JP5580123B2 - 超音波ショットピーニング施工装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力関連施設及びその他の施設における構造物に対してショットピーニング処理を行うための超音波ショットピーニング施工装置に関するものである。

原子炉内構造物は、オーステナイト系ステンレス鋼及びインコネル材などの耐食性及び高温強度に優れた材料により形成されている。しかし、溶接部近傍では溶接入熱により残留応力が形成されており、応力腐食割れ発生の可能性を有している。そのため、応力腐食割れのリスクを低減するために溶接部近傍に対しては、定期又は不定期に実施されるメンテナンスの際に、種々のピーニング処理が行われている。超音波ショットピーニングもそのひとつである（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−３４６７７５号公報

ところで、原子炉内構造物においては、超音波ショットピーニングの処理対象となる溶接個所が数多く有るため、多くの作業時間を要し、メンテナンスの工期短縮を図るのが困難となっている。また、作業時間の増大に伴って作業員の被爆量も、ともすれば増加しがちになる虞がある。

このように超音波ショットピーニングに多くの作業時間を要する主な理由は、溶接個所の多さに加えて、ショットピーニングの処理内容の性質に起因するものである。つまり、超音波ショットピーニング処理においては、溶接ラインに沿って施工装置を円滑に移動させると共に、この移動の際にショットが極力外部に漏れないようにすることが要求されるが、溶接個所の形状や大きさは多種多様であるため、円滑な移動及びショットの漏れ防止を必ずしも確保できるわけではない。

そのため、毎回の処理毎に施工装置外に漏れたショットを回収し、その後に施工装置内にショットを供給しなければならず、したがって、ショットの供給及び回収に多くの時間及び労力を費やさなければならなかった。

また、原子炉内構造物においては、原子炉底部などアクセスの困難な溶接個所がいくつか存在するが、このような溶接個所に対する超音波ショットピーニング処理は、構造物の取換作業等と並行して実施されるのが通常であるため、メンテナンスの工期短縮を図るのが一層困難となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、円滑な移動及びショットの漏れ防止を図ることが可能な超音波ショットピーニング施工装置を提供することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するための手段として、超音波振動を発生させるヘッド本体部、及びこのヘッド本体部の端部に取り付けられたショットホルダ部を有する施工ヘッドを備え、前記ショットホルダ部内に導入された多数のショットを、超音波振動を利用して施工対象物表面に対して投射する、超音波ショットピーニング施工装置において、前記ショットホルダ部は、前記ヘッド本体部から伝達される超音波振動によって前記施工対象物に向けて投射されるショットを、前記施工対象物表面との間に形成される空間内に保持するチャンバ部材と、前記チャンバ部材に取り付けられ、前記ショットがショットホルダ部の外部に漏れるのを防止すると共に、前記施工対象物表面に接触した状態でこの表面上での移動を円滑にするショット漏れ防止部材と、により形成されるものである、ことを特徴とする。

本発明に係る超音波ショットピーニング施工装置によれば、円滑な移動及びショットの漏れ防止を図ることが可能になる。

本発明の各実施形態に係る超音波ショットピーニング施工装置の原子炉内における使用状況を示す説明図。 本発明の第１の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図。 本発明の第２の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図。 本発明の第３の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図。 図４のV-V矢視図であり、チャンバ部材２１の肉厚部２１ａ内に配設された複数のピン部材２８についての配列状態を示した縦断面図。 図５に示した構成の変形例を示す縦断面図。

図１は、本発明の各実施形態に係る超音波ショットピーニング施工装置の原子炉内における使用状況を示す説明図である。この図において、原子炉圧力容器１の底部にはシュラウド２が設けられており、更にこのシュラウド２の内側領域にはＣＲＤ（制御棒駆動機構）ハウジング３がスタブチューブ４を介して取り付けられている。原子炉圧力容器１の側面部には再循環水入口５及び再循環水出口６が設けられており、また、原子炉圧力容器１の内周壁とシュラウド２の外周壁との間にはプレート部材７が設けられている。

原子炉圧力容器１内には、昇降動可能な作業架台装置８が図示を省略した上方側から降下してきており、その下端側に設けられている作業台９上には作業員Ｍ1が乗っている。また、プレート部材７上には別の作業員Ｍ2が乗っており、原子炉圧力容器１及びシュラウド２間に、施工ヘッド押圧手段１２及び施工ヘッド移動手段１３を介して着脱可能に取り付けられている施工ヘッド１０を見守っている。

