JP2014002074A

JP2014002074A - き裂進展予測システム及び方法

Info

Publication number: JP2014002074A
Application number: JP2012138196A
Authority: JP
Inventors: Mikiro Ito; 幹郎伊藤; Rie Sumiya; 利恵角谷; Chihiro Narasaki; 千尋楢崎; Toshiyuki Saito; 利之斎藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】プラント構造物に生じたき裂の進展を高精度に予測できること。
【解決手段】原子炉一次系配管２１のき裂付近の電位差をプラント運転中に計測する電位差法計測系３１と、前記配管のき裂付近のひずみ値をプラント運転中に計測するひずみ計測系３２と、残留応力値算出部３４、評価用残留応力分布作成部３５、応力拡大係数算出部３６及びき裂進展量予測演算部３７を備える演算装置３３とを有し、残留応力値算出部は、計測された電位差データにより算出したき裂形状、計測されたひずみ値データ等に基づいてき裂先端の残留応力値を算出し、評価用残留応力分布作成は、前記残留応力値を用いて評価用残留応力分布を求め、応力拡大係数算出部は、評価用残留応力分布等に基づいてき裂の任意の位置の応力拡大係数を算出し、き裂進展量予測演算部は、応力拡大係数との相関で決定されるき裂進展速度を求めて、プラントの供用期間中のき裂進展量を演算して予測する。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラント構造物に生じたき裂の進展を予測するき裂進展予測システム及び方法に関する。

沸騰水型原子炉や加圧水型原子炉のような原子力プラントにおいては、高温水である原子炉一次系水に接する原子炉一次系配管などのプラント構造物に、高温水という使用環境に晒されて応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する場合がある。万一、このようなプラント構造物に応力腐食割れ等によるき裂が発生した場合、その健全性を評価するために、原子力プラントの供用期間中にそのき裂の進展を監視し、き裂進展量の予測を行うことが、原子力プラントの健全性維持の観点から重要である。

配管などのプラント構造物のき裂進展量を算定する方法や装置としては、特許文献１〜４に提案されている。特許文献１及び２には、内圧、熱及び機械的荷重を受ける配管において、圧力、温度、軸力をリアルタイムで検出し、配管に発生する応力を算出して、き裂伝播曲線との関係からき裂進展量を算出する装置が開示されている。

また、特許文献３には、非定常な荷重を受ける場合の簡易的なき裂進展量予測を行う方法とシステムが開示されている。更に、特許文献４には、各種手法により測定した表面や内部の残留応力測定結果を基に残留応力データベースを構築し、それを基にき裂進展評価を行う方法が開示されている。

特開平９−１４５５７８号公報特開平１０−３８８２９号公報特開２００３−１７２６７３号公報特開２００５−３５１６４４号公報

Ｗ．Ｃｈｅｎｇ，Ｉ．Ｆｉｎｎｉｅ， "ＴｈｅＣｒａｃｋＣｏｍｐｌｉａｎｃｅＭｅｔｈｏｄｆｏｒＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，" ＷｅｌｄｉｎｇｉｎＴｈｅＷｏｒｌｄ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５／６，ｐ．１０３（１９９０）

原子力プラントのプラント構造物にき裂が発生している場合、プラントの供用期間中のき裂進展量を予測する精度を向上させるためには、プラント運転中の評価対象部位の残留応力分布を把握することが有効である。しかしながら、上述の特許文献１〜４に記載の技術は、プラントの定期点検中にプラント構造物の残留応力を検出するものであり、き裂を有する配管溶接部などにおけるプラント運転中の残留応力分布を十分に考慮したものではない。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、プラント構造物に生じたき裂の進展を高精度に予測して、プラントの信頼性及び安全性を向上させることができるき裂進展予測システム及び方法を提供することにある。

