JP2011033024A - ガスタービン部品の腐食をオンライン監視するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービン部品（１２，３２）の腐食をオンライン監視すること。
【解決手段】 センサ装置（１４，３４）の電極（２０，４０）が、部品（１２，３２）の設けられたガスタービンセクション（１０）の作動環境に暴露されるように、センサ装置を配置する。電極（２０，４０）と部品（１２，３２）は、ガスタービンセクション（１０）の腐食性物質に対して同様に応答する材料で形成される。電極（２０，４０）は、互いに電気的に絶縁されていて、それぞれの腐食度に応じてアノード電極（２０，４０）又はカソード電極として動作する。その結果、各電極（２０，４０）は電位を有し、電極（２０，４０）間に電圧が存在して、電流が流れる。電位／電流値は、アノード電極（２０，４０）の腐食挙動に対応する。ガスタービンの作動時に、センサ装置（１４，３４）から出力信号を得て、ガスタービンの保守作業を何時実施すべきかの指示を与える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概して腐食監視技術に関し、特に、ガスタービンの圧縮機セクションのブレードを始めとするターボ機械の部品の腐食をオンライン監視する方法及びシステムに関する。

発電用及び推進用に用いられるガスタービンを始めとするターボ機械の部品は、その作動中に、ターボ機械の空気流の中に存在する物質による腐食、酸化及び汚染による損傷を受ける。例えば、沿岸、沖合海域及び工業地帯のような腐食性環境では、ガスタービン圧縮機は、それらの最初の数段のブレードでの水の凝縮と、汚損付着物及び塩化物及び／又は硫酸塩大気汚染物質とが相俟って、比較的高い孔食速度を示すことがある。圧縮機の健全性を維持するために、産業用ガスタービンのオペレータは、通例、オンライン及び／又はオフライン水洗作業、オフライン検査及びフィルタ保守点検を始めとする様々な保守作業を行う。当然のことながら、これらの作業の実施頻度が多すぎるのも少なすぎるのも問題である。例えば、過度のオンライン洗浄はエロージョンを促進しかねず、一方、オンライン洗浄が不十分であると圧縮機ブレードでの腐食性物質の堆積のため腐食速度が増大してしまう。オフライン検査は必ず行わなければならず、タービンの停止と分解が必要とされ、休止期間が生じる。オフライン検査は多大な費用のかかる作業であるが、その時宜を失すると、孔食による圧縮機ブレードの脱落などのため、タービンの損傷を起こしかねない。そのため、ガスタービンのオペレータは、圧縮機の健全性を監視するとともに破壊事故を避けるための補修を行うため、入念に計画されたオフライン検査に依拠している。

オフライン検査からの結果がすべて得られるまで数ヶ月かかることも多く、しかも圧縮機に存在する実際の腐食／孔食速度と直接相関させるのが難しいことがある。そこで、圧縮機の状況に関するリアルタイム情報をタービンオペレータに提供することによってオフライン検査を最小限に抑制し、腐食性環境下での圧縮機の寿命を延ばすため必要に応じて適当な保守作業を行うことができれば望ましい。しかし、様々な要因のため、産業用ガスタービンの圧縮機部品の腐食の存在及び腐食の程度をオンライン監視によって決定するのは困難である。そうした要因としては、機械の作動パラメータ、洗浄間隔及び方法、フィルタの種類及び保守その他様々な変数が挙げられる。多くの産業用ガスタービンでは、フィルターの保守及び故障、シール漏れ、隣接施設からの排気が、腐食速度に予想外の多大な影響を与えることがある。腐食速度に影響を与える可能性のある他の条件としては、圧縮機の作動パラメータ、例えば休止期間、起動／停止量などが挙げられる。

米国特許第７５３５５６５号明細書

以上から明らかな通り、運転及び検査に関する決定を適時行うため紛らわしい作動及び環境指標に依拠しなくても済むように、ガスタービンのオペレータには、ガスタービン部品の腐食度のリアルタイム（オンライン）測定と、その測定値に基づく総合的な一連の保守指示が必要とされている。

