JP4160976B2 - 管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置に関する。

原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する応力の除去が問題となる。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなるおそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、除去することが望ましい。

配管に残留する応力の除去方法として、高周波加熱残留応力改善法（Induction Heating Stress Improvement Process；以降、ＩＨＳＩ法と呼ぶ。）が提案されている。このＩＨＳＩ法は、配管の応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；以降、ＳＣＣと呼ぶ。）条件を満たしている部分近傍の厚み方向に温度勾配ができるように、管内面を流水により強制冷却しながら外面側から高周波誘導加熱コイルを利用して誘導加熱で昇温した後、加熱を停止し、配管の厚み方向が略均一な温度となるまで内面に水を流すことで冷却し続け、結果として、溶接部近傍の引張状態の残留応力を低減又は圧縮状態にするものである（特許文献１〜３）。

又、配管に残留する応力の除去方法として、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法も提案されている（特許文献４〜６）。

特開昭５７−７００９５号公報 特開２００１−１５０１７８号公報 特開平１０−２７２５８６号公報 特開２００３−００４８９０号公報 特開平８−５７７３号公報 特開２０００−２５４７７６３号公報

ＩＨＳＩ法においては、加熱終了時に管外周面と管内周面との間には一定以上の温度差が必要である。このため、既に据え付けられ、内部を水流による冷却が可能な配管に対しては実施しやすいが、管内部に流水状態を確保できない管体に対しては実施が困難である。又、ＩＨＳＩ法は、管の厚み方向に温度勾配をつけるために高周波誘導加熱を行うものであるが、高周波誘導コイルによる加熱の場合、管体の材質（誘電率）によって、熱が伝わる深さ及び範囲が異なり、その加熱範囲の限定が難しい。又、装置も大掛かりでエネルギー消費量も大きく、更に、異材継手等、誘電率が異なる部材が混じっている場合には、厚み方向に一定の温度勾配をつけるのが難しい。

又、上述した、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法おいては、加熱しすぎたり、加熱が不足したりする可能性がある。加熱しすぎた場合、加熱領域の近傍に鋭敏化温度に晒される領域が発生し、材料自体に悪影響を与え、例えば、加熱面に酸化スケールが形成され、スケールを除去する必要が生じ、原子力発電所内での施工では、被ばくが増加するおそれがある。又、加熱不足の場合には、残留応力を十分改善することができず、ＳＣＣを確実に防止できないおそれもある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、管体の設置状態、構成状態に依らず、確実に残留応力を改善できる管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
円筒状の管体の溶接部分の外周面に、該管体の外周を周回させながらレーザ光を照射する際、
前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を、前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
前記周方向加熱幅をＷ、前記レーザ光の周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆ≦１．４となるように、前記周方向加熱幅Ｗ及び前記周方向移動速度Ｖを設定して、
前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくすることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
円筒状の管体の溶接部分の外周面に、該管体の外周を周回させながらレーザ光を照射する際、
前記管体の内周面を強制冷却する場合には、
前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を、前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
前記周方向加熱幅をＷ、前記レーザ光の周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆとなるように、前記周方向加熱幅Ｗ及び前記周方向移動速度Ｖを設定して、
前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくすることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第２の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記管体が水平方向に配置されている場合、
前記レーザ光の照射開始位置を、前記管体の最上点から前記レーザ光の進行方向の後方側にずらすと共に、前記管体の内面の鉛直上方側に蒸気が停留する前に前記最上点を通過する位置とすることを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第３の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
レーザ光を複数用いると共に、前記複数のレーザ光の照射による加熱領域を前記管体の軸方向に均一にすることを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第４の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
前記管体の厚さをｔ、前記管体の半径をｒとすると、
前記加熱領域の軸方向長さを、３√（ｒｔ）以上とすることを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第５の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
異なる材料のものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
前記周方向加熱幅を、前記管体の材料毎に設定することを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第６の発明に係る管体の残留応力改善方法において、
異なる厚さのものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
前記周方向加熱幅を、前記管体の厚さ毎に設定することを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドとを有する管体の残留応力改善装置において、
前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を前記光学ヘッドの調整により前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
前記周方向加熱幅をＷ、前記周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆ≦１．４となるように、前記光学ヘッドの調整により前記周方向加熱幅Ｗを設定し、前記回転駆動手段の制御により前記周方向移動速度Ｖを設定して、
前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第９の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
前記管体の内周面を強制冷却する冷却手段とを有する管体の残留応力改善装置において、
前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を前記光学ヘッドの調整により前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
前記管体の内周面を強制冷却する冷却手段を有し、
前記周方向加熱幅をＷ、前記周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆとなるように、前記光学ヘッドの調整により前記周方向加熱幅Ｗを設定し、前記回転駆動手段の制御により前記周方向移動速度Ｖを設定して、
前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第１０の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第９の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記管体が水平方向に配置されている場合、
前記回転駆動手段が、前記レーザ光の照射開始位置を、前記管体の最上点から前記レーザ光の進行方向の後方側にずらすと共に、前記管体の内面の鉛直上方側に蒸気が停留する前に前記最上点を通過する位置としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第１１の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第８〜第１０の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記光学ヘッドを前記管体の軸方向に複数配置すると共に、前記複数の光学ヘッドからのレーザ光の照射による加熱領域が前記管体の軸方向に均一になるようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第１２の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１１の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
前記管体の厚さをｔ、前記管体の半径をｒとすると、
前記加熱領域の軸方向長さを、３√（ｒｔ）以上に設定したことを特徴とする。

