| （１） |
割れの詳細調査 |
|
損傷が確認された連絡配管(エルボ、管台、配管)及び胴の割れについて実施した詳細調査の主な結果は次のとおりである。 |
|
| ・ |
連絡配管には軸方向と周方向の割れがあり、大小１２の割れが確認された。 |
| ・ |
割れは内面の複数起点から発生し、成長した痕跡が認められた。特に、複数の起点から割れが成長し、連結した痕跡が認められた。 |
| ・ |
破面には組織状模様、ストライエーション状模様及びビーチマークが観察された。ビーチマークの間隔は割れ深さに伴い、徐々に狭くなっていた。 |
| ・ |
胴部の割れは亀甲状の割れであった。 |
| ・ |
材料の異常や全面腐食等は認められなかった。 |
|
|
以上の結果を総合し、連絡配管及び胴の割れはいずれも熱疲労割れによるものであると推定した。
|
| （２） |
他の連絡配管等に関する調査 |
|
再生熱交換器中段胴及び抽出側連絡配管の損傷を踏まえ、上下段再生熱交換器の他の連絡配管及び上下段再生熱交換器胴本体について非破壊試験を実施した結果、異常は認められなかった。また伝熱管の耐圧漏えい検査を実施した結果、異常は認められなかった。さらに熱交換器下段のスライド脚側について、加温、ジャッキにより移動の有無を確認した結果、スライドすることを確認した。 |
| （３） |
再生熱交換器の構造と特徴 |
|
損傷原因として熱疲労が推定されたことから敦賀発電所２号機再生熱交換器の構造上の特徴について調査した。その結果、熱交換器胴には熱交換性能を改善するために内筒が設置されており、内筒内部を流れて伝熱管と熱交換し冷却される主流と、内筒と胴の隙間を流れる高温のバイパス流が存在し出口で混合される構造であった。
またバイパス流量は、内筒支持リングと胴との隙間の実測値が約３mmであり、これを考慮した圧力損失計算及び運転パラメータに基づく伝熱計算から約４０％と評価された。（設計目標：隙間約２mm、バイパス流量約２３％）
なお、胴切断後の内面点検で胴内面の上部に第１支持リングの接触跡が、胴内面の下部に第４支持リングの接触跡が認められた。 |
| （４） |
流動模擬試験（予備試験） |
|
熱交換器で冷却された主流と高温のバイパス流の混合を模擬する熱流動模擬試験（予備試験）を実施した｡
その結果、バイパス流は低流速（約７cm/ｓ）であるため､内筒と胴の隙間を流れる間に内筒との熱交換により胴下部に低温領域が生成すること、及び支持リングと胴との隙間を上下に偏心させると、低温領域が生成・消滅する現象が発生するとともに低温の主流と高温のバイパス流の混合するフローパターンに変化のあることを確認した｡この変化は管台入口の温度分布に変化を与え、下流の連絡配管の流況に影響を与えることを確認した。 |
| （５） |
損傷メカニズムの推定 |
|
以上の結果から、胴下部でのバイパス流低温領域の生成または消滅が熱交換器胴に変形を与え、それにより隙間が変動し、フローパターンが変動することによって温度分布が変化するという現象が繰り返し発生し、当該損傷部に熱疲労割れが発生した可能性があると考え、その後の試験及び解析を実施した。 |
| （６） |
流動模擬試験（本試験） |
|
支持リングの位置及びバイパス流量が流況に与える影響を試験で確認した。その結果は次のとおりであった。 |
|
| ・ |
第２支持リングが上偏心の状態にあるか、下偏心の状態にあるかで第１支持リングと第２支持リング間の主流とバイパス流の混合する流況は大きく変化するとともに、第２支持リングと第３支持リング間の胴下部の低温領域が生成・消滅した。下偏心の状態では主流とバイパス流が内筒外側を対称的に流れ（フローパターン１）、上偏心の状態では支持リングのわずかな左右の偏心の影響から内筒外側を非対称に流れた（フローパターン２）。この混合状況は管台入口部にまで及んでおり、管台入口回りの温度分布は上偏心と下偏心で、約９０°位相の違いが生じた。 |
