JP2007313615A - 大口径管路の穿孔方法及び穿孔装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルと大口径管路の側面（外表面）との距離（高さ）を一定に保ちつつ、ノズルを穿孔ラインに沿って移動させることによって大口径管路の側面に高精度且短時間に穿孔することができる大口径管路の穿孔方法を提供すること。
【解決手段】穿孔ラインに沿ってノズル９を移動させながら、該ノズル９から噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路１の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する方法として、前記大口径管路１の外表面の切断ラインに沿う高さ変化を読み取り、その読み取った高さ変化に応じて前記ノズル９を大口径管路１の外表面に対して接離させて両者間の距離を一定に保ちつつ穿孔ラインに沿って移動させ、該ノズル９からアブレシブウォータジェットを噴射させて大口径管路１の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路の側面を穿孔する方法と装置に関するものである。

例えば外径がφ１５００ｍｍ以上の大口径管路の側面に枝管を新たに取り付ける場合には、大口径管路の側面に枝管の外径に沿った円孔を穿設する必要がある。このような円孔を大口径管路の側面に穿設する方法としては、ガスによる溶融切断法（例えば特許文献１参照）、ホルソーを用いた切削切断法（例えば特許文献２参照）等が知られている。

上記ガスによる溶融切断法は、図８に示すように、ガストーチ１０１から噴射される火炎によって大口径管路１０１の側部を穿孔ラインに沿って溶融切断して穿孔する方法であり、この方法によれば、安価に且つ短時間で穿孔を行うことができる反面、作業は専ら人手によるために切断面と孔寸法が不揃いで高精度を期し難く、火気を使用するために可燃性雰囲気での作業ができないという問題がある。又、穿孔作業には作業者の熟練を要する他、ステンレス材に対しては切断ができないという問題がある。

ホルソーを用いた切削切断法は、図９に示すように、大口径管路２０１に枝管２０２を溶接によって取り付けておき、この枝管２０２のフランジ２０３に取り付けられた駆動装置２４０によってホルソー２４１を大口径管路２０１の側面に押し付けながら回転駆動することによって、大口径管路２０１の側面に円孔を穿設する方法である。この方法によれば、円孔の切断面と寸法に関してはガスによる溶融切断法に比して高い精度が得られるが、大口径管路２０１の外径と円孔の内径（穿孔径）が大きくなるに従って装置が大型化し、装置の設置と撤去に多大な手間と時間を要し、付帯工事を含めると穿孔作業に多くの費用を要するという問題がある。又、この方法では、大口径管路２０１の材質が炭素鋼である場合には切断が比較的容易であるが、粘りがあるステンレス鋼である場合には切断が容易でないという問題もある。更に、計画した穿孔径に応じたサイズのホルソーを準備した場合、計画した孔径よりも若干異なる径の孔を穿設する必要が生じたときの微調整ができず、仕方なく準備したホルソーで切断するか、或は必要なサイズのホルソーを別途用意する必要があるという問題もある。

そこで、大口径管路への穿孔方法として、可燃性雰囲気での切断が可能で、高精度に短時間且つ安価に穿孔することができるアブレシブウォータジェット切断法（例えば、特許文献３参照）の採用が考えられる。このアブレシブウォータジェット切断法は、ガーネット等の研磨材が添加された超高圧水（例えば、圧力約１７６ＭＰａ）をアブレシブウォータジェットとしてノズルから噴射し、このアブレシブウォータジェットによって金属等を切断する方法である。
特開平４−２３７５６１号公報 特開平１１−３３３６１３号公報 特許第２８８９６２６号公報

