(57)【要約】【課題】施工条件の管理範囲を規定して、管体の設置状態、構成状態に依らず、確実に残留応力を改善できる管体の残留応力改善方法及び装置を提供する。【解決手段】円筒状の配管２の溶接部分Ｃの外周面に局所的にレーザ光５ａを照射し、照射領域Ｓを周方向に移動することにより、配管２の残留応力を改善する際、施工対象の配管２に複数の熱電対９を設置し、レーザ光５ａの照射による配管２の外面の温度履歴を測定して、温度履歴を管理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
施工対象の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、温度履歴を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項２】
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
施工対象の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項３】
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
予め、施工対象の管体と同一条件の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を求めておき、
施工対象の管体にレーザ光を照射する際、施工条件として、前記最高到達温度、前記昇温時間、前記軸方向加熱幅及び前記周方向加熱幅を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記昇温時間をτ、管体の熱拡散率をｋ、管体の板厚をｈとして、無次元化時間Ｆ＝（τ×ｋ）／ｈ2を求め、
前記昇温時間として、前記無次元化時間Ｆを管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項５】
請求項４に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化時間Ｆを、上限と下限で管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記周方向加熱幅をＷ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、周方向の無次元化距離Ｇ＝Ｗ／√（ｒｈ）を求め、
前記周方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｇを管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項７】
請求項６に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記軸方向加熱幅をＬ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、軸方向の無次元化距離Ｊ＝Ｌ／√（ｒｈ）を求め、
前記軸方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｊを管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項９】
請求項８に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化距離Ｊを、３．０以上に管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記最高到達温度を、
オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
ニッケルクロム鉄合金の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
低合金鋼あるいは炭素鋼の場合は、５００℃以上、且つ、５９５℃未満に管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記レーザ光の周方向の移動速度をｖ、管体の板厚をｈとして、
積（ｖ×ｈ）を、７０ｍｍ2／秒以上に管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項１２】
請求項４に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化時間Ｆの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項１３】
請求項６に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項１４】
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
施工対象の管体に複数の温度計が設置され、
前記制御手段は、
レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を前記複数の温度計により測定して、温度履歴を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１５】
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
施工対象の管体に複数の温度計が設置され、
前記制御手段は、
レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を前記複数の温度計により測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１６】
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
予め、施工対象の管体と同一条件の管体に設置した複数の温度計から、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を求めておき、
施工対象の管体にレーザ光を照射する際、施工条件として、前記最高到達温度、前記昇温時間、前記軸方向加熱幅及び前記周方向加熱幅を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至請求項１６のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記昇温時間をτ、管体の熱拡散率をｋ、管体の板厚をｈとして、無次元化時間Ｆ＝（τ×ｋ）／ｈ2を求め、
前記昇温時間として、前記無次元化時間Ｆを管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化時間Ｆを、上限と下限で管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至請求項１８のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記周方向加熱幅をＷ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、周方向の無次元化距離Ｇ＝Ｗ／√（ｒｈ）を求め、
前記周方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｇを管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２１】
請求項１４乃至請求項２０のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記軸方向加熱幅をＬ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、軸方向の無次元化距離Ｊ＝Ｌ／√（ｒｈ）を求め、
前記軸方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｊを管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化距離Ｊを、３．０以上に管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２３】
