JP6796031B2

JP6796031B2 - 原子炉構造材料の寿命予測方法とその装置

Info

Publication number: JP6796031B2
Application number: JP2017117979A
Authority: JP
Inventors: 義紀片山; 川野　昌平; 昌平川野; 久保　達也; 達也久保
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: JP2019002803A

Description

本発明の実施形態は、原子力発電プラントにおける材料劣化が問題となる原子炉構造材料の寿命予測方法とその装置に関する。

原子力発電プラントで運転中に曝される環境の影響による原子炉構造材料の経年劣化事象は、構造物の健全性を長期間保証する際の課題であり、材料劣化事象として、応力腐食割れ、照射誘起応力腐食割れ、照射脆化、疲労、熱時効などが挙げられる。また、対象となる材料もステンレス鋼、ニッケル基合金、低合金鋼など多岐に渡っている。材料劣化を判定する方法として、対象となる構造材料を直接検査する方法とサンプルを採取する方法があるが、いずれも運転中のプラントを評価することは出来ない。そのため、運転中の材料の特性を把握し、交換時期を算出する構造材料の寿命予測方法が要望されている。

特開２００３−３２９７９０号公報特開２００３−２９４６０５号公報特開２００４−３４０８９８号公報

前述したように、原子炉構造材料は運転中に曝される熱や中性子照射の影響により長時間使用した場合に機械的特性値などの材料特性が変化するが、その変化の程度に基づき材料の使用可否を判断することが難しかった。そのため、運転時の材料特性およびその特性に基づく寿命予測が可能であれば、部材の脆化に基づく破損を防止することが出来、機器の信頼性向上につながる可能性があった。

本実施形態に係る原子炉構造材料の寿命予測方法は、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定中性子照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、評価したい劣化事象、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値を入力する初期入力工程と、この初期入力工程で入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい材料劣化事象、寿命限界値から材料特性変化をデータベースに基づいて現在の材料特性値を計算する現在の材料特性値計算工程と、予め求められている寿命到達時における材料特性値と前記現在の材料特性値計算工程で求められた現在の材料特性値から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程と、前記現在の材料特性値およびこの現在の材料特性値から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存工程とから構成されることを特徴とする。

また、本実施形態に係る原子炉構造材料の寿命予測装置は、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定中性子照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、評価したい劣化事象、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値を入力する初期入力値として入力する入力装置と、この入力装置によって初期入力値として入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい劣化事象、寿命限界値から材料特性変化をデータベースに基づいて現在の材料特性値を計算する現在の材料特性値計算装置と、予め求められている寿命到達時における材料特性値と前記現在の材料特性値計算装置で求められた現在の材料特性値から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示装置と、前記現在の材料特性値およびこの現在の材料特性値から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存装置とから構成されることを特徴とする。

本発明の実施形態にかかる原子炉構造材料の寿命予測方法とその装置によれば、原子炉で長期間使用した構造材料の材料特性値の予測に基づいた評価対象機器における劣化事象別の寿命評価をすることが出来る。

本発明の第１の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図。本発明の第１の実施例のうち硬さと熱処理時間の計算結果を示す特性図。データベース１として示す３００℃における硬さの時間における変化率の特性図。データベース２として示す照射における硬さの時間における変化率の特性図。本発明の第１の実施例のＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２の変換を示す特性図。本発明の第１の実施例のＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ３への変換を示す特性図。本発明の第１の実施例のＳＴＥＰ３からＳＴＥＰ４への変換を示す特性図。本発明の第１の実施例のＳＴＥＰ５における寿命時間を表示する特性図。本発明の第２の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図。本発明の第２の実施例のうち硬さと応力腐食割れの関係を示す特性図。本発明の第３の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図。本発明の第４の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図。

以下、本発明に係る原子炉構造材料の寿命診断方法とその装置の実施例について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
まず、図１を用いて実施例１を説明する。図１は本発明の第１の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図である。

図１において、初期入力工程１として入力装置（図示せず）から、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名と、材料名や初期材料特性値（初期硬さ）等の材料特性値と、現在の使用温度（運転温度）、使用時間（運転時間）および中性子照射量（n/cm2：単位面積当たりの中性子量）等の原子力発電プラントにおける運転条件と、評価したい劣化事象と、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値（寿命硬さ）を入力する。

そして、現在の材料特性値計算工程２において材料特性値計算装置（図示せず）によってデータベースに基づいた材料特性変化から現在の材料特性値を上記入力値によって計算する。

そして、寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程３によって、予め求められている寿命到達時における材料特性値と現在の材料特性値から寿命に到達する時間の計算結果を寿命計算表示装置（図示せず）に表示する。

