超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物
【課題】進水による超音波ピーニングの効果低減を抑制することができる超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物を提供する。
【解決手段】浮体式建造物１と浮体式建造物１に溶接される構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、浮体式建造物１を建造する建造物建造工程と、浮体式建造物１に構造物２を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、構造物２を取り付けた浮体式建造物１を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する。
【解決手段】浮体式建造物１と浮体式建造物１に溶接される構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、浮体式建造物１を建造する建造物建造工程と、浮体式建造物１に構造物２を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、構造物２を取り付けた浮体式建造物１を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物に関し、特に、コンテナ船等の浮体式建造物に適用される超音波ピーニング施工方法及び該超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工された浮体式建造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶、海上プラント、橋梁等の建造物における溶接部の疲労強度を改善する技術として、超音波衝撃処理（以下、「超音波ピーニング」と称す）がある。この技術は、超音波を振動源として先端に半径Ｒを持つピンを連続的に溶接部に打ち付け、残留圧縮応力場を形成し、ピンのＲ形状を転写することによって溶接止端形状を改善し、溶接止端部の疲労強度を向上させるものである（例えば、特許文献１参照）。また、溶接部に引張応力場が作用している状態で、超音波ピーニングを施工することにより、更に溶接部の疲労強度を向上させることができる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５５８９９号公報
【特許文献２】特開２００６−５１５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述したような大型の建造物において超音波ピーニングを施工する場合に、その建造物の各箇所に引張応力場を形成するためには、専用の治具や付加的な装置（例えば、油圧ジャッキ等）を必要とし、多大な手間が必要となるため、実際に実施することは難しかった。
【０００５】
また、超音波ピーニングの施工後に作用する建造物への荷重の履歴によって応力場が変動し、超音波ピーニングの効果が低減しまう場合もあった。特に、船舶、海上プラント等の浮体式建造物の場合には、陸上での建造段階では自重のみが作用しているのに対して、進水後には自重に加えて浮力も作用することから、建造物に作用する応力場が大きく変動することとなる。そのため、陸上の建造段階で超音波ピーニングを施工し、溶接部に圧縮応力場を形成しても、ある箇所では進水後に浮力によって形成される引張応力場によって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、進水による超音波ピーニングの効果低減を抑制することができる超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、浮体式建造物と該浮体式建造物に溶接される構造物との溶接部に超音波により加振されたピンで衝撃を与えて前記溶接部の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有することを特徴とする超音波ピーニング施工方法が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、溶接によって取り付けられる構造物を有する浮体式建造物であって、該浮体式建造物と前記構造物との溶接部には、前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工されている、ことを特徴とする浮体式建造物が提供される。
【０００９】
上述した超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物において、前記超音波ピーニング工程は、前記浮体式建造物に積載物を積み付けた状態で施工されるようにしてもよい。さらに、前記積載物の積載位置及び積載重量を調整して前記浮体式建造物に生じる浮力を調整するようにしてもよい。
【００１０】
また、前記構造物溶接工程の後に、前記溶接部を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を有していてもよい。さらに、前記超音波ピーニング工程の前に、前記仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を有していてもよい。また、前記超音波ピーニング工程の後に、前記溶接部を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を有していてもよい。
【００１１】
また、前記浮体式建造物は、例えば、甲板に開口部を有する船舶であり、前記構造物は、例えば、前記開口部の周辺に溶接される艤装品である。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明に係る超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物によれば、浮体式建造物に構造物を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工するようにしたことから、浮体式建造物における構造物の所定の溶接部に引張応力場を形成した状態で超音波ピーニングを施工することができ、超音波ピーニングの進水による効果低減を抑制することができる。また、本発明によれば、浮体式建造物に構造物を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工するだけであるため、大型の浮体式建造物であっても、特殊な専用治具や余分な手間を必要とせずに、超音波ピーニングを効率よく施工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法を示し、（Ａ）は建造物建造工程、（Ｂ）は構造物溶接工程、（Ｃ）は建造物進水工程、（Ｄ）は超音波ピーニング工程、である。
【図２】本発明の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はコンテナ船の側面図、（Ｂ）はコンテナ船の上面図、を示している。
【図３】図２のＩＩＩ部の拡大斜視図である。
【図４】超音波ピーニング工程を説明するための模式図であり、（Ａ）は超音波ピーニング施工前の溶接部の斜視図、（Ｂ）は超音波ピーニング施工中の溶接部の斜視図、（Ｃ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の斜視図、（Ｄ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の断面図、（Ｅ）は超音波ピーニング施工後に溶接部塗装工程を施した溶接部の断面図、を示している。
【図５】本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明するための図である。
【図６】溶接止端部にかかる局所的な応力及び歪みの関係を示す相関図であり、（Ａ）は浮体式建造物を進水させずに超音波ピーニングを施工した場合及び超音波ピーニングを施工しない場合、（Ｂ）は超音波ピーニング施工後に浮体式建造物を進水させた場合、（Ｃ）は浮体式建造物の進水後に超音波ピーニングを施工した場合、を示している。
【図７】本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。
【図８】本発明の他の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はモス型ＬＮＧ船の上面図、（Ｂ）は多目的貨物船の上面図、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法を示し、（Ａ）は建造物建造工程、（Ｂ）は構造物溶接工程、（Ｃ）は建造物進水工程、（Ｄ）は超音波ピーニング工程、である。図２は、本発明の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はコンテナ船の側面図、（Ｂ）はコンテナ船の上面図、を示している。図３は、図２のＩＩＩ部の拡大斜視図である。図４は、超音波ピーニング工程を説明するための模式図であり、（Ａ）は超音波ピーニング施工前の溶接部の斜視図、（Ｂ）は超音波ピーニング施工中の溶接部の斜視図、（Ｃ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の斜視図、（Ｄ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の断面図、（Ｅ）は超音波ピーニング施工後に溶接部塗装工程を施した溶接部の断面図、を示している。