上記課題を解決する第１３の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第８〜第１２の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
異なる材料のものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
前記周方向加熱幅を、前記光学ヘッドを調整して、前記管体の材料毎に設定したことを特徴とする。

上記課題を解決する第１４の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第８〜第１３の発明に係る管体の残留応力改善装置において、
異なる厚さのものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
前記周方向加熱幅を、前記光学ヘッドを調整して、前記管体の厚さ毎に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光による加熱により発生する管体の内面の周方向応力が、少なくとも管体を構成する材料の降伏応力より大きくなるように、周方向加熱幅、周方向移動速度を設定したので、管体の設置状態に依ることなく、レーザ加熱により管体内面の溶接残留応力（引張応力）を確実に改善することができる。従って、原子力プラント等に設置された配管で発生するＳＣＣを、確実に防止することができる。

又、管体内面を強制冷却しながらレーザ加熱を行う場合には、周方向加熱幅、周方向移動速度の設定範囲が広くなり、より確実に残留応力の改善を行うことができる。更に、管体を構成する材料や管体の板厚に応じて、周方向加熱幅を設定するので、管体自体の構成状態に依ることなく、より確実に残留応力の改善を行うことができる。

なお、本発明は、ＬＳＩＰ法を基本とするものであるので、原理的に、局部加熱の移動熱源により、残留応力の改善を行うことができ、小容量のレーザ発振器を用いて施工可能となる。従って、コンパクトなレーザ発振器の使用により、ＩＨＳＩ法による高周波加熱に比べて、準備作業が容易である。又、表面入熱であるため、薄肉管でも板厚内の温度差を得やすく、又、外面加熱時に発生する内外面温度差を利用するため、内面の強制冷却が不要となり、従来手法であるＩＨＳＩ法に比べて、適用範囲が広い。

本発明に係る管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置を、図１〜図１３を用いて、詳細に説明する。

図１は、本発明に係る管体の残留応力改善装置を示す模式図である。
図１に示すように、残留応力改善装置１は、円筒状の管体である配管２の外周を周回移動可能に配置され、周方向移動速度を制御可能な回転駆動装置３（回転駆動手段）と、回転駆動装置３に支持されると共に配管２の軸方向に延設され、配管２の周囲を配管２と同軸に周回可能なアーム部４と、アーム部４に保持され、配管２の溶接部Ｃの外周面の所定領域にレーザ光５ａを照射する複数の光学ヘッド５と、複数の光ファイバ６により光学ヘッド５と接続され、光ファイバ６を介してレーザ光を光学ヘッド５に供給するレーザ発振器７と、回転駆動装置３、レーザ発振器７等を制御する制御部８とを有するものである。

