JP2008082992A - タービンフォーク超音波探傷装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンフォークの検査は磁粉探傷により行われているが、動翼とディスクを分解する必要があるため検査に時間を要するという問題がある。超音波探傷による検査が試みられているが、フォーク形状が複雑なため、フォークの凹凸で反射される超音波（形状エコー）と欠陥で反射される超音波（欠陥信号）との識別が難しいという問題がある。
【解決手段】センサの移動の自由度を回転移動と平行移動に限定し、移動量を定量評価可能なよう目盛をつけた超音波探傷センサ設置ジグを、無欠陥で検査対象と同じサイズの基準試験片に固定して形状エコーを取得する。超音波探傷センサ設置ジグを固定し、形状信号取得時と同じ位置に超音波センサを設置して超音波探傷信号を取得し、比較することで超音波（欠陥信号）の有無を評価する。
【効果】磁粉探傷よりも検査時間が短縮され、従来の超音波探傷よりも形状エコーと欠陥信号の識別が容易となる。
【選択図】図２

Description

本発明はタービンフォークの検査時間短縮に好適な超音波探傷装置及び方法に関する。

図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、発電プラントのタービンは製作性と整備性の向上のため回転軸と動翼を別々に製作し、回転軸上のディスクと動翼のフォーク構造部を組み合わせ、フォークに設けた穴にピンを挿入することで固定している。タービンの回転に伴いフォーク穴に応力がかかるため、図１５（ｃ）に示す位置に亀裂が生じる。

フォーク穴の亀裂の検査は従来、翼を取外して磁粉探傷（ＭＴ、Magnetic particle
Testing ）により行っている。図１６に示すようにＭＴとは、検査対象に磁場をかけた際に欠陥から漏洩する磁束を検出する手法である。欠陥の漏洩磁束に集積される蛍光物質を塗布した磁性金属粉に、紫外線を照射して磁性金属粉の集積の有無を蛍光の発光として観察することで欠陥を検出する。ＭＴによるフォーク穴欠陥検査ではピンを抜きディスクと動翼を分解する必要があるため、検査に時間がかかるという問題があった。

そこで、超音波探傷（ＵＴ、Ultrasonic Testing）によりフォーク穴を検査することが試みられている。ＵＴとは検査対象内に超音波を送信し、反射波を受信するという検査方法である。欠陥からの反射があるか否かから欠陥の有無を評価する。図１７（ａ）に示すように、欠陥発生位置に直接超音波を入射するためにＵＴセンサを翼根部に置くと、設置場所が曲面となっているためフォークとＵＴセンサ間にすき間が生じて超音波の入射が困難となる。また、図１７（ｂ）に示すように、フォーク側面にセンサを設置してフォーク内で超音波を反射させることで欠陥発生位置に超音波を入射しようとした場合、超音波の入射経路が判りづらいため、探傷部位を特定することが困難となる。このため、ＵＴによる検査は実用化されていない。フォーク形状ではないが植込部の超音波探傷技術として特許文献１が挙げられる。

特開２００２−３１０９９８号公報

上述したように、従来、組み込んだ状態で、複雑な形状であるフォーク部の非破壊検査につては、考慮されていなかった。

本発明は、非解体でタービンフォークの非破壊検査を可能とすることにある。

本発明は、ＵＴセンサ移動の自由度をセンサの回転と平行移動に限定したセンサ設置ジグあるいは、アクチュエータによりセンサの回転と平行移動を制御したセンサ移動機構を設け、形状エコーを基準信号とし、基準信号と超音波探傷信号を比較することで欠陥からの反射波を識別することを主要な特徴とする。

本発明のタービンフォーク超音波探傷装置及び方法は、動翼とディスクを非解体で検査できるため、検査時間が短縮される。

タービンディスクとの締結部位であるタービン翼のタービンフォークの超音波探傷方法において、タービンディスクとタービン翼が締結された状態で、タービンフォークの側面平面部に超音波探傷センサを設置し、超音波探傷センサによるタービンフォーク内側面からの反射波を利用して該タービンフォークの内外面を探傷することにより、動翼とディスクを非解体で検査することが可能となる。

また、タービンフォークの検査時間短縮という目的を、センサ設置ジグあるいはセンサ移動機構を設けてフォーク側面から超音波を送受信して超音波探傷を行うとともに、形状エコーを基準信号として基準信号と超音波探傷信号を比較することで欠陥からの反射波を識別するステップを設けることで実現した。

