JP3373938B2

JP3373938B2 - ウォータージェットピーニング法

Info

Publication number: JP3373938B2
Application number: JP12767394A
Authority: JP
Inventors: 一教佐藤; 二三夫真鍋; 敏夫松原; 孝一黒沢
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH07328858A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中の高速水噴流を用
いる残留応力の改善技術、即ち、ウォータージェットピ
ーニング技術に係わり、例えば原子炉圧力容器のうち、
特に冷却水中にある管体接合部あるいはその管体内壁の
溶接部をピーニング対象とする施工技術に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】応力腐食割れ（ＳＣＣ）を起こすポテン
シャルのある構造物に対して、鋼球（ショット）を気流
の勢いを借りて吹きつけるショットピーニングによる処
理を行い、残留応力を引張方向から圧縮方向へと改善す
る。

【０００３】このようなピーニング技術は、残留応力の
除去対策として各種機械構造物あるいは部品加工時に広
く用いられている。

【０００４】しかし、このようなショットピーニング操
作のできない環境でありながら、是非ともピーニングし
なければならない構造物もある。その代表例が、軽水炉
のように冷却水を張ったような特殊な大型熱交換器であ
る。水を抜くことは難しい作業であるし、ショットの回
収は不可能に近い。

【０００５】鋼球の代わりに氷粒を用いれば（クライオ
ブラストと呼ばれる）回収は不要であるが、経済的なメ
リットが出にくいし、施工部位が氷粒で冷却され、熱応
力が発生する可能性や、局部的な低温脆性破壊（亀裂）
が生じるおそれがある。

【０００６】高速ウォータージェットの利用は、ユニー
クな加工、採鉱、あるいは洗浄技術として知られるが、
これを表層応力改善に利用する試みが特開昭６２−６３
６１４号公報に開示されている。水噴流によるピーニン
グは、水冷効果もあって、局所的な温度上昇を防げると
いうメリットもある。

【０００７】しかし、これは水噴流の軸上動圧力を有効
に利用できる大気（気相）中の作業であり、この技術を
水中水噴流によるピーニングとしてそのまま適用できる
保証はない。水中では噴流軸動圧力の減衰がかなり速
い。これは周囲水の抵抗と同相であるがために噴流の拡
散が速いことに起因する。水中で気相中噴流なみの軸上
動圧力を得るためには、超高圧が必要になり、コスト的
にも大変不利な技術になってしまう。

【０００８】一方、水中水噴流には、噴流と周囲水との
剪断作用によるキャビテーションが発生する。キャビテ
ーションをうまくコントロールして、発生した気泡を効
果的に利用できれば、あまり噴射圧力を高めずに（超高
圧ポンプを用いずに）、気相中水噴流なみの効果を上げ
ることができると考えられる。

【０００９】この技術はウォータージェットピーニング
（ＷＪＰ）と呼ばれ、その概念を図１２に示す。

【００１０】水中において、ノズル１１０１から高圧水
１１０２を噴射すると、激しいキャビテーションを伴う
水中水噴流１１０５が発生し、これを加工対象面１１０
４に衝突させることによりピーニング施工を行う。気相
中のウォータージェット加工とは異なり、ＷＪＰではキ
ャビテーションの気泡群が急速に圧壊する際に生じる夥
しい数の衝撃圧パルスの発生現象を利用するものであ
る。

【００１１】なお、同図において１１０３は中心軸、１
１０６は跳ね返り衝突噴流である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】原子力圧力容器本体の
構成機器、即ち、本体に溶接した部材には、ウォーター
ジェットピーニング施工をするに際し複雑な形状のもの
が少なくない。沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉底部にお
けるスタブチューブの他にも、下記のようなものがあ
る。

【００１３】（１）計装ノズルの溶接部。

【００１４】（２）再循環ノズルの内部に挿入している
サーマルスリーブの溶接部。

【００１５】前者（１）は、溶接部が円形である。この
ような部位に対応させてノズルを動かすのは一般に難し
く、複雑なマニュピレータが必要になる。マニュピレー
タが複雑になり大型化すると、シュラウドサポートと原
子力圧力容器の間に挿入し難くなる。ノズル自体の位置
移動は、並進ならびに振り子動作に限定した方がマニュ
ピレータの簡略化および位置決め精度を確保する上で好
ましい。

