JP3887513B2 - ガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナ - Google Patents
ガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン運転中に高温下に曝されることにより材質劣化を受けたガスタービン燃焼器ライナを再生させるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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により外部から空気を吸入・圧縮し、圧縮空気を燃焼器に案内する。燃焼器に導入した圧縮空気の中に燃料である油を噴射して過熱し、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。この高温・高圧の燃焼ガスを、燃焼器ライナ、トランジションピースおよび静翼を経て動翼に案内した後、動翼を回転駆動させて燃焼ガスを膨張させ、熱エネルギーを回転の機械エネルギーに変え、同軸に設けられた発電機で発電する。
【０００３】
燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼および動翼などのガスタービン高温部品には、耐熱超合金が適用される。耐熱超合金として、一般に、Ｍｏ、ＷおよびＦｅ等の元素をマトリックスに固溶させて高温強度を向上させた固溶強化型合金が使用される。例えば、燃焼器ライナにはＮｉ基超合金またはＣｏ基超合金が用いられる。
【０００４】
ガスタービン燃焼器ライナは、約１ｍｍ〜２ｍｍ程度の圧延材を円筒状とした円筒部材を溶接にて接合し、部分的にろう付けを施した円筒状構造を有する。この燃焼器ライナの円筒内面には燃焼ガスの熱を遮蔽するセラミックコーティングが施されている。
【０００５】
ガスタービンの運転により、ガスタービン高温部品には種々の損傷がみられるが、特に、燃焼器ライナでは、運転中の燃焼振動による溶接部でのき裂が生じるとともに、腐食や酸化および材質劣化が生じる。このため、燃焼器ライナの保守管理は、約１年毎に定期的に検査して、き裂および摩耗等の溶接補修を行って再使用している。なお、き裂発生部は局部的ではあるが材質劣化が生じており、再使用後は材質劣化に起因してき裂が発生し易くなっている。材質劣化が広範囲で生じている場合には、上述した補修に加えて材質劣化部のみを機械的に切断し、新製交換または再生処理を施した後、再接合および再コーティングして燃焼器ライナを再使用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃焼器ライナに熱処理を施す際、材質劣化は回復するものの、部分的にろう付けされたろう材が溶融してしまうという問題を有していた。このため、ろう材の溶融を防止するために、あらかじめ材質劣化部のみを機械的に切断し、新製交換または再生処理を施した後再接合および再コーティングするため、再生に要するコストが過大となっていた。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ろう付け接合部を有する燃焼器ライナを対象として、燃焼器ライナを分解することなく材質劣化を回復させて新品と同等の材料特性を有し、コスト低減を図ったガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、または、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料、のいずれか１種の材料からなるとともに、その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施すことより回復させるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記回復熱処理の温度は、燃焼器ライナの形状を維持する温度とし、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰囲気は不活性ガスまたは真空とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上とし、この回復熱処理と同時にろう付けを施すことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３に記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記回復熱処理の温度は、前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料の場合は、１１００℃以上１２００℃以下、前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料の場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、前記燃焼器ライナの材料が前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料である場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、または、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料のいずれか１つの材料からなるとともに、その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施されたことにより回復されたガスタービン燃焼器ライナにおいて、前記回復熱処理の温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰囲気は不活性ガスまたは真空であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の再生燃焼器ライナにおいて、前記再生燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上で、この回復熱処理と同時にろう付けを施したことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の再生燃焼器ライナにおいて、回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とする再生燃焼器ライナ。
【００１８】
高温下で使用される固溶強化型のガスタービン燃焼器ライナは、炭化物（主にＣｒ２３Ｃ６）の析出や成長および凝集粗大化が進むとともに、他の析出相（σ相：ＦｅＣｒ、μ相：Ｃｏ７Ｍｏ６）の析出が生じ、材質劣化が生じる。材質劣化に伴い本来の材料特性が損なわれ、起動および停止時における熱・歪みによる熱疲労損傷、または高・低サイクル疲労による損傷を受けている。このような劣化および損傷を受けた部材を回復させるため、材質劣化相が消失する材質劣化相の固溶温度以上で熱処理する必要がある。
【００１９】
しかしながら、一般に材質劣化相のマトリックス中への固溶温度がろう材の溶融開始温度とほぼ同等か、固溶温度が低い合金の場合には、材質劣化相の固溶温度以上で熱処理することで分解せずに回復が可能であるが、材質劣化相の固溶温度がろう材の溶融開始温度より高い場合には、ろう材の溶融が生じる。
【００２０】
そこで、材質劣化相の固溶温度がろう材の溶融開始温度より高い場合の燃焼器ライナにおいては、材質劣化相の固溶温度以上で熱処理することにより不可避的に生じるろう材の溶融をこの熱処理と同時にろう付けすることを可能としたものである。なお、ここで行う熱処理は、Ａｒガスにて急冷できる真空熱処理装置を用い、この容器中に部品をセットした後、一旦容器内を排気し、真空度を維持しつつ昇温し、所定の温度で材質劣化相のマトリックスへの完全固溶を図るものである。
【００２１】
熱処理温度は、前述した理由により析出物が固溶する温度以上である。しかし、過度に熱処理温度を上げることは、温度が高くなるにつれて部材の強度が低下して自重により変形を生じることから、回復熱処理時に設計上問題を生じるような変形を生じない強度を有する温度以下にする必要がある。
【００２３】
