JPH07266230A

JPH07266230A - 構造材の改質方法およびその装置

Info

Publication number: JPH07266230A
Application number: JP6058834A
Authority: JP
Inventors: Minoru Obata; 稔小畑; Arata Ito; 新伊藤; Hideo Motoki; 英夫元木; Yoshio Hamamoto; 良男濱本; Yuuichi Motoyoshi; 裕一元良
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】オーステナイト系ステンレス鋼，ニッケル基合
金製構造材の残留応力を改善して応力腐食割れを未然に
防止する。【構成】構造材の施工面１に第１のチャンバ３と第２の
チャンバ５を二重構造にして設ける。第１および第２の
チャンバ３，５の先端部に第１および第２のくちばし部
２，４を設ける。第１のチャンバ３にショットノズル
７、フィルタ接続管９およびショット回収管11を設け
る。第２のチャンバ５には給水ポンプ12に接続する給水
管13を設ける。ショットをショットノズル７から施工面
１に吹き出し、給水管13から媒体となる水を施工面１に
向けて流す。使用済みショットと媒体の水はショット回
収管11からショット回収用ポンプ10により流出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば原子炉炉内構造物
を構成するオーステナイト系ステンレス鋼またはニッケ
ル基合金の残留応力改善を行うための構造材の改質方法
およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】軽水炉炉内構造物はオーステナイト系ス
テンレス鋼またはニッケル基合金などの高温高圧水環境
下において十分な耐食性と高温強度を有する材料で構成
されている。しかしながら、交換不可能な構造材に対し
てはプラントの長期に亘る運転により長期間高温高圧環
境中に曝され、しかも炉心材料は中性子照射を受ける。

【０００３】そのため、それらが原因となって起こる材
料劣化の問題が懸念されている。特に炉内構造物溶接部
近傍は溶接入熱による材料の鋭敏化および引張り残留応
力が形成されているため潜在的な応力腐食割れ発生の可
能性を有している。

【０００４】最近、プラントの運転期間の長期化に対応
して予防保全技術対策として種々の材料方面改質技術の
開発が行われている。その一環として表面残留応力を積
極的に引張りから圧縮に変えることによって応力腐食割
れを未然に防止するための対策工法の開発が望まれてい
る。

【０００５】特に、炉心に近いオーステナイト系ステン
レス鋼は長期間の中性子照射によって材料強度が上昇す
ることが知られており、このような照射硬化した材料あ
るいはニッケル基合金に対して確実に表面の残留応力を
圧縮状態に変換する技術が求められている。

【０００６】ところで、ショットピーニングは高圧空気
あるいは遠心力によって、ショットと呼ばれる金属ある
いはセラミックスなどの小球を高速に加速し、その運動
エネルギーによって構造材料表面を塑性加工する技術で
ある。その効果として疲労強度が飛躍的に改善され、自
動車、航空機等種々の産業分野で広く応用されている技
術である。

【０００７】また、疲労強度改善と同時に表面の応力状
態を圧縮応力にする効果も知られており、その効果を積
極的に表面の引張り残留応力が原因となって起こる応力
腐食割れ対策として応するための技術開発も行われてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、軽水炉
の炉内構造物にショットピーニングを適用する場合、遠
隔で施工を行いさらにショットの回収を行う必要がある
ため、そのような装置開発が待たれている。特に、原子
炉底部およびアニュラス部などの狭隘な場所で遠隔走査
で精密な表面応力状態を変える作業を行う自動機を開発
する必要がある。本発明は上記課題を解決するためにな
されたもの、例えば軽水炉炉内構造物の構成材料である
オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金、
さらに中性子照射により強度が上昇した照射硬化材に対
して、表面の残留応力を圧縮に変換し応力腐食割れを未
然に防止できる構造材の改質方法およびその装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は構造材の改質方
法において、構造材に高圧空気の圧力が吹き出し口にお
ける圧力と周囲環境との圧力差の値で、２kgf/cm²以下
の高圧空気により加速された多数の金属製またはセラミ
ックス製ショットを衝突させて前記構造材面の残留応力
を引張りから圧縮に変換することを特徴とする。

【００１０】また、同じく構造材に高圧水の圧力が吹き
出し口における圧力と周囲環境との圧力差の値で、５kg
f/cm²から40kgf/cm²で、かつ施工面と吹き出し口の距
離が50mmから 200mmの高圧水により加速された多数の金
属製またはセラミックス製ショットを衝突させて前記構
造材面の残留応力を引張りから圧縮に変換することを特
徴とする。

【００１１】さらに、同じく構造材に超音波により加速
された多数の金属製またはセラミックス製ショットを衝
突させて前記構造材面の残留応力を引張りから圧縮に変
換することを特徴とする。