【００１６】（２）の再循環水ノズルにおけるサーマル
スリーブの溶接部に関する問題点は、管内へのアクセス
が難しいことである。細かい管内において、ノズルホル
ダを溶接部に対して直角に折り曲げた上で、適正なスタ
ンドオフ距離を確保するにはかなりの困難を伴う。この
他にも、一度に広い部分をピーニングしたり、円形部を
その周方向に対してむらなくピーニングしたい部位も多
い。

【００１７】さて、激しいキャビテーションを伴う水中
水噴流には、上記したような加工部位を対象にする場合
にも利用できる特徴がある。その一つが、噴流の軸方向
に対して第２ピーク域（後述の図１３参照）を中心とす
る領域の利用である。

【００１８】さらに、第２ピークの利用と関連するが、
噴流の加工面に対する衝突角度θの設定である。後述す
るように、θ＝９０°とする直角衝突は必ずしも最適で
はないし、θ＝９０°とする場合にはノズルのアクセス
が可能になる場合も生じる。ウォータージェットを用い
る技術ではないが、図１８ならびに図１９は、アイスプ
ラグを利用して管溶接部の残留応力を改善する先行技術
〔「アイスプラグを利用した配管残留応力除去方法」溶
接学会論文集、第１２巻、第１号、（１９９４）、１３
２参照〕を説明するための図である。

【００１９】溶接部１７０１（ａ）の両端を液体窒素に
より冷却して管内の水１７０４を氷１７０３にし、氷１
７０３の膨張により押しつけられた水１７０４の力で残
留応力を改善する技術である。なお、図中の１７０２は
液体窒素ジャケットである。

【００２０】水圧により管体１７０１に内圧を加えてい
る場合には引張応力が生じているが、氷１７０３を溶か
し水圧を低減させた時点で、管の溶接部１７０１（ａ）
の残留応力は圧縮方向となる。この技術では、水１７０
４を冷却するためのエネルギーコストが問題となる。

【００２１】本発明の目的は、例えば、原子炉圧力容器
の計装ノズルの溶接部や再循環水ノズルにおけるサーマ
ルスリーブの溶接部に対し、水中水噴流に発生するキャ
ビテーション現象の特徴や、材料に対する加工特性をう
まく引き出せるようにしたキャビテーションジェットノ
ズルおよびウォータージェットピーニング法を提供する
ことにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は次のような手段を採用する。

【００２３】（１）まず、噴出孔の多い多孔ノズルを用
いる。噴出孔の多さに対応して噴射水量も増加するた
め、大容量の高圧噴射ポンプが必要になるものの、多数
本の噴流により、特に計装ノズルの溶接部や再循環水ノ
ズル内サーマルスリーブの溶接部のような円環形の部位
を一度に施工することが可能になる。

【００２４】（２）上記した加工対象部の形状や寸法に
適合するように、噴出孔の広がり角度（ノズル本体の中
心軸に対する）を設定する。後述するように、加工対象
面に対する噴流の衝突角度θの設定法は重要であり、直
角衝突（θ＝９０°）が最適という訳ではない。また、
θ＝９０°では、ノズルを近接できない場合もある。

【００２５】この角度θを適正な範囲内に設定すること
で、ノズルのアクセスも容易になり、十分な残留応力の
改善効果を上げることができる。

【００２６】（３）ノズルの噴出孔出口と加工面間のス
タンドオフ距離を、「第２ピーク」を中心とする丘陵状
の衝撃圧分布形状域とする。

【００２７】ここで、「第２ピーク」とは、図１３に示
すように、水中水噴流のキャビテーションから発生する
衝撃圧分布において、ノズルの方向から順番に２つのピ
ークを指す。このピーク近くの領域は、渦キャビテーシ
ョンと呼ばれるパワフルなキャビテーションが活発に成
長し、材料の残留応力を効率よく改善する。

【００２８】（４）ノズルを回転させる。ノズルを回転
させることによって生まれる作用には、２つのポイント
がある。

【００２９】単一噴出孔からの噴流においても、噴流自
体が噴出孔の中心軸回りに自転すれば、衝突部において
残留応力が十分改善される面積が拡大する。

【００３０】一方、多噴出孔のノズルにおいて、ノズル
を回転させれば、多数の噴流がノズルの中心軸回りに公
転する。多孔ノズルにおいて、ノズルを回転させなけれ
ば、噴流の衝突点同士が遠過ぎる場合には２つの衝突点
の中間において、キャビテーションの作用が十分に及ば
ない領域が生じたり、衝突点同士が近過ぎると、キャビ
テーション同士が激しく干渉し、クッション効果によっ
てキャビテーションの威力が減衰する領域が生じるおそ
れがある。ノズルを回転させることにより、このような
加工むらを取り除く訳である。

