(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出力する出力部と、
前記出力されたレーザー光を導く導光部と、
前記導かれたレーザー光を集光する集光レンズと、
前記集光されたレーザー光を照射する照射ノズルと、
レーザー光の照射対象部から前記照射ノズルまでの距離に基づいてレーザー光の焦点位置を適正な位置に変更する焦点変更部と、
原子炉圧力容器の上方に設けられた作業ブリッジから炉底部まで延びる操作ポールに対して接続と分離とを行える接続部と、
前記接続部と前記操作ポールとの接続または分離を遠隔操作により行う遠隔操作部と、
水が接触している前記照射対象部に向けてレーザー光を照射するレーザーピーニングを予め設定された手順に従って自律的に実行する制御部と、
を備えることを特徴とするレーザーピーニング装置。
【請求項２】
前記照射対象部から前記照射ノズルまでの距離を測定する測定部と、
前記測定した距離に基づいて前記集光レンズを移動させる移動部と、
を備える請求項１に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項３】
前記導光部は、レーザー光を平行光の状態で導く管状部である請求項１または請求項２に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項４】
前記照射対象部は原子炉圧力容器の炉底部に設けられた垂直方向に延びる筒状を成す部分であって、
前記照射対象部の上部に連結される連結部と、
前記連結部を中心軸として前記照射ノズルを旋回させる旋回部と、
を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項５】
水中に設けられた前記照射対象部に対してレーザー光が照射されたときにレーザー光の照射部分から発生する音波を検知する音波検知部と、
前記検知した音波により前記照射対象部から前記照射ノズルまでの距離を測定する測定部と、
を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項６】
前記照射対象部を撮影するカメラを備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項７】
前記照射対象部は原子炉圧力容器の炉底部に設けられた垂直方向に延びる筒状を成す部分であって、
前記照射対象部の上部に連結される連結部と、
前記連結部が前記照射対象部に連結された状態で傾きを計る傾斜計と、
を備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項８】
前記照射ノズルから前記照射対象部に向けて水を噴流させる噴流部を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザーピーニング装置。
【請求項９】
レーザー光を出力する出力ステップと、
前記出力されたレーザー光を導く導光ステップと、
前記導かれたレーザー光を集光する集光ステップと、
前記集光されたレーザー光を照射ノズルから照射する照射ステップと、
レーザー光の照射対象部から前記照射ノズルまでの距離に基づいてレーザー光の焦点位置を変更する焦点変更ステップと、
水が接触している前記照射対象部に向けてレーザー光を照射してレーザーピーニングを実行する実行ステップと、
を含み、
複数回実行されるときの前記実行ステップが１のレーザーピーニング装置により実行される第１実行ステップと他のレーザーピーニング装置により実行される第２実行ステップであり、
操作ポールを前記１のレーザーピーニング装置に接続し、この１のレーザーピーニング装置を１の前記照射対象部に設置する第１設置ステップと、
前記１のレーザーピーニング装置から前記操作ポールを分離し、この１のレーザーピーニング装置によりレーザーピーニングを実行する前記第１実行ステップと、
前記操作ポールを他のレーザーピーニング装置に接続し、この他のレーザーピーニング装置を他の前記照射対象部に設置する第２設置ステップと、
前記他のレーザーピーニング装置から前記操作ポールを分離し、この他のレーザーピーニング装置によりレーザーピーニングを実行する前記第２実行ステップと、
をさらに含むことを特徴とするレーザーピーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水が接触している金属材料の表面にレーザー光を照射することで発生するプラズマの衝撃波によって、金属材料に圧縮残留応力を付与するレーザーピーニング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水中の金属材料の表面にレーザー光を照射し、金属材料の表面に接触している水が瞬間的にプラズマ化したときに生じる衝撃波によって、金属材料に圧縮残留応力を付与し、その強度を向上させるレーザーピーニング装置がある。このようなレーザーピーニング装置を用いて、原子炉圧力容器の炉底部にある原子炉炉内構造物の保全を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２２７２１８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の技術にあっては、レーザーピーニング効果が得られる範囲は、照射ヘッドから一定の範囲に限られているので、原子炉炉内構造物と照射ヘッドとの距離を適正なものにしなければならない。しかしながら、原子炉圧力容器の炉底部などの原子炉炉内構造物が林立している狭隘部では、１の原子炉炉内構造物にレーザー光を照射するために照射ヘッドの位置を移動すると、他の原子炉炉内構造物にレーザーピーニング装置が干渉してしまい、適切なレーザーピーニングが行えなくなったり、照射ヘッドの位置決めに時間がかかったりするという課題がある。