【００１２】また、本発明は原子炉内構造物の溶接部お
よびその近傍を高圧空気または高圧水あるいは超音波に
より加速された多数の金属製またはセラミックス製ショ
ットをその表面に衝突させて表面残留応力を引張りから
圧縮に変換することを特徴とする。

【００１３】本発明は構造材の改質装置において、構造
材の施工面に設置された第１のチャンバと、この第１の
チャンバを包囲して設置された第２のチャンバと、前記
第１のチャンバ壁を貫通した先端部に噴射口を有するシ
ョットノズルと、前記第１のチャンバに接続したショッ
ト回収用ポンプおよびダストトラップ用フィルタと、前
記第２のチャンバに接続した給水ポンプとを具備したこ
とを特徴とする。

【００１４】また、同じく改質装置において、構造材の
施工面に設置された第１のチャンバと、この第１のチャ
ンバを包囲して設置された第２のチャンバと、この第２
のチャンバを包囲して設置された第３のチャンバと、前
記第１のチャンバ壁を貫通した先端部に噴射口を有する
ショットノズルと、前記第１のチャンバに接続したショ
ット回収用ポンプと、前記第２のチャンバおよび前記第
３のチャンバにそれぞれ接続した給水ポンプとを具備し
たことを特徴とする。

【００１５】

【作用】構造材の施工面にショットを圧空式，水圧式ま
たは超音波式ショットピーニング装置により加速して吹
き出し、ショットピーニングを行う。このショットピー
ニングにより構造材の表面の残留応力を引張りから圧縮
に変換して応力腐食割れを未然に防止できる。

【００１６】構造材としてはオーステナイト系ステンレ
ス鋼またはニッケル基合金、また中性子照射により強度
が上昇した照射硬化材などである。ショットは材質が金
属またはセラミックスで、小径球状体である。

【００１７】圧空式の高圧空気の圧力はノズルの吹き出
し口における圧力と周囲環境との圧力差の値で２kgf/cm
²に選定する。水圧式の高圧水の圧力はノズルの吹き出
し口における圧力と周囲環境との圧力差の値で施工面と
吹き出し口の距離が50から 200mmの範囲に選定する。

【００１８】圧空式および水圧式において、ショットピ
ーニングチャンバが２重以上の構造からなり、第ｎチャ
ンバと第ｎ＋１チャンバとの間に形成される空間にポン
プにより給水し、先端の間隔（スリット）から高速の水
ジェットを噴出させることにより水中カーテンができ、
ショットのチャンバ外部への流出を防止する。

【００１９】また、ショットノズルの周囲にデフューザ
を設けることにより、投射されたショット流速が回収用
ポンプの影響を抑えることが可能となり、より低圧領域
での投射および回収ポンプの大容量化が計れる。

【００２０】超音波式においては施工面に設置したチャ
ンバ内にショットおよび媒体となる液体を注入し、超音
波振動子によりショットを加速して対象部位の表面改質
を行う。

【００２１】

【実施例】図面を参照しながら本発明に係る構造材の改
質方法およびその装置の各々の実施例を説明する。

【００２２】（方法の実施例１）本実施例１は構造材の
改質方法に関して改質装置、つまり圧空式ショットピー
ニング装置により実施した方法で、図１および図２につ
いて説明する。

【００２３】ニッケル基合金または照射硬化したオース
テナイト系ステンレス鋼のような高強度材料に対して残
留応力改善を行うには、構造材の表面を塑性変形させる
に十分な加工能力の有する手法であることが必要であ
る。ショットピーニング方法はその目的のためには好適
な技術である。

【００２４】ショットと呼ばれる金属またはセラミック
スなどの通常 0.3〜２mm直径の小球を高圧空気などによ
って加速し構造材の施工面に対して投射する。この場
合、高圧空気は数kgf/cm²の圧縮空気が用いられるが、
従来の投射圧力に対して極めて低い圧力で投射しても十
分残留応力改善効果が得られることを実験的に明らかに
した。

【００２５】図１に照射硬化したSUS304鋼を模擬した20
％冷間加工材に水圧の影響が無視できる水深30cmの水中
で投射圧力 0.5〜５kgf/cm²まで変化させて施工した場
合の表面残留応力の投射圧力依存性を示す。ノズル径は
７mmである。

【００２６】また、投射圧力とは吹き出し口で測定した
圧力であり、以下の説明においても投射圧力とは吹き出
し口圧力とする。照射硬化模擬材に対して 2.0kgf/cm²
以下の圧力でも高圧側と同等な表面圧力残留応力が形成
されていることがわかる。

