美濱發電廠 3 號機的配管破損（2004 年）：孔口板下游的壁厚減薄
2004年8月9日，關西電力美濱發電廠 3 號機汽機廠房內二次系統的凝結水管破裂，在附近作業的人員遭噴出的高溫蒸汽與熱水波及，5 人死亡，6 人受傷。破裂處位於流量計孔口板的下游，碳鋼配管的壁厚因沖蝕腐蝕，從原本的 10 mm 在最薄處減少到 0.4 mm。這個位置從一開始就沒有列入量測壁厚的檢查清單。
發生了什麼
- 日期
- 2004年（平成16年）8月9日 15時28分左右
- 地點
- 日本關西電力美濱發電廠 3 號機的汽機廠房
- 配管
- 二次系統的凝結水管（從第 4 低壓給水加熱器通往除氧器的 A 系統），流量計孔口板的下游。碳鋼（SB42），外徑 558.8 mm，公稱壁厚 10 mm
- 運轉狀態
- 約 140℃、0.93 MPa、流量 1,700 m³/h（設計條件為 195℃、1.27 MPa）
- 壁厚
- 破損處最小為 0.4 mm（技術標準上的必要壁厚為 4.7 mm）
- 傷亡
- 5 人死亡，6 人受傷
- 調查
- 日本原子力安全保安院〈關於關西電力株式會社美濱發電廠 3 號機二次系統配管破損事故（最終報告）〉2005年3月30日
事故經過與調查結論
事故發生在第 21 次定期檢查的準備期間，廠房內共有 105 人在作業。在破裂配管附近作業的人員，遭到噴出的蒸汽與高溫水波及。反應爐因二次系統的洩漏而自動停機。
破損處發現一個軸向約 515 mm、周向約 930 mm 的破口。一般認為裂縫先沿軸向成長，之後再沿圓周方向成長。根據美國核能管制委員會（NRC）的資訊通知，B 系統配管同一部位的壁厚為 1.8 mm。
從材料角度看原因的連鎖
最終報告的結論是：配管的壁厚因所謂的沖蝕腐蝕，隨著運轉逐漸減少，強度不足而破裂。流動在孔口板處收縮，其下游的配管壁暴露在紊亂的流動中。在核能領域，這個現象也稱為流動加速腐蝕（FAC）。NRC 指出，破損處內表面有像魚鱗般的花樣，而配管底部保持原本的厚度，這是流動加速腐蝕的特徵。
流動加速腐蝕，是碳鋼表面的氧化鐵溶入流動的水中，並被紊亂的流動帶走而進行的腐蝕。根據刊載於英國腐蝕學會（Institute of Corrosion）的演講資料，減薄速率對溫度呈山形變化（單相水流中約在 140〜160℃ 時最大），pH 越低越快，鋼的 Cr 含量增加則變慢。
破損處早在 1990 年（平成2年）三菱重工業依 PWR 管理指針製作檢查對象清單時，就已經漏列。因此，沒有察覺減薄已經超過使用極限。登錄遺漏在美濱 3 號機有 3 處，在關西電力的 11 座機組共有 42 處。原子能白皮書指出，根本原因是關西電力、三菱重工業、Nihon Arm 公司三方所參與的二次系統主要配管減薄管理的失誤：需要管理的位置從最初的管理清單中遺漏，直到事故發生都未能更正。
從哪些線索查明了原因
- 破損處的壁厚局部減少到 0.4 mm 斷裂處的變形: 在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損）
- 內表面有像魚鱗般的花樣（NRC） 破斷面與裂縫的外觀: 內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸，並且變薄
- 孔口板的下游流動紊亂 周圍環境: 高速流動、液滴或含顆粒的流動
- 配管是碳鋼 材料: 一般碳鋼、低合金鋼
- 有約 140℃ 的水在流動 使用溫度: 中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等）
- 從 1976 年開始運轉 損壞前的期間: 數年以上
以這些線索開啟診斷指引，流動造成的壁厚減薄會排在第一名。
相關的破損形態: 流動造成的壁厚減薄（沖蝕腐蝕）
事後改變的設計、標準與檢查
- 管理壓水式發電廠配管壁厚減薄的指針（PWR 管理指針）經過修訂，明確了管理的方法。
- 日本政府要求日本機械學會制定配管壁厚管理的標準，並表示會及早將該標準用作安全管制的判斷基準。日本機械學會發行了〈配管減薄管理相關規格（JSME S CA1-2005）〉，並於 2006 年發行壓水式與沸水式發電廠配管減薄管理的技術規格（JSME S NG1-2006、JSME S NH1-2006）。
- 電氣事業法施行規則經過修訂，明確了定期業者檢查的對象與方法。
- 業者採取了貫徹經營方針、重新檢討組織等防止再發的措施，製造商也改善了登錄遺漏的對策與品質保證的機制。
可以學到的事
- 壁厚減薄是局部且難以預測的損傷。要優先量測孔口板或 T 形接頭下游等流動紊亂的地方。
- 需要將檢查對象無遺漏地登錄，並建立發現與更正清單遺漏的機制。最初的遺漏，直到事故發生為止十多年都沒有更正。
- 即使鋼中只含少量的 Cr，流動加速腐蝕也會變慢。更換配管時，就是重新選擇材料的機會。
- 同樣的損傷也會發生在火力發電廠或石化廠，需要跨產業的對策。