以下に、燃焼器ライナの回復熱処理方法およびその前後の手順を説明する。
【００２４】
まず、回復熱処理する部品に用いられる合金の材質劣化相の固溶温度を、その温度前後の温度に保持し急冷した試験材の組織観察により求める。この組織観察結果により回復熱処理の温度条件を設定する。
【００２６】
次に、真空中で回復熱処理を施すが、熱処理炉に部品を装填するにあたり、高温にて処理するため、部品が自重により変形しないように配列する。なお、部品の装填は炉の均熱帯に配列することが望ましい。炉に部品を装填した時点では雰囲気が大気であり、真空雰囲気で処理するため、まず、容器の真空引きを行い所定の温度まで昇温する。温度が所定に達した後、保持し、部品に用いられている材料の通常の冷却速度にてＡｒガスを吹き付けて熱処理を施す。
【００２７】
最後に、回復熱処理を施した後、目視検査、寸法検査等の非破壊検査を行う。
【００２８】
このような回復熱処理方法の手順により、ガスタービン燃焼器ライナに生じた材質劣化を回復することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図１５および表１〜表２を用いて説明する。
【００３０】
まず、ガスタービンの燃焼器ライナに適用されるＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金を試験材として、この試験材を人工劣化させた後、この人工劣化材に回復熱処理を施し、燃焼器ライナを回復する際に適用する温度条件を調査した。
【００３１】
Ｎｉ基超合金およびＣｏ基超合金として、表１に示すＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材を適用した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材の組成は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉである。
【００３４】
また、ＨＳ１８８材の組成は、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏである。
【００３５】
このような化学組成を有するＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材を所定形状とし、Ｎｏ．１からＮｏ．８までの試験材とした。また同様に、ＨＳ１８８材を所定形状とし、Ｎｏ．９からＮｏ．１６までの試験材とした。その後、Ｎｏ．１からＮｏ．１６までの試験材を８５０℃の温度で１２０００時間加熱して人口的に劣化させた。ＨａｓｅｌｌｏｙＸの人工劣化材は炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）の他にもμ相（Ｃｏ７Ｍｏ６）が析出していた。また、ＨＳ１８８の人工劣化材は炭化物の他にもＬａｖｅｓ相（Ｃｏ２Ｗ）が析出していた。
【００３６】
次に、人工劣化させたＮｏ．１からＮｏ．１６までの試験材に、１０６０℃〜１２００℃の温度範囲内において、２０℃間隔で変化させた温度にて回復熱処理を施した。回復熱処理の保持時間は３０分とした。回復熱処理後、各試験材の断面組織観察を行い、材質劣化相の固溶の有無およびろう材の溶融の有無を調べた。この試験結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材を１０６０℃および１０８０℃の温度で回復熱処理したＮｏ．１およびＮｏ．２の試験材は、材質劣化相が固溶していなかったが、１１００℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．３からＮｏ．８までの試験材は、全て材質劣化相の固溶が生じており組織の回復が認められた。一方、ＨＳ１８８の人工劣化材を１１６０℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．１４からＮｏ．１６までの試験材では、材質劣化相の固溶が生じており組織の回復が認められ、１１４０℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．１３からＮｏ．１６までの試験材は、ろう材の溶融が認められた。
【００３９】
次に、各回復熱処理材について室温にて引張り試験を行い、引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を測定した。その結果を図２に示す。
【００４０】
ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸおよびＨＳ１８８の試験材では、材質劣化が生じている回復熱処理前の室温での引張強さは、新材と比較して強度が上昇しており、逆に延性が顕著に低下したが、図２に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材では１１００℃以上、ＨＳ１８８材では１１６０℃以上で回復熱処理を施すことで、強度および延性の回復が認められた。
【００４１】
このような試験結果から、再生処理するＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の材質劣化相の固溶温度を、その温度前後の温度に保持し急冷した試験材の組織観察により求めることができ、この組織観察結果により再生処理を施す際、回復熱処理の温度条件を設定することができる。なお、本試験により適用した成分組成を有するＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材は、１１００℃から１２００℃までの温度範囲で、また、ＨＳ１８８材は１１６０℃から１２００℃までの範囲で回復熱処理するこが望ましい。
【００４２】
次に、実際に実プラントにおけるガスタービンの運用により設計寿命に達して廃却となった燃焼器ライナに回復熱処理を施し、以下に示す実施例１から実施例３までの試験を行った。
【００４３】
実施例１（図１、図３〜図７）
本実施例においては、実プラントで設計寿命に達して廃却となったＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ合金からなるガスタービン燃焼器ライナに回復熱処理を施した。なお、廃却となった燃焼器ライナの表面を鏡面に研磨してスンプ法にて組織観察したところ、炭化物の析出が生じており、材質劣化が認められた。
【００４６】
回復熱処理３時における温度、即ち、回復熱処理温度は上述した試験結果における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸの試験材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４およびＮｏ．５で適用した１１００℃、１１２０℃および１１４０℃とした。この温度にて回復熱処理３を施して回復熱処理品を得る。なお、試験材Ｎｏ．５の回復熱処理温度では、ろう材が溶融するため回復熱処理３と同時にろう付け接合部にろう材を装填し、ろう付けも兼ねて行う。なお、ろう付けには、重量％で、Ｃｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなるろう材を適用した。
【００４７】
このような回復熱処理を施して得られた燃焼器ライナの組織およびろう付け接合部を図３および図４に示す。
【００４８】
図３は、回復処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、３種類の回復熱処理品、新品および廃却品を比較して示す。
【００４９】
図３に示すように、新品５は、結晶粒内６に未固溶の炭化物７が析出していた。一方、実プラントの運用により廃却となった廃却品８は、結晶粒内６に未固溶の炭化物７のほかにも炭化物９が認められ、また結晶粒界１０にも炭化物１１の析出が多量に認められていた。これに対し、１１００℃、１１２０℃および１１４０℃の温度にて回復熱処理３を施した回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品５と同様の組織に回復していた。
【００５０】
