JP4599250B2 - 高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波誘導加熱時における加熱対象物の温度を制御する方法および装置に係り、特に、加熱対象物の外面における温度分布が均一となるように制御する高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置に関する。

種々の設備に設置される配管の溶接接続において、溶接継手を採用する場合溶接後その継手の内面近傍に大きな引張残留応力が生ずる。原子力発電プラントなどのステンレス鋼配管の場合、この引張残留応力により応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する原因となりうる。

ステンレス鋼配管のＳＣＣは、材料因子（材料鋭敏化、内表面極表層部の硬化層）、環境因子（水質環境）、および、応力因子（引張残留応力）の３つの因子が重畳して生じることが知られている。ＳＣＣ防止として最も効果的な対策としては、応力因子（引張残留応力）を取り除くことが挙げられ、引張残留応力を圧縮残留応力にすることにより、ＳＣＣ防止を図ることができる。

高周波誘導加熱により配管溶接部の引張残留応力を緩和する技術については、例えば特許文献１が知られている。特許文献１は、サーマルスリーブを有するノズルに関するもので、誘導加熱装置などの高出力加熱装置により加熱する技術を開示している。
特開昭６２−２４７０２５号公報

既設の溶接部の引張残留応力を緩和または圧縮残留応力に変える技術の一例として高周波誘導加熱による応力改善工法を用いる場合、施工（加熱）対象物の外面温度を均一に制御することが望ましい。施工（加熱）対象物の外面温度を均一に制御するための一方法としては、例えば、コイルと配管との隙間をスペーサ等にて周方向に均一に設定することが考えられる。

しかしながら、コイルと配管との隙間をスペーサ等にて周方向に均一に設定することは、配管自体の製作公差、コイル自体の製作公差および溶接継手部の仕上がり状態等の関係から事実上困難であり、施工（加熱）対象物の外面温度を均一に制御する簡便な技術が確立されていないという現状がある。このため、施工（加熱）対象物の外面温度を均一に制御することができず、応力改善の効果が大きい箇所と小さい箇所とのばらつきが生じてしまう課題があった。

本発明の目的は、高周波誘導加熱時において、加熱対象物の外面温度のばらつきを制御する制御方法および当該制御装置を提供することにある。

本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法は、上述した課題を解決するため、請求項１に記載したように、高周波誘導加熱により外面側から加熱することができる加熱対象物の内面に冷却媒体を通過させて内面側から冷却可能な加熱対象物の温度を制御する方法において、前記加熱対象物の外面側を高周波誘導加熱コイルにより加熱する際に、前記加熱対象物の外面側に周方向に設けられ、前記加熱対象物の溶接継手部の温度を測定する加熱対象物外面側温度分布測定工程と、この加熱対象物外面側温度分布測定工程で測定された測定箇所の温度のばらつきと予め設定される判定温度差との大小を比較する温度ばらつき程度判定工程と、温度ばらつき程度判定工程の結果、前記温度のばらつきが前記判定温度差よりも大きい場合には、前記温度のばらつきが前記判定温度差よりも小さくなるように前記加熱対象物の高周波誘導加熱中にコイルの間隔を調整するコイル隙間調整工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御装置は、上述した課題を解決するため、請求項４に記載したように、高周波誘導加熱装置において、高周波誘導加熱の加熱対象物の溶接継手部の外面に、周方向に配列して取付可能な熱電対と、この熱電対に生じた熱起電力を測定箇所系列および時系列で収集するとともに演算処理して前記加熱対象物の溶接継手部の外面温度を計測する計測温度演算装置と、この計測温度演算装置が計測した温度に基づき温度ばらつきを予め設定された判定温度差よりも小さくなるように前記高周波誘導加熱装置における高周波誘導加熱コイルのコイル間隔を調整可能なコイル隙間調整装置とを具備することを特徴とする。

本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置によれば、高周波誘導加熱時における加熱対象物の外面温度のばらつきを制御することができる。

