JP2000052247A - 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 - Google Patents
小口径管の内面残留応力状態を改善する方法Info
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Abstract
応力を減少する。 【解決手段】 水で満たされた小口径管の内部にキャビ
テーション気泡を含む高速水流をノズルから噴射し、該
キャビテーション気泡を前記小口径管の内面近傍で崩壊
させる所謂ウォータジェットピーニング法を採用して残
留応力状態を改善することとし、その際、小口径管の内
面と高速水流との衝突角度が10°から20°までの範
囲内となり、且つノズル噴射穴と衝突内面との距離Lが
噴射穴径dの1/2倍から5倍までの範囲内となるノズ
ルを使用する。
Description
傍の残留応力状態を改善する方法に関し、特に内径が小
さい配管材料、所謂小口径管の内面の残留応力を改善す
る方法に関する。
張応力が残留することがある。この引張残留応力は、そ
の金属材料からなる部材の機能を維持する上で一般に好
ましいものではない。例えば、高温水中に置かれるオー
ステナイト系金属材料は、溶接などに起因した引張残留
応力が存在した場合、応力腐食割れが起こると言われて
いる。この引張残留応力を減少し、或いは圧縮残留応力
に変える方法として、ショットピーニングが知られてい
るが、これは一般には空気中において対象面にショット
(鋼球等)を撃ち付けて塑性変形を与え、残留応力状態
を改善するものである。鋼球等の固体粒子を撃ち付ける
ショットピーニングでは、飛散した固体粒子を回収しな
ければならない等といった問題がある。このため、前述
の問題を解決するものとして、微細な気泡を含んだ高速
水流を金属材料の対象面に噴射する所謂ウォータジェッ
トピーニング法(特開平4−240073号、特開平4
−362124号)が提案されている。このウォータジ
ェットピーニング法は、発生させたキャビテーション気
泡を衝突により崩壊させ、その崩壊圧を利用して、金属
材料の表面近傍の残留応力を改善するものである。
トピーニング法は、水中においても施工可能であるが、
所期の残留応力改善が得られるのは、ノズル噴射穴径を
d、ノズル噴射穴と対象金属材料表面との距離をLとす
ると、比L/d=20〜50を満足する状態で対象金属表
面に対し噴射ノズルを置いた場合のみである。従って前
述の比の関係を満足する位置に噴射ノズルを置けない場
合には前述のウォータジェットピーニング法では、金属
材料表面の残留応力を改善できない。例えば、内径が9
mm程度の小口径管の内面に対して、比L/d=20を満足
するには、ノズル噴射穴径が極めて小さくなり、実際の
施工は不可能である。従って、本発明は、小口径管の内
面のように噴射ノズルの設置空間に制約が多い金属材料
においても、表面近傍の残留応力の改善が得られるウォ
ータジェットピーニング法を提供することを課題とす
る。
め、本発明によれば、水で満たされた小口径管の内部に
キャビテーション気泡を含む高速水流をノズルから噴射
し、該キャビテーション気泡を前記小口径管の内面近傍
で崩壊させて該小口径管の内面の残留応力状態を圧縮側
に改善する方法において、前記小口径管の内面と前記高
速水流との衝突角度を10°から20°とし、且つノズ
ル噴射穴と前記衝突内面との距離Lが噴射穴径dの1/
2倍から5倍となるようなノズルを使用する。キャビテ
ーション気泡の崩壊により小口径管の内面に塑性歪みを
発生させるには、高速水流により発生したキャビテーシ
ョン気泡をある程度成長させなければならない。この気
泡の成長は、小口径管ではその内面に傾斜させて高速水
流を噴射することにより実現するが、その傾斜角度が1
0°より小さいと、キャビテーション気泡を管内面に押
し付ける流れが弱く、気泡の崩壊が管壁近傍で優先的に
起こらない。一方、噴射の傾斜角度が20°を越すと、
高速水流のジェットコア部の水塊による水撃効果で壊食
が発生しやすいし、発生したキャビテーション気泡が管
の内面から剥離し、気泡の崩壊が内面近傍で起こらな
い。しかしながら、前述のように傾斜角度即ち衝突角度