さらに、保存工程４によって現在の材料特性値および寿命に到達する時間の計算結果が保存装置（図示せず）に保存される。

このように構成された本実施の形態における初期入力工程１おいて、予め原子力発電プラントにおける運転条件として運転温度、時間および照射量（推定照射線量率）に基づく材料の初期特性値が記録された機器名ファイルの中から寿命診断を行う評価対象機器を選択し材料名および初期材料特性値を入力装置によって入力する。

初期材料特性値は例えば、材料購入時のミルシートに記載のＣｒ、Ｎｉ等の主要成分、硬さ、引張強さ、耐力、伸び、絞り、シャルピー吸収エネルギーおよび破壊靭性値が入力される。

次に、現在までの運転履歴から使用温度および使用時間を入力し、照射の影響を受ける機器においては推定中性子照射量を入力する。

さらに、予め入力されている評価したい劣化事象として、例えば応力腐食割れ、疲労、腐食および脆化等から選択する。そして、寿命と判定する材料特性の閾値を入力する。

そして、計算工程２で寿命診断を行う上で必要な材料特性値を計算する。例えば、熱活性化に伴う材料特性値は、運転温度と時間から硬さ、引張強さ、耐力、伸び、絞り、シャルピー吸収エネルギーおよび破壊靭性値の初期材料特性値の変化を予測することが可能である。

計算表示工程３で計算工程２の現在の材料特性値の計算結果と初期入力工程１で入力された寿命限界値と判定する材料特性の閾値から寿命に到達する時間を計算し、表示する。

図２に計算表示工程３で計算した熱処理時間（運転時間を想定）に伴う硬さの特性変化から寿命を予測した例を示す。この場合、例えば構造材によって相違するが、硬さの寿命限界値を３３０ＨＶとすると、この評価対象機器は９．６×１０^４時間が運転の寿命時間と計算できる。

通常、長時間側の特性変化を実験室的に予測する場合、加速条件下（例えば、評価したい条件よりも高温、短時間）での特性変化を調べ、得られた活性化エネルギーを用いて低温長時間側の特性変化を予測する手法が用いられる。活性化エネルギーと温度、時間の関係はアレニウスの式より以下（１）式で表すことが出来る。

ｔ_Ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）……（１）
ｔ_Ｔ：温度Ｔ（Ｋ）における時間
Ａ：比例定数
Ｑ：活性化エネルギー（１粒子あたり）
Ｒ：気体定数（ボルツマン定数）

（１）式を変形して各使用温度（運転温度）（使用温度２８８℃の場合の例）に対応する等価な時間を（２）式で求めることができる。

ｌｏｇ（ｔ_５６１）＝ｌｏｇ（ｔ_Ｔ）＋0.4343（1/561-1/T）Ｑ／Ｒ……（２）
ｔ_５６１：５６１Ｋ（２８８℃）における時間

予め評価したい温度（ここでは２８８℃）よりも高温で取得したデータを用いて、（２）式から材料の２８８℃における硬さの変化を予測することが可能である。

さらに、中性子照射量と硬さの関係において、ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼を対象として２９０℃で１×１０^２０（n/cm²）で照射した引張試験結果を以下に示す。

引張強さは未照射で５２６（ＭＰa）であり、照射後には６３９（ＭＰa）と１．２倍に変化した。また、０．２％耐力は３５６（ＭＰa）から５２７（ＭＰa）と１．５倍に変化した。さらに、伸びは２７．９（％）から２８．４（％）と微増であった。

中性子照射量は機器の位置によって異なるが、１×１０²⁰（n/cm²)は、１００年以上の原子力プラントの運転に相当すると考えられる。従って、一例ではあるが、この変化量を最大と仮定し、その倍率を乗じた値を照射後の値に変換することが可能である。

そして、上述したような計算結果の最終工程として、保存工程４によって寿命表示結果を保存する。

次に、上述したデータベースから具体的な寿命予測方法について以下図面を参照して説明する。なお材料によってその特性は一部相違するので概略的な図面で説明する。

硬さが寿命到達時間を推定する計算手順として、まず初期硬さ（ＨＶ_０）を３００ＨＶ、限界硬さ（ＨＶｃ）を３３０ＨＶ、使用温度（運転温度）を２８８℃と入力する。

この場合、データベース１として図３に示すように３００℃における硬さの時間における変化率の特性データを用意する。また、データベース２として図４に示すように中性子照射における硬さの時間における変化率の特性データを用意する。なお、このデータは選択される材料によって異なるデータとなる。

