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20½❾ A6 B6 五、發明説明^ ) 本發明之背景 1 .本發明之範圍 本發明僳鼷於一種利用渦穴沖擊以改菩金羼元件中之 殘餘應力的方法，其將留在靠近金屬元件表面之拉伸殘餘 應力轉變成為壓缩殘餘應力，並防止金屬元件的應力腐独 裂紋，而且本發明是闋於一種適於其使用之噴水噴嘴。 2.有蘭技藉之敘述 經濟部中央標準局WT工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 丨装- 一般所熟知者：當將各種金屬，例如：奥氏體不銹鏑 放置在高溫水下時，可能引起應力腐蝕裂纹在其所焊接之 部份上或在其附近。應了解當三値獨立的誘導因數重疊時 會造成應力腐蝕裂紋，此三個因數是開於：金羼元件之材 料、其中的殘餘應力、以及其使用環境。與材料有開的其 中一個誘導因數是其敏感性，它係由Cr碩化物的沉澱在 晶界上及經由形成缺少C r之層環繞它予以造成而具有不 良之耐蝕性；與殘餘應力有關的其中一個誘導因數是：由 於其焊接或處理而留在金屬元件中之拉伸殘餘應力；而與 使用環境有闢的其中一値誘導因數是：在高溫水中，已溶 之氧氣的數量。在當此等三種誘導因數相重疊之狀況下會 造成應力腐蝕裂纹，因此當將此三個獨立的誘導因數的其 中一個誘導因數予以消除時，可以防止金屬元件之應力腐 蝕裂紋。 日本一 A — 62 — 63614 (1987)(它相當 於EP_ A — 02 1 8354)掲示一種傳统之技蓊用以 本紙張尺度通用t國囲家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） -2 - A6 B6 五、發明説明（） 2 改善金屬元件中之抗拉殘餘應力；其中將一高壓水壓射沖 擊裝置嵌入管之内部，此裝置具有一旋轉式噴嘴單元用於 注射高壓喷水，例如用於核能水蒸汽産生器之管，以改善 留在其内壁面中之抗拉殘餘應力。將高壓噴水從旋轉喷嘴 單元射出，而藉由噴水本身的軸向動態壓力來沖擊管的内 壁面，並將靠近管之内壁面所留之抗拉殘餘應力轉變成為 壓縮殘餘應力。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 (請先《讀背·面之注-事項再填寫本頁) 裝_ 上述之習知技藝，用於改善管（例如用於核能水蒸汽 産生器中之管）的内壁面中之抗拉殘餘應力之方法中是有 效的，然而，在習知方法中，從噴嘴單元所射出之噴水適 合於沖擊在大氣空氣之下之金屬的表面，且經由其衝擊能 量可沖擊金屬元件之表面。該習知方法在大氣空氣之下， 使用噴水的軸向動態壓力，所以習知方法僅與噴水之注射 暖力有關，因此當在水下時使用習知的方法，由於例如周 圍水之抗流動性，水之軸向動態壓力被減弱，且同樣由於 噴水之高速率擴散而減弱，因為其相位是與周圍之水相同 ，因此使得很難有效獲得噴水的沖擊效果，且當在水下要 獲得相當於在大氣空氣之下所獲得的軸向動態壓力時，必 須以超高速來注射噴水，有鑑於此泵及相關的機器之成本 ,此種方式是非常不便利的。 本發明之概要 本發明之目的是提供改善金屬元件中殘餘應力之方法 ,它經由使用在水下或在相當於在水下之環境下所造成的 本纸張尺·度適用中國國家標準（CNS〉甲4規格（210 X 297公货） 4 經濟部中央標準局R工消費合作社印製 A6 B6 五、發明説明（） 3 潙穴，來沖擊金羼元件的表面而有效提供壓缩之殘餘應力 於其中，.進一步提供一種適合於實施此方法的嘖水噴嘴。 