JP2004169585A

JP2004169585A - タービンブレードの補修方法

Info

Publication number: JP2004169585A
Application number: JP2002334510A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ishikawa; 忠石川; Kiyotaka Nakajima; 清孝中島; Tetsuo Nose; 哲郎野瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: WO2004046560A1; AU2003277680A1; JP4015929B2

Abstract

【課題】腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法を提供することにより、タービンブレードの寿命を延長する。
【解決手段】腐食環境にある回転体（好ましくは高炉用の送風機）に取り付けられたタービンブレードの補修方法であって、前記タービンブレードの表面に発生する腐食ピットの平均径が５０μｍ以上に成長する前に、該腐食ピットの表面に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、該腐食ピットの深さを５μｍ以下とすることを特徴とするタービンブレードの補修方法。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法に関する。
具体的には、ＮＯｘやＳＯｘなどを含むガスの送風機やジェットエンジンなどに取り付けられるタービンブレードの補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯｘやＳＯｘなどを含む腐食性ガスの送風機やジェットエンジンなどの回転機に取り付けられるタービンブレードにおいては、ブレードの表面にき裂が入り、該き裂が進展し、破断することにより、タービンブレードが一瞬にして丸坊主状態に損傷する事故が発生することがある。
例えば、タービンブレードの点検時に直径１０μｍ程度の腐食ピットが見つかることがあり、その際、新たなタービンブレードと交換すべきか、あるいは、あと何ケ月寿命があるかを判定する必要に迫られる。
この腐食ピットはいつ疲労き裂に進展するかわからないので、前述のようなタービンブレードの破断を防止する方法としては、回転機の点検時にタービンブレードの表面のき裂長さを測定し、これが例えば５０μｍを超えた場合には、タービンブレードを交換するなどの処置が行われていた。
しかし、タービンブレードは特殊な合金によって製作される高価な部品であり、その交換には多大なコストがかかるため、タービンブレードの交換時機をできる限り遅らせることができるようにタービンブレードの寿命を延長する技術が求められていた。
【０００３】
また、超音波振動を与える方法に関する従来技術としては、例えば、米国特許第６，１７１，４１５号明細書に、アーク溶接直後に溶接アークによって熱せられた溶接シーム部に沿って超音波振動を付与する方法が開示されている。
しかし、この従来技術は、超音波振動子で打撃することにより溶接部の疲労強度を向上させる方法であって、本発明が目的とするタービンブレードの補修による寿命延長については全く開示されていない。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６，１７１，４１５号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法を提供することにより、タービンブレードの寿命を延長することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、タービンブレードに発生する腐食ピットの表面に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法を提供し、タービンブレードの寿命を著しく延長するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００７】
（１）腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法であって、
前記タービンブレードの表面に発生する腐食ピットの平均径Ｄが５０μｍ以上に成長する前に、
該腐食ピットの表面に、超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を行うことにより、該腐食ピットの深さｄを５μｍ以下とすることを特徴とするタービンブレードの補修方法。
（２）前記回転体が、高炉用の送風機であることを特徴とする（１）に記載のタービンブレードの補修方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明が対象とするタービンブレードを示す図であり、上側はその斜視図、下側は平面図を示している。
図１において、ＮＯｘやＳＯｘなどを含む腐食性ガスの送風機等の回転機に取り付けられるタービンブレード１の先端部は、腐食性ガスが衝突することによって最も腐食されやすい部位である。
本発明者らは、このタービンブレード１の先端部に１μｍ〜５０μｍ程度の大きさの腐食ピット２が生成し、この腐食ピット２の大きさが５０μｍ程度の大きさを超えると、そこから疲労き裂が発生し、急速に伝播成長するため、破断に至ることを突き止めた。
【０００９】
図２は、腐食ピットの生成から破断に至るプロセスを示す図である。
図２（ａ）〜（ｄ）の左側が腐食ピットの平面図、右側が断面図を示す。
まず、図２（ａ）に示すように、前述のタービンブレードの先端部に直径１μｍ程度の円形の腐食ピット２が生成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、この腐食ピット２が徐々に拡大する過程で微視的な金属組織（マトリックス、析出物等の第二相粒子等）により局所電池が形成され選択的に腐食が進行していくのでピットの内表面の形状が凹凸状になる。