ところで、アブレシブウォータジェット切断法においては、切断を効果的に行うためにはノズルと被切断材表面との距離（高さ）を一定に保つ必要があるが、被切断材が大口径管路である場合には、該大口径管路の側面は円弧曲面を成すため、その円弧曲面の穿孔ラインに沿う高さが角度位置によって変化する。このため、ノズルを旋回アームの端部に取り付けて同一平面内を回転させながら、該ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管の側面を円形に切断する方法を採用する場合には、ノズルと大口径管の側面（外表面）との距離（高さ）が角度位置によって変化し、その距離を穿孔ラインに沿って常に一定に保つことができないという問題があった。つまり、アブレシブウォータジェット切断法は、適用が平面的な切断に限定され、ノズルとの距離（高さ）を一定に保ちつつ大口径管路の側面を円形に切断することは不可能であった。

又、従来のアブレシブウォータジェット切断法においては、ノズルの移動にエアモータや一般汎用モータが使用されていたため、ノズルの移動はアナログ的な調整しかできず、人手による微調整が必要であるため、その操作に熟練を要するという問題もあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ノズルと大口径管路の側面（外表面）との距離（高さ）を一定に保ちつつ、ノズルを穿孔ラインに沿って移動させることによって大口径管路の側面に高精度且短時間に穿孔することができる大口径管路の穿孔方法及び穿孔装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、穿孔ラインに沿ってノズルを移動させながら、該ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する方法として、前記大口径管路の外表面の切断ラインに沿う高さ変化を読み取り、その読み取った高さ変化に応じて前記ノズルを大口径管路の外表面に対して接離させて両者間の距離を一定に保ちつつ穿孔ラインに沿って移動させ、該ノズルからアブレシブウォータジェットを噴射させて大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を穿孔ライン上の複数の点で読み取ることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、穿孔ラインに沿ってノズルを移動させながら、該ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する装置を、前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を読み取る読取手段と、前記ノズルを穿孔ラインに沿ってノズルを移動させる移動手段と、前記ノズルを大口径管路の外表面に対して接離させる接離手段と、前記ノズルに超高圧水を供給する超高圧水供給手段と、前記移動手段と前記接離手段を駆動制御する制御手段を含んで構成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿って結着された枝管に、前記ノズルと前記移動手段及び前記接離手段を支持させたことを特徴とする。尚、枝管に移動手段と接離手段を支持させる代わりに、これらの移動手段と接離手段を一体化して大口径管路にワイヤーで巻き付けて取り付けたり、マグネットによって取り付けることもできる。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記枝管に回転軸を回転及び軸方向に摺動可能に支持せしめ、該回転軸の先端に取り付けられた旋回アームの端部に前記読取手段又は前記ノズルを着脱可能に取り付け、前記駆動手段によって前記回転軸を回転させるとともに、前記接離手段によって前記回転軸を軸方向に摺動させ、前記旋回アームとその端部に取り付けられた読取手段又はノズルを回転軸を中心として回転させるとともに、大口径管路の表面に対して接離させることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項３〜５の何れかに記載の発明において、前記読取手段を触覚スイッチで構成したことを特徴とする。

請求項３〜６記載の穿孔装置によって実施される請求項１及び２記載の穿孔方法によれば、大口径管路の側面に穿孔する前に、先ず、大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を読み取り、その読み取った高さ変化に応じてノズルを大口径管路の外表面に対して接離させて両者間の距離を一定に保ちつつ穿孔ラインに沿って移動させ、該ノズルからアブレシブウォータジェットを噴射させて大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔するようにしたため、大口径管路の円弧曲面状の側面に対して高精度且短時間に穿孔することができる。尚、大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さの変化は計算によって算出可能であるが、実際には大口径管路には変形や歪等があるために実測が必要となる。

又、穿孔にはノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットが使用されるため、可燃性雰囲気での穿孔も可能となるとともに、炭素鋼、ステンレス鋼等、大口径管路の材質によらず、該大口径管路に対する穿孔が可能となる。

更に、ノズルの大口径管路に対する移動と接離動作は、制御手段によって駆動制御されるＡＣサーボモータ等によって自動的に且つ高精度になされるため、人手による操作を廃して省力化を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る穿孔装置の全体構成図、図２は同穿孔装置要部の拡大断面図、図３は同穿孔装置要部の拡大底面図、図４は図３の矢視Ａ方向の図である。