以下、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。

まず、高周波誘導加熱時外面温度制御方法を説明する前提として、高周波誘導加熱装置を用いた溶接継手部の引張残留応力を改善する方法について概説する。

ここで、引張残留応力を改善するとは、引張残留応力を緩和すること、または、圧縮残留応力にすることをいい、以下の説明において同様である。

図１は、高周波誘導加熱装置１００を用いて溶接継手部の引張残留応力を改善する方法を説明する説明図である。

高周波誘導加熱装置１００は、高周波誘導加熱コイル１０２を有しており、高周波誘導加熱コイル１０２には、電流ケーブル・コイル冷却水循環チューブ１０３を介して高周波誘導電源・コイル冷却水循環装置・制御装置１０４が接続される。

高周波誘導加熱コイル１０２の内径側には、高周波誘導加熱を行い、引張残留応力を改善する対象物（加熱対象物）が設置される。この対象物は、例えば、図１に示すように、引張応力が残留する溶接継手部１０６が円周上に形成されている配管１０７であり、この配管１０７は、高周波誘導加熱コイル１０２と同一方向を軸とする方向に設置される。すなわち、高周波誘導加熱コイル１０２が、溶接継手部１０６を含む配管１０７の外径側（外側）の面（以下、外径面とする）１０８を取り囲むように配管１０７を設置する。

図１に示すような状況下において、高周波誘導加熱コイル１０２に高周波電流を流すと、高周波誘導加熱コイル１０２の周囲に磁場が形成される。すると、形成された磁場により、配管１０７の外径面１０８には配管１０７の管軸方向（ｘ軸方向）に誘導電流が発生する。配管１０７は、電気抵抗を有するので、配管１０７自体が発熱する。

高周波誘導加熱コイル１０２に高周波電流を流している状態において、配管１０７の内部に冷却媒体としての冷却水１０９を通して配管１０７を冷却すると、冷却水１０９で冷却される配管１０７の内径側（内側）の面（以下、内径面とする）と誘導電流による発熱で加熱される外径面１０８との間に温度差が生じる。すなわち、配管１０７の板厚方向に温度差が発生する。

図２は、図１に示す状態、すなわち、溶接継手部１０６を持つ配管１０７を高周波誘導加熱コイル１０２の内径側に同軸方向に設置した状態下で高周波誘導加熱コイル１０２を通電状態とし、かつ、設置された配管１０７の内部に冷却水１０９を通水した状態における配管１０７の部分断面図であり、配管１０７の板厚方向の温度分布を示している。

図２に示す状態（高周波誘導加熱時）では、配管１０７の外径面１０８が内径面の温度に対して高温となり、ある一定時間以上が経過すると、配管１０７には、配管外径面１０８と配管内径面との温度差（以下、配管内外面温度差とする）１１１となる線形の温度勾配１１２が、ほぼ板厚方向に生じる。

ここで、配管１０７の板厚方向に線形の温度勾配が生じたときの配管板厚方向の応力σは、配管の縦弾性係数をＥ、配管の熱膨張係数をα、配管内外面温度差をΔＴ、ポアソン比をνとすると、一般に数式１のように表わされる。

図３は、図２と同様に配管１０７の部分断面図であり、図１に示す状態における配管１０７の板厚方向の応力分布を示した説明図である。

数式（１）において、配管内外面温度差ΔＴが配管材料の降伏点以上の応力を生じる温度差である場合、配管１０７の外径面側の加熱された範囲は加熱による熱膨張により管軸方向に伸びようとする一方、加熱されていない範囲は、冷えているため伸びが抑え込まれる。従って、配管１０７の外径面側には圧縮降伏応力１１３が生じるとともに、同配管１０７の内径面側には、板厚方向の応力が外径面側と釣り合うように引張降伏応力１１４が生じる。

続いて、高周波誘導加熱を終了し、加熱した配管１０７を冷却した後における板厚方向の温度分布および応力分布について説明する。

図４および図５は、高周波誘導加熱を終了し、加熱した配管１０７を冷却した後における板厚方向の温度分布および応力分布についてそれぞれ説明する図であり、図２と同様に配管１０７の部分断面図として示した説明図である。

高周波誘導加熱した配管１０７を冷却した後における板厚方向の温度分布は、冷却後ある一定時間以上が経過すると、図４に示すように、配管１０７の板厚方向の温度勾配１１２は無くなる。一方、応力分布は、配管１０７の板厚方向の温度勾配１１２が無くなることに伴って、図５に示すように、加熱中に外径面側の圧縮降伏した部分には引張残留応力１１５が生じ、加熱中に内径面側の引張降伏した部分には圧縮残留応力１１６が生じる。