【００３１】本発明においては、上記した手段を、軽水
炉型の原子炉圧力容器の計装ノズルの熱影響部（ＨＡ
Ｚ）、即ち、溶接における接合部、および再循環ノズル
のサーマルスリーブ接合部へ適用した例を説明する。

【００３２】

【作用】ここでは、まず噴流を加工対象面に対して傾斜
させて衝突させることの利点について述べる。

【００３３】図１６および図１７は、それぞれ斜め衝突
（衝突角度θ＜９０° 図１６参照）および直角衝突
（衝突角度θ＝９０° 図１７参照）における衝撃圧の
プロフィルを比較したものである。

【００３４】これらの図において１５０１、１６０１は
キャビテーションジェットノズル、１５０２、１６０２
は高圧水、１５０３、１６０３はノズル１５０１、１６
０１の中心軸、１５０４、１６０４は衝突中心、１５０
５、１６０５はキャビテーションを伴う水中水噴流、１
５０６、１６０６は加工対象面、１５０７、１６０７は
衝突圧分布、１５０８、１６０８は周囲水である。

【００３５】この場合、両条件ともにノズルの噴出孔出
口から加工対象面までのスタンドオフ距離は同一で、第
２ピークに相当する距離ｘ（２ｐ）である。このような
衝撃圧分布１５０７、１６０７は、感圧フィルム法等に
より求めることができる。

【００３６】図１６に示すように、衝突角度θ＜９０°
の条件の方が、衝撃圧のピークレベルも高くしかも衝撃
圧の及ぶ範囲も広い。衝突角度θは、２０°＜θ＜７０
°の範囲より、加工対象に応じて選定するのがよい。

【００３７】なお、衝撃圧のピーク点は、噴流中心軸１
５０３と加工対象面１５０６が交わる衝突中心１５０４
よりも下流側にくる。多噴出孔ノズルを用いて斜めに噴
射される噴流を加工面に衝突させれば、図１６に示すよ
うに、θ＜９０°の条件が容易に達成されて、加工面上
の広い領域において、残留応力の改善量を拡大させるこ
とができる。

【００３８】多孔ノズルを用いる場合、各噴流の衝突点
を中心とする領域と各噴流の衝突点の間の領域とでは、
ピーニング効果にばらつきが生じてくる。

【００３９】この問題に対して、ノズル自体を回転（自
転、ただし各噴流は公転）させれば、ピーニング効果
は、円周上においてほぼ均等になる。また、単一噴出孔
のノズルにおいても、噴流を回転させれば、広い面積の
部分のピーニングが達成される。

【００４０】第２ピーク相当のスタンドオフ距離ｘ（２
ｐ）を中心とするスタンドオフ距離の領域、即ち、衝撃
圧分布形状が緩やかな丘陵状になるスタンドオフ距離に
おいては、主として噴流の界面に渦キャビテーションが
活発に発生してくる。この渦キャビテーションは、噴流
中の空間密度としては小さいものの、材料に対して強い
力学的作用を及ぼす。

【００４１】この渦キャビテーションは、噴流の乱流剪
断層において発達するものである。第２ピークのスタン
ドオフ距離では、噴流の衝突エネルギーが広く分散する
ため、ノズルから噴出直後のように噴流中心の液芯が残
るスタンドオフ距離の条件とは異なり、ピーニング加工
対象の材料表層にエロージョンを起こすおそれはなくな
る。

【００４２】加工対象材とするステンレス鋼ＳＵＳ３０
４やニッケル基合金インコネル６００等では、極端に長
い時間にわたり噴流を衝突させない限り、第２ピークに
おいては、エロージョンは生じることはない。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明を具体化した施工条件の一例を示
すものである。

【００４４】噴出孔を複数個備えたキャビテーションジ
ェットノズルを用いる例であり、管体端部の円周に相当
する環状の溶接部６がピーニング対象である。高圧水２
がノズル１に供給され、周囲水３中に高速で噴射され、
キャビテーションを伴う水中水噴流５となる。ノズル１
における噴出孔は、ノズル中心軸４に対して角度θ
（ｓ）だけ傾いている。

