JP2011144733A - ガスタービンの高温部品の損傷補修方法およびガスタービンの高温部品 - Google Patents

Abstract

【課題】高温部品の異なる個所に生じた複数の損傷を同時に補修し、補修部の機械的強度を母材のそれと同等に維持するガスタービンの高温部品の損傷補修方法およびガスタービンの高温部品を提供する。
【解決手段】き裂の損傷補修方法は、（１）重力方向上方側の上面にき裂が生じている場合、き裂を囲うように上面に保持部材を配設し、き裂が及ぶ他の表面におけるき裂を覆うように保持部材を配設する工程と、保持部材で囲まれたき裂に、ろう付け補修材を配設する工程と、（２）重力方向に沿う側面にき裂が生じている場合、き裂を覆うように側面にろう付け補修材を配設する工程と、上方側のみを開口してろう付け補修材を保持するように保持部材を配設し、き裂が及ぶ他の表面のき裂を覆うように保持部材を配設する工程と、（１）および（２）の工程の後、拡散熱処理してき裂をろう付け補修する工程とを備える。
【選択図】図１４

Description

本発明は、ガスタービンの静翼、動翼などのような高温部品に生じたき裂などの損傷を補修する、ガスタービンの高温部品の損傷補修方法、およびこの損傷補修方法により補修されたガスタービンの高温部品に関する。

ガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機の駆動によって圧縮された圧縮空気、および燃料を燃焼器に導入し、これらを燃焼器ライナの燃焼室内で燃焼させる。燃焼により発生した高温の燃焼ガスは、トランジションピースを経て、静翼および動翼からなるタービン部へ導入され、膨張して動翼を回転駆動させる。ガスタービン発電プラントでは、この回転駆動による運動エネルギを利用して、発電機などが回転駆動して発電を行っている。

この種のガスタービンの高温部品である、燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼および動翼は、Ｎｉ基、Ｃｏ基、またはＮｉ−Ｆｅ基の耐熱超合金などで形成されているが、ガスタービンの運転に伴って種々の損傷が発生する。まず、これらの高温部品は、高温の燃焼ガス雰囲気に曝されるため材質劣化が生じる。さらに、動翼については、高速回転により生ずる遠心応力の作用により、クリープ損傷が蓄積する。また、ガスタービンの高温部品は、起動時においては、低温環境域から高温環境域に、停止時においては、高温環境域から低温環境域にそれぞれ推移する段階で熱疲労が生じ、疲労損傷が蓄積する。これらの損傷（材質劣化、クリープ損傷、疲労損傷）は重畳して蓄積する。

ところで、ガスタービンの高温部品の保守管理は、機器の設計段階で決まるクリープあるいは疲労寿命と、実機の運転、立地上の環境により設定される設計寿命とに基づいて、同一機種あるいは同一運転形態をとるガスタービンを分類し、分類された各グループの先行機の実績を用いて設計寿命を補正し、後続機の保守管理を行っている。近年では、ガスタービンの高温部品の劣化、損傷診断を効率的に精度良く予測する保守管理方法が実施されつつある。いずれの保守管理方法においても、ガスタービンの高温部品は、必要に応じて定検毎に補修が繰り返えされ、管理寿命に到達した後に一律に廃却となり、高価な新品と交換される。

例えば、ガスタービンの静翼の定検毎の補修において、き裂が発生していた場合には、き裂周辺を除去し、溶接補修することで再使用が可能となる。また、溶接補修の他に、ろう付け補修する方法もある。

例えば、発電用ガスタービンの静翼の精密鋳造時に生じた欠陥あるいは使用中に生じたき裂の補修方法として、クリープ特性、耐熱疲労特性および耐腐食性に優れたＣｏ基合金の材料を用いた溶接方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、高温金属（合金）部品に発生した、高温腐食生成物で充満したき裂の補修方法として、水酸化ナトリウムおよび／または水酸化カリウム水溶液に浸漬して高温腐食生成物を除去した後、Ｎｉろう材またはＣｏろう材によりき裂を補修する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、き裂が生じたジェットエンジンの静翼を水素雰囲気中に曝露して酸化物を還元し、アクリルレジンとろう材を補修材としてき裂に塗布して、高温、真空中でろう付け補修する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

また、ガスタービンの静翼におけるき裂が発生している表面部位の酸化層を、き裂が一部残存するように削り、この削り部内に補修材を充填し、不活性ガスによる加圧下での熱処理によって、ろう材を溶融させてき裂を補修する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平１１−１１７７０５号公報 特開平６−２３４０６６号公報 特開平６−３４４１２９号公報 特開２００６−４６１４７号公報

