JP5307988B2 - 管体の残留応力改善装置の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置の調整方法に関する。

原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する応力の除去が問題となる。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなるおそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、除去することが望ましい。

配管に残留する残留応力の改善方法として、本願の発明者等は、レーザを周回移動させながら配管の外周面に照射し、材料に悪影響を及ばさない温度に急速加熱して、配管の内外面に温度差を形成することにより、配管の残留応力を低減する方法を提案している（特許文献１〜４）。

特開２００６−０３５２９２号公報 特開２００６−０１５３９９号公報 特開２００６−０３７１９９号公報 特開２００５−２３２５８６号公報

特許文献１〜４等に示す管体の残留応力改善装置においては、配管の外周面を所望の温度に加熱するため、軸方向照射幅、周方向照射幅を、配管曲率に対応した適切な範囲に制御することが望ましい。例えば、レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバを用いて伝送し、伝送したレーザ光を、加熱光学系を用いて拡大することにより、所望の軸方向照射幅、周方向照射幅に制御している。ところが、光ファイバは、その同芯度に関して公差を持っており、光ファイバを伝送してきたレーザ光線を、照射対象の配管へ拡大して照射する場合には、光ファイバ部分での数十〜数百μｍオーダーの芯ずれが、拡大倍率によっては、１０ｍｍオーダーの大きな位置ずれとなる問題があった。又、このような位置ずれがあるため、光ファイバを変更したとき等に、照射位置を再現性よく調整することも難しかった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、光ファイバに芯ずれがあっても、照射位置を再現性よく調整することができる管体の残留応力改善装置の調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る管体の残留応力改善装置の調整方法は、
円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
レーザ光源からのレーザ光を伝送する少なくとも１つの光ファイバと、
前記回転駆動手段に保持されると共に、前記光ファイバ各々と光学結合されて、前記光ファイバからのレーザ光の照射領域を調整する光制御部とを有し、
前記光制御部から照射されたレーザ光の照射領域を管体の周方向に移動しながら、管体の溶接部分の外周面に照射することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置の調整方法であって、
前記光制御部に取り付けられ、前記光ファイバをその周方向に回転可能に保持する回転保持機構を用いて、
前記管体の軸方向における前記光ファイバからのレーザ光の強度ピークの位置が、照射プロファイルの中心からずれた場合、ずれがない、若しくは、影響を最小化できるように、前記光ファイバからのレーザ光のファーフィールドパターンを用いて、前記光ファイバの周方向の保持位置を調整することを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバに芯ずれがある場合でも、光ファイバを回転可能に保持する回転保持機構を用いて、レーザ光の照射位置のずれを修正、若しくは、最小化できるので、用いる光ファイバを変更した場合や任意に回転設定する場合と比較して、施工結果の再現が容易となる。又、入熱が必要な照射領域にレーザ光を照射することができ、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダを低減することができる。その結果、漏れ光を抑制して、装置が損傷したり、災害が発生したりすることを防止することができる。

本発明に係る管体の残留応力改善装置の調整方法を、図１〜図３を用いて、詳細に説明する。

参考例１

図１は、本発明に係る管体の残留応力改善装置の参考例を示す概略構成図である。
図１に示すように、残留応力改善装置１は、円筒状の管体である配管２の外周を周回移動可能に配置され、周方向移動速度を制御可能な回転駆動装置３（回転駆動手段）と、回転駆動装置３に支持されると共に配管２の軸方向に延設され、配管２の周囲を配管２と同軸に周回可能なアーム部４と、アーム部４に保持され、配管２の溶接部Ｗの外周面の所定領域にレーザ光１０を照射する複数のレーザヘッド５（光制御部）と、レーザ発振器７（レーザ光源）からのレーザ光を複数のレーザヘッド５へ伝送する複数の光ファイバ６と、回転駆動装置３、レーザ発振器７等を制御する制御部８とを有するものである。又、レーザヘッド５には回転保持機構９が設けられており、回転保持機構９が光ファイバ６をその周方向に回転可能に保持すると共に、レーザヘッド５と光ファイバ６とは、各々、回転保持機構９により光学結合されている。

回転駆動装置３は、配管２の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所例えば、溶接部Ｗ等の周囲に自由に設置可能である。なお、回転駆動装置３は、その内周側が配管２を保持し、アーム部４を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよく、例えば、内周側において、配管２を保持する固定部と、外周側において、アーム部４を支持すると共に配管２の周囲を配管２と同軸に周回する周回部とを有するような構成でもよい。