請求項１４乃至請求項２２のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記最高到達温度を、
オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
ニッケルクロム鉄合金の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
低合金鋼あるいは炭素鋼の場合は、５００℃以上、且つ、５９５℃未満に管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２４】
請求項１４乃至請求項２３のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記レーザ光の周方向の移動速度をｖ、管体の板厚をｈとして、
積（ｖ×ｈ）を、７０ｍｍ2／秒以上に管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２５】
請求項１７に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化時間Ｆの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項２６】
請求項１９に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する引張応力が問題となる。溶接が行われると配管内面には引張残留応力が発生し、その引張残留応力によって配管の寿命が短くなるおそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、圧縮応力まで改善することが望ましい。
【０００３】
配管に残留する引張応力の改善方法として、高周波加熱残留応力改善法（Induction Heating Stress Improvement Process；以降、ＩＨＳＩ法と呼ぶ。）が提案されている。このＩＨＳＩ法は、配管の応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；以降、ＳＣＣと呼ぶ。）条件を満たしている部分近傍の厚み方向に温度勾配ができるように、管内面を流水により強制冷却しながら外面側から高周波誘導加熱コイルを利用して誘導加熱で昇温した後、加熱を停止し、配管の厚み方向が略均一な温度となるまで内面に水を流すことで冷却し続け、結果として、溶接部近傍の引張状態の残留応力を低減又は圧縮状態にするものである（特許文献１〜３）。
【０００４】
又、配管に残留する引張応力の改善方法として、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法や、レーザを回転移動しながら配管外面に線状に照射し、加熱することにより、残留応力を低減する方法も提案されている（特許文献４〜８）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−７００９５号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０１７８号公報
【特許文献３】特開平１０−２７２５８６号公報
【特許文献４】特開２００３−００４８９０号公報
【特許文献５】特開平８−５７７３号公報
【特許文献６】特開２０００−２５４７７６３号公報
【特許文献７】特開２００４−１３０３１４号公報
【特許文献８】特開２００５−２３２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＩＨＳＩ法においては、加熱終了時に管外周面と管内周面との間には一定以上の温度差が必要である。このため、既に据え付けられ、内部を水流による冷却が可能な配管に対しては実施しやすいが、管内部に流水状態を確保できない管体に対しては実施が困難である。又、ＩＨＳＩ法は、管の厚み方向に温度勾配をつけるために高周波誘導加熱を行うものであるが、高周波誘導コイルによる加熱の場合、管体の材質（誘電率）によって、熱が伝わる深さ及び範囲が異なり、その加熱範囲の限定が難しい。又、装置も大掛かりでエネルギー消費量も大きく、更に、異材継手等、誘電率が異なる部材が混じっている場合には、厚み方向に一定の温度勾配をつけるのが難しい。
【０００７】
又、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法おいては、加熱しすぎたり、加熱が不足したりする可能性がある。加熱しすぎた場合、加熱領域の近傍に鋭敏化温度に晒される領域が発生し、材料自体に悪影響を与える。又、加熱面に酸化スケールが形成され、スケールを除去する必要が生じ、原子力発電所内での施工では、被ばくが増加するおそれがある。又、加熱不足の場合には、残留応力を十分改善することができず、ＳＣＣを確実に防止できないおそれもある。加えて、ステンレス鋼と低合金鋼のように異種材料が存在する場合には、ステンレス鋼の材質改善（脱鋭敏化温度：１０５０℃以上）では低合金鋼の材質に悪影響（焼入れによる硬化、靭性低下）が発生するため、異材継手には適用できないという問題点がある。
【０００８】
又、レーザ照射を用い、回転移動しながらレーザを配管外面に線状に照射して加熱することにより、残留応力を低減する方法においては、加熱領域を制限するため、軸方向加熱幅に制限を設けている。しかしながら、確実に圧縮残留応力を得るためには、軸方向加熱幅だけではなく、周方向加熱幅、移動速度にも制限を設ける必要があり、加えて、周方向加熱幅等をどのように設定するか明確に規定しないと、施工する際に、どのような施工条件を用いて施工するか管理できないという問題点があった。特に、施工対象の径、板厚、材質等が異なる場合には、施工条件を変更する必要があり、所望の応力改善効果を得るために、施工条件を最適な範囲に管理する必要があった。又、ステンレス鋼と低合金鋼のように異種材料が存在する場合の施工については、その施工条件について、全く決められていなかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、施工条件の管理範囲を規定して、管体の設置状態、構成状態に依らず、確実に残留応力を改善できる管体の残留応力改善方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
施工対象の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、温度履歴を管理することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第２の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
施工対象の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を管理することを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第３の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
円筒状の管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に回転することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
予め、施工対象の管体と同一条件の管体に複数の温度計を設置し、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を求めておき、
施工対象の管体にレーザ光を照射する際、施工条件として、前記最高到達温度、前記昇温時間、前記軸方向加熱幅及び前記周方向加熱幅を管理することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第４の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第３の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記昇温時間をτ、管体の熱拡散率をｋ、管体の板厚をｈとして、無次元化時間Ｆ＝（τ×ｋ）／ｈ2を求め、
