JP3533030B2 - 高温高圧水中における試料表面の材料学的変化を測定する装置 - Google Patents

高温高圧水中における試料表面の材料学的変化を測定する装置

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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、高温高圧水中での
試料表面における材料学的変化を測定する装置に関する
ものである。特に、本発明は、密閉高圧容器中において
所定の高温高圧水条件において試料金属材料の新生表面
が腐食される挙動を追跡的に測定する装置に関するもの
である。 【0002】特定産業分野において、特に軽水型原子力
発電をはじめ、火力発電等の分野においては高温水を使
用するプラントが多く使用されている。それらのプラン
トでは、その運転中に高温水が使用されることにより、
腐食等の経年劣化が生じてプラントの性能を低下させ、
場合によりその運転を停止することが起きたり、又プラ
ントそのものの寿命を縮めたりしている。そこで、本発
明は、高温水中における材料の劣化を詳細に追跡して、
その劣化の速度、そのメカニズムの理解を実験的に知る
ことにより、高温水に晒される材料に関する予防保全的
な対応の解明を可能とするものである。 【0003】なお、軽水炉又は火力発電プラント等で、
高温水に接している金属材料としては、ステンレス鋼、
炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼などがある。ステンレス鋼
では一般的な18−8ステンレス鋼(SUS304
鋼)、Moが少し添加されたSUS316鋼が使用され
る。炭素鋼又は低合金鋼は基本的に鉄が主成分の材料で
あり、それにNiなどの添加元素を加えたものであり、
元素の添加により強度が増すために圧力容器用として使
用されている。高合金はNiなどを主成分とする材料で
耐食性に優れているが、大変高価な金属材料である。 【0004】 【従来の技術】高温状態での劣化を知る手法としての従
来の試験装置では、力を加える手法により、室温から所
定の温度、流量、水化学条件等の試験条件に至るまでの
間に起こる様々な環境履歴を経ることによって生ずる影
響を取り除く方策が行われた。しかし、この手法では、
試料に過大な荷重を加えることとなり、著しい試料の変
形を余儀なくされる等の欠点があって、真の局所的な材
料の劣化を定量的に追跡する試験には適していないとい
う欠点があった。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】軽水炉のような高温高
圧水中では、主要機器を構成する容器、配管等の内面は
高温高圧水に接しており、それに関する腐食或いは亀裂
の発生、及びその成長現象を考える際には、材料表面又
は亀裂先端部における高温水中での挙動を調べること
は、極めて重要な課題である。しかし、高温高圧水とい
う特殊な環境内で、それらを精度良く調べることには幾
つかの技術的困難性が伴う。 【0006】その困難性の一つは、室温で試料を設定す
ることから所定の試験条件に到達するまでの間に、その
試料表面に酸化物の形成等の所定外の変化が生じること
である。その困難性の二つ目は、この形成された酸化物
を除くために、これに過大な荷重を負荷する必要がある
等の問題点が生ずることである。そこで、高温高圧水中
における所定の条件下での現象を実際の現象に即した状
態下で追跡することのできる手法を開発する必要が生じ
た。更に、これらの現象は、高温高圧水の流動状況によ
り大きく影響されることが知られるようになっており、
その面からの対応も要求されている。 【0007】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明の装置
は、室温から所定の条件までの間に形成される酸化物等
を試料表面から取り除くための治具を備え、且つ所定の
条件で新たに生じる酸化物の形成過程を電気化学的に長
時間にわたって追及することができるものである。即
ち、本発明の装置は、所定の高温高圧水条件に到達する
までに試料表面に生じた酸化被膜を高温高圧水中で切削
用(或いは剥離用)ヤスリによりその表面から切削する
ものである。この切削手段としては、回転運動が可能な
構造のもので、しかも外部からの不純物の混入を防ぐ目
的で貫通部を設けない密封型のものが使用され、そのた
めに高圧容器外部に設置した電気モータ等の駆動力を電
気マグネット力を介して切削用ヤスリ部に伝達して、そ
の回転駆動を行う型のものが採用される。 【0008】切削用ヤスリを動作させる際には、高圧容
器の外部に上下駆動装置を設け、その軸の上下方向への
駆動をマグネットを介して容器内に設けられた試料ホル
ダーの駆動ロッドに伝えることにより、試料ホルダーに
保持された試料を上下動させて、切削時のみに切削用ヤ
スリを試料に接近させることが可能な構造になってい
る。又、本発明の装置は、切削用ヤスリの回転駆動及び
駆動装置の軸駆動によって生じるトルク及び負荷荷重を
監視、制御するために、トルク及び荷重の計測器具を組
み込んで試験状況を把握するとともに高温時での安全制
御をも合わせて可能とする構造になっている。 【0009】本発明の装置は、切削用ヤスリの切削動作
によって不必要な酸化物を除去した後に、試料表面に新
たに形成される酸化物を直流又は交流法によって電位測
定することにより、その形成される酸化物の追跡試験を
可能とする機能を有している。その際には、高温水の流
速は、高圧容器内に設けられた高温水噴出ノズルの口
径、位置、及びその形状を変化させることにより可変と
することができる。 【0010】ところで、図2に示されるように、酸化物
膜がない場合には、電気抵抗がないため電圧は少なく、
高温水による酸化物膜の形成に伴って電圧は低下する。
高温水の条件、材料との組み合わせが変わることによ
り、図2の曲線の下がり方、下がる速度に違いが生じ
る。例えば、温度が低いと酸化物膜はできにくいので、
電圧が下がったり、一定電圧になるまでの時間が長くな