【００２７】ところで、オーステナイト系ステンレス鋼
のオーステナイト相は常温で準安定相であり、冷間加工
によりマルテンサイト相に変態することが知られてい
る。図２は溶体化SUS304鋼のショットピーニング後の表
面残留オーステナイト相の投射圧力依存性を示してい
る。

【００２８】図２中、たて軸は残留オーステナイト量
で、よこ軸は投射圧力である。図２から低圧ほどオース
テナイト相の比率が高い傾向があることがわかる。

【００２９】一般にマルテンサイト相はステンレス鋼の
全面腐食性を劣化させることが知られており、高圧でシ
ョットピーニングした場合は耐応力腐食割れ性は改善さ
れても、全面腐食を加速する懸念がある。

【００３０】以上の理由から、投射圧力２kgf/cm²以下
で施工することにより耐全面腐食性を劣化させることな
く残留応力改善処理ができるため有利である。また、投
射圧力を下げることにより高圧空気の流量を低減するこ
とになり改質装置のチャンバを小型化できる利点があ
り、施工上からも有利である。

【００３１】インコネル600 などのニッケル基合金に対
しても２kgf/cm²以下の投射圧力で十分応力改善効果が
確認されており、照射硬化材も含めて炉内構造物に対し
て高圧空気を使ってショットピーニングする際には２kg
f/cm²以下の投射圧力で施工する必要がある。

【００３２】（装置の実施例１）本実施例は構造材の改
質装置に関する圧空式ショットピーニング装置で、装置
としての第１の実施例を図３により説明する。

【００３３】図３において、原子炉炉内構造物の構造材
の施工面１に対向して先端部に第１のくちばし部２を有
する水平部と垂直部を備えた第１のチャンバ３が設けら
れ、この第１のチャンバ３の水平部を包囲して先端部に
第２のスリット４を有する第２のチャンバ５を設けてい
る。

【００３４】第１のチャンバ３は垂直部壁を貫通して先
端部に吹き出し口６を有するショットノズル７が設けら
れ、上部にダストトラップ用フィルタ８に接続するフィ
ルタ接続管９が設けられ、下部にショット回収用ポンプ
10に接続するショット回収管11が設けられている。ま
た、第２のチャンバ５の上部には給水ポンプ12に接続す
る給水管13が設けられている。

【００３５】ここで、第１のくちばし部２と第２のくち
ばし部４との間隙をｄ₁とし、第１のチャンバ３と第２
のチャンバ５の水平部の間隙をｄ₂とする。また、施工
面１と第１のくちばし部２および第２のくちばし部４と
の角度をαとする。この角度αは施工面１に対して効果
上から45度以下が望ましい。

【００３６】本実施例では第１のチャンバ３と第２のチ
ャンバ５との２重構造によりショット14の炉水環境中へ
の漏洩を防止している。第１のチャンバ３と第２のチャ
ンバ５との間隙ｄ₂からｄ₁を通して給水ポンプ12から
供給された炉水が高速で吹き出し水カーテンを形成し、
ショット14の流出を防ぐ。

【００３７】間隙ｄ₁は水ジェットの高速化を計るため
ｄ₁＜ｄ₂の関係を満たしている。また、くちばし部
２，４はチャンバ３，５の内側に向けて折れ曲り開口し
ており、水ジェットが内側に向けて吹き出されるため、
ショット14の漏洩防止の信頼性を高めている。

【００３８】第１のチャンバ３内で発生する大量の空気
は第１のチャンバ３の上部からダストトラップ用フィル
タ８により回収される。

【００３９】（第１の実施例の装置による構造材の改質
方法の第１例）図３に示すような２重チャンバ３，５の
ショットピーニング装置において、α角が30度、ｄ₁＝
２mm，ｄ₂＝７mm，ノズル７の吹き出し口７と施工面１
との距離 100mmのチャンバを一方向駆動が可能な遠隔駆
動装置アームに取付けた。

【００４０】そして、水深１mmの水中で投射圧力 1.5kg
f/cm²、ショットノズル７の内径７mm，ショット14の径
0.3mmの条件でSUS304鋼平板に対してショットピーニン
グ施工を行った。施工後、Ｘ線残留応力測定により表面
残留応力を測定したところ、約−650MPaの圧縮残留応力
が形成されていた。

【００４１】また、 300ｌ／分の能力を持つショット回
収用ポンプ10，20ｌ／分の給水ポンプ12を用いてショッ
トピーニング施工を行った。その結果、チャンバ３，５
外へのショット14の漏洩はなく信頼性の高い回収が行わ
れていることが確認された。（第１の実施例の装置によ
る構造材の改質方法の第２例）図３に示すような２重チ
ャンバ構造のショットピーニング装置において、α角が
45度、ｄ₁＝ 1.5mm，ｄ₂＝７mm，ノズル施工面間距離
100mmのチャンバを一方向駆動が可能な遠隔駆動装置ア
ームに取付けた。

