JP2008240563A - ガスタービン高温部品の補修方法およびガスタービン高温部品 - Google Patents

Abstract

【課題】基材に中間層を介装してセラミックス層を被着するとき、基材の酸化による減肉を抑制するガスタービン高温部品の補修方法およびガスタービン高温部品を提供する。
【解決手段】本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法は、基材１１の内周側に中間層１２とセラミックス層１３とからなる遮熱層１４を被覆し、基材１１の長時間運転経過後、前記基材１１の外周側に酸化層１５が発生し、基材１１の内周側の遮熱層１４が劣化するとき、基材１１の外周側の酸化層１５をブラスト処理で除去するとともに、前記基材１１の内周側のセラミックス層１３を除去し（ステップ２）、前記ブラスト処理後、基材１１の外周側をマスキングし（ステップ３）、マスキングしたまま中間層１２を酸溶液で除去した後（ステップ４）、基材１１の内周側に中間層１２とセラミックス層１３を被覆する方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、寿命を長く維持させるに好適なガスタービン高温部品の補修方法およびガスタービン高温部品に関する。

一般に、ガスタービン発電プラントは、ガスタービン燃焼器からガスタービンに供給される燃焼ガス温度が高ければ高いほど出力が増加することが知られており、最近では、ガスタービンに供給される燃焼ガス温度が１３００℃を超えるようになってきている。

しかし、燃焼ガス温度が高温化すると出力が増加する反面、例えば燃焼器ライナ、トランジションピース、ガスタービンノズル、ガスタービン動翼等のガスタービン高温部品は、強度の点から基材の寿命が長く維持できなくなる等の不都合が出ている。

このため、燃焼器ライナ等のガスタービン高温部品は、強度とともに加工性、溶接性に優れたＮｉ基超合金が開発され、基材として使用されている。

このＮｉ基超合金は、固溶強化型合金であり、Ｎｉ−ＦｅマトリックスにＭｏ，Ｗなどを固溶させて高温強度を維持させたものである。

このように高温化に対処して、高温強度に優れた材料を開発しても、ガスタービンは、もともと起動、停止の運転回数が多いため、繰り返される起動、停止に基づく熱疲労が蓄積され、遂には亀裂損傷が起り、あるいは基材が長時間、高温燃焼ガスに晒される結果、基材の酸化等による減肉が生じる等、運転の安定性維持を難しくしている。

運転の安定性維持を側面から支援する改善策として基材に被覆する遮熱層（Ｔｈｅｒｍｎａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）を用いた技術が、例えば、特許文献１、特許文献２等で数多く見られ、注目されている。

この遮熱層は、基材上にジルコニア等の低熱伝導率で化学的に安定なものをコーティングするもので、耐食、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅうち、少なくとも１種以上）合金からなる中間層と、この中間層上に安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス層とで構成したもので、セラミックス層により基材の温度上昇を抑制している。ここで中間層は、基材を保護し、セラミックス層との密着性を高めている。

このような遮熱層は、例えば厚さ数１００μｍのセラミックス層により基材の表面温度を５０〜１００℃低減できると報告されている。
特開平４−３６２１６８号公報 特開平９−３１６６２２号公報

上述の遮熱層は、基材の温度を上昇させることなく、ガスタービンの燃焼ガス温度を高温化できる点で効果的であるが、材料の特質上、セラミックス層の割れや剥離などの損傷を受け易く、この場合には遮熱機能が低下し、基材温度が上昇し、その結果、最悪の場合、基材が溶融したり、破壊する等の不都合な事態が発生する虞があった。

また、頻繁に繰り返される起動、停止に伴って発生する熱衝撃によって、遮熱層は亀裂、損傷が起き、取替工事も多くなっているが、中間層の取替の際、長時間作業に伴って基材が空気中の酸素と化合し、酸化に伴う減肉等が起ることがあった。

