(57)【要約】【課題】配管に、より大きな圧縮残留応力を付与することができる配管の残留応力改善方法を提供する。【解決手段】内部に水１７が存在する配管１の外面に、溶接部２の上流および下流に一対の拘束部材４、外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂを取り付ける。外側容器１５Ａ，１５Ｂ内にドライアイス２２を投入し、配管１内の水１７を冷却する。各外側容器の位置で配管１内に氷栓２３が形成される。その後、内側容器１６Ａ，１６Ｂ内にドライアイス２２を投入し、氷栓２３間に存在する水１７を冷却する。この水１７は凍り始めて体積が膨張し、氷栓２３間において配管１が半径方向に押し広げられる。溶接部２および配管１の拘束部材４が接触した位置で、塑性変形が生じる。溶接部２および配管１の拘束部材４が接触した位置のそれぞれの内面に圧縮残留応力が付与される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管の残留応力を改善する応力改善領域から離れた位置で前記配管の外面を取り囲んで、前記配管の半径方向に広がる変形を抑制する拘束部材を配置し、その後、前記応力改善領域の外面を前記拘束部材によって取り囲んでいない状態で前記配管内の圧力を上昇させて、前記応力改善領域、および前記配管の前記拘束部材に接触している箇所を塑性変形させることを特徴とする配管の残留応力改善方法。
【請求項２】
前記応力改善領域が前記配管の溶接部を含んでおり、前記拘束部材の配置は前記溶接部の上流および下流においてそれぞれ行われる請求項１に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項３】
前記拘束部材が配置されるとき、前記拘束部材が前記配管の外面に接触される請求項１または２に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項４】
前記配管が前記塑性変形された後、前記配管内の圧力を低下させる請求項１に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項５】
前記配管内の圧力の上昇は、前記応力改善領域から離れた位置で前記配管に設けられた弁を全閉状態にし、その後、前記弁から前記応力改善領域に向う方向で前記応力改善領域から離れた位置で前記配管に設けられたポンプによって前記配管内の液体を昇圧することによって行われる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項６】
前記配管内の圧力の上昇は、水が存在する前記配管内で前記応力改善領域の上流および下流の二箇所に氷栓を形成し、前記拘束部材の配置位置が間に存在する前記氷栓間で前記配管内に存在する水を凍らせることによって行われる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項７】
前記配管の厚さをＴ、前記配管の内半径をＲ、前記上流に配置された前記拘束部材と前記下流に配置された前記拘束部材の間の距離をＤとしたとき、距離Ｄが
２√ＲＴ＜Ｄ＜５√ＲＴ
となるように、それぞれの前記拘束部材を配置する請求項２に記載の配管の残留応力改善方法。
【請求項８】
前記応力改善領域が、前記上流に配置された前記拘束部材と前記下流に配置された前記拘束部材の間の真中の位置を基点にして、上流側および下流側にそれぞれ０．３Ｄ以内の範囲に位置されている請求項２または７に記載の配管の残留応力改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の残留応力改善方法に係り、特に、配管の溶接部付近の残留応力を改善するのに好適な配管の残留応力改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントで使用される配管では、溶接が行われると溶接部近傍には残留応力が発生する。また、高温水配管には耐食性を考慮してステンレス鋼製配管またはニッケル合金鋼製配管を用いることが多い。ステンレス鋼およびニッケル合金鋼等を用いた配管では、配管の溶接部に引張残留応力が付与されたまま高温純水中に長時間曝されると、応力腐食割れを発生する恐れがある。したがって、溶接により発生した残留応力は、改善することが望ましい。
【０００３】
配管の溶接部の残留応力を改善する方法として、配管内に形成した氷栓（アイスプラグ）を利用する方法が、特開２００５−９５９４８号公報および特開２００６−３３４５９６号公報にて提案されている。
