(57)【要約】【課題】より短い時間で、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を精度良く評価することができるウォータージェットピーニングの残留応力評価方法を提供する。【解決手段】ＷＪＰ施工対象物及びノズルの形状、及び噴射距離に基づいてメッシュを含む解析モデルを作成する（Ｓ１）。ＷＪＰの施工条件を入力し（Ｓ２）、ノズルから噴射された噴流等を対象に、噴流解析を行って、キャビテーション気泡の気泡内圧力ｐＢｉ及び気泡数密度ｎｇｉを算出する（Ｓ３）。気泡内圧力ｐＢｉ及び気泡数密度ｎｇｉに基づいてキャビテーションエネルギを算出する（Ｓ４）。キャビテーションエネルギＣを用いてキャビテーション気泡の崩壊圧を算出する（Ｓ５）。キャビテーション気泡の崩壊圧に基づいてＷＪＰ施工対象物の圧縮残留応力を算出する（Ｓ６）。【選択図】図１
2011200966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォータージェットピーニング施工条件を用いた、ウォータージェットピーニングに用いられるノズルから噴出する噴流の噴流解析により、前記噴流に含まれる気泡の気泡内圧力及び気泡数密度を算出する第１工程、前記気泡内圧力及び前記気泡数密度を用いてキャビテーションエネルギを算出する第２工程、前記キャビテーションエネルギに基づいて前記気泡の崩壊圧を算出する第３工程、前記気泡の崩壊圧を用いて、ウォータージェットピーニングが施工されるウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を算出する第４工程を有することを特徴とするウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項２】
前記第１工程の前記気泡内圧力及び前記気泡数密度の算出が、前記ウォータージェットピーニング施工対象物にウォータージェットピーニングを施工したときの前記ウォータージェットピーニング施工条件を用いて行われ、
前記第４工程の前記残留応力の算出が、前記ウォータージェットピーニングが施工された前記ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を算出することである請求項１に記載のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項３】
前記第１工程の前記気泡内圧力及び前記気泡数密度の算出が噴流解析手段によって行われ、前記第２工程の前記キャビテーションエネルギの算出がキャビテーションエネルギ算出手段によって行われ、前記第３工程の前記気泡の崩壊圧の算出が気泡崩壊圧算出手段によって行われ、前記第４工程の前記残留応力の算出が応力解析手段によって行われる請求項１または２に記載のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項４】
前記第１工程の前記気泡内圧力及び前記気泡数密度の算出が、前記ウォータージェットピーニング施工対象物にウォータージェットピーニングを施工する前に、同じ種類の前記ウォータージェットピーニング施工条件の値を変えて行われ、
前記第４工程の前記残留応力の算出が、前記ウォータージェットピーニングが施工される前に行われ、
さらに、前記ウォータージェットピーニング施工対象物の表面から設定された深さでの、前記算出された残留応力が、圧縮残留応力であるかを判定する第５工程と、前記第５工程の判定により抽出された、前記設定された深さで圧縮残留応力になっている前記残留応力のうち、選定されて入力された前記残留応力の算出に用いられた、前記ウォータージェットピーニング施工条件の値をメモリに記憶させる第６工程とを有する請求項１に記載のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項５】
前記第１工程の前記気泡内圧力及び前記気泡数密度の算出が噴流解析手段によって行われ、前記第２工程の前記キャビテーションエネルギの算出がキャビテーションエネルギ算出手段によって行われ、前記第３工程の前記気泡の崩壊圧の算出が気泡崩壊圧算出手段によって行われ、前記第４工程の前記残留応力の算出が応力解析手段によって行われ、第５工程の前記算出された残留応力が圧縮残留応力であるかの判定が残留応力判定手段によって行われる請求項４に記載のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項６】
気泡内圧力がｐＢ、気泡数密度がｎｇ、気泡内圧力ｐＢの気泡が含まれている解析格子の体積がΔＶ、評価空間の体積がＶ、定数がｋ２であるとき、キャビテーションエネルギＣが（１）式によって算出され、
【数１】
2011200966.tif 000013
キャビテーションの崩壊圧Ｐが（２）式によって求められる、
【数２】
2011200966.tif 000014
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法。
【請求項７】
ウォータージェットピーニング施工対象物にウォータージェットピーニングを施工する前に、同じ種類のウォータージェットピーニング施工条件の値を変えて、ウォータージェットピーニングに用いられるノズルから噴出する噴流の噴流解析により、前記噴流に含まれる気泡の気泡内圧力及び気泡数密度を算出する第１工程、前記気泡内圧力及び前記気泡数密度を用いてキャビテーションエネルギを算出する第２工程、前記キャビテーションエネルギに基づいて前記気泡の崩壊圧を算出する第３工程、前記気泡の崩壊圧を用いて、ウォータージェットピーニングが施工される前における、前記ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を算出する第４工程、前記ウォータージェットピーニング施工対象物の表面から設定された深さでの、前記算出された残留応力が、圧縮残留応力であるかを判定する第５工程と、前記第５工程の判定により抽出された、前記設定された深さで圧縮残留応力になっている前記残留応力のうち、選定されて入力された前記残留応力の算出に用いられた、前記ウォータージェットピーニング施工条件の値をメモリに記憶させる第６工程と、前記メモリに記憶されている前記ウォータージェットピーニング施工条件の値を、前記ウォータージェットピーニング施工対象物に対してウォータージェットピーニングを施工するウォータージェットピーニング装置の制御装置に入力する第７工程、前記制御装置が前記ウォータージェットピーニング施工条件の値に基づいて前記ウォータージェットピーニング装置を制御する第８工程を有することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
【請求項８】
前記ウォータージェットピーニング施工条件の値が噴射角度及び噴射距離の各値であり、
前記制御装置が、前記噴射角度の値に基づいて、前記ノズルの軸心と前記ウォータージェットピーニング施工対象物のウォータージェットピーニングを施工する表面との成す角度を、調節し、
前記制御装置が、前記噴射距離の値に基づいて、前記ノズルの軸心の延長線上での前記ノズルの先端と前記ウォータージェットピーニング施工対象物の前記表面との間の距離を調節する請求項７に記載のウォータージェットピーニング施工方法。
【請求項９】
前記第１工程の前記気泡内圧力及び前記気泡数密度の算出が噴流解析手段によって行われ、前記第２工程の前記キャビテーションエネルギの算出がキャビテーションエネルギ算出手段によって行われ、前記第３工程の前記気泡の崩壊圧の算出が気泡崩壊圧算出手段によって行われ、前記第４工程の前記残留応力の算出が応力解析手段によって行われ、第５工程の前記算出された残留応力が、圧縮残留応力であるかの判定が、残留応力判定手段によって行われる請求項７または８に記載のウォータージェットピーニング施工方法。
【請求項１０】
気泡内圧力がｐＢ、気泡数密度がｎｇ、気泡内圧力ｐＢの気泡が含まれている解析格子の体積がΔＶ、評価空間の体積がＶ、定数がｋ２であるとき、キャビテーションエネルギＣが（１）式によって算出され、
【数３】
2011200966.tif 000015
キャビテーションの崩壊圧Ｐが（２）式によって求められる、
【数４】
2011200966.tif 000016
請求項７ないし９のいずれか１項に記載のウォータージェットピーニング施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータージェットピーニングの残留応力評価方法及びウォータージェットピーニング施工方法に係り、特に、沸騰水型原子炉で施工するウォータージェットピーニングに適用するのに好適なウォータージェットピーニングの残留応力評価方法及びウォータージェットピーニング施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力プラント及び加圧水型原子力プラントでは、構造部材である炉内構造物の応力腐食割れを抑制する対策として、溶接及び加工に伴って炉内構造物に生じている引張残留応力をウォータージェットピーニング等で圧縮残留応力に転換する方法が採用されている。ウォータージェットピーニング（以下、ＷＪＰという）は、炉内構造物のＷＪＰ施工面が水に接触している状態で、この水中でノズルから高圧水を噴射させ、噴射された高圧水に含まれた微細な気泡（キャビテーション気泡）が崩壊することによって発生する衝撃波をその施工面に当てて、その施工面に生じている引張残留応力を圧縮残留応力に転換する技術である（齋藤  昇ほか、原子力プラントと炉内機器に対するウォータージェットピーニング技術の開発、噴流工学、Vol.20、No.1、(2003)、pp.4-pp.12、日本ウォータージェット学会、参照）。
【０００３】
また、ＷＪＰを施工した構造部材に生じた残留応力、例えば、圧縮残留応力を評価する手法についても、幾つかの提案がなされている。
【０００４】
特開２００９−２０９７９２号公報には、水力機械の内部流路にキャビテーションによって発生する壊食を予測する方法が記載されている。この方法は、実機の水力機械（またはモデルの水力機械）の内部流路面に圧電素子を設置し、この水力機械の所定位置に、圧電素子が発する電圧信号を光に変換する発光素子を設置し、キャビテーション発生時に発光素子が発光する光を計測し、内部流路の壊食が発生する領域及び壊食量の予測を行う。
【０００５】
特開２００８−１５５３４５号公報は、ウォータージェットピーニング施工面の残留応力評価方法を記載している。この残留応力評価方法は、ＷＪＰ施工面に生成されたピーニング痕の単位面積当たりの総面積を計測し、ピーニング痕総面積を、残留応力とピーニング痕総面積の関係式に代入し、得られた計算結果に基づいてＷＪＰ施工面の残留応力を評価している。
【０００６】
齋藤  昇ほか、原子力プラントと炉内機器に対するウォータージェットピーニング技術の開発、噴流工学、Vol.20、No.1、(2003)、pp.4-pp.12、日本ウォータージェット学会には、ＷＪＰを施工した構造部材におけるＷＪＰ施工の効果を評価するための残留応力を、Ｘ線回折法で測定することを記載している。