【００１５】
本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法は、図１（Ａ）乃至（Ｄ）に示したように、浮体式建造物１と浮体式建造物１に溶接される構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、浮体式建造物１を建造する建造物建造工程と、浮体式建造物１に構造物２を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、構造物２を取り付けた浮体式建造物１を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する。
【００１６】
前記浮体式建造物１は、例えば、甲板に開口部を有する船舶であり、具体的には、図２に示したような、コンテナ船１１である。コンテナ船１１は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、船体の甲板１２の下部に区画された複数の船倉１３と、各船倉１３の上部の甲板１２に形成された開口部１４と、開口部１４を覆うハッチカバー１５と、を有する。また、コンテナ船１１は、船体後部側にエンジンルーム１６と船橋１７とを備えている。なお、浮体式建造物１は、コンテナ船１１に限定されるものではなく、陸上で建造されて進水される浮体式建造物であれば、他の形式の船舶、海上プラント、セミサブ式又は浮遊式の掘削リグ、建造中に一時的に進水される着底式の海上構造物等も含む趣旨である。
【００１７】
前記構造物２は、例えば、船舶の開口部の周辺に溶接される艤装品であり、具体的には、図３に示したような、コンテナ船１１の開口部１４の周辺に溶接された艤装品である。図３に示したように、コンテナ船１１は、開口部１４の周縁の甲板１２に立設されたハッチコーミング２１を有する。また、ハッチコーミング２１は、甲板１２上に配置されるコーミングステイ２３と、コーミングステイ２３上に配置されるコーミングトップ２４と、開口部１４の船幅方向の辺縁部に配置されるハッチエンドコーミング２５と、開口部１４の船長さ方向の辺縁部に配置されるハッチサイドコーミング２６と、を備える。
【００１８】
コーミングステイ２３は、甲板１２、コーミングトップ２４及びハッチサイドコーミング２６に溶接されて取り付けられ、ハッチコーミング２１の梁材を構成し、その剛性及び強度を高める。
【００１９】
コーミングトップ２４は、コーミングステイ２３、ハッチエンドコーミング２５及びハッチサイドコーミング２６に溶接して取り付けられ、ハッチコーミング２１の上部を構成する。また、コーミングトップ２４には、複数のレストパッド２７が溶接して取り付けられる。レストパッド２７は、ハッチカバー１５を固定するための部品である。また、コーミングトップ２４は、二つの開口部１４の間にクロスデッキを形成するようにクロスデッキ用開口部２８を有する。
【００２０】
ハッチエンドコーミング２５は、甲板１２、コーミングトップ２４及びハッチサイドコーミング２６に溶接されて取り付けられ、開口部１４の外周を囲う壁面の一部を構成している。
【００２１】
ハッチサイドコーミング２６は、甲板１２、コーミングステイ２３、コーミングトップ２４及びハッチエンドコーミング２５に溶接されて取り付けられ、開口部１４の外周を囲う壁面の一部を構成している。
【００２２】
なお、上述した構造物２は、単なる一例であり、開口部１４の周辺以外の箇所に溶接される部品（例えば、手摺、梯子、ウインチ架台、通風筒、居住区構造物等）であってもよいし、船殻を構成する建造ブロック、船殻に溶接されるブラケットや小骨等の補強材のように、浮体式建造物１の建造時に溶接される部品であってもよい。
【００２３】
前記建造物建造工程は、陸上で浮体式建造物１を建造する工程である。浮体式建造物１がコンテナ船１１の場合には、図１（Ａ）に示すように、ドック５内に配置された船台６上でコンテナ船１１を建造する。
【００２４】
前記構造物溶接工程は、陸上で浮体式建造物１に種々の構造物２を溶接する工程である。例えば、図１（Ｂ）に示すように、ドック５内で建造されたコンテナ船１１にハッチコーミング２１やハッチカバー１５等の構造物２を溶接して取り付ける。また、構造物溶接工程の後に、構造物２の溶接部３を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を挟むようにしてもよい。かかる仮塗装を行うことにより、溶接部３に防錆塗膜を形成することができ、超音波ピーニング工程までの間における溶接部３の劣化を抑制することができる。なお、かかる構造物溶接工程と建造物建造工程とは、明確に工程を区別する必要はなく、建造物建造工程において、浮体式建造物１を構成する船体構造部材を溶接する場合も構造物溶接工程に含まれ得る。
【００２５】
前記建造物進水工程は、陸上で建造し、構造物２を溶接した浮体式建造物１を進水させる工程である。コンテナ船１１のような船型の浮体式建造物１の場合には、図２に示したように、船尾側にエンジンルーム１６や船橋１７が配置されていることが多い。そのため、図１（Ｃ）に示すように、浮力に対する船体前後の自重が船体中央の自重より重くなり、船首及び船尾に対しては鉛直下向きの力が負荷され、船体中央に対しては鉛直上向きの力が負荷され、甲板１２側では引張力が生じ、船底側では圧縮力が生じることとなり、浮体式建造物１は、いわゆるホギング状態となる。このとき、甲板１２上に溶接されたハッチコーミング２１等の構造物２の溶接部３にも引張力が生じることとなる。特に、図３において、灰色に塗り潰した箇所には大きな引張力が生じ易い。
【００２６】
したがって、建造物進水工程の前に溶接部３に超音波ピーニングを施工した場合には、溶接部３に圧縮応力場を形成して疲労強度を改善したとしても、上述したように溶接部３に引張応力が負荷され、超音波ピーニングの効果が減殺されることとなる。そこで、本発明では、構造物２を溶接した浮体式建造物１を進水させてから超音波ピーニングを施工するようにしている。
【００２７】
前記超音波ピーニング工程は、進水させて浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する工程である。超音波ピーニングは、図１（Ｄ）に示したように、浮体式建造物１と構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３に圧縮応力場を形成する。ピン４の加振には、セラミック圧電素子を用いてもよいし、磁歪子を用いてもよい。かかる超音波ピーニングは、特に、図３において灰色に塗り潰した箇所のように、例えば、構造物２や開口部の角隅部や溶接部３の船幅方向部分に施工すると効果的である。
【００２８】
構造物溶接工程の後に、溶接部３の仮塗装を行った場合には、超音波ピーニング工程の前に、溶接部仮塗装工程で塗装した仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を挟むようにしてもよい。かかる仮塗装剥離工程により、防錆塗膜を剥離することによって超音波ピーニングを容易かつ効果的に施工することができる。なお、塗膜厚さが薄い場合や塗膜が柔らかい場合のように、塗膜の存在が超音波ピーニングに影響を与えない場合には、必ずしも仮塗装した塗膜を剥離する必要はない。
【００２９】
ここで、図４を用いて、超音波ピーニング工程について詳細に説明する。構造物溶接工程の結果、図４（Ａ）に示すように、二つの鋼部材３１が溶接され、それらの間には、溶接ビード３２が形成される。ここで、鋼部材３１と溶接ビード３２との境目を溶接止端部３３と呼ぶ。図４（Ｂ）に示すように、超音波を振動源として先端に半径Ｒを持つピン４を連続的に溶接止端部３３に打ち付ける。図４（Ｃ）に示すように、この打撃処理を所望の溶接ビード３２に沿って行う。その結果、図１（Ｄ）及び図４（Ｄ）に示すように、ピン４のＲ形状を溶接部３に転写することによって溶接止端部３３に打撃痕３４を形成し、溶接止端部３３の形状を改善し、残留圧縮応力場３５を形成する。なお、本実施形態では、隅肉溶接に超音波ピーニングを施工する場合について説明したが、突合せ溶接や重ね溶接等の溶接部に超音波ピーニングを施工するようにしてもよい。
【００３０】
このように、コンテナ船１１等の浮体式建造物１を進水させた後に溶接部３を超音波ピーニングすることにより、特殊な専用治具や余分な手間をかけることなく、溶接部３に引張応力場が作用している状態で超音波ピーニングを施工することができ、進水による超音波ピーニングの効果低減を抑制することができる。また、かかる効果を有するコンテナ船１１等の浮体式構造物１を得ることができる。
【００３１】
また、図４（Ｅ）に示したように、超音波ピーニング工程の後に、溶接部３を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を挟むようにしてもよい。かかる溶接部塗装工程により溶接部３に防錆塗膜３６を形成することができ、溶接部３の劣化を抑制することができる。特に、溶接部３に仮塗装していない場合、溶接部３の仮塗装した塗膜を剥離した場合、仮塗装した状態で超音波ピーニングを施工して塗膜が剥離した場合に、溶接部塗装工程を行うと効果的である。