一般に、配管１０７の溶接継手部１０６の内面には溶接時の変形等によって、引張側の溶接残留応力を生じるが、溶接後の配管１０７を高周波誘導加熱することによって、溶接継手部内面近傍における引張側の溶接残留応力を緩和する、または、圧縮側の残留応力とすることで、応力腐食割れ等による配管１０７の損傷を低減できる。

また、配管１０７の溶接継手部１０６の内面近傍における引張側の溶接残留応力を改善するのに好適な配管内外面温度差ΔＴの上限値は、素材によって異なる。

例えば、材料の鋭敏化が発生することが知られる炭素含有量を低く規定されていないステンレス鋼では５５０℃とされる。また、炭素量を低く規定しているＳＵＳ３１６Ｌ等の低炭素ステンレス鋼では、ステンレス鋼（５５０℃）よりも高い温度、例えば、６５０℃でも差し支えない。しかし、配管１０７の外径面１０８の加熱温度は、周方向にばらつきがないことが望ましい。

従って、高周波誘導加熱コイル１０２と配管１０７との隙間が配管１０７の周方向に均一でなくとも、配管１０７の外径面１０８における加熱温度のばらつきを抑えることが望まれる。

このような観点から、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置の実施形態は、配管１０７の周方向に配置されるコイル隙間を調整することで、配管１０７の外径面１０８に流れる誘導電流を制御する。配管１０７の外径面１０８に流れる誘導電流を制御することで、配管１０７の外径面１０８の温度を周方向にばらつくことなく制御することができる。

次に、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置の実施形態について説明する。

図６は、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の一例である高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて溶接継手部１０６の引張残留応力を改善する方法を説明する説明図である。

なお、図６では、高周波誘導加熱コイル１０２の軸方向に対する断面図を示す。

図６に示す高周波誘導加熱時外面温度装置１０は、図１に示す高周波誘導加熱装置１００における高周波誘導加熱コイル１０２のコイル隙間Ｌを配管１０７の外径面１０８（溶接継手部１０６の外径側の面）の温度に応じて調整する装置である。

高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて溶接継手部１０６の引張残留応力を改善する場合には、図１に示す状態と同様に、配管１０７を高周波誘導加熱コイル１０２と同一方向を軸とする方向に設置し、かつ、加熱中の配管１０７の溶接継手部１０６における周方向の温度分布を計測できるように、熱電対１２ａ，１２ｂが取り付けられる。

熱電対１２ａ，１２ｂは、熱電対ケーブル１３を介して計測温度演算装置１４と接続される。計測温度演算装置１４は、熱電対１２ａ，１２ｂと他端が接続される熱電対ケーブル１３を介して熱電対１２ａ，１２ｂに生じる熱起電力を測定箇所系列および時系列で収集する。そして、収集した熱起電力を演算処理することで配管１０７の外径面１０８の温度を計測することができる。

また、高周波誘導加熱コイル１０２には、高周波誘導加熱コイル１０２を形成するコイル導体１６ａとコイル導体１６ｂとの間、すなわち、高周波誘導加熱コイル１０２のコイル隙間Ｌを調整可能なコイル隙間調整装置１７が設置される。

コイル隙間調整装置１７は、コイル導体１６ａとコイル導体１６ｂとの間に設置され、コイル隙間Ｌを広狭自在に調整するコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂと、このコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂと加圧媒体連絡路としての加圧媒体連絡チューブ１９を介して接続されておりコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの圧力を加減自在に構成される圧力調整部２０ａ，２０ｂとを備える。

コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂは、圧力の加減に応じてコイル隙間Ｌを広狭に調整するように構成されており、コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの圧力を加減に応じてコイル隙間Ｌを広狭自在に調整する。また、コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂは、熱電対１２ａ，１２ｂの取付位置に対応するような周方向の位置に設けられる。

圧力調整部２０ａ，２０ｂは、加圧媒体連絡チューブ１９を介して接続されるコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの圧力を加減する制御を行い得るように構成される。

従って、コイル隙間調整装置１７は、圧力調整部２０ａ，２０ｂがコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの圧力を加減する制御を行うことによって、コイル隙間Ｌを調整することができる。

