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社会インフラストラクチャーにおける信頼性の構築

東京大学大学院・工学系研究科

機械工学専攻 酒井信介

日本非破壊検査協会 第８回学術セミナー

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講演内容

• 供用適正評価技術 – 背景

– 概要

– わが国の規格動向

– わが国における適用状況・問題点

• リスクベースメンテナンス – 背景

– 概要

– わが国の規格動向

– わが国における適用状況・問題点

• まとめ

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供用適性評価技術

（Fitness For Service）

FFS

これに基づく規制 維持規格

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設計 製造 維持

機器・構造物の性能劣化

材料劣化機構

故障発生機構

健全性維持のための三項目

非破壊検査

損傷評価

補修・取替え

破壊力学の基礎

亀裂状欠陥のFFS評価

FFS評価の概要、各国のFFS基準の思想と方法、法規との関連

ものづくりの三本柱

減肉損傷のFFS評価

背景

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高圧ガス保安法 電気事業法

労働安全衛生法 ガス事業法

経済産業省 経済産業省

経済産業省 厚生労働省

圧力容器の安全は法規（国）が保証

圧力容器のメンテナンスに関わる法規

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製作時の状態が

維持されなければならない

圧力容器維持の大原則

安全保守と法遵守のギャップ

設備は必ず劣化する

5

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わが国におけるメインテナンスの

位置づけ（規格を対象として）

設計・製造規格（通産省告示５０１号）の中において

「機器は製造時の性能が維持されなければならない」

•機器は除々に性能劣化し、いつかは寿命がつきる

•性能劣化を適確に評価し、安全管理をすることが必要

維持規格導入以前

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東京電力福島第一，福島第二，柏崎刈羽 原子力発電所(１７基）のうち，１３基 の 原子炉に係わる自主点検記録について， 不実記載等の２９件の不正の疑い

＊

＊ 福島第一原子力発電所１号～６号機

福島第二原子力発電所１号～４号機

柏崎刈羽原子力発電所１号，２号，５号機

「東電問題」に見る維持規格導入の背景

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シュラウド上の応力腐食割れ

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維持に対する従来の考え方

• 設計規格に基づき、運転開始後も常に設置時の状態を保持することを要求

– 定期検査（欠陥検出） ⇒ 補修・取替 ⇒ 設置時復帰⇒ 検査 ⇒ 補修・取替 ⇒ 設置時復帰 ⇒・・・・

– 「設計規格」と「検査」で対応⇒維持規格が不要

– 欠陥の構造強度への影響、安全性への影響について、「評価」（欠陥評価）する行為が欠落

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炉心損傷事例(米国) 30年以上前からメインテナンス規格

アメリカ機械学会・ボイラと圧力容器規格の原子力発電所用機器の供用期間中検査規格(SecXI)

プラント名 材料 対策

オイスタークリーク1号機 ステンレス304 タイロッド

ミルステン1号機 ステンレス304 運転継続

ドレスデン3号機 ステンレス304 運転継続

モンティセロ1号機 ステンレス304 運転継続

クォッドシティ1号機 ステンレス304 運転継続

バーモントヤンキー1号機 ステンレス304 運転継続

ピーチボトム2号機 ステンレス304 運転継続

ピーチボトム3号機 ステンレス304 運転継続

ブランズフェリー2号機 ステンレス304 運転継続

ブランズフェリー3号機 ステンレス304 運転継続

ブランズウィック1号機 ステンレス304 ブラケット

ブランズウィック2号機 ステンレス304 ブラケット

ハッチ2号機 ステンレス304L タイロッド

サスケハナ1号機 ステンレス304L 運転継続

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設計 予測行為(使用経験と加速試験のデータに基づく)

予測の限界 ＋ 技術の落度 機能不全

材料の損傷

安全率が防波堤になっているか? 予想外に対して対応付加

メインテナンス 予測結果を使用途中で実際に確認する行為

予測外 予測の修正 技術の落度 原因究明

長期的には設計・製造へのフィードバック

維持規格の意義

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Safety Factor 安全率、安全係数

アメリカ機械学会(ASME)ボイラと圧力容器規格

原子力発電所用機器の設計規格(Sec.Ⅲ)

Design factor(設計係数)

メンテナンス規格(Sec.XI) Structural factor(構造係数)

安全係数は設計ばかりでなくメンテナンスにもあり、両者で目的と数値は異なる。両者を混同してはならない!