【０００７】
深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334では、噴流解析によりキャビテーション気泡の気泡内圧力ｐＢを、（１）式から（４）式（３３３頁参照）を用いて算出し、算出した気泡内圧力ｐＢを（５）式（３３３頁参照）に代入してキャビテーション強さＩを算出している。この深谷征史らの論文は、キャビテーション強さＩを用いて、ＷＪＰを施工したＳＵＳ板に生じる圧縮残留応力を予測することについても説明している。
【０００８】
波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336も、ＷＪＰ施工後における残留応力の評価方法を記載している。この残留応力の評価方法は、キャビテーションの崩壊圧に基づいてＷＪＰ施工後における深さ方向での残留応力を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２０９７９２号公報
【特許文献２】特開２００８−１５５３４５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】齋藤  昇ほか、原子力プラントと炉内機器に対するウォータージェットピーニング技術の開発、噴流工学、Vol.20、No.1、(2003)、pp.4-pp.12、日本ウォータージェット学会
【非特許文献２】深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334
【非特許文献３】波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特開２００９−２０９７９２号公報に記載されたように、圧電素子及び発光素子をＷＪＰ施工対象物に設置して発光素子が発光する光を計測することは、噴流を噴射するノズルを移動させるＷＪＰの施工においては、非現実的である。齋藤  昇ほか、原子力プラントと炉内機器に対するウォータージェットピーニング技術の開発、噴流工学、Vol.20、No.1、(2003)、pp.4-pp.12、日本ウォータージェット学会に記載されたＸ線回折法による残留応力の測定も、試験片にＷＪＰを施工した場合には適用可能であるが、原子力プラント等のプラントの構造物に適用することは困難である。
【００１２】
ＷＪＰ施工対象物にＷＪＰを施工しないとピーニング痕ができないので、特開２００８−１５５３４５号公報に記載された残留応力評価方法は、ＷＪＰを施工しないと残留応力を予測することはできない。
【００１３】
深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334に記載された噴流解析は、ＷＪＰではノズルから噴射される噴流を扱う関係上、この噴流、及び噴流に含まれる気泡の挙動を精度良く解析することができる。特に、気泡内圧力及び気泡数密度を精度良く算出することができる。このような気泡内圧力及び気泡数密度を用いて算出したキャビテーション強さＩの精度も高くなる。しかしながら、ＷＪＰ施工後における、ＷＪＰ施工対象物の残留応力を評価する場合には、ＷＪＰ施工対象物の表面における残留応力だけでなく、ＷＪＰ施工対象物の表面からの深さ方向における残留応力も評価する必要がある。しかしながら、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334は、ＷＪＰ施工対象物の表面からの深さ方向における残留応力の評価について、一切言及していない。キャビテーション強さＩに基づいて、ＷＪＰ施工対象物の深さ方向における残留応力を推定することは困難である。
【００１４】
また、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334に記載された、噴流解析の結果を用いて求めたキャビテーション強さＩを考慮した残留応力の評価方法では、３３４頁の「３−２  キャビテーション強さ分布と圧縮残留応力分布」及び図５に示されているように、ＷＪＰ施工時にノズルから噴射された噴流の中心から半径方向でｒ／Ｒｎ＞１．３の範囲において、キャビテーション強さＩとＷＪＰ施工対象物の表面に生じている圧縮残留応力（測定値）の相関性が高くなる。しかしながら、ｒ／Ｒｎ≦１．３の範囲、すなわち、ＷＪＰ施工対象物の表面で噴流の中心付近では、キャビテーション強さＩとＷＪＰ施工対象物の表面に生じている圧縮残留応力（測定値）のずれが大きくなっている。これは、キャビテーション強さＩに基づいて、噴流の中心付近で、ＷＪＰ施工対象物の表面に生じている圧縮残留応力を評価した場合、残留応力の評価精度が悪くなることを意味している。
【００１５】
波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336では、Ｚ軸（深さ方向の軸）を中心軸とする軸対象モデルを用い、Ｚ軸の自由度を拘束してキャビテーションの崩壊圧を変えて、ＷＪＰ施工対象物の表面からの深さ方向の残留応力を求めている。深さ方向での残留応力の解析結果が、この論文の図４に示されている。
【００１６】
キャビテーションの崩壊圧を求めることができれば、波東久光らの論文に記載された解析に基づいてＷＪＰ施工対象物の表面からの深さ方向の残留応力を求めることができる。しかしながら、施工中のＷＪＰで発生しているキャビテーションの崩壊圧を求めることは容易なことではない。この崩壊圧を求める解析手法は、まだ、確立されていない。
【００１７】
本発明の目的は、より短い時間で、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力の評価精度をさらに向上させることができるウォータージェットピーニングの残留応力評価方法及びウォータージェットピーニング施工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成する本発明の特徴は、ウォータージェットピーニング施工条件を用いた、ウォータージェットピーニングに用いられるノズルから噴出する噴流の噴流解析により、その噴流に含まれる気泡の気泡内圧力及び気泡数密度を算出する第１工程、気泡内圧力及び気泡数密度を用いてキャビテーションエネルギを算出する第２工程、このキャビテーションエネルギに基づいて気泡の崩壊圧を算出する第３工程、気泡の崩壊圧を用いて、ウォータージェットピーニングが施工されるウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を算出する第４工程を有するウォータージェットピーニングの残留応力評価方法にある。
【００１９】
噴流解析により気泡内圧力及び気泡数密度を求めているので、算出された気泡内圧力及び気泡数密度の精度が向上する。これらの気泡内圧力及び気泡数密度に基づいてキャビテーションエネルギを算出し、得られたキャビテーションエネルギに基づいて気泡の崩壊圧を算出しているので、従来算出が困難であった気泡の崩壊圧を短時間に算出することができ、算出された気泡の崩壊圧の精度も向上する。算出された気泡の崩壊圧を用いた応力解析を行うので、ＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の圧縮残留応力を精度良く算出することができる。このため、算出された圧縮残留応力の精度を向上させることができる。本発明は、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力の評価を短時間に行うことができ、この評価精度も向上する。
【００２０】
ウォータージェットピーニング施工対象物にウォータージェットピーニングを施工する前に、同じ種類のウォータージェットピーニング施工条件の値を変えて、ウォータージェットピーニングに用いられるノズルから噴出する噴流の噴流解析により、この噴流に含まれる気泡の気泡内圧力及び気泡数密度を算出する第１工程、気泡内圧力及び気泡数密度を用いてキャビテーションエネルギを算出する第２工程、このキャビテーションエネルギに基づいて気泡の崩壊圧を算出する第３工程、この気泡の崩壊圧を用いて、ウォータージェットピーニングが施工される前における、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力を算出する第４工程、ウォータージェットピーニング施工対象物の表面から設定された深さでの、算出された残留応力が、圧縮残留応力であるかを判定する第５工程と、第５工程の判定により抽出された、設定された深さで圧縮残留応力になっている残留応力のうち、選定されて入力された残留応力の算出に用いられた、ウォータージェットピーニング施工条件の値をメモリに記憶させる第６工程と、メモリに記憶されているウォータージェットピーニング施工条件の値を、ウォータージェットピーニング施工対象物に対してウォータージェットピーニングを施工するウォータージェットピーニング装置の制御装置に入力する第７工程、この制御装置がウォータージェットピーニング施工条件の値に基づいてウォータージェットピーニング装置を制御する第８工程を有することをウォータージェットピーニング施工方法によっても、上記した目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、より短い時間で、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力の評価精度をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法の処理を示すフローチャートである。
【図２】図１に示すステップＳ６の詳細な処理を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す処理を実行する電子計算機の構成図である。
【図４】沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内でのウォータージェットピーニング装置の設置状態を示す説明図である。
【図５】図４及び図２４のＶ部の拡大図である。
【図６】図５のVI−VI断面図である。
【図７】図４に示すウォータージェットピーニング装置においてノズル装置を用いて炉心シュラウドにウォータージェットピーニングを施工している状態を示す説明図である。
【図８】図７のVIII部の拡大図である。
【図９】ウォータージェットピーニング施工時におけるノズルからの噴流の状態を示す説明図である。
【図１０】キャビテーションエネルギと試験片表面での圧縮残留応力の関係を示す特性図である。
【図１１】キャビテーション気泡の崩壊圧と試験片表面での圧縮残留応力の関係を示す特性図である。
【図１２】キャビテーションエネルギとキャビテーション気泡の崩壊圧の関係を示す特性図である。
【図１３】噴流中心からの距離とキャビテーションエネルギ及び試験片表面の圧縮残留応力の関係を示す特性図である。