図４は、燃焼器ライナのろう付け接合部を示す拡大図である。なお、このろう付け接合部についても、３種類の回復熱処理品、新品および廃却品を比較して示す。
【００５１】
図４に示すように、新品５は、円筒状の燃焼器ライナ本体１３の内側にスロットリング１４が設けられており、この燃焼器ライナ本体１３およびスロットリング１４の隙間には、ろう付けされたろう材１５が設置されている。さらに、燃焼器ライナ本体１３およびスロットリング１４の内面には、燃焼ガスの熱を遮蔽する遮熱コーティング１６が施されている。一方、廃却品８は、ろう材１５が部分的に溶けていた。これに対し、１１００℃、１１２０℃および１１４０℃の温度で回復熱処理した回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、全てろう材１５が一旦溶融していたものの、ほぼ新品５と同様の接合状態を呈していた。
【００５２】
さらに、各回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃについて室温にて引張試験を行い、引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を測定した。その結果を図５に示す。
【００５３】
図５に示すように、廃却品８は引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃでは組織と同様に強度と延性の完全回復が図られていた。なお、回復熱処理３を行う際には、内面に施したセラミックスコーティング層を除去せずに行った。コーティング層の構成元素と母材の構成元素とが相互拡散し、強度に寄与しない拡散層が生じていたが、図６に示すように、回復熱処理温度が１１４０℃と高い回復熱処理品１２ｃでも拡散層の厚さは１０μｍ程度であり、問題となる厚さとはならなかった。
【００５４】
さらに、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図７に示す。図７に示すように、各回復処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値１７ａと下限の許容値１７ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値１８ａと下限の許容値１８ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００５５】
実施例２（図１、図８〜図１１）
本実施例においては、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材とＨＳ１８８材とを溶接接合した燃焼器ライナに回復熱処理を施した。なお、実施例１と同一箇所には、同一符号を用いる。
【００５６】
実施例１と同様に燃焼器ライナ内面のセラミックスコーティング層を除去せず、図１のフローチャートに従い回復熱処理３を施した。回復熱処理温度は、前述したＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の試験で適用した試験材Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５およびＮｏ．１６の回復熱処理温度とした。具体的には、１１６０℃、１１８０℃および１２００℃とした。なお、ろう材はＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の試験結果を示す表２からも明らかなように、ろう材が溶融するため回復熱処理と同時にろう付け接合部にろう材を装填し、ろう付けも兼ねて行った。なお、ろう付けには、重量％で、Ｃｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなるろう材を適用した。
【００５７】
図８は、回復熱処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、新品１９、廃却品２０および３種類の回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃを比較して示す。
【００５８】
図８に示すように、廃却品２０のＨＳ１８８材の部位では粒内６に若干の炭化物９の析出が認められるものの、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材の部位では結晶粒界１０および粒内６に炭化物９の析出が多量に認められていた。これに対し、回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃは両材料の部位とも未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品１９の組織に回復していた。
【００５９】
図９は、ろう付け接合部の拡大図を示す。図９に示すように、各温度において回復熱処理を施した回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃともろう材１５が一旦溶融していたものの、ほぼ新品１９と同様の接合状態を呈していた。
【００６０】
図１０は、回復熱処理後の引張試験による引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図である。
【００６１】
図１０に示すように、廃却品２０はＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材の部位とも引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃは組織と同様に強度および延性の完全回復が図られていた。
【００６２】
さらに、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図１１に示す。図１１に示すように、各回復処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値２２ａと下限の許容値２２ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値２３ａと下限の許容値２３ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００６３】
実施例３（図１、図１２〜図１５）
本実施例においては、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材よりも燃焼温度が高いＨＳ１８８材の燃焼器ライナに回復熱処理を施した。実施例１および実施例２と同様に内面のコーティングを除去せず、図１のフローチャートに従い、回復熱処理３を施した。
【００６４】
図１２は、回復処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、新品２２、廃却品２３および３種類の回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃを比較して示す。
【００６５】
図１２に示すように、廃却品２３では結晶粒界１０および粒内６に炭化物９，１１の析出が多量に認められていた。これに対し、回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃは未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品２２の組織に回復していた。
【００６６】
図１３は、ろう付け接合部のろう材の断面組織を示す図である。図１３に示すように、各温度の回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃともろう材が一旦溶融していたものの、ほぼ新品２２と同様の接合状態を呈していた。
【００６７】
図１４は、回復熱処理後の引張試験による引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図である。
【００６８】
図１４に示すように、廃却品２３はＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材の部位とも引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃは組織と同様に強度と延性の完全回復が図られていた。
