JP4126292B2 - 配管の残留応力改善装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管の残留応力改善装置に関し、特に、Ｔ字形をなすＴ字配管の残留応力を低減するために使用される配管の残留応力改善装置に関するものである。

原子力発電所その他の大型プラントなどにおいて配管を設置する場合に問題になるのは、その配管の内周面に生じる引っ張りの残留応力である。例えば溶接によって配管同志を接続すると、当該配管の溶接部には残留応力が発生し、この残留応力によって配管に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生して、配管の寿命が短くなる可能性がある。従って、溶接などによって配管に発生した残留応力は、低減することが望ましい。

特開２００１−１５０１７８号公報（特許文献１）は、配管の溶接部の近傍の残留応力を加熱によって低減するための配管の残留応力改善装置を開示している。公知のその装置は、配管の外周側に位置するアーク発生リングと、そのリングを挟むように配置されたリングコイルとを備えている。リングコイルによって磁場が発生されると、アーク発生リングと配管との間にアークが発生し、配管が加熱される。配管が加熱されることにより、配管の残留応力が低減される。

特開平８−１９８８１号公報（特許文献２）は、配管の内表面にレーザー光を照射して配管の内表面を表面加工する技術を開示している。公知のその技術では、レーザー光が光ファイバによって配管の内部に導かれ、レーザー光は、光ファイバから出射されて配管の内表面に照射される。

また高周波加熱による応力除去手法は広く知られている。しかし、高周波加熱による方法では、装置が大掛かりであると共に、高周波のための供給電力が非常に大きく、また対象配管内を冷却する必要があるという問題があった。

残留応力を除去するために使用される配管の残留応力改善装置に求められる要求の一つは、配管の表面の広い範囲を、均一に加熱できることである。配管の表面の広い範囲を加熱できることは、スループットの向上や残留応力除去性能確保のために重要である。一方、配管を均一に加熱できることは、加熱処理の後に残存する残留応力を小さくするために重要である。この要求を満足させることは、配管が複雑な形状を有している場合、例えば、配管が分岐している場合や厚肉管を対象として特に広範囲を加熱する必要のある場合には簡単なことではない。

このような背景から、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる、とりわけ、Ｔ字配管のように複雑な形状であっても配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる配管の残留応力改善装置の提供が望まれている。

特開２００１−１５０１７８号公報 特開平８−１９８８１号公報

本発明の目的は、Ｔ字形をなすＴ字配管の表面の広い範囲（溶接部分及びその近傍）を、外表面側から均一に加熱するために好適な配管の残留応力改善装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の構成は、
第１の配管の一端が第２の配管の管周面に溶接・接続してなるＴ字配管の外表面に対して、レーザーヘッドから出射したレーザービームを照射する配管の残留応力改善装置であって、
前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸を中心とした円周方向に沿い移動させる円周方向位置調整構造を有することを特徴とする。

また本発明の構成は、
第１の配管の一端が第２の配管の管周面に溶接・接続してなるＴ字配管の外表面に対して、レーザーヘッドから出射したレーザービームを照射する配管の残留応力改善装置であって、
前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸を中心とした円周方向に沿い移動させる円周方向位置調整構造と、
前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸方向に沿い移動させる管軸方向位置調整構造と、
前記レーザーヘッドを、第１の配管の半径方向に沿い移動させる半径方向位置調整構造と、
第１の配管の管軸を含む面内でレーザービームの出射方向を変更するために、前記半径方向位置調整構造に固定された円弧片と、この円弧片に沿いスライド移動する円弧片スライドとを有する第１の出射方向調整構造と、
第１の配管の管軸を含む面に交差する面内でレーザービームの出射方向を変更するために、連結材を介して前記円弧片スライドに取り付けられると共に前記レーザーヘッドを支持するレーザーヘッド支持部を有し、前記レーザーヘッド支持部はその軸を回転中心として回動できるように前記連結材に取り付けられている第２の出射方向調整構造とを有することを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記レーザーヘッドは、レーザーヘッド支持部に備えられてオシレート移動したり、
前記レーザーヘッドは複数個がレーザーヘッド支持部に備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、Ｔ字配管の溶接部、即ち第１と第２の配管が溶接・接続してなる部分に向けて、レーザービームを照射することができるので、溶接に起因してＴ字配管に生じていた残留応力を効果的に除去することができる。