【００４５】図１では、この角度θ（ｓ）を、噴出孔の
広がり角度として表現した。キャビテーションを伴う水
中水噴流５は、第２ピーク相当のスタンドオフ距離ｘ
（２ｐ）だけノズル１から離れた位置で、加工対象面７
に衝突する〔ｘ（２ｐ）については図１３参照〕。

【００４６】噴流中心軸８と加工対象面７の交点である
衝突中心９は、溶接部６よりも僅かに上流（ノズル１に
近い）方向になるように、ノズル１が位置決めされてい
る。キャビテーションを伴う水中水噴流５は、加工対象
面７に対して、９０°未満の角度θで衝突する。

【００４７】この実施例においては、θ≦４５°であ
る。ちなみにθ（ｓ）とθの間には、θ（ｓ）＋θ＝π
／２の関係がある。多孔型のノズル１を用いているた
め、各噴流における衝突中心９が円環型溶接部６のすぐ
内側に配列するようになる。従って、本実施例によれ
ば、円環型の部位に対して、効率よく残留応力を改善で
きるようになる。

【００４８】図２は、施工状況は図１の実施例と同じで
あるが、ノズルを回転させるピーニング施工例を示すも
のである。

【００４９】回転ノズル２０１は、速度ωで回転する。
この回転速度は大き過ぎると、キャビテーションを伴う
水中水噴流２０５が広がり、衝突中心２０９が溶接部２
０６よりも下流へずれてしまうので、５〜４０ｒｐｍ程
度が適当である。

【００５０】この回転ノズル２０１は単一噴出孔であ
り、θ（ｓ）の広がり角度を有しいる。加工対象面２０
７に対する噴流の衝突角度θ、および第２ピーク相当の
スタンドオフ距離ｘ（２ｐ）を用いる施工条件は、図１
に示した実施例と同じである。なお、図２において、２
０２は高圧水、２０３は周囲水、２０４はノズル中心
軸、２０８は噴流中心軸である。

【００５１】図３は、管体３０３の内壁接合部に対して
多孔ノズル３０１を適用する実施例である。

【００５２】管体３０３の内部にアクセスしたノズル３
０１から、複数本の水中水噴流３０７を高速で噴射す
る。噴流中心軸３０８と管体３０３の内壁との交点であ
る衝突中心３０９は、管体３０３の内壁溶接部３０４よ
りも上流側、即ち、ノズル３０１に近い位置にある。

【００５３】これは、図１６に示す結果に基づき少し下
流の溶接部３０４において、衝撃圧最大の条件を実現
し、残留応力を効率よく改善するためである。

【００５４】衝突角度θは、θ＜９０°であり、この実
施例においては、図１と図２の実施例よりも小さく、θ
≦３５°である。また、ノズル３０１の噴出孔出口と衝
突中心点３０９とのスタンドオフ距離ｘ（２ｐ）は、前
出の２つの実施例と同様に、第２ピーク相当である。

【００５５】なお、図３において、３０２は高圧水、３
０５は管体中心軸、３０６は管内水である。

【００５６】図４には、図３の実施例と同じ管体内溶接
部近傍のピーニング施工に対し、回転ノズル４０１を適
用した実施例を示す。

【００５７】回転ノズル４０１の回転条件は、図２のそ
れとほぼ同じであり、ω＝５〜４０ｒｐｍの範囲から適
宜選択する。また、スタンドオフ距離を第２ピーク相当
とすること、また、管体内壁に対する噴流の衝突角度θ
の設定法等も、図３の実施例とほぼ同じである。

【００５８】このような回転方式を以てすれば、管体４
０３の内壁溶接部４０４を、管体４０３の内周上に沿っ
てほぼ均等にピーニング施工することが可能になる。

【００５９】なお、図４において、４０２は高圧水、４
０５は管体中心軸、４０６は管内水、４０７はキャビテ
ーションを伴う水中水噴流、４０８は噴流中心軸、４０
９は衝突中心である。

【００６０】図３および図４の実施例は、原子炉圧力容
器の管内溶接部のピーニング施工を想定するものであ
る。

【００６１】図２および図４の実施例のように、ノズル
を回転させる場合、モータに減速機を連結して駆動する
方法も不可能ではないが、炉内冷却水中では、流体力を
利用して駆動する方法が好ましい。圧縮空気を用いてノ
ズルを回転させたり、あるいは噴出する流体自身の力を
利用してノズルを回転させる方法は、大気中における一
般のタンク内壁の洗浄や、スプリンクラーとして広く用
いられている。