【０００４】
特開２００５−９５９４８号公報に記載された配管の残留応力改善方法は、配管の溶接部の上流側と下流側の二箇所に冷媒容器をそれぞれ取り付けて配管内に氷栓をそれぞれ形成し、これらの氷栓間の水を凍らせて凍った氷の体積膨張によって配管を塑性変形させる。この塑性変形によって配管の内面に圧縮残留応力が付与される。配管の塑性変形時において配管の最大塑性変形量を制限するために、配管の塑性変形させる箇所（例えば、溶接部）の外面に、拘束治具を取り付けている。
【０００５】
特開２００６−３３４５９６号公報に記載された配管の残留応力改善方法は、配管の溶接部の上流側と下流側の二箇所に氷栓形成用の冷媒容器をそれぞれ取り付け、これらの冷媒容器と溶接部の間の二箇所に拡管用の冷媒容器をそれぞれ取り付ける。氷栓形成用の各冷媒容器によって配管内で溶接部の上流および下流の二箇所に氷栓を形成し、拡管用の各冷媒容器によって氷栓間に存在する水を凍らせて生成された氷の体積膨張を利用して配管の溶接部付近を外側に向って押し広げる。これによって、配管の溶接部付近が塑性変形され、溶接部付近の内面に圧縮の残留応力が付与される。
【０００６】
特開平５−１５４６８３号公報も、配管の溶接部の応力を改善する方法を記載している。この応力改善方法では、溶接部の上流側および下流側で配管の周囲に拘束部材を取り付け、配管を加熱して熱膨張させている。配管の熱膨張時において拘束部材により配管に締め付け力を与え、円周方向応力のみならず軸方向応力に対して圧縮応力を与える。これにより、配管の残留応力を改善している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９５９４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３３４５９６号公報
【特許文献３】特開平５−１５４６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開２００５−９５９４８号公報に記載された配管の残留応力改善方法では、溶接部の外面を含めて応力を改善する位置で配管を取り囲んで拘束治具を取り付けている。配管の溶接部近傍は、溶接金属が必要以上の寸法に盛り上がった余盛が形成される。拘束治具は、配管の最大塑性変形量を制限する機能を有しているが、余盛を考慮して作成する必要がある。しかしながら、余盛の形状は溶接部毎に異なっているため、溶接部毎に余盛を考慮して拘束冶具を作成しなければならないが、余盛の形状に合せて拘束治具を作成することは困難である。配管の溶接部の余盛が大きい場合には、配管内の氷の体積膨張によって配管が拡管されても余盛が拘束治具の内面に接触し、溶接部の拡管が拘束治具によって制限されて不十分になる可能性がある。このため、配管の溶接部において残留応力の改善が予定通り行われない可能性がある。
【０００９】
特開平５−１５４６８３号公報に記載された拘束部材を用いる配管の応力改善方法では、加熱による配管の熱膨張もしくは肉盛溶接の収縮を利用して拘束部材により配管を締付ける。このため、配管の拘束部材に接触している部分では、特開平５−１５４６８３号公報の図３に記載されているように、大きな軸方向の引張応力を生じる。
【００１０】
本発明の目的は、配管に、より大きな圧縮残留応力を付与することができる配管の残留応力改善方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、配管の残留応力を改善する応力改善領域から離れた位置で配管の外面を取り囲んで、配管の半径方向に広がる変形を抑制する拘束部材を配置し、その後、応力改善領域の外面を拘束部材が取り囲んでいない状態で配管内の圧力を上昇させて、応力改善領域、および配管の拘束部材に接触している箇所を塑性変形させることにある。
【００１２】
