JP5627761B2

JP5627761B2 - Water jet peening method

Info

Publication number: JP5627761B2
Application number: JP2013265123A
Authority: JP
Inventors: 波東　久光; 久光波東; 昇齋藤; 廉守中; 智彦元木; 潤柏倉; 唯司飯島; 祐一小出
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP5559961B2; JP2009072904A; JP2014076539A

Description

本発明は、ウォータージェットおよびキャビテーションの圧壊圧力により材料表面に衝撃力を与え、残留応力を改善または洗浄または表面改質を行うウォータージェットピーニング施工方法に関する。 The present invention relates to a water jet peening method for applying an impact force to a material surface by a crushing pressure of a water jet and cavitation to improve, clean or modify the residual stress.

特許文献１には、ウォータージェットピーニング法において、ウォータージェットピーニングの効果を高めるために、スタンドオフ距離，噴射圧力あるいは噴射衝突時間を変化させることが、特許文献２には、ウォータージェットピーニング装置において、ウォータージェットピーニングの効果を高めるために、キャビテーション発生時の衝撃パルスを検出して、ノズルと加工対象物の距離やノズルからの噴射圧力の条件設定することが、開示されている。 In Patent Document 1, in the water jet peening method, in order to enhance the effect of water jet peening, the standoff distance, the injection pressure, or the injection collision time can be changed. In Patent Document 2, in the water jet peening apparatus, In order to enhance the effect of water jet peening, it is disclosed to detect the impact pulse when cavitation occurs and set the conditions of the distance between the nozzle and the workpiece and the injection pressure from the nozzle.

特開平７−３２８８５５号公報JP 7-328855 A 特開平６−０４７６６８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-047668

上記の従来技術は、ウォータージェットピーニング時に発生する強制加振振動で施工対象物が共振する可能性に関して配慮されていなかった。 In the above-described conventional technology, no consideration has been given to the possibility that the work object will resonate due to forced vibration generated during water jet peening.

本発明の目的は、ウォータージェットピーニング施工対象物の共振を防止する方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for preventing resonance of a water jet peening object.

上記目的は、以下のプロセスにより達成される。
（１）ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数とウォータージェットピーニングの強制加振振動数とが異なるようにウォータージェットピーニングを施工し、共振を押さえることで達成される。ここで、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数は、固有振動数が強制加振振動数より十分に大きいロードセルに噴射受け板を固定し、噴射受け板に対してウォータージェットピーニングを行い、ロードセルで検出される荷重データを分析することにより求める。
（２）ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を変えるには、ウォータージェットピーニングのノズルと施工対象物の噴射距離を変えることで達成される。ウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）と噴射距離（mm）の関係は、以下の二つの５次多項式近似で予測できる。 The above object is achieved by the following process.
(1) Water jet peening is performed so that the natural frequency of the water jet peening object is different from the forced vibration frequency of water jet peening, and is achieved by suppressing resonance. Here, the forced vibration frequency of water jet peening is determined by fixing the spray receiving plate to a load cell whose natural frequency is sufficiently larger than the forced vibration frequency, performing water jet peening on the spray receiving plate, It is obtained by analyzing the detected load data.
(2) The forced vibration frequency of water jet peening can be changed by changing the jet distance between the water jet peening nozzle and the construction object. The relationship between the forced vibration frequency (Hz) and the injection distance (mm) of water jet peening can be predicted by the following two fifth-order polynomial approximations.

ｙ＝−１Ｅ−０９ｘ⁵＋１Ｅ−０６ｘ⁴−０.０００４ｘ³＋０.０８６５ｘ²
−８.８５９８ｘ＋７７３ …式（１）
ｙ＝１Ｅ−０９ｘ⁵−９Ｅ−０７ｘ⁴＋０.０００２ｘ³−０.０１９７ｘ²
−０.０２７４ｘ＋２７２ …式（２）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数を、ｘはウォータージェットピーニングのノズルと施工対象物の噴射距離を示す。 ^{y = -1E-09x 5 + 1E} -06x 4 -0.0004x 3 + 0.0865x 2
−8.8598x + 773 Formula (1)
^{y = 1E-09x 5 -9E-} 07x 4 + 0.0002x 3 -0.0197x 2
−0.0274x + 272 Formula (2)
Here, y represents the forced vibration frequency of water jet peening, and x represents the jet distance of the water jet peening nozzle and the construction object.

ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるような噴射距離条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。 If water jet peening is performed under a jet distance condition that results in a water jet peening forced vibration frequency that is more than ± 10% away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification will decrease. The occurrence of resonance can be prevented.

式（１），（２）において、噴射距離１００mm以下の範囲でウォータージェットピーニングの強制加振振動数が大きく変化するので、この領域はウォータージェットピーニングの強制加振振動数の調整性に優れている。また噴射距離２０mm未満は、材料表面にエロージョンが発生しやすくなるため実用的でない。従って、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の調整性に優れ、かつ材料表面へのエロージョンの影響が少ない、噴射距離１００mmから２０mmの範囲は特に好適である。 In formulas (1) and (2), the forced vibration frequency of water jet peening changes greatly within the range of the injection distance of 100 mm or less, so this region has excellent adjustability of the forced vibration frequency of water jet peening. Yes. An injection distance of less than 20 mm is not practical because erosion tends to occur on the material surface. Therefore, the range of the injection distance of 100 mm to 20 mm, which is excellent in adjustability of the forced vibration frequency of water jet peening and has little influence of erosion on the material surface, is particularly suitable.