るが、温度が高い場合には短時間で酸化物膜が形成す
る。 【0011】 【発明の実施の形態】本発明の装置は、前記の構造、機
能を備えているので、負荷荷重がほとんどなく、トル
ク、荷重を監視、制御することにより良好な切削試験条
件を達成できるばかりでなく、高温高圧下での安全な追
跡測定試験が確保される。又、高圧容器からなる隔壁型
としたために、試料の局所における環境条件に不純物が
混入する等の外乱を防止することができ、容器外部に駆
動機構を設けることにより非接触型の負荷が可能なこと
から、高精度の試験を長時間にわたり安定な状態下で行
うことが確保される。 【0012】一方、本発明の装置においては、高温高圧
水の導入ノズルの形状、位置等を変化させることによ
り、試料表面の局所領域の流速を可変制御することがで
きるので、幅広いプラント内の状況を模擬することがで
きる。又、切削用ヤスリ部を摩擦用の治具に取り替える
ことにより、高温高圧水中での異種材料、同種材料の摩
擦試験が、応力又はトルクを制御しながら追跡試験をす
ることができる。 【0013】 【実施例】本発明の装置を図1に基づいて説明する。ボ
ルトで密閉された高圧容器1の上部の隔壁を通して上下
駆動ロッド2が設けられ、このロッドの下端に試料ホル
ダー3が設けられ、このホルダーによって試料4が保持
される。このロッドはマグネット5を介して上下駆動装
置6に結合されている。そこで、この駆動装置の軸を上
下動させることにより外側マグネットが上下動し、それ
につれて内側マグネットが上下動し、これに結合した前
記ロッドが上下動する構造になっている。 【0014】又、この高圧容器の下部の隔壁を通して回
転ロッド6が設けられ、このロッドの上端には切削工具
7が固定され、その下端にはマグネット8が設けられ
る。そこで、このロッド6はこのマグネットを介して回
転駆動装置9に結合されているので、この駆動装置9を
作動させることにより、この切削工具を回転させて試料
表面に形成された酸化物等の切削処理を行うことができ
る構造になっている。なお、試料は、試料ホルダーに電
気的絶縁状態で接続され、電位測定用の白金電極13が
その試料に接近して設けられている。 【0015】本発明の装置の操作に当たっては、高温高
圧水を高温水導入口10から高圧容器内部に導入し、こ
れで容器内部を満たし、ホルダーに保持された試料を高
温に加熱した後に、高温高圧水出口11を経て容器外に
排出させる。この試料は高温高圧水に加熱されてその加
熱表面に酸化物被膜が形成される。この酸化物被膜の形
成状況は、ポテンショスタット12にリード線によって
結合された白金電極13及び試料間における直流又は交
流による電位測定によって行われる。本発明の装置によ
り、試料を最高288℃、90気圧の高温高圧水の条件
下で30時間以上の追跡測定試験を連続的に行ったが、
高精度で、しかも安全な状態下で良好な結果を得ること
ができた。 【0016】 【発明の効果】高温高圧水中での材料に係わる問題は依
然として多く発生しているので、本発明の装置を使用す
ることにより、軽水炉発電をはじめ、火力発電の分野に
おけるような高温高圧水下におけるプラントの構成材料
における損傷の防止、軽減に対する現象を現実に即した
状態下での知見が得られ、その結果プラントの寿命管
理、その安全性の向上に寄与することができる。 【0017】又、本発明によれば、高温高圧下で試料を
切削できることはその特徴の一つであるが、現実の試験
において、密閉容器を高温にしたり、又その温度を下げ
るために長時間を必要とするので、切削することにより
同一条件下で繰り返して試験をすることができることも
その付随的効果と言える。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の高温水中における試料表面の材料学的
変化を測定する装置を示す図である。 【図2】酸化物膜の形成の際に温度等の条件によって測
定電圧が時間にとともに変化することを示す図である。 【符号の説明】 1:密閉高圧容器、2:上下駆動ロッド、3:試料ホル
ダー、4:試料、5及び8:マグネット、6:回転ロッ
ド、7:切削工具、9:回転駆動装置、13:白金電
極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 輝夫 茨城県那珂郡東海村白方字白根2番地の 4 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 横井 正顕 東京都品川区南大井3丁目7番14号 東 伸工業株式会社内 (72)発明者 富田 雅一 東京都台東区上野7丁目6番5号 東京 ニュークリア・サービス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−4035(JP,A) 特開 昭57−125841(JP,A) 特開 昭50−115091(JP,A) 特開 平6−201636(JP,A) 特開 平3−218452(JP,A) 特開 昭53−120497(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/26 351 G01N 17/02 G01N 27/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】試料を高温高圧水環境に維持する密閉高圧
    容器、容器中に設けられた試料を保持する試料ホルダ
    ー、このホルダーを押し上げ又は下げるロッド、このロ
    ッドを容器外からマグネット機構を介して押し上げ又は
    下げる駆動装置、試料表面の酸化物被膜を切削するため
    の切削工具、この切削工具を回転させる回転ロッド、こ
    の回転ロッドを容器外からマグネット機構を介して回転
    させる回転駆動装置、高温水の流れ方向を変えられる高
    温水導入ノズル、及び試料の腐食挙動を測定するための
    電極から構成されることを特徴とする高温高圧水中にお
    ける試料表面の材料学的変化を測定する装置。
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