【００３２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明する。ここで、図５は、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明するための図であり、疲労強度の試験結果を示している。横軸は破断繰返し数Ｎｆを示し、縦軸は応力範囲ΔＳを示している。図示した試験結果は、実際にコンテナ船１１等の浮体式建造物１を使用して溶接部３の疲労強度を測定することは困難であるので、板厚１６ｍｍの二つの鋼材（主板とスティフナ）を溶接した試験体を使用して溶接部の疲労強度を測定したものである。なお、図中、ＵＰ処理材とは、超音波ピーニング（Ultrasonic Peening）が施された処理材を意味する。
【００３３】
ケース（１）は、無負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では黒塗り菱形及び二点鎖線で表示している。ケース（２）は、超音波ピーニングを施工しないＵＰ未処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き菱形及び破線で表示している。ケース（３）は、無負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材に引張応力１００ＭＰａを負荷した状態の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き丸及び一点鎖線で表示している。ケース（４）は、引張応力１００ＭＰａの負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き三角及び実線で表示している。なお、引張応力１００ＭＰａは、コンテナ船１１が進水した場合に、甲板１２上の溶接部３に負荷される引張応力とほぼ同等の応力である。
【００３４】
上述したケース（１）乃至（４）について、±５００ｋＮの繰返し荷重を負荷して疲労試験を行い、最小二乗法により近似直線を求めた結果を図５に示している。ケース（１）乃至（４）の近似直線を比較すると、ケース（４）が最も疲労強度が高く、ケース（１）、ケース（３）、ケース（２）の順に疲労強度が低くなることが理解できる。また、ケース（３）の結果から、無負荷状態で溶接部に超音波ピーニングを施工し、溶接部に圧縮応力場を形成しても、引張応力１００ＭＰａを加えることによって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減していることが理解できる。その結果、ケース（３）では、溶接部に超音波ピーニングを施工しないケース（２）と疲労強度がほとんど変わらなくなってしまっている。
【００３５】
それに対して、ケース（４）の場合、溶接部に引張応力１００ＭＰａを加えることによって引張応力場を形成し、その引張応力場の下で超音波ピーニングを施工して、溶接部に圧縮応力場を形成するので、その後に１００ＭＰａの引張応力が負荷された状態においても、疲労強度の改善効果が低減し難くなっている。したがって、コンテナ船１１等の浮体式建造物１を進水させた後に、溶接部３に超音波ピーニングを施工することが疲労強度の改善効果を持続する上で効果的であることが理解できる。
【００３６】
以下、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法によって溶接部３の疲労強度が向上する仕組みを説明する。ここで、図６は、溶接止端部にかかる局所的な応力と歪みの関係を示す相関図であり、（Ａ）は浮体式建造物を進水させずに超音波ピーニングを施工した場合及び超音波ピーニングを施工しない場合、（Ｂ）は超音波ピーニング施工後に浮体式建造物を進水させた場合、（Ｃ）は浮体式建造物の進水後に超音波ピーニングを施工した場合、を示している。各図において、横軸は歪み、縦軸は応力を示し、応力が正値の場合は引張応力、応力が負値の場合は圧縮応力が生じていることを示している。また、各図を図５に示したケースに置き換えて説明すれば、図６（Ａ）はケース（１）及びケース（２）に相当し、図６（Ｂ）はケース（３）に相当し、図６（Ｃ）はケース（４）に相当する。
【００３７】
まず、図６（Ａ）に基づいて、ケース（２）の場合、すなわち、超音波ピーニングを施工しない場合における溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００３８】
溶接部３に対する溶接が終了した状態を（ａ）溶接終了状態（図の白抜き丸）とする。この状態で、コンテナ船１１への積載物の積荷に伴って、溶接部３に外力が作用すると、溶接止端部３３に応力が集中することにより、溶接止端部３３の局所的な応力は引張降伏応力σＹに達し、それ以上負荷が増加しても引張降伏応力σＹのまま歪みのみが増加する状態となる。この状態を（ｂ）最大応力状態（図の黒塗り丸）とする。そして、コンテナ船１１からの積載物の荷降に伴って溶接止端部３３は弾性変形により応力が低下し、全ての積載物を荷降した状態で応力は最小となる。この状態を（ｃ）最小応力状態（図の斜線入り丸）とする。このとき、溶接部３に作用する繰返し公称応力範囲をΔＳとすると、溶接止端部３３における局所的な応力は引張降伏応力σＹからΔσ＝ΔＳ×Ｋｔ（ただし、Ｋｔは応力集中係数）だけ減少する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｂ）と状態（ｃ）の間で行き来することになる。
【００３９】
次に、図６（Ａ）に基づいて、ケース（２）の変形例として、溶接終了後に浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させた場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４０】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、コンテナ船１１を進水させた場合、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが生じ、溶接止端部３３は引張降伏応力σＹに達する。この状態を（ｄ）引張平均付与状態（図の横線入り丸）とする。さらに状態（ｄ）から、コンテナ船１１への積載物の積荷に伴って溶接部３に外力が作用しても、塑性変形が進むだけで応力は引張降伏応力σＹのまま図の右方向に移行して状態（ｂ）となる。その後、コンテナ船１１からの荷降に伴って応力がΔσだけ減少して状態（ｃ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｂ）と状態（ｃ）の間で行き来することになる。
【００４１】
次に、図６（Ａ）に基づいて、ケース（１）の場合、すなわち、溶接終了後に超音波ピーニングを施工した場合における溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４２】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、超音波ピーニングを施工すると溶接止端部３３近傍には残留圧縮応力場３５が形成されて、（ｅ）ＵＰ処理終了状態（図の縦線入り丸）へと移行する。そして、溶接部３に積載物の積荷及び荷降による繰返し応力ΔＳが付与されると、最大応力時には、超音波ピーニングにより導入された圧縮残留応力から応力がΔσ＝ΔＳ×Ｋｔだけ増加した状態である（ｆ）ＵＰ処理後の最大応力状態（図の灰色塗り丸）に移行し、最小応力時には、状態（ｆ）から応力がΔσだけ減少した状態である（ｇ）ＵＰ処理後の最小応力状態（図の網線入り丸）に移行する。なお、状態（ｅ）と状態（ｇ）は図中において一致する状態であるが、説明の便宜上、並列させて図示している。そして、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｆ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。このとき、状態（ｆ）及び状態（ｇ）の応力は負値であるため、溶接部３は圧縮応力場が形成された状態を維持しており、疲労強度が向上した状態になっている。
【００４３】
次に、図６（Ｂ）に基づいて、ケース（３）の場合、すなわち、溶接終了後に超音波ピーニングを施工した浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させた場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４４】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、超音波ピーニングを施工すると溶接止端部３３近傍には残留圧縮応力場３５が形成されて、状態（ｅ）に移行する。その後、コンテナ船１１を進水させると、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが作用し、溶接止端部３３の応力はσ＝Ｓｍｅａｎ×Ｋｔだけ増加する。この状態を（ｈ）ＵＰ処理後の進水状態（図の波線入り丸）とする。そして、溶接部３に積載物の積荷及び荷降による繰返し応力ΔＳが付与されると、最大応力時には、状態（ｈ）から応力がΔσ／２だけ増加した状態（ｆ）に移行し、最小応力時には、状態（ｈ）から応力がΔσ／２だけ減少した状態（ｇ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｆ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。ここで、図６（Ａ）と図６（Ｂ）を比較すると、超音波ピーニングしないケース（２）と超音波ピーニングしたケース（３）の応力Δσにほとんど差がないことが理解できる。つまり、溶接部３に超音波ピーニングを施工し、溶接部３に圧縮応力場を形成しても、その後に引張平均応力Ｓｍｅａｎを加えることによって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減することとなる。