回転駆動装置３は、配管２の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所例えば、溶接部ｃ等の周囲に自由に設置可能である。なお、回転駆動装置３は、その内周側が配管２を保持し、アーム部４を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよく、例えば、内周側において、配管２を保持する固定側となる固定部と、外周側において、アーム部４を支持すると共に配管２の周囲を配管２と同軸に周回する周回側となる周回部とを有するような構成でもよい。

光学ヘッド５、光ファイバ６、レーザ発振器７は、加熱光学系を構成しており、アーム部４に配管２の軸方向に沿って配置された複数の光学ヘッド５により、複数のレーザ光５ａを配管２の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。光学ヘッド５においては、光学ヘッド５自体、若しくは、光学ヘッド５を構成するレンズ、ミラー等を、例えば、それらの位置を変更可能なスライド機構に取り付け、それらの位置変更を行うことで、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、加熱する領域を調整している。

残留応力を改善する際には、本発明に係る残留応力改善装置１において、予め、光学ヘッド５の調整により加熱領域を調整し、制御部８により、レーザ発振器７の出力を制御すると共に回転駆動装置３を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、光学ヘッド５から照射されるレーザ光５ａが、配管２の外周を周回移動しながら配管２の外周面の所定領域に照射され、配管２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管２の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。なお、加熱温度としては、固溶化温度未満とすることが好ましい。又、本発明の場合、配管２の内面側を必ずしも強制冷却する必要はない。

上記残留応力改善方法を更に説明すると、残留応力を改善したい管体の所定領域において、その外面と内面との間に所定の温度差が生じるように加熱した場合、外面は圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記所定領域の内面及び外面を冷却すると、外面が引張応力状態になり、内面が圧縮応力状態になり、内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる。このようにして、管体内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善することで、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。

上記残留応力改善方法においては、加熱時に付与するひずみ量（応力）に応じて、改善可能な応力量を制御することが可能である。これを、図２（ａ）、（ｂ）に示す応力−ひずみ曲線を用いて説明を行う。

図２（ａ）は、対象配管を構成する材料の降伏応力（相当するひずみ量＝εｙ）に対して、加熱時に付与するひずみ量をεｙとしたとき、つまり、加熱時の発生応力を降伏応力相当としたときの対象配管の応力変化を説明する図である。図２（ａ）に示すように、加熱時の発生応力を降伏応力相当とすると、加熱時に発生する内面引張応力（ひずみ量）により、加熱後（施工後）、冷却過程を経て、残留応力を初期応力（引張残留応力）から低減することができる。

又、図２（ｂ）は、降伏応力（ひずみ量＝εｙ）に対して、加熱時に付与するひずみ量を２εｙとしたとき、つまり、加熱時の発生応力を降伏応力の２倍としたときの対象配管の応力変化を説明する図である。図２（ｂ）に示すように、加熱時の発生応力を降伏応力の２倍とすると、加熱時に発生する内面引張応力（ひずみ量）により、加熱後（施工後）、冷却過程を経て、残留応力を初期応力（引張残留応力）から圧縮応力に改善することができる。

このように、加熱時に発生する応力の大きさ（ひずみ量）により、残留応力を所望の応力に改善することができ、少なくとも降伏応力相当以上のひずみを、望ましくは、降伏応力の２倍以上のひずみを、加熱時に発生させればよいことがわかる。従って、本発明に係る残留応力改善装置１を用いて、配管２の外周面を加熱する場合、加熱時に発生する周方向応力が、少なくとも降伏応力相当以上のひずみ、望ましくは、降伏応力の２倍以上のひずみとなるように、レーザ加熱時の条件を設定すればよい。

ここで、レーザ加熱時の条件を検討してみた。なお、本発明においては、レーザ光のエネルギー密度が１／ｅ²の照射領域を、加熱領域としている。

円筒状の配管２の溶接部分の外周面をレーザ加熱する場合、周方向加熱幅の違いにより、加熱時に発生する応力に違いがあること、つまり、残留応力の低減量が変化することを考慮する必要がある。例えば、周方向加熱幅が狭いと、局部的な曲げの影響で残留応力の改善効果が阻害される。これは、加熱幅が狭い場合、加熱中に局部的な熱膨張で加熱部に曲げが発生して圧縮応力が発生し、冷却後に残留応力が低減しないためである。逆に、加熱幅が広い場合、加熱中に局部的な曲げは発生するが、最高温度領域では影響はなく、内外面温度差から内面に引張応力が発生し、冷却後には残留応力が低減する。

