(57)【要約】【課題】構造物の表面に損傷の発生あるいはその進展を確実にかつ効率よく防止し、長期間に亘り予防保全効果を維持でき、信頼性の高い構造物の表面改質技術である。【解決手段】本発明に係る構造物の表面改質装置１０は、原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を加熱する加熱装置１１と、この加熱装置１１からの加熱出力をほぼ一定に制御する加熱出力制御装置１２と、加熱装置１１を構造物の被施工部に対して位置決めする位置決め機構１３とを有し、前期加熱装置１１は、構造物の被施工部と加熱装置１１との距離をほぼ一定に保持する保持手段１７を備える。さらに、構造物の被施工部に対し加熱装置１１を一定速度で相対的に移動させる駆動機構１４と、構造物の被施工部を所要の冷却速度で強制的に冷却させる冷却装置１５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する熱処理を行ない、上記構造物の被処理部に析出物を形成させることを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項２】
原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を９００℃以上１０００℃以下の範囲で加熱する溶体化処理を施し、
この溶体化処理後に前記構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する熱処理を行ない、
構造物の被処理部に析出物を形成させることを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項３】
原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で所要時間加熱する熱処理を行ない、
この熱処理温度からの冷却速度を制御して前記構造物の被処理部表面に圧縮応力を付与することを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項４】
原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を９００℃以上１０００℃以下の溶体化温度で加熱して溶体化処理を行ない、
この溶体化処理後に構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する熱処理を行ない、
この熱処理温度からの冷却速度を制御して構造物の被処理部表面に圧縮応力を付与することを特徴とする構造物の表面改質方法。
【請求項５】
前記原子炉内構造物等の構造物がインコネル等のニッケル基合金から構成される請求項１ないし４のいずれか記載の構造物の表面改質方法。
【請求項６】
前記原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を高周波誘導加熱で加熱する請求項１ないし４のいずれか記載の構造物の表面改質方法。
【請求項７】
前記原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を熱処理後、上記被施工部表面がほぼ２００℃までの平均冷却速度が数１０℃／ｓｅｃ以上である請求項３または４記載の構造物の表面改質方法。
【請求項８】
前記原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を熱処理後、構造物の被施工部を強制空冷あるいは強制水冷で冷却させる請求項３または４記載の構造物の表面改質方法。
【請求項９】
原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を加熱する加熱装置と、
この加熱装置からの加熱出力をほぼ一定に制御する加熱出力制御装置と、
上記加熱装置を構造物の被施工部に対して位置決めする位置決め機構とを有し、前記加熱装置は、前記構造物の被施工部と加熱装置との距離をほぼ一定に保持する保持手段を備えたことを特徴とする構造物の表面改質装置。
【請求項１０】
前記加熱装置を前記構造物の被施工部に対して一定速度で相対的に移動させる駆動機構をさらに備えた請求項９記載の構造物の表面改質装置。
【請求項１１】
前記加熱装置により熱処理された原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を強制的に冷却させる冷却装置をさらに備えた請求項９または１０記載の構造物の表面改質装置。