【００４５】
次に、図６（Ｃ）に基づいて、ケース（４）の場合、すなわち、溶接終了後に浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させてから超音波ピーニングを施工した場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４６】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、コンテナ船１１を進水させた場合、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが生じ、溶接止端部３３は引張降伏応力σＹに達し、状態（ｄ）に移行する。そして、超音波ピーニングを施工して溶接部３に圧縮残留応力を導入すると状態（ｅ）に移行する。この状態で応力振幅ΔＳ／２の繰返し応力が溶接部３に作用すると、最初の積載物の積荷によって最大応力が負荷された場合には弾性変形によりΔσ／２だけ増加して状態（ｆ）に移行するが、次の積載物の荷降によって最小応力が負荷された場合には圧縮降伏応力（−σＹ）に達して、状態（ｇ）に移行する。再び、積載物の積荷によって溶接部３に最大応力が負荷された場合には、弾性変形により圧縮降伏応力からΔσだけ増加して状態（ｉ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｉ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。このとき、状態（ｉ）及び状態（ｇ）の応力は負値であるため、溶接部３は圧縮応力場が形成された状態を維持しており、疲労強度が向上した状態になっている。
【００４７】
以上の説明によれば、浮体式建造物１に構造物２を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工することにより、浮体式建造物１における構造物２の所定の溶接部３に引張応力場を形成した状態で超音波ピーニングを施工することができ、超音波ピーニングの進水による効果低減を抑制することができることが理解できる。
【００４８】
続いて、本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例について説明する。ここで、図７は、本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。なお、各図において、浮体式建造物１として、コンテナ船１１を採用している。
【００４９】
図７（Ａ）に示した第一変形例は、上述した超音波ピーニング工程において、浮体式建造物１（コンテナ船１１）に積載物７（例えば、コンテナ）を積み付けた状態で超音波ピーニングを施工するようにしたものである。このように、積載物７を積み付けることにより、コンテナ船１１に最大の浮力を生じさせることができ、溶接部３に対して効果的に引張応力を生じさせることができる。なお、ここでは、全ての積載物７を積み付けた場合を図示しているが、一部の積載物のみを積み付けた状態で超音波ピーニングを施工するようにしてもよい。
【００５０】
図７（Ｂ）に示した第二変形例は、上述した超音波ピーニング工程において、積載物７の積載位置及び積載重量を調整して浮体式建造物１（コンテナ船１１）に生じる浮力を調整するようにしたものである。ここでは、船首、船体中央及び船尾の三箇所に積載物７を積み付けて、船首と船体中央との間及び船体中央と船尾との間の甲板１２上で最適な引張応力を生じさせるようにしている。また、図示しないが、船首と船尾に積載物７を積み付けて、船体中央の甲板１２上で最適な引張応力を生じさせるようにしてもよい。このように、積載物７の積載位置及び積載重量を調整することにより、浮体式建造物１に生じる浮力を調整し、甲板１２上の特定の溶接部３や船底や船倉内の溶接部３に最適な引張応力を生じさせることができる。なお、積載物７は、コンテナに限定されるものではなく、燃料やバラスト水であってもよい。
【００５１】
上述した実施形態では、浮体式建造物１としてコンテナ船１１を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、モス型ＬＮＧ船、多目的貨物船、バルクキャリア、ＶＬＣＣタンカー等の他の形式の船舶、海上プラント、セミサブ式又は浮遊式の掘削リグ、建造中に一時的に進水される着底式の海上構造物等にも適用することができる。ここで、図８は、本発明の他の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はモス型ＬＮＧ船の上面図、（Ｂ）は多目的貨物船の上面図、を示している。
【００５２】
図８（Ａ）に示したモス型ＬＮＧ船１８は、複数の球形タンク１８ａを備えている。したがって、モス型ＬＮＧ船１８の船体には、球形タンク１８ａを載置するための開口部が形成されている。かかるモス型ＬＮＧ船１８の場合においても、進水後に超音波ピーニングを施工することにより、効果的に疲労強度を向上させることができる。
【００５３】
図８（Ｂ）に示した多目的貨物船１９は、複数の開口部１９ａと、開口部１９ａを開閉するハッチカバー１９ｂとを備えている。かかる多目的貨物船１９の場合においても、進水後に超音波ピーニングを施工することにより、効果的に疲労強度を向上させることができる。また、図示しないが、バルクキャリアやＶＬＣＣタンカー等もコンテナ船１１や多目的貨物船１９と実質的に同様の形態をなしている。なお、上述した実施形態では、船体に開口部を有する船舶について説明したが、本発明はかかる船舶に限定されるものではなく、陸上又は浮力が生じない場所で建造される浮体式建造物であって、その甲板等の船体に所定の構造物が溶接されるものであれば、開口部を有しない船舶であってもよい。
【００５４】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５５】
１…浮体式建造物
２…構造物
３…溶接部
４…ピン
５…ドック
６…船台
７…積載物
１１…コンテナ船
１２…甲板
１３…船倉
１４…開口部
１５…ハッチカバー
１６…エンジンルーム
１７…船橋
１８…モス型ＬＮＧ船
１８ａ…球形タンク
１９…多目的貨物船
１９ａ…開口部
１９ｂ…ハッチカバー
２１…ハッチコーミング
２３…コーミングステイ
２４…コーミングトップ
２５…ハッチエンドコーミング
２６…ハッチサイドコーミング
２７…レストパッド
２８…クロスデッキ用開口部
３１…鋼部材
３２…溶接ビード
３３…溶接止端部
３４…打撃痕
３５…残留圧縮応力場
３６…防錆塗膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物に関し、特に、コンテナ船等の浮体式建造物に適用される超音波ピーニング施工方法及び該超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工された浮体式建造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶、海上プラント、橋梁等の建造物における溶接部の疲労強度を改善する技術として、超音波衝撃処理（以下、「超音波ピーニング」と称す）がある。この技術は、超音波を振動源として先端に半径Ｒを持つピンを連続的に溶接部に打ち付け、残留圧縮応力場を形成し、ピンのＲ形状を転写することによって溶接止端形状を改善し、溶接止端部の疲労強度を向上させるものである（例えば、特許文献１参照）。また、溶接部に引張応力場が作用している状態で、超音波ピーニングを施工することにより、更に溶接部の疲労強度を向上させることができる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５５８９９号公報
【特許文献２】特開２００６−５１５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述したような大型の建造物において超音波ピーニングを施工する場合に、その建造物の各箇所に引張応力場を形成するためには、専用の治具や付加的な装置（例えば、油圧ジャッキ等）を必要とし、多大な手間が必要となるため、実際に実施することは難しかった。
【０００５】