レーザヘッド５、光ファイバ６、レーザ発振器７は、加熱光学系を構成しており、配管２の軸方向に沿ってアーム部４に配置された複数のレーザヘッド５により、複数のレーザ光１０を配管２の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。詳細は後述するが、レーザヘッド５においては、レーザヘッド５を構成するレンズ、ミラー等の位置を調整することで、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、所望の加熱領域を調整している。なお、ここでは、一例として、光ファイバ６の数をｎ本とし、各々の光ファイバ６に対応して、配管２に照射されるレーザ光１０も、Ｐ１〜Ｐｎ（ｎは、２以上の整数）の複数としているが、光ファイバ６、レーザヘッド５や照射されるレーザ光１０の数は、照射条件によって適宜に変更可能であり、少なくとも１つ以上であればよい。

残留応力を改善する際には、本参考例の残留応力改善装置１において、予め、各レーザヘッド５の調整により加熱領域を調整し、制御部８により、レーザ発振器７の出力を制御すると共に回転駆動装置３を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、各レーザヘッド５から照射されるレーザ光１０が、配管２の外周を周回移動しながら配管２の外周面の所定領域に照射され、配管２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管２の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。周回数としては、１回の周回でもよいが、複数の周回としてもよく、複数の周回の場合は、始終端の位置を変更するようにしてもよい。又、加熱温度としては、材料に悪影響を及ぼさない温度とする。更に、本参考例の場合、配管２の内面側を必ずしも強制冷却する必要はない。

最初に、本参考例の管体の残留応力改善装置において、残留応力を改善する原理を簡単に説明する。

配管２の溶接部Ｗ近傍の所定領域の残留応力を改善する場合、本参考例においては、配管２の外周面をレーザ光で加熱して、配管２の外面と内面との間に所定の温度差が生じるように加熱する。このような加熱を行うと、外面は圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記所定領域の内面及び外面の温度差が無くなり、常温付近まで温度が低下すると、外面が引張応力状態になり、内面が圧縮応力状態になり、降伏応力により内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる。このとき、加熱時に発生させる応力の大きさ（ひずみ量）は、少なくとも降伏応力相当以上のひずみ量となるように、レーザ加熱時の条件を設定することが望ましい。このようにして、配管２の内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善することができ、その結果、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。

このように、配管２の外周面（溶接部Ｗ近傍）をレーザ加熱して、所望のひずみ量を得るためには、軸方向照射幅、周方向照射幅を適切な範囲に制御する必要がある。軸方向照射幅、周方向照射幅は、配管２の形状（具体的には、配管２の径、板厚）、更には、配管２の材料、設置環境等に左右されるため、それらの条件に応じて、適切な軸方向照射幅、周方向照射幅を設定するようにしている。

レーザヘッド５に供給されるレーザ光は、光ファイバ６を用いて供給されるため、元々の照射領域が広くなく、所望の軸方向照射幅、周方向照射幅とするためには、レンズ、凹面鏡等を用いて、照射領域を拡げる必要がある。ところが、光ファイバ６は、その同芯度に関して公差を持っており、光ファイバ６を伝送してきたレーザ光線を照射対象の配管へ拡大して照射する場合には、光ファイバ６における数十〜数百μｍオーダーの芯ずれが、レンズ等の拡大倍率によっては、１０ｍｍオーダーの位置ずれとなる問題があった。このような芯ずれは、光ファイバを通信用に用いる場合には問題とならないが、本参考例のように、光ファイバを加熱用レーザビームの伝送に用いると共にその加熱領域と形成温度を高精度に制御したい場合に、大きな問題となってくる。

そして、このような位置ずれが生じた場合、所望の軸方向照射幅、周方向照射幅が得られなくなってしまう。周方向照射幅については、配管２の各軸方向位置における入熱量の周方向積算が温度分布に影響するため、周方向照射幅が多少ずれても、温度分布が大きく変動することはなく、周方向照射幅の許容幅は比較的大きい。一方、軸方向照射幅については、その幅が温度分布に直接影響するため、軸方向照射幅が少しでもずれると、温度分布が大きく変動してしまう。特に、本参考例においては、複数のレーザヘッド５を、配管２の軸方向に沿って一直線状に配置し、複数のレーザヘッド５からのレーザ光１０を、略線状にして、配管２へ照射しようとしているので、隣り合うレーザヘッド５からのレーザ光１０が、配管２の軸方向にずれた場合、レーザ光１０同士の重なる部分の照射量が大きくなりすぎたり、逆に、レーザ光１０同士の重なる部分が無くなり、照射されない領域ができてしまったりするおそれがある。