| ・ |
バイパス流量が大きくなると、上下の偏心で低温領域の生成と消滅が顕著になり、管台入口の温度分布の位相差も大きく変化した。 |
| ・ |
高温のバイパス流と低温の主流が混合する領域（胴の第１、第２支持リング間及び連絡配管エルボ）で比較的短周期の温度ゆらぎが確認された。 |
|
| （７） |
熱流動解析 |
|
フローパターン１及び２の流動状況が繰返す場合、それによる応力解析に必要な各部位の温度分布を求めるため、第２支持リングを上下に偏心させた条件で、胴及び連絡配管エルボ部の熱流動解析を実施した。モデル範囲はバイパス流と主流の混合部位を模擬した第２支持リングから胴鏡部及び出口連絡配管とし、これに流動模擬試験で得られた管台入口温度分布を入力した。
その結果、支持リングの上下偏心で流動模擬試験と同様に２種類のフローパターンが胴部に発生し、連絡配管エルボ部入口の周方向温度分布には約９０°位相が異なる温度パターンが発生した。 |
| （８） |
フローパターン変動シミュレーション |
|
以上の試験及び解析結果を踏まえ、バイパス流に低温領域が生成・消滅するとともに胴が熱変形することで隙間が変化し、フローパターンが周期的に変動する現象が発生するかを確認するため、コンピュータによるシミュレーションを実施した。シミュレーションの結果は次のとおりである。 |
|
| ・ |
バイパス流量が４０％の場合、胴と第２支持リングの隙間が周期的に変動し、フローパターン１と２が交互に繰返される現象が発生し得る。また、その変動周期は約５００秒程度の比較的長い周期である。 |
| ・ |
バイパス流量割合が３０％以下ではフローパターン変動現象は発生しないと考えられる。 |
|
| （９） |
変動応力解析 |
|
フローパターン１と２の温度分布差による長周期変動応力及び流動模擬試験で得られた短周期の温度ゆらぎによる短周期変動応力を構造解析モデルに温度条件を入力することで推定した。その結果、長周期と短周期の温度変動による応力は連絡配管エルボ部で約１１８MPa（約１２kgf/mm2）、胴部で約１６７MPa（約１７kgf/mm2）等であった。 |
| （１０） |
割れ発生・進展評価 |
|
損傷部位の疲労強度を平均応力を考慮して推定するとともに、上記変動応力と比較し､割れの発生の可能性を評価した。その結果、疲労強度は連絡配管エルボ部（割れａ）で約９８MPa（約１０kgf/mm2）から約１４７MPa（約１５kgf/mm2）、胴部で約１４７MPa（約１５kgf/mm2）から約１６７MPa（約１７kgf/mm2）となり、損傷部に加わっていたと推定される変動応力と比較すると、割れは発生し得ると評価される。また、割れ発生寿命は各損傷部で約１０5回以上であると推定された。
変動応力解析の結果を用いて割れ進展解析を実施した結果、各損傷部で割れの進展寿命は約１０5回のオーダであった。
また、フローパターン変動シミュレーションで得られた変動周期約５００秒程度と実機運転時間（約９．５万時間）を考慮して算出した変動回数は１０5回のオーダであり、割れの発生・進展から評価した寿命と矛盾しない結果となった。 |
| （１１） |
まとめ |
|
以上の調査結果は、
| ・ |
熱交換器胴本体におけるバイパス流の低温領域の生成・消滅が熱交換器胴に変形を与え､ |
| ・ |
それにより内筒支持リングと胴の隙間が変動し､ |
| ・ |
フローパターンが変動することにより温度分布が変化するという現象が周期的に発生し､ |
| ・ |
高温水と低温水の合流による短周期の温度ゆらぎと重畳することで､ |
| ・ |
連絡配管及び胴本体に、疲労強度を上回る応力が繰り返し加わり、熱疲労割れが生じた |
とする推定原因を裏付けるものであった。 |
