JP3464682B2 - キヤビテーシヨン噴射装置ならびにピーニング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼材などの加工物の残
留応力低減技術に係わり、キヤビテーシヨンを伴う水噴
流を加工物の表面へ衝突させることによつて、引張り方
向に過大応力が残る表面を、圧縮応力が作用するまで処
理しようとするキヤビテーシヨン噴射装置ならびにピー
ニング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】応力腐食割れを起こすポテンシヤルのあ
る既設構造物の表面応力は、鋼球を気流の勢いで吹きつ
けるシヨツトブラスト、砂粒を用いるサンドブラスト、
氷粒を用いるクライオブラスト等によるピーニング処理
を行い、応力を引張り方向（亀裂を拡大させる方向）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、このようなブラスト操作のできな
い環境でありながら、是非ともピーニングしなければな
らない構造物も多い。例えば、水を張つた状態の特殊な
熱交換器や反応槽、あるいは海洋構造物の溶接部は、い
ずれも水を除去しての作業は物理的あるいは経済的に不
可能に近い。また、ブラスト粒子を水中から回収するこ
とは大変な難作業である。氷粒を用いれば回収は不要で
あるが、経済的なメリツトは出にくい。

【０００５】高速ウオータジエツトの利用は、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
れを表面応力改善に利用する試みがウエスチングハウス
・エレクトロニクス社により行われた（特開昭６２−６
３６１４号公報）。水噴流によるピーニングは、水冷効
果もあつて局所的な温度上昇を防げるというメリツトも
ある。

【０００６】しかしこれは、水噴流の軸動圧力を有効に
利用できる大気中の作業に対するものであり、この技術
を水中水噴流としてそのまま展開できるという保証はな
い。水中では、噴流軸動圧力の減衰がかなり速い。これ
は、周囲水の抵抗と同じ液相であるがために拡散が速い
ことに起因する。水中で、気相中水噴流なみの軸動圧力
を得るためには、超高圧発生装置が必要になり、コスト
的に大変不利な技術になつてしまう。

【０００７】一方、水中水噴流には、噴流と周囲水との
剪断作用によりキヤビテーシヨンが発生する。キヤビテ
ーシヨンを促進し、多量に発生する気泡の圧壊作用を有
効に利用できれば、気相中水噴流なみのピーニング効果
を、低噴射圧力で達成できる可能性がある。

【０００８】図９に示したものは、一般のウオータジエ
ツト加工に用いられるノズルの典型的な構造である。こ
のノズルは、気相中で水噴流をビームにしぼることを目
的としたものであり、そのまま水中水噴流に利用しても
活発なキヤビテーシヨンは発生しにくい。その理由は径
収縮部７０５のしぼり角度θが小さく（２０°未満）、
このしぼりにおける減圧作用が緩やか過ぎて気泡核が励
起されにくいためである。

【０００９】なお、図中の７０１はノズル本体、７０２
は高圧供給水、７０３は中心軸、７０４は高圧水供給流
路、７０６は噴出孔である。

【００１０】図１２に示す先行技術のノズル（特開昭６
０−１６８５５４号公報）は、水中における各種作業の
ために開発されたノズルであり、キヤビテーシヨンの利
用がうたわれている。

【００１１】なお、図中の１００１はノズル本体、１０
０２はオリフイス部、１００３は円錐開口部、１００４
は円錐空洞部、１００５は配管部材、１００６は高圧噴
出装置、１００７は噴出加工対象物である。

【００１２】図１３の例は、水中水噴流に発生するキヤ
ビテーシヨンの作用によつて、汚染付着物を除去しよう
とするものである（特開昭６１−８１８４号公報）。

【００１３】なお、図中の１１０１は水槽、１１０２は
被洗浄部品、１１０３はノズル、１１０３ａはノズル先
端、１１０３ｂは噴出孔、１１０４は水、１１０５は管
路である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、キヤビテ
ーシヨンの有効利用を掲げる技術も進展しつつあるが、
キヤビテーシヨンの発生に対して最も重要なのはキヤビ
テーシヨン核の連続供給である。