配管の応力改善領域から離れた位置で配管の外面を取り囲んで拘束部材を配置し、配管内の圧力を上昇させて配管の拘束部材に接触している箇所を塑性変形させるので、配管の応力改善領域の内面に大きな圧縮残留応力を付与することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、配管の応力改善領域（例えば、溶接部）に、より大きな圧縮残留応力を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明者らは、配管の溶接部および溶接部付近においてこれらの内面により大きな圧縮残留応力を付与することができる方法を検討した。この結果、発明者らは、溶接部付近に拘束部材を取り付けた配管内の圧力を高めて、配管の応力改善領域（溶接部等）、および配管の拘束部材と接触する箇所を塑性変形させることが望ましいことを新たに見出した。この塑性変形によって、配管の応力改善領域の内面により大きな圧縮残留応力を付与することができる。このため、配管において応力腐食割れが発生する確率をさらに低減することができる。配管に拘束部材を取り付けた状態で配管内の圧力を高める方法として、配管内の水を凍らせることによる氷の体積膨張を利用する方法、および配管内の水を加圧してこの水の圧力を高める方法がある。
【００１５】
以上の検討結果を反映した本発明の実施例を、以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の好適な一実施例である実施例１の配管の残留応力改善方法を、図１を用いて説明する。本実施例を、発電プラントにおける配管の溶接部近傍の残留応力を改善する場合を例にとり説明する。
【００１７】
発電プラントの、ステンレス鋼製（またはニッケル合金製）の配管１は、その端部を突合せ溶接にて接合されている。この突合せ溶接により、配管１の溶接部２、およびこの溶接部２の両側で溶接部２に隣り合って存在する、溶接の熱により機械的性質に変化を生じた熱影響部３の内面には、応力腐食割れの原因となる引張残留応力が生じている。配管１の溶接部２および熱影響部３は、突合せ溶接により引張残留応力が生じているため、応力を改善する必要がある範囲である。
【００１８】
溶接部２および熱影響部３の残留応力を改善すべき配管１には、図１（Ａ）に示すように、ポンプ５および開閉弁８が設けられている。配管７がポンプ５の上流および下流で配管１に接続され、圧力調節弁６が配管７に設けられている。
【００１９】
配管１の外径を測定する位置を決定する。外径の測定位置は、溶接部２の近傍および拘束部材４を取り付けた位置の近傍にすることが好ましい。内圧上昇に伴う配管１の塑性変形でそれらの位置が分からなくならいように、決定した外径の測定位置に対して配管１の外面に油性ペン等でそれぞれマーキングを行う。これらのマーキングを用いて外径の測定位置を測定し、得られた測定値を外径の測定位置の初期値として記録する。これらを測定する際には、配管１の厚さのばらつきを考慮し、溶接部２の近傍および取り付けられた拘束部材４の近傍において配管１の軸心に垂直なそれぞれの断面内で二箇所以上を測定する。マーキングを用いて外径を測定する替りに、溶接部２の近傍および取り付けられた拘束部材４の近傍で配管１の外面にそれぞれストレインゲージを貼り付け、これらのストレインゲージを用いて配管１の周方向のひずみを測定して配管１の変形量を測定してもよい。このように配管１の外径を測定する位置を決めて、配管の外径の変化量を測定することで、配管１が膨張した時に配管１全体が塑性変形をしているか確認できる。
【００２０】
溶接部２の上流および下流、具体的には熱影響部３の上流および下流で、ステンレス鋼製の円環状の拘束部材４を配管１にそれぞれ取り付ける（図１（Ｂ）参照）。拘束部材４は２つの半円部材を含んでおり、拘束部材４を配管１に取り付けるときにはそれらの半円部材を配管１の周囲に配置して互いにボルト等を用いて結合する。拘束部材４の内面は配管１の外面に接触している。一対の拘束部材４間の配管１の外面はいかなる拘束部材でも拘束されていない。溶接部２および熱影響部３の各外面も拘束部材で拘束されていない。
【００２１】
開閉弁８を全閉状態にし、圧力調節弁６を全開状態にする。その後、ポンプ５を駆動する。ポンプ５で昇圧された配管１内の水が、配管７を通って循環する。圧力調節弁６を徐々に閉めていき、ポンプ５より下流における配管１内の圧力を上昇させる。前述した配管１の外径測定位置で配管１の外径の変化量を測定して、設定された変形量が得られるまで、圧力調節弁６の開度を減少させる。設定された変形量は、拘束部材４と接触した配管１の位置で配管１に塑性変形が生じる変形量である。前述のように配管１内の圧力を上昇させることによって、配管１が半径方向に広がるように変形する。配管１の、拘束部材４と接触した二箇所での半径方向における変形量は、拘束部材４で拘束されている関係上、これらの位置以外での配管１のその変形量よりも小さくなる。これにより、溶接部２を中心に配管１に半径方向で外側に向かって凸となる変形が生じる（図１（Ｃ）参照）。
【００２２】
