JP3880019B2 - 沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電用プラントの熱交換器内にある沸騰伝熱隙間部における水質の変化、特に局部腐食を招く不純物イオンの濃縮度を推定して腐食環境をその場監視する方法に関する。より詳しくは、本発明は、熱の影響を直接受ける沸騰伝熱隙間部について腐食電位をオンラインで測定して腐食環境即ち不純物の濃縮の程度を連続的又は定期的に測定する沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
発電用プラントの熱交換器内にある沸騰伝熱隙間部においては、沸騰現象により湿りと乾きの交番が生じ、給水中に微量に溶解している不純物イオンが濃縮する。不純物イオンの濃縮に伴うpHの変化は、隙間部構成材料の局部腐食の発生原因となる可能性がある。例えば、粒界腐食(IGA)等の局部腐食の発生は水溶液のpHに依存し、アルカリおよび酸性域において進行し易くなる(図13)。このため、同隙間部の腐食環境即ち不純物の濃縮の程度を監視即ち連続的又は定期的に測定することはプラント運転管理上重要である。
【0003】
これまで、不純物濃縮の測定法として、沸騰伝熱隙間部内の水溶液を冷却サンプリング抽出し、室温大気圧下でpH計あるいはイオンクロマトグラフ、原子吸光分析装置、誘導結合プラズマ発光分光光度計(ICP)等を用いて間接的に水溶液中のイオン濃度を測定する方法が採用されてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、サンプリングの際、水溶液がサンプリング管壁に付着すること、測定に長時間要すること、沸騰伝熱面上に濃縮した不純物の濃度を直接測定することが困難なこと等の問題がある。即ち、従来の測定方法ではリアルタイムの測定換言すれば腐食環境のその場監視が不可能である。
【0005】
本発明は、隙間部のなかでも特殊な腐食環境となる沸騰伝熱隙間部に対応し、より簡便でオンラインで腐食環境を連続測定できる沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法は、伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、腐食電位測定電極の周囲を絶縁体でシールし、沸騰伝熱隙間部以外の伝熱管表面にテフロン(登録商標)層を被覆することにより、沸騰伝熱隙間部表面の腐食電位のみを捉えられるようにし、測定した腐食電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行うようにしている。
【0007】
この場合、伝熱管と接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に沸騰現象により湿りと乾きの交番が生じ給水中に微量に溶解している不純物イオンが濃縮すると、沸騰伝熱隙間部に配置した腐食電位測定電極によって測定される腐食電位は、不純物の濃縮によって変化する。したがって、測定した腐食電位の変化に基づき沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定することができ、不純物の濃縮の程度を連続して観測することで実際のプラントの熱交換器について精度の高い管理を行い得る。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【0009】
図1に、本発明を発電プラントの熱交換器にある伝熱管と支持板とで構成される沸騰伝熱隙間部の腐食環境をその場監視する方法に適用した例を示す。熱交換器は、例えば加圧水型軽水炉(PWR)の一次系冷却水の熱を二次系冷却水に伝えるもので、入口41から流入した一次系冷却水は多数の伝熱管42内を流れて二次系冷却水を加熱した後、出口43から流出する。一方、入口44から流入した二次系冷却水は、ダウンカマー45を通って各伝熱管42の下方に導かれた後、各伝熱管42の周囲を上昇しながら加熱されて蒸気となり、気水分離器46及び湿分分離器47を通過して蒸気出口48から流出する。
【0010】
各伝熱管42は複数の支持板49によって束ねられている。即ち、各支持板49は各伝熱管42に接触する接触部材であり、SUS405ステンレス鋼により形成されている。伝熱管42と支持板49との間には、図2に示すように、沸騰伝熱隙間部55が形成されている。沸騰伝熱隙間部55には、図3に示すように、腐食電位測定電極50が配置されている。腐食電位測定電極50は伝熱管42に取り付けられており、その周囲は絶縁材57によって絶縁されている。また、支持板49の沸騰伝熱隙間部55に望む面には、参照電極51の液絡管58の先端が開口している。さらに、二次系冷却水中の伝熱管42から離れた位置には、バルク水中の腐食電位を測定するための電極54が設けられている。これら隙間部の腐食電位測定電極50、参照電極51及び電極54はポテンショスタット52に接続されており、測定されたデータはコンピュータ53によって処理される。なお、図中符号56は、フローホールである。
【0011】
かかる構成の熱交換器では、以下のようにして沸騰伝熱隙間部の腐食環境をその場監視する。
【0012】