施工ヘッド１０は、ケーブル部材１１を介して超音波制御装置１４及び施工ヘッド移動制御装置１５に接続されている。本発明の各実施形態に係る超音波ショットピーニング施工装置は、これら施工ヘッド１０、施工ヘッド押圧手段１２、施工ヘッド移動手段１３、超音波制御装置１４、及び施工ヘッド移動制御装置１５等により構成されている。

図２は、本発明の第１の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図である。施工ヘッド１０は、施工ヘッド押圧手段１２に取り付けられており、プレート部材７（施工対象物）の表面に対して一定の圧力で押圧されるようになっている。そして、この施工ヘッド押圧手段１２は施工ヘッド１０と共に、施工ヘッド移動手段１３によって移動できるようになっている。なお、図２における施工ヘッド押圧手段１２及び施工ヘッド移動手段１３は、抽象化して図示したものであり、実際の外観形状とは異なっている。

施工ヘッド１０は、超音波振動を発生させるヘッド本体部１６と、このヘッド本体部１６の端部に取り付けられたショットホルダ部１７とで構成されている。ヘッド本体部１６の内部には、超音波振動発生源となるピエゾ素子１８、及びこのピエゾ素子１８で発生した超音波振動を増幅するアンプ１９が配設されている。そして、アンプ１９の端部には振動部２０が取り付けられており、アンプ１９からの増幅された超音波振動が伝達されるようになっている。

ショットホルダ部１７は、振動部２０に取り付けられた筒体形状のチャンバ部材２１（例えば樹脂製又は金属製）、このチャンバ部材２１の周囲に取り付けられプレート部材７に対向する開口端を有する筒体形状に形成されたブラシ部材２３（例えば、直径０．１〜１．０mmのプラスチック製毛材を使用）、更にこのブラシ部材２３の周囲に取り付けられた筒体形状のゴム製カバー部材２４により構成されている。そして、このブラシ部材２３、及びゴム製カバー部材２４によりショット漏れ防止部材２５が構成されている。

このブラシ部材２３及びゴム製カバー部材２４は、その材質が変形可能なものなので、下端部はプレート部材７の表面に対して密着性が良好になっている。また、プレート部材７の表面に接触するのは、チャンバ部材２１よりも下方に向かって長く伸びているブラシ部材２３及びゴム製カバー部材２４の下端部だけなので、接触面積が小さくなり移動時の摩擦が小さくなっている。

プレート部材７表面とチャンバ部材２１との間に形成される空間内には多数のショット２２が保持されている。図２では図示を省略しているが、ショットホルダ部１７の適当個所にはショット導入窓が設けられており、ショット２２はこの導入窓から導入されるようになっている。なお、ショット２２は、直径が０．５mm〜５mmの球体で、材質はステンレス鋼又はニッケル基合金である。

また、ショットホルダ部１７にはエア供給管２６が取り付けられており、このエア供給管２６の先端部は、ゴム製カバー部材２４、ブラシ部材２３、及びチャンバ部材２１を貫通して、ショット２２に対向している。エア供給管２６には、エアホース２７が接続されており、圧縮エア供給源（図示せず）からのエアがチャンバ部材２１及びブラシ部材２３により形成される空間内に放出されるようになっている。

このエアの放出により、当初はプレート部材７表面上に静止していた多数のショット２２は舞い上がって振動部２０に衝突し、振動部２０に衝突したショット２２は振動エネルギーを得て今度はプレート部材７の表面に衝突する。このように、エア供給管２６から放出されるエアによりショットホルダ部１７の空間内の多数のショット２２は撹拌され、振動部２０及びプレート部材７表面間での衝突の繰り返しにより、施工対象物であるプレート部材７の表面に対するショットピーニング処理が行われるようになっている。

なお、エア供給管２６は、図２のように、ショットホルダ部１７を下向きにして施工ヘッド１０を使用する場合にのみ必要となる部材である（ショット２２がプレート部材７表面上に静止したままでは振動部２０の振動は意味をなさない）。これに対し、前述した特許文献１の構成では、ショットホルダ部が上向きの姿勢でその上方に施工対象物が位置しており、当初からショットが振動部に接触しているので、振動部を振動させればそれだけでショットは跳ね上がるので、エア供給管２６のような部材は不要である。