これを数値解析で検討した結果が図３であり、これは、周方向発生応力と、［周方向加熱幅／外径］との関係を求めたものである。図３に示すように、周方向発生応力は、［周方向加熱幅／外径］と共に単調増加した後、［周方向加熱幅／外径］が略１．０のところで一定となることがわかる。ここで、対象配管の材料がステンレス鋼である場合、レーザ加熱による発生応力を、ステンレス鋼の降伏応力（２５０ＭＰａ）相当以上とすると、適正な［周方向加熱幅／外径］の範囲は０．１５以上となる。又、レーザ加熱による発生応力を、ステンレス鋼の降伏応力の２倍（５００ＭＰａ）以上とすると、適正な［周方向加熱幅／外径］の範囲は０．４以上となる。つまり、数値解析で検討した結果、ステンレス鋼では、周方向加熱幅を外径の０．１５倍以上とすることで、所望の残留応力の改善効果が得られることを確認した。

又、本発明は、円筒状の配管２の溶接部分の外周面に、配管２の外周を周回させながらレーザ光を照射して、配管の板厚内に温度差を発生させ、その温度差により生じた応力を利用して残留応力を改善する方法であるため、非定常状態での板厚内の温度分布が重要となる。つまり、板厚内の適正な温度分布を得るため（周方向の適切な発生応力を得るため）、加熱時間の観点から、レーザ加熱時の条件を検討する必要がある。そこで、配管の熱拡散率をａ（ｍｍ²／秒）、配管の板厚をｔ（ｍｍ）、加熱時間をτ（秒）として、温度分布を示す無次元数フーリエ数Ｆ（＝ａ×τ／ｔ²）を規定し、フーリエ数Ｆによる数値解析を用いて、最適なレーザ加熱時の条件を検討してみた。

具体的には、図４に示すように、フーリエ数Ｆと円筒状配管の熱応力の計算値との関係から、最適なレーザ加熱時の条件となるフーリエ数Ｆを求めている。ここで、加熱時間τは、［周方向加熱幅Ｗ／レーザ光の周方向移動速度Ｖ］で規定され、従って、フーリエ数Ｆは、［ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ²］となる。図４からわかるように、板厚に依らず、フーリエ数Ｆが約０．２のとき、周方向発生応力（配管内面に発生する周方向の応力）は最大となり、フーリエ数Ｆがそれより大きくなるに従い、徐々に小さくなってくる。ここで、対象配管の材料がステンレス鋼である場合、レーザ加熱による発生応力を、ステンレス鋼の降伏応力（２５０ＭＰａ）相当以上とすると、適正なフーリエ数Ｆの範囲は０．０５〜１．４程度となる。又、レーザ加熱による発生応力を、ステンレス鋼の降伏応力の２倍（５００ＭＰａ）以上とすると、適正なフーリエ数Ｆの範囲は０．０５〜０．６程度となる。従って、配管の熱拡散率ａ、配管の板厚をｔは一定であるため、周方向加熱幅Ｗ、周方向移動速度Ｖを適切な数値に制御すれば、上記適正なフーリエ数の範囲とすることができる。

以上の知見に基づき、本発明に係る残留応力改善装置１を制御する場合、配管の外周面の所定領域Ｓにレーザ光を周回移動しながら照射し、所定領域Ｓを加熱する際、周方向加熱幅Ｗを、外径Ｄの０．１５倍以上、望ましくは０．４倍以上とすることが必要である。又、周方向加熱幅Ｗと周方向移動速度Ｖの間には、［０．０５×ｔ²／ａ＜Ｗ／Ｖ＜１．４×ｔ²／ａ］の関係が、望ましくは、［０．１×ｔ²／ａ＜Ｗ／Ｖ＜０．６×ｔ²／ａ］の関係が成り立つようにすることが必要である（図５参照）。

このように、本発明においては、確実に残留応力を低減する、若しくは、確実に圧縮残留応力に改善するため、周方向加熱幅Ｗや周方向移動速度Ｖに制限を設けるようにしている。なお、加熱条件の制限として、周方向加熱幅Ｗだけでなく、軸方向加熱幅Ｌも制限をした方が望ましい（図５参照）。