【００１５】図１０は、ノズル８０１から高速で噴射さ
れるキヤビテーシヨン噴流を模式的に現したものであ
る。

【００１６】なお、図中の８０２は高圧供給水、８０３
は噴出孔、８０４は径収縮部、８０５はキヤビテーシヨ
ン発生部、８０６はキヤビテーシヨンクラウド、８０７
は渦糸キヤビテーシヨン、８０８はキヤビテーシヨンク
ラウドの消滅部、８０９は粗い気泡、８１０は周囲水で
ある。

【００１７】このような激しいキヤビテーシヨンによる
乱れによつて、ノズル８０１から噴射される水の中ある
いは周囲水８１０中にある多くの気泡核は励起される。

【００１８】図１１に示すように、キヤビテーシヨン噴
流９０３を加工対象面９０４に衝突させても、跳ね返り
噴流９０５中の気泡あるいは気泡核は浮力によつて浮き
上がる。

【００１９】なお、図中の９０１はノズル、９０２は高
圧水、９０６は浮力で上昇する気泡流、９０７は合体し
てできた大きな気泡、９０８は周囲水である。

【００２０】このように、キヤビテーシヨン気泡や励起
状態にある気泡核が浮上してしまうことは、ピーニング
に対し有効利用できる筈の気泡を逃がすことになつてし
まう。キヤビテーシヨン気泡を再度利用したり、あるい
は励起状態にある気泡核に繰り返しトリガを与え続けれ
ば、ピーニングの効率を高めることができる筈である。

【００２１】本発明は、キヤビテーシヨンを促進し、加
工物の残留応力を改善することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では以下のような方法を採用する。

【００２３】高圧水を噴出孔から噴射することによりキ
ヤビテーシヨン噴流を形成して加工物へ衝突させるノズ
ルと、前記キヤビテーシヨン噴流を囲むように設置さ
れ、前記加工物側へ向けて開口して、前記キヤビテーシ
ヨン噴流が加工物に衝突してできる跳ね返り噴流の一部
を外側に放流する隙間を開口部先端と前記加工物の間に
形成し、前記キヤビテーシヨン噴流とカバー壁の間に循
環渦流を形成するカバーとを備えたことを特徴とするも
のである。

【００２４】

【作用】ノズルに設置したカバーの内部では、カバー内
壁とキヤビテーシヨン噴流の間に異方性の強い乱流循環
渦ができて、キヤビテーシヨン噴流内の気泡や気泡核が
繰り返してピーニングに利用されるため、ピーニング効
率が向上する。

【００２５】また、カバーの内部において、異方性が強
く激しく乱れた渦は、キヤビテーシヨン噴流にも強い乱
れを与え、水中の気泡核を励起しキヤビテーシヨンを促
進する。このキヤビテーシヨン促進とは、噴流の内部に
固体面へ衝突したとき際立つた衝撃圧を発生するタイプ
の渦由来気泡列を作り出すことである。

【００２６】以上のような２つの効果の相乗作用によ
り、キヤビテーシヨンが著しく発達した噴流がカバーの
内部で作り出され、結果的にピーニング性能が向上する
ことになる。

【００２７】

【実施例】図１に、本発明の実施例に係るキヤビテーシ
ヨン噴射ノズルの構造を、中心軸４を通る断面図として
示す。

【００２８】噴出孔６が開口するノズル本体１の先端に
は、噴出孔６から噴出するキヤビテーシヨン噴流（図１
０がこれに相当）を囲むようなカバー７が設けられてい
る。カバー７の先端と加工対象面８の間には隙間９があ
り、キヤビテーシヨン噴流が加工対象面８に衝突してで
きる跳ね返り噴流の一部が、カバー７の外側へ放流され
るようになつている。

【００２９】なお、図中の２は高圧水、３は高圧水供給
流路、５は径収縮部（しぼり部）である。

【００３０】カバー７の内径Ｄ_C は、噴出孔６の孔径Ｄ
_n の少なくとも２０倍以上８０倍未満の範囲、より望ま
しくは３０倍以上５５倍未満に設定する。カバー７は、
キヤビテーシヨン噴流が加工対象面８へ衝突することに
より作り出される循環渦を、より強制的に形成させるた
めに、噴出孔径Ｄ_n の少なくとも３０倍以上の空間が必
要となる。キヤビテーシヨン噴流の直径は、噴出孔６の
孔径Ｄ_n の１０倍程度に拡がるため、キヤビテーシヨン
噴流周りの循環渦がキヤビテーシヨン噴流と同等に拡が
ると見積もれば、カバー７の内径Ｄ_C は噴出孔６の孔径
Ｄ_n の３０倍以上は必要ということになる。Ｄ_C が無闇
に大きすぎると、キヤビテーシヨン噴流周囲の循環渦は
微弱なものとなり、カバー７を設けないのに等しくなつ
てしまう。