上記した従来の、き裂のろう付け補修では、補修すべき製品が複雑な形状で、かつ様々な部位にき裂が生じている場合、ろう付けが可能な姿勢で数回に分けて補修しなければならなかった。そのため、補修に長時間を要し、補修コストが増大するという問題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温部品の異なる個所に生じた複数の損傷を同時に補修することができるとともに、補修部における機械的強度を高温部品の母材のそれと同等に維持することができるガスタービンの高温部品の損傷補修方法、およびこの損傷補修方法により補修されたガスタービンの高温部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、ガスタービンを構成する高温部品に生じた複数の損傷を補修するガスタービンの高温部品の損傷補修方法であって、（１）前記高温部品の重力方向上方側の表面に前記損傷が生じている場合において、前記損傷を囲うように、前記高温部品の重力方向上方側の表面に保持部材を配設し、かつ当該損傷が及ぶ前記高温部品の他の表面における損傷を覆うように前記保持部材を配設する保持部材配設工程と、前記保持部材で囲まれた前記損傷に、ろう付け補修材を配設する補修材配設工程と、（２）前記高温部品の重力方向に沿う側面に前記損傷が生じている場合において、前記損傷を覆うように、前記高温部品の重力方向に沿う側面にろう付け補修材を配設する補修材配設工程と、重力方向上方側のみを開口して、前記配設されたろう付け補修材を保持するように、前記高温部品の重力方向に沿う側面に保持部材を配設するとともに、前記損傷が及ぶ前記高温部品の他の表面における損傷を覆うように前記保持部材を配設する保持部材配設工程と、前記（１）および／または前記（２）の工程の後、前記高温部品および前記ろう付け補修材を拡散熱処理して、複数の前記損傷をろう付け補修する熱処理工程とを具備することを特徴とするガスタービンの高温部品の損傷補修方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、上記したガスタービンの高温部品の損傷補修方法によって、損傷が補修されたことを特徴とするガスタービンの高温部品が提供される。

本発明のガスタービンの高温部品の損傷補修方法およびガスタービンの高温部品によれば、高温部品の異なる個所に生じた複数の損傷を同時に補修することができるとともに、補修部における機械的強度を高温部品の母材のそれと同等に維持することができる。

本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法が適用されるガスタービンの一部の構成の子午断面を示した図である。 ガスタービンの静翼の斜視図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材の断面が示されている。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材の断面が示されている。 図４の天面を上方から見たときの平面図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材の断面が示されている。 図６の天面を上方から見たときの平面図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材の断面が示されている。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材の断面が示されている。 損傷（き裂）の補修がされた試験材の補修部分の断面を模式的に示した図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品（静翼）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品（静翼）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品（静翼）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品（静翼）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 本発明に係る一実施の形態のガスタービンの高温部品（静翼）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 クリープ破断試験の結果を示す図である。 低サイクル疲労試験の結果を示す図である。 翼本体、インナーサイドウォールおよびアウターサイドウォールの厚さ方向に貫通しないき裂が生じた静翼の、タービンロータの中心軸方向に直交する断面を示す図である。 クリープ破断試験の結果を示す図である。 低サイクル疲労試験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る一実施の形態のガスタービン１０の高温部品の損傷補修方法が適用されるガスタービン１０の一部の構成の子午断面を示した図である。

図１に示すように、ガスタービン１０は、ケーシング１１内に、複数のロータディスク１２を軸方向に有し、各ロータディスク１２の周囲に動翼１３が複数枚植設されたタービンロータ１４が貫設されている。また、動翼１３の前方には静翼１５が配置されて、静翼１５と動翼１３とにより１つのタービン段落を構成する。また、静翼１５は、シュラウドセグメント１６、リテイニングリング１７、サポートリング１８を介してケーシング１１に支持されている。このタービン段落は、燃焼ガスの流れ方向（図１の矢印方向）の上流側から下流側へ向かって、第１段落、第２段落、第３段落と称される。

このような構成を備えるガスタービン１０において、図示しない圧縮機からの圧縮空気と燃料とが図示しないに燃料器ライナの燃焼室内で混合され燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、図示しないトランジションピースを介して、静翼１５および動翼１３からなる複数のタービン段落を備えるタービン部に導入される。タービン部に導入された燃焼ガスは、タービン部で膨張し、動翼１３が植設されたタービンロータ１４を回転させる。このタービンロータ１４の回転を利用して、発電機などを回転駆動して発電を行う。

上記したガスタービン１０において、高温部品として、例えば、静翼１５、動翼１３などが例示される。以下において、高温部品として、主に静翼１５を例示して説明する。

図２は、ガスタービン１０の静翼１５の斜視図である。図２に示すように、静翼１５は、インナーサイドウォール２０とアウターサイドウォール２１に２連の翼本体２２が一体化されて形成される。この翼本体２２間に燃焼ガスが流れる。

ここで、静翼１５は、例えば、Ｃｏ基超合金などの耐熱超合金で構成されるが、高温の燃焼ガスに曝されるなどの原因により損傷を受けやすい。例えば、複雑な形状を有する、静翼１５の、翼本体２２、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１にはき裂が生じやすい。