図１において、１は大口径管路（図１では横断面が示されている）であって、その側部には該大口径管路１よりも小径の短い枝管２が予め（穿孔を行う前に）溶接によって軸直角方向に結着されている。そして、枝管２の端部に結着されたフランジ３には、図２〜図３に詳細に示すように、略十字形のプレート４が複数本のボルト５によって取り付けられており、このプレート４の中央部には回転軸６が回転可能且つ軸方向（枝管２の軸方向）に摺動可能に挿通支持されている。尚、本発明方法が適用される大口径管路１としては、外径Ｄがφ１０００ｍｍ〜φ５０００ｍｍ（好ましくはφ１５００ｍｍ〜φ４０００ｍｍ）のものであり、該大口径管路１に穿設される円孔の内径（穿孔径）ｄ１としてはφ５００ｍｍ〜φ４０００ｍｍ（好ましくはφ５００〜φ２０００ｍｍ）が好適である。

上記回転軸６の大口径管路１の外表面に向かって延びる一端には旋回アーム７が軸直角方向に結着されており、該旋回アーム７の先端（自由端）には読取手段としての触覚スイッチ８又はノズル９が選択的に取り付けられる。

又、前記プレート４にはローラドライブ減速機１０が取り付けられており、このローラドライブ減速機１０には、前記触覚スイッチ８又はノズル９を穿孔ラインに沿って移動（旋回）させるための移動手段としての旋回モータ１１が取り付けられている。そして、回転軸６の前記ローラドライブ減速機１０から延びる他端部には、触覚スイッチ８又はノズル９を大口径管路１の側面（外表面）に対して接離させるための接離手段である上下駆動モータ（電動シリンダ）１２が設けられている。尚、本実施の形態では、旋回モータ１１と上下駆動モータ１２は共にＡＣサーボモータで構成されている。

他方、図１において、１３は制御手段（操作盤）、１４は内部に研磨材（アブレシブ）であるガーネットを収容した研磨材タンク、１５は超高圧ジェットポンプ、１６はセーフティセレクタ（安全回路）であって、制御手段１３は、穿孔に先立って触覚スイッチ８によって読み取られた高さ（ノズル９と大口径管路１の外表面との間の距離（図２参照））ｈ変化を受けて上下駆動モータ１２を駆動制御するとともに、入力された切断速度に基づいて旋回モータ１１を駆動制御する。尚、制御手段１３には非常停止ボックス１７が接続されている。

又、前記ノズル９にはエア供給ラインｂが接続されており、このエア供給ラインｂには開閉弁Ｖ１が設けられている。このエア供給ラインｂの開閉弁Ｖ１よりも下流側には、前記研磨材タンク１４の下部から延びる研磨材供給ラインａが接続されている。そして、この研磨材供給ラインａには電磁弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）Ｖ２が設けられており、この電磁弁Ｖ２は、制御手段１３によってその動作が制御されるソレノイド（ＳＶ）１８によって開閉される。

前記セーフティセレクタ１６は、圧縮空気供給ラインｃから供給される圧縮空気によって動作するものであって、圧縮空気供給ラインｃに設けられた電磁弁Ｖ３が制御手段１３によって動作するソレノイド（ＳＶ）１９によって開かれると、前記超高圧ジェットポンプ１５から吐出される超高圧水がリターンラインｄから超高圧ジェットポンプ１５へと戻される。そして、このセーフティセレクタ１６から延びる超高圧水供給ラインｅはノズル９に接続されている。