前記昇温時間として、前記無次元化時間Ｆを管理することを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第５の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第４の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化時間Ｆを、上限と下限で管理することを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第６の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第５の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記周方向加熱幅をＷ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、周方向の無次元化距離Ｇ＝Ｗ／√（ｒｈ）を求め、
前記周方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｇを管理することを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第７の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第６の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第８の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第７の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記軸方向加熱幅をＬ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、軸方向の無次元化距離Ｊ＝Ｌ／√（ｒｈ）を求め、
前記軸方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｊを管理することを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第９の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第８の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記無次元化距離Ｊを、３．０以上に管理することを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第１０の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第９の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記最高到達温度を、
オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
ニッケルクロム鉄合金の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
低合金鋼あるいは炭素鋼の場合は、５００℃以上、且つ、５９５℃未満に管理することを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第１１の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第１０の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記レーザ光の周方向の移動速度をｖ、管体の板厚をｈとして、
積（ｖ×ｈ）を、７０ｍｍ2／秒以上に管理することを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第１２の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第４の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化時間Ｆの下限を管理することを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する第１３の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第６の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する第１４の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
施工対象の管体に複数の温度計が設置され、
前記制御手段は、
レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を前記複数の温度計により測定して、温度履歴を管理することを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する第１５の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
施工対象の管体に複数の温度計が設置され、
前記制御手段は、
レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を前記複数の温度計により測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を管理することを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決する第１６の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記回転移動手段及び前記光学ヘッドを制御する制御手段とを有し、
前記レーザ光の照射領域を周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
予め、施工対象の管体と同一条件の管体に設置した複数の温度計から、レーザ光の照射による管体外面の温度履歴を測定して、最高到達温度、前記最高到達温度までの昇温時間、前記最高到達温度に対して所定の温度範囲内となる軸方向加熱幅を求めると共に、前記昇温時間と前記レーザ光の周方向の移動速度の積から周方向加熱幅を求めておき、
施工対象の管体にレーザ光を照射する際、施工条件として、前記最高到達温度、前記昇温時間、前記軸方向加熱幅及び前記周方向加熱幅を管理することを特徴とする。
【００２６】
上記課題を解決する第１７の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１４〜第１６の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記制御手段は、
前記昇温時間をτ、管体の熱拡散率をｋ、管体の板厚をｈとして、無次元化時間Ｆ＝（τ×ｋ）／ｈ2を求め、
前記昇温時間として、前記無次元化時間Ｆを管理することを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する第１８の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１７の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化時間Ｆを、上限と下限で管理することを特徴とする。
【００２８】
上記課題を解決する第１９の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１４〜第１８の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記周方向加熱幅をＷ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、周方向の無次元化距離Ｇ＝Ｗ／√（ｒｈ）を求め、