図２には、翼本体２２、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１に生じたき裂３０を示している。静翼１５は、上記したような高価な耐熱超合金にて構成されているため、損傷が致命的である場合を除いて、き裂３０などの損傷を補修して再使用される。なお、ここでは、静翼１５に生じる損傷として、き裂を例示して説明するが、損傷には、例えば、酸化またはエロージョンによって様々な方向に窪んだ減肉部も含まれる。この減肉部に対しても、き裂に対する補修と同様の補修を行うことができる。

なお、動翼１３は、例えば、Ｎｉ基超合金などの耐熱超合金で構成され、静翼１５と同様に、高温の燃焼ガスに曝されるなどの原因により損傷を受けやすい。そのため、動翼１３においても、静翼１５と同様にき裂３０などの損傷が生じ、この損傷を補修して再使用される。

次に、本発明に係る一実施の形態のガスタービン１０の高温部品の損傷補修方法について説明する。

まず、静翼１５と同一材料で構成された試験材４０を用いて、この試験材４０に形成された、き裂を模擬した溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃを補修する場合について説明する。なお、補修前処理工程については、実プラントの静翼１５に対する場合と異なるが、他の工程については同様である。

ここで、表１は、試験材４０を構成するＣｏ基超合金ＦＳＸ４１４の組成成分を質量％で示している。

図３〜図４、図６および図８〜図９は、本発明に係る一実施の形態のガスタービン１０の高温部品の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における試験材４０の断面が示されている。図５は、図４の天面４２を上方から見たときの平面図である。図７は、図６の天面４２を上方から見たときの平面図である。

図３に示すように、実プラントの静翼１５の様々な深さ方向に延びるき裂３０を模擬するために、試験材４０の、天面４２、左側面４３および右側面４４には、ワイヤカット加工によって、溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃが形成されている。ここで、天面４２は、重力方向上方側の表面に相当し、左側面４３および右側面４４は、重力方向に沿う側面に相当する。

なお、溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃを加工する際の油を除去するために、試験材４０全体が、例えばアセトンなどを用いて、事前に脱脂洗浄されている。

まず、図４および図５に示すように、天面４２に形成された溝４１ａに対しては、溝４１ａを囲うように、天面４２に保持部材４５ａを配設し、かつ溝４１ａが及ぶ試験材４０の他の表面における開口５０を保持部材４５ａで覆って封止する（天面の保持部材配設工程）。ここで、溝４１ａが及ぶ試験材４０の他の表面における開口５０とは、図４において溝４１ａの、紙面に垂直な方向の両端部の開口５０をいう。すなわち、溝４１ａを囲うように保持部材４５ａの上方は開口され、図５に示すように、溝４１ａの両端部の開口５０は、封止されている。

一方、左側面４３および右側面４４に形成された溝４１ｂ、４１ｃに対しては、図４に示すように、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃで溝４１ｂ、４１ｃを覆う（側面の補修材配設工程）。

続いて、天面４２において、図６に示すように、保持部材４５ａで囲まれた、天面４２に形成された溝４１ａに、ろう付け補修材４６ａを充填する（天面の補修材配設工程）。

一方、左側面４３および右側面４４において、図６および図７に示すように、溝４１ｂ、４１ｃを覆うろう付け補修材４６ｂ、４６ｃを、重力方向上方側のみを開口５１するように、保持部材４５ｂ、４５ｃで覆って、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃを保持するとともに、溝４１ｂ、４１ｃが及ぶ試験材４０の他の表面における開口５２を保持部材４５ｂ、４５ｃで覆って封止する（側面の保持部材配設工程）。

ここで、溝４１ｂ、４１ｃが及ぶ試験材４０の他の表面における開口５２とは、図６において溝４１ｂ、４１ｃの、紙面に垂直な方向の両端部の開口５２をいう。すなわち、図７に示すように、溝４１ｂ、４１ｃの両端部の開口５２は、封止されている。

なお、ここでは、天面の保持部材配設工程、側面の補修材配設工程、天面の補修材配設工程、側面の保持部材配設工程の順に補修工程を説明したが、この順に限られるものではない。例えば、天面における工程と、側面における工程を同時に行っても、いずれか一方を先に行ってもよい。但し、天面における工程においては、天面の保持部材配設工程を先に行うのが好ましく、側面における工程においては、側面の補修材配設工程を先に行うのが好ましい。

ここで、このろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、Ｃｏ基非溶融合金粉末と、このＣｏ基非溶融合金粉末よりも融点の低いＮｉ基溶融合金粉末とを配合して構成される粉体、またはこれらの配合粉体に、有機バインダを混合したペーストで構成される。特に、左側面４３および右側面４４に形成された溝４１ｂ、４１ｃを、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃで覆う場合には、上記したペースト状のものが使用される。また、天面４２に形成された溝４１ａに対しては、粉体またはペーストのいずれのろう付け補修材も使用することができる。

