCC)防止方法として、金属材料の電位をカソ
ード側に維持する防食法が、特開昭57−70499号,特開
昭57−3086号に提案されている。これらは、応力腐食割
れを抑制する方法であつて、水素の添加により、腐食電
位を−250〜−600mVSHEに調整するものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、このような防食方法には、酸素等の酸化剤が
殆ど含まれていないために起こる水素割れの問題があ
る。すなわち、腐食電位が卑側に移行するまで、腐食に
伴つて発生する水素が増加する。したがつて、これらの
方法は応力腐食割れを抑制する方法ではあるが、水素割
れに対してはむしろ加速する働きをすることになる。
上記従来技術は、カソード側で発生する水素について
の配慮がなく、水素割れの問題があつた。
本発明の目的は、腐食反応に伴つて発生する水素を抑
制し、しかもバルク液から侵入しようとする水素イオン
を阻止し、原子力プラントの炉内構造材および配管材の
水素割れを防止する方法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するために、原子炉一次冷
却水中に水素を注入する原子炉炉内構造材の腐食防止方
法において、原子炉炉水中の金属部材の表面電位を−20
0mVSHE〜−248mVSHEとし、かつ原子炉一次冷却水中の溶
存酸素濃度を5〜50ppbに保持する金属部材の水素割れ
防止方法を提案するものである。
本発明は、また、上記目的を達成するために、原子炉
一次冷却水中に水素を注入する原子炉炉内構造材の腐食
防止方法において、原子炉炉水中の金属部材がSUS304鋼
であり、前記金属部材の表面電位を−200mVSHE〜−248m
VSHEとし、かつ原子炉一次冷却水中の溶存酸素濃度を5
〜60ppbに保持する金属部材の水素割れ防止方法を提案
するものである。
本発明は、さらに、上記目的を達成するために、原子
炉一次冷却水中に水素を注入する原子炉炉内構造材の腐
食防止方法において、原子炉炉水中の金属部材がSUS316
鋼であり、前記金属部材の表面電位を−180mVSHE〜−24
9mVSHEとし、かつ原子炉一次冷却水中の溶存酸素濃度を
5〜50ppbに保持する金属部材の水素割れ防止方法を提
案するものである。
〔作用〕
ステンレス鋼,ニツケル基合金,低合金鋼等の鉄鋼材
料は、水素を吸収すると、水素割れを起こすことが知ら
れている。この際、母材中の水素濃度が増加するほど、
水素割れの感受性も増加する。
このような水素には、腐食反応に伴つて発生する水素
と、水の放射線分解により発生する水素がある。この発
生期の水素は、金属中に取り込まれると、粒界,空孔,
析出物,転移等の欠陥を持つ応力場にトラツプされる。
トラツプされた水素は、水素化物を生成して安定化す
る。
ところで、金属表面を被つている不働態皮膜には、水
素の侵入を抑制する作用がある。このような水素の侵入
を抑制する機構としては、次の2つが考えられる。
(1)酸化皮膜中の水素原子の拡散速度の低下 (2)無害な水素分子の生成(H+H→H2↑,2H++2e-
→H2↑) 金属が活性領域の電位に分極されている状態では、原
子状の水素が発生し、この水素は容易に金属中に侵入す
る。水素の発生量は金属の電位がカドード側に分極され
るほど増加する。これは、水素の還元によるものであ
る。これに対し、金属がアノード側に分極されている状
態では、水素は発生せず、安定な皮膜が形成され、バル
ク液から母材中へ侵入しようとする水素イオンは無害な
水素分子に酸化される。また、酸化皮膜には、水素を反
発する作用がある。
活性領域の全域において水素は発生しているが、水素
割れに対しては、割れが発生するための限界水素濃度が
存在する。この限界水素濃度は材料の種類によつて異な
る。
上記従来技術は、溶存酸素を脱気して、応力腐食割れ
を抑制できたが、脱気により発生する割れの問題を解決
できなかつた。
発明者らは、この割れが腐食反応に伴つて発生する水
素に起因することを見いだした。そこで、腐食反応に伴
つて発生する水素の防止方法として、溶存酸素濃度の制
御によるアノード防食法を提案するものである。すなわ
ち、溶存酸素濃度の増加とともに、腐食電位も貴(アノ
ード)側に移行するので、アノード防食効果が現れる特
定の溶存酸素濃度を保持する方法である。アノード防食
法は、前述のような薬剤の放射線分解の問題がなく、原
子力プラントにおける水素割れ防止方法として用いるの
に支障がない。
水素注入時における炉水の腐食環境の特性としては、
高濃度の水素のほかに、炉水の放射線分解生成物である