また、超音波ピーニングの施工後に作用する建造物への荷重の履歴によって応力場が変動し、超音波ピーニングの効果が低減しまう場合もあった。特に、船舶、海上プラント等の浮体式建造物の場合には、陸上での建造段階では自重のみが作用しているのに対して、進水後には自重に加えて浮力も作用することから、建造物に作用する応力場が大きく変動することとなる。そのため、陸上の建造段階で超音波ピーニングを施工し、溶接部に圧縮応力場を形成しても、ある箇所では進水後に浮力によって形成される引張応力場によって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、進水による超音波ピーニングの効果低減を抑制することができる超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、浮体式建造物と該浮体式建造物に溶接される構造物との溶接部に超音波により加振されたピンで衝撃を与えて前記溶接部の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有することを特徴とする超音波ピーニング施工方法が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、溶接によって取り付けられる構造物を有する浮体式建造物であって、該浮体式建造物と前記構造物との溶接部には、前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工されている、ことを特徴とする浮体式建造物が提供される。
【０００９】
上述した超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物において、前記超音波ピーニング工程は、前記浮体式建造物に積載物を積み付けた状態で施工されるようにしてもよい。さらに、前記積載物の積載位置及び積載重量を調整して前記浮体式建造物に生じる浮力を調整するようにしてもよい。
【００１０】
また、前記構造物溶接工程の後に、前記溶接部を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を有していてもよい。さらに、前記超音波ピーニング工程の前に、前記仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を有していてもよい。また、前記超音波ピーニング工程の後に、前記溶接部を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を有していてもよい。
【００１１】
また、前記浮体式建造物は、例えば、甲板に開口部を有する船舶であり、前記構造物は、例えば、前記開口部の周辺に溶接される艤装品である。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明に係る超音波ピーニング施工方法及び浮体式建造物によれば、浮体式建造物に構造物を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工するようにしたことから、浮体式建造物における構造物の所定の溶接部に引張応力場を形成した状態で超音波ピーニングを施工することができ、超音波ピーニングの進水による効果低減を抑制することができる。また、本発明によれば、浮体式建造物に構造物を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工するだけであるため、大型の浮体式建造物であっても、特殊な専用治具や余分な手間を必要とせずに、超音波ピーニングを効率よく施工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法を示し、（Ａ）は建造物建造工程、（Ｂ）は構造物溶接工程、（Ｃ）は建造物進水工程、（Ｄ）は超音波ピーニング工程、である。
【図２】本発明の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はコンテナ船の側面図、（Ｂ）はコンテナ船の上面図、を示している。
【図３】図２のＩＩＩ部の拡大斜視図である。
【図４】超音波ピーニング工程を説明するための模式図であり、（Ａ）は超音波ピーニング施工前の溶接部の斜視図、（Ｂ）は超音波ピーニング施工中の溶接部の斜視図、（Ｃ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の斜視図、（Ｄ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の断面図、（Ｅ）は超音波ピーニング施工後に溶接部塗装工程を施した溶接部の断面図、を示している。
【図５】本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明するための図である。
【図６】溶接止端部にかかる局所的な応力及び歪みの関係を示す相関図であり、（Ａ）は浮体式建造物を進水させずに超音波ピーニングを施工した場合及び超音波ピーニングを施工しない場合、（Ｂ）は超音波ピーニング施工後に浮体式建造物を進水させた場合、（Ｃ）は浮体式建造物の進水後に超音波ピーニングを施工した場合、を示している。
【図７】本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。
【図８】本発明の他の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はモス型ＬＮＧ船の上面図、（Ｂ）は多目的貨物船の上面図、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法を示し、（Ａ）は建造物建造工程、（Ｂ）は構造物溶接工程、（Ｃ）は建造物進水工程、（Ｄ）は超音波ピーニング工程、である。図２は、本発明の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はコンテナ船の側面図、（Ｂ）はコンテナ船の上面図、を示している。図３は、図２のＩＩＩ部の拡大斜視図である。図４は、超音波ピーニング工程を説明するための模式図であり、（Ａ）は超音波ピーニング施工前の溶接部の斜視図、（Ｂ）は超音波ピーニング施工中の溶接部の斜視図、（Ｃ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の斜視図、（Ｄ）は超音波ピーニング施工後の溶接部の断面図、（Ｅ）は超音波ピーニング施工後に溶接部塗装工程を施した溶接部の断面図、を示している。
【００１５】
本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法は、図１（Ａ）乃至（Ｄ）に示したように、浮体式建造物１と浮体式建造物１に溶接される構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、浮体式建造物１を建造する建造物建造工程と、浮体式建造物１に構造物２を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、構造物２を取り付けた浮体式建造物１を進水させる建造物進水工程と、浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、を有する。
【００１６】
前記浮体式建造物１は、例えば、甲板に開口部を有する船舶であり、具体的には、図２に示したような、コンテナ船１１である。コンテナ船１１は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、船体の甲板１２の下部に区画された複数の船倉１３と、各船倉１３の上部の甲板１２に形成された開口部１４と、開口部１４を覆うハッチカバー１５と、を有する。また、コンテナ船１１は、船体後部側にエンジンルーム１６と船橋１７とを備えている。なお、浮体式建造物１は、コンテナ船１１に限定されるものではなく、陸上で建造されて進水される浮体式建造物であれば、他の形式の船舶、海上プラント、セミサブ式又は浮遊式の掘削リグ、建造中に一時的に進水される着底式の海上構造物等も含む趣旨である。
【００１７】
前記構造物２は、例えば、船舶の開口部の周辺に溶接される艤装品であり、具体的には、図３に示したような、コンテナ船１１の開口部１４の周辺に溶接された艤装品である。図３に示したように、コンテナ船１１は、開口部１４の周縁の甲板１２に立設されたハッチコーミング２１を有する。また、ハッチコーミング２１は、甲板１２上に配置されるコーミングステイ２３と、コーミングステイ２３上に配置されるコーミングトップ２４と、開口部１４の船幅方向の辺縁部に配置されるハッチエンドコーミング２５と、開口部１４の船長さ方向の辺縁部に配置されるハッチサイドコーミング２６と、を備える。
【００１８】
コーミングステイ２３は、甲板１２、コーミングトップ２４及びハッチサイドコーミング２６に溶接されて取り付けられ、ハッチコーミング２１の梁材を構成し、その剛性及び強度を高める。
【００１９】
コーミングトップ２４は、コーミングステイ２３、ハッチエンドコーミング２５及びハッチサイドコーミング２６に溶接して取り付けられ、ハッチコーミング２１の上部を構成する。また、コーミングトップ２４には、複数のレストパッド２７が溶接して取り付けられる。レストパッド２７は、ハッチカバー１５を固定するための部品である。また、コーミングトップ２４は、二つの開口部１４の間にクロスデッキを形成するようにクロスデッキ用開口部２８を有する。
【００２０】
ハッチエンドコーミング２５は、甲板１２、コーミングトップ２４及びハッチサイドコーミング２６に溶接されて取り付けられ、開口部１４の外周を囲う壁面の一部を構成している。