このような事象は、長期間に亘る安定運転上、決して好ましいものではない。

本発明は、このような問題を考慮してなされたもので、基材に中間層を介して安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス層を形成する遮熱層の利点を活用しつつ、酸化による基材の減食を抑制するガスタービン高温部品の補修方法およびガスタービン高温部品を提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法は、ガスタービン高温部品であって、耐熱金属材料を基材として円筒形状からなり、前記基材の内面は当該基材の上に中間層がコーティングされるとともに、前記中間層の上には、さらにセラミックス層が形成されたガスタービン高温部品を補修する際、前記基材の内面および外面にブラスト処理を施して前記基材の内面に形成されたセラミックス層および前記基材の外面に形成された酸化層を除去する工程と、前記基材の外面に耐酸性を有するマスキング材でコーティングする工程と、前記基材の内面および外面をともに酸溶液で洗浄する工程と、前記基材の内面に新たに中間層およびこの中間層の上に新たにセラミックス層を施す工程と、を少なくとも有する方法である。

本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法においては、高温に晒され損傷したガスタービン高温部品のブラスト処理した後に、その外面に耐酸性を有するコーティング層を設けるために、その内面の損傷した中間層を除去する際に行われる酸溶液による洗浄工程を経ても、その外面は酸溶液による減肉することがなくなり、何回補修が行われても常にガスタービン高温部品の製造時の肉厚を保つことができる。また、外面に設けたコーティング層は、補修完了後もそのままで運転に供されるため、その部分の機械的強度が上がり、寿命の延伸を図ることができる。

本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法およびガスタービン高温部品の実施形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るガスタービン高温部品の例示としてガスタービン燃焼器を取り上げ、このガスタービン燃焼器をガスタービンプラントに組み込んだ実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係るガスタービンプラントは、ガスタービン１と同軸に設けられた圧縮機２の駆動によって圧縮された吐出空気Ａｉｒをガスタービン燃焼器３に燃焼用空気として供給し、ガスタービン燃焼器３内で燃料Ｆとともに燃焼させ、その燃焼ガスＦＧをガスタービン燃料器３の燃焼器内筒４からトランジションピース１０を介してガスタービン１に供給してガスタービン１を駆動させ、膨張仕事をさせるようにしている。

一方、圧縮機２とガスタービン３との間に設けられ、環状列に複数配置されたガスタービン燃焼器３は、圧縮機２の吐出チャンバ５内に収容される。

また、ガスタービン燃焼器３は、燃焼器外筒６と燃焼器内筒４を備え、その間に環状あるいはトーラス状の燃焼用空気通路７が設けられる一方、燃焼器内筒４に燃焼室８が画成され、この燃焼室８で燃料Ｆが燃焼用空気と混合して燃焼ガスＦＧを生成せしめている。

燃料Ｆと燃焼用空気との燃焼によって生成された燃焼ガスＦＧは、ガスタービン高温物品の燃焼器ライナ９、トランジションピース（燃焼器尾筒）１０内を通ってガスタービン１の入口（初段側）に案内され、このガスタービン１を駆動させて、膨張仕事をする。

このような構成を有するガスタービン燃焼器３のうち、燃焼器ライナ９やトランジションピース１０等のガスタービン高温部品に被覆した遮熱層の補修方法を説明する。

ここで、本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法を説明する前に、従来のガスタービン高温部品の補修方法について、図５および図６を用いて簡単に説明する。

従来のガスタービン高温部品の補修方法は、ある一定時間経過し補修が必要とされたガスタービン高温部品、例えばガスタービン燃焼器が準備される。このガスタービン燃焼器１００では、その内面（燃焼ガス側）には、遮熱層１１４として燃焼ガスに直接接するセラミックス層１１３と、その下に設けられ基材１１１とセラミックス層１１３とを結合する中間層１１２とから構成される。長期の運転により遮熱層１１４は全体に劣化しており、通常、その表面には亀裂や部分的な剥離等が生じている。

一方、ガスタービン燃焼器１００の外面（冷却空気側）は、長期の高温雰囲気により基材表面が一部酸化され、酸化層１１５に覆われている（ステップ１０１）。

ここで、劣化した内面の遮熱層１１４に代わる新たな遮熱層とするためには、このような劣化した遮熱層１１４を除去する必要がある。そのため、まず外面の酸化層１１５や内面のセラミックス層１１３を除去するために、ブラスト処理が行われる（ステップ１０２）。

