JPH03219023A - 金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法及びその装置並びにその方法により作成された耐圧中空構造物並びにその耐圧中空構造物の耐圧使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属製高圧使用の製品に利用される技術分野
に属している。

〔従来の技術〕

高圧流体を扱うプラントの配管には、配管の信頼性を高
めるために、熱処理が加えられている。

その熱処理の代表的な従来例は、特開昭５２−７０９１
４号公報に示されている。

この従来例では、応力腐食割れを改善するために、改善
個所の鋼管内をバルブを利用して液密に仕切り、改善個
所の鋼管外周囲に加熱手段として高周波発信加熱装置の
加熱コイルを取り付けるか或いは電源に接続された電極
を鋼管に接触させておく、このような構成において、バ
ルブで仕切られた鋼管内に冷却材を入れるとその冷却材
はバルブにより改善個所の鋼管内に停滞する。このよう
に冷却材を管内に存在する状況下で、加熱手段で改善し
たい個所の鋼管外周面を加熱する一方内周面から冷却材
で熱を奪い冷却する。その加熱は、鋼管内周面側で引張
降伏応力を迎えるまで、そして同じく外周面側で圧縮降
伏応力を迎えるに至る温度差と成るまで続けられる。そ
の後に加熱作業を止めると、鋼管材料が一旦降伏領域に
達しているから加熱進行中の鋼管材料の応力−歪曲線と
は異なる曲線を描いて歪が一部開放することと成り。

その結果、鋼管内面側に圧縮残留応力が備えられ、同じ
く外周面側には引張残留応力が備えられ、それら圧縮残
留応力と引張残留応力とは絶対値がほぼ同じく成って応
力的にバランスする状態と成る。

このようにして、鋼管内周面に圧縮応力を残留付与して
、プラント稼動中に鋼管内面に加えられる引張応力を鋼
管内面側に残留付与済の圧縮残留応力で対応させ、鋼管
の強度増大に寄与させている。

他の従来例として、特開昭５７−１７７９２４号公報に
示された様に、配管内面に圧縮残留応力を付与して配管
の性能の改善を図る技術として、改善領域の両脇配管内
に冷却により水栓を形成する際のその氷の体積膨張によ
りその改善領域の配管内圧を降伏点以上に高めて降伏さ
せ、その後に加熱により水栓を解除することにより解除
後に配管内面に圧縮応力が残留するというものが示され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の前者の従来例にあっては、鋼管外周面側に残留し
ている引張残留応力の強さは鋼管内周面側に残留してい
る圧縮残留応力と同等に大きいものであるから、高圧が
鋼管内面に働いた場合には、高圧が鋼管内面に加えられ
ることによる鋼管に付加される応力は鋼管内面から外面
にわたる厚さ方向領域の全域で引張応力となる。このた
めに、鋼管外面側に大きな引張残留応力残留していると
、その引張残留応力にプラント稼働時に加わる高圧時の
付加引張応力が重畳して鋼管外周面側に鋼管材料の降伏
応力を超える引張応力が作用することが懸念される。そ
のような過大な引張応力が加わると、鋼管が外周面側か
ら破損する恐れが生じる。

後者の従来例では、冷却環境における配管の拡管作業で
あるから、既にプラント内に据付けられて使用されてい
る配管を対象とするような場合、或は新規作成の配管で
あっても、配管内面に傷がある場合には、その傷は高温
環境下よりも冷却環境においてはその配管の拡管力拡大
しやすく、かえって破損の危険因子を拡大する可能性が
あった。

さらには、配管内からの圧力だけに頼ることから、高い
圧力を要求され、その公吏に破損の危険因子を拡大する
可能性がある。

本発明の目的は、第１の金属性中空構造物の破損を防止
する観点でその構造物の耐圧性能を向上する方法を提供
することにあり、第２にはその方法を実施する装置を提
供することにあり、第３にはその方法で製作された構造
物を提供することにあり、第４にはその構造物を使用す
る方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１の目的を達成するための第１の手段は、金属材料製
の中空構造物の前記金属材料の降伏応力を超えない範囲
内で、前記金属材料の厚さ方向両面間に温度差を与え、
前記金属材料の両面の内の一方の面にその一方の面側の
前記金属材料が降伏応力を迎えるまでに圧力を加え、後
に前記圧力の付与を解除することを特徴とした金属製中
空構造物の耐圧強化方法である。第１の目的を達成する
ための第２の手段は、金属材料製の中空構造物の前記金
属材料の降伏応力を超えない範囲内で、前記金属材の厚
さ方向両面間に相互に異なる方向の応力場を前記金属材
に与え、前記応力場で前記両面のうちの一方にその一方
に加えられた前記応力と同方向の応力となる外力を与え
て前記一方の面側の前記金属材に降伏応力を付与し、後
に前記外力の付与を解除することを特徴とした金属材料
製の中空構造物の耐圧強化方法である。第１の目的を達
成するための第３の手段は、金属材料製の中空構造物の
前記金属材料の表裏両面の一方の面を加熱し、他方の面
を冷却することにより前記金属材料に前記金属材料の降
伏応力を超えない範囲内で応力を加え、前記両面の一方
の面にその一方の面に加えられている応力と同方向の応
力を外力により加えて前記一方の面側の前記金属材料に
降伏応力を付与し、後に前記外力を解除することを特徴
とした金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法である。

第１の目的を達成するための第４の手段は、内圧を受け
る金属材料製の中空構造物の外面を加熱し、前記中空構
造物の内面を冷却することにより前記中空構造物の材料
の降伏を超えない応力を加え、前記中空構造物の中空内
に圧力を加えることにより前記中空構造物の内面に前記
中空構造物の材料の降伏を超える応力を加え、後に前記
中空構造物の中空内の圧力を開放することを特徴とした
金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法である。第１の
目的を達成するための第５の手段は、金属材料製の中空
構造物内に、前記中空構造物の降伏応力付与未満の圧力
を有する冷却流体を流動させ、その流動状況下において
、前記中空構造物の外周面に沿って移動する加熱手段に
より前記中空構造物内面が降伏応力以上に、外面が降伏
応力未満になる熱量を前記中空構造物に付与することを
特徴とした金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法。