以下に本発明の実施の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１及び図２は本発明の実施例１に係る配管の残留応力改善装置１を示す。なお、図１と図２とでは、描画方向が９０°ずれており、また、円弧片スライド７のスライド位置や、レーザーヘッド１０のオシレート移動位置が異なっている。

この配管の残留応力改善装置１は、Ｔ字配管５０を加熱するものである。Ｔ字配管５０は、第１の配管５１の一端が、第２の配管５２の管周面に溶接・接続してＴ字形となった配管である。配管の残留応力改善装置１は、Ｔ字配管５０の溶接部及びその近傍部（図１でハッチングして示す領域）を加熱して、残留応力を低減するものである。

配管の残留応力改善装置１のリングレール２は、第１の配管５１の周囲を取り囲むようにしてこの配管５１に取り付けられている。リングレール２は、例えば半円弧状の２つのレール部材で構成されており、配管５１を間に挟んだ状態で、半円弧状レール部材を相互に連結することによりリング状のリングレール２が、配管５１に取り付けられる。

回転走行台車３は、リングレール２の周面に沿い走行する。つまり、回転走行台車３は、リングレール２に係合しつつ、このリングレール２を軌道として走行する。このため、回転走行台車３は、配管５１の管軸５１ａを中心とした円周方向（θ方向）に沿い走行移動する。なお、回転走行台車３の走行は、この回転走行台車３に備えたモータ等の駆動装置の駆動により行われる。しかも、この駆動装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。

上述したリングレール２と回転走行台車３により、レーザーヘッド１０を、管軸５１ａを中心とした円周方向に沿い移動させる、円周方向位置調整構造が構成されている。

上下スライド４は、回転走行台車３の外周側部分で支持されつつ、上下方向（配管５１の管軸５１ａ方向、つまりＺ方向）に沿いスライド移動することができる。なお、上下スライド４のスライド移動は、この上下スライド４に備えたモータ等の駆動装置の駆動により行われる。しかも、この駆動装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。
この上下スライド４が、レーザーヘッド１０を、管軸５１ａ方向に沿い移動させる、管軸方向位置調整構造となっている。

半径スライド５は、上下スライド４の下端部（配管５２側の端部）で支持されつつ、配管５１に接近・離反する方向（配管５１の半径方向、つまりＬ方向）に沿いスライド移動することができる。なお、半径スライド５のうち配管５１側には、配管５１の周面に転接する先端ガイドローラ５ａが備えられている。そして、先端ガイドローラ５ａを支持している支持部５ｂが上下スライド４に固定され、半径スライド５が支持部５ｂに対してＬ方向にスライド移動することができるようになっている。なお、半径スライド５のスライド移動は、この半径スライド５に備えたモータ等の駆動装置の駆動により行われる。しかも、この駆動装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。
この半径スライド５が、レーザーヘッド１０を、配管５１の半径方向に沿い移動させる、半径方向位置調整構造となっている。

半径スライド５には円弧状をなす円弧片６が固定されており、この円弧片６に沿い円弧状（α方向に）に円弧片スライド７がスライド移動することができるようになっている。
この円弧片スライド７には、連結材８を介してレーザーヘッド支持部９が取り付けられている。このため、円弧片スライド７，連結材８及びレーザーヘッド支持部９が一体となって、円弧片６に沿いα方向に沿い移動することができる。なお、円弧片スライド７のスライド移動は、この円弧片スライド７に備えたモータ等の駆動装置の駆動により行われる。しかも、この駆動装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。