【００６９】
また、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図１５に示す。図１５に示すように、各回復処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値１７ａと下限の許容値１７ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値１８ａと下限の許容値１８ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００７０】
本実施形態によれば、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上で回復熱処理を施すことにより、燃焼器ライナを分解することなく材質劣化を回復させて新品と同等の材料特性を有し、燃焼器ライナのコスト低減を図れる。また、燃焼器ライナの材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際には、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上とし、この回復熱処理と同時にろう付けを施すことで燃焼器ライナを再生することができる。このように燃焼器ライナを再生して再生燃焼器を再使用することで、燃焼器ライナの寿命向上を図れる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明におけるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法によれば、分解せずに再生できることから大幅にコスト低減を図れるだけでなく、再使用により寿命向上を図れる再生燃焼器ライナを得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態における回復熱処理およびその前後の処理の手順を示す図。
【図２】 本発明の実施形態における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材に回復熱処理を施した後の引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図３】 本発明の実施例１における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ合金からなる燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図４】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図５】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図６】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナに回復熱処理を施した後の拡散層厚さ（μｍ）の計測結果を示す図。
【図７】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナに回復熱処理を施した後の変形計測結果を示す図。
【図８】 本発明の実施例２を対象とした、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材とＨＳ１８８材とを溶接接合した燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図９】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図１０】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図１１】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後の変形計測結果を示す図。
【図１２】 本発明の実施例３を対象とした、ＨＳ１８８材からなる燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図１３】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図１４】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図１５】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における変形計測結果を示す図。
【符号の説明】
１ 回復前検査
２ 損傷補修
３ 回復熱処理
４ 回復後検査
５ 新品
６ 結晶粒内
７ 未固溶の炭化物
８ 廃却品
９ 粒内の炭化物
１０ 結晶粒界
１１ 粒界の炭化物
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 回復熱処理品
１３ 燃焼器ライナ本体
１４ スロットリング
１５ ろう材
１６ 遮熱コーティング
１７ａ 燃焼器ライナの全長についての上限の許容値
１７ｂ 燃焼器ライナの全長についての下限の許容値
１８ａ 燃焼器ライナの直径についての上限の許容値
１８ｂ 燃焼器ライナの直径についての下限の許容値
１９ 新品
２０ 廃却品
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 回復熱処理品
２２ 新品
２３ 廃却品
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 回復熱処理品
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン運転中に高温下に曝されることにより材質劣化を受けたガスタービン燃焼器ライナを再生させるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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により外部から空気を吸入・圧縮し、圧縮空気を燃焼器に案内する。燃焼器に導入した圧縮空気の中に燃料である油を噴射して過熱し、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。この高温・高圧の燃焼ガスを、燃焼器ライナ、トランジションピースおよび静翼を経て動翼に案内した後、動翼を回転駆動させて燃焼ガスを膨張させ、熱エネルギーを回転の機械エネルギーに変え、同軸に設けられた発電機で発電する。
【０００３】
燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼および動翼などのガスタービン高温部品には、耐熱超合金が適用される。耐熱超合金として、一般に、Ｍｏ、ＷおよびＦｅ等の元素をマトリックスに固溶させて高温強度を向上させた固溶強化型合金が使用される。例えば、燃焼器ライナにはＮｉ基超合金またはＣｏ基超合金が用いられる。
【０００４】
ガスタービン燃焼器ライナは、約１ｍｍ〜２ｍｍ程度の圧延材を円筒状とした円筒部材を溶接にて接合し、部分的にろう付けを施した円筒状構造を有する。この燃焼器ライナの円筒内面には燃焼ガスの熱を遮蔽するセラミックコーティングが施されている。
【０００５】