H2O2,H,OH-,NO3 -等のラジカルの存在があげられる。接
水金属表面の腐食電位はこれらの水素,ラジカル等の濃
度によつて決定される。したがつて、水素割れの対策と
して制御すべき溶存酸素濃度は、実機の腐食電位測定結
果をフイードバツクしながら決定することが望ましい。
炉内および一次系炉外で濃度をモニタする。
制御すべき溶存酸素濃度は、材料によつて、多少異な
る。例えば、SUS304鋼では、5〜60ppbの範囲であり、S
US316鋼では、5〜50ppbの範囲である。したがつて、両
者を併用しているプラントでは、5〜50ppbとなる。
微量の酸素を含む環境下では、腐食のカソード反応
は、水の直接反応(Metal+H2O→Metal・OH+H)であ
る。すなわち、金属の溶解に伴つて、水素の発生反応が
進行する。したがつて、水素の発生を抑制するには、カ
ソード反応に見合う量の酸素を添加すれば良いと考えら
れる。酸素が存在する場合は、水分子の直接酸化還元反
応よりも酸化の還元反応の方が優先的に進行するため、
水素の発生は起こらない。この場合、添加する酸化量は
材料によつて多少異なる。不必要に酸素を添加すること
は、SCCの発生を加速するので、上限を上記50ppbに制限
しなければならない。
このようにすると、金属部材の表面電位が、その表面
の活性領域となるように、しかも限界水素濃度となる電
位よりもアノード側になるように保持されるため(上記
電位域になるように酸素濃度が調整されるため)、金属
部材に水素が侵入して生ずる水素割れが防止される。さ
らに、金属表面の電位が不働態領域にないので、SCCの
発生も抑制される。
〔実施例〕
次に、本発明による金属部材の水素割れ防止方法の実
施例を説明する。
〈実施例1〉 本実施例では、アノード分極またはカソード分極下で
の割れ挙動を調べるために、まず、SUS304鋼の電位依存
性を繰り返しSSRT法により検討した。
第1図は、炉水模擬試験環境(288℃,過酸化水素濃
度400ppb,溶存酸素濃度0.001〜8ppm)中におけるSUS304
鋼の破断時間と腐食電位との関係を示す。×印はその時
間で破断したことを、○印はその時間までに破断しなか
つたことを示す。−250mVSHE以下(溶存酸素4ppb以下)
または−180mVSHE以上(溶存酸素60ppb以下)の電位域
で割れが認められたが、−248mVSHE(溶存酸素5ppb)〜
−200mVSHE(溶存酸素60ppb)の範囲では、10000h経過
後も、割れは、認められなかつた。
このように、特定の電位領域,換言すれば特定の溶存
酸素濃度範囲に保持すると、割れ発生を抑制できること
が明らかとなつた。
〈実施例2〉 第2図は、実炉水を用いたSUS304鋼のアノード分極曲
線を示す。図中の−600mVSHE〜−200mVSHEの電位領域が
活性領域を示す。−200mVSHE〜−100mVSHEの電位領域が
不働態領域を表す。本発明は、活性領域内で実施するも
のである。
〈実施例3〉 本実施例では、溶存酸素濃度の低減に伴つて発生する
割れの原因を究明するために、SUS304鋼の割れとそれに
伴つて発生する水素との相関性を検討した。
第3図は、過酸化水素濃度0.001ppm〜1ppm,溶存酸素
濃度0.001ppm〜8ppmを含む高温(288℃)純粋中におけ
る破断時間とSUS304鋼への水素吸収量との関係を示す。
溶存酸素濃度60ppb(0.06ppm)以上または5ppb(0.005p
pm)以下では、それぞれ粒界型の割れおよび貫粒型の割
れが認められた。これに対し、溶存酸素4ppb以下では、
溶存酸素濃度が低下するにつれて水素吸収量が増加する
傾向が見られたが、溶存酸素濃度5ppb以上では水素の存
在は認められなかつた。
このことから、溶存酸素濃度の低下に伴つて発生する
割れは、腐食反応に伴つて発生する水素に起因している
ことが明確となつた。
〈実施例4〉 次に、SUS316鋼の水素割れおよびSCCの溶存酸素濃度
依存性を検討した。
第4図は、炉水模擬環境(288℃,過酸化水素濃度0.0
01ppm〜1ppm,溶存酸素濃度0.001ppm〜8ppm)水における
SUS316鋼の溶体化材の腐食形態と溶存酸素濃度との関係
を示す。図から明らかなように、溶存酸素4ppb以下また
は60ppb以上では、それぞれ水素割れまたはSCCが見られ
たが、溶存酸素5ppb〜50ppbの範囲では、10000h経過後
も割れは認められなかつた。
したがつて、本実施例によれば、水素割れ防止に必要
な溶存酸素濃度は、5ppb〜50ppbであることが明らかと
なつた。