そこで、周方向加熱幅Ｗを、上記条件を満たす一定の値に設定し、軸方向加熱幅Ｌを変化させて、改善される応力を確認してみた。その結果が図６に示すものであり、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、軸方向応力の変化を、図６（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）が周方向応力の変化を示すグラフであり、配管の半径をｒ（＝Ｄ／２）としたとき、図６（ａ）、（ｄ）は、軸方向加熱幅Ｌ＝５×√（ｒｔ）、図６（ｂ）、（ｅ）は、軸方向加熱幅Ｌ＝４×√（ｒｔ）、図６（ｃ）、（ｆ）は、軸方向加熱幅Ｌ＝３×√（ｒｔ）と設定したものである。

図６からわかるように、周方向応力は、軸方向加熱幅Ｌに依らず、所望応力以上の応力改善ができており、軸方向応力は、軸方向加熱幅Ｌに依って変化しているが、いずれの場合も残留応力が改善しており、所定領域の軸方向長さとして、３√（ｒｔ）以上、望ましくは、４√（ｒｔ）以上が均一に加熱されるようにすることが望ましい。そのため、複数の光学ヘッド５は、所望の軸方向加熱幅Ｌを均一に加熱できるように、配管２の軸方向に沿ってアーム部４に配置してある。

配管等の管体を溶接する場合、必ずしも、同じ材料同士を溶接するとは限らず、異なる材料同士を溶接することもある。このような異材管体に、図１に示す本発明に係る残留応力改善装置１を適用する際には、板厚内に適正な温度差を得るため、材料毎の物性値、例えば、材料毎の熱拡散率を考慮して、材料毎に周方向加熱幅Ｗを変更することが望ましい。

例えば、図７に示すように、ステンレス鋼２Ａと低合金鋼２ＢをＮｉ基合金溶接金属２Ｃで溶接した異材管体に、本発明に係る残留応力改善装置１を用いて、レーザ加熱を行う場合、ステンレス鋼２Ａ、溶接金属２Ｃは、熱拡散率が小さく、伝熱が遅いため、周方向加熱幅Ｗを広くすること、つまり、実質的な加熱時間を長くすることが必要である。これに対して、低合金鋼２Ｂは、熱拡散率が大きく、伝熱が速いため、周方向加熱幅Ｗを狭くすること、つまり、実質的な加熱時間を短くすることが必要である。

ここで、異材管体における加熱時間（施工速度）の影響を検討してみた。
図８（ａ）は、フーリエ数に対する各材料における周方向発生応力を示すグラフである。図８（ａ）に示すように、材料が異なる場合でも、フーリエ数で規格化すると、加熱時の発生応力は同じ傾向になることがわかる。前述したように、フーリエ数Ｆは、［（熱拡散率ａ）×｛（周方向加熱幅Ｗ）／（周方向移動速度Ｖ）｝／（板厚ｔ）²］で表されることから、材料に応じて、周方向加熱幅Ｗを変えることにより、一定の周方向移動速度Ｖ（周速）で、加熱時に各材料において略同じ発生応力を得ることができる。

例えば、管体の板厚を約２２ｍｍ、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）２Ａ及び溶接金属（６００合金）２Ｃの加熱幅Ｗ１を１２０ｍｍ、低合金鋼２Ｂの加熱幅Ｗ２を６０ｍｍとした場合において、移動速度Ｖに対する各材料における周方向発生応力を示すと、図８（ｂ）のようなグラフとなり、周方向加熱幅Ｗを変えることにより、加熱時に各材料において略同じ発生応力を得ることができる。このとき、周方向移動速度を５〜８ｍｍ／ｓ程度の速度で施工することにより、残留応力の改善効果（加熱時の発生応力）の変動が少ないことを確認した。

溶接された配管等の管体は、必ずしも、一定の同じ板厚を有するとは限らず、場所により異なる板厚を有する場合もある。このような異なる板厚を有する管体（段付き管体）に、図１に示す本発明に係る残留応力改善装置１を適用する際には、板厚内に適正な温度差を得るため、板厚の大きさに応じて、周方向加熱幅Ｗを変更することが望ましい。