ガスタービンの運転により、ガスタービン高温部品には種々の損傷がみられるが、特に、燃焼器ライナでは、運転中の燃焼振動による溶接部でのき裂が生じるとともに、腐食や酸化および材質劣化が生じる。このため、燃焼器ライナの保守管理は、約１年毎に定期的に検査して、き裂および摩耗等の溶接補修を行って再使用している。なお、き裂発生部は局部的ではあるが材質劣化が生じており、再使用後は材質劣化に起因してき裂が発生し易くなっている。材質劣化が広範囲で生じている場合には、上述した補修に加えて材質劣化部のみを機械的に切断し、新製交換または再生処理を施した後、再接合および再コーティングして燃焼器ライナを再使用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃焼器ライナに熱処理を施す際、材質劣化は回復するものの、部分的にろう付けされたろう材が溶融してしまうという問題を有していた。このため、ろう材の溶融を防止するために、あらかじめ材質劣化部のみを機械的に切断し、新製交換または再生処理を施した後再接合および再コーティングするため、再生に要するコストが過大となっていた。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ろう付け接合部を有する燃焼器ライナを対象として、燃焼器ライナを分解することなく材質劣化を回復させて新品と同等の材料特性を有し、コスト低減を図ったガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法および再生燃焼器ライナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、または、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料、のいずれか１種の材料からなるとともに、その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施すことより回復させるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記回復熱処理の温度は、燃焼器ライナの形状を維持する温度とし、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰囲気は不活性ガスまたは真空とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上とし、この回復熱処理と同時にろう付けを施すことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３に記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、前記回復熱処理の温度は、前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料の場合は、１１００℃以上１２００℃以下、前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料の場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、前記燃焼器ライナの材料が前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料である場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、または、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料のいずれか１つの材料からなるとともに、その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施されたことにより回復されたガスタービン燃焼器ライナにおいて、前記回復熱処理の温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰囲気は不活性ガスまたは真空であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の再生燃焼器ライナにおいて、前記再生燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上で、この回復熱処理と同時にろう付けを施したことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の再生燃焼器ライナにおいて、回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とする再生燃焼器ライナ。
【００１８】
高温下で使用される固溶強化型のガスタービン燃焼器ライナは、炭化物（主にＣｒ２３Ｃ６）の析出や成長および凝集粗大化が進むとともに、他の析出相（σ相：ＦｅＣｒ、μ相：Ｃｏ７Ｍｏ６）の析出が生じ、材質劣化が生じる。材質劣化に伴い本来の材料特性が損なわれ、起動および停止時における熱・歪みによる熱疲労損傷、または高・低サイクル疲労による損傷を受けている。このような劣化および損傷を受けた部材を回復させるため、材質劣化相が消失する材質劣化相の固溶温度以上で熱処理する必要がある。
【００１９】
しかしながら、一般に材質劣化相のマトリックス中への固溶温度がろう材の溶融開始温度とほぼ同等か、固溶温度が低い合金の場合には、材質劣化相の固溶温度以上で熱処理することで分解せずに回復が可能であるが、材質劣化相の固溶温度がろう材の溶融開始温度より高い場合には、ろう材の溶融が生じる。
【００２０】
そこで、材質劣化相の固溶温度がろう材の溶融開始温度より高い場合の燃焼器ライナにおいては、材質劣化相の固溶温度以上で熱処理することにより不可避的に生じるろう材の溶融をこの熱処理と同時にろう付けすることを可能としたものである。なお、ここで行う熱処理は、Ａｒガスにて急冷できる真空熱処理装置を用い、この容器中に部品をセットした後、一旦容器内を排気し、真空度を維持しつつ昇温し、所定の温度で材質劣化相のマトリックスへの完全固溶を図るものである。
【００２１】
熱処理温度は、前述した理由により析出物が固溶する温度以上である。しかし、過度に熱処理温度を上げることは、温度が高くなるにつれて部材の強度が低下して自重により変形を生じることから、回復熱処理時に設計上問題を生じるような変形を生じない強度を有する温度以下にする必要がある。
【００２３】
以下に、燃焼器ライナの回復熱処理方法およびその前後の手順を説明する。
【００２４】
まず、回復熱処理する部品に用いられる合金の材質劣化相の固溶温度を、その温度前後の温度に保持し急冷した試験材の組織観察により求める。この組織観察結果により回復熱処理の温度条件を設定する。
【００２６】
次に、真空中で回復熱処理を施すが、熱処理炉に部品を装填するにあたり、高温にて処理するため、部品が自重により変形しないように配列する。なお、部品の装填は炉の均熱帯に配列することが望ましい。炉に部品を装填した時点では雰囲気が大気であり、真空雰囲気で処理するため、まず、容器の真空引きを行い所定の温度まで昇温する。温度が所定に達した後、保持し、部品に用いられている材料の通常の冷却速度にてＡｒガスを吹き付けて熱処理を施す。
【００２７】
最後に、回復熱処理を施した後、目視検査、寸法検査等の非破壊検査を行う。
【００２８】
このような回復熱処理方法の手順により、ガスタービン燃焼器ライナに生じた材質劣化を回復することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図１５および表１〜表２を用いて説明する。
【００３０】
まず、ガスタービンの燃焼器ライナに適用されるＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金を試験材として、この試験材を人工劣化させた後、この人工劣化材に回復熱処理を施し、燃焼器ライナを回復する際に適用する温度条件を調査した。
【００３１】
Ｎｉ基超合金およびＣｏ基超合金として、表１に示すＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材を適用した。
【００３２】
【表１】
表１に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材の組成は、重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉである。
【００３４】
また、ＨＳ１８８材の組成は、重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏである。
【００３５】