式（１）において、噴射距離１００mmから２５０mmの間は、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が、約４５０Ｈｚ一定で、また式（２）においても、噴射距離１００mmから２５０mmの間は、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が、約２００Ｈｚ一定となるため、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数が約２００Ｈｚおよび約４５０Ｈｚ以外にある場合は、噴射距離を１００mmから２５０mmの間で選定することで、安定して共振の発生を防止できる。
（３）ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を変えるには、噴射流量を変えることで達成される。ウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）と噴射流量（Ｌ／min）の関係は、以下の二つの線形近似で予測することができる。 In Formula (1), the forced vibration frequency of water jet peening is constant at about 450 Hz when the spray distance is between 100 mm and 250 mm. Also in Formula (2), when the spray distance is between 100 mm and 250 mm, Since the forced vibration frequency of peening is constant at about 200 Hz, if the natural frequency of the water jet peening object is other than about 200 Hz or about 450 Hz, the injection distance should be selected between 100 mm and 250 mm. Thus, the occurrence of resonance can be prevented stably.
(3) Changing the forced vibration frequency of water jet peening is achieved by changing the injection flow rate. The relationship between the forced vibration frequency (Hz) of water jet peening and the injection flow rate (L / min) can be predicted by the following two linear approximations.

ｙ＝−３.８ｘ＋６３１ …式（３）
ｙ＝−４.１ｘ＋４０７ …式（４）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数を、ｘは噴射流量を示す。ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるような噴射流量条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。ウォータージェットピーニングの噴射流量が少ないと、１回の施工で応力改善できる幅が小さくなる。一方、噴射流量が多いと１回の施工で応力改善できる幅は大きくなるが、高圧水を噴射するための高圧ポンプが高価になる。従って、１回の施工で得られる応力改善幅が大きく、高圧ポンプが廉価な、噴射流量２０Ｌ／minから５０Ｌ／minの間で噴射流量を選定することで、工業的価値を保ちながら、共振の発生を防止できるので、この範囲は特に好適である。
（４）ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を変えるには、ウォータージェットピーニングのノズル径を変えることで達成される。ウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）とノズル径（mm）の関係は、以下の二つの線形近似で予測することができる。 y = -3.8x + 631 Formula (3)
y = −4.1x + 407 (4)
Here, y represents the forced vibration frequency of water jet peening, and x represents the injection flow rate. When water jet peening is applied under the condition of water jet peening with a forced vibration frequency of water jet peening that is more than ± 10% away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification is reduced. The occurrence of resonance can be prevented. If the injection flow rate of water jet peening is small, the width in which stress can be improved by one construction is reduced. On the other hand, if the injection flow rate is large, the range in which the stress can be improved by one construction increases, but a high-pressure pump for injecting high-pressure water becomes expensive. Therefore, by selecting the injection flow rate between 20 L / min and 50 L / min, the stress improvement range obtained by one installation is large and the high-pressure pump is inexpensive, while maintaining industrial value, Since this can be prevented, this range is particularly suitable.
(4) Changing the forced vibration frequency of water jet peening can be achieved by changing the nozzle diameter of water jet peening. The relationship between forced vibration frequency (Hz) and nozzle diameter (mm) of water jet peening can be predicted by the following two linear approximations.

ｙ＝−１５１.３ｘ＋７５５ …式（５）
ｙ＝−１７９ｘ＋５７６ …式（６）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数を、ｘはノズル径を示す。ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるようなノズル径の条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。ウォータージェットピーニングのノズル径が小さいと、１回の施工で応力改善できる幅が小さくなる。一方、ノズル径が大きいと１回の施工で応力改善できる幅は大きくなるが、高圧水を噴射するための高圧ポンプが高価になる。従って、１回の施工で得られる応力改善幅が大きく、高圧ポンプが廉価な、ノズル径１mmから２mmの間でノズル径を選定することで、工業的価値を保ちながら、共振の発生を防止できるので、この範囲は特に好適である。 y = -151.3x + 755 ... Formula (5)
y = -179x + 576 Formula (6)
Here, y represents the forced vibration frequency of water jet peening, and x represents the nozzle diameter. When water jet peening is performed under the condition of the nozzle diameter such that the forced vibration frequency of water jet peening is ± 10% or more away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification decreases. The occurrence of resonance can be further prevented. If the nozzle diameter of the water jet peening is small, the width in which the stress can be improved by one construction is small. On the other hand, when the nozzle diameter is large, the range in which the stress can be improved by one construction increases, but the high-pressure pump for injecting high-pressure water becomes expensive. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of resonance while maintaining industrial value by selecting the nozzle diameter between 1 mm and 2 mm with a large range of stress improvement that can be obtained in one installation and inexpensive high-pressure pump. Therefore, this range is particularly suitable.

つまり、本発明のウォータージェットピーニング施工方法は、ウォータージェットおよびキャビテーションの圧壊圧力により材料表面に衝撃力を与え、残留応力を改善または洗浄または表面改質を行うものであって、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数とが異なるように、ウォータージェットピーニングを施工することで、共振を避けることを特徴とする。 That is, the water jet peening construction method of the present invention applies impact force to the material surface by the crushing pressure of the water jet and cavitation, and improves or cleans or reforms the residual stress. It is characterized by avoiding resonance by applying water jet peening so that the natural frequency of the object and the forced vibration frequency of water jet peening are different.