【請求項１２】
前記加熱装置は高周波加熱コイルを備え、前記構造物の被処理部の加熱温度、改質層の深さ、施工後の表面圧縮応力値および圧縮応力層深さを決める前記加熱装置の施工制御パラメータが、加熱装置の周波数、加熱出力、相対的移動速度および冷却速度の少なくとも１つで形成される請求項９記載の構造物の表面改質装置。
【請求項１３】
前記加熱装置は高周波加熱コイルを備え、前記構造物の被処理部の加熱温度、改質層の深さ、施工後の表面圧縮応力値および圧縮応力層深さを決める前記加熱装置の施工制御パラメータが、加熱装置の周波数、加熱出力、加熱保持時間および冷却速度の少なくとも１つで形成される請求項９記載の構造物の表面改質装置。
【請求項１４】
原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部に存在する亀裂深さを検査により同定し、
同定された亀裂深さ以上の圧縮応力層を前記構造物の被施工部に形成するように、構造物の被施工部を加熱する加熱装置の施工制御パラメータを制御し、
前記構造物の被施工部の亀裂の進展を防止することを特徴とする構造物の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉炉内構造物等の構造物表面の応力腐食割れ等に対する予防保全を行なう構造物の表面改質技術に係り、特に、ニッケル基合金製構造物の応力腐食割れ等による亀裂の発生・進展を防止する構造物の表面改質方法および表面改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉には、その炉内構造物に炉内計装筒や上蓋管台、炉内機器がある。この炉内構造物には、ＮＣＦ６００等のニッケル基合金およびその溶接金属を用いたものがある。炉内計装筒は、原子炉容器下部を貫通して原子炉内の温度、中性子量等のモニタリング用ケーブルを挿通させる小口径管である。
【０００３】
炉内計装筒や上蓋管台等の炉内構造物を、原子炉容器に溶接等で据え付け、固定させる場合、溶接作業に伴なう金属収縮時の歪みが残留応力として付与される。残留応力が付与された状態で原子炉炉内構造物に水等の腐食性流体が接触すると、原子炉炉内構造物の表面に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する虞がある。
【０００４】
一方、原子炉容器には一次冷却水（冷却材）が充満されており、原子炉炉内構造物の表面は、一次冷却水に接触しているので、炉内構造物の残留応力発生部分に、高経年化に伴なう一次冷却水応力腐食割れ（ＰＷＳＣＣ）の発生が懸念される。
【０００５】
また、初期のＰＷＲプラントの炉内構造物には、炭素濃度が０．０４〜０．０６ｗｔ％の高炭素材を含有するニッケル基合金が用いられることが多い。このようなニッケル基合金は、溶接時に発生する引張残留応力、あるいは使用中に高い引張応力が負荷される部位では、原子炉炉内環境に長時間曝されることにより、応力腐食割れ発生の可能性があることが知られている。応力腐食割れが発生すると、炉内構造物を損傷させたり、破損させる虞がある。
【０００６】
応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生を防止する対策として、ＮＣＦ６００のニッケル基合金を７００℃で１５時間程度加熱する熱処理を施し、結晶粒界に炭化物を積極的に形成したＮＣＦ６００，ＮＣＦ９００等の代替材を炉内構造物の被施工部に装着し、この代替材を炉内構造物に用いることで、耐ＰＷＳＣＣ性を改善し、向上させた表面改質方法が特開２００２−９０４９４号公報（特許文献１）で知られている。
【０００７】
また、初期ＰＷＲプラントに用いられるニッケル基合金製炉内機器に対する予防保全技術として、特開２００１−３４９９８２号公報（特許文献２）に記載された応力腐食割れの進展防止技術がある。この予防保全技術は、ショットピーニング、レーザピーニング、ウォータピーニング等のピーニング処理を用いた応力改善技術、レーザクラッディング等の研磨仕上げ処理を用いた表面改質技術であり、実機プラントへの適用が進んでいる。
【特許文献１】特開２００２−９０４９４号公報
【特許文献２】特開２００１−３４９９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のニッケル基合金製炉内機器に用いられる予防保全技術は、ＰＷＳＣＣ発生要因である応力および材質のいずれか１つを選択的に改善する技術であり、炉内機器の耐ＰＷＳＣＣに関する予防保全を確実かつ長期間に亘って得るためには、確実性や信頼性が低く、高い信頼性を持って長期間の予防保全効果を得ることに問題がある。