さらに、配管１０７の溶接継手部１０６における周方向の温度に対応して、コイル隙間Ｌを調整できるように、コイル隙間調整装置１７と計測温度演算装置１４とが信号ケーブル２２を介して接続される。コイル隙間調整装置１７が計測温度演算装置１４と信号ケーブル２２を介して接続されているため、コイル隙間調整装置１７は、計測温度演算装置１４が計測した温度に基づいて圧力調整部２０ａ，２０ｂを制御し、コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの加圧または減圧を行ってコイル隙間Ｌを広狭に調整する。

すなわち、高周波誘導加熱時外面温度装置１０は、図６に示すように、高周波誘導加熱の加熱対象物としての配管１０７の外径面１０８に取付可能な熱電対１２ａ，１２ｂと、熱電対１２ａ，１２ｂに生じた熱起電力を測定箇所系列および時系列で収集するとともに演算処理して配管１０７の外径面１０８における温度を計測する計測温度演算装置１４と、計測温度演算装置１４が計測した温度に基づき温度ばらつき２４を予め設定された判定温度差２５よりも小さくなるように高周波誘導加熱装置１００のコイル間隔Ｌを広狭自在に調整可能なコイル隙間調整装置１７とを具備する。

このように構成される高周波誘導加熱時外面温度装置１０によれば、高周波誘導加熱コイル１０２で加熱する際に、計測温度演算装置１４が計測した配管１０７の外径面１０８における周方向の温度に基づいて、コイル隙間Ｌを調整することができるので、配管１０７の外径面１０８における周方向の温度（計測温度）がばらつかないように制御することができる。

従って、高周波誘導加熱時外面温度装置１０と、高周波誘導加熱装置１００とを用いて溶接継手部１０６の引張残留応力を改善する方法を適用すれば、溶接継手部１０６における外径面１０８の温度を均一に制御することができるので、応力改善の効果が大きい箇所と小さい箇所とのばらつきを抑制することができる。

次に、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度方法の実施形態について説明する。

図７は、高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて加熱対象物となる配管１０７の外径面１０８の温度を制御する温度制御手順について処理順番を追って説明する処理フロー図である。

温度制御手順では、高周波誘導加熱装置１００が高周波誘導加熱を開始すると（ＳＴＡＲＴ）、高周波誘導加熱装置１００が配管１０７を高周波誘導加熱したまま、計測温度演算装置１４が、配管１０７の外径面１０８における温度を測定する（ステップＳ１：加熱対象物外面側温度分布測定工程）。配管１０７の外径面１０８における温度が測定されると、温度測定により得られる温度ばらつきの程度を判定する（ステップＳ２：温度ばらつき程度判定工程）。より具体的には、温度測定により得られる温度ばらつきが予め設定した判定温度差の範囲内にあるか否かを、温度ばらつきと判定温度差との大小を比較することで判定する。

図８および図９は、横軸を時間、縦軸を温度として、配管１０７の外径面１０８における温度の時系列変化を示した図であり、図７に示すステップＳ２でなされる温度ばらつきと判定温度差との大小比較の概要を説明する説明図である。

より具体的に説明すれば、図８は温度ばらつきが判定温度差よりも大きい場合（図７に示すステップＳ２でＹＥＳの場合）を示した説明図、図９は温度ばらつきが判定温度差よりも小さい場合（図７に示すステップＳ２でＮＯの場合）を示した説明図である。

ここで、図８および図９に示される符号２４、２５、２５hi、２５lo、２６ａおよび２６ｂは、それぞれ、温度ばらつき、判定温度差、加熱上限温度、加熱下限温度、熱電対１２ａの取付箇所における温度時系列変化および熱電対１２ｂの取付箇所における温度時系列変化を表す。

図７に示すステップＳ２において、図８に示すように、温度ばらつき２４が判定温度差２５よりも大きい場合（ステップＳ２でＹＥＳの場合）には、コイル隙間調整装置１７が、圧力調整部２０ａ，２０ｂを制御し、コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの加圧または減圧を行って適切な位置のコイル隙間Ｌを広狭に調整する（ステップＳ３：コイル隙間調整工程）。適切な位置のコイル隙間Ｌとは、コイル隙間Ｌを取り得る範囲（コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの可動範囲）内で調整すると、温度ばらつき２４が判定温度差２５よりも小さくなるように調整可能な位置にあるコイル隙間Ｌをいう。