【０００５】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができ、かつ施工時間を短縮することができるレーザーピーニング技術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】
【０００６】
本発明の実施形態に係るレーザーピーニング装置は、レーザー光を出力する出力部と、前記出力されたレーザー光を導く導光部と、前記導かれたレーザー光を集光する集光レンズと、前記集光されたレーザー光を照射する照射ノズルと、レーザー光の照射対象部から前記照射ノズルまでの距離に基づいてレーザー光の焦点位置を適正な位置に変更する焦点変更部と、原子炉圧力容器の上方に設けられた作業ブリッジから炉底部まで延びる操作ポールに対して接続と分離とを行える接続部と、前記接続部と前記操作ポールとの接続または分離を遠隔操作により行う遠隔操作部と、水が接触している前記照射対象部に向けてレーザー光を照射するレーザーピーニングを予め設定された手順に従って自律的に実行する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の実施形態に係るレーザーピーニング方法は、レーザー光を出力する出力ステップと、前記出力されたレーザー光を導く導光ステップと、前記導かれたレーザー光を集光する集光ステップと、前記集光されたレーザー光を照射ノズルから照射する照射ステップと、レーザー光の照射対象部から前記照射ノズルまでの距離に基づいてレーザー光の焦点位置を変更する焦点変更ステップと、水が接触している前記照射対象部に向けてレーザー光を照射してレーザーピーニングを実行する実行ステップと、を含み、複数回実行されるときの前記実行ステップが１のレーザーピーニング装置により実行される第１実行ステップと他のレーザーピーニング装置により実行される第２実行ステップであり、操作ポールを前記１のレーザーピーニング装置に接続し、この１のレーザーピーニング装置を１の前記照射対象部に設置する第１設置ステップと、前記１のレーザーピーニング装置から前記操作ポールを分離し、この１のレーザーピーニング装置によりレーザーピーニングを実行する前記第１実行ステップと、前記操作ポールを他のレーザーピーニング装置に接続し、この他のレーザーピーニング装置を他の前記照射対象部に設置する第２設置ステップと、前記他のレーザーピーニング装置から前記操作ポールを分離し、この他のレーザーピーニング装置によりレーザーピーニングを実行する前記第２実行ステップと、をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態により、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができ、かつ施工時間を短縮することができるレーザーピーニング技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】レーザーピーニング装置を設置する原子炉圧力容器を示す概略断面図。
【図２】レーザーピーニング装置を示す断面図。
【図３】照射ノズルを示す断面図。
【図４】レーザーピーニングを実行中の計装管を示す側面図。
【図５】レーザーピーニングを実行中の計装管を示す側面図。
【図６】レーザーピーニング装置を示すブロック図。
【図７】焦点位置調節処理を示すフローチャート。
【図８】レーザーピーニング装置の設置方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１の符号１は、本実施形態のレーザーピーニング装置である。このレーザーピーニング装置１は、原子炉圧力容器２の原子炉炉内構造物の保全のために、レーザーピーニングの施工を行う装置である。
【００１１】
なお、レーザーピーニングとは、水が接触している金属材料の表面にレーザー光を照射することで発生するプラズマの衝撃波によって、金属材料に圧縮残留応力を付与する技術である。このレーザーピーニングを施工することで、金属材料の強度を向上させることができる。
【００１２】
より詳しくは、エネルギーの大きなパルスレーザー光を金属材料の表面に照射すると、金属材料を構成する原子のプラズマが瞬間的に発生する。ここで、プラズマの周囲に水が存在している状態では、プラズマの膨張が妨げられる。そして、このプラズマの反力により衝撃波が発生する。その圧力は、数万気圧になる。この衝撃波が金属材料の中を伝播して、金属材料に圧縮残留応力を付与するようになる。この圧縮残留応力が金属材料に付与されることで、金属材料の応力腐食割れや疲労亀裂などを防ぐ効果がある。つまり、レーザーピーニングは、応力腐食割れの原因となる引張残留応力を、圧縮残留応力に変化させることができる。
【００１３】
また、本実施形態では、原子炉圧力容器２の各種構造物を形成するステンレス鋼に対してレーザーピーニングを施工する。なお、ステンレス鋼以外にレーザーピーニングを施工しても良い。例えば、ニッケル基合金やチタン合金やアルミニウム合金や低合金鋼などの種々の合金にレーザーピーニングを施工しても良い。また、本実施形態では、原子炉圧力容器２の各種構造物において、溶接された部分にレーザーピーニングを施工し、その強度を向上させる。なお、レーザーピーニングを施工する部分は、溶接された部分以外であっても良い。
【００１４】
本実施形態では、原子力発電プラントの一例である沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器２の保全にレーザーピーニング装置１を用いている。なお、原子炉圧力容器２とは、炉心を構成する燃料集合体（図示略）を収容した状態で内部の圧力を保持する容器である。また、図示は省略するが、原子炉圧力容器２の内部には、燃料集合体を囲む炉心シュラウドや、燃料集合体を支持する炉心支持部や、原子炉圧力容器の内部で水流を発生させるためのジェットポンプなどの原子炉炉内構造物が収容される。さらに、原子炉圧力容器２の下部は、半球形状に湾曲された炉底部３となっている。この炉底部３には、核燃料の連鎖反応を制御する制御棒を案内する制御棒案内管や、制御棒を駆動する制御棒駆動機構なども設けられる。
