(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中に保持されて溶接部を有する配管と、
高圧水を噴射して水中にキャビテーション気泡を発生させ、そのキャビテーション気泡を前記溶接部の表面に衝突させて、該溶接部の応力状態を改善するノズルと、
前記溶接部およびノズルを水中に保持するためのプールを形成するプール形成手段と、
前記ノズルを前記溶接部の周囲に沿って回転する回転駆動軸を有する回転手段と、
前記回転駆動軸の上端に取り付けられた位置決めヘッドと、前記プール形成手段の外面に設けられた位置決めラグとからなる位置決め手段とを備え、
前記位置決めヘッドを前記配管の内部に挿入して、前記位置決めラグを他の配管の内部に挿入して前記プール形成手段の位置決めを行なうことを特徴とするウォータージェットピーニング装置。
【請求項２】
請求項１記載のウォータージェットピーニング装置において、前記ノズルを前記配管の軸方向に沿って上下動する上下移動手段を設けたことを特徴とするウォータージェットピーニング装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のウォータージェットピーニング装置において、前記ノズルとプール形成手段と位置決め手段と回転手段を搭載した台車を移動する移動手段が設けられていることを特徴とするウォータージェットピーニング装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のウォータージェットピーニング装置において、前記配管が圧力容器の内面に溶接され、前記プール形成手段の圧力容器の内面と対向する部分が圧力容器の曲率に合わせた形状となっていることを特徴とするウォータージェットピーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材に液体のジェットを噴射することにより、金属材料に存在する引張残留応力を改善して応力腐食割れを防止するウォータージェットピーニング装置に係わり、特に、圧力容器の鏡板に貫通し、圧力容器内面に溶接固定された配管の溶接部表面の応力状態を大気中に保持された状態で改善するウォータージェットピーニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
応力腐食割れ発生の要因となる溶接部等の残留応力の緩和方法としては、特開昭６２−６３６１４号公報に開示された技術がある。
【０００３】
これは、残留応力改善対象物である熱交換器等の管の内部に、高圧液体ジェットを噴射する回転ノズル部を有する高圧水ショットピーニング装置を挿入し、ジェットそのものの軸動圧エネルギー（ジェット噴流の軸方向動圧エネルギー）で前記管内面をピーニングすることにより、前記管に元々存在していた引張残留応力を圧縮残留応力に軟化するものである。
【０００４】
また、特開平６−６２４０８号公報に開示された技術は、圧力容器の下鏡部に貫通して溶接固定された管の溶接部に対し、圧力容器内に水を張り水中で高圧ジェットを噴射させることにより、キャビテーション気泡を発生させて表面応力状態を改善するものである。
【０００５】
この提案では圧力容器内に水を張った状態で、圧力容器の内部構造物と貫通配管を利用して所定の位置に装置をセットし、配管の回りにノズルを回転させて対象となる溶接部の応力を改善できるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開昭６２−６３６１４号公報による従来技術は、熱交換器等の管内面の残留応力を大気中の水噴流の軸動圧力を利用して改善する方法として有効な手段と考えられるが、当該部は管内面で溶接形状も単純であるため、使用する水の回収及び装置も比較的容易に実施できると考えられる。
【０００７】
また、特開平５−７８７３８号公報による従来技術は、水中で、かつ、圧力容器内部の構造物を利用して装置を設置できるため、水を回収する必要がないと同時にキャビテーション気泡を発生させる水環境を作ることに対して注意を払う必要がない。
【０００８】
図９は圧力容器の鏡板部の断面図、図１０はその要部拡大図である。
【０００９】
大気中に保持された圧力容器の鏡板１０１に貫通し、圧力容器内面に溶接固定された多数の配管１０２が設けられているが、この溶接は、図１０に示すように、鏡板１０１に対し内面から施工されており、溶接部の残留応力は、溶接金属１０３及びその近傍部を含む高引張残留応力部１０４を生じる。
【００１０】