前記周方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｇを管理することを特徴とする。
【００２９】
上記課題を解決する第２０の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１９の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする。
【００３０】
上記課題を解決する第２１の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１４〜第２０の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記軸方向加熱幅をＬ、管体の平均半径をｒ、管体の板厚をｈとして、軸方向の無次元化距離Ｊ＝Ｌ／√（ｒｈ）を求め、
前記軸方向加熱幅として、前記無次元化距離Ｊを管理することを特徴とする。
【００３１】
上記課題を解決する第２２の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第２１の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記無次元化距離Ｊを、３．０以上に管理することを特徴とする。
【００３２】
上記課題を解決する第２３の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１４〜第２２の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記最高到達温度を、
オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
ニッケルクロム鉄合金の場合は、５５０℃以上、且つ、６５０℃未満に、
低合金鋼あるいは炭素鋼の場合は、５００℃以上、且つ、５９５℃未満に管理することを特徴とする。
【００３３】
上記課題を解決する第２４の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１４〜第２３の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記レーザ光の周方向の移動速度をｖ、管体の板厚をｈとして、
積（ｖ×ｈ）を、７０ｍｍ2／秒以上に管理することを特徴とする。
【００３４】
上記課題を解決する第２５の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１７の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化時間Ｆの下限を管理することを特徴とする。
【００３５】
上記課題を解決する第２６の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１９の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記管体の内面が水冷される場合には、前記無次元化距離Ｇの下限を管理することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、管体外面に設置した温度計の温度履歴により、施工の品質を確保できるため、用いたレーザ光の入熱密度分布を計測する必要がなく、現場で簡単に施工管理ができる。又、温度を直接計測して管理することができるので、応力改善効果の品質を確保できる。
【００３７】
又、管体内面を強制冷却しながらレーザ加熱を行う場合には、昇温時間、周方向加熱幅等の管理範囲が広くなり、より簡単に施工管理ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明に係る管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置を、図１〜図１８を用いて、詳細に説明する。
【実施例１】
【００３９】
＜装置構成＞
図１（ａ）は、本発明に係る管体の残留応力改善装置を示す模式図である。
図１（ａ）に示すように、残留応力改善装置１は、円筒状の管体である配管２の外周を周回移動可能に配置され、周方向の移動速度ｖを制御可能な回転駆動装置３（回転駆動手段）と、回転駆動装置３に支持されると共に配管２の軸方向に延設され、配管２の周囲を配管２と同軸に周回可能なアーム部４と、アーム部４に保持され、配管２の外周面の所定領域にレーザ光５ａを照射する光学ヘッド５と、光ファイバ６により光学ヘッド５と接続され、光ファイバ６を介してレーザ光を光学ヘッド５に供給するレーザ発振器７と、回転駆動装置３、レーザ発振器７等を制御する制御装置８とを有するものである。なお、加熱範囲により、複数のレーザ発振器と光学ヘッドを回転駆動装置のアームに設置する場合もある。
【００４０】
回転駆動装置３は、配管２の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所例えば、溶接部Ｃ等の周囲に自由に設置可能である。なお、回転駆動装置３は、その内周側が配管２を保持し、アーム部４を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよく、例えば、内周側において、配管２を保持する固定側となる固定部と、外周側において、アーム部４を支持すると共に配管２の周囲を配管２と同軸に周回する周回側となる周回部とを有するような構成でもよい。
【００４１】
光学ヘッド５、光ファイバ６、レーザ発振器７は、加熱光学系を構成しており、アーム部４に取り付けられた光学ヘッド５により、レーザ光５ａを配管２の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。光学ヘッド５においては、光学ヘッド５自体、若しくは、光学ヘッド５を構成するレンズ、ミラー等を、例えば、それらの位置を変更可能なスライド機構に取り付け、それらの位置変更を行うことで、軸方向照射幅Ｌ、周方向照射幅Ｗを調整して、加熱する照射領域Ｓを調整している（図１（ｂ）参照）。又、軸方向照射幅Ｌを拡げたい場合には、配管２の軸方向に沿って複数の光学ヘッド５をアーム部４に取り付け、レーザ発振器７から複数の光ファイバ６を接続して、レーザ光を供給するようにしてもよい。
【００４２】
そして、施工の際には、本発明に係る残留応力改善装置１において、予め、光学ヘッド５の調整により加熱領域を調整し、制御装置８により、レーザ発振器７の出力を制御すると共に回転駆動装置３を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、光学ヘッド５から照射されるレーザ光５ａが、配管２の外周を周回移動しながら配管２の外周面の所定領域に照射され、配管２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管２の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。周回数としては、１回の周回でもよいが、複数の周回としてもよく、複数の周回の場合は、始終端の位置を変更するようにしてもよい。又、加熱温度としては、固溶化温度未満とすることが好ましい。なお、本実施例及び後述する実施例２は、空冷モード、即ち、内面が気相あるいは施工前に水が内面に充満している場合を前提としているが、後述する実施例３は、水冷モード、即ち、水が内面に常に充満している場合を前提としている。
【００４３】
＜施工条件＞
施工条件について説明する前に、まず、本発明に係る管体の残留応力改善方法の原理を簡単に説明する。
【００４４】