このような化学組成を有するＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材を所定形状とし、Ｎｏ．１からＮｏ．８までの試験材とした。また同様に、ＨＳ１８８材を所定形状とし、Ｎｏ．９からＮｏ．１６までの試験材とした。その後、Ｎｏ．１からＮｏ．１６までの試験材を８５０℃の温度で１２０００時間加熱して人口的に劣化させた。ＨａｓｅｌｌｏｙＸの人工劣化材は炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）の他にもμ相（Ｃｏ７Ｍｏ６）が析出していた。また、ＨＳ１８８の人工劣化材は炭化物の他にもＬａｖｅｓ相（Ｃｏ２Ｗ）が析出していた。
【００３６】
次に、人工劣化させたＮｏ．１からＮｏ．１６までの試験材に、１０６０℃〜１２００℃の温度範囲内において、２０℃間隔で変化させた温度にて回復熱処理を施した。回復熱処理の保持時間は３０分とした。回復熱処理後、各試験材の断面組織観察を行い、材質劣化相の固溶の有無およびろう材の溶融の有無を調べた。この試験結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
表２に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材を１０６０℃および１０８０℃の温度で回復熱処理したＮｏ．１およびＮｏ．２の試験材は、材質劣化相が固溶していなかったが、１１００℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．３からＮｏ．８までの試験材は、全て材質劣化相の固溶が生じており組織の回復が認められた。一方、ＨＳ１８８の人工劣化材を１１６０℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．１４からＮｏ．１６までの試験材では、材質劣化相の固溶が生じており組織の回復が認められ、１１４０℃以上の温度で回復熱処理したＮｏ．１３からＮｏ．１６までの試験材は、ろう材の溶融が認められた。
【００３９】
次に、各回復熱処理材について室温にて引張り試験を行い、引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を測定した。その結果を図２に示す。
【００４０】
ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸおよびＨＳ１８８の試験材では、材質劣化が生じている回復熱処理前の室温での引張強さは、新材と比較して強度が上昇しており、逆に延性が顕著に低下したが、図２に示すように、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材では１１００℃以上、ＨＳ１８８材では１１６０℃以上で回復熱処理を施すことで、強度および延性の回復が認められた。
【００４１】
このような試験結果から、再生処理するＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の材質劣化相の固溶温度を、その温度前後の温度に保持し急冷した試験材の組織観察により求めることができ、この組織観察結果により再生処理を施す際、回復熱処理の温度条件を設定することができる。なお、本試験により適用した成分組成を有するＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材は、１１００℃から１２００℃までの温度範囲で、また、ＨＳ１８８材は１１６０℃から１２００℃までの範囲で回復熱処理するこが望ましい。
【００４２】
次に、実際に実プラントにおけるガスタービンの運用により設計寿命に達して廃却となった燃焼器ライナに回復熱処理を施し、以下に示す実施例１から実施例３までの試験を行った。
【００４３】
実施例１（図１、図３〜図７）
本実施例においては、実プラントで設計寿命に達して廃却となったＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ合金からなるガスタービン燃焼器ライナに回復熱処理を施した。なお、廃却となった燃焼器ライナの表面を鏡面に研磨してスンプ法にて組織観察したところ、炭化物の析出が生じており、材質劣化が認められた。
【００４６】
回復熱処理３時における温度、即ち、回復熱処理温度は上述した試験結果における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸの試験材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４およびＮｏ．５で適用した１１００℃、１１２０℃および１１４０℃とした。この温度にて回復熱処理３を施して回復熱処理品を得る。なお、試験材Ｎｏ．５の回復熱処理温度では、ろう材が溶融するため回復熱処理３と同時にろう付け接合部にろう材を装填し、ろう付けも兼ねて行う。なお、ろう付けには、重量％で、Ｃｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなるろう材を適用した。
【００４７】
このような回復熱処理を施して得られた燃焼器ライナの組織およびろう付け接合部を図３および図４に示す。
【００４８】
図３は、回復処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、３種類の回復熱処理品、新品および廃却品を比較して示す。
【００４９】
図３に示すように、新品５は、結晶粒内６に未固溶の炭化物７が析出していた。一方、実プラントの運用により廃却となった廃却品８は、結晶粒内６に未固溶の炭化物７のほかにも炭化物９が認められ、また結晶粒界１０にも炭化物１１の析出が多量に認められていた。これに対し、１１００℃、１１２０℃および１１４０℃の温度にて回復熱処理３を施した回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品５と同様の組織に回復していた。
【００５０】
図４は、燃焼器ライナのろう付け接合部を示す拡大図である。なお、このろう付け接合部についても、３種類の回復熱処理品、新品および廃却品を比較して示す。
【００５１】
図４に示すように、新品５は、円筒状の燃焼器ライナ本体１３の内側にスロットリング１４が設けられており、この燃焼器ライナ本体１３およびスロットリング１４の隙間には、ろう付けされたろう材１５が設置されている。さらに、燃焼器ライナ本体１３およびスロットリング１４の内面には、燃焼ガスの熱を遮蔽する遮熱コーティング１６が施されている。一方、廃却品８は、ろう材１５が部分的に溶けていた。これに対し、１１００℃、１１２０℃および１１４０℃の温度で回復熱処理した回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、全てろう材１５が一旦溶融していたものの、ほぼ新品５と同様の接合状態を呈していた。
【００５２】
さらに、各回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃについて室温にて引張試験を行い、引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を測定した。その結果を図５に示す。
【００５３】
図５に示すように、廃却品８は引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃでは組織と同様に強度と延性の完全回復が図られていた。なお、回復熱処理３を行う際には、内面に施したセラミックスコーティング層を除去せずに行った。コーティング層の構成元素と母材の構成元素とが相互拡散し、強度に寄与しない拡散層が生じていたが、図６に示すように、回復熱処理温度が１１４０℃と高い回復熱処理品１２ｃでも拡散層の厚さは１０μｍ程度であり、問題となる厚さとはならなかった。
【００５４】
さらに、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図７に示す。図７に示すように、各回復処理品１２ａ，１２ｂ，１２ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値１７ａと下限の許容値１７ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値１８ａと下限の許容値１８ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００５５】