このような溶接部の残留応力を改善する場合、配管外面と圧力容器鏡板との溶接部であること、鏡板に対して傾斜して固定された配管では溶接部が３次元形状であること等により、噴射ノズルの複雑な位置制御を行う必要があると共に、大気中でピーニングを行う場合、特に、原子炉圧力容器の場合には汚染拡大防止のため、水回収を行う必要がある。
【００１１】
また、水中でキャビテーション気泡を発生させて残留応力の改善を行うためには、当該部に水環境を形成すると同時に前記と同様、水回収を行う必要がある。
本発明は、圧力容器内面に溶接固定された配管の溶接部の残留応力を改善することができるウォータージェットピーニング装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、大気中に保持されて溶接部を有する配管と、高圧水を噴射して水中にキャビテーション気泡を発生させ、そのキャビテーション気泡を前記溶接部の表面に衝突させて、該溶接部の応力状態を改善するノズルと、前記溶接部およびノズルを水中に保持するためのプールを形成するプール形成手段と、
前記ノズルを前記溶接部の周囲に沿って回転する回転駆動軸を有する回転手段と、前記回転駆動軸の上端に取り付けられた位置決めヘッドと、前記プール形成手段の外面に設けられた位置決めラグとからなる位置決め手段とを備え、前記位置決めヘッドを前記配管の内部に挿入して、前記位置決めラグを他の配管の内部に挿入して前記プール形成手段の位置決めを行なう第１の手段により達成される。
【００１３】
また、第１の手段において、前記ノズルを前記配管の軸方向に沿って上下動する上下移動手段を設けた第２の手段により達成される。
【００１４】
また、第１または第２の手段において、前記ノズルとプール形成手段と位置決め手段と回転手段を搭載した台車を移動する移動手段が設けられている第３の手段により達成される。
【００１５】
また、第１ないし第３のいずれかの手段において、前記配管が圧力容器の内面に溶接され、前記プール形成手段の圧力容器の内面と対向する部分が圧力容器の曲率に合わせた形状となっている第４の手段により達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の概要をまず説明する。
【００１８】
装置を載せた台車を配管下まで移動し、位置決め装置を当該配管内に挿入して装置の中心を合わせ、カバーをその縁が圧力容器内面に密着するように押し付ける。このとき、カバーの上端部に圧力容器の曲率に合った形状のパッキンを設けると共に、回転板とカバーとの間にパッキンを設けることで、カバーと回転板及び圧力容器内面で密閉空間を形成することができる。
【００１９】
この状態で、カバー内に水を充満させてプールを形成し、噴射ノズルから高圧ジェット液体を噴射してキャビテーション気泡を発生させ、回転板の回転駆動装置を作動させて回転板を回転させると共に、回転板の軸方向駆動装置を作動させて回転板を軸方向に移動させることにより、回転板に固定した噴射ノズルを配管の回りに回転させ、かつ、配管の軸方向に移動させることができる。
【００２０】
また、制御装置により各駆動モータの位置制御を行うことにより、噴射ノズルを圧力容器と配管の溶接部に対し、一様に対峙させることができ、当該溶接部に安定したキャビテーション気泡を衝突させることができ、溶接部表面の残留応力を改善することができる。
【００２１】
このとき、噴射ノズルから噴射された水及び気泡はカバー上端近傍に設けた排出口から外部に導かれ容易に回収される。
【００２２】
また、カバー外面に取り付けた突起を隣接する配管に挿入しておくことにより、回転板が回転及び移動してもカバーの向きは常に一定に保たれるため、圧力容器とのシール面がずれることがなく、安定してプールを形成することができる。
以下、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２３】
図１は、本発明のウォータージェットピーニング装置を圧力容器の鏡板１０１に貫通して溶接固定された配管１０２に設置した状態を示す断面図である。
【００２４】
図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４は図３のＣ−Ｃ断面図である。
【００２５】
図１において、回転駆動軸１２の上端にはベアリング１２ａを介して位置決めヘッド１１が回転自在に固定されており、下端部はベアリング１２ｂを介して昇降台車１３を貫通して回転自在に固定され、先端はカップリング１４を介して回転駆動モータ１５に接続されている。
【００２６】
また、回転駆動軸１２の中央部はスプライン構造（図２参照）をしており、回転筒１７内を貫通して設置され、回転筒１７内部に固定されたスプラインナット１７ａと軸方向に移動自在に係合している。回転筒１７の上端には回転板１６が固定されており、回転駆動モータ１５の回転により回転駆動軸１２、スプラインナット１７ａ及び回転筒１７を介して回転板１６を回転できるように構成している。