本発明に係るき裂進展予測システムは、プラント構造物に生じたき裂の進展を予測するき裂進展予測システムにおいて、前記プラント構造物の前記き裂付近の電位差をプラント運転中に計測する電位差法計測系と、前記プラント構造物の前記き裂付近のひずみ値をプラント運転中に計測するひずみ計測系と、前記電位差法計測系及び前記ひずみ計測系からのデータに基づき前記き裂の進展量を予測する演算装置とを有し、この演算装置は、残留応力値算出部、評価用残留応力分布作成部、応力拡大係数算出部及びき裂進展量予測演算部を備えてなり、前記残留応力値算出部は、前記電位差法計測系からの電位差データにより算出されたき裂形状、及び前記ひずみ計測系からのひずみ値データ等に基づいて、前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出し、前記評価用残留応力分布作成部は、前記残留応力値算出部にて算出された残留応力値を用いて、前記プラント構造物の対象部位において予め想定される残留応力分布プロファイルを補正することで評価用残留応力分布を求め、前記応力拡大係数算出部は、前記評価用残留応力分布及び前記き裂形状等に基づいて、前記き裂の任意の位置における応力拡大係数を算出し、前記き裂進展量予測演算部は、前記応力拡大係数との相関で決定されるき裂進展速度を求めて、プラントの供用期間中におけるき裂進展量を演算して予測するよう構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係るき裂進展予測方法は、プラント構造物に生じたき裂の進展を予測するき裂進展予測方法において、前記プラント構造物の前記き裂付近の電位差及びひずみ値をプラント運転中に計測する第１ステップと、前記第１ステップにて計測された電位差データにより算出されたき裂形状、及び前記第１ステップにて計測されたひずみ値データ等に基づいて、前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出する第２ステップと、前記第２ステップにて算出された残留応力値を用いて、前記プラント構造物の対象部位において予め想定される残留応力分布プロファイルを補正することで評価用残留応力分布を求める第３ステップと、前記き裂形状、及び前記第３ステップにて求められた前記評価用残留応力分布等に基づいて、前記き裂の任意の位置における応力拡大係数を算出する第４ステップと、前記第４ステップにて算出された前記応力拡大係数との相関で決定されるき裂進展速度を求めて、プラントの供用期間中におけるき裂進展量を演算して予測する第５ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明に係るき裂進展予測システム及び方法によれば、プラント構造物のき裂付近のひずみ値等をプラント運転中に計測し、この計測データに基づいて評価用残留応力分布を精度良く求めることができるので、この評価用残留応力分布等により、プラント構造物に生じたき裂の進展を高精度に予測して、プラントの信頼性及び安全性を向上させることができる。

本発明に係るき裂進展予測システムの一実施形態の評価対象となる原子力プラントの系統構成図。図１の原子炉一次系配管への計測状況を示し、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩＢ拡大図、（Ｃ）は図２（Ｂ）のＩＩＣ−ＩＩＣ線に沿う断面図。図２（Ｂ）のＩＩＩ矢視からの原子炉一次系配管と、この原子炉一次系配管に適用されたき裂進展予測システムの一実施形態を示す構成図。図３のき裂進展予測システムの一実施形態が実行するき裂進展量の予測手順を示すフローチャート。計測データから算出した残留応力値から評価用残留応力分布を求める求め方を説明する説明図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るき裂進展予測システムの一実施形態の評価対象となる原子力プラントの系統構成図である。この図１に示す原子力プラントは、沸騰水型原子炉であり、この沸騰水型原子炉は一般的に以下のように構成される。

即ち、原子炉建屋内に原子炉格納容器（共に図示せず）は設置され、この原子炉格納容器内に原子炉圧力容器１０が設置されている。原子炉圧力容器１０内には炉心１１及び冷却水が収容され、この冷却水は炉心１１の下方から上方に流通する際に、炉心１１の核反応熱を奪い昇温する。昇温した冷却水は蒸気と水の二相流状態になり、炉心１１の上方に設けられた気水分離器１２内に流入する。