【図１４】噴流中心からの距離が０ｍｍの位置における、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図１５】噴流中心からの距離が１０ｍｍの位置における、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図１６】噴流中心からの距離が２０ｍｍの位置における、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図１７】噴流中心からの距離が３０ｍｍの位置における、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図１８】噴射角度が９０°であるときの、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図１９】噴射角度が６０°であるときの、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図２０】噴射角度が３０°であるときの、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図２１】噴射角度が１５°であるときの、試験片の深さ方向での残留応力の分布を示す特性図である。
【図２２】本発明の他の実施例である実施例２のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法の処理を示すフローチャートである。
【図２３】図２２に示すステップＳ６の詳細な処理内容を示す説明図である。
【図２４】本発明の他の実施例である実施例３のウォータージェットピーニング施工方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
発明者らは、より短い時間で、ウォータージェットピーニング施工対象物の残留応力の評価精度をさらに向上させることができるＷＪＰの残留応力評価方法について種々の検討を行った。この検討結果を以下に説明する。
【００２４】
発明者らは、噴流解析がＷＪＰにおいて発生する噴流及びこの噴流に含まれる気泡の挙動を精度良く解析することができるので、ＷＪＰの残留応力評価方法に噴流解析を適用することを考えた。この噴流解析では、数値解析を用いて、以下の（Ａ）〜（Ｄ）に述べるように、ノズルから水中に噴射された噴流が流れる場における気泡の挙動を計算し予測した。ここで用いる噴流解析の例が、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、３３３頁に記載されている。
【００２５】
（Ａ）ノズルから噴射された噴流、及びＷＪＰ施工対象物の周辺に存在する液体が有する流速及び圧力は、流体の運動を記述する方程式（例えばNavier-Stokes方程式）を用いて計算する。（Ｂ）その流れ場中におけるキャビテーション気泡の並進運動は、流体と同じ運動をする（スリップ速度０）と仮定するか、気泡に働く力（例えば、付加慣性力、周囲流体の加速による力、揚力、抗力等）の釣り合いを定式化した運動方程式を用いて計算する。（Ｃ）この気泡の並進運動を基に気泡数密度ｎｇ（単位体積あたりの気泡数）を変数としたスカラー輸送方程式を計算し、気泡数の空間的な分布を計算する。（Ｄ）キャビテーション気泡の膨張・収縮運動は、気泡内圧力ｐＢと気泡の周囲に存在する流体の圧力ｐＬとの関係を定式化した運動方程式（例えばRayleigh-Plesset式）を用いて計算する。
【００２６】
次に、噴流解析で得られたキャビテーション気泡内部の圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを用いてＷＪＰ施工対象物の表面に作用するキャビテーションエネルギＣを算出する。一般的にキャビテーションエネルギＣは気泡衝撃圧の２乗に比例することが知られている。気泡数の空間的な分布を加味した、所定の時間でＷＪＰ施工対象物の表面に作用するキャビテーションエネルギＣ（Ｊ）は、（１）式で求められる。
【００２７】
【数１】
2011200966.tif 000003
【００２８】
ここで、ｐｃｉは個々の気泡衝撃圧、ΔＶは気泡衝撃圧ｐｃｉを生じたキャビテーション気泡が含まれている解析格子の体積、Ｖは評価空間の体積、及びｋ１は定数である。
【００２９】
（１）式において気泡衝撃圧ｐｃｉをキャビテーション気泡の気泡内圧力ｐＢｉで代表させた場合には、キャビテーションエネルギＣ（Ｊ）は、（２）式で求められる。
【００３０】
【数２】
2011200966.tif 000004
【００３１】
ここで、ｋ２は定数である。（２）式において、ΔＶは気泡内圧力ｐＢのキャビテーション気泡が含まれている解析格子の体積である。
【００３２】
発明者らは、気泡内圧力ｐＢがRayleigh-Plesset式を用いて容易に求められるので、キャビテーションエネルギＣの算出には（２）式を用いた。
【００３３】
ＷＪＰ施工対象物の残留応力を改善するためには、ＷＪＰ施工対象物に塑性変形を生じさせる必要がある。このため、気泡内圧力ｐＢｉがしきい値ｐＢｔｈを上回るときにＷＪＰ施工対象物に塑性変形が生じるとすると、気泡内圧力ｐＢｉがしきい値ｐＢｔｈを上回る場合にのみ（２）式を計算すれば良い。
【００３４】
発明者らは、ＷＪＰ施工後におけるＷＪＰ施工対象物表面の残留応力をＸ線回折法で測定した。ＷＪＰ施工対象物として、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）及びＮｉ基合金（Ａｌｌｏｙ６００系，Ａｌｌｏｙ１８２系，Ａｌｌｏｙ８２系）のそれぞれで製作した、平板の試験片を用いた。さらに、高圧の噴流を噴射するノズルとして、形状（例えば、噴射口）が異なる８種類のノズルを用いた。８種類のノズルを用い、さらに、噴射条件である、噴射距離を１５ｍｍから１５０ｍｍの範囲で、噴射圧力を１０から７０ＭＰａの範囲で、噴射時間を２０分／ｍから４０分／ｍの範囲で変えて、上記の各試験片に対してＷＪＰを施工した。なお、試験片に対する噴流の噴射角度が９０°になるように、ノズルの軸心を試験片の表面に対して直角に配置した。このように条件を変えてＷＪＰを施工したそれぞれ試験片の表面の残留応力を、Ｘ線回折法で測定した。
【００３５】
上記の各試験片に対して行ったＷＪＰの施工方法の概要を、図９を用いて説明する。試験片２４が水槽（図示せず）内に充填された水２８中に置かれている。高圧ポンプ（図示せず）で昇圧された高圧水が、試験片２４の表面に対して直角に配置されたノズル５に供給される。この高圧水２６が、ノズル５の噴射口（口径：２ｍｍ）より試験片２４の表面に向って噴流２５となって水２８中に噴射される。ノズル５から高圧水２６が噴射される過程において、キャビテーション気泡２７が生成され、噴流２５は多数のキャビテーション気泡２７を含んでいる。これらのキャビテーション気泡２７が崩壊されるときに発生する崩壊圧が試験片２４に作用し、試験片２４の表面付近を塑性変形させる。試験片２４の塑性変形部が、周囲の弾性拘束により圧縮されることにより、試験片２４の引張残留応力が圧縮残留応力に改善される。図９において、Ｓはノズル５の先端と試験片２４の表面との間の距離、すなわち、噴射距離（スタンドオフ距離）であり、Ψは噴流２５の中心（ノズル５の軸心の延長線）と試験片２４の表面との成す角度（噴射角度）である。図９に示されたＯは試験片（ＷＪＰ施工対象物）の表面での噴流２５の中心（ノズル５の軸心の延長線とＷＪＰ施工対象物の表面との交点）である。ノズル５から高圧水２６が噴射される時間を噴射時間という。なお、図９において、ＸはＸ軸方向を示し、ＹはＸ軸方向に直交するＹ軸方向を示している。試験片２４にＷＪＰを施工するとき、ノズル５がＹ軸方向に移動されるので、噴流２５の中心ＯもＹ軸方向に移動されてＹ軸方向においてＷＪＰが施工される。
【００３６】
上記のようにＷＪＰを施工した各試験片２４の残留応力を、Ｘ線回折法で測定した。
【００３７】
各試験片２４に対してＷＪＰをそれぞれ施工した各ケースのキャビテーションエネルギＣを、各ケースでの噴射条件を用いた前述の噴流解析を行って得られたそれぞれのケースの気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを（２）式に代入して求めた。
【００３８】
発明者らは、Ｘ線回折法で測定した各試験片２４の残留応力、及び各ケースでの噴射条件を反映して（２）式で求めた、各試験片に対するそれぞれのキャビテーションエネルギＣを整理することによって、図１０に示された各試験片２４の残留応力と各試験片に対するそれぞれのキャビテーションエネルギＣとの相関関係を得ることができた。キャビテーションエネルギＣとＸ線回折法で測定した圧縮残留応力σは、図１０に示されるように、キャビテーションエネルギＣが大きくなると、Ｘ線回折法で測定した圧縮残留応力σの値が大きくなる相関が認められ、キャビテーションエネルギＣ（Ｊ／ｍ３）とＸ線回折法で測定した圧縮残留応力σ（ＭＰａ）は（３）式で近似することができた。
【００３９】
【数３】
2011200966.tif 000005
【００４０】
次に、発明者らは、ＷＪＰで発生するキャビテーション気泡の崩壊圧をパラメータとして試験片表面の残留応力を解析し、キャビテーション気泡の崩壊圧と試験片表面の残留応力の相関について検討した。発明者らは、有限要素法による動的弾塑性解析により、試験片表面の残留応力を解析した。解析の対象となる試験片は、前述のＷＪＰを施工した試験片と同様に、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）及びＮｉ基合金（Ａｌｌｏｙ６００系，Ａｌｌｏｙ１８２系，Ａｌｌｏｙ８２系）のそれぞれで製作した平板とした。
【００４１】
ＳＵＳ３０４製の試験片の表面での残留応力の解析は、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336に記載されているように、軸対象モデルを用い、キャビテーション気泡の崩壊圧を０ＧＰａから２ＧＰａの間で変えて行った。さらに、パラメータとしたキャビテーション気泡の崩壊圧を０ＧＰａから２ＧＰａまで増加させるのに要する時間を１μＳ、キャビテーション気泡の崩壊圧を２ＧＰａから０ＧＰａまで減少させるのに要する時間を１μＳ、平均的なピーニング痕の直径を０．２５ｍｍ、試験片のヤング率を１９５ＧＰａ、試験片の降伏応力を６００ＭＰａ、及び試験片の加工硬化係数を１．９５ＧＰａとした。ＳＵＳ３０４以外の材料で製作された試験片での残留応力の解析では、ヤング率、降伏応力及び加工硬化係数は該当する材料での値を用いた。
【００４２】
パラメータとしたキャビテーション気泡の崩壊圧と、上記の条件で行われた残留応力の解析で得られた、試験片表面の圧縮残留応力の解析値の相関を図１１に示した。図１１より、キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐと試験片表面の圧縮残留応力σの解析値は、キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐ（ＧＰａ）が増大すると、試験片表面の圧縮残留応力σ（ＭＰａ）の解析値も増大するという相関が認められ、それらの関係は（４）式で近似することができた。
【００４３】
【数４】
2011200966.tif 000006