【００６２】本実施例では、ピーニングに利用する高圧
水よりも圧力が低く流量も少ない水をノズルの回転用に
利用する。

【００６３】図５には、本実施例における回転ノズルの
構造を示す。

【００６４】このノズルは、ノズル本体５０１、ノズル
ガン内筒５０４およびノズルガン外筒５０５で構成され
ている。ノズル本体５０１には、複数の噴出孔が開孔し
ており、その噴出孔から水中水噴流５０９が噴出する。
このノズル本体５０１は、ノズルガン内筒５０４の先端
に設けられている。

【００６５】ノズルガン内筒５０４の中心には、高圧水
供給流路５０３が開口しており、高圧水５０２がノズル
本体５０１に供給される。ノズルガン内筒５０４の外周
には、スパイラルベーン５０６が巻き付くように設けら
れている。

【００６６】ノズルガン内筒５０４とノズルガン外筒５
０５の環状隙間を流路として回転駆動用高圧水５０７が
供給され、通常のターボ機械と同様にして、スパイラル
ベーン５０６の貼り付けられたノズルガン内筒５０４を
回転させる。

【００６７】この回転駆動用高圧水５０７は、ノズル本
体の外周にある環状スリット５０８からリーク水流５１
１として水中に噴射される。このリーク水流５１１中に
はキャビテーション気泡核が含まれており、これらはい
わゆる周囲核（Ａｍｂｉｅｎｔｎｕｃｌｅｉ）として
水中水噴流５０９の中へ流入し、水中水噴流５０９にお
けるキャビテーションを促進する。なお、図中の５１０
は中心軸である。

【００６８】図６は、本発明に係るウォータージェット
ピーニング施工法を、原子炉圧力容器の計装ノズルの溶
接部に適用した施工状況を示したものである。

【００６９】インコネル製計装ノズル６０６は低合金鋼
からなり、ステンレス鋼がオーバレイ６０５溶接されて
いる原子炉圧力容器本体６０４に対し、インコネル材に
より溶接されている（溶接部６０７および６０８）。

【００７０】従って、加工対象となる溶接部６０７，６
０８は環状円形である。これらの溶接部６０７および６
０８に対し多孔ノズル６０１を設置し、ウォータージェ
ットピーニング施工を実施する。施工条件は、図１に示
した実施例とほぼ同一である。

【００７１】このようにピーニング施工することによ
り、溶接部６０７および６０８に生じていた引張方向残
留応力は圧縮方向へ改善され、応力腐食割れ（ＳＣＣ）
を防止することができるようになる。また、残留応力が
改善されることで、当該溶接部６０７，６０８の疲労強
度も向上する。

【００７２】なお、図６において、６０１は多孔ノズ
ル、６０２は高圧水、６０３は炉内冷却水、６０９はキ
ャビテーションを伴う水中水噴流、６１０は噴流中心軸
（計装ノズルの中心軸）である。

【００７３】このようにして、原子炉圧力容器の使用寿
命を拡大することが可能になる。

【００７４】本実施例のように、多孔ノズル６０１を用
いることで施工時間は大幅に短縮され、施工コストを削
減することができる。この実施例では、多孔ノズル６０
１を用いたが、図２の例に示すような回転ノズル２０１
を用いることも可能である。図７は、本発明に係るピー
ニング法を、原子炉圧力容器において、管内径が大きい
管内溶接部に対し、メインガン７０２の先端を折り曲げ
る如く延設ガン７１３を設け、さらにその先端に備える
ノズル７０１から水を噴射した実施例である。

【００７５】施工方法は、図４に示した回転ノズル使用
の場合と同一である。回転ノズル７０１を用いること
で、管内溶接部を一様にピーニングすることができる。

【００７６】このようにすることで、施工のむらがなく
なり、施工精度が向上する。また、サーマルスリーブの
溶接部において、応力腐食割れ発生の３要因の一つであ
る残留応力の問題が消滅することになる。さらに、サー
マルスリーブに断続的に発生する熱応力に起因する繰り
返し疲労による破損も、疲労強度の向上により防止でき
るようになる。

【００７７】なお、図７において、７０２はメインガ
ン、７０３は高圧水、７０４は炉内冷却水、７０５は原
子炉圧力容器本体、７０６はノズルヘッド、７０７は溶
接部、７０８は衝突中心、７０９はキャビテーションを
伴う水中水噴流、７１０は噴流中心軸、７１１はノズル
中心軸（再循環水ノズルの中心軸）、７１２は再循環水
ノズルである。