これにより、溶接部２および熱影響部３はもとより、拘束部材４と接触した配管１の位置でも、塑性変形が生じる。これは、拘束部材４も配管１内の圧力上昇によって外側に向っていくらか拡がるからである。前述のマーキングを付した位置（溶接部２の近傍および取り付けられた拘束部材４の近傍）で、それぞれ配管１の外径を測定する。配管１の内圧上昇によって溶接部２および拘束部材４が接触している配管１の位置で塑性変形が生じ、それらの位置での外径の測定値が設定値に到達したとき、圧力調節弁６の開度を増大させ、溶接部２および熱影響部３等での配管１内の圧力を低減する。応力改善領域である溶接部２および熱影響部３における半径方向で外側に向かう変形量は、拘束部材４と接触した位置での配管１のその変形量よりも大きくなる。ポンプ５の駆動が停止され、拘束部材４が配管１から取り外される。圧力調節弁６の開度の増大は、前述したストレインゲージで測定されたひずみが設定値に到達したときに行っても良い。
【００２３】
図２は配管１を塑性変形させて拘束部材４を取り外した後における配管１の形状を示している。配管１内の水の加圧による塑性変形により、溶接部２および熱影響部３の内面に、圧縮残留応力が付与される。配管１は２つの拘束部材４を取り付けられて塑性変形されたので、拘束部材４を取り外した配管１は、溶接部２では半径方向において外側に向かって突出し、拘束部材４を取り付けた位置では内側に向かって窪んでいる形状を有する。このように、配管１の、拘束部材４が接触している位置で塑性変形が生じるので、本実施例では、溶接部２および熱影響部３の内面における圧縮残留応力は、拘束部材４を取り付けないで配管１の内圧上昇で付与された圧縮残留応力よりも大きくなる。
【００２４】
配管１の拘束部材４に接触していた箇所および溶接部２においてそれぞれ生じる軸方向の残留応力について説明する。配管１の拘束部材４に接触していた箇所では、配管１の半径方向の中央部に引張残留応力が生じ、配管１の内面１０側および外面１１側には圧縮残留応力１２が生じる。配管１の拘束部材４に接触していた箇所では、配管１の内側に向かって窪んでいるが、配管１の全体が内圧によって半径方向において外側に広がって塑性変形するときに内面１０側に前述したように圧縮残留応力１２が生じる。配管１の拘束部材４に接触していた箇所が、圧縮残留応力が生じる程度に塑性変形されるため、溶接部２における配管１の半径方向における残留応力の分布は、図４に示すようになる。すなわち、配管１の内面１０側に大きな残留圧縮応力１２が生じる。溶接部２の配管１の外面１１側には、引張残留応力１３が生じている。
【００２５】
本実施例は、配管１の残留応力を改善する領域（例えば、溶接部１および熱影響部３）の上流および下流で配管１に、配管１を取り囲む拘束部材４をそれぞれ接触させて設置し、ポンプ５による水圧の増加によって配管１内の圧力を増加させて溶接部２および熱影響部３だけでなく拘束部材４の接触部でも配管１を塑性変形させている。このため、本実施例で配管１の、拘束部材４で外面が拘束されていない溶接部２および熱影響部３の内面に、特開２００６−３３４５９６号公報に記載された、拘束部材４を設けていないそれぞれの残留応力改善方法よりも大きな圧縮残留応力を付与することができる。本実施例は、拘束部材を取り付けていない溶接部２および熱影響部３、および配管１の、拘束部材４を取り付けた位置のそれぞれを配管１内の圧力上昇により変形させるために、特開２００５−９５９４８号公報に記載された、溶接部および熱影響部等に拘束部材を配置した配管の残留応力改善方法よりも、拘束部材４が接触している位置における配管１の内面の引張残留応力を低減させることができる。
【００２６】
このような本実施例は、特開２００５−９５９４８号公報および特開２００６−３３４５９６号公報にそれぞれ記載された残留応力改善方法において内面に圧縮残留応力を付与することができない可能性がある外径が大きな配管１（例えば、外径が６０ｍｍ以上の配管）に対しても、溶接部２および熱影響部３の内面に圧縮残留応力を付与することができる。したがって、本実施例は、外径が大きな配管１での応力腐食割れを防止することができる。本実施例は、外径が６０ｍｍ未満の外径が小さい配管１においても、当然のことながら、溶接部２および熱影響部３の内面に圧縮残留応力を付与することができる。
【００２７】
本実施例では、配管１内の圧力を上昇させるときに開閉弁８を全閉状態にしているので、配管１の内圧がこの開閉弁８にも作用する。このため、その圧力は、実施例２で詳細に説明するように、配管１の軸方向への引き伸しにも作用する。配管１の半径方向で外側に向う変形によって生じる圧縮残留応力に、配管１の軸方向への引き伸ばしによって生じる圧縮残留応力が付加される。したがって、本実施例は、配管１の残留応力をさらに改善することができる。