【００４４】
発明者らは、図１０に示された縦軸の試験片表面の圧縮残留応力（計測値）と図１１に示された縦軸の試験片表面の圧縮残留応力（解析値）を関連付けることによって、キャビテーションエネルギＣに基づいてキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを求めることができるという新たな知見を見出した。すなわち、（３）式で求めた圧縮残留応力σを（４）式に代入することによって、キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを求めることができるのである。従来、求めることが困難であったキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐが、噴流解析で得られた気泡内部の圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを（２）式に代入して求められたキャビテーションエネルギＣを用いて容易に算出することができる。
【００４５】
（３）式及び（４）式を整理することによって、キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを（５）式で求めることができる（図１２参照）。
【００４６】
【数５】
2011200966.tif 000007
【００４７】
（５）式は、キャビテーション気泡の崩壊圧ＰがキャビテーションエネルギＣに基づいて求められることを示している。キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを求めることができれば、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336に記載された軸対象モデルを用いた解析手法に、求められたキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを適用することにより、試験片の表面から、深さ方向における残留応力を求めることができる。
【００４８】
そこで、発明者らは、ＷＪＰ施工後におけるＷＪＰ施工対象物の残留応力を、評価したいＷＪＰ施工条件を用いて、以下のようにして求めた。ＷＪＰ施工条件を用いた噴流解析により、気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを算出し、算出したこれらを（２）式に代入してキャビテーションエネルギＣを求め、さらに、得られたキャビテーションエネルギＣを（５）式に代入してキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを求めた。そして、このキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを用いて、ＷＪＰ施工対象物である上記した試験片の残留応力を、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336に記載された軸対象モデルを用いた解析手法により算出した。
【００４９】
発明者らは、前述した噴流解析、（２）式及び（５）式の計算、及び応力解析（例えば、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336に記載された解析手法に基づいた応力解析）で求めた試験片の残留応力（解析値）と、ＷＪＰを施工した試験片をＸ線回折法で測定して得られた残留応力（測定値）について、検討した。なお、噴流解析、（２）式及び（５）式の計算、及び応力解析（例えば、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.335-pp.336に記載された解析手法に基づいた応力解析）によって、ＷＪＰ施工後におけるＷＪＰ施工対象物の残留応力を評価する残留応力評価方法は、発明者らが考え出した新たな残留応力評価方法である。
【００５０】
残留応力（解析値）と残留応力（測定値）を検討するにあたり、発明者らは、残留応力を測定するために、以下のＷＪＰ施工条件で、図９に示すように、試験片に対してＷＪＰを施工した。ＷＪＰを施工する試験片はＳＵＳ３１６Ｌ製の平板であり、噴流を噴射するノズルの噴射口の口径は２ｍｍである。ＷＪＰ施工条件は、噴射距離Ｓが１４０ｍｍ、ノズルから噴射される高圧水の噴射流量が４８Ｌ／ｍｉｎ、噴射角度Ψが９０°、高圧水の噴射時間が４０ｍｉｎ／ｍ（長さ１ｍ当たりＷＪＰを４０分施工することを意味する）である。これらのＷＪＰ施工条件は、発明者らが考え出した新たな残留応力評価方法における噴流解析及び応力解析においても使用した。
【００５１】
上記のＷＪＰ施工条件で噴流解析を行って（２）式で求めたキャビテーションエネルギＣ、及びその施工条件でＷＪＰを施工した試験片の表面をＸ線回折法で測定して得られた圧縮残留応力の測定値を、図１３に示した。横軸である噴流中心からの距離は、ノズル５の進行方向であるＹ軸方向に直交するＸ軸方向における、試験片の表面での噴流の中心Ｏからの距離を示している。図１３に示された＋印及び×印の２つの特性は、２つの試験片で測定して得られた圧縮残留応力の測定値である。図１３に示された三角印はキャビテーションエネルギＣを示している。
【００５２】
発明者らは、残留応力を評価する代表例として、噴流中心Ｏからの距離が０ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍ及び３０ｍｍである４つの位置を選定し、これらの位置での（２）式で求めたキャビテーションエネルＣ（図１３参照）を、（５）式に代入してキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを算出した。上記の４つの位置において求めたキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐ、及びこれらのキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐの算出に用いられた各キャビテーションエネルギＣを、表１に示す。
【００５３】
【表１】
2011200966.tif 000008
【００５４】
さらに、発明者らは、表１に示された各キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐを用いて、有限要素法による動的弾塑性解析により、上記の４つの位置で、ＷＪＰを施工した試験片の残留応力を求めた。この残留応力は、試験片の表面から、深さ方向の各位置においても算出した。この残留応力の解析には、図１１に示す試験片表面の圧縮残留応力の解析値を得た残留応力の解析で用いられた前述の条件と同じ条件を用いた。ただし、ＳＵＳ３１６Ｌのヤング率、降伏応力及び加工硬化係数は、ＳＵＳ３０４のそれらの値と同じであるので、ＳＵＳ３０４の各値を用いた。また、ＷＪＰを施工した試験片の深さ方向の各位置での残留応力のそれぞれの測定値は、その試験片に加工歪みを与えないように、残留応力を測定する深さまで試験片を電解研磨で除去してこの電解研磨後にＸ線回折法で残留応力を測定するプロセスを繰り返すことにより得られた。
【００５５】
噴流中心からの距離が０ｍｍの位置での、残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１４に示し、噴流中心からの距離が１０ｍｍの位置での、残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１５に示し、噴流中心からの距離が２０ｍｍの位置での、残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１６に示し、噴流中心からの距離が３０ｍｍの位置での、残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１７に示した。これらの各図には、試験片の表面から、深さ方向の複数の位置でのそれぞれの残留応力も示されている。図１４から図１７において、残留応力の測定値は四角印で示されており、表１のキャビテーションエネルギＣを用いた残留応力の解析値は実線で示されている。図１４に示されるように、噴流中心における残留応力の測定値及び残留応力の解析値は、試験片の表面からの、深さ方向においても最も良く一致している。
【００５６】
したがって、発明者らが見出した、ＷＪＰ施工後における新たな残留応力評価方法により、ＷＪＰ施工後におけるＷＪＰ施工対象物の表面及び内部の残留応力の評価が可能であることが分かった。
【００５７】
以上の検討結果により、発明者らは、噴流解析によって気泡内圧力ｐＢを求め、得られた気泡内圧力ｐＢに基づいてキャビテーションエネルギを算出し（具体的には、（２）式により算出）、このキャビテーションエネルギに基づいてキャビテーション気泡の崩壊圧を算出し（具体的には、（５）式により算出）、キャビテーション気泡の崩壊圧に基づいてＷＪＰ施工対象物の残留応力を求める、という新たなＷＪＰの残留応力評価方法を考え出した。
【００５８】
その新たなＷＪＰの残留応力評価方法を適用することによって得られた、図１４から図１７に示す噴流中心Ｏ付近（噴流中心Ｏを中心とした半径３０ｍｍの領域）での各残留応力（解析値）は、それらに対応するそれぞれの残留応力の測定値と一致している。このため、その新たなＷＪＰの残留応力評価方法を適用した、噴流中心Ｏ付近（噴流中心Ｏを中心とした半径３０ｍｍの領域）でのＷＪＰ施工対象物の残留応力の評価精度は、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、pp.333-pp.334に記載されたキャビテーション強さＩを考慮した残留応力の評価方法よりも向上する。
【００５９】
この新たなＷＪＰの残留応力評価方法は、ＷＪＰを施工したＷＪＰ施工対象物の残留応力を評価するときに用いるだけでなく、ＷＪＰ施工対象物に対してＷＪＰを施工する前に、ＷＪＰの施工によりＷＪＰ施工対象物に生じる残留応力を予め求め、求められた残留応力に基づいてＷＪＰの施工条件を決定する場合にも用いることができる。
【００６０】
そこで、発明者らは、ＷＪＰの施工条件である噴射角度Ψの選定を例に取り、ＷＪＰ施工対象物にＷＪＰを施工する際のＷＪＰ施工条件の選定について検討を行った。この検討結果を以下に説明する。
【００６１】
この検討においては、噴射角度Ψを９０°、６０°、３０°及び１５°と変えた４ケースについて、それぞれ、残留応力を測定し、残留応力の解析値を求めた。これらのケースにおいて、残留応力の測定値及び残留応力の解析値は、上記した噴流の中心からの距離を変えた４つのケース（図１４から図１７）の結果を反映して噴流中心でのそれぞれの値を求めた。また、残留応力の解析値は、上記した新たなＷＪＰの残留応力評価方法を用いて求めた。
【００６２】