この際、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数とウォータージェットピーニングの強制加振振動数とが異なるようにする手段として、
（１）ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズルとウォータージェットピーニング施工対象物との噴射距離を変える、
（２）ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズルから噴射される噴射流量を変える、
（３）ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズル径を変える、
こうした手段で、共振を避けることを特徴とする。 At this time, as a means to make the natural frequency of the water jet peening object to be different from the forced vibration frequency of the water jet peening,
(1) Change the injection distance between the water jet peening nozzle and the water jet peening object according to the natural frequency of the water jet peening object.
(2) The injection flow rate injected from the nozzle of the water jet peening is changed according to the natural frequency of the water jet peening object.
(3) Change the nozzle diameter of the water jet peening according to the natural frequency of the water jet peening construction object.
It is characterized by avoiding resonance by such means.

本発明は、ウォータージェットピーニング施工対象物の共振の可能性を低減することができる。 The present invention can reduce the possibility of resonance of a water jet peening object.

ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を測定する測定装置である。It is a measuring device that measures the forced vibration frequency of water jet peening. ウォータージェットピーニングの強制加振振動数測定結果を周波数分析した代表例である。It is the typical example which frequency-analyzed the forced vibration frequency measurement result of water jet peening. 噴射距離を１０mm〜３００mmの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した結果である。It is the result which showed the change of the forced vibration frequency of water jet peening when an injection distance is made into a parameter in the range of 10 mm-300 mm. 図３の結果を５次式の近似式で示した結果である。It is the result which showed the result of FIG. 3 with the approximate expression of the quintic. 沸騰水型原子炉への適用例を示す図である。It is a figure which shows the example of application to a boiling water reactor. 噴射流量を２０Ｌ／min〜４８Ｌ／minの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した結果である。It is the result which showed the change of the forced vibration frequency of water jet peening when an injection flow rate is made into a parameter in the range of 20 L / min-48 L / min. 図６の結果を線形の近似式で示した結果である。It is the result which showed the result of FIG. 6 with the linear approximate expression. ノズル径を１mm〜２mmの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した結果である。It is the result which showed the change of the forced vibration frequency of water jet peening when a nozzle diameter is used as a parameter in the range of 1 mm to 2 mm. 図８の結果を線形の近似式で示した結果である。It is the result which showed the result of FIG. 8 with the linear approximation formula.

図１に、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を測定する測定装置を示す。 FIG. 1 shows a measuring apparatus for measuring the forced vibration frequency of water jet peening.

荷重を測定するロードセル１に、固定治具２、および、噴射受け板３を取り付ける。これらを水槽６に固定する。高圧ポンプ８で増圧された純水７は、圧力計１５で噴射圧力１６を計測されるとともに、流量調節弁１１，導水チューブ９を通り、噴射ノズル４に供給される。噴射ノズル４には、噴射速度を上げるために小径の穴が設けられており、これをノズル径１２と称呼する。噴射ノズル４から噴射された純水７は、ウォータージェット５となって噴射受け板３に衝突する。 A fixing jig 2 and a jet receiving plate 3 are attached to a load cell 1 for measuring a load. These are fixed to the water tank 6. The pure water 7 increased in pressure by the high-pressure pump 8 is measured for the injection pressure 16 by the pressure gauge 15 and is supplied to the injection nozzle 4 through the flow control valve 11 and the water guide tube 9. The injection nozzle 4 is provided with a small-diameter hole for increasing the injection speed, and this is referred to as a nozzle diameter 12. The pure water 7 injected from the injection nozzle 4 becomes a water jet 5 and collides with the injection receiving plate 3.

この衝突により発生する荷重をロードセル１で検出する仕組みとなっている。ロードセル１で検出された荷重データを分析してウォータージェットピーニングの強制加振振動数を評価する。ここで、噴射ノズル４から噴射受け板３までの距離を噴射距離１０，噴射ノズル４と噴射受け板３の角度を噴射角度１３，噴射ノズル４から噴射されるウォータージェット５の流量を噴射流量１４，圧力計１５で計測される圧力を噴射圧力１６とする。測定の主な仕様を以下に示す。 The load generated by the collision is detected by the load cell 1. The load data detected by the load cell 1 is analyzed to evaluate the forced vibration frequency of water jet peening. Here, the distance from the injection nozzle 4 to the injection receiving plate 3 is the injection distance 10, the angle between the injection nozzle 4 and the injection receiving plate 3 is the injection angle 13, and the flow rate of the water jet 5 injected from the injection nozzle 4 is the injection flow rate 14. The pressure measured by the pressure gauge 15 is taken as the injection pressure 16. The main specifications of the measurement are shown below.

・ロードセル定格容量：±１０ｋＮ
ウォータージェットピーニングで発生する荷重値より十分に大きく設定。・ Load cell rated capacity: ± 10kN
Set sufficiently larger than the load value generated by water jet peening.

・ロードセル固有振動数：２１ｋＨｚ
ロードセルの固有振動数が低い場合、ロードセル自体が、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数と共振する可能性があるので、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数より十分大きい固有振動数に設定。 -Load cell natural frequency: 21 kHz
When the natural frequency of the load cell is low, the load cell itself may resonate with the forced vibration frequency of water jet peening, so set the natural frequency sufficiently higher than the forced vibration frequency of water jet peening.