例えば、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、平均板厚ｔ1を有する配管２Ｄと、平均板厚ｔ２（＞ｔ１）を有し、板厚ｔ１から板厚ｔ３まで漸増する配管２Ｅとを、平均板厚ｔ1を有する溶接金属２Ｆで溶接した管体に、本発明に係る残留応力改善装置１を用いて、レーザ加熱を行う場合、配管２Ｄ、溶接金属２Ｆは、同じ板厚を有するため、同じ周方向加熱幅Ｗ１とし、配管２Ｅは、配管２Ｄ、溶接金属２Ｆの平均板厚ｔ１より大きい平均板厚ｔ２を有するため、周方向加熱幅Ｗ１より広い周方向加熱幅Ｗ２として、実質的な加熱時間を長くすること、つまり、各場所の代表板厚に応じて周方向加熱幅を変更することが必要である。これは、管体の板厚が異なる場所に本発明を適用する場合、各場所での板厚内の温度差が異なる可能性があるので、板厚に応じた周方向加熱幅を選定して、温度差を均一に保つためである。

なお、図９に示す管体は、一例として、ＰＷＲ（Pressurized Water Reactor；加圧水型原子炉）における加圧器のスプレイ管台を適用対象としたものであり、実際には、配管２Ｄはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）、配管２Ｅは低合金鋼、溶接金属２ＦはＮｉ合金溶接金属からなるものであり、場所により、板厚が異なると共に材料も異なるものである。従って、管体の板厚と共に材料の物性（熱拡散率）も考慮して、周方向加熱幅を決定する必要がある。このような管体の場合、Ｗ１’＝ｋ１×Ｗ１、Ｗ２’＝ｋ２×Ｗ２（ｋ１、ｋ２は、熱拡散率を考慮した係数）となり、配管２Ｅは熱拡散率が大きいため、図９（ａ）においては、Ｗ１’よりＷ２’が狭くなる。例えば、配管の直径をＤとすると、配管２Ｄ、溶接金属２Ｆに対しては、周方向加熱幅を０．８Ｄとし、配管２Ｅに対しては、周方向加熱幅０．４Ｄと設定する。

図９に示す管体に対して上記条件のレーザ加熱を行った場合において、３次元移動熱源熱弾塑性モデルの数値解析を用いて、残留応力の改善効果を検討したグラフが図１０である。図１０から明らかなように、内面の溶接残留応力（引張応力）を模擬した溶接金属２Ｆの領域を、本発明によるレーザ加熱により圧縮応力に改善できることが確認できた。

図１に示す本発明に係る残留応力改善装置１を適用する場合、配管の内面を必ずしも強制冷却する必要はないが、流水や溜水等の冷却手段を有し、配管内面の強制冷却を行う場合には、実施例１等と比較して、周方向加熱幅Ｗ、周方向速度Ｖの制限がより広くなり、制御値の自由度が大きくなるという利点がある。

配管の内面を強制冷却する場合、周方向発生応力とフーリエ数は、図１１に示すような関係となり、フーリエ数０．２以上であれば、周方向発生応力が一定の大きさで安定することとなる。従って、配管内面が水冷されている場合、レーザ加熱条件の制限としては、対象配管の材料をステンレス鋼であるとすると、レーザ加熱による発生応力を、ステンレス鋼の降伏応力（２５０ＭＰａ）相当以上とする適正なフーリエ数は０．０５以上となり、ステンレス鋼の２倍の降伏応力（５００ＭＰａ）以上とする適正なフーリエ数は０．１以上となる。つまり、配管の内面を強制冷却して、本発明に係る残留応力改善装置１を制御する場合には、配管の外周面の所定領域にレーザ光を周回移動しながら照射し、所定領域を加熱する際、周方向加熱幅Ｗと光源の移動速度Ｖの間には、［０．０５×ｔ²／ａ＜Ｗ／Ｖ］、望ましくは、［０．１×ｔ²／ａ＜Ｗ／Ｖ］の関係が成り立つようにする。なお、強制冷却を行う冷却水は、流水である必要はなく、溜水でもよい。