【００３１】カバー７の先端と加工対象面８の間の距離
（ギヤツプ）Ｌ_C は、ノズル本体１の先端と加工対象面
８間の距離（スタンドオフ）Ｌ_P の０．２倍以上０．６
倍未満、望ましくは０．５倍未満に設定する。Ｌ_C が大
きすぎると、キヤビテーシヨン噴流の水と気泡の大部分
が、カバー７と加工対象面８との隙間から跳ね返り噴流
として逃げ出してしまう。

【００３２】一方、Ｌ_C が小さすぎると、つまりカバー
７の先端と加工対象面８の間の隙間が狭すぎると、噴出
孔６から噴射される流量、カバー７内の循環流量および
カバー７と加工対象面８間の隙間からのリーク量が釣り
合わなくなり、カバー７内に水や気泡が過度に充満する
閉塞状態となり、適正なキヤビテーシヨン噴流を作り出
せなくなる。

【００３３】ノズル先端に取りつけるカバー７の形状
は、被加工対象面８の形状に一致させるかもしくは類似
なものとする。

【００３４】図４（ａ），（ｂ）は、平面状の加工面を
ピーニングする場合のカバーの形状を示すものである。
平面の加工対象面３０３に対応するように、カバー３０
２の先端は平面状に仕上げられている。

【００３５】なお、図中の３０１はノズル本体、３０４
は噴出孔、３０５は中心軸、３０６は高圧水供給流路、
３０７は高圧水である。

【００３６】図５（ａ），（ｂ）には、円筒状の加工対
象面４０３の表面をピーニングする場合のカバーの形状
を示す。円筒面形状と寸法に合致させて、カバー４０２
の先端も略円筒開口面に製作されている。

【００３７】なお、図中の４０１はノズル本体、４０４
は噴出孔、４０５は中心軸、４０６は高圧水供給流路、
４０７は高圧水である。

【００３８】以上のように、カバーの先端開口面形状と
ピーニング加工対象面形状を合わせれば、カバーと加工
対象面の隙間から逃げ出す跳ね返り噴流の流量が、カバ
ーの周方向に対してほぼ均等になり、カバーの中でキヤ
ビテーシヨン噴流が極端に傾いたりすることがなくな
る。

【００３９】本発明は、単一噴出孔のノズルのみなら
ず、多孔化したノズルへも適用することが可能である。

【００４０】図６は、噴出孔５０５がやや外側を向く多
孔ノズルの断面構造を示すものである。また図７は、同
じ多孔ノズルの下流から上流側を見た状態の構造図であ
る。各噴出孔５０５から生じる各々のキヤビテーシヨン
噴流５０７に対し独立した循環渦５１０が生じるよう
に、つまり各キヤビテーシヨン噴流５０７に生じる循環
渦５１０が隣合う循環渦５１０と干渉し合わないよう
に、噴流分割部材５０８が設けられている。この具体化
例では、噴出孔５０５が４つあるので、噴流分割部材５
０８によつてカバー５０６の内部は４分割されている。

【００４１】なお、この多孔ノズルでは噴出孔５０５が
外側を向くため、カバー５０６も下流側へ末広がりにな
る形状を採用した。

【００４２】なお、図中の５０１はノズル本体、５０２
は高圧水、５０３は高圧水供給流路、５０４は高圧水分
岐流路、５０９は加工対象面、５１１はカバー５０６か
ら排出する跳ね返り噴流である。

【００４３】図２は、本発明になるキヤビテーシヨン噴
射ノズルにおける現象を、中心軸２０３を通る断面図と
して描いたものである。キヤビテーシヨン噴流２０５の
周りに循環渦流２０６ができて、キヤビテーシヨン噴流
２０５中の気泡や気泡核が循環して再利用されるため
に、キヤビテーシヨンの強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が
増幅される。加工対象面２０７に衝突し、合体して大き
くなつた粗大気泡２０９は、カバー２０４の先端と加工
対象面２０７の間から排出され、周囲水２０８内を浮上
していく。