為了速成上述目的，根據本發明之改菩金屬元件中殘 餘應力的方法包括下列步驟：在水下或相當於在水下的一 種環境中，從一具噴嘴注射噴水向著金屬元件的表面，此 金屬元件亦放置在水下或相當於在水下之環境中，經由積 極造成渦穴，而在水中刺烈産生渦穴氣泡於金屬元件之表 面上，此渦穴僳經由注射噴水及以衝擊力沖擊金歷元件之 表面予以誘導掘生，此衝擊力僳當金屬元件之表面上之渦 穴氣泡陷縮以産生一壓縮之殘餘應力在金屬元件表面上時 而予以産生。 渦穴僳藉由從浸入水中之一具噴嘴向著一金屬元件的 表面注射噴水而有效地産生，此金屬元件亦浸入於水中， 以在周圍水與經注射的噴水之間造成一壓力差及流速差。 為了局部形成相當於在水下之環境於放置在大氣空氣 中之金屬元件上，並誘發此渦穴於該環境中，製成一噴嘴 ,它具有配置在其中央之第一口用於注射高壓噴水，且具 有配置環繞在其外部圓周之第二口用於注射環繞之水流， ，以便環繞第一口，而且藉由從噴嘴的第二口注射環繞之 水流，乃將相當於在水下之一種環境（似乎有一水槽其含 有水）局部地形成在環繞噴嘴的第一口之金屬元件上，並 藉由從噴嘴之第一口（具有比環繞水流更高的流速）注射 高壓噴水，渦穴是産生於金屬元件上之環繞水流中，由於 琛繞水流與高壓噴水之間的壓力差及流速差。_ 本·紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 〆 -5 - (讀先閱^背*之注«.事項再塡寫本頁) .裝. 訂 A6 B6 五、發明説明（） 4 (請先閲讀背面之注念事項再填寫衣頁) 根據本發明之改菩金屬元件中之殘餘應力的方法，使 渦穴氣泡（其係由於藉由在水下注射喷水而造成之猾穴而 予以産生的），在或接近金屬元件的表面上生長且陷缩。 猾穴氣泡的陷縮速率棰高，且在各別的陷縮氣泡之中央産 生極高之衝擊壓力。由於該項極高之衝擊壓力，金屬元件 的表面受到局部地沖擊而造成大於屈服點之應變於其上， 金屬元件之沖擊後的表面則藉由塑性變形而在側向方向上 被擴張。透過此種作用，彈性壓縮應爱的區域，被動量地 産生於環繞金羼元件之沖擊後的表面，且沖擊後的表面受 到來自琛繞之彈性壓縮應變的區域之反擊而産生殘餘之壓 縮應力於其中。 以如上文中所解擇之方式，將金屬元件中之抗拉殘餘 應力轉變成為壓縮之殘餘應力，而藉以防止産生金屬元件 的應力腐蝕裂紋。 圖式之簡單敘述 經濟部中央標準局8工消費合作社印製 圖1是一示意圖，用於說明依據本發明之使用在水下 之渦穴沖擊，來改菩金屬元件中之殘餘應力的方法之一個 具體實施例； 圖2是使用於上述具體實施例中之號角型噴嘴的截面 ，此噴嘴適合於藉由從它向著金屬元件之表面注射水而造 成渦穴氣泡於水中之金屬元件上； 圖3是一幅圖形，舉例説明在依據上述具體實例中， 在其沖擊之後，金屬元件的表面中所産生之壓縮殘餘應力 衣紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 6 經濟部中央標準局MK工消費合作社印¾ A6 B6 五、發明説明（5 ) » 圖4是一示意圖，用於説明依據本發明，改善金屬元 件中之殘餘應力的方法之另一具饈實施例，它使用在大氣 空氣中所形成之相當於在水下之環境下的渦穴沖擊；及 圖5 (a)是使用於與圖4有關之具體實施例的嘖嘴 之截面，而圖5 (b)是此噴嘴之底視圖。 具«實施例之敘述 在下文中，本發明的一個具體實施例是參照圖1至圓 3予以說明。圖1是使用於本發明具體實施例之渦穴沖擊 裝置的示意圖，透過它來說明對於在水下之金屬元件而進 行渦穴沖擊操作之方式。供注射之水，首先在高壓泵1中 予以加壓，然後加壓後的之水，經由軟管2和導管15予 以輸送，並從噴嘴3以噴水之形式披注射至金羼元件4的 表面上。將金屬元件4浸入在被容纳於桶16中之水中， 且噴嘴3像在水下注射噴水。