を10°から20°の範囲とすると、発生したキャビテ
ーション気泡が管の内面に沿って下流側に流され、広い
範囲の内面近傍において、キャビテーション気泡の崩壊
が発生する。
生する衝撃圧Pmaxは、次式のように気泡の大きさと
雰囲気の圧力により変化する。 Pmax =0.16・Po・Ro 3/R3 但し、Po :雰囲気圧 Ro :気泡の初期半径 R :消滅したときの気泡の半径 小口径管内に高速水流を噴射すれば、管内の圧力は上昇
し、キャビテーション気泡崩壊時の衝撃圧が上昇する。
一方キャビテーション気泡の発生挙動を示すキャビテー
ション係数σは、次式で表される。 σ =(Po−Pv)/(0.5・ρ・V2) 但し、Po :雰囲気圧 Pv :蒸気圧 ρ :流体密度 V :流速 以上の式から、雰囲気圧が大きいとキャビテーション係
数が大きくなり、キャビテーション気泡は生じにくくな
ることが分かる。このように、本発明は管内の圧力変化
の影響を受け易い。しかしながら、小口径管とノズル外
形との間が広いと、管内圧力は管外周辺の圧力の影響を
受けるが、小口径管の内径Diと前記ノズルの外形DOと
の比が1.5:1以下1:1超とすると、管内圧力は管
外圧力の影響を受けない。従って、本発明の前述の方法
において、好ましくは前記高速水流の下流側において前
記小口径管を閉じた状態に保持し、或いは水の流出が望
めない状態とし、前記小口径管の内径Diと前記ノズル
の外形DOとの比が1.5:1以下1:1超とする範囲
に入るノズルを使用する。更に好適には、前述の方法を
実施するに際し、前記小口径管と前記ノズルとを円周方
向及び軸方向に相対的に移動させる。更には、複数の噴
射穴を有するノズルを使用し、或いは、小口径管内の圧
力を測定して所定値に保持しつつ実施される。
の実施形態を説明する。図1は、本発明の方法を実施す
るための装置の概念図であり、ウォータジェットピーニ
ング装置10は、加圧可能な水槽11と、水槽11の中
に設けられた移動台車13、これに載設され把持装置1
5を備えた回転装置17、水槽11の外に設けられたポ
ンプ19及びポンプ19から延びて水槽11の中に入っ
ており、先端に噴射ノズル21を備えた水噴出管23を
有する。そして、把持装置15の回転軸と噴射ノズル2
1の軸心とは整列しており、把持装置15で把持した被
処理材即ち小口径管1は、内部に噴射ノズル21を受け
入れる。
装置10を用い、管内径が9.5mmのニッケル基合金
(600合金)管1の内面に、下記の条件で高速水流を
噴射した。 使用噴射ノズル21の外径 8.0mm 使用噴射ノズル21の噴射穴径 1.0mm 使用噴射ノズル21の噴射穴数 2個(軸心に対し対称位置) 高速水流と管内面の衝突角度 12° ポンプ19の噴射圧力 90MPa 上記施工条件によるニッケル基合金管1の内面の残留応
力改善結果を図2に示す。図に示すように、高速水流に
よるウォータジェットピーニングを施す前の内表面の残
留応力即ち初期値は、斜線付四角印及び同三角印に示す
ように30MPa程度の圧縮残留応力であったが、ウォ
ータジェットピーニングの施工後の表面残留応力は、管
内表面で400MPa程度の圧縮残留応力に変わり、表
面から0.5mmの深さの位置でも100MPa程度の圧
縮残留応力になっている。そして、内表面には幅数百μ
mで深さが10μm程度の凹みが生じたが、顕著なピッ
トは観察されない。このことは、例えば、350MPa
程度の引張残留応力が管内表面にあっても、本発明のウ
ォータジェットピーニングの施工により残留応力が圧縮
側に改善できることを示している。
の小口径管について、前述の噴射ノズルを使用して高速
水流を噴出し、管内圧力に対する雰囲気圧の影響を調べ
た。結果を図3に示す。管の内径Diとノズル外径DOと
の比は、内径Diが9.5mmの小口径管では1.2:1
であり、内径Diが16.0mmの小口径管では2:1で
ある。図から分かるように、内径Diが9.5mmの小口
径管では管内圧力は雰囲気圧の影響を殆ど受けず、大気
圧と0.15MPaの雰囲気圧下で同じ管内圧力が得ら
れ、良好な残留応力の改善が得られる。これに反して、
内径Diが16mmの小口径管では管内圧力は雰囲気圧の
影響を受け、雰囲気圧が大気圧の場合に比し、雰囲気圧
0.15MPaの場合は、ポンプによる噴射圧力を1.
