JP2004077357A

JP2004077357A - ガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置

Info

Publication number: JP2004077357A
Application number: JP2002240264A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Matsumoto; 松本　曜明; Yasuo Nishihara; 西原　康雄; Keiko Shimonishi; 下西　慶行; Kunihiro Ichikawa; 市川　国弘; Tomoo Ishikawa; 石川　知生; Shinji Miyazaki; 宮崎　真司
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: JP4077274B2

Abstract

【課題】孔食底部からの微細亀裂を検出できるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置を提供することにある。
【解決手段】翼面検査用アレイ型探蝕子１０と、アレイ型探蝕子１０を構成する複数の振動子エレメントのそれぞれの発振タイミングを変化させる探傷装置３０とを備える。探触子１０から検出された結果は、ＣＲＴ５０に、時間と同一入射角で焦点を走査した走査位置の２次元で表示する。アレイ型探蝕子１０は、発振された超音波が被検査部の翼面に焦点を結ぶように電気的に操作され、かつアレイ型探蝕子内で同一入射角で焦点を翼面に沿うように走査探傷する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン空気圧縮機の翼面に発生する欠陥を非破壊で検出するガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置に係り、特に、超音波探傷を用いて、特に翼表面の孔食底部から進展した微細亀裂の検出を行うに好適なガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ガスタービンの空気圧縮機の翼面は表面に耐食性のコーティングを施し、大量の空気を吸い込む時に同時に吸引される大気中のＳ分やＣｌ分などの腐食成分に対処している。しかしながら、長年運用することで耐食コーティングが摩耗・剥離してしまい、圧縮機上流側の湿潤環境下において水分と共に大気中のＳ分やＣｌ分が翼面に付着，濃縮して、長期の運転下で孔食の発生となる。
【０００３】
従来、この腐食疲労欠陥の検出方法としては、磁粉探傷等により、表面の亀裂の有無と、孔食の大きさを検出する方法が用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、翼の破壊検査を実施した結果、翼の表面に亀裂が発生していない孔食の底部に亀裂が発生している現象が確認された。この孔食の底部から発生する亀裂は、発電用ガスタービンの起動停止の際に、圧縮機の回転上昇中に過度的に高い振動応力が発生し、この振動応力が孔食の底部に加わることにより応力集中がおこり、孔食底部から亀裂が発生・進展して翼面上まで亀裂が広がるものと考えられる。
【０００５】
従来の磁粉探傷法では、孔食底部からの亀裂の検出については検出できないという問題があることが判明した。孔食底部からの亀裂は、翼表面に亀裂が進展した段階で初めて確認されることとなるため、この時点では取替を早急に行う必要があり、空気圧縮機を保守していく上では計画的な対応が難しい状況であった。
【０００６】
本発明の目的は、孔食底部からの微細亀裂を検出できるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービン空気圧縮機の翼面上の孔食から発生した微細亀裂を、超音波を用いて非破壊的に検査するガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法において、超音波探蝕子として、複数の探触子エレメントを有するアレイ型探蝕子を用いるようにしたものである。
かかる方法により、孔食底部からの微細亀裂を検出し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記アレイ型探蝕子は、発振周波数が１７〜２０ＭＨｚで発振された超音波が被検査部の翼面に焦点を結ぶように電気的に操作され、かつアレイ型探蝕子内で同一入射角で焦点を翼面に沿うように走査探傷するようにしたものである。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記アレイ型探蝕子から翼内への入射角を３５°から４５°の横波を入射するようにしたものである。