・測定周波数：４０９６Ｈｚ
ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が十分計測できるように、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の約１０倍に設定。・ Measurement frequency: 4096Hz
Set to about 10 times the forced vibration frequency of water jet peening so that the forced vibration frequency of water jet peening can be measured sufficiently.

・測定時間：噴射後１０秒後から１０秒間
振動特性が安定した後測定するように設定。・ Measurement time: 10 seconds after jetting and 10 seconds Set to measure after vibration characteristics have stabilized.

また、水中に入る計測系は全て防水処理が施されている。 In addition, all measuring systems that enter the water are waterproofed.

図２には、ノズル径１２：２mm，噴射流量１４：４８Ｌ／min，噴射距離１０：１５０mm，噴射角度１３：９０°，噴射圧力１６：７０ＭＰａの条件で得られた荷重データの周波数分析結果を代表例として示す。この周波数分析結果は得られたデータを高速フーリエ変換して求めたものである。 FIG. 2 shows frequency analysis results of load data obtained under the conditions of a nozzle diameter of 12: 2 mm, an injection flow rate of 14:48 L / min, an injection distance of 10: 150 mm, an injection angle of 13: 90 °, and an injection pressure of 16:70 MPa. A representative example is shown. This frequency analysis result is obtained by fast Fourier transform of the obtained data.

図２より、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数は、約２００Ｈｚと約４５０Ｈｚにあることが判った。従って、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数が、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数と一致する場合は、共振が発生する場合があることが判った。 From FIG. 2, it was found that the forced vibration frequency of water jet peening is about 200 Hz and about 450 Hz. Accordingly, it has been found that resonance may occur when the natural frequency of the water jet peening object matches the forced vibration frequency of water jet peening.

図３には、ノズル径１２：２mm，噴射流量１４：４８Ｌ／min，噴射角度１３：９０°，噴射圧力１６：７０ＭＰａで噴射距離１０を１０mm〜３００mmの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した。図３より、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数は、噴射距離１０に応じて変化することが判った。 FIG. 3 shows a water jet when the nozzle diameter is 12: 2 mm, the injection flow rate is 14:48 L / min, the injection angle is 13: 90 °, the injection pressure is 16:70 MPa, and the injection distance is 10 to 300 mm. The change of peening forced vibration frequency was shown. From FIG. 3, it was found that the forced vibration frequency of water jet peening changes according to the injection distance 10.

図４には、図３のデータをもとに、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数と噴射距離１０の関係を近似性に優れる５次の多項式で近似した近似曲線および近似式を示した。この近似式よりウォータージェットピーニングの強制加振振動数と噴射距離１０の関係は、下式で示されることが判った。 FIG. 4 shows an approximate curve and an approximate expression in which the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the injection distance 10 is approximated by a fifth-order polynomial having excellent closeness based on the data of FIG. From this approximate expression, it was found that the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the injection distance 10 is expressed by the following expression.

ｙ＝−１Ｅ−０９ｘ⁵＋１Ｅ−０６ｘ⁴−０.０００４ｘ³＋０.０８６５ｘ²
−８.８５９８ｘ＋７７３ …式（１）
ｙ＝１Ｅ−０９ｘ⁵−９Ｅ−０７ｘ⁴＋０.０００２ｘ³−０.０１９７ｘ²
−０.０２７４ｘ＋２７２ …式（２）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）を、ｘはウォータージェットピーニングのノズルと施工対象物の噴射距離（mm）を示す。 ^{y = -1E-09x 5 + 1E} -06x 4 -0.0004x 3 + 0.0865x 2
−8.8598x + 773 Formula (1)
^{y = 1E-09x 5 -9E-} 07x 4 + 0.0002x 3 -0.0197x 2
−0.0274x + 272 Formula (2)
Here, y represents the forced vibration frequency (Hz) of water jet peening, and x represents the spray distance (mm) between the nozzle of the water jet peening and the construction object.

従って、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が一致する場合は、共振が発生する場合があるため、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数を、あらかじめ測定や解析で求め、それと異なるように式（１），式（２）より噴射距離１０を選定することで、施工対象物の共振を防止できる。また、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるような噴射距離条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。 Therefore, when the natural frequency of the water jet peening object and the forced vibration frequency of the water jet peening coincide with each other, resonance may occur. The resonance of the construction object can be prevented by selecting the injection distance 10 from the formulas (1) and (2) so as to be obtained by measurement and analysis in advance and different from those. In addition, if water jet peening is performed under a jet distance condition that results in a forced vibration frequency of water jet peening that is more than ± 10% away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification will decrease. Thus, the occurrence of resonance can be prevented.

式（１）において、噴射距離１００mmから２５０mmの間は、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が、約４５０Ｈｚ一定で、また式（２）においても、噴射距離１００mmから２５０mmの間は、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が、約２００Ｈｚ一定となるため、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数が約２００Ｈｚおよび約４５０Ｈｚ以外にある場合は、噴射距離を１００mmから２５０mmの間で選定することで、安定して共振の発生を防止できる。 In Formula (1), the forced vibration frequency of water jet peening is constant at about 450 Hz when the spray distance is between 100 mm and 250 mm. Also in Formula (2), when the spray distance is between 100 mm and 250 mm, Since the forced vibration frequency of peening is constant at about 200 Hz, if the natural frequency of the water jet peening object is other than about 200 Hz or about 450 Hz, the injection distance should be selected between 100 mm and 250 mm. Thus, the occurrence of resonance can be prevented stably.