【０００９】
また、原子力プラントの稼動率向上による経済性改善の観点から、原子炉炉内構造物の応力腐食割れ等に対する予防保全を、確実にかつ高い信頼性をもって行ない、予防保全工事を短期間で完了させることができる高効率の予防保全技術の開発が強く望まれている。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、構造物の表面に損傷の発生あるいはその進展を確実にかつ効率よく防止し、長期間に亘り予防保全効果を維持でき、信頼性の高い構造物の表面改質方法および表面改質装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、予防保全工事を短期間に、効率よく確実に行なうことができ、信頼性が高く、経済性を向上させた構造物の表面改質方法および表面改質装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る構造物の表面改質方法は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する処理を行ない、上記構造物の被処理部に析出物を形成させる方法である。
【００１３】
また、本発明に係る構造物の表面改質方法は、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を９００℃以上１０００℃以下の範囲で加熱する溶体化処理を施し、この溶体化処理後に前記構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する熱処理を行ない、構造物の被処理部に析出物を形成させる方法である。
【００１４】
さらに、本発明に係る構造物の表面改質方法は、上述した課題を解決するために、請求項３に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で所要時間加熱する熱処理を行ない、この熱処理温度からの冷却速度を制御して前記構造物の被処理部表面に圧縮応力を付与する方法である。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る構造物の表面改質方法は、上述した課題を解決するために、請求項４に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被処理部を９００℃以上１０００℃以下の溶体化温度で加熱する溶体化処理を行ない、この溶体化処理後に構造物の被処理部を６５０℃以上８５０℃以下の範囲で加熱する熱処理を行ない、この熱処理温度からの冷却速度を制御して構造物の被処理部表面に圧縮応力を付与する方法である。
【００１６】
一方、本発明に係る構造物の表面改質装置は、上述した課題を解決するために、請求項９に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を加熱する加熱装置と、この加熱装置からの加熱出力をほぼ一定に制御する加熱出力制御装置と、上記加熱装置を構造物の被施工部に対して位置決めする位置決め機構とを有し、前記加熱装置は、前記構造物の被施工部と加熱装置との距離を一定に保持する保持手段を備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係る構造物の表面改質装置は、上述した課題を解決するために、請求項１１に記載したように、前記加熱装置により熱処理された原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部を強制的に冷却させる冷却装置をさらに備えたものである。
【００１８】
さらに、本発明に係る構造物の表面改質装置は、上述した課題を解決するために、請求項１４に記載したように、原子炉炉内構造物等の構造物の被施工部に存在する亀裂深さを検査により同定し、同定された亀裂深さ以上の圧縮応力層を前記構造物の被施工部に形成するように、構造物の被施工部を加熱する加熱装置の施工制御パラメータを制御し、前記構造物の被施工部の亀裂の進展を防止するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る構造物の表面改質方法および表面改質装置は、構造物の被施工部（表面）の材質を改善し、被施工部に圧縮応力層を形成して損傷の発生あるいはその進展を確実にかつ効率よく防止し、長期間に亘り予防保全効果を維持でき、信頼性の高いものである。