ブラスト処理（ステップ１０２）では基材１１１上に形成された中間層（ボンド層）１１２は除去できないため、中間層を完全に除去するために、酸洗浄（ストリップ処理）（ステップ１０３）を行い、中間層を化学的に処理して完全に除去する。

次に、ガスタービン燃焼器１００に生じた機械的な変形や亀裂を補修するための前処理として、運転中にガスタービン燃料器に生じた熱応力の除去や補修前の基材１１１の軟化等を目的と熱処理を行う（ステップ１０４）。

その後、ガスタービン燃焼器に生じている機械的な変形を補修したり（ステップ１０５）、亀裂が生じている場合には亀裂を除去（ステップ１０６）する。これらの機械的な補修作業後には、補修が確実に行われているか否かの検査を行い（ステップ１０７）、補修時に生じた応力等を除去するために再度熱処理を行う（ステップ１０８）。

そして、再びガスタービン燃焼器１００の内面の基材１１１上に中間層１１２を、この中間層１１２の上にはセラミックス層１１３をコーティングして新たな遮熱層１１４が施される（ステップ１０９）。

その後、最終的な検査を経て、実機に戻されるのである。

ここで、図６を用いてブラスト処理（ステップ１０２）から酸洗浄（ステップ１０３）に至る工程での基材１１１と遮熱層１１４の状態を詳細に見る。ブラスト処理においては外側の酸化層１１５は完全に除去されているが、内側の遮熱層１１４は、セラミックス層１１３のみ除去され中間層１１２はまだ残っている。そして、次にこの酸洗浄においては、内側の中間層１１２も完全に除去されているが、外側の基材１１１も酸の影響により一部除去されていまっている。そして、ステップ１０９で新たな遮熱層１１４が施工されても、外側の酸で除去された部分はそのままであるため、基材の肉厚はΔｔ分減少してしまっていたのである。

すなわち、従来のガスタービン高温部品の補修方法では、補修回数を重ねる毎に基材自体の肉厚が減少し、最後には基材の材料としては劣化はしていないにも拘らず、部品としての強度が不足し廃棄に至る可能性もあったのである。

図２ないし図４を用いて、本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法の実施形態を説明する。なお、上記図５および図６と同一部分については、同じ符号を付して重複説明を省略する。

ガスタービン燃焼器３の燃焼器ライナ９やトランジションピース１０等のガスタービン高温部品には、基材１１の内周側（燃焼ガス側）の高温化に対処して耐食、耐酸化性に優れた、例えばＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅうち、少なくとも１種以上）合金の中間層１２と、例えば、安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス層１３とで構成する遮熱層１４が設けられる。なお、中間層１２は、いわゆるボンド層と称し、基材１１の保護とセラミックス層１３との密着性を高く維持させている。

このように、中間層１２とセラミックス層１３とで構成する遮熱層１４を被覆した、例えば、燃焼器ライナ９は、運転時間約４０，０００時間経過を観察してみると、内周（内面）側の中間層１２およびセラミックス層１３の局所に剥離が認められ、また、基材１１の外周（外面）側（燃焼用空気通路側）に酸化層１５が生成されていることが認められた（ステップ１）。

次に、セラミックス層１３と酸化層１５を除去するため、アルミナ粉末を用いたブラスト処理を行った（ステップ２）。

次に、通常の補修方法は、中間層１２を除去するため、酸性溶液に浸漬させて除去するものであるが、上記したように基材１１の外周側に損耗を与えるため、本実施形態では、基材１１の外周側を耐酸性を有するマスキング材を用いてマスキング部１６を形成（コーティング）する（ステップ３）。

マスキング部１６を形成するマスキング材は、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも１種の金属）が用いられる。このマスキング材を、基材１１に溶射する。

なお、本実施形態ではマスキング材としてＣｏＣｒＡｌＹまたはＣｏＮｉＣｒＡｌＹからなるセラミックス材を用いたが、この例に限らず、例えば、金、白金、パラフィンのうち、いずれかを選択して単にコーティングやメッキを行っても良い。