噴射角度Ψを９０°、６０°、３０°及び１５°と変えた４ケースのそれぞれにおける試験片へのＷＪＰの施工は、図１４から図１７に示された残留応力の測定値を得たときと同様な条件で行われた。また、この４ケースのそれぞれにおいて、ＷＪＰの施工によって生じる、ＷＪＰ施工対象物の残留応力の解析値は、図１４から図１７に示された残留応力の解析値を得た場合と同様な、条件を反映し、上記した新たなＷＪＰの残留応力評価方法を用いて算出した。噴射角度Ψが異なっている４ケースにおいて、ＷＪＰを施工した試験片の深さ方向の各位置での残留応力のそれぞれの測定値は、図１４から図１７と同様に、試験片の電解研磨及び電解研磨後におけるＸ線回折法による残留応力の測定を繰り返すことにより得られた。
【００６３】
噴流の噴射角度Ψが９０°、６０°、３０°及び１５°のそれぞれの場合における残留応力の測定値（四角印）及び残留応力の解析値（実線）を図１８から図２１に示す。噴射角度Ψが９０°である場合の残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１８に示し、噴射角度Ψが６０°である場合の残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図１９に示した。噴射角度Ψが３０°である場合の残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図２０に示し、噴射角度Ψが１５°である場合の残留応力の測定値及び残留応力の解析値を図２１に示した。図１８から図２１では、噴流中心での、試験片の表面から、深さ方向の各位置における残留応力の測定値及び残留応力の解析値をそれぞれ示している。
【００６４】
噴流の噴射角度Ψが９０°、６０°、３０°及び１５°のそれぞれの場合でも、噴流中心における残留応力の測定値及び残留応力の解析値は、試験片の表面からの、深さ方向においても良く一致している。図１８から図２１により、噴射角度が９０°に近いほど、試験片（ＷＪＰ施工対象物）の表面及びこの表面から深さ方向において、十分な圧縮残留応力が得られることが分かった。
【００６５】
発明者らは、上記した新たなＷＪＰの残留応力評価方法を用いて算出した、ＷＪＰ施工対象物の、ＷＪＰ施工後の残留応力を予め求め、予め求められた残留応力に基づいて、ＷＪＰ施工条件を選定できるという新たな知見を得ることができた。噴射角度Ψ以外のＷＪＰ施工条件、すなわち、ノズル５の形状（例えば、噴射口の口径）、噴射距離Ｓ、噴射流量、噴射時間等も、新たなＷＪＰの残留応力評価方法で得られた残留応力を基に、選定することができる。
【００６６】
以上に述べた検討結果を考慮した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００６７】
本発明の好適な一実施例である実施例１のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法を、図１、図２及び図３を用いて説明する。
【００６８】
本実施例は、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）を施工したＷＪＰ施工対象物の残留応力を評価する。このため、ＷＪＰ施工対象物へのＷＪＰの施工に用いられるＷＪＰ装置及びこのＷＪＰ装置を用いて行うＷＪＰの施工の概略を、図４から図８を用いて説明する。
【００６９】
ＷＪＰ装置１は、図４に示すように、ノズル保持装置２、ノズル装置４、ノズル走査装置９及び水供給装置２９を備えている。ノズル保持装置２はケーシング３及び支持部１５を有し、支持部１５がケーシング３の下端部に設けられる。ケーシング３は、図６に示すように、横断面が矩形をしており、１つの側面に軸方向に伸びる開口部２４を形成している。
【００７０】
ノズル走査装置９は、移送ロッド１０Ａ，１０Ｂ、移動体１３Ａ，１３Ｂ及びモータ（駆動装置）（例えば、ステッピングモータ）１４を有する（図４及び図５参照）。２つのモータ１４がケーシング３の上端に設置される。表面にそれぞれネジが形成された移送ロッド１０Ａ，１０Ｂが２本並んでケーシング３内に配置され（図６参照）、移送ロッド１０Ａ，１０Ｂの各下端部が支持部１５に設けられた２つの軸受（図示せず）で別々支持される。１つのモータ１４の回転軸が移送ロッド１０Ａの上端に連結される。他のモータ１４の回転軸が移送ロッド１０Ｂの上端に連結される。移動体１３Ａ，１３Ｂが、ケーシング３内に配置される。移動体１３Ａは移送ロッド１０Ａに形成されたネジと噛み合っており、移動体１３Ｂは移送ロッド１０Ｂに形成されたネジと噛み合っている。移送ロッド１３Ａは、移動体１３Ｂに形成された貫通孔を貫通しており、移動体１３Ｂと噛み合っていない。移送ロッド１０Ｂは、移動体１３Ａに形成された貫通孔を貫通しており、移動体１３Ａと噛み合っていない。リンク１２Ａの一端部がピンによって移動体１３Ａに回転可能に取り付けられる。リンク１２Ｂの一端部がピンによって移動体１３Ｂに回転可能に取り付けられる。リンク１２Ａ，１２Ｂのそれぞれの他端部が、支持部材１１にピンで回転可能に取り付けられる。
【００７１】
ノズル装置４が支持部材１１に設置される。ノズル装置４が、ノズル５、回転軸６、回転装置７及びノズル支持部材８を有する。ノズル支持部材８が支持部材１１に取り付けられ、回転装置７がノズル支持部材８に設置される。ノズル５が、ノズル支持部材８に設置されたベアリング（図示せず）に取り付けられた回転軸６の下端部に設けられる。回転装置７は、図示されていないが、モータ（例えば、ステッピングモータ）及び減速装置を有する。回転軸６に取り付けられた歯車（図示せず）が減速装置の歯車に噛み合っている。
【００７２】
水供給装置２９が、高圧ポンプ１６、給水ホース１７及び圧力調節弁２０を有する。高圧ポンプ１６に接続された給水ホース１７が、ケーシング３内に配置されてノズル５に接続される。水供給配管１８が高圧ポンプ１６に接続され、圧力調節弁２０が設けられた戻り管１９が給水ホース１７及び水供給配管１８に接続される。
【００７３】
ＷＪＰ装置１を用いたＷＪＰの施工の概略を、以下に説明する。ＷＪＰ施工対象物は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内に設けられた炉内構造物である炉心シュラウド３１である。沸騰水型原子炉の構造の概略を、図４を用いて説明する。沸騰水型原子炉は、内部に炉心（図示せず）を配置した原子炉圧力容器３０を有し、原子炉圧力容器３０内に円筒状の炉心シュラウド３１、上部格子板３２及び炉心支持板３３等を設置している。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心が炉心シュラウド３１によって取り囲まれている。上部格子板３２が、炉心シュラウド３１内で炉心シュラウド３１の上端部に配置され、炉心シュラウド３１に設置される。炉心支持板３３は、炉心シュラウド３１内で上部格子板３２の下方に配置され、炉心シュラウド３１に設置される。炉心内に装荷された各燃料集合体の下端部が炉心支持板３３に支持され、各燃料集合体の上端部が上部格子板３２によって支持される。
【００７４】
炉心シュラウド３１に対するＷＪＰは、沸騰水型原子炉の運転を停止した後に行われる定期検査の期間中において施工される。沸騰水型原子炉の運転を停止後、原子炉圧力容器３０の上蓋（図示せず）が取り外される。冷却水３７が、原子炉圧力容器３０内、及び原子炉圧力容器３０の上方に位置する原子炉ウェル３４内に充填されている。原子炉圧力容器３０の開放後、原子炉圧力容器３０内で上部格子板３２の上方に設置されている蒸気乾燥器（図示せず）及び気水分離器（図示せず）が順番に原子炉圧力容器３０外に搬出される。炉心内に装荷された全ての燃料集合体が、燃料交換機（図示せず）によって把持されて原子炉圧力容器３３から取り外され、燃料貯蔵プール（図示せず）まで搬送される。
【００７５】
炉心内から燃料貯蔵プールへの全燃料集合体の移送が終了した後、ノズル装置４及びノズル走査装置９が設けられたノズル保持装置２を、ＷＪＰを施工する炉心シュラウド３１内の所定の位置に配置する。このノズル保持装置２の配置は、燃料交換機に乗った作業員によって行われる。燃料交換機は、原子炉圧力容器３０を内蔵する原子炉建屋（図示せず）内に形成された、原子炉ウェル３４を取り囲む運転床３５上に走行可能に設置されている。燃料交換機に乗った作業員がトングを用い、水中カメラで撮影したノズル保持装置２の周辺映像をテレビモニターで確認しながら、ノズル保持装置２を上部格子板３３２に形成された１つの升目を通して上部格子板３２より下方の炉心シュラウド３１内の領域まで移送する。ノズル保持装置２の支持部１５が炉心支持板３３に保持される（図４参照）。下端部が炉心支持板３３に上端部が上部格子板３２にそれぞれ保持されたノズル保持装置２は、原子炉圧力容器３０内の冷却水３７中に存在する。
【００７６】
高圧ポンプ１６が運転床３５上に設置される。高圧ポンプ１６に接続された給水ホース１７が、原子炉ウェル３４及び上部格子板３２を通って、炉心支持板３３に保持されたノズル保持装置２内のノズル５の位置にまで達している。制御装置２１及び配線で制御装置２１に接続された操作盤２２が、運転床３５上に配置される。制御装置２１に接続された配線２３が、高圧ポンプ１６、圧力調節弁２０、及びノズル保持装置２に設けられた、ノズル走査装置９の各モータ１４及びノズル装置４のモータのそれぞれの制御信号を伝送する。これらのモータには、駆動用の電流を供給するケーブル（図示せず）が接続されている。
【００７７】
オペレータが操作盤２２からノズル設定信号を入力する。このノズル設定信号を入力した制御装置２１は、ノズル５を炉心シュラウド３１の内面のＷＪＰ開始位置（炉心シュラウド３１の軸方向の位置及び炉心シュラウド３１の半径方向の位置で表される）まで移動させ、炉心シュラウド３１の水平断面においてノズル５の軸心と炉心シュラウド３１のなす角度（噴射角度Ψ）が設定噴射角度になるように該当するモータの駆動を制御する。
【００７８】
ノズル装置４がケーシング３内に収納されている状態で、制御装置２１からの第１制御信号（ノズル設定信号の入力により発生）により、２つのモータ１４が同じ方向（例えば、時計方向）に回転する。この結果、移送ロッド１０Ａ，１０Ｂが共に時計方向に回転し、ノズル装置４、支持部材１１、リンク１２Ａ,１２Ｂ及び移動体１３Ａ，１３Ｂが下降する。ノズル５が、ＷＪＰ開始位置の、炉心シュラウド３１の軸方向における位置まで下降したとき、制御装置２１の制御によって２つのモータ３１の回転が停止される。
【００７９】
次に、制御装置２１から出力された第２制御信号により、移送ロッド１０Ａに連結されたモータ３１及び移送ロッド１０Ｂに連結されたモータ３１が互いに逆方向へ回転する。例えば、移送ロッド１０Ａに連結されたモータ３１が時計方向に、移送ロッド１０Ｂに連結されたモータ３１が半時計方向に回転される。移送ロッド１０Ａが時計方向に回転することによって移動体１３Ａが下降し、移送ロッド１０Ｂが半時計方向に回転することによって移動体１３Ｂが上昇し、移動体１３Ａと移動体１３Ｂの間隔が狭くなる（図７及び図８参照）。この結果、ノズル装置４が、水平方向において、ＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の内面に向って移動する。ノズル５の先端が、ＷＪＰ開始位置の、炉心シュラウド３１の半径方向に置ける位置に到達したとき、制御装置２１の制御により２つのモータ１４が停止される。