Ｃｏ基非溶融合金粉末は、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系の合金粉末であり、試験材４０の組成成分と同等の組成成分で構成されることが好ましい。また、Ｃｏ基非溶融合金粉末は、熱処理工程において溶融しない。一方、Ｎｉ基溶融合金粉末は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の合金粉末であり、熱処理工程において溶融状態となり、ろう材として機能する。Ｎｉ基溶融合金粉末として、実機における使用環境下を考慮すると、例えば融点が１０００℃以上の材料を使用することが好ましい。ろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃとして具体的には、例えば、ＪＩＳ Ｚ ３２６５などのろう付け補修材を使用することができる。

このように、ろう材として機能する材料よりも融点が高く、かつ補修を行う母材（ここでは、試験材４０）と同等の組成成分の粉末を含有したろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃを使用することで、拡散熱処理後において、補修部が母材と同等レベルの機械的強度を有する。

なお、動翼１３または動翼１３と同一材料で構成された試験材を補修する場合には、ろう付け補修材は、Ｎｉ基非溶融合金粉末と、このＮｉ基非溶融合金粉末よりも融点の低いＮｉ基溶融合金粉末とを配合して構成される粉体、またはこれらの配合粉体に、有機バインダを混合したペーストで構成される。また、Ｎｉ基非溶融合金粉末は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｔｉ系の合金粉末であり、動翼１３の組成成分と同等の組成成分で構成されることが好ましい。また、Ｎｉ基非溶融合金粉末は、熱処理工程において溶融しない。一方、Ｎｉ基溶融合金粉末は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の合金粉末であり、熱処理工程において溶融状態となり、ろう材として機能する。Ｎｉ基溶融合金粉末として、実機における使用環境下を考慮すると、例えば融点が１０００℃以上の材料を使用することが好ましい。ろう付け補修材として具体的には、例えば、ＪＩＳ Ｚ ３２６５などのろう付け補修材を使用することができる。

保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃは、アルミナ系、ジルコニア系、ジルコニア−シリカ系のセラミックス接着剤などで構成されている。このセラミックス接着剤は、例えば、上記セラミックスの粉体、無機バインダ、溶媒の水を主な組成成分として、ペースト状に構成されている。セラミックス接着剤は、例えば１２００℃程度の高温で安定なものが好ましい。

また、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃとして、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃが設けられる高温部品の線膨張係数と同等の線膨張係数を有するものを使用することが好ましい。双方の線膨張係数の差が大きい場合には、熱処理工程で、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃが高温部品の表面から剥離し、溶融したろう付け補修材が外部に流出するからである。

また、ペースト状の保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃを使用することで、試験材４０の表面に容易に固着できるとともに、除去する際も容易に除去することができ、補修の作業性を向上させることができる。

続いて、上記工程を経た試験材４０を真空熱処理炉内に配置し、例えば温度が１２００℃の条件で、試験材４０およびろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃに拡散熱処理を、各溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃに対して同時に施す（熱処理工程、図８参照）。このときの加熱温度は、ろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃのＮｉ基溶融合金粉末を溶融させ、かつろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃのＣｏ基非溶融合金粉末を溶融させない温度である。

この溶融状態のＮｉ基溶融合金と、非溶融状態のＣｏ基非溶融合金粉末および試験材４０の母材とが拡散反応により固着されて、各溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃが同時にろう付け補修される。なお、左側面４３および右側面４４に形成された溝４１ｂ、４１ｃを覆うろう付け補修材４６ｂ、４６ｃは、保持部材４５ｂ、４５ｃによって流下を防止されながら、溶融して溝４１ｂ、４１ｃ内に充填される。なお、左側面４３および右側面４４に形成された溝４１ｂ、４１ｃは、溝４１ｂ、４１ｃを充填するのに十分な量のろう付け補修材４６ｂ、４６ｃで覆われている。

ここで、溝４１ａにおいて、ろう付け補修材４６ａが溶融した場合（ろう付け補修材４６ａのうちＮｉ基溶融合金が溶融した状態、以下に同じ）でも、図５に示すように、溝４１ａの両端部の開口５０は、保持部材４５ａによって封止されているため、ろう付け補修材４６ａが外部に流出することはない。さらに、天面４２においては、図５に示すように、溝４１ａを囲うように保持部材４５ａが配設されているので、溶融したろう付け補修材４６ａは、保持部材４５ａを超えて天面４２上に広がることはない。

また、溝４１ｂ、４１ｃにおいて、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃが溶融した場合でも、図７に示すように、溝４１ｂ、４１ｃの両端部の開口５２は、保持部材４５ｂ、４５ｃによって封止されているため、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃが外部に流出することはない。さらに、溝４１ｂ、４１ｃの入口において、ろう付け補修材４６ｂ、４６ｃは、上方を除いて、保持部材４５ｂ、４５ｃによって覆われているため、溶融したろう付け補修材４６ｂ、４６ｃが下方（重力方向）に流下することはない。