【００４２】そして、水深１mmの水中で投射圧力 1.0kg
f/cm²、ショットノズル７の内径７mm，ショット14の径
0.3mmの条件でインコネル600 平板に対してショットピ
ーニング施工を行った。施工後、Ｘ線残留応力測定によ
り表面残留応力を測定したところ約−600MPaの圧縮残留
応力が形成されていた。

【００４３】また、 300ｌ／分の能力を持つショット回
収用ポンプ10，15ｌ／分の給水ポンプ12を用いてショッ
トピーニング施工を行ったが、チャンバ外へのショット
の漏洩はなく信頼性の高い回収が行われていることが確
認された。

【００４４】（装置の実施例２）本実施例は構造材の改
質装置に関する圧空式ショットピーニング装置で、装置
としての第２の実施例を図４により説明する。なお、図
４中、図３と同一部分には同一符号を付して重複する部
分の説明は省略する。

【００４５】図４に示す第２の実施例が図３に示す第１
の実施例と異なる部分はショットノズル７を包囲するデ
フューザ15を第１のチャンバ３内の垂直部にショットノ
ズル７と同心円的に設け、かつデフューザ15をショット
ノズル７との間の第１のチャンバ３の壁面にフィルタ16
を設けたことにある。

【００４６】第２の実施例によればノズル７の周囲にデ
フューザ15を設け投射されたショット流束がショット回
収用ポンプ10の影響を抑えることが可能となり、より低
圧領域での投射および回収用ポンプ10の大容量化が計れ
るため、回収の信頼性を向上できる。

【００４７】デフューザ15とノズル７の空間にショット
14の滞留を防ぐためにデフューザ15の内部に圧力差を利
用して炉水を取り込む構造となっている。

【００４８】実機施工の際には遠隔駆動装置、施工用ガ
イドを炉内に設置しチャンバ３，５を壁面に沿って平行
移動させることにより溶接線およびその近傍の施工を行
うことになるが、チャンバ３，５と壁面が一定の間隔を
有しているため、スムーズな移動が可能である。

【００４９】ショット14を加速する手段としては高圧空
気の他に高圧水を用いてもよい。

【００５０】また、図４に示す２重チャンバ構造のショ
ットピーニング装置において、α角が30度、ｄ₁＝２m
m，ｄ₂＝７mm，ノズル７の吹き出し口６と施工面１と
の間の距離 100mmのチャンバ３，５を一方向の駆動が可
能な遠隔駆動装置アームに取付ける。

【００５１】そして、水深１mmの水中で投射圧力 0.5kg
f/cm²、ショットノズル７の内径７mm，ショット14の径
0.3mmの条件でSUS304鋼平板に対してショットピーニン
グ施工を行った。デフューザ15の内径50mm，デフューザ
15の先端がノズル７の吹き出し口６から20mmでるように
第１のチャンバ３内に設置した。

【００５２】施工後、Ｘ線残留応力測定により表面残留
応力を測定したところ約−630MPaの圧縮残留応力が形成
されており、 0.5kgf/cm²の投射圧力でも十分応力改善
効果を得ることができた。

【００５３】また、 350ｌ／分の能力を持つショット回
収用ポンプ10，10ｌ／分の給水ポンプ12を用いてショッ
トピーニング施工を行ったが、チャンバ３，５外へのシ
ョット14の漏洩はなく信頼性の高い回収が行われている
ことが確認された。

【００５４】（装置の実施例３）図６により本発明に係
る構造材の改質装置の第３の実施例を説明する。

【００５５】この第３の実施例が図３に示した第１の実
施例と異なる点は第２のチャンバ５を包囲して第３のチ
ャンバ17を設けて、３重チャンバ構造とし、この第３の
チャンバ17に給水ポンプ12に接続する給水管13を設けた
ことにある。また、第３のチャンバ17の先端部には第３
のくちばし部18が形成し、図３におけるフィルタ接続管
９およびダストトラップ用フィルタ８を削除している。

【００５６】この第３の実施例では３重チャンバ構造
で、水圧加速式のショットピーニング装置を構成してい
る。そのため、第１のチャンバ３内側に向けて２重の水
ジェットが形成されるため、ショットの漏洩防止の信頼
性を確保している。