第２の目的を達成するための手段は、耐圧強化処理を受
ける金属材料製の中空構造物の外周面に対してすき間を
保って配備された高周波発信器の高周波発信コイルと、
前記高周波発信コイルを前記中空構造物の長手方向に沿
って送る送り装置と、前記高周波発信コイルをはさんで
前記中空構造物の長手方向に間隔をあけて前記中空構造
物に備えられた冷却材の入すロ及び出口と、前記冷却材
を前記入り口から出口に向けて送る圧送装置と、前記冷
却材の加圧装置とを備えた金属材料製の中空構造物の耐
圧強化装置である。

第３の目的を達成するための手段は、内圧を受ける金属
材料製中空構造物であって、前記中空構造物の内面側に
は前記内圧による前記内面側への付加引張応力以上の絶
対値を有する圧縮応力が残留して備えられ、前記中空構
造物の外面側には前記内圧による前記外面側への付加引
張応力を加えても前記中空構造物の金属材料の引張降伏
応力を超えない引張応力が残留して備えられている金属
材料製の耐圧中空構造物である。

第４の目的を達成するための手段は、金属材料製中空構
造物の内面側には前記中空構造物の内圧による前記内面
側への付加引張応力以上の絶対値を有する圧縮応力を残
留させ、前記中空構造物の外面側には前記内圧による前
記外面側への付加引張応力を加えても前記中空構造物の
金属材料の引張降伏応力を超えない引張応力を残留させ
、前記内圧による前記内面側への付加引張応力を前記内
面側に残留している圧縮力と前記引張降伏応力を超えな
い範囲内で相殺させ、前記内圧による前記外面側への付
加引張応力を前記中空構造物の金属材料の引張降伏応力
を超えない範囲内で前記残留している引張応力に重乗し
て前記中空構造物に前記内圧による前記中空構造物への
付加応力を吸収させる金属材料製の耐圧中空構造物の耐
圧使用方法である。

〔作用〕

第１の目的を達成するための第１の手段では、中空構造
物の金属材の降伏応力を超えない範囲内で、前記金属材
の厚さ方向両面間に温度差を与えると、高温側の片面側
に圧縮応力が低温側の片面側に引張応力が降伏応力を超
えない範囲で発生する。この状態で金属材の低温側片面
に圧力を加えてその圧力による引張応力を温度差による
引張応力に重畳してその面側で降伏応力を超えさせる。

この時、圧力により高温側の片面にも引張応力が加えら
れるが高温側の片面は圧縮応力側であるから容易には引
張降伏応力に達せず、低温側の片面側のみを引張降伏さ
せることが出来る。この状態を経た後に圧力を開放して
やると、降伏応力を超えた低温側の片面側では元の応カ
ー歪関係に戻らずに圧縮応力が残留する。もう片面側で
は降伏応力に至っていないから元の応カー歪関係に戻る
のであるが１反対面側に残留した圧縮応力の存在の影響
を受けて引張応力が発生する。しかし、その引張応力の
最大値の絶対値は、片側だけが降伏することにより応力
のバランス位置がその片側に寄り、圧縮残留応力の最大
値の絶対値よりも遥かに小さくなる。このようにして、
圧力を受ける面側に絶対値としての大きさが他側の面よ
りも大きな値を示す圧縮応力を残留させて使用時に加え
られる引張応力に対向する圧縮応力をもつ金属材料製の
中空構造物が得られる。

第１の目的を達成するための第２の手段では、中空構造
物の金属材の降伏応力を超えない範囲内で、前記金属材
の厚さ方向両面間に相互に異なる方向の応力場を前記金
属材に与えておいて、一方の面にその一方の面に与えた
と同じ方向の応力と成る外力を加えて、その一方の面倒
の金属材料を降伏させ、外力を加えた面から遠い方の他
方の面には降伏応力を超えさせない、この状態を得てか
ら、その外力を解除すると降伏した側に降伏しない側に
比べて絶対値の大きな且つ逆方向の残留応力が発生して
、その残留応力が使用中に加えられる力による応力に対
抗して強度の高さをあられす。

第１の目的を達成するための第３の手段では。

中空構造物の金属材の表裏両面の一方の面を加熱し、他
方の面を冷却することにより前記金属材に市況金属材の
降伏応力を超えない範囲内で応力を加える。このような
冷却をも利用した応力の加え方によれば温度差をつけや
すい。降伏しない範囲内で温度差を付けたところで、前
記両面の一方の面にその一方の面に加えられている応力
と同方向の応力となる外力を加えて前記一方の両側の前
記金属材に降伏応力を付与し、外力を加えた面から遠い
方に他方の面には降伏応力を超えさせない。

後に前記外力を解除すると、降伏した側に降伏しない側
に比べて絶対値の大きな且つ逆方向の残留応力が発生し
て、その残留応力が使用中に加えられる力による応力に
対抗して強度の高さをあられす。

第１の目的を達成するための第４の手段では、内圧を受
ける金属製の中空構造物の外面を加熱し、前記中空構造
物の内面を冷却することにより前記中空構造物の材料の
降伏を超えない応力を加える。

このような冷却をも利用した応力の加え方によれば温度
差をつけやすい。降伏しない範囲内で温度差を付けたと
ころで、前記中空構造物の中空内に圧力を加えることに
より前記中空構造物の内面に前記中空構造物の材料の降
伏を超える応力を加えて前記内面側の前記金属材に降伏
応力を付与し、圧力を加えた面から遠い方の他方の面で
ある外周面側では降伏応力を超えさせない。後に前記圧
力を解除すると、降伏した側に降伏しない側に比べて絶
対値の大きな且つ逆方向の残留応力が発生して、その残
留応力が使用中に加えられる圧力による応力に対抗して
強度の高さをあられす。