【００７８】この実施例では、回転ノズル７０１を用い
たが、図３に示すように多孔ノズル３０１を用いること
によっても、管内の溶接部に対する高効率のピーニング
施工が可能である。

【００７９】次に、ノズルの中央に開口する単一の噴出
孔を有するノズルでも、ノズルを回転させることによ
り、ピーニング性能を向上させることが可能になるメカ
ニズムについて述べる。

【００８０】図８、図９は、噴出孔８０４を、ノズル中
心軸８０７に対して角度θ（ｃｊ）のみ僅かに傾斜させ
るノズルを用いる噴流の噴出状態を模式的に示したもの
である。このθ（ｃｊ）は大きくはなく、１０°未満と
する。

【００８１】図９に示すように、このように傾斜した噴
出孔８０４においては、噴出孔８０４内における縮流の
状態が噴出孔８０４の内部で一様ではなく、キャビテー
ションを伴う水中水噴流８０８は非軸対象となる。

【００８２】即ち、この紙面上では潰されるように上下
方向に広がり、紙面と垂直方向に対しては偏平に潰れる
ようになる。噴出孔８０４内における縮流後の再付着に
よってできる境界層の長さＬ（Ｂｌ）が、同じ噴出孔８
０４の内部で大きく異なっているからである。このよう
な偏平形状の水噴流を衝突させると、衝突面において、
残留応力を改善するのに十分な程度の衝撃圧の発生する
領域は、図１０の符号９０１のようになる。

【００８３】この状態において、ノズル本体８０１を衝
突中心８１０もしくはノズル中心軸８０７の回りに回転
させると、衝撃圧発生領域９０２は、回転させない場合
に比べて著しく拡大する。

【００８４】この図１０において、一点鎖線で囲んだ円
形の領域Ｉは、ノズル８０１の回転中に常時衝撃圧の及
ぶ領域である。これに対して破線と一点鎖線とに囲まれ
た環状の領域IIは、ノズル８０１が１回転するに際し、
一度だけピーニングされる領域である。言い換えれば、領域Ｉ：連続的にピーニングされる領域、領域II：回転に伴い周期的にピーニングされる領域、となる。

【００８５】従って、領域Ｉはピーニング施工時間が長
く、一方、領域IIは逆に短いということになる。この考
え方からは、ノズルの回転に伴い施工状態が不均等にな
ると思われるが、残留応力の改善効果の進み具合が、時
間に対して線形ではないために、施工効果の偏在という
問題は生じない。

【００８６】図１１はノズルの回転時間ｔと残留応力改
善量Δσとの関係を示す特性図である。この残留応力改
善量Δσは、下記の式で定義される。

【００８７】Δσ＝σ₂−（−σ₁）ただし−σ₁：ＷＪＰ施工前の引張応力 σ₂：ＷＪＰ施工後の圧縮応力また図中の曲線は前記領域Ｉの部分、曲線は前記領
域IIの部分の特性曲線をそれぞれ示している。

【００８８】同図に示すように、残留応力の改善量Δσ
は、時間ｔに対して対数曲線のように、頭打ち気味に増
加する。領域Ｉは、施工時間は長いが、ＳＣＣ対策とし
てΔσが十分になる範囲に入ってからも、それからは余
り増加しない。即ち、Δσの増加速度にブレーキが掛か
る訳である。

【００８９】これに対し、領域IIは、回転にともなう周
期的な施工になるため施工時間は短いものの、残留応力
改善量Δσの増加速度が大きく、ＳＣＣ対策として十分
な範囲にまで到達する。

【００９０】このようにして回転ノズルを用いれば、広
い領域の部分の残留応力を十分に改善できるようにな
る。

【００９１】図１４ならびに図１５は、前述の各実施例
で使用されるキャビテーションジェットノズルの先端部
の拡大断面図である。図１４において１３０１はノズル
本体、１３０２は高圧水、１３０３は噴出孔、１３０４
は円錐状に拡がった拡大空洞部、１３０５はキャビテー
ションを伴う水中水噴流、１３０６は減圧加速部３０７
は高圧水供給流路である。

【００９２】また図１５において１４０１はノズル本
体、１４０２は高圧水、１４０３は噴出孔、１４０４は
円筒空洞部、１３０５は高圧水供給流路である。

【００９３】本発明に係るピーニング施工では、ノズル
−加工面間のスタンドオフ距離を２番目のピークの領域
範囲内で選択し、さらに噴流を好適な角度θで衝突させ
るが、このようにして定まる幾何学的条件に対し、本発
明の加工対象であるサーマルスリーブや計装ノズルの直
径（ともにほぼ５０〜３００ｍｍの範囲内にある）は極
めて好都合である。