【００２７】
一方、回転筒１７の下端部には昇降フランジ１８がベアリング１８ａを介して回転自在に固定されており、昇降フランジ１８には昇降用ネジ軸シャフト１９と噛み合ったナット１９ａが固定されている。昇降用ネジ軸シャフト１９の下端部はベアリング１９ｂを介して昇降台車１３を貫通して回転自在に固定され、先端には昇降軸回転ギヤ２０を取り付けてある。
【００２８】
伝達ギヤ（Ａ）２１ａはその中心に貫通した回転駆動軸１２とベアリング２１ｄを介して回転自在に固定されると共に、昇降軸回転ギヤ２０及び伝達ギヤ（Ｂ）２１ｂを介して伝達ギヤ（Ｃ）２１ｃを取り付けた昇降駆動モータ２２と係合している（図３及び図４参照）。
【００２９】
本構成により、昇降駆動モータ２２の回転により伝達ギヤ（Ｃ）２１ｃ、（Ｂ）２１ｂ、（Ａ）２１ａ及び昇降軸回転ギヤ２０を介して昇降駆動軸１９を回転させ、それと係合したナット１９ａを固定した昇降フランジ１８を昇降させることができ、さらには回転筒１７及び回転板１６を昇降させることができる。
【００３０】
上記の回転駆動系と昇降駆動系の間にはベアリングを配しているため、相互に影響されることなく各々の動作を行うことができる。
【００３１】
カバー２３は内部に回転板１６を配しており、上端には鏡板１０１の内面形状に合わせたパッキン２４が取り付けられている。カバー２３の上端部近傍には排水口２３ａが設けられており、排水ホース２５を接続できるように構成されている。
【００３２】
昇降台車１３に固定されたエアシリンダ２６の先端は、カバー２３の外周に設けられたフランジ２３ｂとカバー２３の周方向に移動できるように固定されている。また、カバー２３の外面には隣接する配管内に挿入してカバー２３の向きを固定できるようにカバー位置決めラグ２７が設けられている。
【００３３】
ノズル２８は回転板１６に貫通し、その先端が配管１０２と鏡板１０１との溶接部に向いて固定されており、他端は高圧ホース２９が接続されている。
【００３４】
上記の機器は全て昇降台車１３に固定されており、昇降台車１３はリニアガイド３０を介して移動台車３２に固定されたレール３１上を移動する。また、昇降台車１３にはナット３３が取り付けられており、移動台車３２に固定された台車昇降用ネジ軸３４と噛み合っている。
【００３５】
台車昇降用ネジ軸３４はタイミングベルト３５を介して台車昇降駆動モータ３６と接続されており、台車昇降駆動モータ３６により台車昇降用ネジ軸３４を回転することにより、昇降台車１３を上下に移動させることができる。また、移動台車３２にはキャスター３７が取り付けられている。
【００３６】
一方、回転板１６とカバー２３及び回転駆動軸１２との間にはパッキン１６ａ及び１６ｂが取り付けられており、カバー２３内に蓄える水をシールし、水プールを形成できるように構成してある。
【００３７】
また、上記の各駆動モータ及びエアホース等は外部に設置した制御盤５１に接続されており、高圧ホース２９は外部に設置された高圧ポンプ５２に接続されている（図５参照）。
【００３８】
次に、以上のように構成したウォータージェットピーニング装置の操作要領について説明する。
【００３９】
まず、図６に示すごとく、移動台車３２を操作して装置を当該配管１０２の真下に移動する。次に、図７に示すごとく、台車昇降駆動モータ３６を操作して昇降台車１３を上昇させ、回転駆動軸１２の先端に取り付けた位置決めヘッド１１を配管１０２内部に挿入する。
【００４０】
次に、カバー位置決めラグ２７が隣接配管内に挿入できるように、カバー２３の向きを調節しながらエアシリンダ２６にエアを供給し、カバー２３をゆっくり上昇させる。さらに、カバー２３の先端に取り付けたパッキン２４が鏡板１０１の内面に密着するまでカバー２３を上昇させる。この状態で図１の取り付け状態となる。
【００４１】
次に、回転駆動モータ１５を操作して回転板１６を回転駆動軸１２の回りに回転させると共に、昇降駆動モータ２２を操作してノズル２８の先端が鏡板１０１と配管１０２の溶接部と所定の距離を確保できる位置に、回転板１６を回転駆動軸１２の軸方向に移動させ、ウォータージェットピーニング開始位置にノズル２８を移動させる。
【００４２】
さらに、高圧ポンプ５２を起動してノズル２８を介してカバー２３内が一杯になるまで（排水口２３ａから水が溢れ出ることで確認できる）水を供給する。これでウォータージェット開始可能状態となる。
【００４３】