【００１０】
（４）上記目的を達成するために、本発明は、翼面検査用アレイ型探蝕子と、このアレイ型探蝕子を構成する複数の振動子エレメントのそれぞれの発振タイミングを変化させる制御手段とを備え、上記探触子から検出された結果を時間と同一入射角で焦点を走査した走査位置の２次元で表示するようにしたものである。
【００１１】
かかる構成により、孔食底部からの微細亀裂を検出し得るものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法および装置について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【００１３】
本実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置は、アレイ型探蝕子１０と、シュー２０と、探傷装置３０と、ＣＲＴ５０に表示する画像を制御するＣＲＴ制御用パソコン４０とから構成されている。
【００１４】
アレイ型探蝕子２０の表面には、超音波を発生する複数のエレメントがアレイ状に配置されている。アレイ型探蝕子１０の詳細構成については、図２を用いて後述する。シュー２０は、アレイ型探蝕子１０の表面と、被検材であるガスタービン空気圧縮機の翼（ブレード）９０の表面との間に所定の角度θ１を持たせるために、アレイ型探蝕子１０の表面に取り付けられている。所定の角度θ１を持たせる理由については、図２を用いて後述する。
【００１５】
アレイ型探蝕子１０は、翼９０の表面を前後方向（矢印Ｘ方向）に移動することにより、翼９０の裏面に発生している孔食や、この孔食底部から発生した亀裂を検出する。翼９０とこの翼９０に隣接する他の翼９０の間の間隔Ｇは、例えば、２９ｍｍと狭く、アレイ型探蝕子１０の高さＨ２は、例えば、２７ｍｍとなるようにコンパクト化している。翼９０の厚さＨ１は、例えば、１０ｍｍである。
【００１６】
探傷装置３０は、アレイ型探蝕子１０から発生する超音波を制御し、また、アレイ型探蝕子１０によって検出された翼９０の欠陥からの反射波を取り込み、翼９０の裏面に発生している孔食や、この孔食底部から発生した亀裂などの欠陥を検出する。ＣＲＴ制御用パソコン４０は、探傷装置３０によって検出された翼９０の欠陥から得られた情報を、画像データとして、ＣＲＴ５０に表示する。
【００１７】
ガスタービン空気圧縮機翼の検査を行う際、翼間は狭いため、アレイ型探蝕子への信号ケーブルが隣り合う翼に接触し、刃物のように鋭利な翼端によるケーブルの破損や配置上使用ができない場合がある。そこで、信号ケーブル取り出し位置に対し、隣り合う翼の翼端によるケーブルの破損の防止を行うために、図１に示すように、翼面の方向と平行となるように、信号ケーブルを取り付けることにより、ケーブルの破損等に注意を払うことがなくなるため、検査速度を高めることができる。
【００１８】
次に、図２を用いて、本実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出原理について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の測定原理の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００１９】
アレイ型探蝕子１０の表面には、本例では、３２個の探蝕子エレメント１０−１，１０−２，１０−３，…，１０−１６，１０−１７，…１０−３２がアレイ状に配置されている。アレイ型探蝕子１０の表面と、被検材であるガスタービン空気圧縮機の翼（ブレード）９０の表面９０Ｆとの間は、シュー２０によって、所定の角度θ１だけ傾けられている。
【００２０】
ガスタービン空気圧縮機の翼（ブレード）９０は、表面９０Ｆと裏面９０Ｂとを有し、厚さＨ１は、例えば、１０ｍｍである。翼９０の裏面９０Ｂには、図示するように孔食Ｃ１や、この孔食Ｃ１の底部から発生した微細亀裂Ｃ２が発生しているものとする。翼の表面に発生した孔食底部より発生した亀裂Ｃ２の深さは、０．１〜０．２ｍｍと微細な亀裂である。
【００２１】
欠陥検出深さと発振周波数については、一般に、使用する超音波波長の１／２長さまでが欠陥の検出限界である。被検材の縦波の音速は約６０００ｍ／ｓ程度であり、２０ＭＨｚの超音波では、音速（Ｃ）＝周波数（ｆ）×波長（λ）より、