配管２の溶接部Ｃ近傍の所定領域の残留応力を改善する場合、本発明においては、配管２の外周面をレーザ光で加熱して、配管２の外面と内面との間に所定の温度差が生じるように加熱する。このような加熱を行うと、外面は圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記所定領域の内面及び外面の温度差が無くなり、常温付近まで温度が低下すると、外面が引張応力状態になり、内面が圧縮応力状態になり、降伏応力により内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる。このとき、加熱時に発生させる応力の大きさ（ひずみ量）は、少なくとも降伏応力相当以上のひずみ量となるように、レーザ加熱時の条件を設定することが望ましい。このようにして、配管２の内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善することができ、その結果、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。
【００４５】
このように、配管２の外周面（溶接部Ｃ近傍）をレーザ加熱して、所望のひずみ量を得るためには、軸方向照射幅Ｌ、周方向照射幅Ｗ等を適切な範囲に制御する必要がある。そして、これらの条件は、配管２の形状（具体的には、配管２の径、板厚）、更には、配管２の材料、設置環境等に左右されるため、個々の状態に応じて、これらの施工条件を変更する必要がある。ところが、従来は、軸方向照射幅Ｌ、周方向照射幅Ｗ等について、明確な規定が無く、所望のひずみ量を得るための施工条件の管理も容易でなかった。
【００４６】
そこで、本発明者等は、配管２の形状等に左右されること無く、最適な施工条件を管理することができないか検討してみた。
具体的には、以下に示す４種類の配管形状（材料はＳＵＳ３０４で同一）を対象に弾塑性解析を実施し、施工後の残留応力を比較することにより、応力改善効果に対する配管の径、板厚の影響を評価してみた。配管形状としては、配管外径Ｄ、配管板厚ｈ、平均半径ｒが各々以下の表1のように異なるものを用いた（図１（ｂ）参照）。なお、異なる配管形状では溶接による残留応力が異なるので、ここでは、配管の径、板厚の影響を明確にするため、配管の初期応力のない素管を対象とした。又、表１中の１４Ｂ管−Ａは、板厚の影響を把握するために評価したものである。
【００４７】
【表１】
2008169444.tif 000003
【００４８】
又、各配管形状に対する施工条件としては、各条件を無次元化して管理できることを目標に、以下のように設定した。なお、以下の施工条件において、配管２の外面の温度が１００℃を越え、最高到達温度Ｔmaxに到達するまでの昇温時間をτｏ（秒）とし、配管２の熱拡散率をｋ（ｍｍ2／秒）とし、レーザ光源の移動速度をｖ（ｍｍ／秒）と規定している。
【００４９】
（ａ）昇温時間は、以下の式（１）により規定される昇温時間パラメータＦｏで整理できると仮定し、昇温時間パラメータＦｏを０．０８とした。
Ｆｏ＝τｏ×ｋ／ｈ2                式（１）
（ｂ）周方向加熱幅Ｗは、√（ｒｈ）で整理できると仮定し、１．７√（ｒｈ）とした。なお、周方向加熱幅Ｗは、最高到達温度まで加熱するのに有効な幅であり、他のパラメータとは、以下の式（２）に示す関係を有する。
Ｗ＝τｏ×ｖ                        式（２）
（ｃ）軸方向加熱幅Ｌも、√（ｒｈ）で整理できると仮定し、３．０√（ｒｈ）とした。なお、軸方向加熱幅は、外面が所定温度に加熱されている領域の軸方向長さである（図７（ｂ）参照）。
（ｄ）移動速度ｖは、式（１）、式（２）から求められる式（３）から求めた。
ｖ＝（Ｗ×ｋ）／（Ｆｏ×ｈ2）      式（３）
式（３）において、周方向加熱幅Ｗは１．７√（ｒｈ）で定数、熱拡散率ｋも定数、昇温時間パラメータＦｏは０．０８、板厚ｈも定数なので、速度ｖが定まる。
そして、上記条件を用い、１周目は０°を始終端とし、３６０°まで、２周目は１８０°を始終端とする２周施工を行った。なお、各配管形状に対する施工条件を整理したものが表２である。
【００５０】
上記施工条件において、昇温時間パラメータＦｏは、無次元時間を示すものであり、この無次元時間は、熱伝導による温度の非定常状態での時間的拡散を示す無次元量である。本発明においては、板厚内に適正な温度分布を得ることが必要であり、そのためには、非定常状態での板厚内の温度分布（時間的拡散）が重要である。従って、このような観点から、昇温時間として、昇温時間パラメータＦｏを用いてみた。
【００５１】
又、周方向加熱幅Ｗを√（ｒｈ）で整理したパラメータ、即ち、後述する周方向加熱幅パラメータＧ＝Ｗ／√（ｒｈ）は、無次元化距離を示すものである。本発明においては、レーザ光による局部加熱により発生する熱変形の影響を考慮する必要がある。つまり、レーザ光による局部加熱を行った場合、加熱部は熱膨張により外面凸の曲げ変形（外径が大きくなるような変形）が生じ、常温部が変形を拘束している状態が生じる。この状態を局部的に内圧ｐが負荷されている管と置き換えれば、境界部には曲げモーメントＭとせん断力Ｑが発生しており、ｒを平均半径、ｈを板厚、Ｅをヤング率、νをポアソン比、ｘを境界からの距離とすると、管のたわみ量δは以下の式（４）で示される。
【００５２】
【数１】
2008169444.tif 000004
【００５３】
式（４）からわかるように、たわみ量δは［β×ｘ］の関数となる。又、［β×ｘ］は以下の式（５）のように、√（ｒｈ）で表現できるので、熱膨張による変形を√（ｒｈ）で相似的に表現することが可能である。従って、このような観点から、周方向幅を無次元化するため、周方向加熱幅Ｗを√（ｒｈ）で整理した周方向加熱幅パラメータＧを用いてみた。
β×ｘ≒１．３ｘ／√（ｒｈ）          式（５）
但し、ν＝０．３とする。
【００５４】
【表２】
2008169444.tif 000005
【００５５】
上記施工条件における伝熱解析結果として、施工１周目の１８０度位置での外面温度が最大となる時点の板厚方向の温度分布を、管形状毎に求めて比較したものを図２に示す。なお、横軸は板厚を内面からの距離で除して無次元化した「無次元化距離」であり、縦軸は１８０度位置での温度である。図２から明らかなように、４種類の配管の板厚方向温度分布は良く一致している。
【００５６】
又、上記施工条件における伝熱解析結果として、施工１周目の１８０度位置での内面及び外面温度の時間履歴を図３（ａ）、（ｂ）に示す。横軸は時間に定数を乗じて板厚の２乗で除して無次元化した「無次元化時間」であり、縦軸は１８０度位置の温度履歴である。又、最高到達温度を無次元時間の原点とした。図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように、４種類の配管の温度履歴は、ほぼ一致している
【００５７】
又、図４（ａ）、（ｂ）に、板厚方向距離を板厚で除した無次元化距離で整理した９０°位置での周方向応力と軸方向方応力の分布を示す。図４（ａ）、（ｂ）からわかるように、４種類の配管の板厚方向応力分布は、ほぼ一致している。これは、他の位置、例えば、０°、１８０°、２７０°位置での周方向応力と軸方向方応力の分布でも同じ傾向であった。
【００５８】
又、図５（ａ）、（ｂ）及び図６（ａ）、（ｂ）に、中央（対称面）からの軸方向距離を√（ｒｈ）で除した無次元化距離で整理した内外面の周方向応力と軸方向応力の分布を示す。図５（ａ）、（ｂ）及び図６（ａ）、（ｂ）からは、無次元化距離に対して、４種類の配管の軸方向及び周方向の内外面の応力分布が、ほぼ一致することがわかる。
【００５９】
以上の結果から、「無次元化時間」と「無次元化距離」を用いて外面の温度分布を整理すると、４種類の配管形状の温度分布はほぼ等しいことがわかった。又、「無次元化距離」を用いて応力分布を整理すると、４種類の配管形状の応力分布も、ほぼ等しいことがわかった。つまり、「無次元化時間」及び「無次元化距離」を用いて施工条件を設定することにより、配管形状が異なった場合においても相似則が成り立ち、昇温時間、周方向加熱幅、軸方向加熱幅を、上述したような無次元化した時間と長さで管理すれば、最適な施工条件をより容易に管理可能であり、配管形状によらず同等の残留応力改善効果が得られることがわかる。
【００６０】
そして、上記施工条件は、管外面に設置した温度計の温度履歴を用いることにより求めることができる。つまり、管外面に設置した温度計の温度履歴を管理すれば、上記施工条件を管理できることになる。