ここで、ノズル９の駆動機構の構成の詳細を図５〜図７に基づいて説明する。

図５はノズルの駆動機構の構成を示す破断側面図、図６は図５のＢ−Ｂ線断面図、図７は図５のＣ−Ｃ線断面図である。

図５に示すように、前記プレート４にはベースプレート２０が複数本のボルト２１によって取り付けられており、このベースプレート２０に前記ローラドライブ減速機１０が複数本のボルト２２（図５には１本のみ図示）が取り付けられている。そして、このローラドライブ減速機１０には円筒状のハウジング２３が回転可能に挿通支持されており、このハウジング２３の内部に前記回転軸６が挿通している。

上記回転軸６の一端（図５の右端）には前記旋回アーム７が軸直角に取り付けられており、該旋回アーム７の先端には前記ノズル９が取り付けられている。ここで、図６に示すように、ノズル９の先端部には、前記研磨材供給ラインａに連なる研磨材供給チューブ２４が取り付けられており、後端部には、前記超高圧水供給ラインｅに連なる超高圧水ホース２５が取り付けられている。又、回転軸６のプレート４から突出する先端部外周は伸縮自在なジャバラ２６で覆われている。

他方、回転軸６の前記ローラドライブ減速機１０から延びる他端は、前記上下駆動モータ１２から延びるロッド１２ａの端部にカップリング２７によって連結されており、その外周部は、前記ハウジング２３と上下駆動モータ１２に連結された円筒状の軸カバー２８によって覆われている。

次に、以上のように構成された穿孔装置を用いて実施される穿孔方法について説明する。

本実施の形態では、大口径管路１の側部の枝管２で囲まれる部分に、枝管２の内周に沿う円孔（穿孔径ｄ１）が穿設されるが、その穿孔作業に先立って、大口径管路１の側面（外表面）の高さｈの変化（或る基準平面からの距離の変化）が触覚スイッチ８によって読み取られる。この読み取りに際しては、旋回アーム７の先端に図１に示す触覚スイッチ８が取り付けられ、制御手段１３に切断速度が入力される。

次に、旋回モータ１１を停止した状態（つまり、触覚スイッチ８の旋回を停止した状態）で、上下駆動モータ１２を駆動して回転軸６を大口径管路１に向けて摺動させ、該回転軸６と共に同方向へ移動する触覚スイッチ８が大口径管路１の側面に接触した時点で上下駆動モータ１２を停止させ、そのときの高さ（触覚スイッチ８の移動量）ｈを読み取り、その高さデータを制御手段１３に取り込んで記憶する。

その後、上下駆動モータ１２を逆転させて回転軸６を逆方向に摺動させて触覚スイッチ８を元の基準位置まで戻し、旋回モータ１１を駆動して回転軸６と旋回アーム７及び触覚スイッチ８を円形の穿孔ラインに沿って何れかの方向に所定角度（本実施の形態では１０°）だけ回動させ、その位置での高さｈを触覚スイッチ８によって読み取り、その高さデータを制御手段１３に取り込んで記憶する。

以上の動作を穿孔ラインに沿って繰り返すことによって、大口径管路１の側面の穿孔ラインに沿う高さｈの変化が複数点（本実施の形態では、円周方向に角度１０°ずつ変位した３６点）についてそれぞれ読み取られて制御手段１３に記憶される。尚、本実施の形態では、大口径管路１の外表面の穿孔ラインに沿う高さｈの変化を穿孔ライン上の複数の点でスポット的（不連続的）に読み取ったが、穿孔ラインの全周に亘って連続的に読み取るようにしても良い。又、本実施の形態では、読取手段として触覚スイッチ８を採用したが、読取手段としては超音波式、レーザ式、光学式のものを採用することができる。

以上のようにして大口径管路１の側面の穿孔ラインに沿う高さｈの変化が複数点についてそれぞれ読み取られて制御手段１３に記憶されると、旋回モータ１１が駆動されるとともに、読み取った高さデータに基づいて上下駆動モータ１２が駆動制御され、触覚スイッチ８が穿孔ラインに沿って旋回しながら、大口径管路１の側面に対する高さ（距離）ｈが一定となるよう大口径管路１の側面に対して接離せしめられる。この結果、触覚スイッチ８が大口径管路１の側面に接触しないことが確認されれば、旋回アーム７の先端に取り付けられていた触覚スイッチ８が取り外され、代わりにノズル９が旋回アーム７の先端に取り付けられる。尚、触覚スイッチ８が大口径管路１の側面に接触すると、その時点で穿孔装置は自動停止する。