噴嘴3藉由一具噴嘴移動機 構14而被移動，此機構14係由一雙水平式軌19予以 可移動式支持，而水平式軌19則藉由軌支持構件20與 21予以支持，同時與金屬元件4之表面保持有一段預先 測定的距離，該噴嘴移動機構14藉由一個垂直移動支持 構件22而被進一步支持，以容許其垂直移動，而且經由 噴嘴移動機構14,使噴嘴3的移動速率被控制單元18 予以控制在一最適宜數值，此控制單元18亦控制來自高 壓泵1之壓力及水流動速度在最適宜數值。將噴嘴3做成 本紙張又度適用中國囯家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） (讀先w-.t背面之注意事項再塡寫本頁> •裝. 訂. 7 經濟部中央標準局R工消費合作社印一农 A6 B6 五、發明説明（） 6 一號角型式，如圓2中所示（參閲：JP- A — 60 — 168554 (1985),它相當於美國專利案No. 4, 798, 336),流經噴嘴3之水流，在銳孔部份 5處增加其流速，並從號角部份6被注射入捅16中之水 中，此號角部份6係位於銳孔5之下游並具有一錐形形狀 之增加的流動通道區域。噴水流動的速度和壓力很明顯地 改變於從噴嘴3中之銳孔部份5至號角部份6之過渡期間 ,且渦穴在該處被誘發而産生許多渦穴氣泡7。當此等渦 .........___ —....... 穴氣泡7在或接近金屬元件4之表面上陷縮時，藉由所造 I成之沖擊壓力，金屬元件的表面受到沖擊而誘發壓縮殘餘 應力於其上。此外，由於藉由噴水本身，在金屬元件表面 上之軸向動態壓力（而産生之）水沖擊力，亦促成改善其 中之殘餘應力。 圖3中所示之圖表舉例說明：經由在水下之渦穴沖擊 而在金颶元件中所産生之壓縮殘餘應力，其中將SUS 304之Η狀金屬試樣浸沒入0. 3m深度之水下，並如 上文所解釋的，從號角型噴嘴注入7〇〇kg/cm2之 噴水來誘生渦穴氣泡而沖擊試樣。在圖表中，橫坐標表示 :距離L (自噴嘴終端至試樣之表面）VS噴嘴之孔徑直 徑d之比率，而縱坐標表示：經由渦穴沖擊而獲得之所産 生的殘餘應力數值；其中，壓縮應力以負數值予以表示。 從圖3中所示之圖表可見出，在壓縮之殘餘應力方面，最 佳的殘餘應力約為50kg /mm·2 ，偽在20至30的 L/d比率時予以獲得。 本紙張尺度適用中國國家標準（CKS)甲4規格（210 X 29?·公釐） (諳先閱分诗面之注音？事項再塡寫本頁) .装- 訂 -S - 經濟部中央標準局g工消費合作社印製 A6 __ B6 五、發明説明（7 ) 為了比較之目的，在大氣空氣下，將噴水沖擊施加於 SUS304試樣上之實驗，藉由使用傳統式喷嘴予以進 行。在此實例中，因為在大氣空氣下之操作，不可能期望 得到由於渦穴氣泡之陷縮，沖擊壓力的效果，因此之故， 將傳統式噴嘴的水注射壓力提升高逹3 0 0 0 k g/ cm ,為的是增加嘖水的軸向動態壓力。此外，為了避 免試樣之侵蝕，將L/dl:b率設定在300。由於目前比 較實驗的結果，試樣中之5. 2kg/mm2的壓缩殘餘 應力，像在3000kg/cm2之水注射壓力下予以獲 得，與藉由依據本發明之上述的具體實施例在水下之渦穴 冲擊所獲得者相比較，所獲得的壓縮殘餘應力較低。從此 項比較，可以了解：使用依據本發明之渦穴氣泡的沖擊是 改善金屬元件中之殘餘應力的有效措施。 圖4是用於説明改善金屬元件中之殘餘應力方法之另 一種具體實施例之裝置的示意圖；其中，渦穴沖擊僳在大 氣空氣下，經由製造相當於水下的一種環境予以進行；而 圖5 (a)和圖5 (b)是圖形，顯示：使用於進行上述 其它具體實施例之噴嘴，在圖4中與圖1中相同或相當之 組件係由相同的參考數字予以表示。供注射之水，在高壓 泵1中予以加壓，然後經過加壓後的水，通過軟管2和導 管1 5予以輸送，並鸯噴嘴8而被注射向箸在大氣空氣下 之金里元件4的表面。