第１の目的を達成するための第５の手段では。

金属製の中空構造物内に、前記中空構造物の降伏応力付
与未満の圧力を有する冷却流体を流動させる。その冷却
材によってのみでは、前記金属材料は降伏せずにいる。

しかし、その冷却材の流動状況下において、前記中空構
造物の外周面に沿って移動する加熱手段により前記中空
構造物に熱を付与すると、中空内面では流動中の冷却材
で停滞する冷却材によるよりも早く熱が奪われ、外周面
側では加熱手段から熱を受け、中空構造物の金属材の厚
み方向で温度差を生じる。その温度差により中空構造物
の内周と外周とには互いに反対方向の応力が加わり、内
周側の応力に、内周側の応力と同方向である冷却材の圧
力による応力が重畳し、外周側の応力と冷却材の圧力に
よる応力が相殺しあい、内周側のみが降伏応力を超えて
しまう。加熱手段が移動し終わり、次ぎに冷却材の圧力
を低下させると、降伏した側に降伏しない側に比べて絶
対値の大きな且つ逆方向の残留応力が発生して、その残
留応力が使用中に加えられる圧力による応力に対抗して
強度の高さをあられす。

第２の目的を達成するための手段では、耐圧強化処理を
受ける中空構造物の外周面に対してすき間を保って配備
された高周波発信器の高周波発信コイルで中空構造物の
外周面を加熱すると、内外周面間で温度差が生じてその
温度差に見合って。

内外周面でお互いに異なる方向の応力が付与される。応
力が付与されている状況で、冷却材の入り口から出口へ
と加圧装置で加圧した冷却材を圧送装置を利用して流動
させる。その冷却材の流動により中空構造物の内面側は
良く冷却されて前述の温度差がよりよく付くことと成る
。冷却材は加圧されているので、その冷却材の圧力によ
る応力が中空構造物の内面側に大きく外周面側に少なく
加わる。その圧力による応力の方向は温度差による内周
面側の応力と同じ方向であり、且つ温度差による外周面
側の応力とは逆の方向であるから、温度差による応力と
圧力による応力とが重畳して中空構造物の内周面側で金
属材料が降伏共りの応力を受けることに成り、外周面側
は相殺しあって降伏に至らない。加熱が終わり冷却材の
圧力も低下させられた後には、降伏した側に降伏しない
側に比へて絶対値の大きな且つ逆方向の残留応力が発生
して、その残留応力が使用中に加えられる圧力による応
力に対抗して強度の高さをあられす中空構造物が作れる
。

第３の目的を達成するための手段では、内圧を受ける金
属材料製中空構造物であって、前記中空構造物の内面側
には前記内圧による前記内面側への付加引張応力以上の
絶対値を有する圧縮応力が残留して備えられ、前記中空
構造物の外面側には前記内圧による前記外面側への付加
引張応力を加えても前記中空構造物の金属材料の引張降
伏応力を超えない引張応力が残留して備えられている構
造物であるから、この構造物の使用中に内圧が高まって
もその高まり中空構造物に加えられる応力は引張応力で
あり内面側で大きく外周面側で小さくなる分布を示す。

そのような内圧による応力のうち、内面側の大きな引張
応力は前述の残留している圧縮応力と相殺しあって軽減
され、外周面側の小さな引張応力は前述の残留している
引張応力と重畳するが、その残留している引張応力も内
圧による外周面側の引張応力も小さいものであるから重
畳しても引張降伏応力に至らず高い耐圧性能を維持する
。

第４の目的を達成するための手段では、中空構造物の内
圧による前記中空構造物の内面側への大きな付加引張応
力を前記内面側に残留している圧縮力と前記引張降伏応
力を超えない範囲内で相殺させ、前記内圧による前記中
空構造物の外面側への前記内面側のものに比べて比較的
小さい付加引張応力を前記中空構造物の金属材料の引張
降伏応力を超えない範囲内で前記残留している引張応力
に重畳して前記内圧による前記中空構造物への付加応力
を中空構造物に吸収させる作用を行わせて、その中空構
造物を耐圧使用する方法である。

〔実施例〕

以下に本発明の各実施例を説明する。

重水減速軽水冷却圧力管型原子炉発電プラントの配管に
本発明を適用した例として第１実施例を説明する。

第１図の配管１は原子炉−次冷却材バウンダリー中に使
用されるものである。配管１は厚肉配管であり、その配
管１の断面形状は表１に示したとおりである。

表　　　１ 第１図において、配管１は両端がプラグ２により密封さ
れ、その配管１の内部には冷却材とじて水が封入される
。この配管１の内部の水は、配管１の右端に取付けられ
たプラグ２のノズル部よりパイプを通して冷却器３に導
かれて冷却器３により任意の温度にまで冷却される。冷
却管３により冷却された水は、パイプを通って冷却材タ
ンク４内に送られる。冷却タンク４内の水はコンプレッ
サー５により任意の圧力まで加圧され、冷却材タンク４
内の水を一定の圧力に保つ。冷却材タンク４内の水は循
環ポンプ６に送られ、その循環ポンプ６により一定量ず
つ水がパイプを通して配管左端に取り付いたプラグ２の
ノズル部から配管１内に供給され、水は循環する。

配管１はクランプ７により固定されている。配管１に沿
って案内レール８が配置される。高周波発信コイル９が
配管１に非接触勝つ配管１を取り囲む配置で配備される
。高周波発信コイル９には高周波発信器１０より高周波
電流が供給され、高周波発信コイル９より発信される高
周波により配管１は加熱される。

高周波発信コイル９はスライダ１１に固定されている。

このスライダ１１には駆動モータが取付けられ、その駆
動モータにより回転駆動されるピニオンが案内レール８
に取付けたラック１２と噛み合っている。その駆動モー
タは制御盤１３により一定速度で回転するように制御さ
れている。この駆動モータで回転駆動されたピニオンと
ラック１２とが噛み合っているから、スライダ１１は高
周波発信コイル９とともに配管１沿いに一定速度で移動
することができる。

この状態で、高周波発信コイル９近傍の配管１は、外面
より高周波発信コイル９で加熱され、内面は水により冷
却されるので、配管１の内面と外面の間に温度差が生じ
、配管１内面に引張応力が。

配管１外面に圧縮応力が発生する。

また、駆動モータは一定速度で回転するように制御され
て高周波発信コイル９を配管１に沿ってゆっくりと移動
させる。高周波発信コイル９が移動するに伴い、配管１
の加熱される位置が徐々に移動され、配管１のほとんど
の部分にこの熱処理を実施することができる。

高周波発信コイル９の移動速度は配管１の加熱している
部分の配管１の内面と外面の温度差のみによる応力が、
配管１の外面で圧縮降伏応力未満でほぼ圧縮降伏応力に
近い温度と成るように調整する。