【００２８】
拘束部材４を１個だけ熱影響部３の上流（または下流）で配管１の外面に接触させて取り付けて、前述のように配管１内の圧力を高めてもよい。この場合は、配管１の内圧の増大によって、溶接部２、溶接部２の上流側及び下流側の両方の熱影響部３、および配管１の、拘束部材４と接触している位置で塑性変形を生じる。このため、溶接部２および両方の熱影響部３の内面に圧縮残留応力が付与される。拘束部材４と接触している位置で塑性変形による残留応力の改善効果は、溶接部２、および拘束部材４に近い熱影響部３で大きくなり、溶接部２を基点にして拘束部材４の反対側に位置する熱影響部３では小さくなる。
【００２９】
本実施例において、配管１に取り付ける拘束部材４の厚さを、図３に示す配管１の半径方向の残留応力分布を得る際に用いた拘束部材４のそれよりも厚くしても良い。厚さの厚い一対の拘束部材４を図１（Ｂ）と同じ位置に取り付けて前述したように配管１内の圧力を高めることによって、溶接部２および熱影響部３、および配管１の、拘束部材４を取り付けた位置のそれぞれを半径方向の外側に広げて塑性変形させる。この場合、配管１の拘束部材４と接触する部分での半径方向における残留応力の分布は図５に示すようになり、特開平５−１５４６８３号公報において配管の拘束部材と接触する箇所で生じる引っ張り残留応力よりも小さくなった引っ張り残留応力１３が配管１の内面１０側に形成される。このような場合でも、拘束部材４間における配管１の塑性変形が、特開２００５−９５９４８号公報および特開２００６−３３４５９６号公報にそれぞれ記載された残留応力改善方法よりも大きくなり、溶接部２および熱影響部３の内面に生じる残留圧縮応力も大きくなる。外径が小さい配管はもとより、例えば、外径が６０ｍｍ以上の外径の大きな配管に対しても、溶接部２および熱影響部３の内面に圧縮残留応力を付与することができる。拘束部材４の厚さが厚くなりすぎると、配管１の、拘束部材４を取り付けた位置で塑性変形が生じなくなる。このため、拘束部材４の厚みは配管１の、拘束部材４を取り付けた位置で塑性変形が生じるように設定する。
【実施例２】
【００３０】
本発明の他の実施例である実施例２の配管の残留応力改善方法を、図６を用いて説明する。本実施例の配管の残留応力改善方法を適用する配管１は、発電プラントに設けられた配管であり、ステンレス鋼製で外径が６０ｍｍで厚さが５ｍｍである。
【００３１】
応力改善領域である溶接部２および熱影響部の残留応力を改善すべき配管１には、実施例１と同様に、一対の拘束部材４が溶接部２の上流および下流で、具体的には、熱影響部の上流および下流で配管１を取り囲んで配管１に取り付けられる。さらに、外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂが配管１の外面に取り付けられる（図６（Ａ）参照）。配管１内には水１７が満たされている。
【００３２】
拘束部材４の配管１への取り付けは実施例１と同様に行われる。拘束部材４は、ステンレス鋼製であり、幅が１０ｍｍであって厚さが１．５ｍｍである。一対の拘束部材４間の距離１９は５０ｍｍである。溶接部２は、一対の拘束部材４間の真ん中に位置している。拘束部材４を配管１に取り付けた状態では、拘束部材４の内径が配管１の外径と同じであり、拘束部材４の内面が配管１の外面に接触している。
【００３３】
溶接部２から拘束部材４に向う方向において、拘束部材４から離れた位置に内側容器１６Ａ，１６Ｂが、それぞれ配置され、配管１に取り付けられる。一対の拘束部材４は内側容器１６Ａと内側容器１６Ｂの間に配置され、内側容器１６Ａと内側容器１６Ｂの間の距離は３００ｍｍである。上端が開放された内側容器１６Ａ，１６Ｂは、配管１に設置される前では上下方向にそれぞれ二分割されており、上下方向で配管１を挟んで取り付けた後に二分割された構造を互いにボルトにて結合される。内側容器１６Ａ，１６Ｂの配管１の軸方向におけるそれぞれの長さは２００ｍｍである。
【００３４】
溶接部２を基点にてして内側容器１６Ａ，１６Ｂから離れた位置に、外側容器１５Ａ，１５Ｂが配置される。内側容器１６Ａ，１６Ｂが外側容器１５Ａと外側容器１５Ａの間に配置される。外側容器１５Ａと内側容器１６Ａの間に形成された間隙２１、および外側容器１５Ｂと内側容器１６Ｂの間に形成された間隙２１のそれぞれの幅は、１００ｍｍである。上端が開放された外側容器１５Ａ，１５Ｂは、配管１に設置される前では上下方向にそれぞれ二分割されており、上下方向で配管１を挟んで取り付けた後に二分割された構造を互いにボルトにて結合される。外側容器１５Ａ，１５Ｂの配管１の軸方向における長さも２００ｍｍである。