【００４４】図３は、ノズルのカバー２０４内における
現象を、下流側から見た図である。循環渦流２０６は、
カバー２０４（あるいはキヤビテーシヨン噴流２０５）
の円周方向に非等間隔に発生する。循環渦流２０６は、
この図では６個描いているが、２〜３個の場合もある。
このように非等間隔に循環渦流の生じることは、強い異
方性乱流がカバー２０４内に生成することを示してい
る。

【００４５】このような異方性乱流は、キヤビテーシヨ
ン噴流２０５を激しく乱して、液中にある気泡核にトリ
ガを与え、連鎖的にキヤビテーシヨンを促進することに
なる。要するに本発明は、カバー２０４内に生じる循環
渦による、 （Ｉ）キヤビテーシヨン気泡２１１や気泡核の循環利用 （II）異方性乱れによるキヤビテーシヨン噴流内液中の
気泡核励起 という２つの作用の複合効果により、キヤビテーシヨン
を促進し、ピーニング効率の向上を図ろうとするもので
ある。

【００４６】なお、図中の２０１はノズル本体、２０２
は噴出孔、２１０は跳ね返り噴流である。

【００４７】図８は、本発明になるノズルを用いたこと
によるピーニング効果を、応力改善結果を基に示したも
のである。ピーニング施工前には、無次元表記で−１．
２２の引張り方向の残留応力があつたものの、本発明に
なるキヤビテーシヨン噴射ノズルでピーニングすること
により、＋１．０８まで圧縮方向に応力が改善された。
鋼材の表面応力が圧縮状態になれば亀裂も生成しにくい
し、また既に存在する亀裂もその成長が抑制されること
になる。

【００４８】このような本発明になるノズルを用いる応
力改善効果は、通常のウオータジエツト処理による場合
よりも遙に大きいと言える。

【００４９】水中の高速水流による衝突圧力およびキヤ
ビテーシヨンによる気泡の崩壊圧力を利用する本発明
は、様々な機器を構成する部材の残留応力改善法として
適用することができる。

【００５０】一般に、応力改善に当たつては、熱を加え
ない、つまり金属組織の変態を伴わない常温処理の方が
格段に好ましい。この点からも本発明は有利であり、ボ
イラの耐圧部材の残留応力へも応用することができる。
また水中における作業を考えれば、海洋構造物や船舶へ
も適用することができる。

【００５１】この他、港湾工事に関連する海底岩石の掘
削作業へも応用可能である。ダイナマイトを用いる水中
発破法に比べれば、安全でもあるしきめ細かな方法と言
える。

【００５２】一方、海水面下にある船舶の底部には、
貝、藻、その他小型生物が付着し、走行に際しかなりの
流動抵抗になるが、本発明になる手段は、これらの付着
物を海中水において除去することを可能にする。

【００５３】このように、付着生物の除去が海水中にお
いて可能になれば、 （Ｉ）船をドツクへ入れ （II）そのドツクから水を汲み出し （III）付着物の混じる汚染水を廃棄し、さらに （IV）ドツクへ再び海水を入れる と言つた一連の操作が省略されることになり、船舶の保
全がより経済的に行われるようになる。付着物を防ぐた
めに用いられる特殊な塗料の使用量も削減されれば、海
洋の環境保護の観点から好ましい。

【００５４】

【発明の効果】本発明による効果は次のようになる。

【００５５】（１）加工物の表面応力状態を効率良く改
善できる。

【００５６】（２）ブラスト用のビーズを使わないた
め、それらを回収したりあるいは廃棄したりする手間が
省ける。従つて、経済的な操作となる。

【００５７】（３）水でピーニングを行うため、ピーニ
ング部の温度が局所的に上昇することがなく対象構造物
の温度を低く抑え、しかも均等にすることができる。

【００５８】（４）水でピーニングを行うため、騒音レ
ベルを低減できる。

【００５９】（５）水でピーニングのために、飛沫（飛
び散る液滴）の始末に苦慮しなくても済むようになる。

【００６０】（６）噴流に発生するキヤビテーシヨンを
有効に利用するため、比較的低圧力で所定の効果を上げ
ることができる。超高圧水供給系（ポンプ、配管、バル
ブ等）が不要となり、設備費（イニシヤルコスト）およ
び運用費（ランニングコスト）を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るキヤビテーシヨン噴射ノ
ズルの縦断面図である。