配管１の内面と外面に与えられた温度差による応力は、
このように高周波発信コイル９の移動速度を調節するこ
とで降伏応力を超えない範囲に設定されている。このた
めに、配管ｌには配管ｌの内面と外面の温度差だけに起
因する塑性変形は発生せず、残留応力も付加されない。

しかし、配管１の内部には前述したように、加圧された
冷却材である水が封入されているので、水の圧力により
温度差による発生応力とほぼ同方向の配管１の円周方向
に引張応力を付加されている。配管１に発生する応力は
、結局は、この水圧（配管１の内圧）による応力と前述
した温度差による応力の和になる。

配管１の円周方向に発生する実際の応力は、配管１内面
では、前述の温度差による引張降伏応力近傍の引張応力
に前述の内圧による引張応力が付加されるので、引張降
伏応力を超えて配管１内面側が引張降伏する。一方、配
管１外面では、前述の温度差による圧縮応力と前述の内
圧にょる引張応力とが相殺しあうので、発生応力は降伏
応力を超えることが無い。

次に、高周波発信コイル９の移動範囲全体にわたって、
前述の加熱及び加圧処理が終了した時点で、高周波発信
コイル９からの高周波発信を止め、さらには循環ポンプ
６とコンプレッサー５を停止する。このようにすると、
配管１の温度が低下し、配管１の内圧も除かれる。この
ように内圧が除かれると、配管１内面側に圧縮残留応力
が、外面側に引張残留応力が発生する。このような残留
応力は、配管１内面側の塑性変形によるものであり。

第２図に示すように配管１の内面と外面に残留する配管
周方向の応力は内面が圧縮降伏応力に近い値と成り、外
表面は引張で降伏応力の１７２以下の値となる。

このように、配管１に残留される周方向の応力は、配管
１内面に偏った分布と成る。一般に、内圧を受ける配管
１の周方向の応力は、 σ、は発生応力（周方向）、ｐ、は内圧、ｒｏは外半径
、ｒＩは内半径、ｒは応力を求める点の中心よりの距離
（半径）である。

最大応力σｍａＸ配管１内面（ｒ＝ｒｌ）と、最小応力
σ１ｎ配管外面（ｒ＝ｒｏ）との比は。

となる。本実施例によれば。

σ諷１ｎ ｒｏ　　＝４４．５５ｎｎ、　　ｒｔ　　＝＝３３．４
５１１ＩＩ＋であり、応力分布は第３図に示す分布とな
る。

配管１に過大な内圧が付加された場合、配管１内面の応
力σａａ＆が最初に降伏応力を超え、配管１が破壊され
る。つまり、配管１の許容内圧はσ、ａｘが降伏応力を
超えない様に設定されるのが通例である。しかし１本実
施例のような加熱と加圧処理を施して第２図のような応
力を配管に残留させておけば、実際に発生する応力は第
３図の破線のような均等分布傾向と成り、σａａＸが減
少し、耐圧性が向上する。

また、本実施例では配管１の内面に圧縮残留応力が得ら
れるので腐食疲労強度が著しく増大する。

さらに、配管１の肉厚を薄くとっても同等の強度を得る
ことができ、従来と同等の耐圧性能を得るのに配管肉厚
を従来の肉厚よりも薄くできる。

その分、実機プラントの運転の過程での温度変化に柔軟
に対応できるようになる。

本実施例で、配管１内面に偏在した残留応力が発生する
理由を以下に説明する。

第４図、第５図は、第１図の高周波発信コイル９近傍の
断面を示している。配管１を、誘導加熱装置の一種であ
る高周波加熱装置の高周波発信コイル９で囲い、その高
周波発信コイル９と配管１外周面との間には周方向沿い
に一定の隙間を存在させておく。

高周波発信コイル９の両端Ｉ、■は電気絶縁材１４で絶
縁され、その両端１．ＩＩには高周波発信器１０から電
気コードを通して高周波電流が供給される。

配管１を取り囲む高周波発信コイル９は、配管１への取
付を容易にするために半割構造にして配管の横方向から
配管を囲むように組合せるようにすることが好ましい。

配管１内には内面に接して高圧水が冷却材として流通し
ている。

配管１内に水が存在していない場合には、配管１は高周
波加熱コイル９からの高周波によりその半径方向に一様
に加熱される。しかし、実際は配管内に冷却材として循
環水が存在しているから、配管内面から熱が奪われる。

従って、配管１０半径方向の温度分布は第６図に示す傾
向となる。第６図の温度分布により発生する応力分布の
傾向を第７図に示す。第８図は応力と歪の関係を示して
いる。第６図と第７図の破線１５は配管ｌ外面の位置を
示す。

配管１の外面と内面の温度差が小さければ、内外面とも
降伏応力を越えずに、第８図において、外面ではＯＤ２
、内面ではＯＤ　ｓの直線上に応カー歪関係は存在し、
高周波加熱を停止すれば両表面ともに第８図中Ｏに戻る
。

加熱状態での肉厚方向の応力分布は、第７図の直線１６
の様になる。本実施例では、最大応力が降伏応力σツと
なる直前に設定され、さらに水圧による内圧による応力
が加えられるので、配管１の半径方向の応力分布は第７
図の直線１７のようになり、配管内面にて引張降伏応力
σｙを越える。

この時の応力を第８図のＢｚ　とする。この時点で加熱
を停止すると、配管１内面ではＢｒ点からＥ１点の適意
をたどってＣ１に達する。一方、配管１外面では、応力
が降伏応力を越えることが無いから第８図のＯＤ２間の
範囲にとどまり、加熱が停止されても残留応力は残らな
い。しかし、配管１内面に圧縮の残留応力が残るので、
これと相殺する分だけ引張の応力が生じ、内外面の応力
バランスが取られる。この状態での残留応力の分布の傾
向は、第９図に示すように内面に偏在した傾向となる。