冷却水は、気水分離器１２で水と蒸気に分離され、分離された蒸気は、気水分離器１２の上方に設けられた蒸気乾燥器１３で湿分が除去されて乾燥蒸気となる。この乾燥蒸気は、原子炉圧力容器１０に接続された主蒸気配管１４を通ってタービン系に供され、このタービン系で仕事に供給される。一方、気水分離器１２で分離された水は、ジェットポンプ１５の作用で炉心１１の下方に流下し、再度炉心１１の下方から上方に向かって流通する。以下、同様のサイクルを繰り返す。

原子炉圧力容器１０は、容器本体１６と、この容器本体１６の上部開口を閉塞するように設けられた蓋体１７とを有して構成される。容器本体１６は円筒状の胴体１６Ａと、この胴体１６Ａの下端に接続された下鏡１６Ｂとから構成される。原子炉圧力容器１０の胴体１６Ａの内部には、炉心シュラウド１８、ジェットポンプ１５等の炉内構造物が収納され、下鏡１６Ｂには制御棒駆動機構１９や炉内計装管２０を通過させる貫通孔（不図示）が設けられている。

原子炉圧力容器１０の外部には、原子炉再循環系配管２１Ａ、冷却材浄化系配管２１Ｂ、ボトムドレンライン２１Ｃなどの原子炉一次系配管２１が、プラント構造物として接続されている。この原子炉一次系配管２１は、内部に原子炉一次系水が流れ、従って、図２に示す原子炉一次系配管２１の内表面２２が原子炉一次系水に接する。

この原子炉一次系配管２１の溶接部２３近傍の内表面２２に生じたき裂２４の進展を、本実施形態のき裂進展予測システム３０（図３）は予測する。このき裂進展予測システム３０は、電位差法計測系３１と、ひずみ計測系３２と、き裂進展量を演算する演算装置３３と、を有して構成される。

電位差法計測系３１は、図２及び図３に示すように、原子炉一次系配管２１のき裂２４付近の電位差を原子力プラントの運転中に計測するものであり、複数の電位差法計測点３８、複数本の電流印加線３９、複数本の電圧計測線４０及び電位差法計測装置４１を有して構成される。

電位差法計測点３８は、原子炉一次系配管２１の外表面２５であってき裂２４付近、即ち原子炉一次系配管２１の外表面２５であってき裂２４に対し原子炉一次系配管２１の厚さ方向反対側に設置される。この電位差法計測点３８は、原子炉一次系配管２１のき裂２４付近に電流を印加し、または原子炉一次系配管２１のき裂２４付近の電位差を計測するための接点である。

電流印加線３９及び電圧計測線４０は、電位差法計測点３８に例えばスポット溶接などにより取り付けられる。電位差法計測点３８のうち、き裂２４に略対向する複数対の電位差法計測点３８に電圧計測線４０が接続して取り付けられ、この電圧計測線４０が取り付けられた電位差法計測点３８の外側の一対の電位差法計測点３８に電流印加線３９が接続して取り付けられる。これらの電流印加線３９及び電圧計測線４０は電位差法計測装置４１に接続される。

電位差法計測装置４１は、電流印加線３９を経て原子炉一次系配管２１のき裂２４付近に電流を印加し、電圧計測線４０を経て原子炉一次系配管２１のき裂２４付近の電位差を取り込み、この電位差データを処理（例えばデジタル処理）して、演算装置３３の残留応力値算出部３４（後述）へ出力する。この電位差法計測系３１による電位差データの計測は、原子力プラントの運転中に連続的または間欠的に実施される。

ひずみ計測系３２は、原子炉一次系配管２１のき裂２４付近のひずみ値を原子力プラント（ＢＷＲ）の運転中に計測するものであり、ひずみ計測センサ４３及びひずみ計測装置４４を有して構成される。ひずみ計測センサ４３は、原子炉一次系配管２１の外表面２５であってき裂２４付近、即ち原子炉一次系配管２１の外表面２５であって、き裂２４に対し原子炉一次系配管２１の厚さ方向反対側で、電圧計測線４０が取り付けられた複数対の電位差法計測点３８の内側に、き裂２４に対向してスポット溶接などにより取り付けられる。このひずみ計測センサ４３は、原子力プラントの供用期間中における原子炉一次系配管２１の外表面２５の温度（約２７０〜２８０℃）に対し耐熱性を有するひずみゲージまたは光ファイバである。