【００１５】
図１に示すように、原子炉圧力容器２の炉底部３には、炉内計装機器（図示略）を保持するための計装管４（インコアモニタハウジング）が設けられる。また、計装管４は、炉底部３に複数本設けられる。これらの計装管４は、炉底部３から垂直方向に延びる筒状を成す部分である。なお、炉内計装機器は、燃料集合体から発せられる中性子線などを計測する機器である。また、原子炉圧力容器２の製造時において、計装管４は、炉底部３に形成された貫通孔に挿入される。そして、計装管４の周囲が溶接されることで、原子炉圧力容器２と一体的に設けられる構造物となる。本実施形態では、計装管４の周囲の溶接部５がレーザー光６の照射対象部となっている（図４参照）。
【００１６】
本実施形態では、計装管４の周囲の溶接部５（図４参照）にレーザー光６を照射してレーザーピーニングの施工を行う。なお、炉底部３には、制御棒駆動機構を保持するためのハウジング（図示略）なども設けられている。これらの多数の原子炉構造物が林立していることで、炉底部３は、レーザーピーニング装置１を配置するスペースに余裕が無い狭隘部となっている。
【００１７】
レーザーピーニングを施工する前に、原子炉圧力容器２の上部の蓋（図示略）が取り外される。また、燃料集合体が原子炉圧力容器２の内部から取り出され、核燃料プールに移動される。さらに、他の炉内構造物なども原子炉圧力容器２の内部から取り出される。なお、レーザーピーニングは、原子炉圧力容器２の内部および原子炉格納容器７の上部が水８で満たされた状態で行われる。また、原子炉圧力容器２の上方には、作業者９が作業する作業ブリッジ１０が設けられる。なお、図１では、理解を助けるために一部の構成を省略して図示している。
【００１８】
レーザーピーニングを施工する際には、作業者９が、作業ブリッジ１０から操作ポール１１を用いてレーザーピーニング装置１を炉底部３まで下すようにしている。この操作ポール１１は、長手方向に複数に分割可能である。そして、作業者９は、分割された操作ポール１１を連結しつつ（継ぎ足しながら）、レーザーピーニング装置１を炉底部３まで下してゆく。このような操作ポール１１を用いることで、水深の深い位置にレーザーピーニング装置１を設置することができる。
【００１９】
また、レーザーピーニング装置１の設置状態を監視するための水中監視カメラ１２も水中に投入される。なお、この水中監視カメラ１２は、水中を遊泳可能な水中ロボットであっても良い。さらに、本実施形態では、３台のレーザーピーニング装置１を用いて作業を行う。なお、本実施形態で用いている３台のレーザーピーニング装置１は、それぞれ同一構成となっている。また、３台以上のレーザーピーニング装置１を用いて作業を行っても良いし、１台のレーザーピーニング装置１を用いて作業を行っても良い。
【００２０】
また、作業ブリッジ１０の近傍には、レーザーピーニング装置１を制御するための地上支援装置１３が設置される。この地上支援装置１３とレーザーピーニング装置１とは、主ケーブル１４を介して接続される。また、地上支援装置１３と水中監視カメラ１２とは、カメラ用ケーブル１５を介して接続される。
【００２１】
さらに、原子炉圧力容器２の近傍の水中には、レーザーピーニングの作業時に用いる噴流を発生させるための噴流ポンプ装置１６が設置される。この噴流ポンプ装置１６とレーザーピーニング装置１とは、水流供給ケーブル１７を介して接続される。
【００２２】
図２に示すように、レーザーピーニング装置１は、レーザー光６を発振するレーザー発振器１８と、このレーザー発振器１８から発振されたレーザー光６の幅やパワーなどを制御するミラーボックス１９と、レーザーピーニング装置１に浮力を与えるフロート部２０と、これらの部材を収容する筐体２１と、を備える。また、筐体２１の上端部には、操作ポール１１が接続される接続部２２が設けられる。なお、接続部２２は、操作ポール１１に対して接続と分離とを行える機構を有し、この接続部２２を駆動するための接続駆動部２３（図６参照）を備える。さらに、筐体２１の側面には、この筐体２１の傾きを計る傾斜計２４が設けられる。
【００２３】
本実施形態では、レーザー発振器１８としてＹＡＧレーザーを用いている。なお、ＹＡＧレーザーとは、イットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶を使って発振させるレーザーのことである。また、レーザー光６により発生するプラズマの熱の影響を抑えるために、レーザー光６のパルス幅を１０ナノ秒（１億分の１秒）以下としている。
【００２４】
また、レーザーピーニング装置１の下端部は、計装管４の上部に連結される連結部２５が設けられる。この連結部２５は、下方が開口された筒状を成す部分である。また、連結部２５は、上方から計装管４に嵌まり込む。なお、連結部２５は、計装管４をクランプするクランプ部２６と、このクランプ部２６を駆動するための連結駆動部２７（図６参照）と、を備える。本実施形態では、計装管４に連結部２５を嵌めた状態で、クランプ部２６により計装管４をクランプすると、連結部２５が計装管４に連結される。なお、この設置作業は、作業者９が水中監視カメラ１２でレーザーピーニング装置１の状態を確認しながら行う。
【００２５】
本実施形態では、レーザーピーニング装置１が、計装管４に連結部２５が連結された状態で支持される。この状態で操作ポール１１を接続部２２から分離することができる。なお、レーザーピーニング装置１がフロート部２０により浮力が与えられることで、計装管４に負荷を与えることなく、レーザーピーニング装置１を計装管４に固定することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、傾斜計２４でレーザーピーニング装置１の傾きを確認しながら計装管４に設置する。作業者９は、傾斜計２４を確認しながら操作ポール１１を用いてレーザーピーニング装置１の設置作業を行うので、レーザーピーニング装置１の姿勢を保ちつつ、設置できる。また、レーザーピーニング装置１を正しく設置できなかった場合は、設置作業をやり直すことができる。