次に第１０図と第１１図を用いて本発明の実施例の具体
的効果を数値を用いて説明する。

第１０図は、本発明による実施例の残留応力と使用内圧
による応力とそれら両者を組合せた配管１の実際使用時
の発生応力とを示している。また。

第１１図は、従来例による残留応力と使用内圧による応
力とそれら両者を組合せた配管１の実際使用時の発生応
力とを示している。

従来例では、配管１の内面と外面に付加された残留応力
の絶対値が等しく、内面の残留応力を降伏応力絶対値１
σｙ１に近い一σツとすると、外面の残留応力が＋σｙ
となり、配管使用時に配管１内の内圧が加われば、その
内圧による応力は引張応力（＋応力）であるから、配管
ｌの外面の応力はすぐに降伏応力を超えて、降伏が発生
してしまう。

これに対して１本発明の実施例では、第１０図のように
、配管１の内面では降伏応力に近い残留応力−σ、を与
えても、応力±０の点より右側の配管肉厚外面寄り側で
は従来よりも遥かに小さい十の残留応力しか与えられな
い。このために、本発明の実施例では、第１０図の内圧
による引張応力σｙ　（第１１図で示す内圧による付加
応力分布と同じ）を配管内面に加えても外、面の応力は
＋σｙを超えること無く健全性を維持す二る。このため
に本実施例では耐圧性を向上することができる。

その耐圧性能の向上は、具体的数値として説明すると次
のようである。

材質が５ＵＳ３０４　（オーステナイトステンレス鋼）
呼び径８０ＡＳｃｈ１６０の配管１を高周波発信コイル
９で取り囲む。循環ポンプ６を駆動し、配管１内に圧力
２００　ｋｇ／ａＩ、温度３０℃の冷却水を循環供給し
、０．４３ｍ／ｓ　　の速度で流す。

高周波発信コイル９より３　、ＯＫＨｚ　　の高周波を
発信し、その高周波発信コイル９を配管１の軸方向に０
．５ｍｍ／ｓ　　の速度で移動しながら配管１を加熱す
る。

第１２図は、高周波発信コイル９と加熱される配管１の
位置及び加熱温度を示したものである。

高周波発信コイル９は０．５ＩｌＩＩＩ／Ｓ　　の速度
で移動しているため、配管１の温度が最も高くなる点は
、約１００ｍｍ配管１の軸方向にずれている。配管１の
内面及び外面の温度分布は、第１２図中の実線１８と実
線１９に示す。

この条件で、配管１の内面と外面の温度差は、約１９０
℃となる。配管１の内面と外面に温度差Δ１゛１　によ
る発生応力σは一般に、Ｅ：ヤング率 シ：ポアソン比（０，３） α：熱膨張係数 で与えられ、σ〉σｙ　（降伏応力）となったとき、塑
性変形を生じ冷却後残留応力が生じる。

第１３図は、高周波発信コイル９の移動速度による配管
１の内外面の温度の関係を示したものである。高周波発
信コイル９の移動速度が太きければ配管１の加熱温度が
下がり、高周波発信コイル９の移動速度が小さければ配
管１の加熱温度が上がる傾向を示す。第１３図において
、実線２１は配管１内面の、実線２０は配管１外面の、
それぞれの温度を示している。また、破線２２は配管１
に内圧を付加しない状態で、本加熱処理後冷却した際の
配管１に残留応力が残る範囲（左側領域）と残らない範
囲（右側領域）との境界線を示している。以上により、
本実施例では、高周波発信コイル９の移動速度を、境界
線（破線２２）に近い移動速度０．５ｍ＋＋／ｓ　　と
している。この条件で配管１に熱処理を施して、配管１
の内圧を除く加熱のみによる応力で配管１の内外表面に
ほぼ降伏応力に等しくその降伏応力を越えない応力を生
じさせる。

この加熱状態で、配管１に内圧が加えられると、配管１
内面において降伏応力を上回る応力が生じ、内圧と加熱
を解除後において配管内面に偏在した残留応力を配管１
に付加することができる。

一般に、第１４図に示すようにオーステナイトステンレ
ス鋼（化学成分は表３に示す。）の降伏応力（２％耐力
）と温度との関係は、温度の上昇に伴って、降伏応力が
減少する傾向を示しており。

表　　　３ 第１４図に示したように、その傾向はＯ℃〜２５０℃に
おいて著しく、２５０℃〜５００℃の領域では比較的温
度変化による降伏応力の変化が少ない、　本実施例にお
いては、前述したように、配管１の内外面の温度差は、
配管１の内面及び外面に温度差により発生する応力が降
伏応力を越えない範囲で設定されるので、比較的小さい
温度範囲で設定することができ、２５０℃〜５００℃の
降伏応力の温度差による変化量が少ない領域内に限定す
ることができる。

このため、配管１内外面の温度差のみにより残留応力を
付加する方法のように、配管１内外面の温度差を大きく
取る必要性も無く、配管１の内外面の温度差による降伏
応力の差により配管工外面側で選択的に降伏応力を越え
てしまうことも無くなる。また、配管１の内外面の温度
差を少なく設定できるので、配管１内面の温度における
降伏応力σｙＩと配管１外面の温度における降伏応力σ
ｙＯとが、σＦ１”Ｆσｙｏとなり、配管１内外面共に
降伏応力近傍の値で且つ降伏応力を越えない範囲に設定
することが容易にでき、配管１の内面と外面の方向が逆
で配管１の肉厚中心に対してほぼ対称な形の温度差によ
る理想的な応力場を形成することができる。配管１内に
加えられる冷却材による水圧（内圧）は現在の技術では
プラグ２に取付けられた冷却材の圧力計などで計測して
正確に制御できるから、温度差による応力場に内圧によ
る応力場を加えた結果の応力場状態が正確に制御できる
。

このことは、コンプレッサー５の出力を制御して内圧を
任意の大きさに調節することにより配管１の残留応力を
任意に変えることを正確に行えることにつながる。この
ため、実際に使用したときに配管１に加わる内圧を打ち
消すに充分な残留応力を配管１に付加するように制御で
きる。

仮に、このような残留応力を配管１の内外面の温度差の
みにより付加しようとすれば、配管１の肉厚方向の応力
分布を温度差制御のみで実施せざる得す、現状の技術で
は、正確な制御が不可能である。