噴嘴8藉由一具噴嘴移動機構14 而被移動，同時保持距離金屬元件4之表面有一段預先测 定的距離，且噴嘴8之移動速率僳由控制單元18予以控 衣紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） " (請先閱讀背面之注念事項再堉寫本頁) •裝· 訂 經濟部中央桴準局w：工消費合作社印3*· 五、發明説明（8 ) 制在最適宜之數值；控制單元18亦控制來自壓泵1之壓 力及水流動速度在最適宜之數值。如圖5 (a)及圖5 ( b)中所舉例說明者，噴嘴8包含：經配置在噴嘴之中央 的第一注射口9,用於注射噴水，並以此一方式來環繞此 噴嘴的外周界予以配置之許多第二注射口10,用於注射 環繞之水流11來環繞第一注射口9,並且藉由從噴嘴8 之各第二注射口10來注射環繞之水流11,將一値局部 水琛境（好像有容纳水之一値水桶），藉由環繞之水流1 1在環繞第一注射口 9之金颶元件4之表面上予以形成， 並將具有比環繞之水流11者更高速度的高壓噴水12, 從第一注射口 9注射入環繞之水流1 1中。因為限制了第 一注射口9的出口部份之直徑，所以自其中用於供沖擊使 用之噴水共振式地振動，以産生渦穴氣海1 3在局部水環 • - ·. .丽 -—·.... " 境中，而金屬元件4之表面，則經由當在或接近金屬元件

I 4表面上渦穴氣泡陷縮時，渦穴氣泡的陷縮所造成之衝擊 壓力予以沖擊而藉以，用相同於根據先前具體實施例在水 下之渦穴沖擊的方式，來誘生壓縮之殘餘應力在金屬元件 中。 此外，可以將用於形成環嬈之水流1 1的噴嘴8之許 多第二注射口10相聯合，而構成一環狀的第二注射口， 以便環繞第一注射口9。 依據本發明，藉由經過一噴嘴之噴水的注射，使渦穴 氣泡産生在一裤水所覆蓋的金屬元件之表面上，並藉由使 用渦穴氣泡的陷缩所誘發之衝擊能量，將在水下之金屬元 本纸張尺度適用中國固家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐〉 -IG — (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝· 訂' Α6 Β6 五、發明説明（9 ) 件表面予以有效地沖擊，而誘發壓缩性殘餘應力於其上， 來藉以防金屬元件的應力腐蝕裂纹。 此外，與改善金羼元件中之殘餘應力的習知方法相比 較，依據本發明藉由注射噴水予以造成之渦穴氣泡可以被 有效地使用，以便加噴水的能量利用，而在習知方法中， 僅使用藉由噴水本身的軸向動態壓力所造成之水衝擊力。 更甚者，依據本發明，用於改菩其殘餘應力之金屬元 件的沖擊，可以僅藉由使用噴水予以進行，而消除使用壓 縮Η件，如在傳統式壓縮沖擊中所使用者，而藉以防止對 於環境之不利影響。 (諳先¾¾背·面之注&事項再塡寫本頁) .裝. 訂· 經濟部中央標準局MK工消費合作社印製 本紙張又度適用中國國家標準（CNS〉甲4規格（210 X 297公货） -11 -

Claims (1)

1. A7 B7 C7 D7 經濟部t央標準局貝工消费合作社印製 六、申請專利範固 1. 一種利用湯穴沖擊，以改善金屬元件中之殘餘應 力的方法，包括下列各步驟： 在某種環境下，從一具噴嘴向著金屬元件之表面注射 高速喷水，在此琛境中至少受到高速噴水的金屬元件之表 面會被水所覆蓋； 藉由從水中之噴嘴將高速噴水注射在金屬元件之表面 而造成渦穴氣泡； 使用藉由渦穴氣泡的陷縮所産生之局部高壓來沖擊金 屬元件之表面，並造成大於屈服點之應變於其上；及 在靠近金屬元件之表面處誘發壓縮性殘餘應力。 2. 如申請專利範圍第1項之利用渦穴沖擊以改善金 颶元件中之殘餘應力的方法，進一步包括下列步驟： 以一預定的速率沿著金屬元件之表面來移動噴嘴之位 置，同時與其保持一段預定的距離。 