【００２７】
なお、レーザーピーニング装置１を計装管４に固定したときに、計装管４の傾き状態が傾斜計２４に反映される。ここで、レーザーピーニング装置１を計装管４に正確に固定したにも関わらず、傾斜計２４が傾きを示している場合には、計装管４が傾いていることになる。この計装管４の傾きが所定の許容範囲を超えている場合には、レーザーピーニングの施工作業を中止しても良い。このように、傾斜計２４を用いて計装管４の傾きを計ることができるので、作業者９は、レーザーピーニングの施工作業を適切に実行可能か否かの判断を行うことができる。
【００２８】
また、水平方向に旋回可能な旋回部２８が、連結部２５の上部に設けられる。さらに、旋回部２８の上方には、筐体２１を支持する支持部２９が設けられる。この支持部２９の側方には、旋回調節モータ３０が設けられる。この旋回調節モータ３０を駆動することで、旋回部２８が旋回される。なお、前述した筐体２１などは、支持部２９を介して旋回部２８により支持されており、旋回部２８とともに水平方向に旋回可能となっている。
【００２９】
さらに、レーザーピーニング装置１は、ミラーボックス１９からレーザー光６を導くための導光管３１を備える。この導光管３１は、レーザー光６を平行光の状態で導く管状を成す部材（管状部）である。また、導光管３１は、筐体２１の下部から下方に向かって延びている。この導光管３１の先端部には、レーザー光６を所定の方向に向かって照射するための照射ノズル３２が設けられる。この照射ノズル３２は、連結部２５の側方近傍に配置される。
【００３０】
なお、旋回調節モータ３０を駆動して筐体２１が旋回されると、照射ノズル３２が連結部２５を中心軸として旋回する。つまり、連結部２５と連結された計装管４の周囲のいずれの位置であっても照射ノズル３２を配置することができる。
【００３１】
また、導光管３１は、縦方向（上下方向）に移動可能となっている。なお、導光管３１を縦移動させるための縦調節モータ３３が支持部２９の内部に収容されている。この縦調節モータ３３は、スプライン軸と外筒とから構成されるボールスプラインなどの駆動機構３４を介して導光管３１に接続されている。また、導光管３１が動作することで、照射ノズル３２を縦方向に移動させることができる。つまり、縦調節モータ３３を駆動させることによって、照射ノズル３２の上下位置を変更することができ、垂直方向に延びる計装管４に沿って照射ノズル３２を移動させることができる。
【００３２】
また、前述したレーザー発振器１８とミラーボックス１９とは、筐体２１の内部で横方向（水平方向）に移動可能となっている。さらに、ミラーボックス１９に接続された導光管３１は、ミラーボックス１９とともに横方向（水平方向）に移動可能となっている。なお、ミラーボックス１９などを横移動させるための横調節モータ３５が筐体２１の内部に収容されている。この横調節モータ３５は、ボールスプラインなどの駆動機構３６を介してミラーボックス１９に接続されている。また、導光管３１が動作することで、照射ノズル３２を横方向（計装管４の径方向）に移動させることができる。つまり、横調節モータ３５を駆動させることによって、照射ノズル３２と計装管４との間の距離を変更することができ、照射ノズル３２を計装管４に近づけたり遠ざけたりすることができる。
【００３３】
図４および図５に示すように、照射ノズル３２は、導光管３１に関節部３７を介して接続されている。また、この関節部３７には、傘歯車３８が設けられている。この傘歯車３８は、角度調節モータ３９の軸歯車４０に噛合されている。つまり、角度調節モータ３９を駆動させることによって、照射ノズル３２の傾斜角度を変化させることができる。特に、原子炉圧力容器２の炉底部３などの傾斜した部分に計装管４が設置されている場合であっても、この傾斜に応じて適切な角度に照射ノズル３２を可動させることができる。
【００３４】
例えば、図４に示すように、原子炉圧力容器２の炉底部３の傾斜の高い側（山側）の計装管４の側面部にレーザーピーニングを施工する場合は、照射ノズル３２の傾きを水平に近づけることができる。一方、図５に示すように、計装管４と原子炉圧力容器２との境界部分にレーザーピーニングを施工する場合は、照射ノズル３２の傾きを垂直に近づけることができる。
【００３５】
図３に示すように、ミラーボックス１９の出力部４１から出力されるレーザー光６は、導光管３１の内部の空洞を通って照射ノズル３２まで導かれる。この光路には、レーザー光６を集光させる集光レンズ４２が設けられる。この集光レンズ４２は、導光管３１に設けられたレンズ配置部４３の内部に収容される。
【００３６】
また、集光レンズ４２は、縦方向（上下方向）に移動可能となっている。なお、集光レンズ４２を縦移動させるためのレンズ用モータ４４がレンズ配置部４３の内部に収容されている。このレンズ用モータ４４は、ボールスプラインなどの駆動機構４５を介して集光レンズ４２に接続されている。つまり、レンズ用モータ４４を駆動させることによって、計装管４の周囲の溶接部５（照射対象部）から集光レンズ４２までの光学的距離を変更することができる。そのため、レーザー光６の焦点位置４６（照射点）を変更することができる。本実施形態では、レンズ用モータ４４が集光レンズ４２を移動させる移動部となっている。
【００３７】
なお、計装管４の周囲の溶接部５などの金属材料にレーザー光６が照射されると、金属材料の表面が振動して超音波４７が発生する。このときの超音波４７を検知するための音波検知部４８が照射ノズル３２の側方に設けられている。また、レーザーピーニング装置１は、音波検知部４８が検知した超音波４７に基づいて、金属材料（照射対象部）から照射ノズル３２までの距離を測定する測定部４９を備える（図６参照）。そして、レーザーピーニング装置１は、測定部４９が測定した距離に基づいて、溶接部５（照射対象部）から集光レンズ４２までの光学的距離を変更する制御を行う焦点変更部５０を備える（図６参照）。