本発明では、産業用ガスタービン圧縮機のブレードのような稼働中のガスタービンのセクションに配設された部品の腐食をオンライン監視できるシステム及び方法を提供する。

本発明の第１の態様に係る方法は、多電極アレイセンサ装置をガスタービンに配置して、センサ装置の電極をガスタービンセクションの作動環境に暴露する段階を含む。電極は、監視すべき部品が存在するガスタービンセクション内の腐食性物質に対して部品と電極が同様に応答するような材料から形成される。電極は互いに電気的に絶縁されていて、各電極はその電極での腐食度に応じてアノード電極又はカソード電極として動作する。その結果、各電極は電位を有し、電極間に電圧が存在して、各アノード電極からカソード電極の少なくとも１つに電流が流れる。電位及び電流の値はアノード電極での腐食挙動に対応する。ガスタービンの作動中、センサ装置から電位及び／又は電流値に基づく出力信号が得られ、部品の腐食特性の予測にセンサ装置の出力信号を用いることによってガスタービンで何時保守作業を行うべきかの指示を与える。

本発明の第２の態様に係るシステムは、ガスタービンに配置された多電極アレイセンサ装置であって、センサ装置の電極が、監視すべき部品が存在するガスタービンセクションの作動環境に暴露されるセンサ装置を備える。電極及び部品は、監視すべき部品が存在するガスタービンセクション内の腐食性物質に対して部品及び電極が同様に応答するような電極材料及び部品材料から形成される。電極は互いに電気的に絶縁されていて、各電極はそこでの腐食度に応じてアノード電極又はカソード電極として動作する。その結果、各電極は電位を有し、電極間に電圧が存在して、各アノード電極からカソード電極の少なくとも１つに電流が流れる。電位及び電流の値はアノード電極での腐食挙動に対応する。本システムは、センサ装置から電位及び／又は電流値に基づく出力信号を取得する手段と、部品の腐食特性の予測にセンサ装置の出力信号を用いることによってガスタービンで何時保守作業を行うべきかを指示する手段とをさらに備える。

本発明のシステム及び方法は、好ましくは、ガスタービンの特定のセクションにおける腐食度のリアルタイム測定値をガスタービンオペレータに提供することができ、作動及び環境指標だけに依拠せずに、運転及び検査に関する決定をタイムリーに行うことができる。これらの測定値から、本発明のシステム及び方法は、総合的な一連の保守指示をガスタービンオペレータに提供することができ、オフライン検査の必要性及び時機を一段と正確に予測することができる。

本発明の上記その他の特徴については、以下の詳細な説明から理解を深めることができよう。

本発明の第１の実施形態によって、産業用ガスタービン圧縮機のシェル壁に装着された腐食監視センサの概略図である。 本発明の第２の実施形態によって、産業用ガスタービンの圧縮機ブレードに装着された腐食監視センサの概略図である。 図１又は図２のセンサの出力を示すグラフであり、出力に基づいて取るべき制御作業を示す。

以下、ターボ機械のタービン部品、特に発電に使用される産業用タービンの圧縮機セクションの圧縮機ブレードに関して本発明を説明するが、本発明は、推進用途に用いられるガスタービンでの使用、さらには、作動環境及び条件での変動のため部品の腐食特性の予測が容易ではない他の様々な用途にも適合させることができる。説明の便宜上、産業用ガスタービンの圧縮機セクション１０の部分図を図１に示す。圧縮機セクション１０はブレード１２を備えているが、図１では、かかるブレード１２の先端領域を示す。ブレード１２は様々な材料からなるものでよく、その例としては、ＡＩＳＩ ４０３及び４０３Ｃｂのような４００シリーズのマルテンサイト系ステンレス鋼、ＧＴＤ−４５０（公称重量％組成；１５．５％Ｃｒ、６．３％Ｎｉ、０．８％Ｍｏ、０．０３％Ｃ、残部のＦｅ）のような析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が挙げられるが、その他の金属合金も使用できる。通例塩分と酸を含む水分がブレード１２に溜まるため、ブレード１２の表面は腐食を受ける。産業用タービンの作動中、蒸発冷却器の使用、圧縮機吸気口に加速される湿潤空気からの凝縮及び雨のため、ブレード１２、特に圧縮機セクションの最初の数段のブレードに水分が溜まることがある。腐食は、ガスタービンが動作していないときにブレード１２に水分が蓄積することによって起こることもある。