また、ろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃが溶融して溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃに充填される際、溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ内の気体が気泡となって存在することがあるが、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃの上方は、開口されているため、この気泡は外部に排出される。このように、気泡を外部に排出することができるので、補修部におけるボイド（隙間）の発生を抑制することができる。

この熱処理工程後の表面仕上げ工程（図９参照）では、試験材４０の、天面４２、左側面４３、右側面４４から保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃを取り除くとともに、各面から突出したろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃを取り除き、図９に示すように、これらの補修部分の表面を仕上げ加工する。

以上の工程を経て損傷の補修が完了する。

ここで、上記した補修工程により、損傷（き裂）の補修がされた試験材４０の補修部分の断面を、光学顕微鏡により観察した。図１０は、損傷（き裂）の補修がされた試験材４０の補修部分の断面を模式的に示した図である。

試験材４０の天面４２、左側面４３、右側面４４のそれぞれに形成された各溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ内において、図１０に示すように、Ｃｏ基非溶融合金粉末６５と、溶融したＮｉ基溶融合金６６が、ボイド（隙間）を有することなく装填されていた。そのため、補修部分の高温強度は、試験材４０の非補修部分と同等レベルを示すものと推定される。

上記したように、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃを備えることで、溶融したろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃを外部に流出させずに、溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ内に充填することができる。さらに、保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃの上方を開口することで、熱処理工程において、溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ内の気泡を外部に排出することができるので、補修部におけるボイド（隙間）の発生を抑制することができる。

また、異なる個所に生じたき裂を熱処理工程において同時に処理することができるので、補修時間を短縮することができる。

次に、実プラントにおいて、６年程度溶接補修を繰り返して使用されてきた静翼１５（例えば、第１段静翼）を対象とした損傷補修工程について説明する。

図１１〜図１５は、本発明に係る一実施の形態のガスタービン１０の高温部品（静翼１５）の損傷補修方法の工程を説明するための図であり、各工程における静翼１５の、タービンロータ１４の中心軸方向に直交する断面を示す図である。なお、図１１〜図１５の断面は、静翼１５の後縁に近い部分における断面を示している。

この静翼１５は、試験材４０と同様に、表１に示す組成と同等の組成のＣｏ基超合金にて構成されている。また、この静翼１５には、図１１に示すように、翼本体２２、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の厚さ方向に貫通したき裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃが生じている。

この静翼１５に対して、次のように損傷補修を行う。

実プラントの静翼１５に対する補修前処理工程において、補修すべきき裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃの表面に生成された酸化皮膜を、水素雰囲気中で熱処理を実施することで除去する。このように酸化皮膜を除去することで、き裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃの表面とろう付け補修材とのなじみ（接着）が良好になる。

まず、図１２に示すように、重力方向上方側の表面にき裂が生じているインナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１において、重力方向上方側の表面（以下、それぞれ上面２０ｂ、２１ｂという）のき裂３０ａ、３０ｃを囲うように、上面２０ｂ、２１ｂに保持部材６０ａを配設する。また、重力方向下方側の表面（以下、それぞれ下面２０ａ、２１ａという）のき裂３０ａ、３０ｃを保持部材６０ａ、６０ｃで覆って封止する。さらに、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の下面２０ａ、２１ａおよび上面２０ｂ、２１ｂを除く他の表面に、き裂３０ａ、３０ｃが及んでいる場合には、上記した試験材４０の場合と同様に、その他の表面のき裂３０ａ、３０ｃを保持部材６０ａ、６０ｃで覆って封止する。ここで、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の下面２０ａ、２１ａおよび上面２０ｂ、２１ｂを除く他の表面として、例えば、図１２において紙面に垂直な方向の、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の両端面などが例示できる。

これらの上面の保持部材配設工程によって、上面２０ｂ、２１ｂのき裂３０ａ、３０ｃを囲う保持部材６０ａ、６０ｃの上方は開口され、上面２０ｂ、２１ｂのき裂３０ａ、３０ｃ以外は封止されている。

一方、重力方向に沿う側面に相当する、翼本体２２に形成されたき裂３０ｂに対しては、図１２に示すように、翼本体２２の一方の側面（ここでは、左の側面２２ａ）のき裂３０ｂを、ろう付け補修材６１ｂで覆う（側面の補修材配設工程）。

続いて、上面２０ｂ、２１ｂにおいて、図１３に示すように、保持部材６０ａ、６０ｃで囲まれた、き裂３０ａ、３０ｃに、ろう付け補修材６１ａ、６１ｃを充填する（上面の補修材配設工程）。