伝熱管42と支持板49との間に形成された沸騰伝熱隙間部55では、湿りと乾きの交番によって不純物の濃縮現象が発生する。即ち、沸騰伝熱隙間部55には伝熱管42の熱が直接影響し、入り込んだ二次系冷却水が乾くことが繰り返されて不純物が徐々に蓄積し濃縮される。沸騰伝熱隙間部55には、腐食電位測定電極50が配置されており、伝熱管42の腐食電位がオンラインでリアルタイムに連続して測定されている。測定された腐食電位は不純物が濃縮されると変化する。したがって、この電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部55における不純物の濃縮の程度を推定することができる。
【0013】
沸騰伝熱隙間部55において不純物が濃縮されると、この部分のpHが変化して伝熱管42や支持板49の局部腐食が進行しやすい環境になる。電位の変化を連続して観測し不純物の濃縮の程度を推定することで沸騰伝熱隙間部55の腐食環境を監視することができ、沸騰伝熱隙間部55の腐食環境の変化に応じて二次系冷却水の管理や伝熱管42及び支持板49等の構造物の管理を適切に行うことが可能になる。
【0014】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【0015】
【実施例】
熱交換器の沸騰伝熱隙間部を模倣した実験装置(図4)を製作し、沸騰伝熱隙間部における不純物イオンの濃縮度をオンラインで測定した腐食電位から算出できることを確認する実験を行った。
【0016】
ヒーターピン型式の伝熱管1は、図5に示すように、実機を考慮し、直径22.2mm、長さが580mmの円柱状のインコネル600合金製とした。隙間部内で沸騰を起こさせ、伝熱管1表面に実機模擬の熱流束を負荷できるよう、図6に示すように、伝熱管1内に最大6.2kWの電気容量を有する電気ヒータ11を内蔵した。有効発熱部7は250mmで、支持板6との間に沸騰伝熱隙間部を構成する部分はこの有効発熱部7に含まれる。水溶液20中の不純物の沸騰濃縮がもっとも顕著に起こると考えられる沸騰伝熱隙間部の中央に、インコネル600合金製の腐食電位測定電極12を設けた。腐食電位測定電極12の周囲をジルカロイ絶縁体9でシールし、沸騰伝熱隙間部以外の伝熱管1表面に耐熱温度300℃のテフロン(登録商標)層5を被覆することにより、隙間部表面の電位のみを捉えられるようにした。リード線4はSUS316ステンレス鋼製とし、電気ヒータ11からの電気的および熱的影響を受けないようリード線4の周囲は絶縁材10および図示しない断熱材で覆った。また、伝熱管1表面の温度は、熱電対13により連続測定を行った。
【0017】
伝熱管1との間で沸騰伝熱隙間部を構成する支持板6(図7)は、測定対象物以外からの電気的絶縁を確保するため、テフロン(登録商標)製とした。支持板6は、伝熱管1への取り付けを容易にするため、半割り型とした。なお、支持板6の厚さ、沸騰伝熱隙間部の形状および寸法は、実機と同一とした。
【0018】
支持板6の固定には、酸化ジルコニウムを被覆したジルカロイ製のホルダー16(図8)および図示しないジルカロイ製のピンを用い、支持板6と伝熱管1の電気的絶縁を保つとともに隙間部を同心円状に保持した。
【0019】
測定セル(本実施例の場合は、オートクレーブ)23、は、SUS316ステンレス鋼製であるため、電極12を内蔵した伝熱管1を周囲の構造物から電気的に絶縁するため、セル23の伝熱管1取り付け部にテフロン(登録商標)製シート25を用いた。なお、腐食電位測定のための参照電極18には、高温高圧水溶液用の銀−塩化銀(Ag/AgCl、電解液に0.1molのKClを使用)を用い、同電極18の液絡管挿入口15を支持板6の中央に設けた。また、沸騰伝熱隙間部の外にはバルク水中の不純物イオン濃度測定用インコネル600合金製の電極19を配置した。腐食電位測定電極12,参照電極18及び電極19をポテションスタット27に接続し、測定したデータをパソコン28により処理した。パソコン28にはプリンタ29を接続した。なお、図中符号2はSUS316ステンレス鋼製フランジ、3は電気ヒータ用リード線、8はインコネル600合金製管、14はジルカロイ製ボルト、17は止めピン用小孔、21は試験水溶液入口、22は試験水溶液出口、24は電気ヒータ、26は水冷却システムである。
【0020】
ヒーターピン型式の伝熱管1を用い、実機の熱流束を模擬した沸騰伝熱条件下(100000〜350000kcal/hr・m2 )において、給水中の代表的不純物である水酸化ナトリウム(NaOH)および硫酸(H2SO4)の濃縮挙動を調べた。
【0021】
この結果、沸騰伝熱隙間部の腐食電位は、熱流束の負荷に伴い、270℃のNaOH脱気水溶液中では急激に低下し(図9)、H2SO4水溶液中では上昇した(図10)。完全脱気環境下では、インコネル600合金の腐食電位はアルカリになるにつれ低電圧側へ移行し、酸性側になるにつれ高電位側へ移行する(図11)ことから、この電位の変化は不純物の濃縮に起因するものと判断され、不純物の沸騰濃縮過程を伝熱管1の隙間部の腐食電位側により、その場測定できることが明らかになった。
【0022】
(発明の検証)
次に、上記の熱流束域における不純物の濃縮度の試算方法について説明する。