次に、高圧ポンプ５２を起動して高圧水を高圧ホース２９を介してノズル２８に送り、ノズル２８からキャビテーション気泡を発生させ、鏡板１０１と配管１０２の溶接部にこのキャビテーション気泡を衝突させる。この状態で回転駆動モータ１５を作動させて回転板１６を回転駆動軸１２の回りに回転させ、ノズル２８を配管１０２の回りに回転させると共に、昇降駆動モータ２２を作動させて回転板１６を回転駆動軸１２の軸方向に移動させ、ノズル２８を配管１０２の軸方向に移動させる。
【００４４】
このとき、予め鏡板１０１と配管１０２の取り付け角度に基づいた溶接形状を考慮したプログラムを作成し、そのプログラムにより回転駆動モータ１５と昇降駆動モータ２２を制御することにより、ノズル２８は鏡板１０１と配管１０２の溶接部との距離を一定に保ちながら配管１０２の回りを３６０度移動することができる（図８参照）。
【００４５】
このとき、回転板１６、カバー２３、鏡板１０１及び各々の接合部に設けたパッキンにより、キャビテーション気泡を発生させるために不可欠なプールを安定して形成することができる。
【００４６】
また、キャビテーションにより発生した気泡及びノズル２８から供給され、溢れ出る水は、カバー２３の上部近傍に設けた排水口２３ａから排水ホース２５を介して周囲に飛散させることなく回収することができる。
【００４７】
図１１は、キャビテーション噴流が噴流軸方向に沿って２つの衝撃圧力ピークを持つことを示す概念図であり、（ａ）はスタンドオフ距離と噴流から発生する衝撃圧力の関係を示す特性図、（ｂ）は噴流の状態を示す模式図である。
【００４８】
この図に示すように、キャビテーション噴流は噴流軸方向に沿って２つの衝撃圧力ピークを有しており、ノズル２８から遠い方の第２ピークは同図に示すように、第１ピークに比べて範囲が広いという特徴がある。従って、施工対象部位とノズル２８との距離は必ずしも精密に調整する必要はない。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のウォータージェットピーニング装置によれば、大気中に保持された圧力容器の鏡板に貫通し、圧力容器内面に溶接固定された配下の溶接部、特に鏡板に斜めに貫通して溶接固定された配管の溶接部に対して、距離を一定に保って噴射ノズルを対峙させ、かつ噴射ノズルを配管の回りにスムーズに移動させることができる。また、鏡板内面の形状に合ったカバーの設置及びカバー上端部近傍に排水口を設置することにより、当該溶接部の回りに安定して水プールを形成することができるため、当該溶接部に一様にキャビテーション気泡を衝突させることができる。
【００５０】
この結果、溶接部表面の残留応力状態を確実に改善することができ、圧力容器の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るウォータージェットピーニング装置を鏡板を貫通する配管に設置した状態を示す詳細図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明のウォータージェットピーニング装置のシステム構成図である。
【図６】本発明のウォータージェットピーニング装置を配管に設置する前の状態を示す構成図である。
【図７】本発明のウォータージェットピーニング装置を配管に設置する途中段階の状態を示す構成図である。
【図８】本発明のウォータージェットピーニング装置を使用し、鏡板と配下の溶接部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構成図である。
【図９】鏡板に配管が貫通して溶接固定されている圧力容器上鏡の断面図である。
【図１０】図９の要部拡大図である。
【図１１】キャビテーション噴流が噴流軸方向に沿って２つの衝撃圧力ピークを持つことを示す概念図である。
【符号の説明】
１１  位置決めヘッド
１３  昇降台車
１５  回転駆動モータ
１６  回転板
２２  昇降駆動モータ
２３  カバー
２８  ノズル
３２  移動台車
５１  制御盤
５２  高圧ポンプ
５３  貯水タンク
１０１  鏡板
１０２  配管
【図１】
0003795111.tif 000002
【図２】
0003795111.tif 000003
【図３】
0003795111.tif 000004
【図４】
0003795111.tif 000005
【図５】
0003795111.tif 000006
【図６】
0003795111.tif 000007
【図７】
0003795111.tif 000008
【図８】
0003795111.tif 000009
【図９】
0003795111.tif 000010
【図１０】
0003795111.tif 000011
【図１１】
0003795111.tif 000012