一方、翼本体２２の側面２２ａにおいて、図１３に示すように、き裂３０ｂを覆うろう付け補修材６１ｂを、重力方向上方側のみを開口７０するように、保持部材６０ｂで覆って、ろう付け補修材６１ｂを保持する。また、翼本体２２の他方の側面２２ｂのき裂３０ｂを保持部材６０ｂで覆って封止する。さらに、翼本体２２の側面２２ａ、２２ｂを除く他の側面（例えば、後縁など）に、き裂３０ｂが及んでいる場合には、上記した試験材４０の場合と同様に、他の表面に及ぶき裂３０ｂを保持部材６０ｂで覆って封止する。これらの側面の保持部材配設工程によって、側面２２ａのき裂３０ｂを覆う保持部材６０ｂの上方は開口され、側面２２ａのき裂３０ｂ以外は封止される。

なお、ここでは、上面の保持部材配設工程、側面の補修材配設工程、上面の補修材配設工程、側面の保持部材配設工程の順に補修工程を説明したが、この順に限られるものではない。例えば、上面における工程と、側面における工程を同時に行っても、いずれか一方を先に行ってもよい。但し、上面における工程においては、上面の保持部材配設工程を先に行うのが好ましく、側面における工程においては、側面の補修材配設工程を先に行うのが好ましい。

なお、ろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃおよび保持部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、前述した、ろう付け補修材４６ａ、４６ｂ、４６ｃおよび保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃと同じ材料で構成される。

続いて、上記工程を経た静翼１５を真空熱処理炉内に配置し、例えば温度が１２００℃の条件で、静翼１５およびろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃに拡散熱処理を、各き裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃに対して同時に施す（熱処理工程、図１４参照）。このときの加熱温度は、ろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃのＮｉ基溶融合金粉末を溶融させ、かつろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃのＣｏ基非溶融合金粉末を溶融させない温度である。

この溶融状態のＮｉ基溶融合金と、非溶融状態のＣｏ基非溶融合金粉末および静翼１５の母材とが拡散反応により固着されて、各き裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃが同時にろう付け補修される。なお、翼本体２２の側面２２ａに生じたき裂３０ｂを覆うろう付け補修材６１ｂは、保持部材６０ｂによって流下を防止されながら、溶融してき裂３０ｂ内に充填される。なお、翼本体２２の側面２２ａに生じたき裂３０ｂは、き裂３０ｂを充填するのに十分な量のろう付け補修材６１ｂで覆われている。

ここで、ろう付け補修材６１ａ、６１ｃが溶融した場合でも、上面２１ｂ、２０ｂ以外に生じるき裂３０ａ、３０ｃは、封止されているので、ろう付け補修材６１ａが外部に流出することはない。さらに、上面２１ｂ、２０ｂにおいては、き裂３０ａ、３０ｃを囲うように保持部材６０ａ、６０ｃが配設されているので、溶融したろう付け補修材６１ａ、６１ｃは、保持部材６０ａ、６０ｃを超えて上面２１ｂ、２０ｂ上に広がることはない。

また、ろう付け補修材６１ｂが溶融した場合でも、側面２２ａ以外に生じるき裂３０ｂは、封止されているので、ろう付け補修材６１ｂが外部に流出することはない。さらに、側面２２ａにおけるき裂３０ｂの入口において、ろう付け補修材６１ｂは、上方を除いて、保持部材６０ｂによって覆われているため、溶融したろう付け補修材６１ｂが下方（重力方向）に流下することはない。

また、ろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃが溶融して、き裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃに充填される際、き裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃ内の気体が気泡となって存在することがあるが、保持部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃの上方は、開口されているため、この気泡は外部に排出される。このように、気泡を外部に排出することができるので、補修部におけるボイド（隙間）の発生を抑制することができる。

この熱処理工程後の表面仕上げ工程（図１５参照）では、静翼１５の、上面２０ｂ、２１ｂ、下面２０ａ、２１ａ、側面２２ａ、２２ｂから保持部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃを取り除くとともに、各面から突出したろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃを取り除き、図１５に示すように、これらの補修部分の表面を仕上げ加工する。

以上の工程を経て静翼１５の損傷の補修が完了する。

ここで、上記した損傷補修方法において補修した静翼１５から採取した補修部を含む試験片１、上記した損傷補修方法において保持部材を備えずに補修した静翼１５から採取した補修部を含む試験片２、および補修した静翼１５のき裂が生じていない部位から採取した試験片３を用いて、クリープ破断試験および低サイクル疲労試験を行った。また、試験片１および試験片２については、補修部の断面を光学顕微鏡で観察した。

ここで、ろう付け補修材６１ａ、６１ｂ、６１ｃには、Ｃｏ基非溶融合金粉末とＮｉ基溶融合金粉末とを、質量比で１：１〜１．５：１に配合し、この配合された粉末と有機バインダを混合してペースト状にして使用した。また、Ｃｏ基非溶融合金粉末の組成成分は、質量％で、Ｎｉが１０〜２５、Ｃｒが１５〜４５、Ｔａが６〜８、Ｗが０．１以下、Ｃが０．０５以下、残部がＣｏからなる材料を使用し、Ｎｉ基溶融合金粉末の組成成分は、質量％で、Ｃが０．００１〜０．０５、Ｓｉが２〜５、Ｃｒが１０〜２５、Ｃｏが１５〜２５、Ｂが１〜５、残部がＮｉからなる材料を使用した。