となり、亀裂深さ０．１〜０．２ｍｍは、かろうじて検出が可能な超音波である。そこで、検査対象の亀裂深さから、使用する超音波の発振周波数は、２０ＭＨｚ程度が適用可能となる。
【００２２】
超音波を使用して亀裂を検出するためには、亀裂に対して超音波に対し強い指向性を持たせることを必要とする。超音波の指向性を強めるためには、超音波を発振する振動子の直径Ｄを大きくすることで達成できる。振動子の直径Ｄが限りなく小さい場合、単一の振動子から発振される超音波は、ホイヘンスの原理のように、１点から全周に向かって超音波が発振する。振動子がある構造物に取り付けられていれば、１点から１８０°の方向に向かって超音波が発振する。
【００２３】
複数の振動子を並列に配置すると、各点からの超音波が合成された超音波として形成される。この合成過程で超音波の指向性が形成される。振動子の直径がＤの場合、各点の振動子がＤの間に多数設置された状況となり、超音波の発振は同時間，同位相となる。このような超音波は、超音波合成過程では、超音波振動子からある程度離れた位置で超音波のビームが発生する。このビームを使って、超音波による探傷を行うことができる。
【００２４】
ここで、振動子から安定したビームが発生するまでの距離（超音波が不安定な距離）を近距離音場と称し、安定したビームが存在する領域を遠距離音場と称される。振動子から遠距離音場の開始までの距離（近距離音波限界距離）Ｘ０は、以下の式で求められる。
【００２５】
Ｘ０＝Ｄ^２／（４×λ）　（ｍｍ）
ここで、Ｄ：振動子直径（ｍｍ）であり、λ：超音波波長（ｍｍ）である。
【００２６】
２０ＭＨｚの周波数を振動子直径１０ｍｍで超音波を発振し、被検材と同一素材の中を伝播させるためには、Ｘ０＝８３ｍｍ程度必要とする。この寸法は、ガスタービン空気圧縮機の翼の厚さ１０ｍｍを遥かに超えた寸法となる。
【００２７】
このため、翼の裏面の亀裂部分に超音波をフォーカスしようとすると、振動子と翼の間に超音波を通す媒体（ガラス等）を設置する方法が考えられる。この場合、ガラス等の音速は５６００ｍ／ｓであり、被検材とほぼ同等のため、振動子の前面にガラスを設置してセンサを構成しようとすると、センサの高さは９０ｍｍ程度のサイズとなる。一方、ガスタービン空気圧縮機の翼列の距離（図１の距離Ｈ１）は、２９ｍｍであるため、上述したように、ガラス等を設置したセンサでは、翼列の間に挿入できず、測定が不可能である。
【００２８】
そこで、本実施形態では、図２にに示したように、同じ振動子直径１０ｍｍに対し、数多くの振動子エレメントを個別に組立て、個々の振動子エレメント１０−１，…，１０−３２から単独に超音波を発振するアレイ型探蝕子１０を使用するようにしている。個々の振動子エレメントからは、上述したように１８０°の方向に超音波が発振できるが、個々の振動子を振動させるタイミングを調整して超音波を合成することで、従来の超音波センサからの超音波発振時に発生する近距離音場の領域をなくすることが可能となる。以上のようにして、翼間隔の狭い翼の検査を可能とした。
【００２９】
アレイ型探蝕子から発振する超音波の周波数は、検出する亀裂深さが０．１〜０．２ｍｍと微細なため、超音波波長は０．２〜０．４ｍｍが必要となる。翼内の音速は縦波で約６０００ｍ／ｓ、横波で約３３００ｍ／ｓとなる。この音速で亀裂深さ０．１〜０．２ｍｍを検出するためには、波長が０．２〜０．４ｍｍ以下を発振する周波数が必要となる。
【００３０】
縦波では、ｆ＝（６０００ｍ／ｓ）／（０．２〜０．４ｍｍ）よりｆ＝３０ＭＨｚ〜１５ＭＨｚとなる。横波では、ｆ＝（３３００ｍ／ｓ）／（０．２〜０．４ｍｍ）よりｆ＝１７ＭＨｚ〜８．３ＭＨｚとなる。横波は、縦波より音速の特性より適用周波数が低めにて対処可能となることより、横波の超音波を適用することで０．１ｍｍの亀裂を確実に検出するためには、１７ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの超音波周波数を使用ですむことが確認された。
【００３１】
ここで、アレイ型探蝕子から直接発振する超音波は、縦波である。この縦波では、亀裂長さ０．１ｍｍを検出するためには３０ＭＨｚ以上の超音波が必要であるが、現状の製作レベルでは難しいのが実情である。
【００３２】