以上の前準備が完了すると、ノズル９から噴射されるアブレシブウォータジェットによる穿孔作業が開始される。

即ち、図１に示す電磁弁Ｖ２が開かれるとともに、超高圧ジェットポンプ１５が駆動されると、超高圧水が超高圧水供給ラインｅを通ってノズル９へと供給されるとともに、ノズル９の内部に発生する負圧（エジェクタ効果）に引かれて研磨材タンク１４に収容されている研磨材が研磨材供給ラインａを通ってノズル９へと供給されるため、この研磨材がノズル９において超高圧水に添加される。従って、研磨材が添加された超高圧水がアブレシブウォータジェットとしてノズル９から噴射される。尚、開閉弁Ｖ１の開度を調整することにより、エア供給ラインｂを通って研磨材供給ラインａに引き込まれるフリーエアの量を調整し、研磨材の供給量を調整する。即ち、開閉弁Ｖ１の開度を大きくすればする程、フリーエアの供給量が増え、研磨材の供給量が少なくなる。よって、開閉弁Ｖ１を開としたときが研磨材の供給量が最大となる。

ところで、旋回モータ１１は、制御手段１３に入力された切断速度に応じた速度で回転駆動されるために回転軸６と旋回アーム７及びノズル９が大口径管路１の穿孔ラインに沿って所定の速度で回転（旋回）せしめられるとともに、予め読み込まれた高さデータに基づいて上下駆動モータ１２が制御されるため、回転軸６と旋回アーム７及びノズル９が高さデータに従って大口径管路１の側面に対して接離せしめられ、ノズル９と大口径管路１の側面との距離（高さ）ｈが一定に保たれる。尚、切断速度は、切断対象である大口径管路１の材質、厚さ等の条件に応じて適正に設定される。

従って、ノズル９は、大口径管路１の側面との距離（高さ）ｈが一定に保たれた状態で、大口径管路１の穿孔ラインに沿って所定の速度で回転（旋回）することとなり、このノズル９から噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路１の側面が穿孔ラインに沿って高精度且つ短時間に切断され、大口径管路１の側面には円孔が穿設される。

以上のように穿孔にはノズル９から噴射されるアブレシブウォータジェットが使用されるため、可燃性雰囲気での穿孔も可能となるとともに、炭素鋼、ステンレス鋼等、大口径管路１の材質によらず、該大口径管路１に対する穿孔が可能となる。

又、本実施の形態では、旋回モータ１１と上下駆動モータ１２を共にＡＣサーボモータで構成したため、ノズル９の大口径管路１に対する移動と接離動作は、制御手段１３によって駆動制御されるこれらの旋回モータ１１と上下駆動モータ１２によって自動的に且つ高精度になされるため、人手による操作を廃して省力化を図ることができる。

以下に本発明の実施例について説明する。

本実施例では、下記試験条件の下で表１に示す３種の大口径管に対する穿孔を行った。その結果を表２に示す。
（１）試験条件：
・超高圧水圧力：１７６ＭＰａ
・研磨剤供給量：４ｋｇ／ｍｉｎ
（２）穿孔対象：

（３）試験結果：

表２から明らかなように、本発明装置を用いて実施される本発明方法によれば、大口径管の外径、肉厚及び材質、穿孔径に関わらず、滑らかで高精度な切断面が得られることが確認された。又、穿孔装置の設置に要する時間は、実際の現場の状況によって多少左右されるが、測定〜確認・切断に要する時間は約４０分程度であり、他の切断法に比べて短時間であることが確認された。