【0023】
一般に、完全脱気環境下においては、合金の腐食電位のpH依存性は、水素還元反応のpH依存性と対応し、合金の腐食電位EとpHとの間には近似的に数式1の関係が成り立つ。
【0024】
【数1】
【0025】
但し、Rは気体定数(=8.3144(J/k・mol))、Tは絶対温度(K)、FはFaraday定数(=96485(C/mol))である。隙間内におけるインコネル600合金伝熱管1表面の腐食電位Eの測定結果を数式1に代入すると、隙間内のpHが算出される。一方、NaOHの解離反応の平衡定数Kq1は、数式2および数式3で与えられる。
【0026】
【数2】
【0027】
【数3】
【0028】
但し、Kw は絶対温度TにおけるH2O の解離定数、C1 は溶液の濃度、α1 はNaOHの解離度である。このときのpHは数式4で求められ、数式1で得られたpHを数式4に代入することにより、C1 が求まる。
【0029】
【数4】
【0030】
一方、H2SO4は、H+ とSO4 2- とに完全解離するものと仮定すると、解離反応の平衡定数Kq2は、数式5および数式6で与えられ、NaOH水溶液の場合と同様にしてpHおよび濃度C2 を算出できる。
【0031】
【数5】
【0032】
【数6】
【0033】
隙間部におけるNaOHおよびH2SO4の濃度C1 およびC2 が求まり、これをバルク水の濃度C1 ’およびC2 ’で除することにより沸騰伝熱隙間部における濃縮度CF が求まる。
【0034】
【数7】
【0035】
【数8】
【0036】
こうして上記の熱流束域における不純物の濃縮度を試算した結果、NaOH水溶液中では104 〜5×105 程度、また、H2SO4水溶液中では104 程度濃縮することが明らかとなった。これらの値は、図12に示すように、コードを用いた計算値とも良い対応を示したことから、腐食電位に基づいて沸騰伝熱隙間部の不純物濃縮度を推定することが可能である。即ち、水溶液中に含まれるイオン種が単独の場合、本発明により、腐食電位の変動に伴う隙間部のpHの変化から不純物濃縮のオンライン測定が可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法は、伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、測定した腐食電位の変化に基づいて沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行えるので、特に腐食環境が厳しい沸騰伝熱隙間部に即したデータをオンラインで得ることができる。このため、冷却水や構造物の管理を適切に行うことが可能になると共に、今後プラントの新しい給水処理を適用する際等に特に重要となる沸騰伝熱隙間部の水質評価に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を実施する熱交換器の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図2】図1の熱交換器の沸騰伝熱隙間部を示す斜視図である。
【図3】本発明に係る沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法を実施するシステムの概略構成図である。
【図4】腐食電位に基づいて不純物の濃縮度を算出できることを確認するための実験装置を示す概略構成図である。
【図5】図4の実験装置の伝熱管を示す概略構成図である。
【図6】図5の伝熱管に取り付けられた腐食電位測定電極を示す拡大断面図である。
【図7】図4の実験装置の支持板を示す斜視図である。
【図8】図4の実験装置のホルダを示す斜視図である。
【図9】脱気NaOH水溶液中における沸騰伝熱隙間部および沸騰伝熱隙間部以外の部分の電位の経時変化の一例を示す特性図である。
【図10】脱気H2SO4水溶液中における沸騰伝熱隙間部および沸騰伝熱隙間部以外の部分の電位の経時変化の一例を示す特性図である。
【図11】脱気NaOHおよびH2SO4水溶液中におけるインコネル600合金の腐食電位のpH依存性の一例を示す特性図である。
【図12】脱気NaOHおよびH2SO4水溶液中における沸騰伝熱隙間部の濃縮度と熱流束との関係の一例を示す特性図である。
【図13】インコネル600合金の粒界腐食(IGA)発生環境条件の一例を示す特性図(280〜320℃)である。
【符号の説明】
42 伝熱管
49 支持板(接触部材)
50 腐食電位測定電極
51 参照電極
52 ポテンショスタット
53 パソコン
55 沸騰伝熱隙間部
Claims (1)
- 伝熱管と該伝熱管に接する接触部材との間の沸騰伝熱隙間部に腐食電位測定電極を配置し、前記腐食電位測定電極の周囲を絶縁体でシールし、前記沸騰伝熱隙間部以外の前記伝熱管表面にテフロン(登録商標)層を被覆することにより、前記沸騰伝熱隙間部表面の腐食電位のみを捉えられるようにし、測定した前記腐食電位の変化に基づいて前記沸騰伝熱隙間部における不純物の濃縮の程度を推定して腐食環境の監視をその場で行えることを特徴とする沸騰伝熱隙間部の腐食環境のその場監視方法。
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