次に、以上のように構成される第１の実施形態に係る超音波ショットピーニング施工装置を用いて行うショットピーニング処理につき図１及び図２を参照しつつ説明する。

作業員Ｍ2は、施工ヘッド１０が取り付けられている施工ヘッド押圧手段１２、及び施工ヘッド移動手段１３を原子炉圧力容器１及びシュラウド２間に固定し、ショットホルダ部１７の下端側をプレート部材７の表面に密着させた後、前述したショット導入窓から所定量のショット２２を内部に導入する。

そして、作業員Ｍ1が超音波制御装置１４を操作すると、ピエゾ素子１８からの振動がアンプ１９を介して振動部２０に伝達されると共に、圧縮エア供給源からのエアがエアホース２７及びエア供給管２６を通ってショットホルダ部１７の内部に放出される。これにより、プレート部材７表面上に静止していた多数のショット２２は舞い上がって、ショットホルダ部１７の空間内において撹拌され、振動部２０及びプレート部材７表面間でショット２２の衝突が繰り返され、施工対象物であるプレート部材７の表面に対するショットピーニング処理が開始される。

次いで、作業員Ｍ1が施工ヘッド移動制御装置１５を操作すると、施工ヘッド押圧手段１２が施工ヘッド１０と共にプレート部材７表面の溶接部に沿って移動する。このとき、チャンバ部材２１よりも下方に向かって長く伸びているブラシ部材２３及びゴム製カバー部材２４の下端部だけがプレート部材７の表面に接触し、接触面積が小さくなって摩擦が小さくなっているので円滑な移動が可能になっている。

また、施工ヘッド押圧手段１２は、一定圧力で施工ヘッド１０を下方に押圧しているので、ブラシ部材２３及びゴム製カバー部材２４すなわちショット漏れ防止部材２５の下端側は、プレート部材７表面に対する密着が良好に維持される。したがって、たとえプレート部材７の表面が平坦ではなく凹凸になっていたとしても、移動中にショットホルダ部１７の外部に漏れるショット２２を大きく低減することができる。

このように、図２の構成を有する施工ヘッド１０を用いてショットピーニング処理を行えば、施工ヘッド１０を円滑に移動させることができると共に、施工ヘッド１０から外部に漏れるショット２２の量を充分低減することができる。したがって、作業時間を低減しメンテナンスの工期短縮を図ることが可能になり、また、これに伴って作業員の被爆量も大きく低減することが可能になる。

なお、図２における施工ヘッド１０は、傾斜した姿勢で施工ヘッド押圧手段１２に取り付けられており、ショットホルダ部１７も傾斜姿勢に対応した形状に形成されているが、必ずしも傾斜した姿勢に限定されるわけではなく、垂直姿勢で施工ヘッド押圧手段１２に取り付けられるものであってもよい（この場合は、ショットホルダ部１７も垂直姿勢に対応した形状に形成される）。

また、施工ヘッド押圧手段１２に取り付けられている施工ヘッド１０は、この施工ヘッド押圧手段１２から容易に取り外しできるようになっている。したがって、施工ヘッド移動手段１３ではショットホルダ部１７をショットピーニング処理領域まで移動させることができないような場合、又は、ショットピーニング処理領域の形状が複雑な場合などでは、作業員Ｍ2は、施工ヘッド１０をハンディタイプとして手に持って使用することが可能であり、一層の利便性を享受することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図である。図３が図２と異なるのは、ショット漏れ防止部材２５Ａが、チャンバ部材２１の周囲に取り付けられプレート部材７に対向する開口端を有する筒体形状に形成された厚手の（例えば１０mm〜２０mm程度の厚さ）軟質性樹脂部材（例えば合成ゴム、シリコンゴム等）のみで形成されている点である。

図２のショット漏れ防止部材２５は、ブラシ部材２３及びゴム製カバー部材２４の２つの部材により構成されているが、ブラシ部材２３を形成している毛材同士の隙間から若干のショット２２が外部に漏れ出す可能性がある。しかし、この第２の実施形態のように、厚手の軟質性樹脂部材のみによってショット漏れ防止部材２５Ａを形成するようにすれば、ショット２２が外部に漏れ出す可能性を大きく低減することができる。そして、軟質性樹脂部材は伸縮性を有しているため、施工対象物であるプレート部材７表面に凹凸があっても、この凹凸に沿って変形可能であり、良好な密着性を維持することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態の要部である施工ヘッド１０周りの構成を示す説明図である。この実施形態は、ショットホルダ部を構成するショット漏れ防止部材の施工対象物表面に対する摩擦をより小さくすることにより、ショットホルダ部の移動を一層円滑に行うことができるようにしたものである。