【００３５】
実施例１と同様に、溶接部２の近傍および取り付けられた拘束部材４の近傍に設定した配管１の外径を測定する位置にそれぞれマーキングをする。
【００３６】
内側容器１６Ａ，１６Ｂおよび外側容器１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ内部が空洞になっている。内側容器１６Ａ，１６Ｂおよび外側容器１５Ａ，１５Ｂ内に、配管１が浸る程度にエチルアルコール１８を注入する。エチルアルコール１８が充填された外側容器１５Ａ，１５Ｂ内に、上端の開口からドライアイス２２を投入する。投入されたドライアイス２２によって、外側容器１５Ａで取り囲まれた位置で配管１内の水１７および外側容器１５Ｂで取り囲まれた位置で配管１内の水１７が冷却される。このため、配管１内のそれぞれの位置で水１７が凍って氷栓２３が形成される（図６（Ｂ）参照）。氷栓２３間の水１７は、氷栓２３によって密封される。より強固なシール機能を発揮する氷栓２３を配管１内に形成するために、予め実験等により求められた氷栓２３が形成される時間よりも長い時間に亘って、外側容器１５Ａ，１５Ｂ内のドライアイスによる配管１の冷却を継続する。これにより、強固に配管１の内面に凍りついた一対の氷栓２３が形成され、これらの氷栓２３の間に水１７が満たされた密封領域が形成される。
【００３７】
図６（Ｃ）に示すように、エチルアルコール１８が充填された内側容器１６Ａ，１６Ｂ内にドライアイス２２を投入する。内側容器１６Ａ，１６Ｂ内のドライアイス２２によって、氷栓２３間に存在する水１７が冷却される。内側容器１６Ａ，１６Ｂを取り付けた各位置では配管１が氷点下に冷却され、氷栓２３間に存在する水１７が凍り始める。水１７が氷になると体積が膨張するため、氷栓２３間に存在する水１７の圧力が上昇し始める。氷栓２３間で配管１内の圧力が上昇し、この圧力上昇によって配管１が内側容器１６Ａと内側容器１６Ｂの間で半径方向において外側に向って押し広げられる。マーキングした各測定位置（溶接部２の近傍および取り付けられた拘束部材４の近傍）で配管１の外径をそれぞれ測定する。各外径の測定値が設定値に到達したかを確認する。外径の測定値が設定値に達していないときには、内側容器１６Ａ，１６Ｂ内のドライアイス２２による配管１の冷却を継続する。外径の測定値が設定値に達したとき、外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂ内のドライアイス２２を外部に排出し、ドライアイス２２による配管１の冷却を停止する。配管１の外径の増大量としては、外径の１％とする。配管１の外径が６０ｍｍであれば、溶接部２および配管１の、拘束部材４と接触している位置で約０．６ｍｍ程度の増大が確認された後に、冷却を停止する。
【００３８】
配管１の変形により配管１の上記した各位置での外径が設定値に達したとき、配管１の拘束部材４と接触している位置、および応力改善領域で、配管１は塑性変形している。応力改善領域（溶接部２および熱影響部）の塑性変形は、配管１の拘束部材４と接触している位置での塑性変形よりも大きくなっている。
【００３９】
外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂ内のドライアイス２２を外部に排出して配管１内の氷が全て融解して水１７になった後、拘束部材４、外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂを配管１から取り外す。外側容器１５Ａ，１５Ｂおよび内側容器１６Ａ，１６Ｂは、冷却停止後であるならば、配管１内の氷が全て融解する前に撤去することもできる。これらが取り外された状態では、図６（Ｄ）に示すように、配管１に取り付けられていた内側容器１６Ａと内側容器１６Ｂの間で、配管１が、溶接部２では半径方向において外側に向かって突出し、拘束部材４を取り付けた位置では半径方向において内側に向かって窪んでいる形状を有する。この形状は、図２に示す配管１の形状と同じである。
