JP4176197B2 - 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 - Google Patents
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【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９mm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１０°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・Ｐｏ・Ｒｏ３／Ｒ３
但し、Ｐｏ：雰囲気圧
Ｒｏ：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 ＝（Ｐｏ−Ｐｖ）／（０．５・ρ・Ｖ２）
但し、Ｐｏ：雰囲気圧
Ｐｖ：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Ｄｏとの比が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では、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Ｄｏ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。そして、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。
好ましくは、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１５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２１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μｍ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Dｉ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Dｉとノズル外径DＯとの比は、内径Dｉが９．５mmの小口径管では１．２：１であり、内径Dｉ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Dｉ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Dｉ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Dｉとノズルの外径DＯ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
【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９mm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１０°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・Ｐｏ・Ｒｏ３／Ｒ３
但し、Ｐｏ：雰囲気圧
Ｒｏ：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 ＝（Ｐｏ−Ｐｖ）／（０．５・ρ・Ｖ２）
但し、Ｐｏ：雰囲気圧
Ｐｖ：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Ｄｏとの比が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では、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Ｄｏ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。そして、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。
好ましくは、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１５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２１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μｍ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Dｉ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Dｉとノズル外径DＯとの比は、内径Dｉが９．５mmの小口径管では１．２：１であり、内径Dｉ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Dｉ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Dｉ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Dｉとノズルの外径DＯ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
Claims (3)
- 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、ノズル噴射穴と前記内面との距離Ｌが噴射穴径ｄの１／２倍から５倍までの範囲内となり、前記小口径管の内径Ｄｉと前記ノズルの外径Ｄｏ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し、
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。 - 請求項１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。
- 請求項１又は２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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22829798A JP4176197B2 (ja) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22829798A JP4176197B2 (ja) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000052247A JP2000052247A (ja) | 2000-02-22 |
| JP4176197B2 true JP4176197B2 (ja) | 2008-11-05 |
Family
ID=16874266
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22829798A Expired - Lifetime JP4176197B2 (ja) | 1998-08-12 | 1998-08-12 | 小口径管の内面残留応力状態を改善する方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP4176197B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10966356B2 (en) | 2016-03-16 | 2021-03-30 | Sony Interactive Entertainment Inc. | Electronic apparatus |
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|---|---|---|---|---|
| JP4729282B2 (ja) * | 2004-09-29 | 2011-07-20 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 管内面に対するウォータージェットピーニングによる残留応力改善方法及びその装置 |
| JP4448791B2 (ja) | 2005-05-31 | 2010-04-14 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 配管の残留応力改善方法及びその装置 |
| JP4635206B2 (ja) * | 2006-03-02 | 2011-02-23 | 国立大学法人東北大学 | 管内部の表面改質または洗浄方法及び該方法に使用される管内部の表面改質または洗浄装置 |
| JP5352600B2 (ja) * | 2011-01-25 | 2013-11-27 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 管内面に対するウォータージェットピーニングによる残留応力改善方法及びその装置 |
-
1998
- 1998-08-12 JP JP22829798A patent/JP4176197B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10966356B2 (en) | 2016-03-16 | 2021-03-30 | Sony Interactive Entertainment Inc. | Electronic apparatus |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000052247A (ja) | 2000-02-22 |
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