JPS5952689B2 - 鋼管内外面の残留応力改善方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鋼管の表面に圧縮残留応力を発生させる残留
応力改善方法に係り、更に詳しく言えば管材料の降伏強
度よりも大きな熱応力を管の内外面に生じさせたのち冷
却することによって管の表面に圧縮応力を残留させる方
法の改良に係る。

近年原子カプラントの配管系においてステンレス鋼管に
クラックを生じ、プラントの稼動率を低下させると共に
、原子炉の安全性に対して危惧の念をいだかせる原因の
一つとなっている。

ところで鉄鋼材料においては引張応力と腐食因子とが共
存する場合、引張方向に直角な方向へ腐食割れが進行し
、いわゆる応力腐食割れを生ずることが知られている。

この応力腐食割れはオーステナイト系ステンレス鋼にお
いて特に顕著に認められ、高温純水によっても発生する
。

これに対してこれまで種々研究が行なわれた結果、管の
内面、換言すれば腐食因子に接する面の残留応力を圧縮
応力にすると応力腐食割れを大幅に低減することが知ら
れている。

例えば管の溶接継手部には引張応力が残留するのが通例
であるから応力腐食割れには好ましくないので、適当な
方法で圧縮応力が残留するように変えなければならない
。

ところで鋼材表面に圧縮残留応力を生じさせる方法とし
て例えばショットピー−ユング法があるが、長尺の管の
内面には適用し難く、その上これを施した面は汚されて
いるので洗浄する必要が生ずる。

またガス炎加熱によるいわゆるリンデ法は鋼板には適用
できるとしても管の周溶接部には適用し難く、たとえ適
用できたとしても加熱帯に引張応力が残留する。

或いは溶接時に管の内面を冷却することによっても溶接
部の管内面に圧縮応力を残留させることが期待できるが
、ビードの置き方等溶接施工条件によって大きく影響さ
れるため確実な方法とは言えない。

これに対して出願人は先に、管の一方の面を加熱して管
の内面と外面との間に大きな温度差を生じさせて、管材
料の降伏強度以上の熱応力を発生させたのち冷却し、管
の内外面に互いに反対方向の残留応力を発生させること
を特徴とする管内外面の残留応力発生方法（特願昭５１
−４７２２９号）ならびにこれを管継手溶接部に応用し
た残留応力の改善方法（特願昭５１−１２８４８９号）
を提示した。

これらの方法によって管の腐食因子に接する側の面に圧
縮応力を残留させることが出来るが、他方の面には引張
応力が残留することになり、管の内外面共に圧縮応力を
残留させることはできないので、引張応力が残留する面
が何等かの原因によって腐食因子にさらされることにな
ると応力腐食割れを生ずるおそれが出て来る。

本発明は上記の方法を改良して管の内外面共に圧縮応力
を残留させる方法を提供することを目的とし、管の内外
面に温度差を生じさせて圧縮応力を残留させる方法にお
いて、管の一方の面を冷却すると共に他方の面を加熱し
、次に加熱中或いは加熱後に局部的に冷却することによ
り、該局部的冷却部において管壁の内外面間ならびに軸
心方向に大きな温度差を生じさせ、それによって生ずる
引張応力を降伏強度より大きくして該局部的冷却部を引
張降伏させたのち冷却することを特徴とする管の内外面
の残留応力改善方法に係る。

次に添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施態様の一例を示し、管の溶接継手
部における残留応力を改善するため本発明を実施した場
合を示しているが、管１の溶接継手部２のまわりに外面
から冷却するための冷却装置３を設けると共に、該個所
２から両側に離れた位置に外面から管壁５を加熱するた
めの加熱装置４，４が設けである。

加熱装置は高周波誘導加熱装置が取扱い上便利であるが
、本発明の場合には管壁表面よりも管壁内部を集中的に
加熱するように周波数を適当に選択するとよい。

上記のように管の外面から局部的に冷却する装置を設け
ると共に、加熱中に管の内面から冷却できるように管内
部には水その他の冷却媒体を流すようにしておく。

上記のようにして管の内面から冷却しながら溶接継手部
２の両側を大容量の加熱装置を用いて加熱しておいて溶
接継手部２およびその周縁部を冷却装置３によって外側
から局部的に冷却すると、管壁５内において第２図に示
すように外面と内面間に、換言すれば肉厚方向に、およ
び第３図に示すように加熱装置４，４に囲まれた部分７
と冷却装置３に囲まれた局部的冷却部分６との間に、換
言すれば管の軸心方向に温度差を生じ、その結果管は局
部的冷却部６において第４図に示すように変形を生ずる
。