【００３８】
なお、照射ノズル３２の側方には、確認用カメラ５１が設けられている。この確認用カメラ５１の撮影方向５２は、レーザー光６が照射される方向に向けられている。なお、レーザーピーニングが施工された金属材料の表面は、色が変化するので、この色の変化を、確認用カメラ５１を用いて目視または検出された輝度などを測定することで、レーザーピーニングを実行した後の金属材料の状態を確認することができる。すなわち、レーザーピーニングが必要な範囲に施工されたか否かを確認することができる。
【００３９】
また、照射ノズル３２の傾斜角度に合わせてレーザー光６を導くためのプリズム装置５３が、関節部３７の内部に設けられている。このプリズム装置５３は、関節部３７を中心として照射ノズル３２がいずれの方向に揺動されても、レーザー光６を照射ノズル３２の先端部に向かって導くようになっている。なお、導光管３１の内部は、プリズム装置５３により封止されており、プリズム装置５３よりも上方に水が浸入しないようになっている。
【００４０】
また、照射ノズル３２には、噴流ポンプ装置１６（図１参照）から延びる水流供給ケーブル１７が接続されている。水流供給ケーブル１７により照射ノズル３２の内部に水流５４が導かれ、照射ノズル３２の先端部からレーザー光６とともに水流５４が噴き出すようになっている。このように、レーザーピーニングを行う際に噴流を生じさせる。なお、レーザー光６を金属材料に照射すると、その照射された部分から微細な気泡やクラッド（剥離膜）が生じる。本実施形態では、レーザー光６の照射部分に発生する気泡などを水流５４（噴流）により押し流すことができるので、良好なレーザーピーニングを行うことができる。
【００４１】
次に、レーザーピーニング装置１のシステム構成を図６に示すブロック図を参照して説明する。図６に示すように、本実施形態の地上支援装置１３は、水中監視カメラ１２を制御するための水中監視部５５と、レーザーピーニング装置１を制御するための主制御部５６と、レーザーピーニング装置１の接続部２２と操作ポール１１との接続または分離を遠隔操作で行うための遠隔操作部５７と、レーザー発振器１８に清浄度の高い空気を供給するための空気供給部５８（ドライヤー）と、レーザー発振器１８を一定温度以下に保つための冷却水を供給するための冷却水供給部５９と、レーザーピーニング装置１に電力を供給する電源６０と、を備える。なお、地上支援装置１３には、これらの機器以外の機器が含まれていても良い。
【００４２】
また、地上支援装置１３において、水中監視部５５と水中監視カメラ１２とはカメラ用ケーブル１５で接続される。また、主制御部５６とレーザーピーニング装置１とは制御信号線６１で接続される。また、遠隔操作部５７とレーザーピーニング装置１とは遠隔操作用信号線６２で接続される。また、空気供給部５８とレーザーピーニング装置１とは空気供給用ホース６３で接続される。また、冷却水供給部５９とレーザーピーニング装置１とは冷却水供給用ホース６４で接続される。また、電源６０とレーザーピーニング装置１とは電力供給線６５で接続される。
【００４３】
なお、地上支援装置１３と各レーザーピーニング装置１とを接続する主ケーブル１４は、制御信号線６１と遠隔操作用信号線６２と空気供給用ホース６３と冷却水供給用ホース６４と電力供給線６５とを束ねたケーブルとなっている。
【００４４】
また、噴流ポンプ装置１６と各レーザーピーニング装置１とが水流供給ケーブル１７を介して接続される。なお、この水流供給ケーブル１７は、各レーザーピーニング装置１の照射ノズル３２に接続される（図３参照）。なお、特に図示はしないが、噴流ポンプ装置１６は、水を吸い込む吸込口と、水を吸い込むためのポンプ部と、吸い込んだ水を浄化するフィルタと、を備える。
【００４５】
本実施形態のレーザーピーニング装置１は、レーザーピーニングを実行するピーニング制御部６６と、レーザー発振器１８と、ミラーボックス１９と、測定部４９と、音波検知部４８と、傾斜計２４と、確認用カメラ５１と、接続駆動部２３と、焦点変更部５０と、レンズ用モータ４４と、角度調節モータ３９と、横調節モータ３５と、縦調節モータ３３と、旋回調節モータ３０と、連結駆動部２７と、を備える。
【００４６】
また、レーザーピーニング装置１は、前述の各種モータを駆動して照射ノズル３２の位置や角度を計装管４の周囲の溶接部５の形状に対応して適宜変更しつつ、レーザーピーニングを実行する。さらに、照射ノズル３２の位置は、この照射ノズル３２から噴き出される水流５４が溶接部５に充分に届く距離になるように制御される。
【００４７】
なお、本実施形態の主制御部５６やピーニング制御部６６は、プロセッサやメモリなどのハードウエア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウエアによる情報処理がハードウエア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。なお、ピーニング制御部６６は、地上支援装置１３の主制御部５６とデータ通信を行うための通信部となっている。
【００４８】
なお、地上支援装置１３は、本実施形態のレーザーピーニング装置１の一部を構成している。また、本実施形態では、ピーニング制御部６６と焦点変更部５０と測定部４９とがレーザーピーニング装置１に設けられているが、これらの装置が地上支援装置１３に設けられても良い。つまり、レーザーピーニング装置１の制御の全てを地上支援装置１３で行っても良い。
【００４９】
なお、作業者９は、操作ポール１１を用いてレーザーピーニング装置１を計装管４に設置した後、操作ポール１１をレーザーピーニング装置１から分離する。また、操作ポール１１の分離作業は、地上支援装置１３の遠隔操作部５７を用いて行うことができる。そして、作業者９は、地上支援装置１３の主制御部５６を用いてレーザーピーニングの開始を指示する。この指示により、レーザーピーニング装置１がレーザーピーニングの施工を開始する。また、レーザーピーニング装置１は、予め設定された手順に従ってレーザーピーニングを自律的に実行することができる。さらに、レーザーピーニング装置１のピーニング制御部６６は、レーザーピーニングに必要な制御プログラムやデータベースを予め記憶している。