【００８０】
さらに、制御装置２１からの第３制御信号により、ノズル装置４のモータが駆動されて回転軸６を回転させ、炉心シュラウド３１の水平断面においてノズル５の軸心と炉心シュラウド３１のなす角度（噴射角度Ψ）が設定噴射角度（例えば、９０°）になるよう調節される。これにより、ノズル５の先端が噴射開始位置に設定され、ノズル５の先端と炉心シュラウド３１の内面との間の距離が所定の噴射距離Ｓ（例えば、１４０ｍｍ）に設定される。オペレータは、ノズル５の移動等を、操作盤２２に設置したテレビモニターに映し出された、水中カメラ３６（図８参照）からの映像を見て監視する。
【００８１】
ノズル５の位置決めが終了した後、オペレータは、操作盤２から制御装置２１にＷＪＰ開始信号を入力する。ＷＪＰ開始信号を入力した制御装置２１は、高圧ポンプ１６を起動する。給水配管１８で供給される水が、高圧ポンプ１６で昇圧されて高圧水になる。この高圧水が、給水ホース１７によって導かれてノズル５に供給され、ノズル５の噴射口から噴流２５となって噴射される（図８参照）。ノズル５の噴射口の口径は２ｍｍである。制御装置２１は、圧力調節弁２０の開度を制御してノズル５に供給する高圧水の圧力を例えば７０ＭＰａに調節し、高圧ポンプ１６の回転速度を制御してノズル５に供給する高圧水の流量（噴射口から噴射される噴射流量）を例えば４８Ｌ／ｍｉｎに調節する。この結果、圧力７０ＭＰａで噴射流量４８Ｌ／ｍｉｎの高圧水が、ノズル５の噴射口から噴流２５となって噴射される。圧力調節弁２０の開度を減少することによって、ノズル５に供給される高圧水の圧力が上昇する。
【００８２】
噴射された噴流２５に含まれた多数のキャビテーション気泡２７が崩壊して生じる崩壊圧が、炉心シュラウド３１内の冷却水３７中を伝播して、ノズル５の噴射口に面する、炉心シュラウド３１の内面に作用する。この崩壊圧の作用により、炉心シュラウド３１の内面の引張残留応力が圧縮残留応力に改善される。ＷＪＰは炉心シュラウド３１の溶接線に沿って施工される。このため、制御装置２１は、２つのモータ３１を例えば半時計方向に回転させて移送ロッド１０Ａ，１０Ｂを半時計方向に回転させ、ノズル装置４をその溶接線に沿って上昇させる。制御装置２１は、炉心シュラウド３１内面への噴流２５の噴射時間が例えば４０ｍｉｎ／ｍになるように、２つのモータ３１の回転速度を制御してノズル５の移動速度を調節する。このようにして、炉心シュラウド３１の内面に対する、溶接線に沿ったＷＪＰが施工される。
【００８３】
炉心シュラウド３１の周方向における他の溶接線に沿ったＷＪＰを施工する場合には、ノズル保持装置２を上部格子板３２より上方まで持ち上げ、ノズル保持装置２を他の溶接線に対向する位置で上部格子板３２の他の升目内を通して下降させ、ノズル保持装置２の支持部１５を炉心支持板３３に保持させる。ノズル保持装置２をこのように移動させることによって、炉心シュラウド３１内面の他の溶接線に沿ったＷＪＰの施工を行うことができる。以上の作業を炉心シュラウド３１内面の溶接線に沿って繰り返すことにより、炉心シュラウド３１に対するＷＪＰの施工が終了する。
【００８４】
その後、本実施例のＷＪＰの残留応力評価方法により、上記したＷＪＰの施工によって炉心シュラウド３１の内面に生じた残留応力の評価が行われる。この残留応力の評価は、図３に示す電子計算機４０で図１に示すステップＳ１からステップＳ６の各処理を実行することによって行われる。本実施例のＷＪＰの残留応力評価方法を、上記した図１及び図２を用いて説明する。
【００８５】
電子計算機４０は、図３に示すように、メモリ４２が中央処理装置（ＣＰＵ）４１に接続される。入力装置４３及び表示装置４４がＣＰＵ４１に接続される。ステップＳ１〜Ｓ６の処理を行うプログラムがメモリ４２に記憶されている。ＣＰＵ４１がメモリ４２からそのプログラムを読み出してステップＳ１〜Ｓ６の各処理を実行する。
【００８６】
まず、解析モデルが作成される（ステップＳ１）。解析モデルは、前述したＷＪＰを施工した炉内シュラウド３１を対象に作成される。解析モデルを作成するために、オペレータは、入力装置４３から、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、３３４頁の２−２項（解析領域と境界条件）及び図１に記載されているように、炉心シュラウド３１の内面へのＷＪＰの施工に用いられたノズル５の口径（２ｍｍ）、拡大角（３０°）、噴射距離Ｓ（１４０ｍｍ）、噴射角度Ψ（９０°）及びＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の材質（ＳＵＳ３１６Ｌ）及び表面形状の情報を入力した。さらに、ノズル５の軸心の延長線を中心にして半径１５０ｍｍの範囲を解析対象領域とし、この延長線を中心とした半径１５０ｍｍの位置でノズル５の軸方向に亘って、圧力境界条件として１．０×１０５Ｐａを入力装置４３から入力した。この解析対象領域のノズル５の軸方向における範囲は、ノズル５の先端と炉心シュラウド３１の内面の間に存在する領域であり、噴射距離１４０ｍｍの範囲である。解析対象領域は半径１５０ｍｍで長さ１４０ｍｍの円柱の領域である。炉心シュラウド３１は、内径が大きい（例えば、１１０万ｋＷクラスのＢＷＲで約５ｍ）ので、半径１５０ｍｍの解析対象領域では実質的に平板であり、その解析対象領域において炉心シュラウド３１の形状を平板として扱う。解析に必要な気泡数密度の初期値（例えば、２３９個／ｍｍ３）及び気泡の直径の初期値（例えば、０．０１ｍｍ）が入力装置４３から入力された。さらに、オペレータは、ノズル５の先端から炉心シュラウド３１の内面までの間のメッシュ幅及びノズル５の軸心の延長線から噴流２５の半径方向におけるメッシュ幅を、入力装置４３から入力した。入力装置４３から入力されたこれらの入力情報は、ＣＰＵ４１に取り込まれ、メモリ４２に記憶される。
【００８７】
ＣＰＵ４１は、入力された各メッシュ幅、噴射距離Ｓ及び解析対象領域を特定する半径１５０ｍｍに基づいて、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、334頁の図１に示されたメッシュを作成する。
【００８８】
ＷＪＰの施工条件を入力する（ステップＳ２）。オペレータが、前述した炉内シュラウド３１の内面に施工したＷＪＰの施工条件を入力する。ＷＪＰの施工条件は、ノズル５の噴射口から噴射された噴流２５の噴射速度、噴射圧力（７０ＭＰａ）、噴射距離Ｓ（１４０ｍｍ）、噴射角度Ψ（９０°）及び噴射時間（４０ｍｉｎ／ｍ）である。噴射距離Ｓ及び噴射角度Ψは、モデルを作成するために、ステップＳ１で入力しているので、ステップＳ２では、噴射速度及び噴射時間が入力装置４３から入力される。炉心シュラウド３１の内面に対するＷＪＰの施工に用いられたノズル５の噴射口の口径が２ｍｍでその噴射口から噴射された噴流２５の噴射流量が４８Ｌ／ｍｉｎであるので、その噴射速度は２５４．８ｍ／ｓである。入力装置４３から入力された噴射速度及び噴射時間は、ＣＰＵ４１に取り込まれ、メモリ４２に記憶される。
【００８９】
噴流解析により気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３で実行する噴流解析としては、深谷征史ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（３）  ＷＪＰの流れ挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９カンファレンス  OS1431、2009年7月24〜26日、３３３頁に記載されている噴流解析を適用した。ステップＳ３の噴流解析では、気泡流モデルを用いている。
【００９０】
噴流解析は、ステップＳ１で作成したメッシュの区画毎に行われる。ノズル５の噴射口に隣接した、メッシュの区画から順番に噴流解析が行われる。
【００９１】
ノズル５の噴射口に隣接した、メッシュの区画において、流入する噴流の噴射速度（初期値）２５４．８ｍ／ｓ、気泡数密度（初期値）２３９個／ｍｍ３、気泡の直径（初期値）０．０１ｍｍが用いられる。
【００９２】
前述の（Ａ）に述べた解析が行われる。噴流の噴射速度（初期値）及びNavier-Stokes方程式を用いて、ノズル５から噴射された噴流２５及び炉心シュラウド３１の内面周辺に存在する冷却水３７が有する流速及び圧力が算出される。前述の（Ｂ）で述べた解析が行われる。その流れ場中におけるキャビテーション気泡の並進運動が、噴流２５と同じ運動をする（スリップ速度０）と仮定して解析される。この場合は、キャビテーション気泡はノズル５から噴射された噴流２５の流れに乗って移動するので、（Ａ）の計算で得られた流れの速度ベクトルがそのままキャビテーション気泡の速度ベクトルになる。従って、気泡の運動方程式を計算する必要はない。しかし、キャビテーション気泡が噴流２５と異なる運動をする場合は、キャビテーション気泡に働く力（例えば、付加慣性力、周囲流体の加速による力、揚力、抗力等）の釣り合いを定式化した運動方程式を解き、キャビテーション気泡の速度ベクトルを求める。前述の（Ｃ）に述べた解析が行われる。（Ｂ）の解析で得られた気泡の並進運動の解析結果、気泡数密度（初期値）及び輸送方程式を用いて、気泡数密度ｎｇ（単位体積あたりの気泡数）を変数としたスカラー輸送方程式を計算し、気泡数の空間的な分布を計算する。
【００９３】
前述の（Ｄ）に述べた解析が行われる。この解析においては、気泡内圧力ｐＢと気泡の周囲に存在する流体の圧力ｐＬとの関係を定式化した運動方程式であるRayleigh-Plesset式を用いて、キャビテーション気泡の膨張・収縮運動が解析され、気泡内圧力ｐＢが算出される。Rayleigh-Plesset式は、以下に示す（６）式である。
【００９４】
【数６】
2011200966.tif 000009
ここで、ｒＧが気泡の直径、ｐＬが気泡の周囲の水（噴射された高圧水、または冷却水３７）の圧力、ρＬが気泡の周囲の水の密度である。気泡内圧力ｐＢは、（７）式、（８）式及び（９）式を用いて求められる。
【００９５】
【数７】
2011200966.tif 000010
【００９６】
【数８】
2011200966.tif 000011
【００９７】
【数９】
2011200966.tif 000012
【００９８】
ここで、ｐＧが非凝縮性ガスの圧力、ｐＶが蒸気圧（常温時の２３００Ｐａで一定とした）、Ｔが気泡の表面張力、μは気泡の周囲の水の粘性係数である。
【００９９】
以上の解析を行うことにより、メッシュの各区画内におけるそれぞれの気泡内圧力ｐＢｉ及び気泡数密度ｎｇｉが求められる。
【０１００】
キャビテーションエネルギを算出する（ステップＳ４）。各区画内で算出した気泡内圧力ｐＢｉ及び気泡数密度ｎｇｉを（２）式に代入してキャビテーションエネルギＣを算出する。
【０１０１】
気泡の崩壊圧を算出する（ステップＳ５）。ステップＳ４で算出したキャビテーションエネルギＣを（５）式に代入して気泡の崩壊圧Ｐを算出する。
【０１０２】