上述した円弧片６及び円弧片スライド７により、レーザーヘッド１０から出射されるレーザービームの出射方向を変える第１の出射方向調整構造が構成されている。

レーザーヘッド支持部９は、連結材８に対して、軸９ａを回転中心として回動できるように（β方向の回転）ができるように、連結材８に取り付けられている。なお、レーザーヘッド支持部９のβ方向回転は、このレーザーヘッド支持部９に備えたモータ等の駆動装置の駆動により行われる。しかも、この駆動装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。

レーザーヘッド支持部９がβ方向に回転できる構成としたことにより、レーザーヘッド１０から出射されるレーザービームの出射方向を変える第２の出射方向調整構造が構成されている。

このレーザーヘッド支持部９にはレーザーヘッド１０が備えられている。このレーザーヘッド１０は、レーザーヘッド支持部９の軸９ａ方向（γ方向）に沿いオシレート移動（往復移動）されるようになっている。つまり、レーザーヘッド支持部９には、リニアモータ等で構成したオシレート装置が設置されており、このオシレート装置の駆動によりレーザーヘッド１０がγ方向にオシレート移動する。なお、オシレート装置の駆動・停止は、図示しないコントローラにより制御される。

レーザーヘッド１０には、光ファイバを介してレーザー発振器から、レーザービームが供給され、このレーザービームはレーザーヘッド１０からＴ字配管５０の外表面に向けて照射される。このため、後述するようにして照射位置を調整することにより、Ｔ字配管５０の溶接部及びその近傍の領域に、レーザービームを照射して加熱し、これにより残留応力を低減することができる。

レーザーヘッド１０の位置ひいては、Ｔ字配管５０へのレーザービームの照射位置は、コントローラの制御の下に、次のようにして調整される。

リングレール２を軌道として回転走行台車３を走行させることにより、レーザーヘッド１０の円周方向位置（θ方向位置）を変更・調整することができる。
上下スライド４をスライド移動させることにより、レーザーヘッド１０の上下方向位置（Ｚ方向位置）を変更・調整することができる。
半径スライド５をスライド移動させることにより、レーザーヘッド１０の半径方向位置（Ｌ方向位置）を変更・調整することができる。

円弧片スライド７を円弧片６に沿いスライド移動させることにより、レーザーヘッド１０のα方向に関する向きを変更・調整することができる。換言すると、配管５１の管軸５１ａと、レーザーヘッド支持部９の軸９ａとを含む面内において、レーザーヘッド１０から出射されるレーザービームの出射方向を、変更・調整することができる。

レーザーヘッド支持部９をβ方向に回転させることにより、レーザーヘッド１０のβ方向に関する向きを変更・調整することができる。換言すると、配管５１の管軸５１ａとレーザーヘッド支持部９の軸９ａとを含む面に対して直交する面内において、レーザーヘッド１０から出射されるレーザービームの出射方向を、変更・調整することができる。

結局、レーザービームの出射方向は、α方向に関する向きと、このα方向に対して直交する向きであるβ方向に関する向きで調整することにより、任意の方向に変更・調整することができる。

本実施例ではα方向とβ方向が直交しているが、これに限るものではない。一般的に言うと、管軸５１ａを含む面内でレーザービームの出射方向を変更・調整する第１の出射方向調整構造と、管軸５１ａを含む面に対して交差（直交でもよい）する面内でレーザービームの出射方向を変更・調整する第２の出射方向調整構造を備えていれば、第１及び第２の出射方向調整構造により、レーザービームの出射方向を任意の方向に変更・調整することができる。

レーザーヘット１０をγ方向にオシレート移動させることにより、レーザービームをγ方向に走査することができる。

かくして、θ，Ｚ，Ｌ，α，β，γの位置・方向を調整することにより、レーザーヘッド１０から出射したレーザービームを溶接位置及びその近傍に効果的に照射することができる。つまり、θ，Ｚ，Ｌ，α，β，γの位置・方向を調整することにより、Ｔ字配管５０の溶接位置及びその近傍の全ての領域に対してレーザービームを照射することができると共に、照射位置に対してレーザービームを垂直ないし垂直に近い角度で入射させることができ効果的な加熱ができる。また、照射位置に応じて、レーザーヘッド１０から出射されるレーザービームの強度を変更するように、レーザー発振器出力を制御するようにしてもよい。