【図２】本発明の実施例に係るキヤビテーシヨン噴射ノ
ズルにおける流動現象を示す模式図である。

【図３】本発明の実施例に係るキヤビテーシヨン噴射ノ
ズルにおける流動現象を下流側から見た模式図である。

【図４】平面状の加工面をピーニングする場合のカバー
の形状を示す図である。

【図５】円筒状の加工対象面の表面をピーニングする場
合のカバーの形状を示す図である。

【図６】噴出孔がやや外側を向く多孔ノズルの断面図で
ある。

【図７】噴出孔がやや外側を向く多孔ノズルを下流側か
ら見た図である。

【図８】本発明の効果を示す実験結果の説明図である。

【図９】従来例に係るノズルの縦断面図である。

【図１０】従来のノズルにおけるキヤビテーシヨン噴流
の現象を示す模式図である。

【図１１】従来の噴射法の問題点を示す模式図である。

【図１２】他の従来例に係るノズルの縦断面図である。

【図１３】さらに他の従来例に係るノズルの縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ノズル本体 ２ 高圧水 ３ 高圧水供給流路 ４ 中心軸 ５ 径収縮部 ６ 噴出孔 ７ カバー ８ 加工対象面 ９ 隙間 ２０５ キヤビテーシヨン噴流 ２０６ 循環渦流 ２０８ 周囲水 ２０９ 粗大気泡 ２１０ 跳ね返り噴流 ２１１ キヤビテーシヨン気泡 ３０３ 平面状の加工対象面 ４０３ 円筒状の加工対象面 ５０８ 噴流分割部材 ５１０ 循環渦

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒沢 孝一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所 日立工場内 (72)発明者 榎本 邦夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−162159（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−212317（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−168554（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧水を噴出孔から噴射することにより
   キヤビテーシヨン噴流を形成して加工物へ衝突させるノ
   ズルと、 前記キヤビテーシヨン噴流を囲むように設置され、前記
   加工物側へ向けて開口して、前記キヤビテーシヨン噴流
   が加工物に衝突してできる跳ね返り噴流の一部を外側に
   放流する隙間を開口部先端と前記加工物の間に形成し、
   前記キヤビテーシヨン噴流とカバー壁の間にキヤビテー
   シヨン噴流が加工物に衝突してできる循環渦流を形成す
   るカバーとを備えたことを特徴とするキヤビテーシヨン
   噴射装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のキヤビテーシヨン噴射装
   置において、前記カバーの開口部の形状が、加工物の形
   状に合致させるかもしくは類似していることを特徴とす
   るキヤビテーシヨン噴射装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のキヤビテーシヨン噴射装
   置において、前記ノズルに複数の噴出孔がやや外側を向
   くように設けられ、前記カバーが下流側に向けて末広が
   りの形状をしていることを特徴とするキヤビテーシヨン
   噴射装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項３記載のキヤビテ
   ーシヨン噴射装置において、前記ノズルに複数の噴出孔
   が形成され、各噴出孔から生じるキヤビテーシヨン噴流
   に伴う循環渦流が互いに干渉しないように噴流分割部材
   が設けられていることを特徴とするキヤビテーシヨン噴
   射装置。
5. 【請求項５】 噴出孔を有するノズルに加工物側へ向け
   て開口したカバーを取り付け、 そのカバーの開口部と前記加工物の間に隙間が形成する
   ようにノズルとカバーを設置し、 前記ノズルの噴出孔から高圧水を噴射することによりキ
   ヤビテーシヨン噴流を形成して前記加工物へ衝突させ、 そのキヤビテーシヨン噴流が加工物に衝突してできる跳
   ね返り噴流の一部を前記隙間からカバーの外側に放流す
   るとともに、前記キヤビテーシヨン噴流とカバー壁の間
   に循環渦流を形成することを特徴とするピーニング方
   法。