保持部材４５ａ、４５ｂ、４５ｃには、ジルコニア−シリカ系のペースト状のセラミックス接着剤を使用した。

熱処理は、真空熱処理炉で、１２００℃の温度で２０分加熱した。

クリープ破断試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２７１に基づいて、各試験片において同じ温度および同じ応力で行った。また、低サイクル疲労試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２７９に基づいて、各試験片において行った。なお、各試験片をそれぞれ２個用意し、この２個に対してそれぞれクリープ破断試験および低サイクル疲労試験を行った。

図１６は、クリープ破断試験の結果を示す図である。図１７は、低サイクル疲労試験の結果を示す図である。なお、図１６および図１７には、各試験片において２個の試験片における結果が示されている。

まず、試験片１および試験片２における補修部の断面の観察結果について説明する。試験片１における補修部の断面において、図１０に示した場合と同様に、Ｃｏ基非溶融合金粉末６５と、溶融したＮｉ基溶融合金６６が、ボイド（隙間）を有することなく装填されていた。なお、試験片１のいずれの補修部においても、同様の結果が得られた。

一方、試験片２における補修部の断面においては、Ｃｏ基非溶融合金粉末６５および溶融したＮｉ基溶融合金６６は確認できたが、複数のボイド（隙間）が確認された。なお、試験片２のいずれの補修部においても、同様の結果が得られた。これは、保持部材を備えていない試験片２では、ろう付け補修材が外部に流出し、ろう付け補修材の適正な充填が行われなったことが原因と考えられる。

次に、図１６および図１７に示すように、試験片１は、試験片３すなわち母材と同等のクリープ強度および低サイクル疲労強度が得られた。一方、試験片２では、試験片１や試験片３に比べて、クリープ強度および低サイクル疲労強度が低かった。

以上のことから、一実施の形態のガスタービン１０の高温部品の損傷補修方法によれば、保持部材を備えることで、拡散熱処理において、溶融したろう付け補修材（Ｎｉ基溶融合金）が外部に流出することを防止して、溶融したろう付け補修材をき裂内に確実に充填することができる。また、深さ方向の異なる複数のき裂が生じている場合でも、複数のき裂を同時に補修することができるため、補修を迅速に行うことができる。

また、保持部材の上方を開口することで、溶融したろう付け補修材を充填する際、き裂内の気体が気泡となって存在することがあるが、保持部材の上方の開口から気泡を外部に排出することができる。そのため、補修部におけるボイド（隙間）の発生を抑制することができる。これによって、補修部においても、高温部品を構成する母材と同程度の機械的強度を得ることができる。

さらに、補修をろう付けによって行うことで、溶接による補修の場合に比べ、高温部品の補修による変形の発生を防止することができる。

保持部材配設工程および補修材配設工程後の、複数の高温部品を真空熱処理炉に投入して、バッチ処理にて拡散熱処理を実施するので、補修時間を短縮することができ、効率的な補修を実現することができる。

なお、ここでは、図１１に示すように、翼本体２２、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の厚さ方向に貫通したき裂３０ａ、３０ｂ、３０ｃが生じた静翼１５における損傷補修方法を例示して説明したが、き裂が貫通していない場合でも、本発明に係る高温部品の損傷補修方法を適用することができる。

図１８は、翼本体２２、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の厚さ方向に貫通しないき裂８０ａ、８０ｂ、８０ｃが生じた静翼１５の、タービンロータ１４の中心軸方向に直交する断面を示す図である。なお、図１８の断面は、静翼１５の後縁に近い部分における断面を示している。

このように、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１の上面２０ｂ、２１ｂにき裂８０ａ、８０ｃが生じている場合や、翼本体２２の側面にき裂８０ｂが生じている場合においても、本発明に係る高温部品の損傷補修方法を適用することができる。

なお、この場合には、インナーサイドウォール２０およびアウターサイドウォール２１において、下面２０ａ、２１ａに保持部材を備える必要はない。さらに、き裂８０ｂが生じた、翼本体２２の側面と対向する側面に保持部材を備える必要はない。他の工程は、上記した損傷補修方法と同様である。

図１８に示した静翼１５について、損傷補修を行った後、クリープ破断試験、低サイクル疲労試験、および補修部の断面の観察を行った。なお、補修方法や各試験条件は、前述した図１５の損傷補修後の静翼１５に対して行った補修方法や各試験条件と同じである。また、各試験片をそれぞれ２個用意し、この２個に対してそれぞれクリープ破断試験および低サイクル疲労試験を行った。

ここで、上記した損傷補修方法において補修した静翼１５から採取した補修部を含む試験片を試験片４、上記した損傷補修方法において保持部材を備えずに補修した静翼１５から採取した補修部を含む試験片を試験片５、および補修した静翼１５のき裂が生じていない部位から採取した試験片を試験片６とする。