図１に、圧縮機セクションのブレード１２その他の部品の腐食を監視するため、圧縮機セクション１０のシェル壁１６に装着されたセンサ１４を示す。具体的には、図に示すセンサ１４は、圧縮機セクション１０をボアスコーププローブで検査する際に用いられる既存ののぞき穴のような、壁１６の開口１８に挿入されているが、他の装着方法も使用できる。図に示すセンサ１４は、一端がシェル壁１６の外側から突出しており、スウェージロック型の締付継手３０で固定されているが、センサ１４のその他の固定手段も使用できる。センサ１４の反対側の内端は、シェル壁１６の内面と実質的に面一になるように配置されており、その面２２には複数の電極２０が画成されている。図１には、１列の電極２０を示すが、電極２０は好ましくは二次元アレイとして配置され、各電極２０の端面は、圧縮機セクション１０の内部２４の環境に暴露される。電極２０は互いに絶縁されていて、互いに電気的に直接接続されてはいない。図１に示すセンサ１４は、ケーブルによってコンピュータその他適当な処理装置２６に接続されており、センサ１４の出力を処理、記憶及び表示（例えば、図１に示す画面２８に）することができる。コンピュータ２６は、好ましくは、センサ１４の出力をリアルタイムで解析することができ、データを将来の評価のために保存することができる。これらの処理を実施するための様々な市販のソフトウェアパッケージが知られており、コンピュータ２６のプログラミングに利用できるが、これ以上の説明は要しないであろう。

センサ１４は、結合多電極アレイセンサ（ＣＭＡＳ；coupled multi-electrode array sensor）として構成され、腐食挙動の測定、好ましくは腐食速度及びピット深さの両方の測定に用いられる。この目的のため、センサ１４は、腐食の結果として電極２０の露出面で起こる電気化学反応に基づいて、圧縮機セクション１０の局所的腐食挙動を測定する。電極２０は互いに絶縁されているので、センサ１４は、電極２０の電気化学電位の差によって電極２０間に電位差及び／又は電流を生じるように構成されている。ある電極２０から電流が流れ出すかその電極に電流が流れ込むかは、その電極２０が、腐食に伴う電気化学反応においてアノード（電子喪失）として挙動するか或いはカソード（電子取得）として挙動するかによって決まる。隣接電極２０間の間隔は変更することができ、最適な間隔はルーチン実験によって確認することができる。

ブレード１２と同様の腐食挙動を示すように、電極２０は、ブレード１２の材料と同様の腐食特性を有する材料から形成され、さらに好ましくは、ガスタービンの圧縮機セクション１０での腐食の最大の原因となる腐食性物質に対して同様の応答を示す材料から形成される。例えば、電極２０は、ブレード１２と同種又は全く同じ合金から形成できる。換言すれば、ブレード１２と電極２０は、好ましくは合金の同一工業規格範囲内の組成を有する。その結果、ガスタービンの作動時に、センサ１４からの出力信号は電極２０の腐食挙動を示すだけでなく、電極材料の適切な選択によって、ブレード１２の１以上の腐食特性の予測に利用することができる。センサ１４の信号応答を増大させるため、圧縮機セクション１０内の腐食性物質に対する感度の高い合金で電極２０を形成することも本発明の技術的範囲に属する。

上記で説明した種類のセンサは公知であり、かかるセンサの構成、動作及び用途については、例えば米国特許第６６８３４６３号、同第７３０９４１４号及び米国特許出願公開第２００７／０１９３８８７号に開示されている。本発明の好ましい実施形態では、この種のセンサは、ガスタービン圧縮機での使用に適合化され、その出力の解釈は、ある保守作業をガスタービン、特にその圧縮機セクション１０のブレード１２で行うべきか否かを指示するために割り当てられる。この目的のため、ガスタービンの種類に応じて、センサ１４の電圧及び／又は電流に基づく出力信号を、ガスタービンの圧縮機セクション１０のブレードの腐食特性に関連付けるための伝達関数を開発しなければならない。適当な伝達関数の開発は、当業者のなし得る事項の範囲内であり、これ以上の詳細は要しないであろう。