本実施例では、温度差制御は降伏応力未満の領域に止め
て行い、降伏に必要なエネルギーは配管１内の冷却材に
よる加圧（内圧）によっている。

その内圧の大きさは、本実施例では２００　ｋｇ／ａＪ
である。このような２００　ｋｇ／ａｊの内圧を配管１
に加えることにより、温度差により与えられる応力にさ
らに加えられる応力は、配管１内面では前述（１）式で
算出すると、ｃｒｔ＝７．１６ｋｇ／＋ｎｍ２配管１外
面ではａ　ｔ　＝　５　、１６　ｋｇ　／　ｏｗｎ　２
の応力であり、内圧による応力と温度差による応力とを
組合せた応力は、配管１内面で、σ０．ａｘ＝σシ＋７
．１６（ｋｇ／＋ｎｍ２）、配管外１外面で、σ０、。

＝−σ、＋５　、１６　（ｋｇ／　ａｎ２）となり、σ
ｔｍ＆Ｘ＞σｆｆｅ　ｆｆｔｍｌ、くσｙ、σｔｍｔｎ
＞−σｙとなるので配管１外面は降伏せず、配管１内面
のみが降伏する応力分布となる。この際、σｙは概ね１
５ｋｇ／ｍａ＋２である。

本実施例による各処理後の残留応力を測定した結果は、
前述第２図に示したとおりであり、配管１の内面に偏在
した残留応力場が、その配管肉厚方向の途中にピークを
伴わないスムーズな応力曲線を描くように得られことが
期待できる。

次に、配管１に与えた残留応力による効果を表２を用い
て説明する。

表　　２ ｃｒ　ｙ＝　２１　、０　ｋｇ／　ｍ”上記の表２は本
実施例による残留応力を付加した場合と付加しない場合
の発生応力について比較したものである。

残留応力の無い場合は、配管１の内圧が５８５ｋｇ、／
Ｊで、発生応力が配管１の内面で２１ｋｇ／ｌ１１１２
で降伏応力と等しくなる。このとき、外面では１５　、
１　ｋｇ／　ｔａｎ”の発生応力しか無く、降伏応力に
対してかなりの余裕を持った値となる。しかし、内面で
はほぼ降伏応力であり、配管１に加え得る内圧の最大値
は５８５ｋｇ／−となる。

一方、配管１に本実施例による残留応力が付加された場
合には、配管１の内圧が７２５　ｋｇ／Ｊの場合でも、
配管１内面へ内圧により作用する応力は２６　、０　ｋ
ｇ／　ｒｍ”と降伏応力を越えるが、−５，０ｋｇ　／
　ｍ　２の残留応力が存在するので、実際に配管１内面
に発生する応力は２１　、０　ｋｇ／　ｍ”と、降伏応
力とほぼ等しくなる。また、配管１外面に作用する応力
は、　１８．７ｋｇ／１ＩＩ１２であるが、残留応力２
　、０　ｋｇ　／　ｍ　”が存在するので、実際は２０
．７ｋｇ／ｌｌｌ１１２と増加した応力が発生している
。その増加した応力は、ＩＩｉ！伏応力を越えずに安全
な値と成っている。

このように、残留応力は、配管１に内圧によって発生す
る配管１周方向の応力の偏差を修正して均一化方向に作
用するので、配管１に加え得る内圧の最大値は７２５ｋ
ｇ／ａ＃となる。

つまり、本実施例の処理を行うことにより、配管ｌに加
え得る最高使用圧力は５８５ｋｇ／ａｊから７２５ｋｇ
／ｄに増したことになり、約２４％の耐圧強度が向上す
る。

次に説明する本発明の第２の実施例は、配管１への残留
応力付加装置が第１実施例と異なり、他は第１実施例と
同じである。その異なる点を説明すれば、次のとおりで
ある。

第１５図、第１６図において、管軸方向移動装置３０は
厚肉配管１をその管軸方向に移動させる手段であり、空
圧駆動モータ３１により回転駆動されるローラ３２が他
のローラと共に配管１の外周面を挾んで配管１を配管軸
方向に送ることができる。

各管軸方向移動装置３０の間には高周波発信コイル駆動
装置３３が配備される。高周波発信コイル駆動装置３３
は、第１６図に見られるように、配管１を取り巻くよう
に配備された高周波加熱コイル９の配管１に対する位置
を制御するものである。第１６図において、高周波発信
コイル９はエアシリンダー３４のピストンロットに接続
されて支持される。そのエアシリンダー３４はスライダ
ー３５に設置されている。このスライダー３５は。

ベースプレート３６へ滑動自在に設置されている。

このベースプレート３６にはエアシリンダー３７がエア
シリンダー３４にたいして直角な角度の姿勢で［７され
る。エアシリンダー３７のピストンロットはベースプレ
ート３６に接続されている。

各エアシリンダー３４．３７にはエア源３８からの空気
圧をシリンダー内へ給排気制御するサーボ弁３９．４０
が接続される。各サーボ弁３９゜４０は制御盤内の指令
制御装置４１からの指令を受けて各エアシリンダー３４
．３７の伸長作用か縮小作用かを選択的に起こさせるこ
とができる。

指令制御装置４１からの指令は、高周波発信コイル９へ
角度９０度に離して、且つセンサ一方向を配管１外周面
に向けられて取付けた超音波距離センサ４２，４３から
の信号を受けて発信される。

いずれの超音波距離センサ４２，４３も配管１外面から
一定の距離能れるか近づくがすると離れ過ぎ或いは近づ
き過ぎのいずれかの信号を発信することができる。その
一定の距離とは配管１の中心軸とコイル９の中心軸とを
一致させた状態でのコイル９と配管１外面との隙間に誤
差程度の少ない距離を加減した範囲内の距離を指し示し
ている。

指令制御装置４１はその離れ或いは近づきの各信号を基
にどのエアシリンダーに伸長作用を或いは縮小作用を与
えるかのサーボ弁に送る指令を作る。

超音波距離センサ４２が近づきすぎの信号を発信すると
、その信号を受けた指令制御袋＠４１はサーボ弁３９に
エアシリンダー３７に伸長作用を成すための弁選択の指
令を発信する。超音波距離センサ４２が離れすぎ信号を
発信すると、その信号を受けた指令制御装置４１はサー
ボ弁３９にエアシリンダー３７に縮小作用を成すための
弁選択の指令を発信する。このようにすると、超音波距
離センサ４２の信号に基づいてエア源３８からの空気圧
をエアシリンダー３７へ給排気してスライダー３５を水
平方向へ移動させて、コイル９と配管１外面の水平方向
隙間を一定の範囲内に納める。