予測行為

フィードバック

Safety Factor の使い分け

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圧力容器の性能規定化

詳細な技術的規定は行わない

⇒「十分な性能を有すること」 十分かどうかは民間規格で評価

圧力容器の保守に関する権限委譲（官から民へ）

民間規格（維持規格）はユーザーが自ら定める

民間規格作成中（KHK、石化協、石連）

原子力分野（日本機械学会,2000）

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これまでのFFS規格の流れ

SINTAP(1996-1999)

FITNET(2002-2006)

HPIS Z 101(2000)

KHKS余寿命予測規格

1970

1980

1990

2000

BS PD 6493(1980)

BS 7910(1999)

Revision; FAD approach(1991)

WES 2805(1976)

BS WEE37

CEGB R6(1976)

ASME B&P Code

Sec III、XI(1973)

API RP579(2000)

API ASME ST579

FAD (Sec XI)

JSME NA1(2000)

茨城県維持基準

原子力設備の設計と供用中検査において、線形破壊力学を用いた欠陥評価手法を導入 Sec III: Rules for Construction of Nuclear Facility Components

Sec XI: Rules for In-service Inspection of Nuclear Power Plant Components

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破壊評価手法の歴史 • KIC－RTNDT （関連温度、参照温度）評価

– 1973~ ASME Sec3、11（原子力機器）において、破壊力学アプローチと遷移温度アプローチを融合した評価手法の確立

• CTOD評価 – 1976 英（ BS-PD 6493（Draft） ）、日（ WES 2805 ）でCTOD

評価を用いた規格を作成（共に溶接欠陥評価）

• FAD評価 – 1976 英CEGBのR6規格において、破壊と塑性崩壊の相互

干渉を考慮したFAD法が提案された

– 1991 PD6493に取り入れ

– 1997 BS7910に取り入れ

– 2000 API RP 579に取り入れ

– 2000 JSME-NA1に取り入れ

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定期検査 欠陥検出

欠陥モデル化

継

続

使

用

可

補

修

・

取

替 次回定検時 又は寿命末期の 欠陥寸法予測

限界寸法 以下？

No

Yes

Yes

No

●

No 欠陥ｲﾝﾃﾞｨｹｰｼｮﾝ

欠陥評価の流れ

（第1段階の欠陥評価）

(第2段階の欠陥評価）

評価不要欠陥寸法以下？

欠陥進展評価 （疲労、SCC）

（従来）

＊） ＊）

＊）破壊力学手法などを適用

非破壊検査法

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破壊力学の導入 応力拡大係数

き裂進展評価

破壊評価

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RT法の測定例 Ｘ線写真

Ｘ線：高電圧による熱電子の衝突で発生させる。

γ線：放射線同位元素の壊変時の放射線の１つ。同位元素として、Co、Ｉｒ、Ｃｓ、Tm、Tbなどの同位元素を利用。

検出性能

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新しい超音波計測法（TOFD法）

• TOFD法（Time of flight diffraction technique）の原理

波形をパソコンに取組、データ処理による図式化を図る。

S S

d

縦波探触子受信

d=1/2√(Ct)　-4s 探触子

縦波探触子送信

A

C

B

ｂ

サイジング性能

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許容できる欠陥の存在を認める

ことにより，直ちに

補修・取替えする必要がない，

また，次回定期検査までに

補修・取替える準備ができるため

定期検査の期間を短縮でき，

稼働率が向上する

維持規格導入の意義

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FFS基準の相関関係

部分減肉

一般産業用にモディファイ

圧力設備の亀裂状

欠陥評価基準

（日本高圧力技術協会2001）

API 579(2000) Fitness for Service

供用適性評価

ハンドブック

（石連・石化協 2001初版）

割れ欠陥

ASME Code 設計 維持

原子力発電

一般産業

Sec.Ⅲ

Sec.Ⅷ

Sec.ⅩⅠ

Post

Construction Std

発電用原子力

設備規格 維持規格

（日本機械学会 2000）

国内化学産業の法規制は

設計・製作ともこれ

わが国ではFFSの扱い

になっていない

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減肉に関する法規（～２００４）

圧力容器は設計肉厚を割ってはいけない

設計肉厚

どちらの強度が高い？？

局部減肉とFFS(問題点)

(a)

(b) (c)

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信頼性工学の活用事例

減肉長さ

残存率

等信頼性曲線

一様減肉

局部減肉

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リスクベースメンテナンス

（Risk Based Maintenance）

RBM

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• 長期化している不況の中で、プラント設備の新設は頭打ちの状態となり、老朽化設備の多くが様々な延命策によって今日も現役で稼動して、生産を支えている