【００５０】
なお、作業者９は、１のレーザーピーニング装置１がレーザーピーニングの施工を開始すると、他のレーザーピーニング装置１に操作ポール１１を接続する。また、操作ポール１１の接続作業は、地上支援装置１３の遠隔操作部５７を用いて行うことができる。そして、この他のレーザーピーニング装置１を他の計装管４に設置する作業を行うことができる。
【００５１】
本実施形態では、作業者９が操作ポール１１の接続または分離を適宜行うことで、１の計装管４に対して１のレーザーピーニング装置１を設置してレーザーピーニングを実行しているときに、他の計装管４に他のレーザーピーニング装置１を設置する作業を行うことができるので、作業の効率化を図ることができる。
【００５２】
次に、レーザーピーニング装置１のピーニング制御部６６が実行する焦点位置調節処理について図７を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。
【００５３】
図７に示すように、ピーニング制御部６６は、まず、照射対象となる計装管４の周囲の溶接部５に照射ノズル３２を向けるようにし、レーザー発振器１８を用いてレーザー光６の発振を開始する（図３参照）。このレーザー光６は、ミラーボックス１９の出力部４１から出力される（Ｓ１１：出力ステップ）。
【００５４】
このミラーボックス１９の出力部４１から出力されたレーザー光６は、導光管３１を通過し、集光レンズ４２まで導かれる（Ｓ１２：導光ステップ）。さらに、導光管３１により導かれたレーザー光６が集光レンズ４２を通過し、この集光レンズ４２よりレーザー光６が集光される（Ｓ１３：集光ステップ）。そして、この集光されたレーザー光６が照射ノズル３２から溶接部５に向けて照射される（Ｓ１４：照射ステップ）。
【００５５】
また、溶接部５などの金属材料にレーザー光６が照射されると、溶接部５の表面が振動して超音波４７が発生する（図３参照）。この超音波４７を音波検知部４８にて検知する。そして、測定部４９は、音波検知部４８が検知した超音波４７に基づいて、溶接部５から照射ノズル３２までの距離を測定する（Ｓ１５：測定ステップ）。
【００５６】
次に、ピーニング制御部６６は、測定部４９が取得した溶接部５から照射ノズル３２までの距離に基づいて、集光レンズ４２にて集光されるレーザー光６の焦点位置４６が適正であるか否かを判定する（Ｓ１６：焦点判定ステップ）。
【００５７】
ここで、レーザー光６の焦点位置４６が適正である場合は、レーザーピーニングを実行し（Ｓ１７：実行ステップ）、焦点位置調節処理を終了する。一方、レーザー光６の焦点位置４６が適正でない場合は、焦点変更部５０が、レンズ用モータ４４を駆動して集光レンズ４２の位置を適正な位置に移動し、レーザー光６の焦点位置４６を変更する（Ｓ１８：焦点変更ステップ）。そして、レーザーピーニングを実行し（Ｓ１７：実行ステップ）、焦点位置調節処理を終了する。
【００５８】
なお、ピーニング制御部６６は、計装管４の周囲の溶接部５において照射点を変更する度に、この焦点位置調節処理を実行し、レーザー光６の焦点位置４６を適切な位置に調節する。また、照射ノズル３２は、計装管４を中心軸として水平方向に旋回されるので、計装管４の周囲の溶接部５の全範囲に亘ってレーザーピーニングを施工することができる。また、照射ノズル３２の傾きが変更された場合に、照射ノズル３２から溶接部５までの距離も変更されることがあるが、集光レンズ４２を移動して焦点位置４６を変更できるので、照射ノズル３２から溶接部５までの距離を修正しなくても、レーザーピーニングを適切に実行できる。つまり、狭隘部にレーザーピーニング装置１が配置された場合に、照射ノズル３２の位置を周囲の状況に応じて適宜変更しても、レーザーピーニングを適切に実行できる。
【００５９】
なお、計装管４の側周面にレーザー光６を照射する場合には、照射ノズル３２の傾斜角度を一定にし、計装管４の周囲を旋回させることで、計装管４から照射ノズル３２までの距離を変化させずに、計装管４の側周面の全周囲にレーザーピーニングを施すことができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、レーザーピーニング装置１のピーニング制御部６６が焦点位置調節処理を実行しているが、地上支援装置１３の主制御部５６が焦点位置調節処理を実行しても良い。
【００６１】
なお、本実施形態の焦点変更部５０は、溶接部５から照射ノズル３２までの距離と、この距離に最適な焦点位置４６とを互いに対応付けた焦点位置決定テーブルを記憶している。そして、ピーニング制御部６６が、溶接部５から照射ノズル３２までの距離に基づいて、集光レンズ４２にて集光されるレーザー光６の焦点位置４６が適正であるか否かを判定するときに、焦点位置決定テーブルを参照する。ここで、レーザー光６の焦点位置４６が適切な範囲にあるか否かを所定の判定値に基づいて判定する。また、溶接部５の面とレーザー光６の照射角度や、レーザー光６の照射範囲などの情報が、判定の対象に含まれていても良い。
【００６２】
なお、レーザーピーニングを施工する際に、照射される面に対して垂直な方向から照射することが理想的であるが、原子炉圧力容器２の炉底部３などの狭隘部では、理想的な照射角度でレーザー光６を照射することが困難になる。また、斜めに照射されたレーザー光６は、照射対象面に対して楕円形状に照射されるため、レーザー光６が照射される面積は、垂直方向から照射した場合と比較して大きくなる。つまり、レーザー光６のスポット径が大きくなる。特に、レーザーピーニングの効果が保証される条件として、照射対象面におけるレーザー光６の照射密度を許容範囲内に収める必要がある。