そして、図５に示すように本実施例１にかかる原子炉構造材料の寿命予測方法のＳＴＥＰ１として上記データベース１を呼び出す。その後、ＳＴＥＰ２として初期硬さ（３００）を乗じて評価材料の３００℃における硬さの変化の特性データに変換する。

さらに、図６にＳＴＥＰ３として示すようにアレニウスの式によりＳＴＥＰ２に示した３００℃の変化曲線を２８８℃における変化曲線に変換する。そして、図７にＳＴＥＰ４として示すように照射による硬さの変化率を乗じる。

最後に図８にＳＴＥＰ５として示すように、ＳＴＥＰ４に示された熱と中性子照射量を反映した特性図に限界硬さ到達時間の算出による寿命評価を行い寿命時間を表示する。

よって、実施例１では原子炉で長期間使用した構造材料の材料特性値の予測に基づいた評価対象機器における劣化事象別の寿命評価をすることが出来る。

（実施例２）
以下、図９を用いて実施例２を説明する。図９は本発明の第２の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図である。なお、図９において図１と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図９において、初期入力工程５として入力装置（図示せず）から、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名と、材料名や初期材料特性値（初期硬さ）等の材料特性値と、現在の運転温度、運転時間および中性子照射量等の原子力発電プラントにおける運転条件と、また評価したい劣化事象として応力腐食割れを選択し、応力腐食割れの発生する可能性を示す硬さを閾値（寿命硬さ）として入力する。

そして、現在の硬さの計算工程６において硬さ計算装置（図示せず）によって上記実施例１と同様の工程によって現在の硬さの計算をする。

さらに、寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程３によって、予め求められている寿命到達時における硬さの寿命限界値（寿命硬さ）と現在の硬さから寿命に到達する時間の計算結果を寿命計算表示装置（図示せず）に表示する。

さらに、保存工程４によって現在の材料の硬さおよび寿命に到達する時間の計算結果が保存装置（図示せず）に保存される。

このように構成された本実施の形態において、例えば図１０に示すようにステンレス鋼では、硬さと応力腐食割れの相関性を有することを利用し、現在の硬さの計算工程６で現在の硬さを計算し、寿命計算表示工程３において対象とする材料が応力腐食割れ感受性を示す硬さの寿命限界値（寿命硬さ）に到達する時間を寿命とするように判断している。

よって、実施例２では実施例１と同様に原子炉で長期間使用した構造材料の材料特性値の予測に基づいた評価対象機器における劣化事象別の寿命評価をすることが出来る。

（実施例３）
以下、図１１を用いて実施例３を説明する。図１１は本発明の第３の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図である。なお、図１１において図１と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図１１において、初期入力工程７として入力装置（図示せず）から、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名と、材料名や評価対象機器の初期肉厚等の材料特性値と、現在の運転温度、運転時間および中性子照射量等の原子力発電プラントにおける運転条件と、評価したい劣化事象として腐食を選択し、寿命とする閾値として腐食量を入力する。

そして、現在の腐食量の計算工程８において腐食量計算装置（図示せず）によって現在の腐食量の計算をする。

さらに、寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程３によって、予め求められている評価対象機器の肉厚に応じた寿命到達時における腐食量の寿命限界値（寿命腐食量）と現在の腐食量から寿命に到達する時間の計算結果を寿命計算表示装置（図示せず）に表示する。

さらに、保存工程４によって現在の材料の腐食量および寿命に到達する時間の計算結果が保存装置（図示せず）に保存される。

このように構成された本実施の形態において、対象とする機器の腐食量の寿命限界値（寿命腐食量）に到達する時間を寿命とすることで機器の寿命を予測することが出来る。

よって、実施例３では実施例１と同様に原子炉で長期間使用した構造材料の材料特性値の予測に基づいた評価対象機器における劣化事象別の寿命評価をすることが出来る。

（実施例４）
以下、図１２を用いて実施例４を説明する。図１２は本発明の第４の実施例である原子炉構造材料の寿命診断方法およびその装置を示すブロック図である。なお、図１２において図１と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図１２において、初期入力工程９として入力装置（図示せず）から、予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名と、材料名や初期材料特性値（初期硬さ）等の材料特性値と、現在の運転温度、運転時間および中性子照射量等の原子力発電プラントにおける運転条件と、また評価したい劣化事象として応力腐食割れあるいは疲労を選択し、寿命とする閾値として応力腐食割れあるいは疲労のき裂進展量（限界き裂深さ）を入力する。

そして、現在の応力腐食割れあるいは疲労のき裂進展量（き裂深さ）の計算工程１０において応力腐食割れあるいは疲労のき裂進展量計算装置（図示せず）によって現在のき裂進展量（き裂深さ）の計算をする。