実施例２（図１、図８〜図１１）
本実施例においては、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材とＨＳ１８８材とを溶接接合した燃焼器ライナに回復熱処理を施した。なお、実施例１と同一箇所には、同一符号を用いる。
【００５６】
実施例１と同様に燃焼器ライナ内面のセラミックスコーティング層を除去せず、図１のフローチャートに従い回復熱処理３を施した。回復熱処理温度は、前述したＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の試験で適用した試験材Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５およびＮｏ．１６の回復熱処理温度とした。具体的には、１１６０℃、１１８０℃および１２００℃とした。なお、ろう材はＮｉ基超合金およびＣｏ基超合金の試験結果を示す表２からも明らかなように、ろう材が溶融するため回復熱処理と同時にろう付け接合部にろう材を装填し、ろう付けも兼ねて行った。なお、ろう付けには、重量％で、Ｃｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなるろう材を適用した。
【００５７】
図８は、回復熱処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、新品１９、廃却品２０および３種類の回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃを比較して示す。
【００５８】
図８に示すように、廃却品２０のＨＳ１８８材の部位では粒内６に若干の炭化物９の析出が認められるものの、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材の部位では結晶粒界１０および粒内６に炭化物９の析出が多量に認められていた。これに対し、回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃは両材料の部位とも未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品１９の組織に回復していた。
【００５９】
図９は、ろう付け接合部の拡大図を示す。図９に示すように、各温度において回復熱処理を施した回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃともろう材１５が一旦溶融していたものの、ほぼ新品１９と同様の接合状態を呈していた。
【００６０】
図１０は、回復熱処理後の引張試験による引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図である。
【００６１】
図１０に示すように、廃却品２０はＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材の部位とも引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃは組織と同様に強度および延性の完全回復が図られていた。
【００６２】
さらに、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図１１に示す。図１１に示すように、各回復処理品２１ａ，２１ｂ，２１ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値２２ａと下限の許容値２２ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値２３ａと下限の許容値２３ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００６３】
実施例３（図１、図１２〜図１５）
本実施例においては、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材よりも燃焼温度が高いＨＳ１８８材の燃焼器ライナに回復熱処理を施した。実施例１および実施例２と同様に内面のコーティングを除去せず、図１のフローチャートに従い、回復熱処理３を施した。
【００６４】
図１２は、回復処理後の燃焼器ライナの組織を模式的に示す図である。なお、新品２２、廃却品２３および３種類の回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃを比較して示す。
【００６５】
図１２に示すように、廃却品２３では結晶粒界１０および粒内６に炭化物９，１１の析出が多量に認められていた。これに対し、回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃは未固溶の炭化物７のみが認められ、ほぼ新品２２の組織に回復していた。
【００６６】
図１３は、ろう付け接合部のろう材の断面組織を示す図である。図１３に示すように、各温度の回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃともろう材が一旦溶融していたものの、ほぼ新品２２と同様の接合状態を呈していた。
【００６７】
図１４は、回復熱処理後の引張試験による引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図である。
【００６８】
図１４に示すように、廃却品２３はＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材の部位とも引張強度の上昇と顕著な伸びの低下が生じていたのに対し、回復熱処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃは組織と同様に強度と延性の完全回復が図られていた。
【００６９】
また、回復熱処理３により得られた燃焼器ライナの全長および直径を計測した。この計測結果を図１５に示す。図１５に示すように、各回復処理品２４ａ，２４ｂ，２４ｃともほとんど変形がみられず、燃焼器ライナの全長についての上限の許容値１７ａと下限の許容値１７ｂとの範囲内であり、また、燃焼器ライナの直径についての上限の許容値１８ａと下限の許容値１８ｂとの範囲内となっており、燃焼器ライナの設計基準を満足していた。
【００７０】
本実施形態によれば、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上で回復熱処理を施すことにより、燃焼器ライナを分解することなく材質劣化を回復させて新品と同等の材料特性を有し、燃焼器ライナのコスト低減を図れる。また、燃焼器ライナの材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際には、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上とし、この回復熱処理と同時にろう付けを施すことで燃焼器ライナを再生することができる。このように燃焼器ライナを再生して再生燃焼器を再使用することで、燃焼器ライナの寿命向上を図れる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明におけるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法によれば、分解せずに再生できることから大幅にコスト低減を図れるだけでなく、再使用により寿命向上を図れる再生燃焼器ライナを得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態における回復熱処理およびその前後の処理の手順を示す図。
