JPS6263614A - 金属部材の表面処理方法及び装置 - 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】 １哩へ１１ 本発明は、流体ジェットによって金属材料の表面を処理
するための方法及び装置に関し、より詳しくは、超音速
液体ジェットによって金属材料の表面に圧縮応力を生じ
させることに関するものである。

従来の多くの金属加工及び金属成形作業は、金属中の残
留引張応力を惹起させるが、周知のように、金属面に残
留引張応力が存在すると、応力腐食割れが発生し易くな
る。

管壁を貫く割れは、原子炉の炉心を通って循環されるこ
とによって加熱され放射性粒子を含む−次流体と、給水
として知られる二次流体とを混合させ、給水を汚染させ
るため、原子炉の蒸気発生器用の管にとって特に有害で
ある。

蒸気発生器の管を現場で焼なましすることは、残留応力
を除去するための実現可能な方法ではない、管内面の残
留引張応力レベルを減少させることによって管壁の応力
腐食割れを受ける傾向を少な（するために開発された方
法には、接触圧延、回転ピーニング及びショットピーニ
ング等があるこれ等の方法には、以下に詳述するように
、それぞれ限界又は欠陥があることが確かめられている
。

第１に、接触圧延法は、回転ローラを備えた工具を用い
て管に制御された直径の変化を与えることからなる。こ
の方法は、工具の正確な位置決めな必要とし、実行が難
かしく、所要の０．３〜０，５％の直径変化を実現する
ために制御されたトルク値を必要とする。また、この方
法は、管板から先には有効ではない。

回転ピーニング法は複数の特別なフラップ組立体を必要
とする。また、この方法は、３０００〜３５００ｒｐｍ
程度の高回転速度と、頻繁な７ラツア交換と１、メタノ
ールに浸したｔツブによる後洗浄処理とが必要な上に、
氷室作業面の湾曲によ・−）で接近が制限されるため、
管板の全域がカバーされない６更に、この方法は、処理
速度が非常に遅いため、原子力蒸気発生器の約６０００
本の管のピーニングのような大規模な用途にとっては非
実用的である。また、この方法を原子力蒸気発生器に使
用したｊｇ５含の別の欠点は、空中放射性汚染が発生ず
ることである。

ショットピーニング法は、金属表面に圧縮応力を誘起す
るために、多年に亘り利用されている。

蒸気発生器の管のよ・）に比較的薄肉の管の場合は、過
大なショットピーニングが管の外皮に有害な引張応力を
生ずることが多いため、工程の制御が多少とも困難にな
る。また、非鉄材料のピーニングに主に用いられるガラ
ス球は、管材料の表面を汚染させることがある。更に、
原子力蒸気発生器のシヨ・ｙ　ｌ−ピーニングは、回転
ピーニングと同様に、空中放射性汚染を生じさせる。

これ等の全方法は、たとえ注意深く適用されたとしても
、除去しようとする応力又は歪みと同じ程度の応力又は
歪みをそれ自身生じさせる。従って、効率が高く、制御
が容易であり、空中汚染を生じないような、金属材料の
表面に圧縮応力を誘起させる方法の必要性がある。

１肛へｉ立 本発明は、高指向性で高速の超音速液体ジェットを処理
すべき金属材料の表面と接触するようにノズルを経て導
くことによって金属材料の表面を処理する方法にある。

実施例によれば、超音速液体ジェットは、金属材料の局
部的なミクロ硬度を増大させるために、大きな衝撃エネ
ルギで金属材料の表面と接触するように導かれる。液体
ジェットは、０．３〜０．６秒の範囲のドエル時間の間
、ノズルの送り速度によって制御される６６０〜８４０
　ｍ１秒＜２２００〜２８ＱＯｆｔ／秒）の速度で、金
属表面と接触するように導かれるのが好ましい。

■〕ｆ）　” 本発明は、どんな金属面の処理にも有用であるが、熱交
換器の管、特に原子力蒸気発生器に用いられているよう
な管の応力解放、除染及び洗浄に用いられるように構成
された好適な実施例について以下に説明される。

第１図を参照すると、高圧水シゴッｌ−ピーニング装Ｔ
１．１０の好適な実施例は、回転ノズル部１４に回動不
能に流体連結されたノズルヘッド１２を含みうる、一般
に細長いノズル手段を有する。ノズルヘッド１２及び回
転ノズル部１４の流体連結部は、アルミニウム・青銅製
のレンズ形の目止部材１６のような封止手段により封止
しうる。ノズルヘッド１２と回転ノズル部１４どは、非
回転コネクタ部１８及びコネクタ１９のような非回転中
間′：１．＋クタ手段に流体連結されている。回転ノズ
ル部】４と非回転コネクタ部１８との間の流体連結は４
テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）材料から製作しうる２対のば
ね作動式シール装置２０と２組のボリウ１／タン製バッ
クアップリング２２とによって封止することができる。