• 国際競争力が急速に失われてきているという現実があり、あらゆる経費の削減なくしては産業基盤の存続が困難な状況となっている

• 経年構造物を適切な管理のもとに使用

• 法定検査における規制緩和→保全に関する自己責任が欧米並みに強く求められる

• 工場立地にあたり、地域社会や投資家に対して説明責任

• リスクという概念なしでは合理的企業活動困難

背景

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維持規格の次に必要になるもの

設計・製造規格→メインテナンス規格(維持基準) 発行

欧米ではメインテナンス規格の経験が長い

画一的なメインテナンスプログラムは合理性を損なう

規格上の検査対象部位と実際の材料の損傷部位が無相関

非検査部からの損傷の発生

検査対象部位に追加

行き着く果て

全範囲の高頻度検査

論外

わが国の対応

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画一的メインテナンスの問題点

• 構造物の経年化に伴って、検査プログラムと検出される損傷状況の差異が顕著となる

• 限られた資源でメインテナンスしなければならない中、明らかに無駄な部分にも投入しなければならない→コスト増、信頼性向上の上からも問題

• 検査プログラムの合理化は、事業者の自主的な判断では限界があり、規準・規格の改正を求める必要がある

• 規準規格の改正には膨大な時間を要する

• 依存体質が高まり思考停止に陥り易い

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ＲＢMにおけるリスクの定義

リスク ＝ 損傷発生確率 x 影響度

損傷モードの特定

損傷モードの発生確率

損傷の発生による影響の程度

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リスクベースメンテナンスの概念

• 保全計画において決定するべき事項

– 検査対象箇所，範囲の選定

– 検査周期

– 採用する非破壊検査法

– 検査の優先順位

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80-20の経験則（パレート則）

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S 機器

相対リスク

２０％

１００％

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ＲＢＭの一般的手順

データおよび情報の収集

破損の影響度評価

破損の発生確率評価

リスクの順位付け

検査方案の作成

緩和措置の提案

破損の影響度評価

破損の発生確率評価

リスクの順位付け

検査方案の作成

緩和措置の提案

再評価

リスク評価

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リスク評価（定性評価）

頻度

影響度

低

中

高

高

中

低

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定量評価

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06

影響度(円)

年間発生頻度

年間リスク10^3円

年間リスク10円

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⑨リスクに対する処理

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エキスパート構成員(API580) • チームリーダー

• 検査員

• 材料・腐食の専門家

• プロセス専門家

• 運転・保守員

• 管理者

• リスク評価者

• 環境・安全管理者

• 財務担当者

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リスクベース工学の今後の課題

規格・規準の策定

破損確率

データベース整備

中核人材育成

日本機械学会・維持規格分科会:RI-ISI作業会

日本高圧力技術協会:

リスクベースメンテナンス規格

設備等に関するリスクマネジメント技術者資格認証

経済産業省:配管損傷データベースプロジェクト

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2001年，社団法人日本高圧力技術協会(HPI)により「RBM専門研究委員会」として設置され，活動を開始。3期に渡って活動。今年度の規格制定プロセスを経て、規格発行の見通しを得た。 背景，高経年化した設備の増加， 技術伝承の要求， 一層の合理化要求の高まりにより， RBMは解決する重要な手法の一つ。 参考規格等： API RP580(第一版，2002年5月),API Pub.581(第一版，2000年)，ASME Post Construction Inspection Planning Standard(2006年8月),RIMAP (Risk Based Inspection and Maintenance Procedures for European Industry)

HPIS開発活動の概要

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規格開発組織

幹事会

研究会

リスクベースメンテナンス

HPIS Z 106

ＷＧ１

ＷＧ２ 東大：酒井

顧問 横浜国大：小林

リスクベースメンテナンス

ハンドブック

HPIS Z 107-1TR～4TR

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HPIS Z106「リスクベースメンテナンス」 本文 目 次 序文 1. 目的 2. 用語の定義 3. リスクベースメンテナンス手法 3.1 リスクベースメンテナンス実施手順 3.2 実施者の役割と資格 3.3 リスクベースメンテナンスの準備 3.4 リスクアセスメントの実施 3.5 意思決定と保全計画 3.6 再評価と文書化 3.7 リスクベースメンテナンス実施のための具体的手法