上述の結果を得るための本発明の第一の実施例のウォータージェットピーニングの方法を図５を用いて示す。本実施例のウォータージェットピーニング方法は沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器１７内に位置するコアシュラウド１８等に適用される。コアシュラウド１８は原子炉圧力容器１７内に設置されている。 A water jet peening method according to the first embodiment of the present invention for obtaining the above-described results will be described with reference to FIG. The water jet peening method of the present embodiment is applied to the core shroud 18 and the like located in the reactor pressure vessel 17 of the boiling water reactor. The core shroud 18 is installed in the reactor pressure vessel 17.

原子炉圧力容器１７と、原子炉圧力容器１７の上に配置された原子炉ウェル１９は冷却水で満たされている。ウォータージェットピーニング装置２０は、噴射ノズル４，高圧ポンプ８，導水チューブ９、および流量調節弁１１を有する。噴射ノズル４は導水チューブ９によって高圧ポンプ８に接続されている。流量調節弁１１は導水チューブ９に取り付けられる。噴射ノズル４は、図１のノズル４と同様の構成を有する。 The reactor pressure vessel 17 and the reactor well 19 disposed on the reactor pressure vessel 17 are filled with cooling water. The water jet peening apparatus 20 includes an injection nozzle 4, a high pressure pump 8, a water guide tube 9, and a flow rate adjustment valve 11. The injection nozzle 4 is connected to a high-pressure pump 8 by a water guide tube 9. The flow control valve 11 is attached to the water guide tube 9. The injection nozzle 4 has the same configuration as the nozzle 4 of FIG.

高圧ポンプ８と、圧力計１５は、原子炉ウェル１９の上のオペレーションフロア２１に設置される。コアシュラウド１８にウォータージェットピーニングが実施される際、マニピュレータ（図示せず）に取り付けられた噴射ノズル４は、マニピュレータによりコアシュラウド１８の中に入れられ、コアシュラウド１８の冷却水中に浸される。噴射ノズル４の噴出口をコアシュラウド１８に向ける。本実施例では噴射ノズル４およびコアシュラウド１８を１４０mm離して配置した。 The high-pressure pump 8 and the pressure gauge 15 are installed on the operation floor 21 above the reactor well 19. When water jet peening is performed on the core shroud 18, the injection nozzle 4 attached to a manipulator (not shown) is put into the core shroud 18 by the manipulator and immersed in the cooling water of the core shroud 18. The jet nozzle 4 is directed toward the core shroud 18. In this embodiment, the spray nozzle 4 and the core shroud 18 are arranged 140 mm apart.

高圧ポンプ８を立ち上げ、高圧ポンプによって加圧された純水を導水チューブ９を通して噴射ノズル４に注入し、加圧された純水を噴射ノズル４の噴出口よりコアシュラウド１８の内面に噴射する。噴射ノズル４から噴射されたウォータージェットはコアシュラウド１８の内面に衝突させる。この際ウォータージェット５に含まれていた気泡は衝撃波を発生させる。 The high pressure pump 8 is started up, pure water pressurized by the high pressure pump is injected into the injection nozzle 4 through the water guide tube 9, and the pressurized pure water is injected from the injection nozzle 4 to the inner surface of the core shroud 18. . The water jet ejected from the ejection nozzle 4 collides with the inner surface of the core shroud 18. At this time, the bubbles contained in the water jet 5 generate a shock wave.

衝撃波はコアシュラウド１８の内面に衝突し、コアシュラウド１８の内面に衝撃を与え、コアシュラウド１８の内面の少なくとも一部に圧縮残留応力を発生させる。噴射ノズル４とコアシュラウド１８の内表面との間の距離Ｌにより、コアシュラウド１８中のウォータージェットピーニングで発生する強制加振振動数は、コアシュラウド１８の固有振動数と異ならせることが可能である。従って、コアシュラウド１８において、共鳴の発生を防ぐことが可能となる。 The shock wave collides with the inner surface of the core shroud 18, impacts the inner surface of the core shroud 18, and generates compressive residual stress on at least a part of the inner surface of the core shroud 18. Depending on the distance L between the injection nozzle 4 and the inner surface of the core shroud 18, the forced vibration frequency generated by water jet peening in the core shroud 18 can be made different from the natural frequency of the core shroud 18. is there. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of resonance in the core shroud 18.

図６には、ノズル径１２：２mm，噴射距離１０：１５０mm，噴射角度１３：９０°で、噴射圧力１６を調整し、噴射流量１４を２０Ｌ／min〜４８Ｌ／minの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した。図６より、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数は、噴射流量１４に応じて変化することが判った。 FIG. 6 shows a case where the nozzle diameter is 12: 2 mm, the injection distance is 10: 150 mm, the injection angle is 13: 90 °, the injection pressure 16 is adjusted, and the injection flow rate 14 is a parameter in the range of 20 L / min to 48 L / min. The change of forced vibration frequency of water jet peening was shown. From FIG. 6, it was found that the forced vibration frequency of water jet peening changes according to the injection flow rate 14.

図７には、図６のデータをもとに、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数と噴射距離１０の関係を線形近似で近似した近似曲線および近似式を示した。この近似式よりウォータージェットピーニングの強制加振振動数と噴射流量１４の関係は、下式で示されることが判った。 FIG. 7 shows an approximate curve and an approximate expression in which the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the injection distance 10 is approximated by linear approximation based on the data of FIG. From this approximate expression, it was found that the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the injection flow rate 14 is expressed by the following expression.