図４において、筒体形状のチャンバ部材２１は、その肉厚がかなり厚めに形成されている。このチャンバ部材２１の肉厚部には全周に亘って、複数のピン部材２８（金属製又は硬質樹脂製）が上下動自在に配設されている。複数のピン部材２８の各下端部には摺動球体２９（金属製又は硬質樹脂製）が固着されており、この摺動球体２９が施工対象物であるプレート部材７の表面に当接している。

複数のピン部材２８の上端部には係止部２８ａが形成されており、この係止部２８ａは、チャンバ部材２１の肉厚部２１ａ内に形成されている圧力室２１ｂに収納されている。そして、圧力室２１ｂには、エア供給管３０及びエアホース３１を介して圧縮エア供給源（図示せず）からのエアが供給されるようになっており、振動時には、この供給されたエアのエネルギーにより、ピン部材２８の下端側が施工対象物対向面２１ｄから突出した状態で押圧され、したがって、摺動球体２９が一定圧力でプレート部材７の表面を押圧するようになっている。

図５は、図４のV-V矢視図であり、チャンバ部材２１の肉厚部２１ａ内に配設された複数のピン部材２８についての配列状態を示した縦断面図である。この図に示すように、圧力室２１ｂと施工対象物対向面２１ｄとの間には孔部２１ｃが形成されており、ピン部材２８はこの孔部２１ｃを挿通している。

そして、隣接するピン部材２８同士のピッチＰは、ショット２２の直径Ｄとほぼ同じか又はやや小さくなっており、隣接するピン部材２８同士の隙間からショット２２が外部に漏れるのを充分に防止することが可能な値になっている。

次に、本実施形態の動作につき説明する。作業員Ｍ2がショット導入窓から所定量のショット２２を内部に導入した後、作業員Ｍ1が超音波制御装置１４を操作すると、エアホース２７及びエア供給管２６を通って圧縮エア供給源からのエアがショットホルダ部１７の内部に放出される。これにより、振動部２０及びプレート部材７表面間でショット２２の衝突が繰り返され、プレート部材７の表面に対するショットピーニング処理が開始される。

このとき、圧縮エア供給源からのエアは、エアホース３１及びエア供給管３０も通って圧力室２１ｂ内に供給される。圧力室２１ｂ内にエアが供給されると、係止部２８ａが下方に向かって押し下げられるので、ピン部材２８の下端側が施工対象物対向面２１ｄから突出した状態で押圧される。したがって、ピン部材２８の下端に固着された摺動球体２９は、一定圧力でプレート部材７の表面を押圧する。

次いで、作業員Ｍ1が施工ヘッド移動制御装置１５を操作すると、施工ヘッド押圧手段１２が施工ヘッド１０と共にプレート部材７表面の溶接部に沿って移動する。このとき、摺動球体２９とプレート部材７表面との間は、ほぼ点接触状態となっているので、両者の間の摩擦は非常に小さなものであるため極めて円滑に移動することができる。

また、圧縮エア供給源からのエアによって、摺動球体２９は常時一定圧力でプレート部材７の表面に押し付けられているので、プレート部材７表面に対する密着は良好に維持される。したがって、たとえプレート部材７の表面が平坦ではなく凹凸になっていたとしても、摺動球体２９はこの凹凸状態に精度良く追従することができ、移動中にショットホルダ部１７の外部に漏れるショット２２を大きく低減することができる。

図６は、図５に示した構成の変形例を示す縦断面図である。図６が図５と異なる主な点は、圧力室２１ｂの高さが低くなっており、圧力室２１ｂの天井面と各係止部２８ａの上面との間にバネ部材３２（コイルバネ）が介挿されている点と、エア供給管３０（及びエアホース３１も）が省略されている点である。