2010年度発行予定

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HPIS Z107ハンドブックの構成

第1部：一般事項 1. リスク評価方法の概要、 2. 破損確率決定方法、 3. 影響度決定方法

附属書1. 損傷係数の構成と考え方、 附属書2. ベイズの定理、

附属書3. 限界状態関数を用いた破損確率、 附属書4. 検査有効度表

附属書5. 用語の定義、 附属書6. 損傷メカニズムスクリーニング表

附属書7. 基本用語集

第2部：減肉の損傷係数

第3部：応力腐食割れの損傷係数

第4部：その他の損傷係数

高温水素侵食、 炉管クリープ、 配管の機械的疲労、

脆性破壊、 装置内面ライニング、 外面損傷

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HPI-RBMの評価手順

損傷係数

（D.F）

可燃性物質

影響度計算

毒性物質

影響度計算

破損確率

ランク

影響度

ランク

漏洩量

計算

破損確率

係数

機器修正

係数

管理ｼｽﾃﾑ

評価係数

影響

面積

設備修理費

生産機会損失

環境汚染処理

その他の費用

経済への影響

5

4高

リスク

3中高リスク

2中

リスク

1低

リスク

A B C D E

発生確率ランク

影響度ランク

リスクマトリックス

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破損確率係数と破損確率ランク

損傷係数 （DF）

破損確率係数 （FPI）

機器修正

係数

管理ｼｽﾃﾑ

評価係数

Failure Probability Index

破損確率ランク FPI

1 ＜ 1

2 1 ≦ FPI ＜ 10

3 10 ≦ FPI ＜ 100

4 100 ≦ FPI ＜ 1000

5 1000 ≦

＝ × ×

ランク分けはAPI581の半定量評価と同じ

FE FM

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影響度の評価

影響度は、影響面積と経済への影響の2種類のみを考える。

ユーザーは目的によって、影響面積か経済への影響かの

どちらかを選択して評価する。両方混在は考えない。

影響面積

可燃性物質

毒性物質

火災による影響面積 ： API581通り

毒物による影響面積 ： API581通り

経済への影響

破損設備の修理費

停機による生産機会損失

官庁への届出や環境汚染処理等

費用の合計

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産業界での適用動向

• 日本ガス協会「ガス保安リスクマネジメント調査」（経済産業省委託事業）（Ｈ１８～Ｈ２０）

• 日本鉄鋼協会・Ｂ型研究会「鉄鋼設備のリスクマネジメントシステムの開発」（Ｈ１９～Ｈ２１）

• 日本海事協会「船内機関、機器保全用ＲＢＭシステムの開発」（Ｈ１８～Ｈ１９）

• JAXA・宇宙ロケット地上設備保全へのＲＢＭの適用

• 石油精製、化学プラントは既に多くの実績あり

• 電力は導入を検討中

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APIのRBM標準と船舶の関係

Offshore設備

(海上石油掘削リグ)

船級協会 (DNV,ABS等)

陸上石油精製設備

RBM標準(API581)、

関連システム開発

米国石油協会(API)

(検査) (参加,関与)

〔規則に導入〕

(類似設備) 船舶

〔RBM in

RCM〕 〔RBI〕

RCM：Reliability Centered

Maintenance

RBM：Risk-Based Maintenance

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ＲＢＭシステムの利用

本船側保守

開放点検時期及び機器/部品の最適化

・高齢船舶又は高付加価値船の寿命評価等に利用

品質システムで要求される信頼性解析用ツール

・リスクの高い機器の開放点検を優先⇒経済性/合理性

船級規則に従った保守・検査

画一的検査⇒個船の状況に応じた検査 ・開放検査⇒状態監視等無開放連続運転：その技術的裏付

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米国における原子力発電所稼働率

89.6

55

60

65

70

75

80

85

90

80 82 84 86 88 90 92 94 96 98

2000

Ca

pa

cit

y F

acto

r (

%)

All 103 Units

画一的メンテナンスの行き詰まり

49

0

20

40

60

80

100

1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

年

プラ

ント

数

SecXI

EPRI法

WOG法

N716

米国RI-ISI動向

図. 各ISIプログラムの適用プラント数の推移（米国） 注）2009年は見込み含む。

2006年以降更新時期がきたSec.XIの5プラント中4プラントがN-716を採用

18 15 14 4 3 0

13プラントへ

増加

• 導入後10年の更新に伴いN-716へ一斉に切替え

50

まとめ

• 維持規格、リスクベースメンテナンスに関して概要、現状、問題点を述べた

• 維持規格は導入後１０年が経ち、技術基盤が確立するとともに、多くの産業に広がりつつある

• さらなるプラント稼働率の向上のためには、リスクベースメンテナンスの導入が不可欠であるが、わが国では多くの問題がある