ひずみ計測装置４４は、ひずみ計測センサ４３に信号線４５を用いて接続される。このひずみ計測装置４４は、ひずみ計測センサ４３にて計測された原子炉一次系配管２１のき裂２４近傍のひずみ値を取り込み、このひずみ値データを処理（例えばデジタル処理）して、演算装置３３の残留応力値算出部３４（後述）へ出力する。このひずみ計測系３２によるひずみ値データの計測は、原子力プラントの運転中に連続的または間欠的に実施される。

演算装置３３は、電位差法計測系３１からの電位差データと、ひずみ計測系３２からのひずみ値データとに基づいて、原子炉一次系配管２１の溶接部２３近傍の内表面２２に生じたき裂２４の進展量を予測するものである。この演算装置３３は、残留応力値算出部３４、評価用残留応力分布作成部３５、応力拡大係数算出部３６及びき裂進展量予測演算部３７を備えて構成される。この演算装置３３によるき裂進展量の予測手順を図４に示す。

図４では、電位差法計測系３１による電位差計測手順及びひずみ計測系３２によるひずみ値計測手順を第１ステップＳ１として示し、演算装置３３の残留応力値算出部３４による残留応力値の算出を第２ステップＳ２−１及びＳ２−２として示す。また、演算装置３３の評価用残留応力分布作成部３５による評価用残留応力分布の作成を第３ステップＳ３として示し、演算装置３３の応力拡大係数算出部３６による応力拡大係数の算出を第４ステップＳ４として示し、演算装置３３のき裂進展量予測演算部３７によるき裂進展量の予測を第５ステップＳ５として示す。

演算装置３３の残留応力値算出部３４は、まず、電位差法計測系３１からの電位差データを演算することで、き裂２４のき裂形状（き裂長さ及びき裂深さ）を算出して決定する（Ｓ２−１）。次に、残留応力値算出部３４は、上述のき裂形状、ひずみ計測系３２からのひずみ値データ、及び原子炉一次系配管２１の構造データ（例えば配管の肉厚、内径、外径など）に基づいて、き裂コンプライアンス法によりき裂２４の任意の位置（本実施形態ではき裂先端）における残留応力値を、電位差法計測系３１及びひずみ計測系３２による計測時点毎に算出する（Ｓ２−２）。

ここで、き裂コンプライアンス法は、対象物の溶接部における残留応力場にき裂が導入されたときに開放されるひずみから、対象物の内部の残留応力を評価する方法であり、プラント運転中のプラント構造物への適応や、オンラインモニタリングが可能である。このき裂コンプライアンス法の詳細は、例えば非特許文献１に記載されている。

演算装置３３の評価用残留応力分布作成部３５は、図４及び図５に示すように、残留応力値算出部３４にて連続的または間欠的に算出された残留応力値の変化データ４６を用いて、原子炉一次系配管２１の対象部位である溶接部２３において予め想定される残留応力分布プロファイル４７の該当領域を、残留応力値の変化データ４６と一致するように補正することで、き裂２４のき裂先端から原子炉一次系配管２１の厚さ方向に沿う評価用残留応力分布４８を求める（Ｓ３）。

つまり、原子炉一次系配管２１の溶接部２３において想定される残留応力分布プロファイル４７を例えば６次式などの近似式で表し、この残留応力分布プロファイル４７が、残留応力値算出部３４にて算出された残留応力値の変化データ４６の範囲で数値的に重なるように、演算により上記近似式の係数を決定する。これにより、残留応力値算出部３４にて算出された残留応力値の変化データ４６に対応した新たな関係式が求まり、この関係式を評価用残留応力分布４８とする。この評価用残留応力分布４８は、原子炉一次系配管２１におけるき裂２４のき裂先端から原子炉一次系配管２１の厚さ方向に沿う残留応力分布を示す。