（実施例１）図１〜図６及び数式１を用い、ＵＴセンサ設置ジグを用いたフォークの超音波探傷に関する実施例を説明する。

図１は、実施例１における超音波探傷装置の構成図であり、超音波探傷器１と、ＵＴセンサ２と、ＵＴセンサ設置ジグ３と、超音波探傷器１及びＵＴセンサ２間の信号線１０１を備えている。ＵＴセンサ２の超音波送受信素子としてはＰＺＴ,ＬｉＮｂＯ₃ ,ＰＶＤＦといった圧電素子を用いる。信号線１０１としては絶縁被覆した銅線を用いる。

図２は、実施例１におけるＵＴセンサ設置ジグ３の構成図であり、タービンディスクとタービン翼が締結された状態で、タービンフォークの側面平面部に超音波探傷センサを設置するセンサ設置手段である。動翼に対するＵＴセンサ設置ジグの固定爪４，ＵＴセンサ設置ジグを動翼に固定するマグネットフォルダ５，ＵＴセンサ旋回つまみ６，ＵＴセンサ固定アーム７，アーム旋回つまみ８，アームごとＵＴセンサをフォーク側面へ押付けるためのバネ９とを備えている。

このようなセンサ設置手段を備えることにより、タービンフォークの側面平面部に容易に適切に設置することが出来る。平らな側面から探傷することにより入射エコーの大きさを均一化することが出来、欠陥（傷）の検出性を適切に確保することが出来る。

固定爪４を動翼４１に押し付け、マグネットフォルダ５の磁力を利用してＵＴセンサ設置ジグ３を固定する。ＵＴセンサ２はセンサ旋回つまみ６にネジ止めで固定する。センサ旋回つまみ６を回転させることで、図２中のθ１方向にＵＴセンサ２を回転させることができる。

アーム７には貫通した溝を設けておき、溝に貫通するようにセンサ旋回つまみ６を設置することで、図２中のＹ方向にセンサを移動可能としている。また、アーム旋回つまみ８を軸として、図２中のθ２方向にアームを旋回させる。これらのセンサ旋回つまみ６，アーム７，アーム旋回つまみ８に目盛を設けておくことで、超音波の入射方向を定量化することができる。固定爪４，アーム７，センサ旋回つまみ６，アーム旋回つまみ８は金属ないし樹脂を材料として整形する。弾性体としてのバネ９は、ＣｒＭｏ鋼，Ｍｏ鋼等の弾性係数が大きな鋼材を用いる。

このように、超音波探傷センサを回転する手段を備えているので、タービンフォークの側面平面部に容易に適切に設置した上で、探傷時の設置条件設定などを容易にすることが可能となる。

また、超音波の検査対象に対する入射角は、くさび型のアクリル（シュー１９）をＵＴセンサ２と検査対象間に設置することで調節する。図３はシューによる超音波入射角調整の原理で、シューから検査対象への超音波入射角度はスネルの法則から、数式１で記述される。

（数式１）
sin（θ１）÷Ｖ１＝sin（θ２）÷Ｖ２ …（数式１）
ここで、Ｖ１：シュー内での超音波の音速、θ１：シューから検査対象への超音波の入射角度＝シュー先端角度、Ｖ２：検査対象内での超音波の音速、θ２：検査対象内での超音波の入射角度、を表す。このようなシュー１９をＵＴセンサ２にネジ止めすることで、超音波入射角を調節することができる。

超音波探傷センサによるタービンフォーク内側面からの反射波を利用してタービンフォークの内外面を探傷するので非解体での探傷が可能となる。

図６に実施例１の超音波探傷ステップを示し以下説明する。主に、センサの設置，探傷手順を説明する。

ステップ２０１では、欠陥が無く、検査対象と同一サイズの基準試験体にセンサ設置ジグを固定する。

ステップ２０２では、図４に示すような検査対象の凹凸で反射される形状エコー（基準エコー）を取得する。

ステップ２０３では、検査対象にセンサ設置ジグを固定して超音波探傷を行い、図５に示すような超音波探傷信号を取得する。超音波探傷信号を図４の基準信号と比較し、形状エコーと異なる部位に反射波があるか否かから、欠陥の有無を評価する。