ｙ＝−３.８ｘ＋６３１ …式（３）
ｙ＝−４.１２ｘ＋４０７ …式（４）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）を、ｘは噴射流量（Ｌ／min）を示す。 y = -3.8x + 631 Formula (3)
y = -4.12x + 407 Formula (4)
Here, y represents the forced vibration frequency (Hz) of water jet peening, and x represents the injection flow rate (L / min).

従って、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が一致する場合は、共振が発生する場合があるため、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数を、あらかじめ測定や解析で求め、それと異なるように式（３），式（４）より噴射流量１４を選定することで、施工対象物の共振を防止できる。また、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるような噴射流量条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。 Therefore, when the natural frequency of the water jet peening object and the forced vibration frequency of the water jet peening coincide with each other, resonance may occur. The resonance of the construction object can be prevented by selecting the injection flow rate 14 from the equations (3) and (4) so as to be obtained by measurement and analysis in advance and different from those. In addition, if water jet peening is performed under a jet flow condition that results in a forced vibration frequency of water jet peening that is more than ± 10% away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification will decrease. Thus, the occurrence of resonance can be prevented.

ウォータージェットピーニングの噴射流量が少ないと、１回の施工で応力改善できる幅が小さくなる。また、噴射流量が多いと１回の施工で応力改善できる幅は大きくなるが、高圧水を噴射するための高圧ポンプが高価になる。従って、１回の施工で得られる応力改善幅が大きく、高圧ポンプが廉価な、噴射流量２０Ｌ／minから５０Ｌ／minの間で噴射流量を選定することで、工業的価値を保ちながら、共振の発生を防止できるので、この範囲は特に好適である。 If the injection flow rate of water jet peening is small, the width in which stress can be improved by one construction is reduced. Further, when the injection flow rate is large, the range in which the stress can be improved by one construction increases, but the high-pressure pump for injecting high-pressure water becomes expensive. Therefore, by selecting the injection flow rate between 20 L / min and 50 L / min, the stress improvement range obtained by one installation is large and the high-pressure pump is inexpensive, while maintaining industrial value, Since this can be prevented, this range is particularly suitable.

図５を用いて、上記第二の実施例のウォータージェットピーニングの実施について説明する。本実施例では、噴射ノズル４より噴出される純水の流量Ｑ、すなわち、ウォータージェット５の流量Ｑは流量調節弁１１によって調整される。本実施例では噴射される流量は４８Ｌ／分とした。本実施例では、実施例１と同様にコアシュラウド１８の表面の少なくとも一部に圧縮残留応力を与える。噴射される流量Ｑにより、コアシュラウド１８中でウォータージェットピーニングで発生する強制加振振動数はコアシュラウド１８の固有振動数と異ならせることが可能である。従って、コアシュラウド１８において、共振の発生を防ぐことが可能となる。 Implementation of water jet peening according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the flow rate Q of pure water ejected from the ejection nozzle 4, that is, the flow rate Q of the water jet 5 is adjusted by the flow rate control valve 11. In this embodiment, the flow rate to be injected is 48 L / min. In the present embodiment, a compressive residual stress is applied to at least a part of the surface of the core shroud 18 as in the first embodiment. The forced vibration frequency generated by water jet peening in the core shroud 18 can be made different from the natural frequency of the core shroud 18 by the flow rate Q to be injected. Therefore, it is possible to prevent occurrence of resonance in the core shroud 18.

図８には、噴射距離１０：１５０mm，噴射角度１３：９０°，噴射圧力１６：７０ＭＰａ，ノズル径１２を１mm〜２mmの範囲でパラメータとした場合の、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数の変化を示した。尚、噴射流量１４はノズル径１２により変化し、ノズル径が小さくなると減少する。図８より、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数は、ノズル径１２に応じて変化することが判った。 FIG. 8 shows the forced vibration frequency of water jet peening when the injection distance is 10: 150 mm, the injection angle is 13: 90 °, the injection pressure is 16:70 MPa, and the nozzle diameter is 12 mm to 2 mm. Showed changes. The injection flow rate 14 varies depending on the nozzle diameter 12, and decreases as the nozzle diameter decreases. From FIG. 8, it was found that the forced vibration frequency of water jet peening changes depending on the nozzle diameter 12.

図９には、図８のデータをもとに、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数とノズル径１２の関係を線形近似で近似した近似曲線および近似式を示した。この近似式よりウォータージェットピーニングの強制加振振動数とノズル径１２の関係は、下式で示されることが判った。 FIG. 9 shows an approximate curve and an approximate expression in which the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the nozzle diameter 12 is approximated by linear approximation based on the data of FIG. From this approximate expression, it was found that the relationship between the forced vibration frequency of water jet peening and the nozzle diameter 12 is expressed by the following expression.

ｙ＝−１５１.３ｘ＋７５５ …式（５）
ｙ＝−１７９ｘ＋５７６ …式（６）
ここで、ｙはウォータージェットピーニングの強制加振振動数（Ｈｚ）を、ｘはノズル径（mm）を示す。 y = -151.3x + 755 ... Formula (5)
y = -179x + 576 Formula (6)
Here, y represents the forced vibration frequency (Hz) of water jet peening, and x represents the nozzle diameter (mm).