2倍程度増加する必要が生じた。このようなことから、
被処理小口径管の内径Diとノズルの外径DOとの比が
1.5:1以下1:1超とする範囲に入る噴射ノズルを
使用すれば、外部の雰囲気圧に左右されずに良好なピー
ニング効果が得られる。
口径管の内面とノズルから噴出される高速水流との衝突
角を適切に設定することにより、発生キャビテーション
気泡が好適な位置で崩壊するので、内面の残留応力を圧
縮側に移すように改善することができる。更に、本発明
によれば、被処理小口径管の内径に対応して、適切な外
径のノズルを使用することにより、外部雰囲気圧の影響
を受けずに前述の残留応力改善効果を得ることができ
る。更に、本発明によれば、被処理小口径管とその内部
に挿入したノズルとを相対的に移動させつつ高速水流を
噴射することにより、広範囲の内面に前述の残留応力改
善効果を得ることができる。更に、本発明によれば、高
速水流を噴出する噴射穴を複数設けることにより傾斜し
た高速水流の噴射反力をバランスさせてノズルを適切な
位置に保持するので、安定した前述の残留応力改善効果
を得ることができる。
す概念図である。
示すグラフである。
を示すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 水で満たされた小口径管の内部にキャビ
テーション気泡を含む高速水流をノズルから噴射し、該
キャビテーション気泡を前記小口径管の内面近傍で崩壊
させて該小口径管の内面の残留応力状態を圧縮側に改善
する方法において、前記内面と前記高速水流との衝突角
度が10°から20°までの範囲内となり、且つノズル
噴射穴と前記衝突内面との距離Lが噴射穴径dの1/2
倍から5倍までの範囲内となるノズルを使用することを
特徴とする小口径管の内面残留応力状態を改善する方
法。 - 【請求項2】 請求項1記載の方法において、前記高速
水流の下流側において前記小口径管を閉じた状態に保持
し、或いは水の流出が望めない状態とし、前記小口径管
の内径Diと前記ノズルの外径DOとの比が1.5:1以
下1:1超とする範囲に入るノズルを使用することを特
徴とする小口径管の内面残留応力状態を改善する方法。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2記載の方法におい
て、前記小口径管と前記ノズルとを円周方向及び軸方向
に相対的に移動させつつ前記高速水流を噴射することを
特徴とする小口径管の内面残留応力状態を改善する方
法。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項3記載の方法におい
て、前記ノズルは複数の噴射穴を有することを特徴とす
る小口径管の内面残留応力状態を改善する方法。 - 【請求項5】 請求項1乃至請求項4記載の方法におい
て、前記小口径管内の圧力を測定して一定に保持するこ
とを特徴とする小口径管の内面残留応力状態を改善する
方法。
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JP22829798A JP4176197B2 (ja) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 |
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ID=16874266
Family Applications (1)
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Cited By (4)
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US7565812B2 (en) | 2005-05-31 | 2009-07-28 | Hitachi-Ge Nuclear Energy, Ltd. | Method for improving residual stress in pipe and apparatus |
JP2011083892A (ja) * | 2011-01-25 | 2011-04-28 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 管内面に対するウォータージェットピーニングによる残留応力改善方法及びその装置 |
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DE212017000081U1 (de) | 2016-03-16 | 2018-10-18 | Sony Interactive Entertainment Inc. | Elektronische Vorrichtung |
-
1998
- 1998-08-12 JP JP22829798A patent/JP4176197B2/ja not_active Expired - Lifetime
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