〈実施例5〉 本発明方法を沸騰水型原子力プラント(BWR)に適用
した実施例について説明する。
本実施例では、水素割れが懸念されるSUS304製B4Cチ
ユーブ,再循環系配管等を腐食するために、前記実施例
で説明した特定の溶存酸素濃度に調整する。
第5図は、本発明を適用すべきBWRの全体構成を示
す。図において、原子炉の圧力容器1内には、制御棒6
を配置してある。制御棒6は、B4Cの粉末を細いSUS304
管に充填したB4Cチユーブ7を十字形のSUS304製シース
5の中に収納してある。また、水素注入系8は、給水系
配管に設置され、DOセンサ9と連動している。なお、第
5図で、2は炉心支持板、3は一次系配管、4は主給水
配管である。
本実施例では、水素の注入量をDOセンサ9の出力に連
係させ、前記溶存酸素濃度を5ppb〜50ppbの範囲に管理
し、所定の電位を保持することができる。したがつて、
B4Cチユーブおよび再循環系配管にSCCを生ずることな
く、水素割れを防止可能である。
〔発明の効果〕
本発明による金属部材の水素割れ防止方法において
は、金属部材の腐食電位が活性領域となるように溶存酸
素濃度を制御し、しかも表面電位を限界水素濃度となる
電位よりアノード側になるように保持しているため、部
材の腐食に伴う水素の発生を抑制し、またバルク液から
の水素の母材への拡散を防止でき、SCCを防ぎつつ水素
割れを防ぐことが可能である。
したがつて、本発明方法を各種プラントに応用した場
合は、プラントの寿命が延び、プラントの不慮の事故を
防止できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はSUS304鋼の割れおよび腐食電位と溶存酸素濃度
との関係を示す図、第2図は実炉水を用いたSUS304鋼の
アノード分極曲線を示す図、第3図はSUS304鋼の割れと
水素発生量との関係を示す図、第4図はSUS316鋼の水素
割れの溶存酸素濃度依存性を示す図、第5図は本発明方
法を適用すべきBWRプラントの全体構成を示す図であ
る。 1…圧力容器、2…炉心支持板、3…再循環系配管、4
…主給水系配管、5…B4Cシース、6…制御棒、7…B4C
チユーブ、8…水素注入系配管、9…DOセンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 卓也 日立市久慈町4026番地 株式会社日立製 作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−3086(JP,A) 特開 昭61−209396(JP,A) 特開 昭63−85496(JP,A) 特開 昭63−231298(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原子炉一次冷却水中に水素を注入する原子
    炉炉内構造材の腐食防止方法において、 原子炉炉水中の金属部材の表面電位を−200mVSHE〜−24
    8mVSHEとし、かつ前記原子炉一次冷却水中の溶存酸素濃
    度を5〜50ppbに保持することを特徴とする金属部材の
    水素割れ防止方法。
  2. 【請求項2】原子炉一次冷却水中に水素を注入する原子
    炉炉内構造材の腐食防止方法において、 原子炉炉水中の金属部材がSUS304鋼であり、 前記金属部材の表面電位を−200mVSHE〜−248mVSHE
    し、かつ前記原子炉一次冷却水中の溶存酸素濃度を5〜
    60ppbに保持することを特徴とする金属部材の水素割れ
    防止方法。
  3. 【請求項3】原子炉一次冷却水中に水素を注入する原子
    炉炉内構造材の腐食防止方法において、 原子炉炉水中の金属部材がSUS316鋼であり、 前記金属部材の表面電位を−180mVSHE〜−249mVSHE
    し、かつ前記原子炉一次冷却水中の溶存酸素濃度を5〜
    50ppbに保持することを特徴とする金属部材の水素割れ
    防止方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS573086A (en) * 1980-06-06 1982-01-08 Tokyo Shibaura Electric Co Method of operating nuclear reactor
JPS63231298A (ja) * 1987-03-19 1988-09-27 株式会社東芝 沸騰水型原子炉の水素注入方法

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