また、非回転コネクタ部１８とコネクタ１９との間の流
体連結は、アルミニウム・青銅製レンズ形閉止部材２４
によって封止することができる。

第４図に示した高圧ポンプ２６（後に詳述する）のよう
な高圧ポンプ手段は、可撓性高圧ホース２８及び継手３
０によってコネクタ１９に流体連結されている。

ノズルヘッド１２の内部には、第１図及び第２図に示し
た交換可能なオリフィス３２のようなオリフィス手段が
配設されている０本発明の場合、好適なオリフィスは、
０．１５−０．５１ｚｉ＋＜０．００６〜０．０２０ｉ
ｎ＞の直径にサファイアから製作され、米国ワシントン
州ゲントのフロー・インダストリーズ社から市販されて
いる。最良の結果は、直径が０．ＺＯ〜０．３０ｍ１＜
０．００８〜０．０１２ｉｎ）のオリフィスによって得
られる。好適な実施例によれば、３個のオリフィス３２
は、ノズルヘッド１２の内部に配設してあり、ノズルヘ
ッド１２の軸心に対して成る鋭角にオフセットされてい
る。このオフセット角Ａ（蒸気発生器の管内面の調整に
ついては４５°とすることが望ましい）は、オリフィス
３２から放出される流体ジェットが管面を打つための最
適の衝突角度を与える。

オリフィス３２にこの角度を与えることの副次的な目的
は、ノズルヘッド１２及び回転ノズル部１４を非回転コ
ネクタ部１８に強制的に係合させて、回転ノズル部１４
と非回転コネクタ部１８との間の剛な連結手段を不要と
することにある。

第２図は、ノズルヘッド１２の半径方向平面に対するオ
リフィス３２の配向を示している。各オリフィス３２は
、ノズルヘッド１２を通る半径方向平面に対し成るオフ
セットで配向されている。この配向のため、オリフィス
３２を経て流体が供給されると。

ノズルヘッド１２及び回転ノズル部１４は、非回転コネ
クタ部１８に対して相対的に回転する。

ノズルヘッド１２及び回転ノズル部１４に対する軸向き
の力（回転ノズル部１４を非回転コネクタ部１８から脱
落させる傾向をもつ）を避けるために、非回転ノズル部
１８を通る流体経路が形成してあり、その結果、流体は
第１図に示すように回転ノズル部１４に半径方向に流入
する。第４図に示した高圧ポンプ２６から供給された流
体は、継手３０及びコネクタ１９を経て非回転コネクタ
部１８に流入する。流体は、軸方向に傾斜した溝３４の
ような環状溝手段を経て、半径方向溝３６のような半径
方向溝手段に流入する。流体は次に、非回転コネクタ部
１８から流出し、回転ノズル部１４の半径方向ダクト３
８のような半径方向ダクト手段に流入する。流体は次に
、オリフィス３２と流体連通された中心軸孔３９のよう
な中心軸孔手段によって、回転ノズル部１４を貫流する
。非回転コネクタ部１８中において回転ノズル部１４が
回転するには、シール装置２０及びバックアップリング
２２は、コネクタ部１８とノズル部１４との間の軸受及
びシールとして作用しなければならない、第３図には、
高圧水ショットピーニング装置１０ａの変形実施例が図
示されている０回転ノズル部１４ａは、スラスト軸受４
０ａの間で軸方向に強く保持され、ニードル軸受４０ｂ
及び青銅軸受４０ｃによって回動自在に支持されている
０回転ノズル部１４ａはシール４１によってコネクタ１
９ａに封止されている。これ等のシールはシール保持ブ
ツシュ４２のようなシール保持手段により軸方向に保持
されている。この変形実施例によれば、第１実施例によ
る半径方向溝手段の必要が除かれる。その理由は、回転
ノズル部１４ａがスラスト軸受４０ｍと軸方向に係合し
ているため、中心軸孔３９＋ｌを通って軸方向に流れる
水による回転ノズル部１４ａのコネクタ１９ａからの分
離が起こらないためである。

第４図は、原子力蒸気発生器を構成する管状部材の内面
を処理するための処理方式を示している。

この処理方式は、その他の管状部材を処理するために用
いてもよい、高圧水ショットピーニング装置１０は、マ
ンウェイ４４のような開口を経て蒸気発生器の水室４３
に挿入される。ショットピーニング装置１０は、管板４
８から吊り下ろされた支持アーム４６のような支持手段
によって支持される。支持アーム４６は装置ホルダー５
０を有していてもよく、この装置ホルダー５０は、支持
アーム４６の軸心に沿って可動となっており、更に、ピ
ボット５２の回りにその取付軸心に沿って回動自在とし
てもよく、それによって蒸気発生器の管板４８のどの管
（管状部材）５４にもショットピーニング装置！ｔ１０
が挿入されるようになっている。典型的な原子力蒸気発
生器は、数１０００本の管を有１，２ているが、第３図
には単にそのうち５本の管５４のみが図示されている。