【００６３】
本実施形態では、レーザー光６の焦点位置４６を適切に変更できるので、レーザー光６の照射密度を許容範囲内に収めることができる。つまり、集光レンズ４２の移動でレーザー光６の焦点位置を変更することで、施工裕度を持ち、かつ施工期間の短縮に貢献する。
【００６４】
また、溶接ビードなどのように図面で表せない形状にレーザーピーニングを施工する場合には、精密な計測などをしないと許容範囲を満たすことができないが、本実施形態では、測定部４９が、音波検知部４８にて検知した超音波４７に基づいて、計装管４の周囲の溶接部５から照射ノズル３２までの距離を正確に測定するので、その距離を正確に取得できる。
【００６５】
このように、溶接部５（照射対象部）が原子炉圧力容器２の炉底部３などの水深の深い位置にあっても、レーザー光６の照射部分から発生する超音波４７に基づいて溶接部５から照射ノズル３２までの距離を測定することができる。なお、超音波とは、振動数が毎秒２万ヘルツ以上で定常音として人間の耳に感じない音である。また、可聴域の音を距離の測定に用いても良い。
【００６６】
また、レンズ用モータ４４が集光レンズ４２の位置を移動することで、焦点位置４６を容易に変更することができる。なお、測定部４９で測定した距離から集光レンズ４２の位置を決定することで、溶接部５（溶接ビード）のような不規則な面に対してもレーザーピーニングを行うことができる。また、レーザーピーニングを行う前に、溶接部５（照射対象部）の精密な形状計測を事前に行わなくても済み、溶接部５の簡易な形状計測であっても最適なレーザーピーニングを実行することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、導光管３１がレーザー光６を平行光（コリメート光）の状態で導くので、レーザー光６の焦点位置４６を変更できる範囲を広く確保することができる。なお、光ファイバなどの導光部材では、レーザー光６を非平行光にしてしまうので、レーザー光６の焦点位置４６が変更できる範囲が狭くなってしまうおそれがある。そのため、導光管３１を用いることが適している。なお、導光管３１の替りに光ファイバでレーザー光６を導いても良い。その場合には、光ファイバから出力されたレーザー光６を、コリメータを用いて平行光にし、この平行光を集光レンズ４２で集光するようにすれば良い。
【００６８】
次に、レーザーピーニング装置１の設置方法について図８を用いて説明する。図８に示すように、作業者９は、まず、複数台のレーザーピーニング装置１のうち、１のレーザーピーニング装置１（以下、第１レーザーピーニング装置１と称する。）を選択するとともに、複数本の計装管４のうち、１の計装管４（以下、第１計装管４と称する。）を選択する。
【００６９】
次に、作業者９は、第１レーザーピーニング装置１の接続部２２に操作ポール１１を接続する。そして、作業者９は、原子炉圧力容器２の上方に設けられた作業ブリッジ１０から炉底部３まで操作ポール１１を延ばして、この第１レーザーピーニング装置１を第１計装管４に設置する（Ｓ２１：第１設置ステップ）。
【００７０】
次に、作業者９は、遠隔操作部５７を操作して第１レーザーピーニング装置１の接続部２２から操作ポール１１を分離する。そして、この第１レーザーピーニング装置１によりレーザーピーニングを実行する（Ｓ２２：第１実行ステップ）。なお、第１レーザーピーニング装置１は、予め設定された手順に従ってレーザーピーニングを自律的に実行する。
【００７１】
次に、作業者は、第２レーザーピーニング装置１の接続部２２に操作ポール１１を接続する。そして、作業者９は、原子炉圧力容器２の上方に設けられた作業ブリッジ１０から炉底部３まで操作ポール１１を延ばして、この第２レーザーピーニング装置１を第２計装管４に設置する（Ｓ２３：第２設置ステップ）。
【００７２】
次に、作業者９は、遠隔操作部５７を操作して第２レーザーピーニング装置１の接続部２２から操作ポール１１を分離する。そして、この第２レーザーピーニング装置１によりレーザーピーニングを実行する（Ｓ２４：第２実行ステップ）。なお、第２レーザーピーニング装置１は、予め設定された手順に従ってレーザーピーニングを自律的に実行する。
【００７３】
次に、作業者は、第３レーザーピーニング装置１の接続部２２に操作ポール１１を接続する。そして、作業者９は、原子炉圧力容器２の上方に設けられた作業ブリッジ１０から炉底部３まで操作ポール１１を延ばして、この第３レーザーピーニング装置１を第３計装管４に設置する（Ｓ２５：第３設置ステップ）。
【００７４】
次に、作業者９は、遠隔操作部５７を操作して第３レーザーピーニング装置１の接続部２２から操作ポール１１を分離する。そして、この第３レーザーピーニング装置１によりレーザーピーニングを実行する（Ｓ２６：第３実行ステップ）。なお、第３レーザーピーニング装置１は、予め設定された手順に従ってレーザーピーニングを自律的に実行する。
【００７５】
次に、作業者９は、全ての計装管４に対応するレーザーピーニングの施工が終了したか否かを判定する（Ｓ２７：判定ステップ）。ここで、全ての施工が終了した場合は、レーザーピーニング装置１の設置作業を終了する。一方、施工が未完了の計装管４が残っている場合は、前述のＳ２１に戻る。なお、この判定ステップは、第１実行ステップの後と第２実行ステップの後の双方に設けるようにしても良い。
【００７６】
なお、Ｓ２１に戻った場合に、作業者９は、第１レーザーピーニング装置１のレーザーピーニングが終了するまで待機する。そして、設置した計装管４にてレーザーピーニングが終了したら、第１レーザーピーニング装置１の接続部２２に操作ポール１１を接続し、第１計装管４から第１レーザーピーニング装置１を取り外す。そして、施工が未完了の他の計装管４に第１レーザーピーニング装置１を設置してレーザーピーニングを実行する。さらに、第２レーザーピーニング装置１や第３レーザーピーニング装置１についても、設置した計装管４にてレーザーピーニングが終了したら、施工が未完了の他の計装管４に設置し直してレーザーピーニングを実行する。そして、全ての計装管４に対応するレーザーピーニングの施工が終了までこの作業を繰り返す。