【００２１】
ハッチサイドコーミング２６は、甲板１２、コーミングステイ２３、コーミングトップ２４及びハッチエンドコーミング２５に溶接されて取り付けられ、開口部１４の外周を囲う壁面の一部を構成している。
【００２２】
なお、上述した構造物２は、単なる一例であり、開口部１４の周辺以外の箇所に溶接される部品（例えば、手摺、梯子、ウインチ架台、通風筒、居住区構造物等）であってもよいし、船殻を構成する建造ブロック、船殻に溶接されるブラケットや小骨等の補強材のように、浮体式建造物１の建造時に溶接される部品であってもよい。
【００２３】
前記建造物建造工程は、陸上で浮体式建造物１を建造する工程である。浮体式建造物１がコンテナ船１１の場合には、図１（Ａ）に示すように、ドック５内に配置された船台６上でコンテナ船１１を建造する。
【００２４】
前記構造物溶接工程は、陸上で浮体式建造物１に種々の構造物２を溶接する工程である。例えば、図１（Ｂ）に示すように、ドック５内で建造されたコンテナ船１１にハッチコーミング２１やハッチカバー１５等の構造物２を溶接して取り付ける。また、構造物溶接工程の後に、構造物２の溶接部３を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を挟むようにしてもよい。かかる仮塗装を行うことにより、溶接部３に防錆塗膜を形成することができ、超音波ピーニング工程までの間における溶接部３の劣化を抑制することができる。なお、かかる構造物溶接工程と建造物建造工程とは、明確に工程を区別する必要はなく、建造物建造工程において、浮体式建造物１を構成する船体構造部材を溶接する場合も構造物溶接工程に含まれ得る。
【００２５】
前記建造物進水工程は、陸上で建造し、構造物２を溶接した浮体式建造物１を進水させる工程である。コンテナ船１１のような船型の浮体式建造物１の場合には、図２に示したように、船尾側にエンジンルーム１６や船橋１７が配置されていることが多い。そのため、図１（Ｃ）に示すように、浮力に対する船体前後の自重が船体中央の自重より重くなり、船首及び船尾に対しては鉛直下向きの力が負荷され、船体中央に対しては鉛直上向きの力が負荷され、甲板１２側では引張力が生じ、船底側では圧縮力が生じることとなり、浮体式建造物１は、いわゆるホギング状態となる。このとき、甲板１２上に溶接されたハッチコーミング２１等の構造物２の溶接部３にも引張力が生じることとなる。特に、図３において、灰色に塗り潰した箇所には大きな引張力が生じ易い。
【００２６】
したがって、建造物進水工程の前に溶接部３に超音波ピーニングを施工した場合には、溶接部３に圧縮応力場を形成して疲労強度を改善したとしても、上述したように溶接部３に引張応力が負荷され、超音波ピーニングの効果が減殺されることとなる。そこで、本発明では、構造物２を溶接した浮体式建造物１を進水させてから超音波ピーニングを施工するようにしている。
【００２７】
前記超音波ピーニング工程は、進水させて浮力が生じている状態の浮体式建造物１の溶接部３に対して超音波ピーニングを施工する工程である。超音波ピーニングは、図１（Ｄ）に示したように、浮体式建造物１と構造物２との溶接部３に超音波により加振されたピン４で衝撃を与えて溶接部３に圧縮応力場を形成する。ピン４の加振には、セラミック圧電素子を用いてもよいし、磁歪子を用いてもよい。かかる超音波ピーニングは、特に、図３において灰色に塗り潰した箇所のように、例えば、構造物２や開口部の角隅部や溶接部３の船幅方向部分に施工すると効果的である。
【００２８】
構造物溶接工程の後に、溶接部３の仮塗装を行った場合には、超音波ピーニング工程の前に、溶接部仮塗装工程で塗装した仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を挟むようにしてもよい。かかる仮塗装剥離工程により、防錆塗膜を剥離することによって超音波ピーニングを容易かつ効果的に施工することができる。なお、塗膜厚さが薄い場合や塗膜が柔らかい場合のように、塗膜の存在が超音波ピーニングに影響を与えない場合には、必ずしも仮塗装した塗膜を剥離する必要はない。
【００２９】
ここで、図４を用いて、超音波ピーニング工程について詳細に説明する。構造物溶接工程の結果、図４（Ａ）に示すように、二つの鋼部材３１が溶接され、それらの間には、溶接ビード３２が形成される。ここで、鋼部材３１と溶接ビード３２との境目を溶接止端部３３と呼ぶ。図４（Ｂ）に示すように、超音波を振動源として先端に半径Ｒを持つピン４を連続的に溶接止端部３３に打ち付ける。図４（Ｃ）に示すように、この打撃処理を所望の溶接ビード３２に沿って行う。その結果、図１（Ｄ）及び図４（Ｄ）に示すように、ピン４のＲ形状を溶接部３に転写することによって溶接止端部３３に打撃痕３４を形成し、溶接止端部３３の形状を改善し、残留圧縮応力場３５を形成する。なお、本実施形態では、隅肉溶接に超音波ピーニングを施工する場合について説明したが、突合せ溶接や重ね溶接等の溶接部に超音波ピーニングを施工するようにしてもよい。
【００３０】
このように、コンテナ船１１等の浮体式建造物１を進水させた後に溶接部３を超音波ピーニングすることにより、特殊な専用治具や余分な手間をかけることなく、溶接部３に引張応力場が作用している状態で超音波ピーニングを施工することができ、進水による超音波ピーニングの効果低減を抑制することができる。また、かかる効果を有するコンテナ船１１等の浮体式構造物１を得ることができる。
【００３１】
また、図４（Ｅ）に示したように、超音波ピーニング工程の後に、溶接部３を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を挟むようにしてもよい。かかる溶接部塗装工程により溶接部３に防錆塗膜３６を形成することができ、溶接部３の劣化を抑制することができる。特に、溶接部３に仮塗装していない場合、溶接部３の仮塗装した塗膜を剥離した場合、仮塗装した状態で超音波ピーニングを施工して塗膜が剥離した場合に、溶接部塗装工程を行うと効果的である。
【００３２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明する。ここで、図５は、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法による効果を説明するための図であり、疲労強度の試験結果を示している。横軸は破断繰返し数Ｎｆを示し、縦軸は応力範囲ΔＳを示している。図示した試験結果は、実際にコンテナ船１１等の浮体式建造物１を使用して溶接部３の疲労強度を測定することは困難であるので、板厚１６ｍｍの二つの鋼材（主板とスティフナ）を溶接した試験体を使用して溶接部の疲労強度を測定したものである。なお、図中、ＵＰ処理材とは、超音波ピーニング（Ultrasonic Peening）が施された処理材を意味する。
【００３３】
ケース（１）は、無負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では黒塗り菱形及び二点鎖線で表示している。ケース（２）は、超音波ピーニングを施工しないＵＰ未処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き菱形及び破線で表示している。ケース（３）は、無負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材に引張応力１００ＭＰａを負荷した状態の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き丸及び一点鎖線で表示している。ケース（４）は、引張応力１００ＭＰａの負荷状態で超音波ピーニングを施工したＵＰ処理材の溶接部に生じる応力範囲ΔＳと破断繰返し数Ｎｆとの関係を示し、図では白抜き三角及び実線で表示している。なお、引張応力１００ＭＰａは、コンテナ船１１が進水した場合に、甲板１２上の溶接部３に負荷される引張応力とほぼ同等の応力である。
【００３４】
上述したケース（１）乃至（４）について、±５００ｋＮの繰返し荷重を負荷して疲労試験を行い、最小二乗法により近似直線を求めた結果を図５に示している。ケース（１）乃至（４）の近似直線を比較すると、ケース（４）が最も疲労強度が高く、ケース（１）、ケース（３）、ケース（２）の順に疲労強度が低くなることが理解できる。また、ケース（３）の結果から、無負荷状態で溶接部に超音波ピーニングを施工し、溶接部に圧縮応力場を形成しても、引張応力１００ＭＰａを加えることによって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減していることが理解できる。その結果、ケース（３）では、溶接部に超音波ピーニングを施工しないケース（２）と疲労強度がほとんど変わらなくなってしまっている。
【００３５】
それに対して、ケース（４）の場合、溶接部に引張応力１００ＭＰａを加えることによって引張応力場を形成し、その引張応力場の下で超音波ピーニングを施工して、溶接部に圧縮応力場を形成するので、その後に１００ＭＰａの引張応力が負荷された状態においても、疲労強度の改善効果が低減し難くなっている。したがって、コンテナ船１１等の浮体式建造物１を進水させた後に、溶接部３に超音波ピーニングを施工することが疲労強度の改善効果を持続する上で効果的であることが理解できる。
【００３６】