ステップ２０４では、シューを交換し超音波入射角、すなわち超音波入射場所を変更する。

超音波探傷センサによるタービンフォーク内側面からの反射波を利用してタービンフォークの内外面を探傷し、タービンフォーク内で生じる所望の超音波反射波を基準信号とし、基準信号と探傷された超音波探傷信号とを比較して欠陥からの反射波を検出するよう構成することで、非解体で超音波探傷により欠陥の検出を可能とする。

また、超音波を入射しスキップさせることで複雑な形状のフォーク部の段差などを回避することが出来る。また側面から超音波を入射させスキップさせているのでフォーク部の内面側，外面側の双方を同一探傷面から探傷することが可能となる。

本実施例では、以上説明したように構成されているので、センサ設置ジグの目盛を利用して超音波の入射方向の定量化可能することで、超音波入射位置を特定することが可能である。また、形状エコーを基準に欠陥信号の有無を評価するため、欠陥の有無の判断が容易となる。このため、タービンフォークの検査時間が短縮される。

（実施例２）ＵＴセンサ移動機構を用いたタービンフォークの超音波探傷に関する発明を図７〜図１４と（数式２）〜（数式５）を用い説明する。

図７は実施例２にけるタービンフォーク超音波探傷装置の構成図で、超音波探傷器１，ＵＴセンサ２，パソコン１７，センサ移動機構１０，アクチュエータ１１，アクチュエータドライバ１２，超音波探傷装置とＵＴセンサ間の信号線１０１，パソコンと超音波探傷器間の信号線１０２，パソコンとアクチュエータドライバ間の信号線１０３，アクチュエータとアクチュエータドライバ間の電力線１０４より構成する。信号線，電力線としては絶縁被覆した銅線を用いる。

図８は実施例２におけるＵＴセンサ移動機構の構成図で、超音波探傷センサを並進運動する手段である。この移動機構により、複数のタービンフォークを効率よく検査することが出来る。また、自動化に適している。アクチュエータ、アクチュエータの回転を平行移動に変換するためオスネジを切った移動棒１３，ＵＴセンサを平行移動させるため移動棒と組み合わせるようにメスネジを切った架台１８，アクチュエータ１４を内蔵した回転ステージ，アクチュエータと移動機構の格納容器１５，移動機構を動翼に固定するための吸盤１６より構成する。アクチュエータには、モータ，超音波式アクチュエータのうち１つ以上のものを用いる。移動棒にはＣｒＭｏ鋼，Ｍｏ鋼等の弾性係数が大きな鋼材を用いる。吸盤には樹脂を整形したものを用いる。格納容器は金属ないし樹脂を材料として整形する。回転ステージにＵＴセンサをネジで固定することにより、ＵＴセンサを回転移動させる。また、架台上に回転ステージをネジで固定し、アクチュエータにより移動棒を回転させることで移動棒と組み合わせた架台とともにＵＴセンサを平行移動させる。

図９は実施例２で用いるＵＴセンサの構成図で、超音波素子３１の列を複数設け、各列に超音波素子を複数配置し、保護ケース３４に格納したアレイセンサを用いる。超音波素子の量端には電極３２を蒸着させ、ＵＴセンサと超音波探傷器間の信号線と接続する。また、検査対象と接触する部位と反対側の端に超音波発振後の超音波素子の振動を低減するダンパー３３を設ける。超音波素子には実施例１と同様に、ＰＺＴ，ＬｉＮｂＯ₃ ，PVDF等の圧電素子を用いる。電極には、銀，金，銅等の導電性が高い金属を用いる。ダンパーには、Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ等の重金属と樹脂を混合したものを用いる。保護ケースは金属ないし樹脂を材料として整形する。

図１０はこのＵＴセンサを用いる場合の超音波探傷方法で、各超音波素子から同時に収束点に超音波が届くよう、超音波発振開始時間差を数式２〜３を用いて調整する。

（数式２）
ｄｔ＝（ｍａｘ（Ｌ）−Ｌｉ）÷Ｖ …（数式２）

（数式３）
Ｌij＝((ｘij−ｘｆ)²＋(ｙij−ｙｆ)²＋(ｚｆ)²)^1/2 …（数式３）
ここで、ｍａｘ（Ｌ）：素子と収束点との距離最大値［ｍ］，Ｌij：ｊ列目のｉ番目の素子と収束点との距離［ｍ］，Ｖ：超音波音速［ｍ／ｓ］，ｘij：ｊ列目のｉ番目の素子のｘ座標［ｍ］，ｘｆ：収束点のｘ座標［ｍ］，ｙij：ｊ列目のｉ番目の素子の列方向のｙ座標［ｍ］，ｙｆ：収束点のｙ座標［ｍ］，ｚｆ：収束点のｚ座標［ｍ］、を表す。