基材１１の外周側にマスキング部１６が形成されると、本実施形態は、マスキング部１６を形成したまま酸性溶液に基材１１を浸漬させ、中間層１２を除去した後（ステップ４）、基材１１の内周側に、再び、新たな中間層１２とセラミックス層１３を形成する（ステップ１０）。なお、ステップ５ないしステップ９は従来の方法と同じであるので説明を省略する。

このように、本実施形態は、基材１１の内周側および外周側に発生した劣化部分を除去する場合、まず、基材１１の外周側に発生する酸化層１５をアルミナでブラストして除去後、基材１１の外周側にマスキング部１６を形成し、マスキング部１６を形成した基材１１を酸性溶液に浸漬して中間層１２を除却後、基材１１の内周側に、再び、新たな中間層１２とセラミックス層１３を形成するので、基材１１の外周側のマスキング部１６の形成の下、基材１１の減肉を抑制することができ、マスキング部１６の形成による厚み分だけ、基材１１の強度維持に寄与することができる。

なお、本実施形態は、基材１１の外周側における酸化層１５を除去後、基材１１の外周側にマスキング材でマスキング部１６を形成したが、このマスキング部１６を、例えば、図３に示すように、第１マスキング部１６ａと第２マスキング部１６ｂとの２種以上の多層状に被覆させてもよい。第１マスキング部１６ａと第２マスキング部１６ｂとの合計厚みを、新たな昼間層１２の厚みよりも２倍以上にしておけば、基材１１の外周側における減肉防止効果がより効果的である。

本発明に係るガスタービン高温部品の例示としてガスタービン燃焼器を取り上げ、このガスタービン燃焼器をガスタービンプラントに組み込んだ実施形態を示す概念図。 本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法の手順を示す図。 本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法の第１実施形態を基材と遮熱層とから説明する図。 本発明に係るガスタービン高温部品の補修方法の第２実施形態を基材と遮熱層とから説明する図。 従来のガスタービン高温部品の補修方法の手順を示す図。 従来のガスタービン高温部品の補修方法を基材と遮熱層とから説明する図。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ ガスタービン燃焼器
４ 燃焼器内筒
５ 吐出チャンバ
６ 燃焼器外筒
７ 燃焼用空気通路
８ 燃焼室
９ 燃焼器ライナ
１０ トランジションピース
１１ 基材
１２ 中間層
１３ セラミックス層
１４ 遮熱層
１５ 酸化層
１６ マスキング部
１６ａ 第１マスキング部
１６ｂ 第２マスキング部

Claims (6)

1. ガスタービン高温部品であって、耐熱金属材料を基材として円筒形状からなり、
   前記基材の内面は当該基材の上に中間層がコーティングされるとともに、前記中間層の上には、さらにセラミックス層が形成されたガスタービン高温部品を補修する際、
   前記基材の内面および外面にブラスト処理を施して前記基材の内面に形成されたセラミックス層および前記基材の外面に形成された酸化層を除去する工程と、
   前記基材の外面に耐酸性を有するマスキング材でコーティングする工程と、
   前記基材の内面および外面をともに酸溶液で洗浄する工程と、
   前記基材の内面に新たに中間層およびこの中間層の上に新たにセラミックス層を施す工程と、
   を少なくとも有することを特徴とするガスタービン高温部品の補修方法。
2. 前記耐酸性を有するマスキング材は、金、白金およびパラフィンのいずれか１種から選ばれる材料からなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン高温部品の補修方法。
3. 前記耐酸性を有するマスキング材は、溶射で形成されたＣｏＣｒＡｌＹ合金またはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金のいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン高温部品の補修方法。
4. 前記耐酸性を有するマスキング材は、前記新たに施される中間層の少なくとも２倍の厚さを有することを特徴とする請求項３記載のガスタービン高温部品の補修方法。
5. 前記ガスタービン高温部品はガスタービン燃焼器ライナであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載のガスタービン高温部品の補修方法。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の補修方法で補修されたことを特徴とするガスタービン高温部品。

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