この場合管壁５内には軸心方向および管壁肉厚方向にそ
れぞれ第５図および第６図に示すように熱応力を生じ、
溶接継手部、換言すれば局部冷却。

装置に囲まれた部分６の中心部では第７図に示すように
両方の応力を合成した応力分布を示すようになる。

この場合それぞれの応力の大きさは次のようにして求め
られる。

まず、管壁肉厚方向の温度勾配を放物線と仮定すればこ
れによって生ずる肉厚方向の熱応力σ８は また軸心方向の温度勾配を第３図に示すように階段状と
仮定すればこれによって管壁内に生ずる軸心方向の熱応
力σゎは 上記（１）および（２）式から温度差ΔＴが最大になる
ように加熱冷却装置を選べば熱応力σ８．σ５も大きく
なり、材料の降伏強度を越え、永久歪を生ずるようにな
る。

この状態で加熱を止め、管を常温状態にもどすと第８図
に示すような残留応力が得られる。

以上説明したように本発明の方法によれば管の残留応力
を改善しようとする部分において一方の面に局部的な冷
却装置を、その両側に加熱装置を設け、他方の面は冷却
しながら加熱装置によって一方の面を所要の熱応力を生
ずるに必要な所定温度まで上昇させ、前記冷却装置によ
って加熱面を局部的に冷却させるので管壁内に肉厚方向
には両表面において低く、管壁内部において温度が高い
温度勾配を生じ、また軸心方向には加熱部は温度が高く
局部的冷却部において温度が低い温度勾配を生ずる結果
、これら温度勾配によって生ずるそれぞれの熱応力を合
成した応力を発生することになり、管の内外両面に引張
応力を生ずるようになる。

この引張応力が材料の降伏点以上になるようにして局部
的冷却部の他方の面を引張降伏させたのち常温状態に戻
せば該他方の面には圧縮応力が残留するようになる。

また加熱装置および冷却装置の容量、位置等を適当に選
択することによって局部的冷却部の冷却装置側にも圧縮
応力を残留させることができ、或いは引張残留応力を応
力腐食を生じない極限値以下にすることもできる。

この方法を管の継手部等の周溶接部に適用すると管内外
面に腐食性流体が存在する配管においても応力腐食割れ
を防止することができるし、この方法によれば一度の処
理によって管の内外面の応力改善を同時に行なうことが
できる上に、汚れのない清浄な処理面を得ることができ
る。

また最高加熱温度を適当に選ぶことによって加熱による
材料劣化を防ぐこともできる。

なお上記の説明においては管の外面側に加熱・冷却装置
を設けたが、これを管内面側に設置し、管外面側に冷却
媒体を存在させて管外面を引張降伏させても、上記と同
様管外面に残留応力として圧縮応力を生じさせるととも
に管内面の残留応力を圧縮応力とすることができるし、
或いは引張応力が残ったとしてもこれを極限値以下にす
ることができることは容易に理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施態様を図解的に示す要部断面図
、第２図は同じく管壁肉厚方向の温度分布図、第３図は
同じく管壁内の軸心方向温度分布図、第４図は同じく管
壁の局部的変形を図解的に示した断面図、第５図は同じ
く軸心方向の応力分布図、第６図は同じく肉厚方向の応
力分布図、第７図は同じく管壁内に生ずる第５図の応力
と第６図との応力の合成応力分布図、第８図は同じく残
留応力分布図である。 １・・・・・・管、２・・・・・・溶接部、３・・・・
・・局部冷却装置、４・・・・・・加熱装置、５・・・
・・・管壁、σ７・・・・・・応力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋼管の内外面に温度差を生じさせて圧縮応力を残留
   させる方法において、 管の一方の面を冷却すると共に他方の面を加熱し、次に
   局部的に冷却することにより、該局部的冷却部において
   管壁の内外面間ならびに軸心方向に大きな温度差を生じ
   させ、それによって生ずる引張応力を降伏強度より大き
   くして該局部的冷却部を引張降伏させたのち冷却するこ
   とを特徴とする鋼管の内外面の残留応力改善方法。