【００５７】ショット回収用ポンプ10の容量はショット
供給用ポンプ（図示せず）の容量より数倍以上あり、し
かも水圧加速式の場合、圧空式に比べて第１のチャンバ
３内に送り込まれる水の容量が低いため、ショット回収
用ポンプ10で使用済みショットおよび供給水を回収する
ことが可能である。

【００５８】図６に示すような水圧方式の３重チャンバ
構造ショットピーニング装置において、α角が30度、ｄ
₁＝ 1.5mm，ｄ₂＝７mm，ノズル施工面間距離 100mmの
チャンバを一方向駆動が可能な遠隔駆動装置アームに取
付ける。

【００５９】そして、水深１mmの水中で投射圧力15kgf/
cm²、ノズル内径９mm，ショットの径 0.3mmの条件でSU
S304鋼平板に対してショットピーニング施工を行った。
施工後、Ｘ線残留応力測定により表面残留応力を測定し
た。その結果、約−700MPaの圧縮残留応力が形成されて
おり、水圧方式によっても応力改善効果を得ることが確
認された。

【００６０】また、 450ｌ／分の能力を持つ回収ポン
プ，２基の給水ポンプはいずれも15ｌ／分の給水ポンプ
を用いてショットピーニング施工を行ったがチャンバ外
へのショットの漏洩はなく信頼性の高い回収が行われて
いることを確認した。

【００６１】図５は照射硬化模擬材（20％冷間加工材）
に対して水中での自動施工した場合を想定し、−500MPa
の応力改善幅（ショットピーニング後の表面残留応力−
初期表面残留応力）が得られる投射圧力と投射距離の関
係を図示したものである。投射圧力はノズル吹き出し口
での圧力値で表わしている。

【００６２】直径７mmのノズルを用いて水圧の影響を無
視できる水深30cmの水中でショットピーニング施工して
いる。投射距離を離すと共に一走行あたりの施工幅は広
がるが、水の抵抗によりショット速度が減衰し応力改善
効果が小さくなり、投射圧力を上げる必要がある。

【００６３】投射圧力はノズル径とポンプ流量により決
まるが、直径７mmのノズルを使った場合には50kgf/cm²
の圧力を得ようとすると大型のポンプが必要になり、炉
内構造物に適用しようとした場合現実的でない。

【００６４】投射距離を小さくすると一走行当たりの施
工幅が小さくなり施工効率が低下し長時間施工が必要と
なる。一方、投射距離を大きくするとポンプ容量が大き
くなるばかりでなく、施工チャンバが大きくなるため特
に狭隘部の施工には不適当である。

【００６５】以上の理由から炉内構造物の高圧水を用い
たショットピーニング施工の場合投射圧力が、10kgf/cm
²以上40kgf/cm²以下、投射距離50mm以上 200mm以下の
範囲が効果的である。

【００６６】（装置の実施例４）図７により本発明に係
る構造材の改質装置の第４の実施例を説明する。

【００６７】この第４の実施例は前記第４の実施例と図
４に示す第２の実施例とを組み合わせて水圧式ショット
ピーニング装置を構成している。

【００６８】すなわち、本実施例では第２の実施例にお
いて第３のチャンバ17を設け、第４の実施例において第
１のチャンバ３内のショットノズル７の周囲にデフュー
ザ15を設けるとともに、ショットノズル７とデフューザ
15との間の第１のチャンバ３の壁面にフィルタ16を設け
たものである。

【００６９】この第４の実施例によれば、ショット投射
の確実性、ショット回収の信頼性の向上を計ることがで
きる。

【００７０】すなわち、図７に示すような第１から第３
のチャンバ３，５，17で構成する水圧方式３重チャンバ
構造のショットピーニング装置において、α角が45度、
ｄ₁＝３mm，ｄ₂＝７mm，ショットノズル７の吹き出し
口６と施工１との面の間距離50mmのチャンバを一方向駆
動が可能な遠隔駆動装置アームに取付ける。

【００７１】内径50mmのデフューザ15をデフューザ15の
先端がノズル７の吹き出し口６から10mm出るように第１
のチャンバ３内に設置した。

【００７２】そして、水深１mmの水中で投射圧力５kgf/
cm²、ショットノズル７の内径７mm，ショット14の径
0.3mmの条件でSUS304鋼平板に対してショットピーニン
グ施工を行った。

【００７３】施工後、Ｘ線残留応力測定により表面残留
応力を測定した。その結果、約−580MPaの圧縮残留応力
が形成されていた。また、 450ｌ／分の能力を持つショ
ット回収用ポンプ10，20ｌ／分の給水ポンプ12を用いて
ショットピーニング施工を行ったが、チャンバ３，５，
17外へのショット14の漏洩はなく、信頼性の高い回収が
行われていることが認められた。