【００２０】
また、本発明に係る構造物の表面改質方法および表面改質装置は、構造物の被施工部に析出物を析出させて表面改質を行なう一方、構造物の被施工部に所要深さの圧縮応力層を形成して、残留応力を改善して応力腐食割れの発生要因を取り除き、予防保全工事を短期間に効率よく確実に行なうことができ、信頼性が高く、経済性をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る構造物の表面改質方法および表面改質装置の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は本発明に係る構造物の表面改質装置の一実施形態の簡略的な構成を示す模式図である。この表面改質装置１０は、構造物としてインコネル等のニッケル基合金製の原子炉炉内構造物、例えば加圧水型原子炉の炉内計装筒、上蓋管台、炉内機器を主な対象とする。加圧水型原子炉以外であっても、インコネル等のニッケル基合金を用いた構造物であればよく、例えば沸騰水型原子炉、高温ガス炉等に用いられる構造物も対象となる。
【００２３】
表面改質装置１０は、構造物の被施工部（被施工面）を加熱する加熱手段としての加熱装置１１と、この加熱装置１１からの加熱出力を所要の一定値に制御する制御手段としての加熱出力制御装置１２と、加熱装置１１あるいはその図示しない加熱ヘッドを構造物に対し相対的に位置決めする加熱ヘッド位置決め機構１３と、少なくとも上記加熱ヘッドを構造物に対し相対的に駆動させる加熱ヘッド駆動機構１４とを有する。この表面改質装置１０には、加熱装置１１で加熱処理された構造物の被施工面（表面）を水冷あるいは空冷で強制的に冷却させる冷却装置１５が備えられる。
【００２４】
加熱装置１１は、ニッケル基合金製原子炉炉内構造物等の構造物を広範囲に亘って加熱する加熱手段（加熱ヘッド）を備える。この加熱手段としては、ヒータやランプ等の輻射加熱手段、また、高周波誘導加熱を行なう誘導加熱手段が適する。インコネル等のニッケル基合金製構造物の予防保全技術に用いられる加熱手段としては、高周波誘導加熱が適している。
【００２５】
また、加熱装置１１は、構造物被施工部を加熱する加熱手段として加熱ヘッドが備えられる。加熱装置１１は、さらに、ニッケル基合金製の構造物の被施工面と加熱装置１１との間の距離（間隔）を一定に保持する保持機構（保持手段）１７が備えられる。この保持機構１７は、加熱装置１１あるいはその加熱ヘッドと構造物の被施工面との間の距離（間隔）を一定に保ち、被施工面への加熱装置１１からの入熱量の変動を極力小さく抑えている。加熱装置１１の加熱ヘッドからの加熱出力は、加熱出力制御装置１２により出力制御される。
【００２６】
加熱出力制御装置１２は、構造物の表面温度をモニタし、加熱出力制御に反映させるフィードバック回路１８を備える。加熱出力制御装置１２は、フィードバック回路１８により、構造物の表面温度をモニタしてフィードバック回路１８を介して加熱出力制御装置１２の加熱出力制御に反映させ、この加熱出力制御装置１２により構造物の表面が所要の温度、例えば６５０℃〜８５０℃または９００℃〜１０００℃で加熱されるように加熱出力制御される。
【００２７】
また、加熱装置１１が、加熱手段として高周波誘導加熱を採用した場合、加熱装置１１にインバータ制御回路（図示せず）を備えることが望ましい。インバータ制御回路によるインバータ制御により、効率的で精度のよい加熱出力制御が可能となる。
【００２８】
また、原子炉炉内構造物の予防保全を行なう場合には、放射線環境下での施工となる。このため、原子炉炉内構造物に対し、加熱装置１１を遠隔操作により移動させ、位置決めさせる加熱ヘッド位置決め機構１３やその駆動機構１４が必要となる。
【００２９】
加熱装置１１を用いて、原子炉炉内構造物等の構造物の予防保全を行なう施工には、加熱装置１１を構造物の被施工部（表面）に対し、一定速度で相対的に移動させ、構造物の所定の領域、すなわち被施工面の表面改質を行なう移動式施工方法と、加熱装置１１を固定し、所定の時間固定保持することで被施工面を所定の面積だけ表面改質し、その後、一部重ね合せてから所定の領域を施工するバッチ式施工方法とがある。移動式施工方法とバッチ式施工方法とは、構造物の施工対象部である被施工面の形状、構造物材料等の要求特性に応じて適宜選択される。
【００３０】