3. —種利用渦穴沖擊，以改善金屬元件中之殘餘應 力的方法，包括下列各步驟： 從在水下之一具噴嘴向著在水下之金屬元件的表面注 射高速噴水； 藉由來自噴嘴所注射之高速噴水，造成水中之渦穴氣泡 於金屬元件之表面上； 使用藉由渦穴氣泡的陷縮所産生之局部高壓來沖擊金 屬元件之表面，並造成大於屈服點之應變於金屬元件之表 面上；及 在靠近金屬元件之表面處誘發壓縮性殘餘應力。 (請先閲，讀背面之注意事項再填窝( _裝_ 訂· -線. 本紙張尺度適用中國國家櫺準（CNS)甲4規格（210 X 297公踅） -12 - 81.9.10,000 Μ Α7 Β7 C7 D7 經濟部中央標準扃KC工消费合作社印製 六、申請專利範圍 4. 如申請專利範圍第3項之利用渦穴沖擊以改善金 屬元件中之殘餘應力的方法，進一步外包括下列步驟： 以一預定的速率沿著金屬元件之表面來移動噴嘴之位 置，同時與其保持一段預\定的距離。 5. 如申請專利範圍第4項之利用渦穴沖擊以改菩金 屬元件中之殘餘應力的方法，其中該噴嘴是一號角型噴嘴 ，它包括：一個銳孔部份及一個號角部份，此號角部份是 位在銳孔部份的下游，而且具有呈錐形形狀的一個增加流 動通道區域。 6. 如申請專利範圍第5項之利用渦穴沖擊以改菩金 颶元件中之殘餘應力的方法，其中將該噴嘴距離金屬元件 表面的預定距離，保持在噴嘴中之孔徑部份的孔直徑之 2 0至3 ◦倍之間。 7. —種利用渦穴沖擊，以改善金屬元件中之殘餘應 力的方法，包括下列各步驟： 製造一種噴嘴，具有配置在其中央的第一注射口用於 注射噴水，以及配置在其外部周圍上並環繞第一注射口之 第二注射口； 在金屬元件之表面上形成一個在水下的局部環境，此 金屬元件表面係被放置在大氣空氣中，形成此局部環境之 方法係藉由從該噴嘴的第二注射口注射水流，而此噴嘴亦 被放置在大氣空氣中； 注射來自該噴嘴的第一注射口之高壓噴水，進入來自 第二注射口之水流，將高壓噴水之流動速度設定在高於來 請 先 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 寫 裝 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐）_ 13 _ 81.9.10,000 A7 B7 C7 D7 經濟部中央櫺準局R工消费合作社印製 六、申請專利範面 自第二注射口的水流之流動速度，藉以造成渦穴氣泡於在 水下之局部環境中； 使用經由渦穴氣泡之陷縮所産生之局部高壓，來沖擊 金屬元件之表面，並造成大於屈服點之應變於金屬元件之 表面上；及 在靠近金屬元件之表面處誘發壓縮性殘餘應力。 8. 如申請專利範圍第7項i利用渦穴沖擊以改善金 屬元件中之殘餘應力的方法，進一步包括下列步驟 以一預定的速率沿著金屬元件之表面來移動噴嘴之位 置，同時與其保持一段預定的距離。 9. 一種噴水喷嘴，用於藉由渦穴沖擊來改善金屬元 件中之殘餘應力，包括：一配置在中央之第一注射口用於 注射高壓噴水；以及第二注射口用於注射水流，此第二注 射口是沿著外部圓周而配置以環繞第一注射口，而所注射 的水流在金屬元件的表面上形成一在水下的局部環境。 10. 如申請專利範圍第9項之藉由渦穴沖擊來改善 金屬元件中之殘餘應力的噴水噴嘴，其中沿著該噴嘴之外 部圓周的第二注射口像由許多注射口所構成，這些注射口 是一種方式予以排列使其環嬈位在該噴嘴中央之第一注射 口。 m (請先W讀背两之注意事項再填窝一X) -裝_ 訂. :線· 二紙張尺度適用中囯國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐）-14 - 81.9.10,000