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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小口径管の内面に加工により生じた引張残留
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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の表面近
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。
【0002】
【従来の技術】金属材料は溶接等の加工により表面に引
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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述のウォータジェッ
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。
【0004】
【課題を解決するための手段】如上の課題を解決するた
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。
【0005】キャビテーション気泡が崩壊するときに発
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・P・R /R 但し、P :雰囲気圧 R :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 =(P−P)/(0.5・ρ・V) 但し、P :雰囲気圧 P :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D
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D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。
【0006】
【発明の実施の形態】以下添付の図面を参照して本発明
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。
【0007】上記の構成のウォータジェットピーニング
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。
【0008】次に内径Dが9.5mm及び16mmの2種
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Dとノズル外径D
の比は、内径Dが9.5mmの小口径管では1.2:1
であり、内径D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D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D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Dとノズルの外径D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。
【0009】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば小
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法を実施するための装置の一例を示
す概念図である。
【図2】本発明の実施形態における残留応力改善効果を
示すグラフである。
【図3】本発明の実施条件を設定するための実験の結果
を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ニッケル基合金管 10 ウォータジェットピーニング装置 11 水槽 13 移動台車 15 把持装置 17 回転装置 19 ポンプ 21 噴射ノズル 23 噴出管
フロントページの続き (71)出願人 000164438 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通2丁目1番82号 (71)出願人 000230940 日本原子力発電株式会社 東京都千代田区大手町1丁目6番1号 (71)出願人 000006208 三菱重工業株式会社 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 (72)発明者 松枝 啓之 大阪府大阪市北区中之島三丁目3番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 三山 彰一 大阪府大阪市北区中之島三丁目3番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 木場 孝典 香川県高松市丸の内2番5号 四国電力株 式会社内 (72)発明者 大川内 智孝 福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目1番82号 九州電力株式会社内 (72)発明者 番場 美津夫 東京都千代田区大手町一丁目6番1号 日 本原子力発電株式会社内 (72)発明者 名倉 保身 兵庫県高砂市荒井町新浜2丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 太田 高裕 兵庫県高砂市荒井町新浜2丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 市岡 丈彦 兵庫県高砂市荒井町新浜2丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 沖村 浩司 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番1 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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Dと前記ノズルの外径D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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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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