図１１に発振開始時間差の例を示す。この例は、素子列が３列で１列あたりのｘ法音波素子数が８個のセンサのもので、
Ｖ＝５９００［ｍ／ｓ］、ｘij＝（０.５×ｉ−０.２５）×１０^-3［ｍ］ （ｉ＝１〜８）、ｙij＝（１.３×ｊ−０.６５）×１０^-3［ｍ］ （ｊ＝１〜３）、ｘｆ＝２×１０^-3［ｍ］、ｙｆ＝３×１０^-3［ｍ］、ｚｆ＝１０×１０^-3［ｍ］、
での発振開始時間差を求めた。（数式２）及び（数式３）に上記のＶ，ｘij，ｙij，ｘｆ，ｙｆ，ｚｆを代入して超音波発振開始時間差を計算すると、図１１のとおりとなる。超音波発振開始時間差をこのとおりとすることで、収束点への各素子からの超音波到達時間がそろい信号強度が強くなる。

図１２に実施例２における超音波探傷ステップをまとめる。

ステップ２１１では、欠陥が無く、検査対象と同一サイズの基準試験体にセンサ移動機構を固定する。

ステップ２１２では、パソコンに検査対象の３次元形状と、欠陥発生位置座標を入力する。

ステップ２１３では、３次元形状データに基づき超音波伝播経路を解析する。

ステップ２１１では、入力した欠陥発生位置座標を起点として超音波を発射した際の超音波通過経路を計算する。超音波はフォーク外周にあたるまでは直進すること、外周にあたって反射される際には図１３に示すように反射点の法線に対して入射角と反射角が対称になることを利用して計算する。この通過経路がフォーク側面へ到達するまで欠陥発生位置座標からの超音波発射角を変更して解析を繰り返す。

ステップ２１４：ステップ２１３で求めたフォーク側面への超音波射出点をＵＴセンサ中心位置として数式４〜５を使ってＬijを求め、数式２に代入してＵＴセンサを構成する超音波素子間の超音波発振開始時間差を計算する。

（数式４）
Ｌij′＝((ｘｓ−ｘij)²＋(ｙｓ−ｙij)²＋(ｚｓ−ｚij)² …（数式４）

（数式５）
Ｌij＝(Ｌ１²＋Ｌij′²)^1/2 …（数式５）
ここで、Ｌ１：ステップ２１３で求めたフォーク側面への超音波通過経路の距離［ｍ］、Ｌij′：センサ中心点とｊ列目のｉ番目の超音波素子との距離［ｍ］，ｘｓ：センサ中心点のｘ座標［ｍ］，ｙｓ：センサ中心点のｙ座標［ｍ］，ｚｓ：センサ中心点のｚ座標［ｍ］，ｘij：ｊ列目のｉ番目の素子のｘ座標［ｍ］，ｙij：ｊ列目のｉ番目の素子のｙ座標［ｍ］，ｚij：ｊ列目のｉ番目の素子のｚ座標［ｍ］、を表す。

ステップ２１５では、ＵＴセンサを超音波入射位置に移動し、基準信号（形状エコー）を取得する。

ステップ２１６では、検査対象にセンサ移動機構を固定し、超音波探傷信号を取得する。

ステップ２１７では、超音波探傷信号から基準信号を差し引き、信号が残ったか否かから欠陥があるか否かを判断する。基準信号以外に超音波探傷信号がある場合は、欠陥が存在する。

図１４に実施例２における信号伝達のフロー図を示す。

ＭＯ，ＣＤ，ＤＶＤ等の２７記録メディアから検査対象の３次元形状データを、２６キーボードから欠陥発生位置座標を入力する。３次元形状データと欠陥発生位置座標はパソコンの２５Ｉ／Ｏポートを介して２１ＣＰＵに伝達し、ＣＰＵで超音波伝播経路と超音波発振開始時間差を計算する。

超音波伝播経路の解析結果に基づき、パソコンのＩ／Ｏポート，アクチュエータドライバを介してアクチュエータに電力を供給し、センサを超音波入射位置に移動させる。また、超音波発振開始時間差に基づき、パソコンのＩ／Ｏポート，超音波探傷装置のＩ／Ｏポート，３０Ｄ／Ａコンバータを介して、超音波素子に電圧を印加して超音波を検査対象内に送信する。検査対象内の凹凸や欠陥で反射された超音波はＵＴセンサで電圧に変換し、２９Ａ／Ｄコンバータ，超音波探傷装置のＩ／Ｏポート，パソコンのＩ／Ｏポートを介してＣＰＵに伝達する。