【００６１】
具体的には、配管の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方向に回転する際、配管外面に設置した温度計により、昇温時間τｏ、最高到達温度Ｔmax及び軸方向加熱幅Ｌを、温度履歴として実測しておけばよい。そこで、昇温時間τｏ、最高到達温度Ｔmax及び軸方向加熱幅Ｌを実測する手順を説明する。
【００６２】
施工対象の配管の外面において、照射領域Ｓが通過する範囲に複数の熱電対９を設置する。又は、予め、施工対象の配管と同じ条件（同一径、同一板厚、同一材料）の配管を用意しておき、この配管の外面において、照射領域Ｓが通過する範囲に複数の熱電対９を設置しておくようにしてもよい。設置する熱電対９は、照射領域の中心が通過する位置に１つと、その位置と同一の軸方向上であり、照射領域の両端部の位置に２つと、少なくとも合計３つ以上必要であり、望ましくは、これらの３つ以上の熱電対を１セットとして、配管２の周方向に複数セット配置する（図１（ｂ）参照）。そして、配管２の溶接部Ｃ近傍の外周面に局所的にレーザ光を照射すると共に、照射領域Ｓを周方向に回転して、配管２の外面に設置した熱電対９の温度変化を計測し、その計測履歴を用いることにより、昇温時間τｏ及び最高到達温度Ｔmaxを求めている。
【００６３】
より詳しくは、図７（ａ）に示すように、配管２の外面に設置した熱電対９の温度が到達した最高の温度を、最高到達温度Ｔmaxとして測定すると共に、熱電対９の温度が１００℃を越えた時点から最高到達温度Ｔmaxに到達するまでの時点を、昇温時間τｏとして測定している。又、図７（ｂ）に示すように、配管２の外面の軸方向に複数設置した熱電対９の最高到達温度Ｔmaxが所定の温度範囲となる領域を、軸方向加熱幅Ｌとしている。更に、周方向加熱幅Ｗは、昇温時間τｏと光学ヘッド５の移動速度ｖの積（τｏ×ｖ）により求められる。なお、最高到達温度Ｔmaxは、後述するように、配管２の材料により、適切な温度範囲が規定され、又、この温度範囲が、軸方向加熱幅Ｌを規定する際の温度範囲として用いられる。例えば、ＳＵＳ３０４の場合、５５０℃≦Ｔmax＜６５０℃が望ましい。
【００６４】
このようにして求めた昇温時間τｏ、最高到達温度Ｔmax、軸方向加熱幅Ｌ及び周方向加熱幅Ｗを用いることにより、配管２の径、板厚に左右されず、上述した施工条件が管理できることになる。
【００６５】
このように、配管外面に設置した温度計の温度履歴により、昇温時間τ0及び最高到達温度Ｔmax、軸方向加熱幅Ｌを実測するので、施工の品質を確保でき、用いたレーザ光の入熱密度分布を計測する必要はなく、現場で簡単に施工管理を行うことができる。又、温度を直接計測することができるので、応力改善効果の品質を確保できる。
【００６６】
又、例えば、実際の施工前に、上記温度履歴を確認することにより、所望の応力改善を確実に実施することができ、施工管理としては非常に有効である。特に、加熱温度が低くなってしまった場合には、再度やり直すことが可能であるが、加熱温度が高くなってしまった場合には、加熱領域が鋭敏化温度に晒されてしまい、材料自体に悪影響を与えてしまう。これに対して、本発明の応力改善方法では、温度履歴を確認して、上記施工条件を管理することにより、いずれの場合も防止することができ、所望の応力改善を確実に実施することができる。
【００６７】
＜管理範囲＞
更に、本発明者等は、上述した各施工条件において、残留応力を改善するために望ましい管理範囲を規定してみた。ここでは、４Ｂ管は外径１１４．３×板厚１３．５ｍｍ、２Ｂ管は外径６０．５×板厚８．７ｍｍ、１４Ｂ管は外径３５５．６×板厚３５．７ｍｍである。
【００６８】
（１）昇温時間パラメータＦｏ
昇温時間τｏを管理する無次元数（昇温時間パラメータＦｏ）の最適な範囲を求めるため、表１に示した異なる配管形状に対して、昇温時間パラメータＦｏとレーザ照射により内面に発生する熱応力との関係を熱弾性解析により検証してみた（図８参照）。外面の温度が１００℃を越え、最高到達温度Ｔmaxに到達するまでの昇温時間をτｏ（秒）とした。
【００６９】
ここでは、図１に示した装置を用い、昇温時間パラメータＦｏ以外のパラメータ（最高到達温度Ｔmax＝５５５℃、軸方向加熱幅Ｌ＝３×√（ｒｈ）、周方向加熱幅Ｗ＝２×√（ｒｈ））は同一条件として、昇温時間パラメータＦｏと内面に発生する熱応力の関係を求めている。
【００７０】
図８に示す結果からは、昇温時間パラメータＦｏが同じ（最高到達温度Ｔmax、軸方向加熱幅Ｌ、周方向加熱幅Ｗも同じ）であれば、管形状が異なっても、内面に発生する熱応力が一致することがわかる。このことは、残留応力改善効果も同じであることを示している。
【００７１】
従って、昇温時間τｏを無次元化数である昇温時間パラメータＦｏで管理することにより、板厚や材質が異なった対象物に対しても同じＦｏの範囲で管理することができる。例えば、昇温時間パラメータＦｏは、軸方向の熱応力がステンレス鋼の降伏応力の２倍（５００ＭＰａ）以上となる０．０４以上、０．０８以下が望ましい。
【００７２】
なお、Ｆｏが小さい場合（昇温時間が短い場合）、外面のみが加熱され、外面に大きな圧縮応力と内面に小さな引張応力が発生する。一方、Ｆｏが大きい場合（昇温時間が長い場合）、板厚内に大きな温度差が生じないため、内面に大きな引張応力が発生しない。故に、Ｆｏには適正な範囲（上限と下限）が必要である。
【００７３】
（２）周方向加熱幅Ｗ
又、周方向加熱幅Ｗを管理する無次元数（周方向加熱幅パラメータＧ＝Ｗ／√（ｒｈ））の最適な範囲を求めるため、表１に示した異なる配管形状に対して、周方向加熱幅パラメータＧ＝Ｗ／√（ｒｈ）とレーザ照射により内面に発生する熱応力の熱弾性解析結果との関係を調べてみた（図９参照）。
【００７４】
ここでも、図１に示した装置を用い、周方向加熱幅パラメータＧ以外のパラメータ（昇温時間パラメータＦｏ＝０．０６、最高到達温度Ｔmax＝５５５℃、軸方向加熱幅Ｌ＝３×√（ｒｈ））は同一条件として、周方向加熱幅パラメータＧと熱応力の関係を求めている。
【００７５】
図９に示す結果からは、周方向加熱幅パラメータＧが同じ（昇温時間パラメータＦｏ、最高到達温度Ｔmax、軸方向加熱幅Ｌも同じ）であれば、管形状が異なっても、内面に発生する熱応力が一致することがわかる。このことは、残留応力改善効果も同じであることを示している。
【００７６】
従って、周方向加熱幅Ｗを√（ｒｈ）で無次元化した周方向加熱幅パラメータＧで管理することにより、異なった形状の管に対しても同じパラメータの範囲で管理することができる。図９に示すように周方向加熱幅パラメータＧが大きくなれば、熱応力が増加するので、周方向加熱幅パラメータＧの下限を管理すればよい。例えば、周方向加熱幅パラメータＧは、軸方向の熱応力が５００Ｍｐａ以上となる１．７以上が望ましい。
【００７７】
（３）軸方向加熱幅Ｌ
又、軸方向加熱幅Ｌを管理する無次元数（軸方向加熱幅パラメータＪ＝Ｌ／√（ｒｈ））の最適な範囲を求めるため、表１に示した異なる配管形状に対して、軸方向加熱幅パラメータＪ＝Ｌ／√（ｒｈ）とレーザ照射により内面に発生する熱応力の熱弾性解析結果との関係を調べてみた（図１０参照）。
【００７８】
ここでも、図１に示した装置を用い、軸方向加熱幅パラメータＪ以外のパラメータ（昇温時間パラメータＦｏ＝０．０６、最高到達温度Ｔmax＝５５５℃、周方向加熱幅Ｗ＝２×√（ｒｈ））は同一条件として、軸方向加熱幅パラメータＪと熱応力の関係を求めている。
【００７９】
図１０に示す結果からは、軸方向加熱幅パラメータＪが同じ（昇温時間パラメータＦｏ、最高到達温度Ｔmax、周方向加熱幅Ｗも同じ）であれば、管形状が異なっても、内面に発生する熱応力が一致することがわかる。このことは、本発明で規定する管理条件が同じであれば、残留応力改善効果も同じであることを示している。
【００８０】
従って、軸方向加熱幅Ｌを√（ｒｈ）で無次元化した軸方向加熱幅パラメータＪで管理することにより、異なった形状の管に対しても同じパラメータの範囲で管理することができる。図１０に示すように軸方向加熱幅パラメータＪが大きくなれば、熱応力が増加するので、軸方向加熱幅パラメータＪの下限を管理すればよい。例えば、軸方向加熱幅パラメータJは、軸方向の熱応力が５００Ｍｐａ以上となる３．０以上が望ましい。