【００９４】本発明は、ここまで実施例で説明したよう
に、主として長期間運転した経年原子炉を対象にしたも
のであるが、新しく製作する原子炉圧力容器等へも適用
することが可能である。

【００９５】試運転期間において、冷却水を張った状態
で計装ノズルの溶接部あるいは冷却水ノズル（再循環水
ノズル）の内部に装着するサーマルスリーブの溶接部
を、本発明に係る技術においてピーニングすれば、残留
応力が改善される。

【００９６】この時点において、冷却水や原子炉圧力容
器（含炉内構成機器）は、放射線により汚染されておら
ず、加工部位へのアクセス、あるいはノズルの交換等と
いった作業が大変に容易であり、短時間で、しかも低コ
ストで実施することが可能である。

【００９７】このようにすれば、応力腐食割れ（ＳＣ
Ｃ）発生の３大要因の一つである残留応力の問題が除去
され、さらに疲労強度も向上し、運転が開始された後に
おいて長期間にわたり、信頼性の高い機器として原子炉
圧力容器が原子炉の運用に利用されるようになる。

【００９８】

【発明の効果】本発明に係る効果をまとめると次のよう
になる。

【００９９】（１）原子炉圧力容器における溶接部位、
特に計装ノズルの圧力容器本体への接合部位や、再循環
水ノズル内におけるサーマルスリーブの溶接部の残留応
力を引張方向から圧縮方向へと改善することができる。

【０１００】（２）上記（１）の効果とも関連するが、
材料のより深い個所まで、さらに加工面上においてより
広い面積の部分まで残留応力が十分に改善されるように
なる。（３）上記（１）の効果により、応力腐食割れ（ＳＣ
Ｃ）の発生を確実に防止し、また疲労強度を格段に向上
させることができる。

【０１０１】（４）短時間のうちに効率よく施工するこ
とができる。従って、施工コストを引き下げることが可
能になる。

【０１０２】（５）上記（３）の効果により、作業者が
微量ではあるにしろ、放射線を受ける時間が大幅に短縮
する。これによって、作業環境が向上する。

【０１０３】（６）ノズルの位置や噴出方向を複雑に変
化させる特殊なマニュピレータが不要である。この効果
によっても施工コストが低減する。多孔ノズルの利用あ
るいはノズルを回転させるだけでよいため、マニュピレ
ータも含めたノズル固定用治具が大型化、複雑化するこ
とがなくなり、狭隘部へも容易にアクセスできるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るキャビテーション
ノズルおよびウォータージェットピーニング法を示す模
式図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係るキャビテーション
ノズルおよびウォータージェットピーニング法を示す模
式図である。