図７に示すステップＳ２において、コイル隙間調整装置１７が、コイル隙間調整部１８ａ，１８ｂの加圧または減圧を行って適切な位置のコイル隙間Ｌの調整を繰り返した結果、図９に示すように、温度ばらつき２４が判定温度差２５よりも小さくなった場合（ステップＳ２でＮＯの場合）には、コイル隙間調整装置１７は、圧力調整部２０ａ，２０ｂの制御を終了し、コイル隙間Ｌの調整を終了する（ステップＳ４：コイル隙間調整工程の終了）。

コイル隙間Ｌの調整が終了すると、配管１０７の板厚方向における温度分布が線形になるのに十分な時間が経過する（ステップＳ５でＹＥＳとなる）まで、加熱を継続する。そして、配管１０７の板厚方向における温度分布が線形になるのに十分な時間が経過すると（ステップＳ５でＹＥＳの場合）、高周波誘導加熱を終了する（ステップＳ６）。高周波誘導加熱が終了すると、温度制御手順は終了する（ＥＮＤ）。

また、温度制御手順は、テスト加熱時に適用しても良いし、本加熱時に適用しても良い。すなわち、温度制御手順は、本加熱時およびテスト加熱時の少なくともいずれかで適用できる。

ここで、テスト加熱とは、配管１０７の外径面１０８における温度のばらつきの傾向を前もって把握するために、加熱対象となる配管１０７の設計温度までの条件下で予備的に高周波誘導加熱を施工することをいう。また、本加熱とは、配管１０７の設計温度を超える温度条件下で配管内径面の溶接継手部近傍における引張側の溶接残留応力を改善するように高周波誘導加熱を施工することをいう。

次に、コイル隙間調整装置１７におけるコイル隙間調整部１８をより詳細に説明する。

図１０は、コイル隙間調整部１８の一実施例であるコイル隙間調整部１８ａの概略を内部断面図として示した説明図である。

図１０に示すように、コイル隙間調整部１８ａは、シリンダ３０の内部に、ピストン３１と、ピストン３１を駆動するピストンロッド３２と、ピストン３１をばね等の弾性体で付勢する付勢機構３３とを格納している。また、ピストンロッド３２は、その一端がシリンダ３０の外部に突出した状態で格納されており、シリンダ３０とピストンロッド３２との接触面には加圧媒体の漏れを防止するシール機構３４が設けられる。さらに、シリンダ３０とピストン３１との接触面にも加圧媒体の漏れを防止するシール機構３４が設けられている。

シール機構３４をシリンダ３０とピストン３１およびピストンロッド３２との接触面に設けることで、圧力調整部２０ａから加圧媒体連絡チューブ１９を介してシリンダ３０の内部に供給される加圧媒体の漏れを防止することができる。なお、シリンダ３０の内部に供給される加圧媒体は耐熱性を有する非圧縮性の流体媒質であることが望ましい。

このように構成されるコイル隙間調整部１８では、シリンダ３０とピストン３１とで構成される加圧媒体供給空間３５の圧力を加圧または減圧することによって、ピストンロッド３２の伸縮幅を調整しコイル隙間Ｌを広狭自在に調整する。

なお、図１０に示すコイル隙間調整部１８は、加熱温度が本加熱に比べ低いテスト加熱時に適用することを前提としているが、シール機構３４や加圧媒体が本加熱時の上限温度下で耐え得る場合には本加熱時に適用しても良い。

また、図１１は、図１０に示すコイル隙間調整部１８を冷却する冷却部３７を有する場合におけるコイル隙間調整部（以下、冷却型コイル隙間調整部とする）３８の一実施例である冷却型コイル隙間調整部３８ａの概略を内部断面図として示した説明図である。

ここで、図１１に示す冷却型コイル隙間調整部３８ａは、図６に示すコイル隙間調整部１８ａと対応する冷却型コイル隙間調整部３８である。

図１１に示すように、冷却型コイル隙間調整部３８ａは、コイル隙間調整部１８ａに対して、冷却部３７をさらに有するように構成される。また、冷却型コイル隙間調整部３８ａでは、シリンダ３０の代わりにシリンダ３０Ａが用いられて構成される。