【００８１】
（４）最高到達温度Ｔmax
又、最高到達温度Ｔmaxについては、その管理範囲を規定するため、表１に示した配管形状（４Ｂ管）において、レーザ照射により内面に発生する熱応力の熱弾性解析結果を最高到達温度Ｔmaxとの関係から調べてみた（図１１参照）。
【００８２】
ここでも、図１に示した装置を用い、最高到達温度Ｔmax以外のパラメータ（昇温時間パラメータＦｏ＝０．０６、周方向加熱幅Ｗ＝２×√（ｒｈ）、軸方向加熱幅パラメータＬ＝３×√（ｒｈ））は同一条件として、最高到達温度Ｔmaxと熱応力の関係を求めている。
【００８３】
図１１に示す結果からは、昇温時間パラメータＦｏ、最高到達温度Ｔmax、周方向加熱幅Ｗ、軸方向加熱幅Ｌが同じであれば、最高到達温度Ｔmaxが高いほど、内面に発生する熱応力が増加する。このことは、本発明で規定する管理条件が同じであれば、残留応力改善効果も同じであることを示している。
【００８４】
従って、最高到達温度Ｔmaxを管理することにより、異なった形状の管に対しても同じパラメータの範囲で管理することができる。図１１に示すようにＴmaxが大きくなれば、熱応力が増加するので、Ｔmaxの下限を管理すればよい。しかしながら、Ｔmaxが高くなれば前述したように材質に悪影響を与える可能性があるため、Ｔmaxには上限が存在する。例えば、最高到達温度Ｔmaxは、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、軸方向の熱応力が５００Ｍｐａ以上となる５５０℃≦Ｔmax＜６５０℃が望ましい。
【００８５】
他の材料、例えば、ニッケルクロム鉄合金、低合金鋼、炭素鋼についても同様に調べた結果、ニッケルクロム鉄合金の場合は、５５０℃≦Ｔmax＜６５０℃、低合金鋼あるいは炭素鋼の場合は、５００℃≦Ｔmax＜５９５℃が望ましい範囲であった。
【００８６】
これは、最高到達温度Ｔmaxの上限を規定することにより、材料への悪影響（ステンレス鋼では鋭敏化、低合金鋼では焼入れによる硬化や靭性低下）を防止するためであり、又、最高到達温度Ｔmaxの下限を決めることにより、内外面の温度差を確実に付けるためである。
【００８７】
このように、最高到達温度Ｔmaxの上限及び下限を材質毎に規定することにより、材料への悪影響を防止すると共に、内外面の温度差を確実に付けることができ、残留応力改善効果を確実に得ることができる。
【００８８】
なお、詳細は実施例２において説明を行うが、最高到達温度が異なる異材継手でも残留応力改善できることを確認している。
【００８９】
（５）移動速度ｖ
又、移動速度ｖについては、その管理範囲を規定するため、表１に示した配管形状（４Ｂ管）において、レーザ照射により発生する内面と外面の温度差ΔＴを移動速度ｖと板厚ｈの積（ｖ×ｈ）との関係から調べてみた（図１２参照）。
【００９０】
ここでも、図１に示した装置を用い、ｖ×ｈ以外のパラメータ（昇温時間パラメータＦｏ＝０．０８、周方向加熱幅Ｗ＝２×√（ｒｈ）、軸方向加熱幅パラメータＬ＝３×√（ｒｈ）、最高到達温度Ｔmax＝５５５℃）は同一条件として、ｖ×ｈと温度差ΔＴの関係を求めている。
【００９１】
図１２に示す結果からは、昇温時間パラメータＦｏ、最高到達温度Ｔmax、周方向加熱幅Ｗ、軸方向加熱幅Ｌが同じであれば、ｖ×ｈが大きい場合には、つまり、移動速度ｖが早い場合には、所望の温度差ΔＴを得ることができるが、ｖ×ｈが低い場合には、つまり、移動速度ｖが遅い場合には、内面と外面の温度差ΔＴが低下することがわかる。
【００９２】
従って、移動速度ｖについては、ｖ×ｈを管理することにより、異なった形状の管に対しても同じパラメータの範囲で管理することができる。又、ｖ×ｈは、内面と外面の温度差ΔＴが飽和する７０ｍｍ2／ｓ以上が望ましい。
【００９３】
これは、Ｆｏが一定でも、速度ｖが極端に遅い場合、熱源から進行方向前方に熱が伝わるため、板厚内の温度差が小さくなる。このため、ｖｈには下限が存在する。
【００９４】
このように、ｖ×ｈの下限を規定することにより、内外面の温度差ΔＴを確実に得ることができ、残留応力改善効果を確実に得ることができる。
【実施例２】
【００９５】
次に、異材材料の溶接に対して、上記施工条件による残留応力改善効果を検証した。
具体的には、ステンンレス鋼（ＳＵＳ３１６）と低合金鋼の異材継手（溶接金属はニッケルクロム鉄合金）において、上記施工条件における残留応力分布について検証した。
【００９６】
対象は外径１３３ｍｍ×板厚２２ｍｍの配管とした（図１３（ａ）参照）。この配管で要求される残留応力改善領域を図１３（ｂ）に示す。これは、ニッケルクロム鉄合金溶接金属とステンレス鋼の熱影響部（ＨＡＺ）である。なお、ここでも、異材の影響を明確にするため、配管の初期応力のない素管を対象とした。
【００９７】
本実施例では、残留応力改善対象であるニッケルクロム鉄合金溶接金属を対象に、表３の施工条件を設定した。本発明では、レーザ熱源が同じ速度で移動するため、物性値の異なる異材継手ではすべての場所で同じ温度分布（昇温時間パラメータＦｏ）を得ることができない。そこで、残留応力改善対象であるニッケルクロム鉄合金で上記規定の施工条件の範囲を満たすように施工条件を決めた。なお、表３の施工条件において、昇温時間パラメータＦｏと周方向加熱幅Ｗは溶接金属中央で評価した。
【００９８】
ステンンレス鋼は、ニッケルクロム鉄合金と物性値の差が１０％程度と小さいが、ニッケルクロム鉄合金と同じ熱源形状を与えた。
【００９９】
又、低合金鋼は、最高温度を規定し、入熱量をニッケルクロム鉄合金とほぼ同じになるように、熱源形状を設定した。低合金鋼では熱拡散率ｋ（≒１１ｍｍ２／ｓ）が大きいため、熱源の周方向照射幅Ｗを狭くする必要があり、周方向加熱幅Ｗはニッケルクロム鉄合金の約０．６５倍、昇温時間パラメータＦｏは約１．８倍となった。なお、低合金鋼側は応力改善範囲でないため、局部加熱による変形を防止する観点で加熱すれば良く、昇温時間パラメータＦｏ及び周方向加熱幅Ｗを規定範囲にする必要はない。
【０１００】
【表３】
2008169444.tif 000006
【０１０１】
上記施工条件においては、外面が最高温度に達した時点では、内面の温度は低く、板厚内に温度差が生じており、外面に圧縮応力が、内面に引張応力が発生しており、ステンレス鋼管と同じ応力分布となることを確認している。
【０１０２】
図１４（ａ）、（ｂ）に、施工後（２周終了後）の残留応力分布を示す。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、ニッケルクロム鉄合金溶接金属及びステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の内面は全周で圧縮応力となっていることがわかる。
【実施例３】
【０１０３】
上記実施例１、２は、空冷モード（内面が気相の場合、あるいは、施工前に水が内面に充満している場合）における残留応力改善効果について検証してきたが、次に、水冷モード（常に水が内面に充満している場合）における残留応力改善効果について検証した。
【０１０４】
図１５に示すように、水冷モードにおいては、Ｆｏが大きくなっても、内面の温度は水の沸点（１００℃）以上に上昇しないため、レーザをゆっくり移動させても、内面と外面に大きな温度差を得ることができることがわかる。
【０１０５】
ここで、水冷モードにおいて、熱応力と昇温時間パラメータＦｏ及び周方向加熱幅Ｗとの関係を熱弾性解析で調べてみた。
【０１０６】
図１６（ａ）に示すグラフは、図１に示した装置を用い、昇温時間パラメータＦｏ以外のパラメータ（最高到達温度Ｔmax＝５５５℃、軸方向加熱幅Ｌ＝３×√（ｒｈ）、周方向加熱幅Ｗ＝２×√（ｒｈ））は同一条件として、昇温時間パラメータＦｏと熱応力の関係を求めたものである。又、図１６（ｂ）に示すグラフは、図１に示した装置を用い、周方向加熱幅パラメータＷ／√（ｒｈ）以外のパラメータ（昇温時間パラメータＦｏ＝０．２０、最高到達温度Ｔmax＝５５５℃、軸方向加熱幅Ｌ＝３×√（ｒｈ））は同一条件として、周方向加熱幅Ｗと熱応力の関係を求めたものである。なお、比較のため、空冷モードの結果も併記している。
【０１０７】