実施例１ではレーザーヘッド支持部９に、オシレート移動するレーザーヘッド１０を備えたが、実施例２では、図３に示すようなマルチタイプのものを使用する。マルチタイプでは、レーザーヘッド支持部９のスライド部材９ａに、複数のレーザーヘッド１０を移動可能に取り付ける。複数のレーザヘッド１０の相互間隔は、図３（ａ）に示すように広くしたり、図３（ｂ）に示すように狭くしたり調整することができる。なお、図３（ａ）では光ファイバ１１を図示しているが、図３（ｂ）では光ファイバは図示省略している。

他の部分の構成は、実施例１と同様である。

なお上述した実施例１では、θ，Ｚ，Ｌ，α，β，γの位置・方向を調整する位置調整構造を採用し、実施例２ではθ，Ｚ，Ｌ，α，βの位置・方向を調整する位置調整構造を採用したが、θの位置のみを調整する位置調整構造としたものや、θ，Ｚ，Ｌの位置のみを調整する位置調整構造としたものや、θ，Ｚ，Ｌ，αの位置・方向調整をする位置調整構造としたものを採用することもできる。

本発明は大型プラントで使用される大型のＴ字配管に生じた残留応力を低減するのに利用することができる。

本発明の実施例１に係る管加熱装置を示す構成図。 本発明の実施例１に係る管加熱装置を示す構成図。 マルチタイプのレーザーヘッドを示す構成図。

符号の説明

１ 配管の残留応力改善装置
２ リングレール
３ 回転走行台車
４ 上下スライド
５ 半径スライド
６ 円弧片
７ 円弧片スライド
８ 連結材
９ レーザーヘッド支持部
１０ レーザーヘッド
１１ 光ファイバ
５０ Ｔ字配管
５１ 第１の配管
５２ 第２の配管

Claims (4)

1. 第１の配管の一端が第２の配管の管周面に溶接・接続してなるＴ字配管の外表面に対して、レーザーヘッドから出射したレーザービームを照射する配管の残留応力改善装置であって、
   前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸を中心とした円周方向に沿い移動させる円周方向位置調整構造を有することを特徴とする配管の残留応力改善装置。
2. 第１の配管の一端が第２の配管の管周面に溶接・接続してなるＴ字配管の外表面に対して、レーザーヘッドから出射したレーザービームを照射する配管の残留応力改善装置であって、
   前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸を中心とした円周方向に沿い移動させる円周方向位置調整構造と、
   前記レーザーヘッドを、第１の配管の管軸方向に沿い移動させる管軸方向位置調整構造と、
   前記レーザーヘッドを、第１の配管の半径方向に沿い移動させる半径方向位置調整構造と、
   第１の配管の管軸を含む面内でレーザービームの出射方向を変更するために、前記半径方向位置調整構造に固定された円弧片と、この円弧片に沿いスライド移動する円弧片スライドとを有する第１の出射方向調整構造と、
   第１の配管の管軸を含む面に交差する面内でレーザービームの出射方向を変更するために、連結材を介して前記円弧片スライドに取り付けられると共に前記レーザーヘッドを支持するレーザーヘッド支持部を有し、前記レーザーヘッド支持部はその軸を回転中心として回動できるように前記連結材に取り付けられている第２の出射方向調整構造とを有することを特徴とする配管の残留応力改善装置。
3. 請求項１または請求項２の配管の残留応力改善装置において、
   前記レーザーヘッド支持部には、前記レーザーヘッドが備えられると共に、レーザーヘッド支持部の軸方向に沿い移動するオシレート装置が設置されており、
   前記レーザーヘッドは前記オシレート装置の駆動により前記レーザーヘッド支持部の軸方向に沿いオシレート移動することを特徴とする配管の残留応力改善装置。
4. 請求項１または請求項２の配管の残留応力改善装置において、
   前記レーザーヘッドは複数個がレーザーヘッド支持部に備えられていることを特徴とする配管の残留応力改善装置。

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