【００７４】（装置の実施例５）図８により本発明に係
る構造材の改質装置の第５の実施例を説明する。

【００７５】この第５の実施例は改質装置として配管内
面施工用超音波式ショットピーニング装置を構成してい
る。なお、図８においては図３に付した部分と同様な作
用を有する部分については同一符号を付している。

【００７６】すなわち、図８においては配管19内面の溶
接部20にショットピーニングを適用した例で、配管19内
に第１のチャンバ３と第２のチャンバ５とを設置してい
る。第１のチャンバ３と第２のチャンバ５の上下両端部
にはシール用ラバー21が設けられて配管19の内面と気密
性を保っている。

【００７７】第１のチャンバ３の左側にはショットをノ
ズル７に供給するショット供給管22とショット供給弁23
が接続されており、また、右側にショット回収管11と第
１チャンバ回収用バルブ24が接続されている。

【００７８】また、第１のチャンバ３内には超音波振動
子25が取り付けられており、この超音波振動子25はケー
ブル26により高圧発生装置27に接続している。一方、第
２のチャンバ５の左右両側にはショット回収管11と第２
のチャンバ回収用バルブ28が接続している。第１および
第２チャンバ回収用バルブ24，28はショット回収用ポン
プ10に接続している。

【００７９】上記図８に示すような超音波振動方式のシ
ョットピーニング装置において、内径240mm ，板厚10m
m，長さ500mm のSUS304配管模擬溶接継ぎ手材を水深１m
mの水中に設置し、内面溶接部に２重チャンバ方式のシ
ョットピーニング装置を設置した。流量30l/分のポンプ
によりチャンバ内の水を排水した後、約150gの 0.3mmシ
ョットと媒体として水をチャンバ内に満たした。

【００８０】振動子周波数 30kHz，出力10W/cm²で、直
径５cmの円盤型磁歪振動子を用いて30秒間超音波ショッ
トピーニング施工した後、ショットおよび水を回収し
た。施工後Ｘ線残留応力測定により表面残留応力を測定
した。その結果、約−620MPaの圧縮残留応力が形成され
ていた。

【００８１】圧空式および水圧式は連続施工であるのに
対して上記実施例の超音波振動式は間欠施工である。主
に配管19の内外面溶接部20あるいはＣＲＤハウジング、
ＩＣＭハウジングなどの炉底部の溶接部の残留応力改善
に適した施工方法である。

【００８２】溶接部20を囲むようにシール構造の第１の
チャンバ３を設置し、第１のチャンバ３内を排水した
後、超音波の媒体となる液体（水）と一定量のショット
を第１のチャンバ３内に注入し、チャンバ３の容量に合
わせた出力および振動数で一定時間加振する。この実施
例によれば、第１のチャンバ３を溶接部20を包囲するよ
うに設置することにより、比較的短時間で溶接部20全体
を同時に均一に施工し、応力改善できる効果がある。

【００８３】振動子25は磁歪型，電歪型，圧電型がある
が施工対象部の形状、大きさによって適当な周波数を得
られる振動子を選択する必要がある。加振中のショット
の漏洩を考慮し２重のチャンバ構造になっている。振動
子25は一基のみであるが、二基以上を高周波発生装置に
並列に繋ぎチャンバ内に設置してもよい。

【００８４】（装置の実施例６）図９により本発明に係
る構造材の改質装置の第６の実施例を説明する。

【００８５】この第６の実施例は改質装置として配管外
面施工用超音波式ショットピーニング装置を構成してい
る。なお、図９中、図８と同一部分には同一符号を付し
て重複する部分の説明は省略する。

【００８６】この第６の実施例が第５の実施例と異なる
点は配管19の外面に溶接部20を取り囲んでシール用ラバ
ー21を介して第１のチャンバ３と第２のチャンバ５を設
けたことにある。

【００８７】図９に示すような超音波振動方式のショッ
トピーニング装置において、外径260mm ，板厚10mm，長
さ500mm のSUS304配管模擬溶接継ぎ手材を水深１mmの水
中に設置し、外面溶接部に２重チャンバ方式のショット
ピーニング装置を設置した。流量30l/分のポンプにより
チャンバ内の水を排水した後、約150gの 0.3mmショット
と媒体として水をチャンバ内に満たした。振動子周波数
30kHz磁歪振動子を用いて30秒間超音波ショットピーニ
ングした後、ショットおよび水を回収した。施工後Ｘ線
残留応力測定により表面残留応力を測定した。その結
果、約−700MPaの圧縮残留応力が形成されていた。