ここで、原子炉一次系配管２１の溶接部２３において想定される残留応力分布プロファイル４７は、原子炉一次系配管２１の構造データ（配管の厚さ、内径、外径など）及び溶接条件等を基にした有限要素法による解析結果から求められたもの、または溶接部２３を有する原子炉一次系配管２１と同一の材料及び同一の製法で製作したモックアップ試験体で実測された結果から求められたものである。

図３及び図４に示すように、演算装置３３の応力拡大係数算出部３６は、評価用残留応力分布作成部３５にて求められた評価用残留応力分布４８と、残留応力値算出部３４にて算出されたき裂２４のき裂形状と、原子炉一次系配管２１に作用する内圧による応力や熱応力などの外部応力を用いて、き裂２４の任意の位置（本実施形態ではき裂２４のき裂先端）における応力拡大係数を算出する（Ｓ４）。

演算装置３３のき裂進展量予測演算部３７は、まず、き裂２４のき裂進展速度を算出する。このき裂進展速度は、原子炉一次系配管２１の使用材料と原子炉一次系配管２１の使用環境とき裂先端の応力拡大係数との相関で決定される。従って、き裂進展量予測演算部３７は、応力拡大係数算出部３６にて算出されたき裂先端の応力拡大係数と、原子炉一次系配管２１の使用材料及び使用環境等を用い、き裂進展速度データベースを参照することでき裂２４のき裂進展速度を求める。次に、き裂進展量予測演算部３７は、この求めたき裂進展速度と、原子力プラントにおける任意に設定された供用期間（例えば１年または１０年など）とから、この供用期間中に予測されるき裂２４のき裂進展量を算出する（Ｓ５）。

尚、上述のき裂進展速度データベースは、対象配管に作用する力学因子に依存して、応力腐食割れ（ＳＣＣ）と腐食疲労を考慮し、応力腐食割れによるき裂進展速度、腐食疲労によるき裂進展速度、応力腐食割れ及び腐食疲労によるき裂進展速度を準備している。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
原子炉一次系配管２１の内表面２２に生じたき裂２４付近の電位差を電位差法計測系３１が、ひずみ値をひずみ計測系３２がそれぞれプラント運転中に計測するので、演算装置３３は、これらの電位差データ及びひずみ値データに基づき、き裂２４のき裂先端から配管厚さ方向に沿う評価用残留応力分布４８（図５）を精度良く求めることができる。この結果、演算装置３３は、この評価用残留応力分布４８を用いて、原子炉一次系配管２１に生じたき裂２４の進展量を高精度に予測して、原子力プラント（ＢＷＲ）の信頼性及び安全性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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を意図していない。この実施形態は、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、変更を行うことができる。

例えば、本実施形態では、プラント構造物は、原子力プラント（特に沸騰水型原子炉）の原子炉一次系配管２１の場合を述べたが、加圧水型原子炉を備えた原子力プラント、火力プラントまたは化学プラントなどにおける配管などの構造物であってもよい。

２１原子炉一次系配管（プラント構造物）
２２内表面
２３溶接部
２４き裂
２５外表面
３０き裂進展予測システム
３１電位差法計測系
３２ひずみ計測系
３３演算装置
３４残留応力値算出部
３５評価用残留応力分布作成部
３６応力拡大係数算出部
３７き裂進展量予測演算部
３８電位差法計測点
４３ひずみ計測センサ
４７想定される残留応力分布プロファイル
４８評価用残留応力分布