【図２】 本発明の実施形態における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材およびＨＳ１８８材に回復熱処理を施した後の引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図３】 本発明の実施例１における、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ合金からなる燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図４】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図５】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図６】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナに回復熱処理を施した後の拡散層厚さ（μｍ）の計測結果を示す図。
【図７】 本発明の実施例１を対象とした、燃焼器ライナに回復熱処理を施した後の変形計測結果を示す図。
【図８】 本発明の実施例２を対象とした、ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ材とＨＳ１８８材とを溶接接合した燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図９】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図１０】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図１１】 本発明の実施例２を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後の変形計測結果を示す図。
【図１２】 本発明の実施例３を対象とした、ＨＳ１８８材からなる燃焼器ライナの回復熱処理後の組織を示す模式図。
【図１３】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後のろう付け接合部を示す拡大図。
【図１４】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における引張試験結果の引張強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）および伸び（％）を示す図。
【図１５】 本発明の実施例３を対象とした、燃焼器ライナの回復熱処理後における変形計測結果を示す図。
【符号の説明】
１ 回復前検査
２ 損傷補修
３ 回復熱処理
４ 回復後検査
５ 新品
６ 結晶粒内
７ 未固溶の炭化物
８ 廃却品
９ 粒内の炭化物
１０ 結晶粒界
１１ 粒界の炭化物
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 回復熱処理品
１３ 燃焼器ライナ本体
１４ スロットリング
１５ ろう材
１６ 遮熱コーティング
１７ａ 燃焼器ライナの全長についての上限の許容値
１７ｂ 燃焼器ライナの全長についての下限の許容値
１８ａ 燃焼器ライナの直径についての上限の許容値
１８ｂ 燃焼器ライナの直径についての下限の許容値
１９ 新品
２０ 廃却品
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 回復熱処理品
２２ 新品
２３ 廃却品
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 回復熱処理品
Claims (7)
- 重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、
または、
重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、
もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料、のいずれか１種の材料からなるとともに、
その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、
この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施すことより回復させるガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、
前記回復熱処理の温度は、燃焼器ライナの形状を維持する温度とし、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰囲気は不活性ガスまたは真空とする
ことを特徴とするガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法。 - 前記燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上とし、この回復熱処理と同時にろう付けを施すことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法。
- 請求項２記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法において、
回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とするガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法。 - 前記回復熱処理の温度は、前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料の場合は、１１００℃以上１２００℃以下、
前記燃焼器ライナの材料が前記重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料の場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、
前記燃焼器ライナの材料が前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料である場合は、１１６０℃以上１２００℃以下、
であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のガスタービン燃焼器ライナの回復熱処理方法。 - 重量％で、Ｃ：０．０７％、Ｃｒ：２２％、Ｃｏ：１．５％、Ｆｅ：１．９％、Ｗ：０．７％、Ｍｏ：９％、Ｂ：０．００５％および残部がＮｉからなる成分で代表されるＮｉ基超合金材料、
または、
重量％で、Ｃ：０．１％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：１．５％、Ｗ：１４％、Ｂ：０．０１％、Ｌａ：０．０５％および残部がＣｏからなる成分で代表されるＣｏ基超合金材料、
もしくは前記Ｎｉ基超合金材料と前記Ｃｏ基超合金材料とを溶接接合した材料のいずれか１つの材料からなるとともに、
その内部にろう付けによる接合部を備えた筒状の燃焼器ライナであって、
この燃焼器ライナが高温下に晒されることによる材質劣化を熱処理を施されたことにより回復されたガスタービン燃焼器ライナにおいて、
前記回復熱処理の温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも低い温度で、かつ、燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相が固溶する温度以上とし、前記回復熱処理の処理雰 囲気は不活性ガスまたは真空である
ことを特徴とする再生燃焼器ライナ。 - 前記再生燃焼器ライナの使用により生じた材質劣化相の固溶温度が、接合部のろう材の溶融温度よりも高い燃焼器ライナに回復熱処理を施す際、回復熱処理の温度を材質劣化相の固溶温度以上で、この回復熱処理と同時にろう付けを施したことを特徴とする請求項５記載の再生燃焼器ライナ。
- 請求項６記載の再生燃焼器ライナにおいて、回復熱処理と同時に施すろう付けのろう材は、重量比でＣｒ：６〜２０％、Ｂ：４％以下、Ｓｉ：３〜１１％、Ｆｅ：５％以下、Ｃ：１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｃｏ：１％以下、Ｐｂ：０．５％以下、不可避的不純物および残部がＮｉからなることを特徴とする再生燃焼器ライナ。
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