【００８８】超音波振動式の場合、加速されたショット
が施工面に衝突し応力改善を行う効果と共に、キャビテ
ーション現象も付随して発生する。一般にキャビテーシ
ョンが破壊することにより、高圧が発生するため、それ
による表面加工の効果も期待できる。

【００８９】しかし、その効果は、ショットによる効果
に比較して非常に小さいため、施工条件を選定する際に
は最もショットの加速効率の高い条件を選定する必要が
ある。また、施工部形状が複雑な場合、チャンバ容量が
大きくなる場合は、複数の振動子を設置してもよい。

【００９０】（装置の実施例７）図10により本発明に係
る構造材の改質装置を原子炉内炉内構造物の構造材に適
用した装置の第７の実施例を説明する。

【００９１】なお、本実施例では、図９と類似の構成を
有する配管外面施工用超音波式ショットピーニング装置
を適用しており、図10中、図９と同一部分は同一符号を
付している。

【００９２】すなわち、図10において符号29は原子炉圧
力容器の下部鏡板を部分的に示しており、この原子炉圧
力容器29を貫通してＣＲＤハウジング30が挿入され、Ｃ
ＲＤハウジング30はスタブチューブ31の上端部に溶接部
20ａで固定される。スタブチューブ31の下端部は原子炉
圧力容器29の内面に溶接部20ｂで固定される。

【００９３】原子炉圧力容器29内の底面とＣＲＤハウジ
ング30の外側面にシール用ラバー21を介して第１のチャ
ンバ３と第２のチャンバ５が気密に設置されている。第
１のチャンバ３の上面にはショットと媒体を第１のチャ
ンバ３内に供給するショット供給弁23がショットノズル
７を介して設けられている。

【００９４】第１のチャンバ３内には超音波振動子25が
設けられている。超音波振動子25はケーブル26により高
圧発生装置27に接続している。第１および第２のチャン
バ３，５はそれぞれ第１チャンバ回収用バルブ24および
第２チャンバ回収用バルブ28を介してショット回収用ポ
ンプ10に接続している。

【００９５】しかして、上記実施例の超音波振動方式の
２重チャンバショットピーニング装置において、水深約
2.5mmの水中でショットピーニング施工を行った。流量
30l/分のポンプによりチャンバ内の水を排水した後、約
150ｇの 0.3mmショットと媒体として水をチャンバ内に
満たした。

【００９６】振動子周波数 30kHz，出力10W/cm²で直径
５cmの円盤型磁歪振動子25を用いて30秒間超音波ショッ
トピーニングした後、ショットおよび水を回収した。施
工後、Ｘ線残留応力測定により表面残留応力を測定し
た。

【００９７】その結果、ＣＲＤハウジング30とスタブチ
ューブ31との溶接部20ａ近傍のインコネル600 配管表面
の残留応力値は−650MPa，ＣＲＤハウジング30と原子炉
圧力容器29の溶接部20ｂ近傍のインコネル600 配管表面
の残留応力値は−580MPaでありいずれも高い圧縮残留応
力が形成されていた。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、圧空式，水圧式，超音
波振動子式のショットピーニング方法およびその装置に
より例えば軽水炉炉内構造物の構造材表面の応力状態を
引張り応力から圧縮応力に変換する。これにより構造材
が応力腐食損傷を未然に防止し、機器の寿命を延ばすこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る構造材の改質方法の実施例１にお
ける投射圧力と表面残留応力との関係を示す特性図。