以下、本発明の実施形態に係る超音波ピーニング施工方法によって溶接部３の疲労強度が向上する仕組みを説明する。ここで、図６は、溶接止端部にかかる局所的な応力と歪みの関係を示す相関図であり、（Ａ）は浮体式建造物を進水させずに超音波ピーニングを施工した場合及び超音波ピーニングを施工しない場合、（Ｂ）は超音波ピーニング施工後に浮体式建造物を進水させた場合、（Ｃ）は浮体式建造物の進水後に超音波ピーニングを施工した場合、を示している。各図において、横軸は歪み、縦軸は応力を示し、応力が正値の場合は引張応力、応力が負値の場合は圧縮応力が生じていることを示している。また、各図を図５に示したケースに置き換えて説明すれば、図６（Ａ）はケース（１）及びケース（２）に相当し、図６（Ｂ）はケース（３）に相当し、図６（Ｃ）はケース（４）に相当する。
【００３７】
まず、図６（Ａ）に基づいて、ケース（２）の場合、すなわち、超音波ピーニングを施工しない場合における溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００３８】
溶接部３に対する溶接が終了した状態を（ａ）溶接終了状態（図の白抜き丸）とする。この状態で、コンテナ船１１への積載物の積荷に伴って、溶接部３に外力が作用すると、溶接止端部３３に応力が集中することにより、溶接止端部３３の局所的な応力は引張降伏応力σＹに達し、それ以上負荷が増加しても引張降伏応力σＹのまま歪みのみが増加する状態となる。この状態を（ｂ）最大応力状態（図の黒塗り丸）とする。そして、コンテナ船１１からの積載物の荷降に伴って溶接止端部３３は弾性変形により応力が低下し、全ての積載物を荷降した状態で応力は最小となる。この状態を（ｃ）最小応力状態（図の斜線入り丸）とする。このとき、溶接部３に作用する繰返し公称応力範囲をΔＳとすると、溶接止端部３３における局所的な応力は引張降伏応力σＹからΔσ＝ΔＳ×Ｋｔ（ただし、Ｋｔは応力集中係数）だけ減少する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｂ）と状態（ｃ）の間で行き来することになる。
【００３９】
次に、図６（Ａ）に基づいて、ケース（２）の変形例として、溶接終了後に浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させた場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４０】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、コンテナ船１１を進水させた場合、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが生じ、溶接止端部３３は引張降伏応力σＹに達する。この状態を（ｄ）引張平均付与状態（図の横線入り丸）とする。さらに状態（ｄ）から、コンテナ船１１への積載物の積荷に伴って溶接部３に外力が作用しても、塑性変形が進むだけで応力は引張降伏応力σＹのまま図の右方向に移行して状態（ｂ）となる。その後、コンテナ船１１からの荷降に伴って応力がΔσだけ減少して状態（ｃ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｂ）と状態（ｃ）の間で行き来することになる。
【００４１】
次に、図６（Ａ）に基づいて、ケース（１）の場合、すなわち、溶接終了後に超音波ピーニングを施工した場合における溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４２】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、超音波ピーニングを施工すると溶接止端部３３近傍には残留圧縮応力場３５が形成されて、（ｅ）ＵＰ処理終了状態（図の縦線入り丸）へと移行する。そして、溶接部３に積載物の積荷及び荷降による繰返し応力ΔＳが付与されると、最大応力時には、超音波ピーニングにより導入された圧縮残留応力から応力がΔσ＝ΔＳ×Ｋｔだけ増加した状態である（ｆ）ＵＰ処理後の最大応力状態（図の灰色塗り丸）に移行し、最小応力時には、状態（ｆ）から応力がΔσだけ減少した状態である（ｇ）ＵＰ処理後の最小応力状態（図の網線入り丸）に移行する。なお、状態（ｅ）と状態（ｇ）は図中において一致する状態であるが、説明の便宜上、並列させて図示している。そして、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｆ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。このとき、状態（ｆ）及び状態（ｇ）の応力は負値であるため、溶接部３は圧縮応力場が形成された状態を維持しており、疲労強度が向上した状態になっている。
【００４３】
次に、図６（Ｂ）に基づいて、ケース（３）の場合、すなわち、溶接終了後に超音波ピーニングを施工した浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させた場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４４】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、超音波ピーニングを施工すると溶接止端部３３近傍には残留圧縮応力場３５が形成されて、状態（ｅ）に移行する。その後、コンテナ船１１を進水させると、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが作用し、溶接止端部３３の応力はσ＝Ｓｍｅａｎ×Ｋｔだけ増加する。この状態を（ｈ）ＵＰ処理後の進水状態（図の波線入り丸）とする。そして、溶接部３に積載物の積荷及び荷降による繰返し応力ΔＳが付与されると、最大応力時には、状態（ｈ）から応力がΔσ／２だけ増加した状態（ｆ）に移行し、最小応力時には、状態（ｈ）から応力がΔσ／２だけ減少した状態（ｇ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｆ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。ここで、図６（Ａ）と図６（Ｂ）を比較すると、超音波ピーニングしないケース（２）と超音波ピーニングしたケース（３）の応力Δσにほとんど差がないことが理解できる。つまり、溶接部３に超音波ピーニングを施工し、溶接部３に圧縮応力場を形成しても、その後に引張平均応力Ｓｍｅａｎを加えることによって圧縮応力場が減殺され、超音波ピーニングによる疲労強度の改善効果が低減することとなる。
【００４５】
次に、図６（Ｃ）に基づいて、ケース（４）の場合、すなわち、溶接終了後に浮体式建造物１（例えば、コンテナ船１１）を進水させてから超音波ピーニングを施工した場合の溶接部３の溶接止端部３３に生じる応力と歪みとの相関関係について説明する。
【００４６】
溶接部３に対する溶接が終了した状態（ａ）において、コンテナ船１１を進水させた場合、溶接部３に引張平均応力Ｓｍｅａｎが生じ、溶接止端部３３は引張降伏応力σＹに達し、状態（ｄ）に移行する。そして、超音波ピーニングを施工して溶接部３に圧縮残留応力を導入すると状態（ｅ）に移行する。この状態で応力振幅ΔＳ／２の繰返し応力が溶接部３に作用すると、最初の積載物の積荷によって最大応力が負荷された場合には弾性変形によりΔσ／２だけ増加して状態（ｆ）に移行するが、次の積載物の荷降によって最小応力が負荷された場合には圧縮降伏応力（−σＹ）に達して、状態（ｇ）に移行する。再び、積載物の積荷によって溶接部３に最大応力が負荷された場合には、弾性変形により圧縮降伏応力からΔσだけ増加して状態（ｉ）に移行する。以後、積載物の積荷及び荷降が繰り返されるたびに、溶接部３の溶接止端部３３は、状態（ｉ）と状態（ｇ）の間で行き来することになる。このとき、状態（ｉ）及び状態（ｇ）の応力は負値であるため、溶接部３は圧縮応力場が形成された状態を維持しており、疲労強度が向上した状態になっている。
【００４７】
以上の説明によれば、浮体式建造物１に構造物２を溶接し、進水させてから超音波ピーニングを施工することにより、浮体式建造物１における構造物２の所定の溶接部３に引張応力場を形成した状態で超音波ピーニングを施工することができ、超音波ピーニングの進水による効果低減を抑制することができることが理解できる。
【００４８】
続いて、本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例について説明する。ここで、図７は、本発明に係る超音波ピーニング施工方法の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。なお、各図において、浮体式建造物１として、コンテナ船１１を採用している。
【００４９】
図７（Ａ）に示した第一変形例は、上述した超音波ピーニング工程において、浮体式建造物１（コンテナ船１１）に積載物７（例えば、コンテナ）を積み付けた状態で超音波ピーニングを施工するようにしたものである。このように、積載物７を積み付けることにより、コンテナ船１１に最大の浮力を生じさせることができ、溶接部３に対して効果的に引張応力を生じさせることができる。なお、ここでは、全ての積載物７を積み付けた場合を図示しているが、一部の積載物のみを積み付けた状態で超音波ピーニングを施工するようにしてもよい。
