失敗事例 > 低圧タービンのバースト事故

シナリオ

失敗百選 (PDF)

事例名称

低圧タービンのバースト事故

代表図

事例発生日付

1969年09月19日

事例発生地

英国イングランドサマセット

事例発生場所

Hinkley Point “A”原子力発電所5号タービン発電機

機器

英国のHinkley Point “A”原子力発電所は、コールダーホール型マグノックス原子炉2基と単機容量87MWのタービン発電機6基で構成されている。設計蒸気条件は高圧タービンが4.24MPa、360℃、低圧タービンが1.07MPa、346℃であったが、事故を起こした1969年に原子炉内の二酸化炭素による軟鋼の腐食のために蒸気温度がそれぞれ10℃下げられた。タービンの定格回転数は3,000rpmである。

事例概要

1965年4月の運転開始後33,360h経った1969年9月19日に同原子力発電所の5号タービン発電機が低圧タービンの焼き嵌めディスクの脆性破壊により甚大な破損を被った（図2）。その数分前に5号タービン発電機はオーバースピード試験のため系統から切り離されており、回転数が3,200rpmになったときに事故が起こった。ロータシャフトは5箇所で破壊しており、低圧タービンのAロータのディスク3枚が大きな破片となって飛散した（図3、図4）。このような回転体の脆性破壊によるタービン発電機の大事故は英国では初めての経験であった。事故当時、現場には7名の運転員がいたが、幸いにも死傷者は出なかった。
破損したユニットのディスクからサンプリングした試験片を用いて、組成分析、引張試験、疲労およびき裂進展試験、シャルピー衝撃試験、破壊靱性試験が行われた。その結果、焼き戻し脆化により、衝撃値と破壊靱性値が低下しており、特に偏析域の破壊靱性値はさらに低下していることがわかった。しかし、破損した3枚のディスクと残り11枚のディスクの間には大差がなかった。低靱性が破損に影響していると思われるが、内部欠陥や表面き裂あるいは過大応力が無ければ、これが原因になることないと考えられた。
ディスク製造時の鍛造・熱処理法、磁粉・超音波検査や引張・衝撃試験の結果には問題は見当たらなかった。また、設計応力、付加的あるいは異常な応力により起こり得る破損モードなどを調査したところ、設計上の問題はないことが明らかになった。

事象

（１）フォールトツリー解析の結果
○ 破壊形態、破壊のメカニズムとプロセスに着目したフォールトツリー解析（図5）
破壊の起点となった低圧タービンディスクは酸性平炉法による3Cr-0.5Mo鋼で製造されており、イオウ、リンの含有量が多目であったことから、熱処理プロセス中に焼き戻し脆化を生じ破壊靭性が低い材料であった。また、同ディスクはシャフトに焼き嵌めされていたが、固定キーの装着のため半円形の溝が設けられており、応力集中源となっていた（図6）。このような状態において、特定するのは困難であったが、蒸気中の水酸化ナトリウム等の環境因子が関与したと思われる応力腐食割れが発生し、高々深さ1.6mm程度のき裂になった時点で脆性破壊に至った。
○ 機器の設計と製作における不適切・不良に着目したフォールトツリー解析（図7）
ディスク製造時の鍛造・熱処理法、磁粉・超音波検査や引張・衝撃試験の結果には問題は見当たらなかった。また、設計応力、付加的あるいは異常な応力により起こり得る破損モードなどを調査したところ、設計上の問題はないことが明らかになった。そこで、破壊したディスクのフラクトグラフィ等による詳細調査とともに、同ディスクから採取した試験片を用いた組成分析、引張試験、疲労およびき裂進展試験、シャルピー衝撃試験、破壊靱性試験、応力腐食割れ試験が行われた。その結果、応力集中源となる焼き嵌めディスクのキー溝において、低圧蒸気中の環境因子が関与した応力腐食割れが発生・進展し、酸性平炉法による3Cr-0.5Mo鋼の低靭性と相俟って、脆性破壊に至ったものと推察された。
（２）イベントツリー解析の結果（図8）
酸性平炉法による3Cr-0.5Mo鋼製の焼き嵌めディスクのボア表面に、低圧蒸気中の環境因子が関与したと思われる応力腐食割れが発生し、ディスクキー溝による応力集中と焼き戻し脆化による低靭性が相俟って、低圧タービンの脆性破壊に至った。