シリンダ３０Ａは、シリンダ壁に空洞部３９が設けられており、例えば水等の冷却媒体が空洞部３９を循環可能に構成される。従って、シリンダ３０Ａを用いて構成される冷却型コイル隙間調整部３８ａでは、冷却部３７から冷却用チューブ４０を介して空洞部３９に冷却媒体を供給し冷却媒体を循環させることによって、高周波誘導加熱中における配管１０７の輻射熱によってシール機構３４や加圧媒体供給空間３５に供給される加圧媒体が加熱されるのを防止することができる。

次に、高周波誘導加熱時におけるコイル隙間Ｌの調整方法について説明する。

図１２および図１３は、高周波誘導加熱時におけるコイル隙間Ｌの調整方法を配管１０７の軸方向に対する断面図として示した説明図である。

ここで、図１２および図１３に示される符号４３（４３ａ）は、配管１０７の外径面１０８を流れる誘導電流である。

図１２に示すように、配管１０７の外径面１０８とコイル導体１６ａ，１６ｂとの隙間（以下、配管−コイル間距離とする）Ｄが広い箇所に対しては、コイル隙間Ｌが狭くなるように調整する。一方、図１３に示すように、配管−コイル間距離Ｄが狭い箇所に対しては、コイル隙間Ｌが広くなるように調整する。

このように、コイル隙間Ｌを調整すると、図１２および図１３に示す配管１０７の外径面１０８に流れる誘導電流４０ａは、それぞれ同程度となる結果、図１２および図１３に示す配管１０７からの発熱量もそれぞれ同程度となるので、図１２および図１３の熱電対１２ａのそれぞれで測定される温度の差を小さく抑えることができる。

なお、誘導電流４０の大きさが同じでも、配管１０７自体の製作公差、高周波誘導加熱コイル１０２自体の製作公差および溶接継手部１０６の仕上がり状態等の関係で電気抵抗が異なる場合があるため配管１０７からの発熱量は必ずしも同じになるとは限らないが、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置を適用すれば、計測した温度に基づきコイル隙間Ｌを調整することができるので、周方向における温度のばらつきを抑えることができる。

次に、高周波誘導加熱時外面温度制御方法および当該制御装置を適用した場合における効果について説明する。

図１４は、本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の一例である高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて溶接継手部１０６の引張残留応力を改善する方法を説明する説明図であり、図６に示す高周波誘導加熱時外面温度制御装置１０の部分的な斜視図である。

図１４に示すように、配管１０７の溶接継手部１０６における外径面１０８には、溶接継手部１０６の外径面１０８における温度分布を計測するために、溶接継手部１０６の周方向に一定の間隔で熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが取り付けられている。

なお、図１４では、熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄおよびコイル隙間調整部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが設置される例を示しているが、熱電対１２およびコイル隙間調整部１８の設置数および設置場所は、図１４に示される状態に限定されない。配管１０７の大きさ等に応じてそれぞれ適宜数量および設置場所を選択して良い。

また、図１５から図１８は、図１４に示す状況下において高周波誘導加熱時外面温度装置１０を動作させない場合（従来の高周波誘導加熱時に相当）と、動作させた場合（本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度方法を適用した場合）とを対比して説明するための説明図である。

より詳細に説明すれば、図１５は、図１４に示す状況下において、高周波誘導加熱時外面温度装置１０を動作させない場合における温度時系列変化２６を示した説明図であり、図１６は、図１５に示す状況下における配管内面残留応力を示した説明図である。

尚、図１５に示す温度時系列変化２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは、それぞれ、熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの取付箇所における温度の時間変化を表している。また、図１６に示す配管内面残留応力は、引張側を正、圧縮側を負として表している。

高周波誘導加熱時外面温度装置１０を動作させない場合には、図１２または図１３に示す配管−コイル間距離Ｄは、各熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの取付箇所においてばらつきがあるため、図１５に示す温度時系列変化２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄのように温度が均一とならない。その結果、図１６に示すように、各熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの取付箇所における配管内面残留応力４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄが、ばらつき、加熱温度の低い箇所については応力改善効果が低くなる。

