報告書番号

Q17004

タイトル（和文）

減肉現象の予測精度向上に向けた水化学影響の定量化 －炭素鋼中のCr濃度が流れ加速型腐食に及ぼす影響－

タイトル（英文）

Quantification of water chemistry effect on FAC to improve prediction accuracy - Effect of Cr concentration of carbon steel on flow-accelerated corrosion -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
原子力･火力発電用配管の流れ加速型腐食(以下FAC)の効率的な管理と予防対策の確立のため、FAC現象の解明が求められている。当所では、Fe3O4の溶解反応および水溶液中でのFe、Cr、H2およびO2などの拡散挙動を考慮し、流動因子（流速、形状に依存した乱流、上流側偏流要素の影響）、水化学因子（温度、pH、溶存酸素濃度）および材料因子（材料中のCr濃度）の影響を総合的に考慮したFAC速度予測モデルを提案した[1-5]。このモデルでは、材料中のCr濃度の影響に関し、皮膜でのCr濃縮により溶液界面でFe3O4よりも安定なCrを含む酸化物の面積比が増加するため、Fe2+の溶解が抑制されると仮定している。しかし、その妥当性については十分に検証されておらず、溶存酸素濃度など他の影響因子との複合的な影響について、検証する必要がある。
目 的
材料のCr濃度と溶存酸素濃度をパラメータとしたFAC試験を実施し、複合的な影響を明らかにする。またFAC速度評価モデルでの材料因子における仮定の妥当性を評価する。
主な成果
1.溶存酸素によるFAC抑制効果に及ぼすCr濃度の影響
Cr濃度の異なる炭素鋼配管に対し、145℃の塩基性環境および中性環境でFAC試験を実施した結果、Cr濃度を高めると、FACが停止に至る溶存酸素濃度は低下することが明らかとなった（図1(a)、(b)）。
2.FAC速度評価モデルの検証
（１）FAC挙動について
試験条件を入力値としてFAC挙動を評価した結果、FAC速度評価モデルは、Cr濃度の増加により、FACが停止に至る溶存酸素濃度が低下するとの定性的な傾向を再現することが確認できた（図2(a)、(b)）。但し、Cr濃度の影響を過大に評価するなどの課題も明らかとなった。この原因として、溶解度評価に用いる各種定数や水溶液中でのCrの拡散係数の妥当性が十分ではないことなどが考えられる。
（２）皮膜中へのCr濃縮について
比較的Cr濃度が高い試験片では、酸化皮膜最外層のCr/Fe比が母材よりも大きく、Cr濃縮によりCrを含む酸化物の面積比が増加するとの仮定の妥当性が確認できた（図3）。
今後の展開
材料のCr濃度や溶存酸素濃度とともに試験温度およびpHをパラメータとしたFAC試験を実施し、FAC速度評価モデルの更なる改良を行う。

概要 （英文）

It is crucial to clarify the flow-accelerated corrosion (FAC) mechanism to manage the rational wall thickness of feed water systems in commercial power plants. In our previous study, we proposed an FAC model that would consider the diffusion of dissolved species, such as Fe, Cr, H2, and O2, between the oxide film/solution interface and the bulk solution. In this model, the effect of Cr concentration of material on FAC is evaluated; assuming Cr enrichment in the film and a resulting decline in the rate of dissolution. However, the correlation between the assumption and actual phenomenon remains insufficiently confirmed and should preferably be verified by experiments. In the present study, the influence of the Cr concentration of the material on the FAC rate was investigated by an FAC test using carbon steel with varying Cr content. The dissolved oxygen concentration was increased in a stepwise manner and the FAC suppression effect of oxygen for each specimen was investigated. The resulting performance of the FAC model was then examined from a material factor perspective.
The present study reached the following conclusions: 1) The FAC model can qualitatively reproduce corrosion behavior whereby the critical dissolved oxygen concentration, over which FAC becomes negligible, decreases with increasing Cr concentration in carbon steel. However, the model is overly sensitive to Cr concentration. 2) The Cr is condensed to the outermost layer of the film generated by FAC. The consistency of the FAC model, which assumes the enrichment of Cr in the film affects the dissolution property of the oxide film, was reconfirmed.

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