【００７７】
このようにすれば、１の計装管４に対して１のレーザーピーニング装置１を設置してレーザーピーニングを実行しているときに、他の計装管４に他のレーザーピーニング装置１を設置する作業を行うことができるので、作業の効率化を図ることができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、原子力発電プラントの一例である沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器２の保全にレーザーピーニング装置１を用いているが、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）や、その他のタイプの原子炉の保全にレーザーピーニング装置１を用いても良い。また、原子炉以外の分野において、本実施形態のレーザーピーニング装置１を用いても良い。例えば、水道管の内部や貯水タンクなどの狭隘部の構造物の保全にレーザーピーニング装置１を用いても良い。
【００７９】
なお、本実施形態では、水中に設けられた構造物の保全にレーザーピーニング装置１を用いているが、レーザーピーニングが施工される対象となる構造物は必ずしも水中に設けられていなくても良い。例えば、地上の構造物の表面に水を掛け流しながらレーザー光を照射してレーザーピーニングを施工しても良い。また、製造工場などにおいて構造物を製造しているときに、レーザーピーニングを施工することで、構造物の強度を向上させるようにしても良い。
【００８０】
なお、本実施形態では、計装管４の周囲の溶接部５にレーザーピーニングを施工しているが、制御棒駆動機構を保持するためのハウジングなどにレーザーピーニングを施工しても良い。また、原子炉圧力容器２と各種配管との接合部やその他の炉内構造物にレーザーピーニングを施工しても良い。
【００８１】
なお、本実施形態では、超音波を用いて照射対象部と照射ノズル３２との距離を測定しているが、その他の態様で距離を測定しても良い。例えば、レーザー光６の反射光を用いて照射対象部と照射ノズル３２との距離を測定しても良いし、物理的な計測用の棒を用いて照射対象部と照射ノズル３２との距離を測定しても良い。
【００８２】
なお、本実施形態では、レンズ用モータ４４により集光レンズ４２を移動させることで、焦点位置４６を変更するようにしているが、その他の態様で焦点位置４６を変更しても良い。例えば、集光レンズ４２と焦点位置４６までの距離が、それぞれ異なるように設計された複数枚の集光レンズを設けるようにし、照射対象部から照射ノズル３２までの距離に応じて、これらの集光レンズを切り換えることで、焦点位置４６を変更しても良い。さらに、集光レンズ４２と照射対象部の間の光学的距離を変更するプリズム装置を設けるようにし、照射対象部から照射ノズル３２までの距離に応じて、プリズム装置が集光レンズ４２と照射対象部の間の光学的距離を変更することで、焦点位置４６を変更しても良い。
【００８３】
なお、本実施形態では、測定部４９が、音波検知部４８にて検知した超音波４７に基づいて、計装管４の周囲の溶接部５から照射ノズル３２までの距離を測定し、この測定に基づいてレーザーピーニングを実行しているが、その他の態様であっても良い。例えば、事前に計装管４や溶接部５の形状などの計測を実施し、これらの正確な３次元データなどを予め取得する。そして、この３次元データに基づいて、溶接部５から照射ノズル３２までの距離を測定しても良い。
【００８４】
以上説明した実施形態によれば、レーザー光の照射対象部から照射ノズルまでの距離に基づいてレーザー光の焦点位置を変更する焦点変更部を持つことにより、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができ、かつ施工時間を短縮することができる。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８６】
１…レーザーピーニング装置、２…原子炉圧力容器、３…炉底部、４…計装管、５…溶接部、６…レーザー光、７…原子炉格納容器、８…水、９…作業者、１０…作業ブリッジ、１１…操作ポール、１２…水中監視カメラ、１３…地上支援装置、１４…主ケーブル、１５…カメラ用ケーブル、１６…噴流ポンプ装置、１７…水流供給ケーブル、１８…レーザー発振器、１９…ミラーボックス、２０…フロート部、２１…筐体、２２…接続部、２３…接続駆動部、２４…傾斜計、２５…連結部、２６…クランプ部、２７…連結駆動部、２８…旋回部、２９…支持部、３０…旋回調節モータ、３１…導光管、３２…照射ノズル、３３…縦調節モータ、３４…駆動機構、３５…横調節モータ、３６…駆動機構、３７…関節部、３８…傘歯車、３９…角度調節モータ、４０…軸歯車、４１…出力部、４２…集光レンズ、４３…レンズ配置部、４４…レンズ用モータ、４５…駆動機構、４６…焦点位置、４７…超音波、４８…音波検知部、４９…測定部、５０…焦点変更部、５１…確認用カメラ、５２…撮影方向、５３…プリズム装置、５４…水流、５５…水中監視部、５６…主制御部、５７…遠隔操作部、５８…空気供給部、５９…冷却水供給部、６０…電源、６１…制御信号線、６２…遠隔操作用信号線、６３…空気供給用ホース、６４…冷却水供給用ホース、６５…電力供給線、６６…ピーニング制御部。
【図１】
0006758914.tif 000002
【図２】
0006758914.tif 000003
【図３】
0006758914.tif 000004
【図４】
0006758914.tif 000005
【図５】
0006758914.tif 000006
【図６】
0006758914.tif 000007
【図７】
0006758914.tif 000008
【図８】
0006758914.tif 000009