照射量が大きくなりすぎた場合には、過加熱となり、材料自体に悪影響を与えるおそれがある。照射されない領域ができた場合には、加熱不足となり、その結果、残留応力を十分改善することができず、ＳＣＣ（Stress Corrosion Cracking；配管の応力腐食割れ）を確実に防止できないおそれもある。

又、このような位置ずれが生じた場合、不必要な領域へのレーザ光の照射が発生する場合もあり、その場合、余分なレーザ光の出力が必要となり、レーザ光の出力のムダが発生していた。加えて、位置ずれにより、レーザ光の一部が漏れ光となるおそれもあり、漏れ光により、装置が損傷したり、災害が発生したりするおそれも有った。

そこで、本参考例の管体の残留応力改善装置においては、上述したような問題を克服するべく、光ファイバ６をレーザヘッド５に保持させる機構として、光ファイバ６をその周方向に回転可能に保持する回転保持機構９を用いている。

図２（ａ）、（ｂ）に、本参考例におけるレーザヘッド５の概略構成図を示し、図２（ａ）、（ｂ）を用いて、その構成を説明する。なお、図２（ａ）、（ｂ）においては、内部の光学系の構成を示すため、レーザヘッド５の筐体は省略している。又、見やすくするため、複数のレーザ光のうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、主な光路のみ図示している。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本参考例におけるレーザヘッド５は、各々、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの光路を調整するものである。各光路上の光学系は、同等の構成を有しており、例えば、レーザ光Ｐｎにおいては、レーザ光の進行方向に向かって、順に、レンズ１２、ミラー１３、レンズ１４を有している。従って、レーザ光Ｐ１においては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、レーザ光を拡大するレンズ１２へ入射され、レンズ１２により拡大されたレーザ光が、ミラー１３により配管２の方向へ反射され、ミラー１３により反射されたレーザ光が、レンズ１４により、更に拡大され、レンズ１４により拡大されたレーザ光が、配管２の所望の領域に照射されている。なお、これらの光学系の最前段、最後段に、光学系を保護する保護ガラスを設けるようにしてもよい。

上記光学系において、レーザヘッド５に保持される光ファイバ５に芯ずれが無ければ（同芯度が良い。）、光ファイバ６を保持する周方向位置がどのような角度であっても、後述の図３（ａ）に示すように、その強度ピークやプロファイルはほとんど同一である。ところが、光ファイバ６に芯ずれがあると（同芯度が悪い。）、後述の図３（ｂ）に示すように、光ファイバ６を保持する周方向位置によって、その強度ピークやプロファイルがシフトしてしまう。これは、同芯度が悪いと、レーザ光１０の拡がる角度が、その周方向によって変わってしまうからである。全ての光ファイバの同芯度を０にできればよいが、製造誤差などによる公差は必ず生じてしまう。

このような問題を解決するため、本参考例においては、光ファイバ６をレーザヘッド５側で保持する保持機構に回転機構を持たせて回転保持機構９とし、回転保持機構９を用いて、光ファイバ６を周方向に回転することで、シフトしたレーザ光１０の強度ピークやプロファイルを芯ずれがない状態のピーク位置やプロファイルへ調整している。

このような構成により、光ファイバ６に芯ずれがある場合でも、回転保持機構９を用いて、光ファイバ６の芯ずれに起因するレーザ光１０の強度ピークやプロファイルの位置変動を修正できるので、配管２の軸方向において、必要な照射領域に再現性よくレーザ光を照射することができる。又、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダの低減や漏れ光の抑制により、装置の損傷や災害の発生を防止することができる。

又、メンテナンスの際、取り外した光ファイバ６を付けなおしたり、光ファイバ６自体を他の光ファイバに交換したりした場合でも、各光ファイバに固有の芯ずれを修正すること若しくは芯ずれの影響を最小化することができる。

なお、回転保持機構９は、光ファイバ６を回転可能に保持するものであれば、どのような構成でもよい。例えば、本参考例の回転保持機構９では、その回転保持部９ａが光ファイバ６を回転可能に保持する部分であり、その固定支持部９ｂは、レーザヘッド５の筐体に固定される共に、回転保持部９ａを回転可能に支持する構成である。又、回転可能範囲としては、３６０°回転できる構造が望ましいが、１８０°回転して固定することができれば、少なくとも、１８０°回転できればよく、固定時の角度と回転角で３６０°の回転調整ができれば、無制限に回転させる必要はない。又、その回転角も連続的に変化させても良いし、段階的に（例えば、１５°毎に）変化させても良い。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、参考例１に示した残留応力改善装置１の調整方法、具体的には、回転保持機構９の調整方法について説明を行う。なお、図３（ａ）、（ｂ）は、芯ずれの無い光ファイバと芯ずれのある光ファイバにおいて、その周方向の保持位置を変えた場合の入熱プロファイルのグラフである。