特に重要であるのは、圧縮機セクション１０の腐食挙動に関するセンサ１４の出力の解釈、並びに腐食速度及び腐食状態（ピット深さなど）の指標としてのセンサ出力の解釈によって得られるガスタービンで実施すべき保守作業の割り当てである。ガスタービンの適当な経験又は理論モデルに基づいて、電極２０間の電流及び／又は電圧の監視によるブレード１２の腐食速度の予測にコンピュータ２６を用いることができる。例えば、全体的（平均）腐食速度は、アノード電極とカソード電極の間の電流の平均に基づいて予測することができ、最大又は局所腐食速度は、腐食の最も速い電極２０つまり電子の失われる速度が最も高いアノード電極２０に基づいて予測することができる。ブレード１２の腐食深さは、アノード電極２０での陽極電荷量に基づいて、或いはアノード電極２０での金属損失を電子の流れ（電流測定）から逆算することによっても予測できる。このようにセンサ出力を腐食挙動と関連付けることによって、ガスタービンで保守作業を何時行うべきかを示すのにコンピュータ２６を用いることもできる。例えば、図３は、コンピュータディスプレイ２８のスクリーンショットの一例であり、ピット深さ及び孔食速度を経時的にプロットしたグラフが表示されている。グラフには、腐食速度限界（この例では、恣意的に１μｍ／単位時間と設定）と、ピット深さ限界（この例では、恣意的に３μｍと設定）との２つの限界を示してある。この例では、腐食速度限界は、その限界を超えるとオンライン又はオフライン洗浄を実施すべきであるという指標を与える。この例では、ピット深さ限界は、その限界を超えると、ガスタービンを停止して目視検査を実施すべきであるという指標を与える。さらに検査が必要とされる運転状態又は事象が起きたか否かを特定するため、腐食速度データの勾配を監視することもできる。センサ測定値を利用できる他のデータ、例えばタービン作動時間、温度などと組合せることによって、ブレード１２で予測される腐食の量に基づいて圧縮機セクション内のブレード１２の寿命を予測することもできる。さらに、センサデータは、例えば、腐食速度をフィルタ構成、洗浄実施法、環境の等級、湿度などと相互参照することによって、将来の機械の圧縮機ブレードの寿命予測ツールを提供する。

図１の実施形態では、センサ１４は圧縮機のシェル壁１６の既存の開口部１８に挿入されているが、その他の構成も明らかであり、本発明の技術的範囲に属する。例えば、図２に示す平坦化センサ３４は、米国特許出願公開第２００７／０１９３８８７号に概説されている。このセンサ３４は、圧縮機ブレード３２に埋め込まれ、ねじ込み式継手３６で固定されているが、センサ３４のその他の固定手段も使用できる。センサ３４は、ブレード３２の負圧面及び正圧面と実質的に面一な対向面４２を画成する。図１の実施形態と同様に、センサ３４は個々の電極４０の２次元アレイを含んでおり、各電極はセンサ３４の少なくとも一方の面４２で露出されている。図２に示すように、電極４０は、セラミックのような誘電材料からなる構造体４４に埋め込まれ、互いに分離されており、電極４０の端部は、ブレード３２を備える圧縮機セクション内の環境に暴露される。図２に示すようにセンサ３４をコンピュータ２６に接続することによって、センサ３４は、図１のセンサ１４について説明したように動作させることができる。

以上の点から、センサ１４，３４とコンピュータ２６は、ガスタービン圧縮機での局所的及び全体的（平均）腐食又は腐食速度の連続的なリアルタイム監視のために連係するように適合化される。コンピュータ２６は、センサ１４，３４で発生する出力信号でトリガされ、センサ出力の種類及びレベルに基づいて適切な作業を示唆するように作られた保守指示を与えるようにプログラミングされる。適切な作業としては、特に限定されないが、ブレード寿命を延ばすための腐食性汚損の予防的洗浄、効率低下を防ぐための腐食性汚損の予防的洗浄、フィルタ漏れ／故障及び局所的な腐食性排気など部位特異的な問題の警告、計画されたブレード検査／交換、休止期間腐食の監視などが挙げられる。こうして、センサ１４，３４及びコンピュータ２６は、それに従えば孔食に起因する圧縮機ブレードの脱落を回避することのできる事前保守オプションを提供できる。