さらに、寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程３によって、予め求められている評価対象機器のき裂進展量に応じた寿命到達時におけるき裂進展量の寿命限界値（限界き裂深さ）と現在のき裂進展量から寿命に到達する時間の計算結果を寿命計算表示装置（図示せず）に表示する。

さらに、保存工程４によって現在の材料のき裂進展量および寿命に到達する時間の計算結果が保存装置（図示せず）に保存される。

このように構成された本実施の形態において、対象とする機器が破壊に至る応力腐食割れあるいは疲労によるき裂進展量（限界き裂深さ）に到達する時間を寿命とすることで機器の寿命を予測することが出来る。

よって、実施例４では実施例１と同様に原子炉で長期間使用した構造材料の材料特性値の予測に基づいた評価対象機器における劣化事象別の寿命評価をすることが出来る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、５、７、９…初期入力工程
２…現在の材料特性値計算工程（計算工程）
３…寿命に到達する時間の計算結果の表示工程（寿命計算表示工程）
４…寿命に到達する時間の計算結果を保存する工程（保存工程）
６…現在の硬さの計算工程
８…現在の腐食量の計算工程
１０…現在のき裂進展量の計算工程

Claims

予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、評価したい劣化事象、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値を入力する初期入力工程と、
この初期入力工程で入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい材料劣化事象、寿命限界値から材料特性変化をデータベースに基づいて現在の材料特性値を計算する現在の材料特性値計算工程と、
予め求められている寿命到達時における材料特性値と前記現在の材料特性値計算工程で求められた現在の材料特性値から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程と、
前記現在の材料特性値およびこの現在の材料特性値から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存工程と
から構成されることを特徴とする原子炉構造材料の寿命予測方法。
前記材料特性値は、硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、衝撃値および破壊靭性値のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の原子炉構造材料の寿命予測方法。
前記初期入力工程において、前記評価したい劣化事象で応力腐食割れを選択し、応力腐食割れと硬さの相関性から寿命と判定する寿命硬さを入力する工程を有し、前記評価対象機器の応力腐食割れによる寿命を予測することを特徴とする請求項１記載の原子炉構造材料の寿命予測方法。
予め材料データベースに記録されている、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値、評価対象機器の肉厚を入力し、評価したい材料劣化事象として腐食を選択する初期入力工程と、
この初期入力工程で入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい材料劣化事象、寿命限界値から腐食速度をデータベースに基づいて現在の腐食量を計算する現在の腐食量計算工程と、
予め求められている評価対象機器の肉厚に応じた腐食量の寿命限界値と前記現在の腐食量計算工程において求められた現在の腐食量から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程と、
前記現在の腐食量およびこの現在の腐食量から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存工程と
から構成されることを特徴とする原子炉構造材料の寿命予測方法。
予め材料データベースに記録されている、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、寿命とするき裂進展量からなる寿命限界値を入力し、評価したい材料劣化事象として応力腐食割れあるいは疲労を選択する初期入力工程と、
この初期入力工程で入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい材料劣化事象、寿命限界値から応力腐食割れあるいは疲労のき裂進展量をデータベースに基づいて現在のき裂進展量を計算する現在のき裂進展量計算工程と、
予め求められている評価対象機器に応じたき裂進展量の寿命限界値と前記現在のき裂進展量計算工程において求められた現在のき裂進展量から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示工程と、
前記現在のき裂進展量およびこの現在のき裂進展量から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存工程と
から構成されることを特徴とする原子炉構造材料の寿命予測方法。
予め材料データベースに記録されている、評価対象機器名、材料名や初期材料特性値を含む材料特性値、現在の運転温度や運転時間および推定照射量を含む原子力発電プラントにおける運転条件、評価したい劣化事象、寿命とする材料特性値からなる寿命限界値を入力する初期入力値として入力する入力装置と、
この入力装置によって初期入力値として入力された評価対象機器名、材料初期特性値、原子力発電プラントにおける現在の運転条件、評価したい劣化事象、寿命限界値から材料特性変化をデータベースに基づいて現在の材料特性値を計算する現在の材料特性値計算装置と、
予め求められている寿命到達時における材料特性値と前記現在の材料特性値計算装置で求められた現在の材料特性値から寿命に到達する時間の計算結果を表示する寿命計算表示装置と、
前記現在の材料特性値およびこの現在の材料特性値から求められた寿命に到達する時間の計算結果を保存する保存装置と
から構成されることを特徴とする原子炉構造材料の寿命予測装置。