【００４０】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。氷栓２３間に存在する水１７を冷却する本実施例では、配管１内の圧力が上昇した際に、この圧力は、配管１を半径方向において外側に向って押し広げるだけでなく、配管１の軸方向において配管１の内面に付着している各氷栓２３に作用して配管１を軸方向に引き伸ばす。このため、配管１の軸方向の残留応力に対しては軸方向の応力が加わるので、配管１の半径方向で外側に向う変形によって生じる圧縮残留応力に、配管１の軸方向への引き伸ばしによって生じる圧縮残留応力が付加される。本実施例も、残留応力をさらに改善することができる。
【００４１】
発明者らは、実施例１および２の配管の残留応力改善方法を対象に、配管１に生じる残留応力を、有限要素法を用いて解析し、これらの実施例における応力改善の機構を明らかにした。図７（Ａ）は、上記の解析に用いた、実施例１および２に対応したモデルを示している。このモデルは、ステンレス鋼製で外径が６０ｍｍ、肉厚が５ｍｍの配管１を対象としたもので、ステンレス鋼製の一対の拘束部材４を配管１の外面を取り囲むように各拘束部材４の内面を配管１の外面に接触させて配置している。そのモデルにおいて、拘束部材４の幅は１０ｍｍ、拘束部材４の厚みは１．５ｍｍであり、一対の拘束部材４間の距離Ｄは１０ｍｍ、５０ｍｍおよび１００ｍｍと変化させた。配管１の内面に加える圧力は、０ＭＰａの状態から７１．３３ＭＰａまで上昇させ、この圧力が７１．３３ＭＰａまで上昇した後に０ＭＰａまで低下させた。配管１の内面に加わる圧力が０ＭＰａまで低下した後に、拘束部材４を配管１から除去した。
【００４２】
配管１の内圧を上昇させたときおよびその内圧を低下させたときに、配管１に生じる応力およびひずみの変化について、まず、説明する。配管１の内圧の上昇時および低下時における配管１の、拘束部材４から十分に離れた位置での応力とひずみは、図８に示すように変化する。図８（Ａ）は、配管１の内圧の上昇時および低下時での配管１の内面および外面における軸方向の応力とひずみの変化を示している。軸方向の応力の変化は、図８（Ｂ）に示す配管１の内圧の上昇時および低下時における配管１の内面および外面の周方向の応力とひずみの変化、および図８（Ｃ）に示す配管１の内圧の上昇時および低下時における配管１の内面および外面の半径方向の応力とひずみの変化に基づいて説明することができる。図８（Ｂ）および図８（Ｃ）によれば、配管１の周方向のひずみは半径方向のひずみより絶対値が大きいために、配管１の軸方向には周方向と逆符号のひずみが生じる。
【００４３】
内圧が上昇するとき、配管１の周方向および半径方向では、それぞれ内面と外面においてひずみに差が生じる。ここで、配管１の周方向のひずみが約０．２％を超えたとき、配管１が塑性変形を開始する。塑性変形が開始された場合には配管１の周方向のひずみの差より半径方向のひずみの差が大きくなるので、配管１の内面の軸方向応力は圧縮応力となる。配管１は塑性変形しているために、内面に圧縮応力が残留する。図８（Ｂ）に示す配管１の周方向の応力の変化に注目する。配管１の内面には圧力が作用しているので、配管１の内面は配管１の外面より低い応力で塑性変形を開始する。これにより、配管１の内面と外面に応力差が生じて、配管１の内部の圧力が低下したとき、この応力差により、配管１の内面を圧縮応力にすることができる。このような理由により、配管１の内圧を上昇させて配管１が塑性変形するまで配管１を半径方向において外側に向かって変形させることによって、配管１の内面の軸方向および周方向のそれぞれの残留応力を圧縮応力にすることができる。
【００４４】
図７（Ａ）に示すモデルを用いた有限要素法による、配管１に生じる残留応力の解析結果を図７（Ｂ）に示す。この残留応力は、配管１の内面での軸方向の応力である。図７（Ｂ）の横軸は、配管１に取り付けられた一対の拘束部材４間の真中、すなわち、一方の拘束部材４からの距離２５と他方の拘束部材４からの距離２６が等しくなる、配管１の内面における位置を基点２７とし、基点２７からの配管１の軸方向における距離２８を示している。縦軸は軸方向応力を示している。基点２７から拘束部材４に向う１０ｍｍまでの領域を、残留応力を改善すべき応力改善領域２９として、有限要素法により、配管１に生じる残留応力の解析を行った。拘束部材４の間の距離Ｄが２√ＲＴより小さい１０ｍｍの場合は、一対の拘束部材４が近づき過ぎるために、応力改善領域２９内で軸方向応力が引張残留応力になっている。この場合の周方向応力は圧縮残留応力である。Ｒは配管１の内半径であり、Ｔは配管１の厚さである。距離Ｄが２√ＲＴより大きく５√ＲＴより小さい５０ｍｍの場合は、拘束部材４を取り付けない場合と比較して、応力改善領域２９内の軸方向応力が大きな圧縮残留応力になっている。距離Ｄが５０ｍｍの場合には、応力改善領域２９内の周向応力も大きな圧縮残留応力になっている。距離Ｄが５√ＲＴより大きい１００ｍｍの場合は一対の拘束部材４が互いに離れ過ぎるために、応力改善領域２９内では拘束部材４を取り付けたことによる応力改善効果が得られない。以上の検討結果に基づけば、一対の拘束部材４は、２√ＲＴ＜Ｄ＜５√ＲＴを満たすように、配管１に取り付けることが望ましい。