特に、図１２に示すように、配管１１と、内部にサーマルスリーブ１２を有する二重管１３とを溶接部Ｃにて溶接した管体１０において、管体１０が鉛直方向に設置されると共にサーマルスリーブ１２の開口部１２ａが上方にある場合に、本実施例は好適に適用可能である。このような管体１０の場合、管体１０の内面側に冷却水１４が存在するので、加熱部分は短時間温度上昇するだけであり、核沸騰を持続することができる。このため、冷却水１４は溜水であっても内面水冷の効果を得ることができる。この場合、内面を水冷しているので、周方向移動速度を遅くでき、レーザ出力を低減することが可能となる。又、管体１０が鉛直方向に設置されており、サーマルスリーブ１２の開口部１２ａが上方にあるので、加熱により発生した蒸気が、管体１０の内面に停留することがないため、水冷効果が阻害されることはない。

内面に溜水があり、水平方向に設置された配管に適用する場合には、上記制御に加えて、加熱の開始位置（レーザ光照射の開始位置）を検討する必要がある。これは、図１３に示すように、水平方向に設置された配管２１において、配管２１の内面に溜水２２がある状態で加熱すると、沸騰した蒸気が配管２１の内面の鉛直上方側に停留して冷却効率が減少する可能性があるためである。そのため、本実施例においては、鉛直上方側に蒸気が停留する前に確実に加熱を行うため、レーザ光２３の開始位置（終了位置）を、鉛直上方側の最上点Ｐ２の近傍で、かつ、進行方向の後方側にずれた位置Ｐ１とすることで、全周で均一な加熱が可能となるようにしている。進行方向の後方にずれた位置Ｐ１としては、レーザ光２３が配管２１の最上点Ｐ２を通過する際、最上点Ｐ２が１００℃以下であるような位置が望ましい。なお、このような制御は、サーマルスリーブを有する２重管の場合でも同様である。

本発明においては、実施の一例として、円筒状配管を残留応力改善の対象としているが、円筒状配管に限らず、溶接された湾曲部材であれば、どのようなものでも適用可能である。

本発明に係る管体の残留応力改善装置の模式図である。 本発明における残留応力改善を説明する図であり、（ａ）は降伏応力相当のひずみを付与した場合を示し、（ｂ）は降伏応力の２倍のひずみを付与した場合を示す。 本発明において、周方向発生応力と周方向加熱幅／外径の関係を示すグラフである。 本発明において、周方向発生応力とフーリエ数の関係を示すグラフである。 本発明に係る残留応力改善装置において制御する周方向加熱幅、周方向移動速度について説明する図である。 本発明に係る残留応力改善装置において制御する軸方向加熱幅について説明するグラフである。 異なる複数の材料から構成される管体に、本発明に係る残留応力改善装置を適用する場合を説明する図である。 （ａ）は、本発明において、異なる材料における周方向発生応力とフーリエ数の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、異なる材料における周方向発生応力と周方向移動速度の関係を示すグラフである。 板厚の異なる管体に、本発明に係る残留応力改善装置を適用する場合を説明する図であり、（ａ）は外観図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明における残留応力の改善効果を検証したグラフである。 本発明において、強制冷却を行った場合の周方向発生応力とフーリエ数の関係を示すグラフである。 鉛直方向に配置され、内面を強制冷却される管体に、本発明に係る残留応力改善装置を適用する場合を説明する図である。 水平方向に配置され、内面を強制冷却される管体に、本発明に係る残留応力改善装置を適用する場合を説明する図である。

符号の説明

１ 残留応力改善装置
２ 配管
３ 回転駆動装置
４ アーム部
５ 光学ヘッド
６ 光ファイバ
７ レーザ発振器
８ 制御部
１０ 配管
１１ 配管
１２ サーマルスリーブ
１３ 配管
１４ 冷却水
２１ 配管
２２ 冷却水
２３ レーザ光
Ｃ 溶接部
Ｄ 配管の外径
Ｓ 加熱領域
Ｖ 周方向移動速度
Ｗ 周方向加熱幅

Claims (14)