すなわち、図５の構成では、圧力室２１ｂ内にエア供給管３０から供給される圧縮エアによって係止部２８ａが下方に向かって押し下げられるようになっているのに対し、図６の構成では、バネ部材３２の付勢力によって係止部２８ａが下方に向かって押し下げられるようになっている。したがって、図６の構成によれば、エア供給管３０及びエアホース３１という圧縮エア供給径路の部材が不要になるので、より簡単な構成とすることができ、また、チャンバ部材２１の高さ寸法を短くすることができる。

１：原子炉圧力容器
２：シュラウド
３：ＣＲＤハウジング
４：スタブチューブ
５：再循環水入口
６：再循環水出口
７：プレート部材（施工対象物）
８：作業架台装置
９：作業台
１０：施工ヘッド
１１：ケーブル部材
１２：施工ヘッド押圧手段
１３：施工ヘッド移動手段
１４：超音波制御装置
１５：施工ヘッド移動制御装置
１６：ヘッド本体部
１７：ショットホルダ部
１８：ピエゾ素子
１９：アンプ
２０：振動部
２１：チャンバ部材
２１ａ：肉厚部
２１ｂ：圧力室
２１ｃ：孔部
２１ｄ：施工対象物対向面
２２：ショット
２３：ブラシ部材
２４：ゴム製カバー部材
２５，２５Ａ，２５Ｂ：ショット漏れ防止部材
２６：エア供給管
２７：エアホース
２８：ピン部材
２８ａ：係止部
２９：摺動球体
３０：エア供給管
３１：エアホース
３２：バネ部材
Ｍ1，Ｍ2：作業員

Claims (3)

1. 超音波振動を発生させるヘッド本体部、及びこのヘッド本体部の端部に取り付けられたショットホルダ部を有する施工ヘッドを備え、
   前記ショットホルダ部内に導入された多数のショットを、超音波振動を利用して施工対象物表面に対して投射する、超音波ショットピーニング施工装置において、
   前記ショットホルダ部は、
   前記ヘッド本体部から伝達される超音波振動によって前記施工対象物に向けて投射されるショットを、前記施工対象物表面との間に形成される空間内に保持するチャンバ部材と、
   前記チャンバ部材に取り付けられ、前記ショットがショットホルダ部の外部に漏れるのを防止すると共に、前記施工対象物表面に接触した状態でこの表面上での移動を円滑にするショット漏れ防止部材と、
   により形成され、
   このショット漏れ防止部材は、
   前記チャンバ部材の肉厚部内に、ショットの漏れを防止するのに充分な程度に狭いピッチで上下動自在に配設され、振動時にはエア供給源から供給されたエアのエネルギーにより施工対象物対向面から突出した状態で前記施工対象物へ向けて押圧される複数のピン部材と、
   前記複数のピン部材の各下端部に固着され、前記施工対象物の表面を押圧する複数の摺動球体と、
   により形成されるものである、
   ことを特徴とする超音波ショットピーニング施工装置。
2. 超音波振動を発生させるヘッド本体部、及びこのヘッド本体部の端部に取り付けられたショットホルダ部を有する施工ヘッドを備え、
   前記ショットホルダ部内に導入された多数のショットを、超音波振動を利用して施工対象物表面に対して投射する、超音波ショットピーニング施工装置において、
   前記ショットホルダ部は、
   前記ヘッド本体部から伝達される超音波振動によって前記施工対象物に向けて投射されるショットを、前記施工対象物表面との間に形成される空間内に保持するチャンバ部材と、
   前記チャンバ部材に取り付けられ、前記ショットがショットホルダ部の外部に漏れるのを防止すると共に、前記施工対象物表面に接触した状態でこの表面上での移動を円滑にするショット漏れ防止部材と、
   により形成され、
   このショット漏れ防止部材は、
   前記チャンバ部材の肉厚部内に、ショットの漏れを防止するのに充分な程度に狭いピッチでバネ部材を介して上下動自在に配設され、振動時にはこのバネ部材の付勢力により施工対象物対向面から突出した状態で前記施工対象物へ向けて押圧される複数のピン部材と、
   前記複数のピン部材の各下端部に固着され、前記施工対象物の表面を押圧する複数の摺動球体と、
   により形成されるものである、
   ことを特徴とする超音波ショットピーニング施工装置。
3. 前記施工ヘッドを前記施工対象物表面に対して押圧する施工ヘッド押圧手段と、
   前記施工ヘッド及び前記施工ヘッド押圧手段を移動する施工ヘッド移動手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波ショットピーニング施工装置。

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