本発明は、大口径管のみならず、タンクや槽類等の曲面を有するものへの適用も可能である。

本発明に係る穿孔装置の全体構成図である。、図２は同穿孔装置要部の拡大断面図、図３は同穿孔装置要部の底面図、図４は図３の矢視Ａ方向の図である。 本発明に係る穿孔装置要部の拡大断面図である。 本発明に係る穿孔装置要部の拡大底面図である。 図３の矢視Ａ方向の図である。 本発明に係る穿孔装置におけるノズルの駆動機構の構成を示す破断側面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 従来のガスによる溶融切断法を説明する図である。 従来のホルソーを用いた切削切断法を説明する図である。

符号の説明

１ 大口径管路
２ 枝管
３ フランジ
４ プレート
５ ボルト
６ 回転軸（ボールスプライン）
７ 旋回アーム
８ 触覚スイッチ（読取手段）
９ ノズル
１０ ローラドライブ減速機
１１ 旋回モータ（移動手段）
１２ 上下駆動モータ
１２ａ ロッド
１３ 制御手段（制御盤）
１４ 研磨材タンク
１５ 超高圧ジェットポンプ（超高圧水供給手段）
１６ セーフティセレクタ（安全回路）
１７ 非常停止ボックス
１８，１９ ソレノイド
２０ ベースプレート
２１，２２ ボルト
２３ ハウジング
２４ 研磨材供給チューブ
２５ 超高圧水ホース
２６ ジャバラ
２７ カップリング
２８ 軸カバー
Ｄ 大口径管路の外径
ｄ１ 穿孔径
ｈ 高さ
Ｖ１ 開閉弁
Ｖ２，Ｖ３ 電磁弁
ａ 研磨材供給ライン
ｂ エア供給ライン
ｃ 圧縮空気供給ライン
ｄ リターンライン
ｅ 超高圧水供給ライン

Claims (6)

1. 穿孔ラインに沿ってノズルを移動させながら、該ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する方法であって、
   前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を読み取り、その読み取った高さ変化に応じて前記ノズルを大口径管路の外表面に対して接離させて両者間の距離を一定に保ちつつ穿孔ラインに沿って移動させ、該ノズルからアブレシブウォータジェットを噴射させて大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔することを特徴とする大口径管路の穿孔方法。
2. 前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を穿孔ライン上の複数の点で読み取ることを特徴とする請求項１記載の大口径管路の穿孔方法。
3. 穿孔ラインに沿ってノズルを移動させながら、該ノズルから噴射されるアブレシブウォータジェットによって大口径管路の側面を穿孔ラインに沿って切断して穿孔する装置であって、
   前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿う高さ変化を読み取る読取手段と、前記ノズルを穿孔ラインに沿ってノズルを移動させる移動手段と、前記ノズルを大口径管路の外表面に対して接離させる接離手段と、前記ノズルに超高圧水を供給する超高圧水供給手段と、前記移動手段と前記接離手段を駆動制御する制御手段を含んで構成されることを特徴とする大口径管路の穿孔装置。
4. 前記大口径管路の外表面の穿孔ラインに沿って結着された枝管に、前記ノズルと前記移動手段及び前記接離手段を支持させたことを特徴とする請求項３記載の大口径管路の穿孔装置。
5. 前記枝管に回転軸を回転及び軸方向に摺動可能に支持せしめ、該回転軸の先端に取り付けられた旋回アームの端部に前記読取手段又は前記ノズルを着脱可能に取り付け、前記駆動手段によって前記回転軸を回転させるとともに、前記接離手段によって前記回転軸を軸方向に摺動させ、前記旋回アームとその端部に取り付けられた読取手段又はノズルを回転軸を中心として回転させるとともに、大口径管路の表面に対して接離させることを特徴とする請求項４記載の大口径管路の穿孔装置。
6. 前記読取手段を触覚スイッチで構成したことを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の大口径管路の穿孔装置。

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