ＣＰＵでは２２ハードディスクドライブ（ＨＤＤ），２３ランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ），２４リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）のうち１つ以上の記憶装置に、センサ位置、超音波発振開始時間差とともに超音波探傷結果を記録する。また、ＣＰＵで探傷信号から基準信号を差し引き、パソコンのＩ／Ｏポートを介して２８モニタに表示する。

本実施例は以上説明したようにセンサの設置位置や超音波の入射角度を解析により求め、センサの移動と超音波探傷を自動で行うよう構成されているので、実施例１よりもさらにタービンフォークの検査時間が短縮される。

タービンフォークの検査時間が短縮される。

実施例１におけるタービンフォーク超音波探傷装置の構成図。 実施例１におけるＵＴセンサ設置ジグの構成図。 シュー交換による超音波入射経路変更の原理を示す図。 基準（形状）信号の評価例。 欠陥信号の測定例。 実施例１における超音波探傷ステップ。 実施例２におけるタービンフォーク超音波探傷装置の構成図。 実施例２におけるＵＴセンサ移動機構の構成図。 実施例２におけるＵＴセンサの構成図。 実施例２における超音波探傷方法。 超音波発振開始時間差の評価例。 実施例２における超音波探傷ステップ。 超音波伝播経路解析の原理。 実施例２における信号伝達のフロー図。 タービンフォークの構造。 従来のタービンフォーク検査方法。 超音波探傷によるタービンフォーク検査の問題点。

符号の説明

１ 超音波探傷器
２ ＵＴセンサ
３ ＵＴセンサ設置ジグ
４ 固定爪
５ マグネットフォルダ
６ センサ旋回つまみ
７ センサ固定アーム
８ アーム旋回つまみ
９ バネ
１０ ＵＴセンサ移動機構
１１ アクチュエータ
１２ アクチュエータドライバ
１３ 移動棒
１４ アクチュエータ内蔵回転ステージ
１５ 格納容器
１６ 吸盤
１７ パソコン
１８ 架台
１９ シュー
２１ ＣＰＵ
２２ ハードディスクドライブ
２３ ランダムアクセスメモリ
２４ リードオンリーメモリー
２５ Ｉ／Ｏポート
２７ 記録メディア
２８ モニタに欠陥の有無を表示する
２９ Ａ／Ｄコンバータ
３０ Ｄ／Ａコンバータ
３１ 超音波素子
３２ 電極
３３ ダンパー
３４ 保護ケース
１０１ 超音波探傷器とＵＴセンサ間の信号線
１０２ パソコンと超音波探傷器間の信号線
１０３ パソコンとアクチュエータドライバ間の信号線
１０４ アクチュエータとアクチュエータドライバ間の電力線

Claims (4)

1. タービンディスクとの締結部位であるタービン翼のタービンフォークの超音波探傷装置において、該タービンディスクと該タービン翼が締結された状態で、該タービンフォークの側面平面部に超音波探傷センサを設置するセンサ設置手段と、該超音波探傷センサによる該タービンフォーク内側面からの反射波を利用して該タービンフォークの内外面を探傷する探傷手段とを有することを特徴とするタービンフォークの超音波探傷装置。
2. 請求項１に記載の超音波探傷装置において、
   前記センサ設置手段は、該超音波探傷センサを回転する手段、及び、該超音波探傷センサを並進運動する手段を備えたことを特徴とするタービンフォークの超音波探傷装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波探傷装置において、
   前記探傷手段を、該タービンフォーク内で生じる所望の超音波反射波を基準信号とし、該基準信号と探傷された超音波探傷信号とを比較して欠陥からの反射波を検出するよう構成することを特徴とするタービンフォークの超音波探傷装置。
4. タービンディスクとの締結部位であるタービン翼のタービンフォークの超音波探傷方法において、該タービンディスクと該タービン翼が締結された状態で、該タービンフォークの側面平面部に超音波探傷センサを設置し、該超音波探傷センサによる該タービンフォーク内側面からの反射波を利用して該タービンフォークの内外面を探傷することを特徴とするタービンフォークの超音波探傷方法。
   

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