一方、図１７は、図１４に示す状況下において、高周波誘導加熱時外面温度装置１０を動作させた場合における温度時系列変化２６を示した説明図であり、図１８は、図１７に示す状況下における配管内面残留応力を示した説明図である。

尚、図１７に示す温度時系列変化２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは、それぞれ、熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの取付箇所における温度の時間変化を表している。また、図１８に示す配管内面残留応力は、引張側を正、圧縮側を負として表している。

高周波誘導加熱時外面温度装置１０を動作させた場合には、図１２または図１３に示す配管−コイル間距離Ｄに応じて、コイル隙間Ｌの広狭が調整されるので、配管１０７の外径面１０８に流れる誘導電流４０ａは、各熱電対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの取付箇所においてばらつきがなくなる結果、図１７に示す温度時系列変化２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄのように温度が均一となる。従って、図１８に示すように、配管内面残留応力４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄは、配管１０７の周方向の位置に依存することなく、大きな応力改善効果が得られることができる。尚、図１８に示す配管内面残留応力４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄは、大きな応力改善効果が得られた結果、いずれもばらつくことなく圧縮応力化している。

以上、高周波誘導加熱時外面温度装置１０および高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて行う温度制御手順（高周波誘導加熱時外面温度方法）によれば、図６に示すように、コイル隙間Ｌを調整できるため、加熱対象物の外面を流れる誘導電流４０が同程度に制御して加熱対象物の外面における温度を均一に制御することができる。

また、高周波誘導加熱時外面温度装置１０および高周波誘導加熱時外面温度装置１０と高周波誘導加熱装置１００とを用いて行う温度制御手順（高周波誘導加熱時外面温度方法）を溶接継手部１０６の引張残留応力を改善する際に適用すれば、高周波誘導加熱時における配管１０７の外径面１０８における温度のばらつきが抑制され、配管１０７の周方向の位置に依存することなく、大きな応力改善効果を得られる。つまり、溶接継手部１０６のＳＣＣ防止または抑制に有効であり、信頼性向上に貢献できる。

また、コイル間隔Ｌの調整は、従来と比較して容易に行えるため、高周波誘導加熱の施工時間を短縮することができる。

高周波誘導加熱装置を用いて溶接継手部の引張残留応力を改善する方法の説明図。 図１における配管の板厚方向の温度分布を示した説明図。 図１における配管の板厚方向の応力分布を示した説明図。 高周波誘導加熱をした配管を冷却した後における板厚方向の温度分布を示した説明図。 高周波誘導加熱をした配管を冷却した後における板厚方向の応力分布を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置および高周波誘導加熱装置の実施形態を用いて溶接継手部の引張残留応力を改善する方法を説明する説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態と高周波誘導加熱装置とを用いて加熱対象物となる配管の外径面の温度を制御する温度制御手順について処理順番を追って説明する処理フロー図。 温度制御手順において、温度ばらつきが判定温度差よりも大きい場合を示す配管の外径面における温度の時系列変化を説明する説明図。 温度制御手順において、温度ばらつきが判定温度差よりも小さい場合を示す配管の外径面における温度の時系列変化を説明する説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態におけるコイル隙間調整部の概略を内部断面図として示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態における冷却型コイル隙間調整部の概略を内部断面図として示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、配管−コイル間距離Ｄが広い箇所に対するコイル隙間Ｌの調整方法を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、配管−コイル間距離Ｄが狭い箇所に対するコイル隙間Ｌの調整方法を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態と高周波誘導加熱装置とを用いて溶接継手部の引張残留応力を改善する方法を説明する説明図であり、高周波誘導加熱時外面温度制御装置の部分的な斜視図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、高周波誘導加熱時外面温度装置を動作させない場合の配管外径面における温度時系列変化を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、高周波誘導加熱時外面温度装置を動作させない場合の配管内面残留応力を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、高周波誘導加熱時外面温度装置を動作させた場合の配管外径面における温度時系列変化を示した説明図。 本発明に係る高周波誘導加熱時外面温度装置の実施形態および高周波誘導加熱装置を用いて高周波誘導加熱を行う場合において、高周波誘導加熱時外面温度装置を動作させた場合の配管内面残留応力を示した説明図。