【００５０】
図７（Ｂ）に示した第二変形例は、上述した超音波ピーニング工程において、積載物７の積載位置及び積載重量を調整して浮体式建造物１（コンテナ船１１）に生じる浮力を調整するようにしたものである。ここでは、船首、船体中央及び船尾の三箇所に積載物７を積み付けて、船首と船体中央との間及び船体中央と船尾との間の甲板１２上で最適な引張応力を生じさせるようにしている。また、図示しないが、船首と船尾に積載物７を積み付けて、船体中央の甲板１２上で最適な引張応力を生じさせるようにしてもよい。このように、積載物７の積載位置及び積載重量を調整することにより、浮体式建造物１に生じる浮力を調整し、甲板１２上の特定の溶接部３や船底や船倉内の溶接部３に最適な引張応力を生じさせることができる。なお、積載物７は、コンテナに限定されるものではなく、燃料やバラスト水であってもよい。
【００５１】
上述した実施形態では、浮体式建造物１としてコンテナ船１１を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、モス型ＬＮＧ船、多目的貨物船、バルクキャリア、ＶＬＣＣタンカー等の他の形式の船舶、海上プラント、セミサブ式又は浮遊式の掘削リグ、建造中に一時的に進水される着底式の海上構造物等にも適用することができる。ここで、図８は、本発明の他の実施形態に係る浮体式建造物を示す図であり、（Ａ）はモス型ＬＮＧ船の上面図、（Ｂ）は多目的貨物船の上面図、を示している。
【００５２】
図８（Ａ）に示したモス型ＬＮＧ船１８は、複数の球形タンク１８ａを備えている。したがって、モス型ＬＮＧ船１８の船体には、球形タンク１８ａを載置するための開口部が形成されている。かかるモス型ＬＮＧ船１８の場合においても、進水後に超音波ピーニングを施工することにより、効果的に疲労強度を向上させることができる。
【００５３】
図８（Ｂ）に示した多目的貨物船１９は、複数の開口部１９ａと、開口部１９ａを開閉するハッチカバー１９ｂとを備えている。かかる多目的貨物船１９の場合においても、進水後に超音波ピーニングを施工することにより、効果的に疲労強度を向上させることができる。また、図示しないが、バルクキャリアやＶＬＣＣタンカー等もコンテナ船１１や多目的貨物船１９と実質的に同様の形態をなしている。なお、上述した実施形態では、船体に開口部を有する船舶について説明したが、本発明はかかる船舶に限定されるものではなく、陸上又は浮力が生じない場所で建造される浮体式建造物であって、その甲板等の船体に所定の構造物が溶接されるものであれば、開口部を有しない船舶であってもよい。
【００５４】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５５】
１…浮体式建造物
２…構造物
３…溶接部
４…ピン
５…ドック
６…船台
７…積載物
１１…コンテナ船
１２…甲板
１３…船倉
１４…開口部
１５…ハッチカバー
１６…エンジンルーム
１７…船橋
１８…モス型ＬＮＧ船
１８ａ…球形タンク
１９…多目的貨物船
１９ａ…開口部
１９ｂ…ハッチカバー
２１…ハッチコーミング
２３…コーミングステイ
２４…コーミングトップ
２５…ハッチエンドコーミング
２６…ハッチサイドコーミング
２７…レストパッド
２８…クロスデッキ用開口部
３１…鋼部材
３２…溶接ビード
３３…溶接止端部
３４…打撃痕
３５…残留圧縮応力場
３６…防錆塗膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体式建造物と該浮体式建造物に溶接される構造物との溶接部に超音波により加振されたピンで衝撃を与えて前記溶接部の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、
前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、
前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、
浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、
を有することを特徴とする超音波ピーニング施工方法。
【請求項２】
前記超音波ピーニング工程は、前記浮体式建造物に積載物を積み付けた状態で施工される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項３】
前記積載物の積載位置及び積載重量を調整して前記浮体式建造物に生じる浮力を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項４】
前記構造物溶接工程の後に、前記溶接部を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項５】
前記超音波ピーニング工程の前に、前記仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項６】
前記超音波ピーニング工程の後に、前記溶接部を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項７】
前記浮体式建造物は、甲板に開口部を有する船舶である、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項８】
前記構造物は、前記開口部の周辺に溶接される艤装品である、ことを特徴とする請求項７に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項９】
溶接によって取り付けられる構造物を有する浮体式建造物であって、
該浮体式建造物と前記構造物との溶接部には、請求項１乃至８の何れかに記載の超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工されている、ことを特徴とする浮体式建造物。
【請求項１】
浮体式建造物と該浮体式建造物に溶接される構造物との溶接部に超音波により加振されたピンで衝撃を与えて前記溶接部の疲労強度を向上させる超音波ピーニング施工方法であって、
前記浮体式建造物に前記構造物を溶接して取り付ける構造物溶接工程と、
前記構造物を取り付けた前記浮体式建造物を進水させる建造物進水工程と、
浮力が生じている状態の前記浮体式建造物の前記溶接部に対して超音波ピーニングを施工する超音波ピーニング工程と、
を有することを特徴とする超音波ピーニング施工方法。
【請求項２】
前記超音波ピーニング工程は、前記浮体式建造物に積載物を積み付けた状態で施工される、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項３】
前記積載物の積載位置及び積載重量を調整して前記浮体式建造物に生じる浮力を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項４】
前記構造物溶接工程の後に、前記溶接部を被覆する仮塗装を行う溶接部仮塗装工程を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項５】
前記超音波ピーニング工程の前に、前記仮塗装を剥離する仮塗装剥離工程を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項６】
前記超音波ピーニング工程の後に、前記溶接部を被覆する塗装を行う溶接部塗装工程を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項７】
前記浮体式建造物は、甲板に開口部を有する船舶である、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項８】
前記構造物は、前記開口部の周辺に溶接される艤装品である、ことを特徴とする請求項７に記載の超音波ピーニング施工方法。
【請求項９】
溶接によって取り付けられる構造物を有する浮体式建造物であって、
該浮体式建造物と前記構造物との溶接部には、請求項１乃至８の何れかに記載の超音波ピーニング施工方法により超音波ピーニングが施工されている、ことを特徴とする浮体式建造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２１８４３８（Ｐ２０１１−２１８４３８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９３２３１（Ｐ２０１０−９３２３１）
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０２４２２３５１）株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド (159)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０２４２２３５１）株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド (159)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
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