また、ニッケル基合金製の構造物が原子炉内構造物である場合、構造物の予防保全のための施工は、構造物の被施工部を液密にカバーした空間内で行なわれ、水中施工であることが想定される。このため、加熱装置１１で構造物の被施工面を所要の温度で熱処理した後の冷却は、自然対流、あるいは加熱装置１１の加熱ヘッド周囲の水を構造物の施工部に強制的に送り込むことにより急速に冷却される。このため、冷却装置１５は必ずしも必要ではなく、冷却装置１５を不要とした場合、その分、表面改質装置１０の小型化が図れる。表面改質装置１０を小型化することで、構造物の狭隘部へのアクセスが可能となり、狭隘部の表面改質を行なうことができ、利便性が向上する。
【００３１】
この表面改質装置１０が加熱装置１１に高周波誘導加熱の加熱ヘッドを備える場合、加熱装置１１を交流電流で励起させると、構造物の被施工部に、励起された交番磁束が誘導電流（渦電流）を誘起し、構造物の表面層のみを加熱することができる。高周波加熱の加熱ヘッドを用いて加熱装置１１で加熱すると、加熱出力の制御性が良好となり、局部加熱が可能となって、周囲を加熱することがないので、エネルギ効率を向上させることができる。また、構造物の被施工部（被施工面）を急速に加熱させることができ、この急速加熱が可能でかつ表面改質装置１０の小型・コンパクト化が可能となるため、構造物の被施工面（表面）の予防保全を効率よく、正確に行なうことができる。
【００３２】
ニッケル基合金製構造物を加熱装置１１で加熱する場合、構造物の被施工面を前処理として９００℃〜１０００℃の温度で所要時間加熱し、固溶化熱処理を行ない、溶体化処理を実施する。９００℃〜１０００℃の前処理温度は、溶体化温度としては、比較的低温であり、この比較的低温の９００℃〜１０００℃で溶体化処理を施すことで、構造物に含まれる未固溶の炭素が、ニッケル基合金の粒界内に残留し、ニッケル基合金の粒界への析出物として析出させることができる。１０００℃を超える温度で溶体化処理する場合、結晶粒が大きくなる不都合があり、９００℃を下廻る温度では、溶体化が充分ではない。
【００３３】
前処理で構造物の被施工面を固溶化熱処理を行なった後、構造物の被施工部を６５０℃〜８５０℃の温度に加熱する熱処理を行なう。６５０℃〜８５０℃の温度で、構造物の被施工面を熱処理することにより、構造物のニッケル基合金の粒界に、クロム炭化物等の析出物が比較的短時間で形成され、最適な加熱温度となる。構造物の被施工面を高温の８５０℃程度で加熱する場合には、低温の６５０℃程度で加熱する場合より、加熱時間は短くてよい。
【００３４】
具体的には、６５０℃程度で加熱する場合には、構造物の含有材料、特に炭素濃度に依存するが、数時間から数１０時間、例えば１０時間〜３０時間程度の加熱時間が必要となり、８５０℃程度で加熱する場合には、分単位、例えば１時間以下、数分から数十分の加熱でよい。
【００３５】
特に、初期の加圧水型原子炉の炉内構造物に用いられるニッケル基合金は、炭素の含有量が多く、含有する炭素濃度が高い。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して炭素の固溶量が低いため、６５０℃〜８５０℃の加熱温度域での加熱により、ニッケル基合金の粒界にクロム炭化物等の析出物が形成される。これにより、構造物の被施工面（表面）が表面改質される。
【００３６】
構造物を高温に加熱処理した後、冷却装置１５により、水噴射による水冷あるいは空気噴射による空冷で強制的に冷却させたり、また、自然対流方式により水冷させると、構造物の被施工面である材料表面と材料内部との間に温度差が生じるため、熱収縮に起因する圧縮応力が被施工部に発生する。構造物の被施工面の強制冷却により、構造物の被施工部の表面層側に圧縮応力層が形成され、構造物の被施工部は引張残留応力域から圧縮残留応力域に変化し、残留応力の改善が図られる。
【００３７】
構造物の被施工部の表面残留応力は、圧縮側に変位し、被施工面（表面）より遅れて材料内部の温度が低下し、温度低下が生ずる構造物の内部では引張側に応力が変位する。
【００３８】
このため、構造物の被施工部は、析出物の析出による材質改善処理による表面改質と、圧縮応力層の形成による残留応力改善とを同時に行なうことができ、被施工部の表面改質効果をより一層確実に向上させることができる。
【００３９】
予防保全対象部である構造物の被施工面（表面）には、施工前には溶接等により高い引張応力が発生しているものと思料されるが、構造物の被施工面を６５０℃〜８５０℃の範囲で加熱する熱処理を加えた後に、冷却させることで、引張応力を低減させたり、また、冷却過程を制御することで、例えば構造物の被施工面の冷却速度を制御することにより、充分に高い圧縮応力を、構造物の被施工部に付与することができる。