超音波距離センサ４３が近づきすぎの信号を発信すると
、その信号を受けた指令制御装置４１はサーボ弁４０に
エアシリンダー３７に縮小作用を成すための弁選択の指
令を発信する。超音波距離センサ４３が離れすぎ信号を
発信すると、その信号を受けた指令制御装置４１はサー
ボ弁４０にエアシリンダー３４に縮小作用を成すための
弁選択の指令を発信する。このようにすると、超音波距
離センサ４３の信号に基づいてエア源３８からの空気圧
をエアシリンダー３４へ給排気してコイル９を上下方向
へ移動させて、コイル９と配管１外面の上下方向隙間を
一定の範囲内に納める。両方の超音波距離センサ４２，
４３が同時に発信したときには、両エアシリンダー３４
．３７が同時に作動して常にコイル９の中心に配管１の
中心をあわせる作用を成す。指令制御装置４１にはこの
ような指令選択判断回路を備えている。

高周波発信コイル９は高周波発信器に接続され、高周波
電流が供給されることにより配管を誘導加熱する機能を
有している。

配管１の一端には冷却タンク５０内の冷却水がポンプ５
１と高圧ホースを利用して連通され、配管１の他端は高
圧ホースを利用して冷却器５２から冷却材タンク５０へ
と接続され、冷却材タンク５０はコンプレッサ５３で高
圧にされた冷却水が蓄積されている。このため、ポンプ
５１を駆動すると、冷却材タンク５０内の冷却水は配管
１内に配管１の一端から送りこまれ他端から出、冷却器
５２で冷却されて冷却材タンク５０内に戻されて循環す
ることができるものである。

このような装置にあっては、ポンプ５１を駆動し続けて
冷却された冷却水を配管ｌ丙に通し、且つ高周波発信コ
イル９に高周波電流を供給して配管１を誘導加熱する。

その加熱温度や冷却水による配管内への付加内圧や冷却
水温度、循環流速は先の実施例と同じである。この状態
で、空圧駆動モータ３１でローラ３２を回転駆動し続け
て配管ｌを管軸方向へ移動させる。その移動速度は先の
実施例における高周波発信コイル９の移動速度に等しく
する。このようにして加熱と加圧の各処理を施して後に
、ポンプ５１やコンプレッサ５３を止めて、冷却水によ
る内圧を抜く。

このようにすれば、先の実施例と同じ条件での加熱と加
圧の各処理を配管１に施して、先の実施例と同様な残留
応力を配管１に付与してその配管１の耐圧性能を向上さ
せることができる。

配管１は直管ばかりではなく、配管にプラントへの配管
据付経路に沿った曲率をつけたものもある。このような
曲管に本実施例に適用した場合には、曲管を移動装置３
０で管軸方向に移動しているうちに、管外面と高周波発
信コイル９との隙間が不均等になる。このような不均等
が生じると、その不均等量を超音波距離センサ４２，４
３が検知して指令制御装置４１に信号を発信し、その結
果エアシリンダー３４．３９の伸縮作用が制御され、そ
の不均等が解消される。このため１曲管の加熱むらも生
ぜずに曲管でも耐圧性能を自動的に向上できる。

〔発明の効果〕

請求項１の発明によれば、熱処理制御に加圧処理制御を
組合せて金属性中空構造物内の引張残留応力を極力抑制
して金属性中空構造物内側に極力大きな圧縮残留応力を
付与することができるから、金属性中空構造物の耐圧性
能が向上する効果がある。

請求項２の発明によれば、金属性中空構造物に加えた応
力場の前記金属性中空構造物の内面側の応力を他の外力
により強調して、金属性中空構造物内の引張残留応力を
極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大きな圧縮残
留応力を付与することができるから、金属性中空構造物
の耐圧性能が向上する効果がある。

請求項３の発明によれば、熱処理制御に外力付与制御と
冷却制御とを組合せて金属性中空構造物内の引張残留応
力を極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大きな圧
縮残留応力を迅速に付与することができるから、効率良
く金属性中空構造物の耐圧性能を向上させることができ
るという効果がある。

請求項４の発明によれば、熱処理制御に加圧制御と冷却
制御とを組合せて金属性中空構造物内の引張残留応力を
極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大きな圧縮残
留応力を迅速に付与することができるから、効率良く金
属性中空構造物の耐圧性能を向上させることができると
いう効果がある。

請求項５の発明によれば、熱処理制御に加圧制御と冷却
制御とを組合せ、冷却制御に使用する冷却流体に圧力媒
体と除熱輸送媒体の機能を合わせ持たせて全体として効
率良く金属性中空構造物内の引張残留応力を極力抑制し
て金属性中空構造物内側に極力大きな圧縮残留応力を迅
速に付与することができ、効率の良い方法により金属性
中空構造物の耐圧性能を向上させることができるという
効果がある。

請求項６の発明によれば、金属性中空構造物内の引張残
留応力を極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大き
な圧縮残留応力を付与して耐圧性能の高い金属性中空構
造物を製造できる装置が提供できるという効果が得られ
る。

請求項７の発明によれば、金属性中空構造物内の引張残
留応力を極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大き
な圧縮残留応力を付与した高耐圧性能の金属性中空構造
物が提供できるという効果が得られる。