図３（ａ）に示すように、光ファイバ６に芯ずれが無い場合には、その周方向の保持位置を変えた場合でも、その入熱プロファイル（≒照射プロファイル）は殆ど変化することはない。一方、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ６に芯ずれがある場合には、その周方向の保持位置を変えた場合、その入熱プロファイルがシフトしてしまい、配管２の軸方向位置において、必要な照射位置からずれてしまうおそれがある。

そこで、本実施例においては、参考例１で説明したように、回転保持機構９を用いて、光ファイバ６を、その周方向に回転させて、入熱プロファイルを配管２の軸方向にシフトさせることにより、配管２の軸方向位置における必要な照射位置へ入熱プロファイルを移動させることができる。

回転保持機構９における調整方法としては、例えば、以下のような方法で実施すればよい。
（１）レーザ光の照射プロファイルを計測し、その計測結果を見ながら、各レーザヘッド５における回転保持機構９を順次調整する。
（２）レーザ光の照射プロファイルを計測すると共にその計測結果の数値処理を行い、配管２の軸方向において、強度ピーク位置が照射プロファイルの中心となるように、各レーザヘッド５における回転保持機構９を順次調整し、その回転角を決定する。
（３）レーザ光の照射プロファイルを計測し、その計測結果に基づいて、光学解析により光源特性を逆算して、光源特性を設定する。そして、設定した光源特性を用いて、光学解析を行い、配管２におけるレーザ光の照射プロファイルを算出して、配管２の軸方向において、照射プロファイルの中心からの強度ピーク位置のずれが最小となるように、各レーザヘッド５における回転保持機構９を順次調整し、その回転角を決定する。
（４）予め、基準となるピーク位置又はプロファイルを設定しておき、この基準ピーク位置又は基準プロファイルとなるように、回転保持機構９の回転角度を設定する。特に、この設定時に、レーザ光１０のファーフィールドパターンを測定し、この測定結果に基づいて、回転保持機構９の回転角度を設定するようにすれば、より高精度且つ容易に調整可能である。これは、レーザ光１０のファーフィールドパターンを用いる場合、そのビーム径が大きくなるため、そのプロファイル、特に、ピーク位置を顕著にとらえることができるためである。

本発明は、円筒状配管の残留応力の改善に好適なものである。

本発明に係る管体の残留応力改善装置の参考例を示す概略構成図である。 図１に示した残留応力改善装置における光制御部の一例を示す概略構成図であり、（ａ）は、その斜視図であり、（ｂ）は、その側視図である。 （ａ）は、芯ずれの無い光ファイバにおいて、その周方向の保持位置を変えた場合の入熱プロファイルのグラフであり、（ｂ）は、芯ずれのある光ファイバにおいて、その周方向の保持位置を変えた場合の入熱プロファイルのグラフである。

１ 残留応力改善装置
２ 配管
３ 回転駆動装置
４ アーム部
５ 光制御部
６ 光ファイバ
７ レーザ発振器
８ 制御部
９ 回転保持機構
９ａ 固定支持部
９ｂ 回転保持部
１０ レーザ光
１２、１４ レンズ
１３ ミラー

Claims (1)

1. 円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
   レーザ光源からのレーザ光を伝送する少なくとも１つの光ファイバと、
   前記回転駆動手段に保持されると共に、前記光ファイバ各々と光学結合されて、前記光ファイバからのレーザ光の照射領域を調整する光制御部とを有し、
   前記光制御部から照射されたレーザ光の照射領域を管体の周方向に移動しながら、管体の溶接部分の外周面に照射することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置の調整方法であって、
   前記光制御部に取り付けられ、前記光ファイバをその周方向に回転可能に保持する回転保持機構を用いて、
   前記管体の軸方向における前記光ファイバからのレーザ光の強度ピークの位置が、照射プロファイルの中心からずれた場合、ずれがない、若しくは、影響を最小化できるように、前記光ファイバからのレーザ光のファーフィールドパターンを用いて、前記光ファイバの周方向の保持位置を調整することを特徴とする管体の残留応力改善装置の調整方法。

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