【図３】異なる施工部位を対象にして、第１の実施例に
係る技術を適用した例を示す模式図である。

【図４】異なる施工部位を対象にして、第２の実施例に
係る技術を適用した例を示す模式図である。

【図５】キャビテーションノズルの駆動機構を示す構成
図である。

【図６】原子炉圧力容器の計装ノズルの施工に第１の実
施例の技術を適用した例を示す模式図である。

【図７】原子炉圧力容器に接合する管内の施工に第２の
実施例の技術を適用した例を示す模式図である。

【図８】回転ノズルの噴射条件を示す模式図である。

【図９】回転ノズルの噴射条件を示す模式図である。

【図１０】回転ノズルによって生まれる効果の原理を示
す模式図である。

【図１１】本発明の作用効果を実証する試験結果を示す
特性図である。

【図１２】ウォータージェットピーニング法の概念を示
す模式図である。

【図１３】水中の高速水噴流に伴うキャビテーションか
ら発生する衝撃圧分布の代表例を示す説明図である。

【図１４】本発明の実施例に係るキャビテーションノズ
ルの先端部の拡大断面図である。

【図１５】本発明の実施例に係る他のキャビテーション
ノズルの先端部の拡大断面図である。

【図１６】噴流の衝突角度の影響を示す模式図である。

【図１７】噴流が加工面に対し直角衝突する場合の特性
を示す模式図である。

【図１８】従来技術に係る残留応力改善法を示す模式図
である。

【図１９】従来技術に係る残留応力改善法を示す模式図
である。

【符号の説明】

１ノズル２、２０２高圧水３、２０３周囲水４、２０４ノズル中心軸５、２０５キャビテーションを伴う水中水噴流６、２０６溶接部７、２０７加工対象面８、２０８噴流中心軸９、２０９衝突中心２０１回転ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松原敏夫広島県呉市宝町６番９号バブコツク日立株式会社呉工場内 (72)発明者黒沢孝一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開平５−84452（ＪＰ，Ａ) 特開平６−126621（ＪＰ，Ａ) 特開平６−47666（ＪＰ，Ａ) 特開平６−47671（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23P 17/00 C21D 7/06 G21C 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水中でノズルから高圧水を噴射し、キャ
ビテーションを伴う水中水噴流を加工対象面に対して斜
めに衝突させて、加工対象面の応力改善を行なうウォー
タージェットピーニング法において、前記ノズルはその中心軸に対して傾斜する複数の噴出孔
を有し、前記水中水噴流の中心軸と加工対象面の交点である衝突
中心を、ピーニングしたい処理対象部位よりも上流側に
設定して前記応力改善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法。
【請求項２】請求項１記載のウォータージェットピー
ニング法において、前記処理対象部位が原子炉圧力容器
における溶接部位であることを特徴とするウォータージ
ェットピーニング法。
【請求項３】請求項１または２記載のウォータージェ
ットピーニング法において、前記水中水噴流の中心軸と
加工対象面とのなす角度である衝突角度θが９０°未満
（θ＜９０°）であることを特徴とするウォータージェ
ットピーニング法。
【請求項４】請求項３記載のウォータージェットピー
ニング法において、前記衝突角度θが２０°＜θ＜７０
°であることを特徴とするウォータージェットピーニン
グ法。
【請求項５】請求項１ないし４記載のいずれかのウォ
ータージェットピーニング法において、前記ノズルの噴
出孔出口から加工対象面までのスタンドオフ距離を、水
噴流から発生する衝撃圧の２番目のピーク領域付近に設
定して前記応力改善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法。
【請求項６】キャビテーションを伴う水中水噴流を衝
突させることにより、加工対象物の残留応力改善処理を
行なうウォータージェットピーニング法において、前記加工対象物が原子炉圧力容器の管であり、該管の内
側にノズルを挿入して、該ノズルから前記水噴流を前記
管の内面に対して斜めに衝突させ、該水噴流の中心軸と
前記管の内面の交点である衝突中心を、ピーニングした
い処理対象部位よりも上流側に設定して前記残留応力改
善処理を行なうことを特徴とするウォータージェットピ
ーニング法。
【請求項７】請求項６記載のウォータージェットピー
ニング法において、前記処理対象部位が前記管の溶接に
よる熱影響部であることを特徴とするウォータージェッ
トピーニング法。
【請求項８】請求項６または７記載のウォータージェ
ットピーニング法において、前記水噴流の中心軸と前記
管の内面とのなす角度である衝突角度θが９０°未満
（θ＜９０°）であることを特徴とするウォータージェ
ットピーニング法。
【請求項９】請求項８記載のウォータージェットピー
ニング法において、前記衝突角度θが２０°＜θ＜７０
°であることを特徴とするウォータージェットピーニン
グ法。
【請求項１０】請求項６ないし９記載のいずれかのウ
ォータージェットピーニング法において、前記ノズルの
噴出孔出口から前記管の内面までのスタンドオフ距離
を、水噴流から発生する衝撃圧の２番目のピーク領域付
近に設定して前記残留応力改善処理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法。
【請求項１１】請求項６ないし１０記載のいずれかの
ウォータージェットピーニング法において、前記ノズル
は回転可能になっていることを特徴とするウジェットピ
ーニング法。
【請求項１２】水中でノズルから高圧水を噴射し、キ
ャビテーションを伴う水中水噴流を加工対象面に対して
斜めに衝突させて、加工対象面の応力改善を行なうウォ
ータージェットピーニング法において、前記ノズルはその中心軸に対して傾斜する単一の噴出孔
を有し、且つその中心軸の周りを回転し、前記水中水噴流の中心軸と加工対象面の交点である衝突
中心を、ピーニングしたい処理対象部位よりも上流側に
設定して前記応力改善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法。
【請求項１３】請求項１ないし５記載のいずれかのウ
ォータージェットピーニング法において、前記ノズルはその中心軸の周りに回転可能であることを
特徴とするウォータージェットピーニング法。