【００４０】
特に、加熱装置１１に高周波誘導加熱を用いた場合、高周波の周波数を変えることにより、誘導電流の浸透深さを制御することができ、６５０℃〜８５０℃の範囲で加熱する熱処理により、ニッケル基合金の粒界中に炭化物を形成した材質改善領域の深さを自由自在に変化させることができ、構造物の被処理部が表面改質されるる。
【００４１】
さらに、熱処理後の冷却方法を工夫し、構造物の被施工部の冷却速度を数１０℃／ｓｅｃ以上、例えば２０℃／ｓｅｃあるいは３０℃／ｓｅｃ以上に制御することで、構造物の被施工部に形成されていた引張応力を高い圧縮応力に変化させることができ、構造物の被施工面に高い圧縮応力を形成するだけでなく、圧縮応力層の厚さも制御することができる。
【００４２】
この表面改質装置１０は、インコネル等のニッケル基合金製の構造物の被施工面（表面）に６５０℃〜８５０℃の範囲で加熱する熱処理を施すことにより、構造物の被施工部の材質改善処理と残留応力改善処理を同時に実施することができる。表面改質装置１０を用いて表面改質方法を実施することにより、構造物の被施工部に、従来に較べて、高効率で信頼性の高い予防保全処理を施すことができる。
【００４３】
さらに、構造物の被施工部を６５０℃〜８５０℃の範囲で加熱して熱処理する前処理として、９００℃〜１０００℃の溶体化温度で溶体化処理を施すことにより、溶体化処理後の構造物被施工部の残留応力改善効果は、構造物の表面とその内部で大きな温度差を発生する条件を得る上で顕著である。このため、冷却速度は大きい方がよく、図２に示すように、数１０℃／ｓｅｃ以上、例えば２０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することが好ましい。
【００４４】
図２は、加熱装置１１を出力２００ｋＷ、周波数２５０ｋＨｚの高周波電源を用いて加熱し、その加熱ヘッドであるリング状コイルでニッケル基合金（ＮＣＦ６００）鋼製の丸棒（１００ｍｍφ）を７５０℃の加熱温度で熱処理し、７５０℃で熱処理後冷却し、構造物表面が７５０℃から２００℃まで冷却される平均冷却温度と表面残留応力の関係を示す図である。構造物の表面に充分な圧縮応力を付与するには、数１０℃／ｓｅｃ以上、例えば２０℃／ｓｅｃあるいは３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が必要である。ニッケル基合金にはＮＣＦ６９０を用いてもよい。
【００４５】
一方、ニッケル基合金製構造物の被施工部（被施工面）の改質層の厚さ、形成される圧縮応力値、および圧縮応力層の厚さは、被施工部の材料特性に応じて最適値に制御する必要がある。
【００４６】
加熱装置１１が高周波誘導加熱の加熱ヘッドを用いる場合には、渦電流の浸透深さを決める高周波の周波数が、構造物の被施工部の溶体化層深さおよび圧縮応力層深さを決める重要なパラメータとなる。
【００４７】
一方、熱処理温度（６５０℃〜８５０℃）は、高周波の周波数とともに渦電流密度を決める加熱装置１１の加熱出力が主要な施工制御パラメータとなる。
【００４８】
また、構造物の被施工部を加熱処理した後の冷却速度は、被施工部に残留する圧縮応力値および圧縮応力層の深さを決める重要な施工制御パラメータとなる。
【００４９】
加熱装置１１が構造物の被施工部に対して相対的に移動する移動式加熱装置の場合、予防保全の表面改質処理施工部の熱伝導による構造物周囲および構造物内部への熱拡散を支配する加熱装置１１の相対的移動速度が、圧縮応力値およびその層深さを決める主要な施工制御パラメータとなる。
【００５０】
いずれも、予想される構造物の被施工部の材料特性に合せて、加熱装置１１による熱処理温度、冷却装置１５等による冷却速度等の施工制御パラメータを１つ以上組み合せ制御して、構造物の熱処理温度、施工部改質層深さ、圧縮応力値、圧縮応力層厚さを制御する必要がある。
【００５１】
そして、表面改質装置１０は施工制御パラメータを１つ以上組み合せて制御することにより、構造物の被施工部の圧縮応力値および圧縮応力層の深さを制御する制御技術に応用でき、仮に構造物の表面に亀裂が存在した場合には、亀裂深さ以上の圧縮応力層を形成して、亀裂の進展を抑制することができる。
【００５２】
また、超音波探傷装置による超音波探傷やEddy Current Testing（ＥＣＴ）装置による渦電流により電磁気的欠陥損傷測定技術により、亀裂の深さを計測して定量化させ、表面改質装置１０により、表面亀裂深さ以上の圧縮応力層を構造物の被施工部表面に形成することにより、亀裂の先端部に圧縮応力場を付与し、被施工部に亀裂が進展するのを防止している。