Claims

プラント構造物に生じたき裂の進展を予測するき裂進展予測システムにおいて、
前記プラント構造物の前記き裂付近の電位差をプラント運転中に計測する電位差法計測系と、
前記プラント構造物の前記き裂付近のひずみ値をプラント運転中に計測するひずみ計測系と、
前記電位差法計測系及び前記ひずみ計測系からのデータに基づき前記き裂の進展量を予測する演算装置とを有し、
この演算装置は、残留応力値算出部、評価用残留応力分布作成部、応力拡大係数算出部及びき裂進展量予測演算部を備えてなり、
前記残留応力値算出部は、前記電位差法計測系からの電位差データにより算出されたき裂形状、及び前記ひずみ計測系からのひずみ値データ等に基づいて、前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出し、
前記評価用残留応力分布作成部は、前記残留応力値算出部にて算出された残留応力値を用いて、前記プラント構造物の対象部位において予め想定される残留応力分布プロファイルを補正することで評価用残留応力分布を求め、
前記応力拡大係数算出部は、前記評価用残留応力分布及び前記き裂形状等に基づいて、前記き裂の任意の位置における応力拡大係数を算出し、
前記き裂進展量予測演算部は、前記応力拡大係数との相関で決定されるき裂進展速度を求めて、プラントの供用期間中におけるき裂進展量を演算して予測するよう構成されたことを特徴とするき裂進展予測システム。
前記プラント構造物は、原子力プラントの原子炉一次系水に接する原子炉一次系配管であり、前記き裂は、前記原子炉一次系配管の溶接部近傍の内表面に生じたき裂であることを特徴とする請求項１に記載のき裂進展予測システム。
前記ひずみ計測系は、き裂付近のひずみ値を計測するひずみ計測センサとしてひずみゲージまたは光ファイバを備え、前記ひずみ計測センサが、原子炉一次系配管の外表面であって前記き裂付近に設けられたことを特徴とする請求項２に記載のき裂進展予測システム。
前記電位差法計測系は、電流を印加しまたは電位差を計測するための電位差法計測点を備え、前記電位差法計測点が、原子炉一次系配管の外表面であってき裂付近に設けられたことを特徴とする請求項２または３に記載のき裂進展予測システム。
前記演算装置の残留応力値算出部は、電位差法計測系からの電位差データにより算出されたき裂形状、前記ひずみ計測系からのひずみ値データ、及びプラント構造物の構造データに基づいて、き裂コンプライアンス法により前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のき裂進展予測システム。
前記演算装置の評価用残留応力分布作成部で使用される想定される残留応力分布プロファイルは、プラント構造物の構造データ及び溶接条件等を基にした有限要素法による解析結果、または前記プラント構造物と同一の材料及び同一の製法で製作したモップアップ試験体で実測された結果により、それぞれ求められたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のき裂進展予測システム。
プラント構造物に生じたき裂の進展を予測するき裂進展予測方法において、
前記プラント構造物の前記き裂付近の電位差及びひずみ値をプラント運転中に計測する第１ステップと、
前記第１ステップにて計測された電位差データにより算出されたき裂形状、及び前記第１ステップにて計測されたひずみ値データ等に基づいて、前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出する第２ステップと、
前記第２ステップにて算出された残留応力値を用いて、前記プラント構造物の対象部位において予め想定される残留応力分布プロファイルを補正することで評価用残留応力分布を求める第３ステップと、
前記き裂形状、及び前記第３ステップにて求められた前記評価用残留応力分布等に基づいて、前記き裂の任意の位置における応力拡大係数を算出する第４ステップと、
前記第４ステップにて算出された前記応力拡大係数との相関で決定されるき裂進展速度を求めて、プラントの供用期間中におけるき裂進展量を演算して予測する第５ステップと、を有することを特徴とするき裂進展予測方法。
前記プラント構造物は、原子力プラントの原子炉一次系水に接する原子炉一次系配管であり、前記き裂は、前記原子炉一次系配管の溶接部近傍の内表面に生じたき裂であることを特徴とする請求項７に記載のき裂進展予測方法。
前記第２ステップは、前記第１ステップにて計測された電位差データにより算出されたき裂形状、前記第１ステップにて計測されたひずみ値データ、及びプラント構造物の構造データに基づいて、き裂コンプライアンス法により前記き裂の任意の位置における残留応力値を算出することを特徴とする請求項７または８に記載のき裂進展予測方法。
前記第３ステップで使用される想定される残留応力分布プロファイルは、プラント構造物の構造データ及び溶接条件等を基にした有限要素法による解析結果、または前記プラント構造物と同一の材料及び同一の製法で製作したモップアップ試験体で実測された結果により、それぞれ求められたものであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のき裂進展予測方法。