図１６（ａ）、（ｂ）に示す結果からは、水冷モードでは、空冷モードと同等の熱応力を得ることができる昇温時間パラメータＦｏ及びＷ／√（ｒｈ）の範囲が広いことがわかる。このことは、空冷モードと同等の残留応力改善効果を得ることができる施工条件範囲を、水冷モードでは広くすることができることを意味する。
【０１０８】
熱弾塑性解析の結果、同じ施工条件（Ｔmax、Ｆｏ、Ｗ、Ｌ）でも内面に発生する熱応力が水冷モードの方が大きいことがわかった。そこで、代表例として、４Ｂステンレス鋼管（表４参照）を対象に、昇温時間パラメータＦｏの影響の小さい下限条件での空冷モードと水冷モードの残留応力改善効果の違いを検討した。なお、空冷モードの周方向加熱幅Ｗの下限は１．７√（ｒｈ）であるが、比較参照のため、１．０√（ｒｈ）の解析を実施した。
【０１０９】
【表４】
2008169444.tif 000007
【０１１０】
施工時における板厚方向温度分布は、同一施工条件下では、空冷モードと水冷モードは全く同一であり、図１７に示すような分布が得られた。これは、空冷モード・水冷モードともに、昇温時間パラメータＦｏが０．０４と同じであり、内面まで熱が伝わらない時間で外面が最高温度に達していることから、内面の境界条件の影響はなく、両者の板厚内の温度分布には差がない。このことから、空冷モードと水冷モードの応力改善効果の差は、外面がレーザ照射を受け高温になることで発生する板厚内温度分布によるものではないと考えられる。
【０１１１】
施工後における空冷モードと水冷モードの残留応力の比較を図１８（ａ）、（ｂ）に示す。
図１８（ａ）、（ｂ）からわかるように、空冷モードと水冷モードでは、水冷モードの方が残留応力改善効果は大きい。例えば、同じ周方向加熱幅では水冷モードの方の残留応力改善効果が大きく、又、軸方向応力で空冷モードと同程度の残留応力改善効果を得るためには、水冷モードでは周方向加熱幅を１．７√（ｒｈ）から１．０√（ｒｈ）に減少させても良いことがわかる。
【０１１２】
水冷モードと空冷モードの最も大きな違いは、内面の最高到達温度にある。つまり、水冷モードでは、内面の最高到達温度が低いため、温度低下時の逆降伏（圧縮降伏）が起こりにくいと考えられる。例えば、空冷モードでは、板厚内に温度が生じて、引張塑性ひずみを生じた後、板厚内に温度差が無くなった時点（内面の温度が約２００℃、降伏応力：１９８ＭＰａ）で圧縮降伏する。これに対して、水冷モードでは、板厚内に温度が生じて、引張塑性ひずみを生じた後、板厚内に温度差が無くなった時点（内面の温度が約１００℃、降伏応力：２４５ＭＰａ）では圧縮降伏を起こしていないと考えられる。このことが水冷モードにおいて応力改善効果が大きい理由であると考えられる。
【０１１３】
以上のことから、水冷モードにおける施工条件の管理範囲は、昇温時間パラメータＦｏの下限を管理すればよい。その範囲は、０．０４以上が望ましい。周方向加熱幅Ｗは、下限で管理すればよく、１．０×√（ｒｈ）以上とすることが望ましい。つまり、空冷モードに対して、水冷モードにおいては、レーザ照射時に配管内面に水が存在（流水や溜水等）しており、常に配管全周を水冷（沸点以下の温度にキープ）できるため、管理範囲を緩和できることになる。
【０１１４】
上記実施例１、２、３における施工条件の管理範囲を整理すると、表５に示すものとなる。
【０１１５】
【表５】
2008169444.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明においては、実施の一例として、円筒状配管を残留応力改善の対象としているが、円筒状配管に限らず、溶接された湾曲部材であれば、どのようなものでも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】（ａ）は、本発明に係る管体の残留応力改善装置の模式図であり、（ｂ）は、配管の形状と加熱幅、移動速度等について説明する図である。
【図２】温度と板厚の無次元化位置との関係を示すグラフである。
【図３】温度と無次元化時間との関係を示すグラフであり、（ａ）は、内面の温度、（ｂ）は、外面の温度を示す。
【図４】応力と板厚の無次元化位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は、周方向応力、（ｂ）は、軸方向応力を示す。
【図５】応力と軸方向位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は、内面の周方向応力、（ｂ）は、内面の軸方向応力を示す。
【図６】応力と軸方向位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は、外面の周方向応力、（ｂ）は、外面の軸方向応力を示す。
【図７】（ａ）は、本発明における昇温時間を説明する図であり、（ｂ）は、本発明における軸方向加熱幅を説明する図である。
【図８】本発明において、昇温時間パラメータと熱応力との関係を示すグラフである。
【図９】本発明において、周方向加熱幅と熱応力との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明において、軸方向加熱幅と熱応力との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明において、加熱温度と熱応力との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明において、外面と内面の温度差と移動速度との関係を示すグラフである。
【図１３】（ａ）は、異材材料を溶接した配管を説明する図であり、（ｂ）は、残留応力改善領域を説明する図である。
【図１４】本発明を、異材材料を溶接した配管に適用した場合の軸方向位置の応力のグラフであり、（ａ）は、周方向応力、（ｂ）は、軸方向応力を示す。
【図１５】本発明を、水冷モードで用いた場合において、外面からの距離に対する異なるＦｏにおける温度分布を示すグラフである。
【図１６】（ａ）は。水冷モードにおける昇温時間パラメータと熱応力との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、水冷モードにおける周方向加熱幅と熱応力との関係を示すグラフである。
【図１７】空冷モードと水冷モードにおいて、外面からの距離に対する温度分布を比較するグラフである。
【図１８】水冷モードにおける応力と軸方向位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は、軸方向応力、（ｂ）は、周方向応力を示す。
【符号の説明】
【０１１８】
１    残留応力改善装置
２    配管
３    回転駆動装置
４    アーム部
５    光学ヘッド
６    光ファイバ
７    レーザ発振器
８    制御装置
９    熱電対
Ｃ    溶接部
Ｄ    配管の外径
ｈ    配管の板厚
Ｌ    軸方向加熱幅
ｒ    配管の平均半径
Ｓ    加熱領域
ｖ    周方向移動速度
Ｗ    周方向加熱幅
【図１】
2008169444.tif 000009
【図２】
2008169444.tif 000010
【図３】
2008169444.tif 000011
【図４】
2008169444.tif 000012
【図５】
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【図６】
2008169444.tif 000014
【図７】
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【図８】
2008169444.tif 000016
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008169444.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008169444.tif 000024
【図１７】
2008169444.tif 000025
【図１８】
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