【００５３】
［試験例１］
表面改質装置１０の加熱装置１１として、出力２５０ｋＷ、周波数３００ｋＨｚの高周波加熱電源を用い、試験体としてニッケル基合金（ＮＣＦ６００）製丸棒（５０ｍｍφ×長さ５００ｍｍ）を製作した。
【００５４】
丸枠試験体の外表面を加熱装置１１の加熱ヘッド（加熱コイル）を用いて、丸枠試験体の一端から２００ｍｍ〜３００ｍｍの領域を５分間加熱する熱処理を施した。加熱装置１１で加熱中の丸枠試験体の表面温度を被施工領域中央で測定したところ、加熱温度は約８００℃でほぼ一定に保持されていた。
【００５５】
加熱装置１１で試験体の被施工部をほぼ８００℃の加熱温度で熱処理した後、冷却装置１５から水噴射による強制水冷処理を施し、室温付近まで急冷処理を施し、丸枠試験体の被施工部の応力改善効果を、Ｘ線応力測定法により測定した。このＸ線応力測定法により、試験体の被施工部（外表面）から約１ｍｍ程度の深さまでの軸方向の残留応力分布を測定した。
【００５６】
図３には、丸枠試験体の軸方向の残留応力分布と被施工部表面からの深さの関係を示す。
【００５７】
丸枠試験体の被施工部表面では、約４５０ＭＰａの圧縮応力が形成され、圧縮応力層は約０．５ｍｍ深さまで達していることが判明した。
【００５８】
さらに、実機を模擬したモックアップ試験体をニッケル基合金（ＮＣＦ６００）で製作し、同様の熱処理と急冷処理を施した。試験後に、この試験体の被施工部から試験片を採取し、試験片表面から０．３ｍｍ深さ位置までの金属組織を顕微鏡観察を行なった結果、試験片には、ニッケル基合金の結晶粒界に炭化物が析出した鋭敏化組織が形成され、表面改質が行なわれていることが判明した。
【００５９】
［試験例２］
試験体としてニッケル基合金（ＮＣＦ６００）製の平板試験体（１０００ｍｍ×１５００ｍｍ×板厚３０ｍｍ）を製作し、平板試験体の周囲を拘束した状態で中央領域（１００ｍｍ×１００ｍｍ）を被施工部として加熱装置１１を用いて試験した。
【００６０】
加熱装置１１では、加熱ヘッドとして平板型加熱コイルを用い、高周波加熱装置による熱処理を施した後、冷却装置１５で水流輻射による水冷を行なった。加熱装置１１の平板型加熱コイルへは、周波数５０ｋＨｚ，１２０ｋＨｚ，２５０ｋＨｚを作用させ、対応する加熱出力はそれぞれ２５０ｋＷ，２３０ｋＷ，２００ｋＷであった。
【００６１】
図４は、加熱装置１１での高周波加熱による表面改質方法により形成される平板試験体の圧縮応力層深さの周波数依存特性を示すもので、平板試験体の残留応力と平板試験体の被施工部表面からの深さの関係を表わすものである。平板試験体の被施工部へは、いずれの施工領域にも熱処理条件はほぼ８００℃の加熱温度で６分間加熱処理した。
【００６２】
加熱装置１１による渦電流の深さは、周波数が低い程大きいため、加熱装置１１で所要の周波数で高周波誘導加熱を行なうことにより、平板試験体の被施工部は、材料内部まで材質改善領域が及ぶものと考えられ、平板試験体の熱処理後に、試験体を急速冷却させると、試験体の被施工部に形成される圧縮応力層厚さも変化する。平板試験体の被施工部には、周波数が低い程、深い圧縮応力深さが形成されることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る構造物の表面改質装置の一実施形態を簡略的に示す構成図。
【図２】本発明に係る構造物の表面改質方法および表面改質装置の実施において、構造物の施工部の冷却速度と表面に形成される残留応力の関係を示す図。
【図３】本発明に係る構造物の表面改質装置による試験例を示すもので、丸棒試験体の被施工部を高周波加熱による熱処理後、強制急冷させた場合の圧縮応力層を示す応力分布図。
【図４】本発明に係る構造物の表面改質装置による試験例を示すもので、平板試験体の被施工部を高周波加熱による熱処理後、強制急冷させた場合の圧縮応力層厚さ（深さ）の周波数依存性を示す応力分布図。
【符号の説明】
【００６４】
１０  表面改質装置
１１  加熱装置
１２  加熱出力制御装置
１３  加熱ヘッド位置決め機構
１４  加熱ヘッド駆動機構
１５  冷却装置
１７  保持機構（保持手段）
１８  フィードバック回路
【図１】
2005227171.tif 000003
【図２】
2005227171.tif 000004
【図３】
2005227171.tif 000005
【図４】
2005227171.tif 000006