そこで、横波を使用するために、アレイ型探蝕子１０の出口と翼との間に、図２に示した形状のシュー２０を設置している。シュー２０の角度θ１を、縦波の臨界角（２７．５°）以上である角度，例えば、２９．２°とすることにより、シュー２０内に縦波の超音波が入射したものがシューから翼に入る時点で縦波成分がなくなり、横波成分のみとなる。このように、シュー２０を設置することにより、翼内の超音波は横波となり、１７〜２０ＭＨｚの周波数においても、０．１ｍｍの亀裂の検出が可能となる。
【００３３】
以上のように、現状で製作できる最も高い周波数（１７〜２０ＭＨｚ）を発振するアレイ型探蝕子の出口に、２７．５°以上の角度をもつシューを設置することで、３０ＭＨｚと同レベルの検出能力を出すことを可能となった。（横波の活用による検出能力を高めた）この横波の活用により、アレイ型探蝕子からの翼内への超音波の入射角θ２は、３５〜４５°となる。以上の対策で現状で製作できる最も高い周波数（１７〜２０ＭＨｚ）を発振し、しかも現状の翼の配列の中で使用できる寸法のアレイ型探蝕子を使用して０．１ｍｍ程度の亀裂を検出可能とするためには、シュー（２７．５°以上）をアレイ型探蝕子出口に設置して入射角３５〜４５°で超音波を発振することが必要であり、この条件下で初めて翼の内に発生している０．１ｍｍ程度の亀裂の検出を可能となる。
【００３４】
アレイ型探蝕子と翼内の超音波を横波とする２７．５°以上の角度をもつシューからなる探傷方法において発振した超音波を亀裂が発生している翼面に焦点を結ぶように超音波を調整することで、亀裂からの反射エコーの音圧を高めることにより、微細亀裂の検出能力を高めることができる。
【００３５】
以上のようにして、図２に示したアレイ型探蝕子１０は、微少亀裂を検出可能とするため、発振周波数を１７〜２０ＭＨｚとしている。また、図２に示すように、微少亀裂Ｃ２が発生している翼裏面９０Ｂの直下に焦点化するように、３２個の探蝕子エレメントの内、１６個の探触子エレメントを用いて、超音波をフォーカスに制御している。
【００３６】
さらに、探傷装置３０は、３２個の探触子エレメントの内、発振するエレメントを順次移動して、焦点位置も順次移動するようにしている。すなわち、第１回目では、１６個の探触子エレメント１０−１，１０−２，…，１０−１６を発振させ、超音波Ｓ１を翼９０の裏面９０Ｂにフォーカスする。第２回目では、発振する探触子エレメントを１個ずらして、１６個の探触子エレメント１０−２，１０−３，…，１０−１７を発振させ、超音波Ｓ２を翼９０の裏面９０Ｂにフォーカスする。同様にして、発振する探触子エレメントを１個づつずらして、第１７回目では、１６個の探触子エレメント１０−１７，…，１０−３２を発振させ、超音波Ｓ１７を翼９０の裏面９０Ｂにフォーカスする。このとき、１６エレメントにより放射される超音波Ｓ１の入射角θ２は、例えば、３５〜４５°となるように、シュー２０を設置している。他の超音波Ｓ２，…，Ｓ１７の入射角も同一である。
【００３７】
次に、図３を用いて、本実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出結果について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の検出結果の説明図である。図３（Ａ）は、検出波形を示し、図３（Ｂ）は、検出画像を示している。
【００３８】
図３は、図１に示したＣＲＴ制御用パソコン４０によってＣＲＴ５０に表示されたガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の検出結果を示している。図２において説明したように、孔食底部から進展した亀裂範囲に対して、１７回の探傷結果が、図３（Ｂ）に示すように、時間と個々のエレメントの受信感度による２次元表示を色調階調で表示される。この２次元の色調階調の表示により、微細な亀裂の検出において、従来の一般的な超音波のようにＡスコープ表示（波形）のように表示スコープの波形形状の特徴が何を示すかを判断しながら微少な波形変動を見つめる（専門技能を必要とする）ことなく、検査員は欠陥を容易に確認することができる。すなわち、アレイ型探蝕子の個々のエレメントからいくつかの焦点を連続的に発振することで、翼面上に亀裂がどのように分散しているかが色調階調として表示が可能となる。この方法により、翼面近くの亀裂の分布が容易に確認でき、検出速度を高めることを可能とする。
【００３９】
ここで、図４を用いて、従来から一般的なＡスコープの連続的な表示により亀裂を検出した検出結果について説明する。
図４は、従来から一般的なＡスコープの連続的な表示により亀裂を検出した検出結果の説明図である。図４（Ａ）は、検出波形を示し、図４（Ｂ）は、検出画像を示している。