ＷＪＰ施工対象物の残留応力を算出する（ステップＳ６）。ＷＪＰ施工対象物の残留応力は、（５）式により算出した気泡の崩壊圧Ｐを用いた応力解析により算出される。具体的には、図２に示されたステップＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３及びＳ６４の各処理の実行により、ＷＪＰ施工対象物の残留応力が算出される。
【０１０３】
まず、その応力解析に必要な解析条件を入力する（ステップＳ６１）。ＷＪＰ施工対象物の残留応力を算出する応力解析には、波東久光ほか、ウォータージェットピーニング（ＷＪＰ）の開発（４）  ＷＪＰの残留応力改善挙動評価、日本機械学会  Ｎｏ．０９−３、Ｍ＆Ｍ２００９  材料力学２００９カンファレンス  ＣＤ−ＲＯＭ論文集  OS1431、2009年7月24〜26日の３３５頁に記載された、Ｚ軸を中心軸とする軸対象モデルを用いる。この軸対象モデルは、ＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の深さ方向をＺ、半径方向をＲ、周方向をθとし、Ｚ軸の自由度を拘束し、Ｚ軸表面キャビテーション気泡の崩壊圧が等分布荷重として作用するモデルとする。
【０１０４】
ステップＳ６１で、入力装置４３からＣＰＵ４１に入力された解析条件は、パラメータとしたキャビテーション気泡の崩壊圧を０ＧＰａからステップＳ５で算出したキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐまで増加させるのに要する時間、すなわち、気泡の崩壊時間（例えば、１μＳ）、キャビテーション気泡の崩壊圧をステップＳ５で算出したキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐから０ＧＰａまで減少させるのに要する時間（例えば、１μＳ）、平均的なピーニング痕の直径（例えば、０．２５ｍｍ）、ＳＵＳ３１６Ｌ製の炉心シュラウド３１のヤング率（１９５ＧＰａ）、炉心シュラウド３１の降伏応力（６００ＭＰａ）、及び炉心シュラウド３１の加工硬化係数（１．９５ＧＰａ）である。これらの解析条件が、ＣＰＵ４１によりメモリ４２に記憶される。平均的なピーニング痕の直径は、ＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の表面に作用する崩壊圧の作用直径である。この平均的なピーニング痕の直径は、ＳＵＳ３１６Ｌ製の試験片に対するＷＪＰの施工を予め行って、ＷＪＰによってこの試験片の表面に生じる窪み（ピーニング痕）を計測することによって得ることができる。平均的なピーニング痕の直径は、ノズル５から噴射される噴流２５の噴射速度を変えたＷＪＰごとに求められている。
【０１０５】
気泡の崩壊圧で加圧した状態でのＷＪＰ施工対象物の塑性歪みを算出する（ステップＳ６２）。塑性変形に基づいて生じる、炉心シュラウド３１の塑性歪みは、ノズル５の軸心の延長線上（噴流の中心）において算出し、キャビテーション気泡の崩壊圧を０ＧＰａからステップＳ５で算出したキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐまで増加させた応力解析によって算出した。この塑性歪みを算出する応力解析は、キャビテーション気泡の崩壊圧Ｐ以外のＷＪＰの負荷（具体的には、キャビテーション気泡の崩壊時間、その崩壊圧の作用直径及びその崩壊圧の作用回数）も用いて行った。キャビテーション気泡の崩壊圧の作用直径として平均的なピーニング痕の直径０．２５ｍｍを用い、崩壊圧の作用回数は１回とした。
【０１０６】
炉心シュラウド３１の内面がキャビテーション気泡の崩壊圧で加圧された状態では、炉心シュラウド３１の内面がその崩壊圧によって押圧され、降伏応力を越えると炉心シュラウド３１に塑性歪みが生じる。この塑性歪みは、予め与えた材料物性（ヤング率，降伏応力，加工硬化係数で決まる応力−ひずみ関係）に則り求められる。ステップＳ６２において、炉心シュラウド３１の塑性歪みは、炉心シュラウド３１の内面から、深さ方向における複数の位置（２５ケ所）で算出された。得られたこれらの塑性歪みはマイナスの歪であり、炉心シュラウド３１の内面付近に、ＷＪＰ施工による塑性変形によって圧縮応力が生じる。
【０１０７】
気泡の崩壊圧を除去した状態でのＷＪＰ施工対象物の残留歪みを算出する（ステップＳ６３）。気泡の崩壊圧を除外した状態での炉心シュラウド３１の残留歪みは、ノズル５の軸心の延長線上（噴流の中心）において算出し、キャビテーション気泡の崩壊圧をステップＳ５で算出したキャビテーション気泡の崩壊圧Ｐから０ＧＰａまで減少させた応力解析によって算出した。すなわち、キャビテーション気泡の崩壊圧が炉心シュラウド３１の内面から除荷されると、炉心シュラウド３１に生じた歪みのうち弾性歪み分が解放される。したがって、ステップＳ６２で求めた塑性歪みからこの弾性歪み分を差し引いて得られた歪みが、炉心シュラウド３１に生じている残留歪みとなる。炉心シュラウド３１の残留歪みは、炉心シュラウド３１の内面から、深さ方向において、塑性歪みを算出した各位置で算出された。
【０１０８】
残留応力を算出する（ステップＳ６４）。応力解析により算出された、ノズル５の軸心の延長線上での各位置における残留歪みに基づいて、炉心シュラウド３１のそれらの位置での残留応力を算出する。残留歪みを基にした残留応力の算出は、ＷＪＰ施工対象物の歪みと応力の関係、すなわち、炉心シュラウド３１を構成する材料であるＳＵＳ３１６Ｌの歪みと応力の関係を用いて、ステップＳ６２で求められた塑性歪みからステップＳ６３で求められた残留歪みの差（弾性歪み）にヤング率を乗じることによって行われる。噴流の中心、すなわち、ノズル５の軸心の延長線上における、炉心シュラウド３１の表面から、深さ方向における各位置での圧縮残留応力が求められる。その深さ方向において、炉心シュラウド３１の表面から、例えば、０．５ｍｍの深さまでの間で圧縮残留応力が求められる。
【０１０９】
本実施例の残留応力の評価方法を実施する電子計算機４０のＣＰＵ４１は、実質的に、ステップＳ３における気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを算出する噴流解析を行う噴流解析手段、ステップＳ４におけるキャビテーションエネルギを算出するキャビテーションエネルギ算出手段、ステップＳ５における気泡の崩壊圧を算出する気泡崩壊圧算出手段、及びステップＳ６におけるＷＪＰ施工対象物の残留応力を算出する応力解析手段を有している。この応力解析手段は、ステップＳ６２におけるＷＪＰ施工対象物の塑性歪みを算出する塑性歪み算出手段、ステップＳ６３におけるＷＪＰ施工対象物の残留歪みを算出する残留歪みを算出手段、及び塑性歪み及び残留ひずみに基づいてＷＪＰ施工対象物の残留応力を算出する応力算出手段を含んでいる。
【０１１０】
本実施例によれば、噴流解析により気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを求めているので、算出された気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇの精度が向上する。これらの気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇに基づいてキャビテーションエネルギを算出し、得られたキャビテーションエネルギに基づいて気泡の崩壊圧を算出しているので、従来算出が困難であった気泡の崩壊圧を短時間に算出することができ、算出された気泡の崩壊圧の精度を向上させることができる。算出された気泡の崩壊圧を用いた応力解析を行うので、ＷＪＰ施工対象物である炉心シュラウド３１の圧縮残留応力を精度良く算出することができる。このため、算出された圧縮残留応力の精度を向上させることができる。本実施例は、炉心シュラウド３１の残留応力の評価を短時間に行うことができ、その評価精度を向上させることができる。
【０１１１】
特に、（５）式を用いて、キャビテーションエネルギに基づいて噴流２５に含まれた気泡の崩壊圧を算出しているので、精度の高い気泡の崩壊圧を短時間に得ることができる。このため、ＷＪＰが施工されたＷＪＰ施工対象物（例えば、炉心シュラウド３１）の残留応力の評価を短時間に行うことができ、その評価精度を向上させることができる。
【０１１２】
原子力プラントの多くの炉内構造物は、複雑な形状を有し、狭隘部も多い。このため、このような炉内構造物に対するＷＪＰの施工に際しては、炉内構造物ごとにＷＪＰの施工条件を決定するために、炉内構造物ごとに、または同じ炉内構造物でも異なる施工対象箇所ごとに、数多くの実験を予め行う必要がある。このような実験をＷＪＰの施工条件を決めるたびに行うことは非常に大変である。本実施例の評価で用いる（５）式で表されるキャビテーションエネルギと気泡の崩壊圧の関係があらゆる炉内構造物に適用できることを確認しているので、本実施例ではそのような数多くの実験を行う必要がなくなる。
【０１１３】
本実施例は、炉心シュラウド３１だけでなく、ＷＪＰが施工された、沸騰水型原子炉の他の炉内構造物の残留応力を評価する際にも適用することができる。
【実施例２】
【０１１４】
本発明の他の実施例である実施例２のウォータージェットピーニングの残留応力評価方法を、図２２及び図２３を用いて説明する。
【０１１５】
実施例１のＷＪＰの残留応力評価方法はＷＪＰを施工したＷＪＰ施工対象物の残留応力を評価するのに対して、本実施例のＷＪＰの残留応力評価方法は、ＷＪＰ施工前において、ＷＪＰ施工対象物の、ＷＪＰが施工された状態での残留応力を評価し、ＷＪＰ施工対象物に対して施工する適切なＷＪＰ施工条件を選定するものである。
【０１１６】
本実施例のＷＪＰの残留応力評価方法において、電子計算機４０のＣＰＵ４１が、図２２に示すステップＳ１〜Ｓ８の各処理を実行する。本実施例で実行されるステップＳ１〜Ｓ６の各処理は、実施例１で実行されるステップＳ１〜Ｓ６の各処理と同じである。本実施例におけるＷＪＰの残留応力評価方法は、実施例１におけるＷＪＰの残留応力評価方法に、図２２に示されたステップＳ７及びＳ８を追加したものである。
【０１１７】
実施例１と異なる部分について説明する。実施例１では、ＷＪＰが施工されたＷＪＰ施工対象物を対象に残留応力の評価を行うので、ステップＳ１で作成される解析モデルは１つである。これに対して、本実施例は、適切なＷＪＰ施工条件を選択するため、ステップＳ１で複数の解析モデルを作成する必要がある。ここでは、一つの例として、噴射距離Ｓ及び噴射角度Ψを選択することを前提としたＷＪＰの残留応力評価方法について、説明する。ＷＪＰ施工対象物は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器３０内に設置された、ＳＵＳ３１６Ｌ製の炉心シュラウド３１である。
【０１１８】
オペレータは、炉心シュラウド３１の残留応力を評価するために、図２３の「噴射距離と噴射角度の組合せの設定」に示すように、５０ｍｍ，１００ｍｍ，１５０ｍｍ，２００ｍｍ，２５０ｍｍ及び３００ｍｍのそれぞれの噴射距離Ｓごとに、噴射角度Ψを１０°，３０°，５０°，７０°及び９０°と変えた３０ケースの解析モデルを作成することにした。
【０１１９】