図１９は、クリープ破断試験の結果を示す図である。図２０は、低サイクル疲労試験の結果を示す図である。なお、図１９および図２０には、各試験片において２個の試験片における結果が示されている。

まず、試験片４および試験片５における補修部の断面の観察結果について説明する。試験片４における補修部の断面において、図１０に示した場合と同様に、Ｃｏ基非溶融合金粉末６５と、溶融したＮｉ基溶融合金６６が、ボイド（隙間）を有することなく装填されていた。なお、試験片４のいずれの補修部においても、同様の結果が得られた。

一方、試験片５における補修部の断面においては、Ｃｏ基非溶融合金粉末６５および溶融したＮｉ基溶融合金６６は確認できたが、複数のボイド（隙間）が確認された。なお、試験片５のいずれの補修部においても、同様の結果が得られた。これは、保持部材を備えていない試験片５では、ろう付け補修材が外部に流出し、ろう付け補修材の適正な充填が行われなったことが原因と考えられる。

次に、図１９および図２０に示すように、試験片４は、試験片６すなわち母材と同等のクリープ強度および低サイクル疲労強度が得られた。一方、試験片５では、試験片４や試験片６に比べて、クリープ強度および低サイクル疲労強度が低かった。

以上のことから、き裂が貫通していない場合においても、前述した、き裂が貫通した場合における損傷補修方法における作用効果と同様の作用効果が得られる。

なお、実施の形態において、ガスタービンの高温部品として、主に静翼１５を例示して説明したが、ガスタービンの高温部品である動翼などにおいても、本発明に係る損傷補修方法を適用することで、静翼１５に、本発明に係る損傷補修方法を適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。

また、実施の形態において、損傷としてき裂を例示して説明したが、酸化またはエロージョンによって様々な方向に窪んだ複数の減肉部に対しても、本発明に係る損傷補修方法を適用することができる。また、この場合においても、き裂に、本発明に係る損傷補修方法を適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０…ガスタービン、１１…ケーシング、１２…ロータディスク、１３…動翼、１４…タービンロータ、１５…静翼、１６…シュラウドセグメント、１７…リテイニングリング、１８…サポートリング、２０…インナーサイドウォール、２０ａ…下面、２０ｂ、２１ｂ…上面、２１…アウターサイドウォール、２２…翼本体、２２ａ、２２ｂ…側面、３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ…き裂、４０…試験材、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ…溝、４２…天面、４３…左側面、４４…右側面、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ…保持部材、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ…ろう付け補修材、５０、５１、５２、７０…開口、６５…Ｃｏ基非溶融合金粉末、６６…Ｎｉ基溶融合金。

Claims (6)

1. ガスタービンを構成する高温部品に生じた複数の損傷を補修するガスタービンの高温部品の損傷補修方法であって、
   （１）前記高温部品の重力方向上方側の表面に前記損傷が生じている場合において、
   前記損傷を囲うように、前記高温部品の重力方向上方側の表面に保持部材を配設し、かつ当該損傷が及ぶ前記高温部品の他の表面における損傷を覆うように前記保持部材を配設する保持部材配設工程と、
   前記保持部材で囲まれた前記損傷に、ろう付け補修材を配設する補修材配設工程と、
   （２）前記高温部品の重力方向に沿う側面に前記損傷が生じている場合において、
   前記損傷を覆うように、前記高温部品の重力方向に沿う側面にろう付け補修材を配設する補修材配設工程と、
   重力方向上方側のみを開口して、前記配設されたろう付け補修材を保持するように、前記高温部品の重力方向に沿う側面に保持部材を配設するとともに、前記損傷が及ぶ前記高温部品の他の表面における損傷を覆うように前記保持部材を配設する保持部材配設工程と、
   前記（１）および／または前記（２）の工程の後、前記高温部品および前記ろう付け補修材を拡散熱処理して、複数の前記損傷をろう付け補修する熱処理工程と
   を具備することを特徴とするガスタービンの高温部品の損傷補修方法。
2. 前記損傷が、き裂または減肉部であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの高温部品の損傷補修方法。
3. 前記損傷がき裂であり、当該き裂が、前記高温部品の重力方向上方側の表面から、この表面に対向する他方の表面に貫通している場合、および／または前記高温部品の重力方向に沿う側面から、この側面に対向する他方の側面に貫通している場合、
   前記保持部材配設工程において、前記他方の表面のき裂および前記他方の側面のき裂を前記保持部材で覆うことを特徴とする請求項２記載のガスタービンの高温部品の損傷補修方法。
4. 前記保持部材が、セラミックス接着剤であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービンの高温部品の損傷補修方法。
5. 前記高温部品が、静翼または動翼であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービンの高温部品の損傷補修方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスタービンの高温部品の損傷補修方法によって、損傷が補修されたことを特徴とするガスタービンの高温部品。

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