従って、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数が一致する場合は、共振が発生する可能性があるため、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数を、あらかじめ測定や解析で求め、それと異なるように式（５），式（６）よりノズル径１２を選定することで、施工対象物の損傷を防止できる。また、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数から±１０％以上離れたウォータージェットピーニングの強制加振振動数となるようなノズル径条件で、ウォータージェットピーニングを施工すると、応答倍率が低下するため、より共振の発生を防止できる。 Therefore, if the natural frequency of the water jet peening object matches the forced vibration frequency of the water jet peening, resonance may occur. It is possible to prevent damage to the construction object by obtaining the nozzle diameter 12 from Equation (5) and Equation (6) so as to be obtained by measurement and analysis in advance and different from those. In addition, if water jet peening is performed under a nozzle diameter condition that results in a forced vibration frequency of water jet peening that is more than ± 10% away from the natural frequency of the water jet peening object, the response magnification will decrease. Thus, the occurrence of resonance can be prevented.

ウォータージェットピーニングのノズル径が小さいと、１回の施工で応力改善できる幅が小さくなる。また、ノズル径が大きいと１回の施工で応力改善できる幅は大きくなるが、高圧水を噴射するための高圧ポンプが高価になる。従って、１回の施工で得られる応力改善幅が大きく、高圧ポンプが廉価な、ノズル径１mmから２mmの間でノズル径を選定することで、工業的価値を保ちながら、共振の発生を防止できるので、この範囲は特に好適で
ある。 If the nozzle diameter of the water jet peening is small, the width in which the stress can be improved by one construction is small. Moreover, if the nozzle diameter is large, the range in which the stress can be improved by a single construction increases, but a high-pressure pump for injecting high-pressure water becomes expensive. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of resonance while maintaining industrial value by selecting the nozzle diameter between 1 mm and 2 mm with a large range of stress improvement that can be obtained in one installation and inexpensive high-pressure pump. Therefore, this range is particularly suitable.

図５を用いて、上記第三のウォータージェットピーニングの実施例について説明する。本実施例のウォータージェットピーニング装置２０は、内径２.０mmの噴出口の噴射ノズル４を有する。第一の実施例同様に、噴射ノズル４を使用しウォータージェットピーニングを行い、コアシュラウド１８の少なくとも一部の表面に圧縮残留応力を与える。噴射口の内径により、ウォータージェットピーニングで発生する強制加振振動数はコアシュラウド１８の固有振動数と異ならせることが可能である。従って、コアシュラウド１８において、共振の発生を防ぐことが可能となる。 An embodiment of the third water jet peening will be described with reference to FIG. The water jet peening apparatus 20 according to the present embodiment includes a jet nozzle 4 having a jet port with an inner diameter of 2.0 mm. As in the first embodiment, the jet nozzle 4 is used to perform water jet peening, and compressive residual stress is applied to at least a part of the surface of the core shroud 18. The forced vibration frequency generated by water jet peening can be made different from the natural frequency of the core shroud 18 depending on the inner diameter of the injection port. Therefore, it is possible to prevent occurrence of resonance in the core shroud 18.

以上、本形態によれば、ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数を異なるように施工することで、ウォータージェットピーニング施工対象物の共振の可能性を低減できる。 As described above, according to the present embodiment, the construction of the water jet peening object to be resonated and the forced vibration frequency of the water jet peening object are different from each other. Can be reduced.