符号の説明

１０…高周波誘導加熱時外面温度装置、１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）…熱電対、１３…熱電対ケーブル、１４…計測温度演算装置、１６（１６ａ，１６ｂ）…コイル導体、１７…コイル隙間調整装置、１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ）…コイル隙間調整部、１９…加圧媒体連絡チューブ、２０（２０ａ，２０ｂ）…圧力調整部、２２…信号ケーブル、２４…温度ばらつき、２５…判定温度差、２５hi…加熱上限温度、２５lo…加熱下限温度、２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ）…温度時系列変化、３０，３０Ａ…シリンダ、３１…ピストン、３２…ピストンロッド、３３…付勢機構、３４…シール機構、３５…加圧媒体供給空間、３７…冷却部、３８（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ）…冷却型コイル隙間調整部、３９…空洞部、４０…冷却用チューブ、４３…誘導電流、４５（４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ）…配管内面残留応力、１００…高周波誘導加熱装置、１０２…高周波誘導加熱コイル、１０３…電流ケーブル・コイル冷却水循環チューブ、１０４…高周波誘導電源・コイル冷却水循環装置・制御装置、１０６…溶接継手部、１０７…配管（加熱対象物）、１０８…外径面、１０９…冷却水（冷却媒体）、１１１…配管内外面温度差、１１２…温度勾配、１１３…圧縮降伏応力、１１４…引張降伏応力、１１５…引張残留応力、１１６…圧縮残留応力、Ｄ…配管−コイル間距離、Ｌ…コイル隙間。

Claims (6)

1. 高周波誘導加熱により外面側から加熱することができる加熱対象物の内面に冷却媒体を通過させて内面側から冷却可能な加熱対象物の温度を制御する方法において、
   前記加熱対象物の外面側を高周波誘導加熱コイルにより加熱する際に、前記加熱対象物の外面側に周方向に設けられ、前記加熱対象物の溶接継手部の温度を測定する加熱対象物外面側温度分布測定工程と、
   この加熱対象物外面側温度分布測定工程で測定された測定箇所の温度のばらつきと予め設定される判定温度差との大小を比較する温度ばらつき程度判定工程と、
   温度ばらつき程度判定工程の結果、前記温度のばらつきが前記判定温度差よりも大きい場合には、前記温度のばらつきが前記判定温度差よりも小さくなるように前記加熱対象物の高周波誘導加熱中にコイルの間隔を調整するコイル隙間調整工程とを備えることを特徴とする高周波誘導加熱時外面温度制御方法。
2. 前記加熱対象物外面側温度分布測定工程、温度ばらつき程度判定工程およびコイル隙間調整工程を、前記加熱対象物の設計温度までの温度条件下で予備的に高周波誘導加熱を施工するテスト加熱時に行うことを特徴とする請求項１記載の高周波誘導加熱時外面温度制御方法。
3. 前記加熱対象物外面側温度分布測定工程、温度ばらつき程度判定工程およびコイル隙間調整工程を、前記加熱対象物の設計温度を超える温度条件下で高周波誘導加熱を施工する本加熱時に実施することを特徴とする請求項１または２記載の高周波誘導加熱時外面温度制御方法。
4. 高周波誘導加熱装置において、
   高周波誘導加熱の加熱対象物の溶接継手部の外面に、周方向に配列して取付可能な熱電対と、
   この熱電対に生じた熱起電力を測定箇所系列および時系列で収集するとともに演算処理して前記加熱対象物の溶接継手部の外面温度を計測する計測温度演算装置と、
   この計測温度演算装置が計測した温度に基づき温度ばらつきを予め設定された判定温度差よりも小さくなるように前記高周波誘導加熱装置における高周波誘導加熱コイルのコイル間隔を調整可能なコイル隙間調整装置とを具備することを特徴とする高周波誘導加熱時外面温度制御装置。
5. 前記コイル隙間調整装置は、前記高周波誘導加熱コイルのコイル導体とコイル導体との間に設置され、両コイル導体の間隔を調整するコイル隙間調整部と、
   このコイル隙間調整部と加圧媒体連絡路を介して接続されておりコイル隙間調整部の圧力を制御する圧力調整部とを備えることを特徴とする請求項４記載の高周波誘導加熱時外面温度制御装置。
6. 前記コイル隙間調整装置は、前記コイル隙間調整部に冷却媒体を供給可能に構成された冷却部をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の高周波誘導加熱時外面温度制御装置。

Images