ショットピーニング装置１０が管５４の内面を有効に処
理するためには、ベルト駆動装置５６のような軸方向ノ
ズル移動手段が必要となる。ショットピーニング装置１
０によって管５４の内面に圧縮応力を生じさせるために
は、高圧ポンプ２６は少なくとも２１００Ａｇ／ｃｍ２
（３００００ｐｓｉ）、好適には少なくとも２４５０人
ｇ／ｃｍ”　（３５０００ｐｓ　ｉ　）の圧力で液体を
供給する能力を持つべきである。この形式のポンプは、
米国ワシントン州ゲントのフロー・インダストリーズ社
により製造されている。この実施例による高圧ポンプ２
６は、２４０／４１３０Ｖ＾Ｃに定格された７５馬力の
電動機によって駆動される。高圧ポンプ２６は、蒸気発
生器の各管５４に容易に接近できるように、可撓性ホー
ス２日によりノズル手段に継手３０で流体連結されてい
る。取扱を容易にするために、可撓性ホース５２の巻取
リール５Ｂを使用すると共に、廃水及び破片を除去する
ために吸込ポンプ６０及び関係したハードウェアを使用
する。

以上、に説明しん：自己回転式の高１１水ン２ｆツトビ
・−・ニング装置１０は、所定速度の超音速液体ジェッ
トにより蒸気発生器の管５４の内面を（−１撃するごと
によって、該内面を処理憚る。本発明による処理方法は
等１．い力を加えてどんな金属部材の表面をも処理する
。

次に作用について説明すると、液体、好ましくは水は、
第４図の高圧ポンプ２６によって、少なくとも２１００
ｋｇ／ｃｒｔｔ”　（３００００ｐｓ　ｉ　＞、好まし
、くけ少なくとも２４５０Ａｇ／ｅｘ２（３５０００［
３ｓｉ）まで加圧される。加圧された高圧液体は、可撓
性ホース２８を経て継手コ（０のとごろからノズル手段
に供給される。第１図を参照すると、高圧液体は、継ｆ
３０及びコネクタ１９を経て、非回転コネクタ部１８に
流入する。高圧液体は、９非回転コネクタ部１８におい
て、軸方向に傾斜［−た溝３４を経て半径方向溝３６に
流入する５高圧液体は、半径方向溝３６からノズル手段
の回転ノズル部１４の半径方向ダク１−３８に流入する
。次に、高圧液体はこの半径方向ダクトから中心軸孔３
９を経てノズルヘッド１２に流入し、オリフィス：）２
と流体連通される。高圧液体は、第２図に示すように、
ノズルヘッド１２の半径に対してオフセットされた方向
に、オリフィス３２を経て放出される。半径方向に対す
る成る角度に高圧液体を放出する効果として（回転手段
）、ノズルヘッド１２及び回転ノズル部１４に回転力が
発生する。ノズルヘッド１２及び回転ノズル部１４は、
この回転力によって非回転コネクタ部１８に対し回転さ
せられる。オリフィス３２は、そこから放出される液体
ジェットを最適の衡突角度で管面と接触するように指向
させるために、ノズルヘッド１２の軸心に対する成る鋭
角にオフセットされている。更に、ノズルヘッド１２の
軸心に対する成る鋭角にオリフィス３２を経て高圧液体
を放出することによって、ノズルヘッド１２及び回転ノ
ズル部１４に軸力が及ぼされるため、流体圧力により連
結が断たれることに抗する軸方向連結手段を用いること
なく回転ノズル部１４を非回転コネクタ部１８との係合
状態に保つことができる。

オリフィス３ｚを経て放出された高圧液体は、所定の超
音速で管５４の内面に衝突するや蒸気発生器の管５４〈
インコネル製）の内面に圧縮応力を生起するには、管５
４の内面に衝突する高圧液体の好ましい超音速は、６７
１−８５４ｉ＋／秒（２２０（１”　２８００ｆ　ｔ／
秒）テ゛ある。異なった組成の管の応力除去のための好
適な衝突速度は管材料によって定まる８まな、管５４の
洗浄、除染及びその他の処理は、一般に、もっと低い衝
突速度で行いうる。金塊面の所間応力を達成するには、
成る所定の最小時間（ドエル時間と称される）の１１１
超音速の液体ジェットを金属面に衝突させねばならない
。蒸気発生器の管材料であるインコネル６００の場合、
好ましいドエル時間は、０．３□＝０．６秒である。こ
のドエル時間は、管祠料によって定まり、管５４を迫る
装置１０の送り速度によって制御される。この送り速度
は５軸方向ノズル移動手段（蒸気発生器の管５４の好ま
しい応力除去方法の場合には、例えば軸方向ノズル移動
装置５６）の適切な制御によって達せられる。軸方向ノ
ズル移動装置５６は、所定の送り速度でショットピーニ
ング装置１０を軸方向に並進させ管５４中に送りこむ。