特定の実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、当業者に自明なその他の形態を採用できることは明らかであろう。例えば、センサ１４，３４の物理的構成は、図示したものと異なっていてもよく、本明細書に開示したもの以外の材料及び方法を用いることもできる。従って、本発明の技術的範囲は専ら特許請求の範囲の記載に基づいて解釈される。

Claims (10)

1. ガスタービンのセクション（１０）に配設された部品（１２，３２）の腐食をオンライン監視する方法であって、
   ガスタービンに多電極アレイセンサ装置（１４，３４）を配置して、センサ装置（１４，３４）の電極（２０，４０）をガスタービンセクション（１０）の作動環境に暴露する段階であって、電極（２０，４０）及び部品（１２，３２）が、それぞれ、ガスタービンセクション（１０）内の１種以上の腐食性物質に応答する電極材料及び部品材料からなり、電極（２０，４０）が互いに電気的に絶縁されていて、各電極（２０，４０）がそこでの腐食度に応じてアノード電極（２０，４０）又はカソード電極（２０，４０）として動作して、各々が電位を有しており、電極（２０，４０）間に電圧が存在して、各アノード電極（２０，４０）からカソード電極（２０，４０）の少なくとも１つに電流が流れ、電位及び電流の値がアノード電極（２０，４０）での腐食挙動に対応する、段階と、
   ガスタービンを作動させ、ガスタービンの作動中に、電位と電流値との少なくとも一方に基づいてセンサ装置（１４，３４）から出力信号を得る段階と、
   部品（１２，３２）の腐食特性の予測にセンサ装置（１４，３４）の出力信号を用いることによって、ガスタービンで保守作業を何時行うべきか指示する段階と
   を含む方法。
2. 前記腐食特性が、部品（１２，３２）のピット深さ又は孔食度の少なくとも一方である、請求項１記載の方法。
3. 前記指示段階の後に、保守作業を行う段階をさらに含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記ガスタービンのセクション（１０）が圧縮機セクション（１０）であり、部品（１２，３２）が圧縮機ブレード（１２，３２）である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. ガスタービンのセクション（１０）に配設された部品（１２，３２）の腐食をオンライン監視するシステムであって、
   ガスタービンに配置された多電極式アレイセンサ装置（１４，３４）であって、センサ装置の電極（２０，４０）がガスタービンセクション（１０）の作動環境に暴露され、電極（２０，４０）及び部品（１２，３２）が、それぞれ、ガスタービンのセクション（１０）内の１種以上の腐食性物質に応答する電極材料及び部品材料からなり、電極（２０，４０）が互いに電気的に絶縁されていて、各電極（２０，４０）がそこでの腐食度に応じてアノード電極（２０，４０）又はカソード電極（２０，４０）として動作して、各々が電位を有しており、電極（２０，４０）間に電圧が存在して、各アノード電極（２０，４０）からカソード電極（２０，４０）の少なくとも１つに電流が流れ、電位及び電流の値がアノード電極（２０，４０）での腐食挙動に対応する、多電極式アレイセンサ装置（１４，３４）と、
   センサ装置（１４，３４）から、電位又は電流値の少なくとも一方に基づく出力信号を得るための手段（２６）と、
   部品（１２，３２）の腐食特性の予測にセンサ装置（１４，３４）の出力信号を用いることによって、ガスタービンで保守作業を何時行うべきか指示する手段（２６、２８）と
   を備えるシステム。
6. 前記部品（１２，３２）と電極（２０，４０）が１種以上の腐食性物質に対して同様に応答するように、前記電極材料と部品材料とが同じである、請求項５記載のシステム。
7. 前記電極材料が前記部品材料よりも１種以上の腐食性物質に敏感である、請求項５記載のシステム。
8. 前記ガスタービンのセクション（１０）が圧縮機セクション（１０）であり、部品（１２，３２）が圧縮機ブレード（１２，３２）である、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のシステム。
9. 前記センサ装置（１４）が圧縮機セクション（１０）のシェル壁（１６）に配置される、請求項８記載のシステム。
10. 前記センサ装置（３４）が圧縮機ブレード（３２）に配置される、請求項８記載のシステム。