請求項８の発明によれば、金属性中空構造物内の引ｖＲ
残留応力を極力抑制して金属性中空構造物内側に極力大
きな圧縮残留応力を付替して実使用時の内圧による付加
引張応力を残留応力で相殺しつつ効率良く金属性中空構
造物内に吸収させる金属性中空構造物の耐圧使用方法を
提供できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による熱処理及び加圧処理
装置の全体斜視図、第２図は、本発明の一実施例により
処理した配管の残留応力分布図。 第３図は、本発明の一実施例による内圧による応力と、
その応力と残留応力との組合応力との分布図、第４図は
、第１図に示した高周波発信コイルと配管との関係を配
管の管軸に沿った面で示した断面図、第５図は、第１図
に示した高周波発信コイルと配管との関係を配管の管軸
と直交した面で示した断面図、第６図は、本発明の一実
施例による加熱処理における配管の温度分布傾向を示し
たグラフ図、第７図は、本発明の一実施例による熱処理
時のみでの発生応力分布と加圧処理も加えたときの発生
応力分布とを併記した配管の応力分布図、第８図は、本
発明の一実施例による配管の応力と歪の関係を示したグ
ラフ図、第９図は、本発明の一実施例による処理を受け
た後の配管の残留応力分布図、第１０図は、本発明の一
実施例による処理を受けた後の配管の残留応力と実使用
時の内圧による応力と実使用時の発生応力との各分布を
示した応力分布図、第１１図は、熱処理のみによる処理
を受けた後の配管の残留応力と実使用時の内圧による応
力と実使用時の発生応力との各分布を示した応力分布図
、第１２図は、第１図の高周波発信コイルの位置と配管
の温度との関係を示した温度分布図、第１３図は、第１
図の高周波発信コイルの移動速度と配管の温度との関係
を示した温度分布図、第１４図は９本発明の一実施例を
適用する対象の配管の温度と応力との関係図、第１５図
は、本発明の他の実施例による熱処理及び加圧処理装置
の全体図、第１６図は、第１５図中の高周波発信コイル
駆動装置部の詳細図である。 １・・・配管、２・・・プラグ、３・・・冷却器、４，
５０・・冷却材タンク、５，５３・・・コンプレッサー
、６゜５１・・ポンプ、９・・・高周波発信コイル、１
０・・・高周波発信器、３０・・管軸方向移動装置、３
３・・・高周波発信コイル降動装置、３４．３７・・・
エアシリンダー、３９．４０・・・サーボ弁、４１・・
・指令制御第１図 第 ３ 図 第 図 第 図 距離 第 図 第 図 第 図 第１０図 本発明による発生Ｚ力 第１１図 ｏ１艶　（Ｘ−）） 第１４図 ００ ００ ００ ００ 温度（℃） 嘱ｉ［ｌＩ汝目鴫咄（ρ　） 第１５図 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属材料製の中空構造物の前記金属材料の降伏応力
   を超えない範囲内で、前記金属材料の厚さ方向両面間に
   温度差を与え、前記金属材料の両面の内の一方の面にそ
   の一方の面側の前記金属材料が降伏応力に達するまで圧
   力を加え、後に前記圧力の付与を解除することを特徴と
   した金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法。 ２、金属材料製の中空構造物の前記金属材料の降伏応力
   を超えない範囲内で、前記金属材料の厚さ方向両面間に
   相互に異なる方向の応力場を前記金属材料に与え、前記
   応力場で前記両面のうちの一方にその一方に加えられた
   前記応力と同方向の応力となる外力を与えて前記一方の
   面側の前記金属材料に降伏応力を付与し、後に前記外力
   の付与を解除することを特徴とした金属材料製の中空構
   造物の耐圧強化方法。 ３、金属材料製の中空構造物の前記金属材料の表裏両面
   の一方の面を加熱し、他方の面を冷却することにより前
   記金属材料に前記金属材料の降伏応力を超えない範囲内
   で応力を加え、前記両面の一方の面にその一方の面に加
   えられている応力と同方向の応力を外力により加えて前
   記一方の面側の前記金属材料に降伏応力を付与し、後に
   前記外力を解除することを特徴とした金属材料製の中空
   構造物の耐圧強化方法。 ４、内圧を受ける金属材料製の中空構造物の外面を加熱
   し、前記中空構造物の内面を冷却することにより前記中
   空構造物の金属材料の降伏を超えない応力を加え、前記
   中空構造物の中空内に圧力を加えることにより前記中空
   構造物の内面に前記中空構造物の金属材料の降伏を超え
   る応力を加え、後に前記中空構造物の中空内の圧力を開
   放することを特徴とした金属材料製の中空構造物の耐圧
   強化方法。 ５、金属材料製の中空構造物内に、前記金属材料の降伏
   応力付与未満の圧力を有する冷却流体を流動させ、その
   流動状況下において、前記中空構造物の外周面に沿つて
   移動する加熱手段により前記中空構造物内面が降伏応力
   以上に、外面が降伏応力未満になる熱量を前記中空構造
   物に付与することを特徴とした金属材料製の中空構造物
   の耐圧強化方法。 ６、耐圧強化処理を受ける金属材料製の中空構造物の外
   周面に対してすき間を保つて配備された高周波発信器の
   高周波発信コイルと、前記高周波発信コイルを前記中空
   構造物の長手方向に沿つて送る送り装置と、前記高周波
   発信コイルをはさんで前記中空構造物の長手方向に間隔
   をあけて前記中空構造物に備えられた冷却材の入り口及
   び出口と、前記冷却材を前記入り口から出口に向けて送
   る圧送装置と、前記冷却材の加圧装置とを備えた金属材
   料製の中空構造物の耐圧強化装置。 ７、内圧を受ける金属材料製中空構造物であつて、前記
   中空構造物の内面側には前記内圧による前記内面側への
   付加引張応力以上の絶対値を有する圧縮応力が残留して
   備えられ、前記中空構造物の外面側には前記内圧による
   前記外面側への付加引張応力を加えても前記中空構造物
   の金属材料の引張降伏応力を超えない引張応力が残留し
   て備えられている耐圧中空構造物。 ８、金属材料製中空構造物の内面側には前記中空構造物
   の内圧による前記内面側へ付加応力以上の残留応力を残
   すことは技術的、理論的に不可能である、圧縮応力を残
   留させ、前記中空構造物の外面側には前記内圧による前
   記外面側への付加引張応力を加えても前記中空構造物の
   金属材料の引張降伏応力を超えない引張応力を残留させ
   、前記内圧による前記内面側への付加引張応力を前記内
   面側に残留している圧縮力と前記引張降伏応力を超えな
   い範囲内で相殺させ、前記内圧による前記外面側への付
   加引張応力を前記中空構造物の金属材料の引張降伏応力
   を超えない範囲内で前記残留している引張応力に重乗し
   て前記中空構造物に前記内圧による前記中空構造物への
   付加応力を吸収させる中空構造物の耐圧使用方法。