ステップＳ１では、実施例１のステップＳ１で用いた解析モデルの条件、及び初期値がオペレータにより、入力装置４３からＣＰＵ４１に入力される。噴射距離Ｓ及び噴射角度Ψについては、上記した３０ケースの各組合せ（例えば、噴射距離１５０ｍｍと噴射角度５０°の組合せ、及び噴射距離２００ｍｍと噴射角度９０°の組合せ等）における噴射距離及び噴射角度が、それぞれ、入力装置４３から入力される。ＣＰＵ４１は、解析対象領域を設定する。噴射距離Ｓが２００ｍｍで噴射角度Ψが７０°の場合における解析対象領域の設定について説明する。口径２ｍｍの噴射口の中心を通る、ノズル５の軸心の延長線が炉心シュラウド３１の内面に対して７０°に傾斜して配置されていることを想定したとき、この延長線を中心にした半径１５０ｍｍの領域で、ノズル５の軸心の方向においてノズル５の先端と炉心シュラウド３１の間の領域を、解析対象領域として設定する。この解析対象領域の、ノズル５の先端の位置での境界は、ノズル５の軸心の延長線に垂直になっている。実施例１と同様に、ノズル５の軸心の方向において、ノズル５先端と炉心シュラウド３１の間でメッシュを作成する。同様に、噴射距離と噴射角度の組合せが異なる他の２９ケースについて、解析モデルをそれぞれ作成する。噴射角度Ψが９０°の６ケースについては、それぞれ、実施例１で述べたように、解析モデルを作成する。
【０１２０】
ステップＳ２では、上記した３０ケースについてＷＪＰ施工条件を入力する。このＷＪＰ施工条件を用いたステップＳ３〜Ｓ６の各処理を、ケースごとに実行する。これらの処理によって、３０ケースのそれぞれについて、噴流の中心、すなわち、ノズル５の軸心の延長線上における、炉心シュラウド３１の表面から、深さ方向における各位置での圧縮残留応力が求められる。その深さ方向において、炉心シュラウド３１の表面から、例えば、０．５ｍｍの深さまでの間で圧縮残留応力が求められる。
【０１２１】
本実施例では、ＣＰＵ４１が、残留応力を判定する（ステップＳ７）。オーステナイト系ステンレス鋼製のＷＪＰ施工対象物に対しては、このＷＪＰ施工対象物の表面から１００μｍの深さの位置で、ＷＪＰの施工により圧縮残留応力が発生していれば、適切なＷＪＰがＷＪＰ施工対象物に対して行われたと判定する。オーステナイト系ステンレス鋼製のＷＪＰ施工対象物では、ＷＪＰ施工対象物の表面から１００μｍの深さの位置で圧縮残留応力が発生していない場合には、施工されたＷＪＰが不適切であると判定する。Ｎｉ基合金製のＷＪＰ施工対象物については、ＷＪＰ施工対象物の表面から２００μｍの深さの位置で圧縮残留応力が発生していれば、適切なＷＪＰがＷＪＰ施工対象物に対して施工されたと判定する。
【０１２２】
図２３の「噴射距離と噴射角度の組合せの設定」に示された３０ケースについて、ステップＳ６で算出したそれぞれの残留応力に基づいて、炉心シュラウド３１の残留応力について判定を行った結果、図２３の「噴射距離と噴射角度の各組合せにおける残留応力の評価」に示すように、網掛けＲ１及びＲ２を付した２０ケースの噴射距離と噴射角度の各組合せが適切であると、ＣＰＵ４１によって判定された。網掛けＲ２のケースは、網掛けＲ１のケースよりも、ＷＪＰの施工により発生した圧縮残留応力が大きく、圧縮残留応力が最適なケースである。
【０１２３】
ＣＰＵ４１は、ステップＳ７で得られた残留応力の判定情報を表示装置４４に表示する。一例として、図２３の「噴射距離と噴射角度の各組合せにおける残留応力の評価」に示す情報が表示装置４４に表示されたとする。この表示情報を見たオペレータは、ＷＪＰ施工条件として、網掛けＲ２が付された噴射距離と噴射角度の組合せのうち１つの噴射距離と噴射角度の組合せを選定する。
【０１２４】
選定されたＷＪＰ施工条件を入力する（ステップＳ８）。表示された噴射距離と噴射角度の組合せのうち選定した１つの噴射距離と噴射角度の組合せ（例えば、噴射距離１５０ｍｍ、噴射角度９０°）をマウス（入力装置）によってクリックすることによって、クリックされたこの噴射距離と噴射角度が選定され、ＣＰＵ４１内に入力され、メモリ４２に記憶される。マウスでクリックする替りに、選定した噴射距離と噴射角度の組合せを入力装置４３からＣＰＵ４１に入力してもよい。
【０１２５】
本実施例の残留応力の評価方法を実施する電子計算機４０のＣＰＵ４１は、実施例１で述べた噴流解析手段、キャビテーションエネルギ算出手段、気泡崩壊圧算出手段及び応力解析手段、及びステップＳ７における残留応力の判定を行う残留応力判定手段を含んでいる。
【０１２６】
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。さらに、本実施例は、ＷＪＰの施工前に、ＷＪＰ施工対象物に対してＷＪＰを施工した状態でのＷＪＰ施工対象物の残留応力を、短時間で精度良く予測することができる。このため、得られた精度の高い残留応力に基づいて、ＷＪＰ施工対象物に対するＷＪＰ施工条件をより適切に選定することができる。
【０１２７】
本実施例は、噴流解析による気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇの算出、算出した気泡内圧力ｐＢ及び気泡数密度ｎｇを用いたキャビテーションエネルギの算出、算出したキャビテーションエネルギに基づいた気泡の崩壊圧の算出、算出した気泡の崩壊圧に基づいたＷＪＰ施工対象物の残留応力の算出を行っているので、狭隘部の複雑なＷＪＰ対象物に対する適切なＷＪＰ施工条件の選定精度が向上する。
【０１２８】
本実施例は、炉心シュラウド３１だけでなく、ＷＪＰ施工条件を選定する際に、沸騰水型原子炉の他の炉内構造物の予測した残留応力を評価する際にも適用することができる。
【０１２９】
実施例１及び２は、加圧水型原子炉等の他の原子炉に設けられているＷＪＰ施工対象物の残留応力の評価に対して適用することができる。
【実施例３】
【０１３０】
本発明の他の実施例である実施例３のウォータージェットピーニング施工方法を、図２４を用いて説明する。本実施例では、実施例１で用いたＷＪＰ装置１が用いられる。
【０１３１】
本実施例は、実施例２のＷＪＰの残留応力評価方法によって選定されたＷＪＰ施工条件を用いて、ＷＪＰ施工対象物に対して実施するＷＪＰ施工方法である。電子計算機４０は、実施例２で述べた図２２に示す各処理を実行し、ＷＪＰ施工対象物に対してＷＪＰを施工した場合の残留応力を予測して求め、予測により得られた圧縮残留応力が基準を満足するかを判定する。この判定結果に基づいて選定された適切なＷＪＰ施工条件（例えば、噴射距離１５０ｍｍ及び噴射角度９０°）を、電子計算機４０がメモリ４２に記憶している。
【０１３２】
電子計算機（例えば、パーソナルコンピュータ）４０が制御装置２１に接続されている。制御装置２１は、図２２に示す実施例２のＷＪＰの残留応力評価方法によって選定されたＷＪＰ施工条件（噴射距離１５０ｍｍ及び噴射角度９０°）、及びこのＷＪＰ施工条件を求めるための各解析に用いた他のＷＪＰ施工条件（ステップＳ１及びＳ２で入力したＷＪＰ施工条件：例えば、ノズル５から噴射する高圧水の噴射流量４８Ｌ／ｍｉｎ、噴射圧力７０ＭＰａ、噴射時間４０ｍｉｎ／ｍ等）を電子計算機４０から入力する。
【０１３３】
ＷＪＰ装置１のノズル保持装置２が、実施例１と同様に、炉心支持板２３及び上部格子板３２で保持される。操作盤２２からＷＪＰ開始信号を入力した制御装置２１は、第１制御信号を出力して、２つのモータ１４を時計方向に回転させ、ノズル５を炉心シュラウド３１の軸方向におけるＷＪＰ開始位置合わせる。ノズル５の噴射口の口径は２ｍｍである。制御装置２１から出力された第３制御信号により、ノズル装置４のモータが駆動され、炉心シュラウド３１の水平断面においてノズル５の軸心と炉心シュラウド３１のなす噴射角度Ψが、電子計算機４０から入力した９０°に調節される。
【０１３４】
制御装置２１から出力された第２制御信号により、移送ロッド１０Ａに連結されたモータ３１が時計方向に、移送ロッド１０Ｂに連結されたモータ３１が半時計方向に回転され、ノズル５が炉心シュラウド３１の内面に向って移動する。ノズル５の先端と炉心シュラウド３１の内面との間の距離（噴射距離）が、電子計算機４０から入力した１５０ｍｍに合わされる。操作盤２からＷＪＰ開始信号を入力した制御装置２１は、高圧ポンプ１６を駆動して高圧ポンプ１６の回転速度を制御し、高圧水２６の噴射流量を４８Ｌ／ｍｉｎに調節し、圧力調節弁２０の開度を制御して噴射圧力を７０ＭＰａに調節する。ノズル５から高圧水２６の噴流２５が噴射され、実施例１で述べたように、炉心シュラウド３１の内面にＷＪＰが施工される。
【０１３５】
ＷＪＰの施工が開始された後、制御装置２１が２つのモータ３１を例えば半時計方向に回転させることにより、ノズル装置４がＷＪＰを施工する溶接線に沿って移動する。ノズル装置４のこの移動に際して、制御装置２１は、炉心シュラウド３１内面への噴流２５の噴射時間が４０ｍｉｎ／ｍになるように、２つのモータ３１の回転速度を制御してノズル５の移動速度を調節する。
【０１３６】
本実施例も、実施例２で行われるＷＪＰの残留応力評価方法をＷＪＰの施工前に実行するので、実施例２で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、ＷＪＰの施工前に実行したその残留応力評価方法で選定した適切なＷＪＰ施工条件を用いて、ＷＪＰ装置１の該当箇所を制御するので、選定した適切なＷＪＰ施工条件で得られる適切な圧縮残留応力をＷＪＰ施工対象物（例えば、炉心シュラウド３１）の表面、及びその深さ方向において付与することができる。ＷＪＰ施工対象物の狭隘部でのＷＪＰ施工においても、適切なＷＪＰ条件を事前に適切に選定することができるので、その狭隘部でのＷＪＰ施工も良好に行うことができる。
【０１３７】
本実施例は、炉心シュラウド３１だけでなく、沸騰水型原子炉の他の炉内構造物へのＷＪＰの施工に適用することができる。さらに、本実施例は、加圧水型原子炉等の他の原子炉に設けられているＷＪＰ施工対象物に対するＷＪＰ施工に対しても適用することができる。
【０１３８】
原子力プラント以外の装置で用いられる部品等の構造部材を水槽内の水中に浸漬させ、この構造部材に対してＷＪＰを施工する際においても、実施例３を適用することができる。この構造部材の残留応力の評価にも、実施例１及び２をそれぞれ適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、ＷＪＰを施工する、原子力プラント等のプラントの構造部材、及び一般的な装置の部品の残留応力の評価に適用することができる。
【符号の説明】
【０１４０】
１…ウォータージェットピーニング装置、２…ノズル保持装置、４…ノズル装置、５…ノズル、７…回転装置、９…ノズル走査装置、１０Ａ，１０Ｂ…移送ロッド、１１…支持部材、１２Ａ，１２Ｂ…リンク、１３Ａ，１３Ｂ…移動体、１６…高圧ポンプ、１７…給水ホース、２１…制御装置、２９…水供給装置、４０…電子計算機。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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