【００４０】
図４に示すように、従来のＡスコープの連続的な表示では、亀裂の存在は判断できるが、どの程度の亀裂がどのように分散しているかはアレイ型探蝕子を移動しながら判断することになり、検査作業としては技能的な熟練度が必要となる。
【００４１】
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出方法について説明する。
図５及び図６は、本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出方法の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４２】
図５は、長手方向走査による検出方法を示している。図示するように、翼９０の長手方向（Ｘ１，Ｘ２方向）にジグザグにアレイ型探触子１０とシュー２０からなるプローブを走査して、亀裂検出を行う。
【００４３】
また、図６は、横方向走査による検出方法を示している。図示するように、翼９０の横方向にジグザグにアレイ型探触子１０とシュー２０からなるプローブを走査して、亀裂検出を行う。
【００４４】
なお、検査は、翼９０に対し、両面から実施する。また、空気圧縮機の翼面は曲面のため、シュー２０の底面の形状は、それぞれの翼面に合わせた形状としている。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガスタービン空気圧縮機において翼が密集して取り付けられた状態の中で、翼の表面に発生した孔食の底部の微細亀裂を直接に容易に短時間で検出することができるため、ガスタービンの安全運用を実施できるとともに先手管理を可能する。
【００４６】
【発明・考案の効果】
本発明によれば、孔食底部からの微細亀裂を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の測定原理の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置の検出結果の説明図である。
【図４】従来から一般的なＡスコープの連続的な表示により亀裂を検出した検出結果の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出方法の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態によるガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査装置による検出方法の説明図である。
【符号の説明】
１０…アレイ型探蝕子
１０−１，１０−２，…，１０−３２…探蝕子エレメント
２０…シュー
３０…探傷装置
４０…ＣＲＴ制御用パソコン４０
５０…ＣＲＴ

Claims

ガスタービン空気圧縮機の翼面上の孔食から発生した微細亀裂を、超音波を用いて非破壊的に検査するガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法において、
超音波探蝕子として、複数の探触子エレメントを有するアレイ型探蝕子を用いたことを特徴とするガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法。
請求項１記載のガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法において、
上記アレイ型探蝕子は、発振周波数が１７〜２０ＭＨｚで発振された超音波が被検査部の翼面に焦点を結ぶように電気的に操作され、かつアレイ型探蝕子内で同一入射角で焦点を翼面に沿うように走査探傷することを特徴とするガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法。
請求項１記載のガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法において、
上記アレイ型探蝕子から翼内への入射角を３５°から４５°の横波を入射することを特徴とするガスタービン空気圧縮機翼面亀裂検査法。
翼面検査用アレイ型探蝕子と、
このアレイ型探蝕子を構成する複数の振動子エレメントのそれぞれの発振タイミングを変化させる制御手段とを備え、
上記探触子から検出された結果を時間と同一入射角で焦点を走査した走査位置の２次元で表示することを特徴とするガスタービン空気圧縮機翼面微細亀裂検査装置。