経過

Hinkley Point “A”原子力発電所は、コールダーホール型マグノックス原子炉2機と単機容量87MWのタービン発電機6機で構成されていた。設計蒸気条件は高圧タービンが4.24MPa、360℃、低圧タービンが1.07MPa、346℃であったが、事故を起こした1969年に原子炉内の二酸化炭素による軟鋼の腐食のために蒸気温度がそれぞれ10℃下げられた。タービンの定格回転数は3,000rpmであった。
事故の数分前に5号ユニットはオーバースピードテストのため系統から切り離された。同ユニットの回転速度は徐々に上昇し、タコメーターを確認していた運転員は回転速度が3200rpmになったときに事故が起こったと断言した。その際、大きな爆発音とともに、低圧タービンのところから保温材などと一緒に炎が上がったが、その後数秒のうちに爆発が起こり、発電機から出た炎で火の海となった。
事故当時、6機のタービン発電機はすべて運転中であったが、原子炉と1、２および3号ユニットには損傷はなく、運転が続けられた。しかし、４および6号ユニットには僅かな損傷があり一時停止された。事故当時7名のタービン運転員が直ぐ近くにいたが、死傷者は出なかった。直ちに英国中央電力庁(CEGB)は正式な調査委員会を設置し、事故原因の究明に当った。原因はディスク孔のキー溝上部における応力腐食割れ(SCC)によるものと考えられ、他の多くのディスクでもSCCが認められた。ディスクは3Cr-0.5Mo鋼製であり基準は満たしていたが、熱処理プロセス後の炉冷中の焼き戻し脆化のため破壊靱性が低下しており、キー溝上部の応力集中により約1.6mm深さのき裂があれば脆性破壊が起こり得る状態であった。なお、SCCの発生原因にする調査は並行して行われた。

原因

原因はディスク孔のキー溝上部における応力腐食割れによるものであった。ディスク孔とキー溝の応力腐食割れは他の多くのディスクでも発見された。このディスクは3Cr-Mo鋼製であり通常の基準を満たしていたが、焼戻し脆化のため、その破壊靭性は低く、キー溝上部の応力集中部における高々深さ約1.6mmのき裂が脆性破壊を引き起こすには十分な大きさであった。

対処

英国で初めて経験する事故であり、事故後直ちに専門家、メーカー関係者を集めた調査委員会が設置され、膨大な調査や種々の試験・解析が行なわれ、原因究明が進められた。しかし、明確な原因の特定には至らず、状況証拠から応力腐食割れであると結論付けられた。

対策

調査委員会が行なった調査の範囲内では明確な対策は決められず、更なる検討結果を待たざるを得なかったが、応力腐食割れの原因となり得る環境因子(給水中の鉄分等を除去するイオン交換樹脂の再生処理に伴うNaOHや硫酸の混入)の観点から再生処理法が見直された。また、より破壊靭性の高い材料やキー溝のないディスクの採用なども行われた。

知識化

・応力腐食割れは条件（材料、環境、応力）次第で起こる厄介な損傷
　（特に、環境因子の特定が困難！）
・応力集中は極力避けるべし！

シナリオ

主シナリオ

無知、知識不足、経験不足、製作、ハード製作、機械・機器の製造、低圧蒸気タービンディスク、酸性平炉3Cr-0.5Mo鋼、焼き戻し脆化、使用、運転・使用、機械の運転・操縦、ディスクキー溝、不良現象、化学現象、腐食、破損、破壊・損傷、応力腐食割れ、脆性破壊、タービン破壊（飛散）

情報源

D.Kalderon, “Steam Turbine Failure at Hinkley Point ‘A’,” Proc. Instn. Mech. Engrs., Vol.186, pp.341-377(1972).

死者数

負傷者数

マルチメディアファイル

図2.事故を起こした5号ユニットの断面図

図3.5号ユニットの事故後の様相