【００４５】
次に、有限要素法により２√ＲＴ＜Ｄ＜５√ＲＴを満たす距離Ｄが３０ｍｍ、４０ｍｍおよび５０ｍｍについて配管１に生じる軸方向残留応力の解析を行った結果を図９に示す。距離Ｄが３０ｍｍでは基点２７から９．５ｍｍ以内、距離Ｄが４０ｍｍでは１２．８ｍｍ以内、距離Ｄが５０ｍｍでは１５．５ｍｍ以内に応力改善領域２９が位置するように拘束部材４を取り付けることで、残留応力改善効果を高めることができる。以上の検討結果に基づけば、応力改善領域２９が基点２７から０．３Ｄ以内に位置するように拘束部材４を取り付けることが望ましい。
【００４６】
実施例１および２におけるそれぞれの配管の残留応力改善方法では、前述したように、配管１の内圧上昇は、前述したように、配管１を半径方向において外側に向って変形させるだけでなく、配管１を軸方向に引っ張る力も発生させる。この引張り力によって、配管１の軸方向に引張応力が生じる。配管１の軸方向に生じる引張応力に相当する荷重を配管１の端部に負荷した場合の、有限要素法を用いた解析による残留応力の分布を、図１０に示す。配管１の内圧が上昇した際に、軸方向応力が生じることで、配管１の軸方向応力および周方向応力共に、軸方向応力に相当する荷重を負荷しない場合に比べて高い残留応力改善効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の配管の残留応力改善方法の工程を示す説明図であり、（Ａ）は実施例１の残留応力改善方法を適用する配管系の構成図、（Ｂ）は配管に一対の拘束部材を取り付けた状態を示す説明図、および（Ｃ）は配管内の圧力を上昇させて実施例１の残留応力改善方法を実施した後の配管の変形状態を示す説明図である。
【図２】図１（Ｃ）の状態から一対の拘束部材を取り外した状態を示す説明図である。
【図３】図２のIII部の拡大図である。
【図４】図２のIV部の拡大図である。
【図５】配管の内圧が異なる場合における図２のIII部の拡大図である。
【図６】本発明の他の実施例である実施例２の配管の残留応力改善方法の工程を示す説明図であり、（Ａ）実施例２の残留応力改善方法を適用する配管に拘束部材等を取り付けた状態を示す説明図、（Ｂ）は一対の外側容器内のドライアイスを用いて配管内に一対の氷栓を形成した状態を示す説明図、（Ｃ）は配管内の氷栓間の圧力を上昇させて配管を外側に向って変形させた状態を示す説明図および（Ｄ）は実施例２の残留応力改善方法を実施した後における配管の変形状態を示す説明図である。
【図７】実施例１および２における配管の残留応力改善方法によって配管の内面に生じた残留応力の解析結果を示す説明図であり、（Ａ）はその解析に用いたモデルの説明図、（Ｂ）は一対の拘束部材間の距離を変えた場合における配管の軸方向応力および周方向応力を示す特性図である。
【図８】配管の内圧を変化させた場合における応力とひずみの関係を示す特性図であり、（Ａ）は配管の軸方向応力および軸方向ひずみの変化を示す特性図、（Ｂ）は配管の周方向応力および周方向ひずみの変化を示す特性図、および（Ｃ）は配管の半径方向応力および半径方向ひずみの変化を示す特性図である。
【図９】一対の拘束部材間の距離を変えた場合における配管の溶接部の軸方向応力を示す特性図である。
【図１０】実施例１および２の残留応力改善方法を適用した後における配管の軸方向応力および周方向応力を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…配管、２…溶接部、３…熱影響部、４…拘束部材、５…ポンプ、８…開閉弁、１０…配管内面、１１…配管外面、１５Ａ，１５Ｂ…外側容器、１６Ａ，１６Ｂ…内側容器、１７…水、１８…エチルアルコール、２２…ドライアイス、２３…氷栓。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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