以上の説明を纏めると以下のように纏められる。
（１）ウォータージェットおよびキャビテーションの圧壊圧力により材料表面に衝撃力を与え、残留応力を改善または洗浄または表面改質を行うウォータージェットピーニング施工方法において、
ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数と、ウォータージェットピーニングの強制加振振動数とが異なるように、ウォータージェットピーニングを施工することで、共振を避けることを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（２）（１）のウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数とウォータージェットピーニングの強制加振振動数とが異なるようにする手段として、
ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズルとウォータージェットピーニング施工対象物との噴射距離を変え、共振を避けることを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（３）（１）のウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数とウォータージェットピーニングの強制加振振動数が異なるようにする手段として、
ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズルから噴射される噴射流量を変え、共振を避けることを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（４）（１）のウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数とウォータージェットピーニングの強制加振振動数が異なるようにする手段として、
ウォータージェットピーニング施工対象物の固有振動数に応じて、ウォータージェットピーニングのノズル径を変え、共振を避けることを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（５）（２）のウォータージェットピーニング施工方法において、
前記噴射距離を２０mmから１００mmの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（６）（３）のウォータージェットピーニング施工方法において、
前記噴射流量を２０Ｌ／minから５０Ｌ／minの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（７）（４）のウォータージェットピーニング施工方法において、
前記ノズル径を１mmから２mmの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（８）施工対象物の材料表面にウォータージェットおよびキャビテーションの圧壊圧力により衝撃を与え、施工対象物の残留応力の改善，洗浄，表面改質の少なくともいずれかを行うウォータージェットピーニング施工方法において、
前記施工対象物は、２００Ｈｚ及び４５０Ｈｚを除く固有振動数を有し、
ウォータージェットピーニングのノズルとウォータージェットピーニング施工対象物との間の噴射距離を１００mmから２５０mmの間で選定したことを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（９）ウォータージェットまたはキャビテーションにより施工対象物の材料表面の残留応力の改善，洗浄，表面改質の少なくともいずれかを行うウォータージェットピーニング施工方法において、
前記ウォータージェットの強制加振振動数を、前記施工対象物の固有振動数と異なるように設定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（１０）（９）に記載されたウォータージェットピーニング施工方法において、
前記ウォータージェットのノズルと、前記施工対象物の距離を２０mmから１００mmの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（１１）（９）に記載されたウォータージェットピーニング施工方法において、
前記ウォータージェットの噴射流量を２０Ｌ／minから５０Ｌ／minの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。
（１２）（９）に記載されたウォータージェットピーニング施工方法において、
前記ウォータージェットのノズル径を１mmから２mmの間で選定することを特徴とするウォータージェットピーニング施工方法。 The above description can be summarized as follows.
(1) In a water jet peening construction method in which impact force is applied to the material surface by the crushing pressure of water jet and cavitation, and residual stress is improved or cleaned or surface modified.
A water jet peening construction method characterized by avoiding resonance by carrying out water jet peening so that the natural frequency of the water jet peening construction object is different from the forced vibration frequency of water jet peening.
(2) As a means for making the natural frequency of the water jet peening target object of (1) different from the forced vibration frequency of water jet peening,
A water jet peening method characterized by changing a spray distance between a water jet peening nozzle and a water jet peening object according to the natural frequency of the water jet peening object and avoiding resonance.
(3) As a means for making the natural vibration frequency of the water jet peening object of (1) different from the forced vibration frequency of water jet peening,
A water jet peening method characterized by changing a flow rate of water jet peened from a water jet peening nozzle according to a natural frequency of a water jet peening object to avoid resonance.
(4) As a means for making the natural vibration frequency of the water jet peening object of (1) different from the forced vibration frequency of water jet peening,
A water jet peening method characterized by changing the nozzle diameter of the water jet peening according to the natural frequency of the water jet peening object and avoiding resonance.
(5) In the water jet peening method of (2),
A water jet peening method, wherein the spray distance is selected from 20 mm to 100 mm.
(6) In the water jet peening method of (3),
A water jet peening method, wherein the jet flow rate is selected between 20 L / min and 50 L / min.
(7) In the water jet peening method of (4),
A water jet peening method, wherein the nozzle diameter is selected from 1 mm to 2 mm.
(8) In the water jet peening construction method in which impact is applied to the material surface of the construction object by the crushing pressure of water jet and cavitation, and at least one of improvement, cleaning, and surface modification of the residual stress of the construction object is performed.
The construction object has a natural frequency excluding 200 Hz and 450 Hz,
A water jet peening method characterized in that a spray distance between a water jet peening nozzle and a water jet peening object is selected from 100 mm to 250 mm.
(9) In the water jet peening construction method for performing at least one of improvement, cleaning, and surface modification of the residual stress on the material surface of the construction object by water jet or cavitation,
A water jet peening construction method, wherein a forced vibration frequency of the water jet is set to be different from a natural frequency of the construction object.
(10) In the water jet peening method described in (9),
A water jet peening method, wherein a distance between the nozzle of the water jet and the construction object is selected from 20 mm to 100 mm.
(11) In the water jet peening method described in (9),
A water jet peening method, wherein an injection flow rate of the water jet is selected between 20 L / min and 50 L / min.
(12) In the water jet peening method described in (9),
A water jet peening method, wherein a nozzle diameter of the water jet is selected between 1 mm and 2 mm.

本発明は、原子力機器をはじめとしたウォータージェットおよびキャビテーションの圧壊圧力により材料表面に衝撃力を与え、残留応力を改善または洗浄または表面改質を行う必要のある機器に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to equipment that needs to improve the impact, cleansing, or surface modification by applying impact force to the material surface by the water jet and cavitation crushing pressure, such as nuclear power equipment.

１ロードセル
２固定治具
３噴射受け板
４噴射ノズル
５ウォータージェット
６水槽
７純水
８高圧ポンプ
９導水チューブ
１０噴射距離
１１流量調節弁
１２ノズル径
１３噴射角度
１４噴射流量
１５圧力計
１６噴射圧力
１７原子炉圧力容器
１８コアシュラウド
１９原子炉ウェル
２０ウォータージェットピーニング装置
２１オペレーションフロア DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Load cell 2 Fixing jig 3 Injection receiving plate 4 Injection nozzle 5 Water jet 6 Water tank 7 Pure water 8 High pressure pump 9 Water guide tube 10 Injection distance 11 Flow control valve 12 Nozzle diameter 13 Injection angle 14 Injection flow rate 15 Pressure gauge 16 Injection pressure 17 Reactor pressure vessel 18 Core shroud 19 Reactor well 20 Water jet peening device 21 Operation floor

Claims

In the water jet peening construction method that gives impact force to the material surface by the crushing pressure of water jet and cavitation and improves residual stress,
Construct water jet peening so that the forced vibration frequency of water jet peening, which is the frequency of forced vibration that acts on the water jet peening object, is different from the natural frequency of the water jet peening object. Like
The forced vibration frequency of the water jet peening is fixed to a load cell whose natural frequency is sufficiently larger than the forced vibration frequency by fixing a spray receiving plate different from the water jet peening object. A water jet peening method characterized in that the water jet peening is performed by analyzing the load data detected by the load cell.

In the water jet peening method according to claim 1,
A water jet peening method according to claim 1, wherein the natural frequency of the load cell is 21 kHz or more.