【図２】図１において、ショットピーニング後の表面残
留オーステナイト相の投射圧力の依存性を示す曲線図。

【図３】本発明に係る構造材の改質装置の第１の実施例
を一部ブロックで概略的に示す縦断面図。

【図４】本発明に係る構造材の改質装置の第２の実施例
を一部ブロックで概略的に示す縦断面図。

【図５】本発明に係る改質装置の水圧式ショットピーニ
ング装置により施工した場合に応力改善効果が得られる
投射圧力と投射距離との領域を示す比較図。

【図６】本発明に係る構造材の改質装置の第３の実施例
を一部破線で概略的に示す縦断面図。

【図７】本発明に係る構造材の改質装置の第４の実施例
を一部破線で概略的に示す縦断面図。

【図８】本発明に係る構造材の改質装置の第５の実施例
を一部ブロックで概略的に示す縦断面図。

【図９】（ａ）は本発明に係る構造材の改質装置の第６
の実施例を一部ブロックで概略的に示す縦断面図。
（ｂ）は（ａ）の横断面図。

【図１０】本発明に係る構造材の改質装置の第７の実施
例を一部ブロックで概略的に示す縦断面図。

【符号の説明】１…構造材の施工面、２…第１のくちばし部、３…第１
のチャンバ、４…第２のくちばし部、５…第２のチャン
バ、６…吹き出し口、７…ショットノズル、８…ダスト
トラップ用フィルタ、９…フィルタ接続管、10…ショッ
ト回収用ポンプ、11…ショット回収管、12…給水ポン
プ、13…給水管、14…ショット、15…デフューザ、16…
フィルタ、17…第３のチャンバ、18…第３のくちばし
部、19…配管、20…溶接部、21…シール用ラバー、22…
ショット供給管、23…ショット供給弁、24…第１チャン
バ回収用バルブ、25…超音波振動子、26…ケーブル、27
…高圧発生装置、28…第２チャンバ回収用バルブ、29…
原子炉圧力容器、30…ＣＲＤハウジング、31…スタブチ
ューブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者濱本良男神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者元良裕一神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造材に高圧空気の圧力が、吹き出し口
における圧力と周囲環境との圧力差の値で２kgf/cm²以
下の高圧空気により加速された多数の金属製またはセラ
ミックス製ショットを衝突させて前記構造材面の残留応
力を引張りから圧縮に変換することを特徴とする構造材
の改質方法。
【請求項２】構造材に高水圧の圧力が、吹き出し口に
おける圧力と周囲環境との圧力差の値で５kgf/cm²から
40kgf/cm²でかつ施工面と吹き出し口の距離が50mmから
200mmの高圧水により加速された多数の金属製またはセ
ラミックス製ショットを衝突させて前記構造材面の残留
応力を引張りから圧縮に変換することを特徴とする構造
材の改質方法。
【請求項３】構造材に超音波により加速された多数の
金属製またはセラミックス製ショットを衝突させて前記
構造材面の残留応力を引張りから圧縮に変換することを
特徴とする構造材の改質方法。
【請求項４】原子炉内構造物の溶接部およびその近傍
を高圧空気または高圧水あるいは超音波により加速され
た多数の金属製またはセラミックス製ショットをその表
面に衝突させて表面残留応力を引張りから圧縮に変換す
ることを特徴とする構造材の改質方法。
【請求項５】構造材の施工面に設置された第１のチャ
ンバと、この第１のチャンバを包囲して設置された第２
のチャンバと、前記第１のチャンバ壁を貫通した先端部
に噴射口を有するショットノズルと、前記第１のチャン
バに接続したショット回収用ポンプおよびダストトラッ
プ用フィルタと、前記第２のチャンバに接続した給水ポ
ンプとを具備したことを特徴とする構造材の改質装置。
【請求項６】前記第１のチャンバと前記第２のチャン
バとの水平部間隔ｄ₂に比較して先端部の間隔ｄ₁の方
が小さく（ｄ₁＜ｄ₂）、さらに前記先端部が前記チャ
ンバ内側方向に前記施工面に対して所定の角度で指向し
てなることを特徴とする請求項５記載の構造材の改質装
置。
【請求項７】前記ショットノズルを包囲しかつ前記第
１のチャンバの内壁面から突設したデフューザを具備し
たことを特徴とする請求項５ないし６記載の構造材の改
質装置。
【請求項８】構造材の施工面に設置された第１のチャ
ンバと、この第１のチャンバを包囲して設置された第２
のチャンバと、この第２のチャンバを包囲して設置され
た第３のチャンバと、前記第１のチャンバ壁を貫通した
先端部に噴射口を有するショットノズルと、前記第１の
チャンバに接続したショット回収用ポンプと、前記第２
のチャンバおよび前記第３のチャンバにそれぞれ接続し
た給水ポンプとを具備したことを特徴とする構造材の改
質装置。
【請求項９】前記第２のチャンバと前記第３のチャン
バの間隔ｄ₂に比較して先端部の間隔ｄ₁の方が小さく
（ｄ₁＜ｄ₂）、さらに前記スリットの先端が前記チャ
ンバの内側方向に前記施工面に対して所定の角度に指向
してなることを特徴とする請求項８記載の構造材の改質
装置。
【請求項１０】前記ショットノズルを包囲しかつ前記
第１のチャンバの内壁面から突出したデフューザを具備
したことを特徴とする請求項８ないし９記載の構造材の
改質装置。
【請求項１１】ショットピーニングチャンバを少なく
とも２重構造で構成し、かつ前記施工面対象部にショッ
トおよび媒体となる液体を注入する機構を設け、かつ前
記チャンバ内に超音波振動子を設けてなることを特徴と
する構造材の改質装置。
【請求項１２】前記超音波振動子はショットを噴射す
る部位に対向して前記チャンバ内に設置されていること
を特徴とする請求項11記載の構造材の改質装置。