さらに、図２（ｃ）に示すように、直径Ｄが１０μｍ程度になるまでは腐食ピット２として成長する。
次に、図２（ｄ）に示すように、腐食ピットの直径が５０μｍ程度の大きさに成長した時点で腐食ピット２の周辺に半楕円状の疲労き裂３が発生し、この疲労き裂３が急速に成長し、破断に至る。
【００１０】
図３は、本発明のタービンブレードの補修方法の実施形態を示す図である。
腐食ピット２の平均直径が５０μｍ程度に成長する前に、腐食ピット２の表面を超音波振動端子（ハンマ）４で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、腐食ピット２の深さｄを５μｍ以下に浅くするとともに、ピットの縁近くの部分をピットの穴の中に塑性流動により移動させ、ピットの内面および縁を滑らかにして応力集中をなくすことができる。これにより、この腐食ピットが疲労き裂の発生点として作用しなくなるため、前述の疲労き裂の発生と進展を抑制することができる。
なお、本発明の超音波衝撃処理を行うタイミングは、腐食ピット２の平均直径が小さい方が疲労き裂に進展する危険性が少ないので、腐食ピット２の平均直径が５０μｍ以上に成長する前とし、２０μｍ以上に成長する前に行うことがさらに好ましい。
この超音波衝撃処理に用いるハンマ４の先端部の直径は０．５ｍｍ〜２．０ｍｍが好ましい。その理由は、ハンマ径が２ｍｍ超では一度に与える衝撃加工が腐食ピットのサイズに比べて広範囲になり過ぎて、ピットの内面まで衝撃加工の効果が行き届かないからであり、またハンマ径が０．５ｍｍ未満では、ピット内面への加工が十分行き届くものの、ハンマ先端によって形成される圧痕の直径が小さ過ぎて、そこが応力集中部となって、疲労き裂の発生の起点となるからである。
本発明は、ピット腐食が生じやすい、ＳＵＳ３１６Ｌ系ステンレス鋼、ＳＵＳ３０４系ステンレス鋼、マルエージング鋼、Ｔｉ合金、２０００系アルミニウム合金、７０００系アルミニウム合金等の金属材料で製作されたタービンブレードで特に好適である。
【００１１】
本発明に使用する超音波発生装置は問わないが、２００ｗ〜３ｋｗの電源を用いて、トランスデューサによって１９ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、ウェーブガイドにて増幅させることにより、φ０．５〜２．０ｍｍのピンからなる超音波振動端子を２０〜６０μｍの振幅で振動させる装置が好ましい。
図４は、本発明におけるタービンブレードの補修方法の効果を示す図である。
図４の横軸はタービンブレードが全破断するまでの時間を１としたときの破断寿命を示し、縦軸は深さが５μｍを超える腐食ピットの大きさ（平均直径Ｄ）を対数表示したものを示す。
【００１２】
図４に示すように、腐食ピットの大きさ（平均直径Ｄ）は、回転機の操業時間とともに徐々に大きくなり、そのまま放置すると点線で示すように、疲労き裂が発生して急激に進展し全破断に至る。
そこで、本発明によれば、腐食ピットの大きさ（平均直径Ｄ）が５０μｍ以上（好ましくは２０μｍ以上）に成長する前に、腐食ピットの表面を超音波振動端子で打撃する超音波振動処理による補修を行い、図４の矢印で示すように、深さ５μｍ以上の腐食ピットの大きさを数μｍまで低減させて疲労き裂の発生を防止するので、タービンブレードは全破断に至ることはない。さらに、この補修作業を繰り返すことによって、著しくタービンブレードの寿命を延長させ、理論的には半永久的に使用することができるようになる。
【００１３】
【実施例】
本発明のタービンブレードの補修方法を、製鉄所の高炉に熱風を供給する送風機のタービンブレードに下記条件により適用した。
＜実施条件＞
送風機の回転数：２０００ＲＰＭ
タービンブレードの材質：ＳＵＳ３１６Ｌ系ステンレス鋼
送風ガス：ＮＯｘ、ＳＯｘを含む熱風
６ケ月間隔の定期点検時に、タービンブレードの腐食ピットの表面を、先端部の直径がφ２．０ｍｍのハンマで超音波衝撃処理を施したところ、０．１ｍｍ以上のき裂の検出は２年間認められなかった。
一方、先端部の直径がφ０．１ｍｍのハンマで超音波衝撃処理を施したところ、２年間で０．１ｍｍのき裂が観察された。
また、超音波衝撃処理を行わなかった場合、２年間で、０．５ｍｍのき裂が多数発見され、タービンブレードの交換が必要となった。
以上の結果により、本発明のタービンブレードの補修方法によって、タービンブレードの寿命を著しく延長できることが確認された。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、タービンブレードに発生する腐食ピットの表面に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法を提供し、タービンブレードの寿命を著しく延長することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が対象とするタービンブレードを示す図である。
【図２】腐食ピットの生成から破断に至るプロセスを示す図である。
【図３】本発明のタービンブレードの補修方法の実施形態を示す図である。
【図４】本発明におけるタービンブレードの補修方法の効果を示す図である。
【符号の説明】
１：タービンブレード、
２：腐食ピット、
３：疲労き裂、
４：超音波振動端子

Claims

腐食環境にある回転体に取り付けられたタービンブレードの補修方法であって、
前記タービンブレードの表面に発生する腐食ピットの平均径Ｄが５０μｍ以上に成長する前に、
該腐食ピットの表面に、超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を行うことにより、該腐食ピットの深さｄを５μｍ以下とすることを特徴とするタービンブレードの補修方法。
前記回転体が、高炉用の送風機であることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレードの補修方法。