蒸気発生器の応力除去に好適な軸方向送り速度は、０．
０２５〜０．０５０１／分（ｔ、ｏ−２，０ｉｎ／分）
であることが確められている。換言すれば、好ましい送
り速度は、ノズルヘッド１２の１回転に対して。

７．６Ｘ　ＩＦ”−１５，２Ｘ　１０−’ｍ（０，００
３〜０．００６ｉｎ）の範囲にある。

所要の送り速度での軸方向運動により決まる時間及び所
要の超音速で金属面に超音波液体ジェットを衝突させる
ことによって、管５４の外面に影響なく、金属面のミク
ロ硬度が増大する。高圧水ショットピーニングによって
もたらされた局所的なミクロ硬度の増大は、管内面から
の距ｗｉ（ミル）に対してミクロ硬度をプロットした第
５図に示す通りになる。この表面硬度値は、慣用のショ
ットピーニング及び回転ピーニングによって得られるも
のに非常に類似している。

高圧ポンプによって発生され、オリフィス３２を経て金
属面に向けられる超音波液体ジェットは、蒸気発生器の
管のような金属材料の表面から放射性の酸化物層を剥が
して除去するために使用することができる。金属表面に
圧縮応力を生起させるための所定の超音速及び送り速度
は、放射性酸化物層の除去にとって有効であるが、これ
よりも早いか又は遅い衝突速度及び送り速度は、除染に
とって同様に有効でありうる。前述した自己回転式の管
処理装置によるこの酸化物層の除去は、管の洗浄及び除
染の目的にとって有効である。

管以外の形状の金属部材の表面の洗浄、除染又は圧縮応
力の生起のために同一のポンプ及びオリフィスを使用し
てもよい。しかし、ノズル手段は。

所望の処理を得るための最小時間及び十分な力で液体ジ
ェットが表面をｎつように変更することが必要となる・
）。しかし、金属表面を処理するための高圧液体ジェッ
トの使用は、どんな形態の金属表面に対しても同様に適
用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、管状部材中に圧縮応力を生起させるための自
己回転ノズルの好適な実施例を示す立断面図、第２図は
、第１図の■−■線の方向に見た端面図、第３図は、自
己回転ノズルの変形実施例を示す立断面図、第４図は、
断面によって一部分を表わした蒸気発生器に収り付けら
れた高圧水ショットピーニング装置を示す配列図、第５
図は、被処理面からの距離（ミル）に対する被処理物の
ミクロ硬度の関係を示す線図である。 １０．１０ａ・・・ショットピーニング装置（表面処理
装置） １２・・・ノズルヘッド（ノズル手段）１４．１４ａ・
・・回転ノズル部（ノズル手段）２６・・・高圧ポンプ
（高圧ポンプ手段）３２・・・オリフィス（オリフィス
手段）５４・・・管（管状部材又は金属部材）５６・・
・ベルト駆動装置（軸方向ノズル移動手段）出願人　ウ
ェスチングハウス・エレクトリックコーポレーション 代理人　　　　　曾　　我　　道　　照′ＦＩＧ、　３ 距離（マル）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）金属部材の表面を処理する方法であって、所定の超
   音速で運動する液体からなるジェットを作りだし、 超音速の液体からなる該ジェットを、処理すべき前記表
   面に当て、 該表面の処理を行うための所定のドエル時間の間、処理
   中の前記表面に前記ジェットを当て続ける、 ことからなる金属部材の表面処理方法。 ２）管状部材の内部表面を処理する装置であって、ノズ
   ル手段と、 該ノズル手段内に配設され、加圧液体から所定の超音速
   でジェットを作ると共に、該ジェツトを前記管状部材の
   前記内部表面に指向させる、オリフィス手段と、 前記管状部材の軸心に関して実質的に同心の前記ノズル
   手段の軸心回りに、該ノズル手段及び該オリフィス手段
   を回転させる回転手段と、 前記ノズル手段の軸心に沿って該ノズル手段を移動させ
   るための軸方向ノズル移動手段と、前記ノズル手段及び
   オリフィス手段に前記加圧液体を供給する高圧ポンプ手
   段と を備える管状部材の表面処理装置。