1. 円筒状の管体の溶接部分の外周面に、該管体の外周を周回させながらレーザ光を照射する際、
   前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を、前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
   前記周方向加熱幅をＷ、前記レーザ光の周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆ≦１．４となるように、前記周方向加熱幅Ｗ及び前記周方向移動速度Ｖを設定して、
   前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
2. 円筒状の管体の溶接部分の外周面に、該管体の外周を周回させながらレーザ光を照射する際、
   前記管体の内周面を強制冷却する場合には、
   前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を、前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
   前記周方向加熱幅をＷ、前記レーザ光の周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆとなるように、前記周方向加熱幅Ｗ及び前記周方向移動速度Ｖを設定して、
   前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
3. 請求項２に記載の管体の残留応力改善方法において、
   前記管体が水平方向に配置されている場合、
   前記レーザ光の照射開始位置を、前記管体の最上点から前記レーザ光の進行方向の後方側にずらすと共に、前記管体の内面の鉛直上方側に蒸気が停留する前に前記最上点を通過する位置とすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
   レーザ光を複数用いると共に、前記複数のレーザ光の照射による加熱領域を前記管体の軸方向に均一にすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
5. 請求項４に記載の管体の残留応力改善方法において、
   前記管体の厚さをｔ、前記管体の半径をｒとすると、
   前記加熱領域の軸方向長さを、３√（ｒｔ）以上とすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
   異なる材料のものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
   前記周方向加熱幅を、前記管体の材料毎に設定することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
   異なる厚さのものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
   前記周方向加熱幅を、前記管体の厚さ毎に設定することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
8. 円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドとを有する管体の残留応力改善装置において、
   前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を前記光学ヘッドの調整により前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
   前記周方向加熱幅をＷ、前記周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆ≦１．４となるように、前記光学ヘッドの調整により前記周方向加熱幅Ｗを設定し、前記回転駆動手段の制御により前記周方向移動速度Ｖを設定して、
   前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくしたことを特徴とする管体の残留応力改善装置。
9. 円筒状の管体の外周を周回移動すると共に周方向移動速度を制御可能な回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段に保持され、前記管体の溶接部分の外周面にレーザ光を照射すると共に照射領域を調整可能な光学ヘッドと、
   前記管体の内周面を強制冷却する冷却手段とを有する管体の残留応力改善装置において、
   前記レーザ光の照射による周方向加熱幅を前記光学ヘッドの調整により前記管体の外径の０．１５倍以上とすると共に、
   前記周方向加熱幅をＷ、前記周方向移動速度をＶ、前記管体の熱拡散率をａ、前記管体の厚さをｔとして規定した無次元数Ｆ＝ａ×（Ｗ／Ｖ）／ｔ² が、０．０５≦Ｆとなるように、前記光学ヘッドの調整により前記周方向加熱幅Ｗを設定し、前記回転駆動手段の制御により前記周方向移動速度Ｖを設定して、
   前記レーザ光による加熱により発生する前記管体の内面の周方向応力を、少なくとも前記管体を構成する材料の降伏応力より大きくしたことを特徴とする管体の残留応力改善装置。
10. 請求項９に記載の管体の残留応力改善装置において、
    前記管体が水平方向に配置されている場合、
    前記回転駆動手段が、前記レーザ光の照射開始位置を、前記管体の最上点から前記レーザ光の進行方向の後方側にずらすと共に、前記管体の内面の鉛直上方側に蒸気が停留する前に前記最上点を通過する位置としたことを特徴とする管体の残留応力改善装置。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
    前記光学ヘッドを前記管体の軸方向に複数配置すると共に、前記複数の光学ヘッドからのレーザ光の照射による加熱領域が前記管体の軸方向に均一になるようにしたことを特徴とする残留応力改善装置。
12. 請求項１１に記載の管体の残留応力改善装置において、
    前記管体の厚さをｔ、前記管体の半径をｒとすると、
    前記加熱領域の軸方向長さを、３√（ｒｔ）以上に設定したことを特徴とする残留応力改善装置。
13. 請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
    異なる材料のものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
    前記周方向加熱幅を、前記管体の材料毎に設定したことを特徴とする管体の残留応力改善装置。
14. 請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
    異なる厚さのものを溶接して管体が構成され、該管体の溶接部分に前記レーザ光が照射される場合、
    前記周方向加熱幅を、前記管体の厚さ毎に設定したことを特徴とする管体の残留応力改善装置。

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