JP4117208B2

JP4117208B2 - Ａｅ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法

Info

Publication number: JP4117208B2
Application number: JP2003094981A
Authority: JP
Inventors: 敏彦古江; 勝清水; 幸男今泉; 守彦前田; 俊克吉荒; 拓一今中
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Non Destructive Inspection Co Ltd
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Non Destructive Inspection Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301017A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＥ（Acoustic Emission）信号を用いた蒸気タービンの損傷形態判別方法に関する。さらに詳しくは、例えば、発電所のタービン設備で脱落酸化スケールに起因して発生するタービンブレードの亀裂、エロージョン（Solid Particle erosion、以下「ＳＰＥ」と略記）と軸受の焼付き等の如き損傷形態を判別する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所の蒸気タービン施設では、ボイラから蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物がタービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンブレードに衝突する。そして、異物の衝突によりこれらブレード等に亀裂、エロージョン等の損傷が生じることとなる。これらの損傷を評価する手法として、例えば、特許文献１ではタービンノズルやブレードの損傷評価方法が開示されている。しかし、ブレード損傷の場合と滑り軸受における焼付きの場合とで受信信号の周波数域が重複するため、同技術では両者を弁別できなかった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４０００３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる実状に鑑みて、本発明は、蒸気タービンにおける損傷の形態を判別可能なＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法を提供することを目的とする。さらに詳しくは、少なくともタービンブレードの損傷と軸受の焼付きとを弁別することが可能なＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る損傷形態判別方法の第一の特徴は、ＡＥ信号により対象物の損傷形態を判別する方法であって、前記ＡＥ信号の時系列波形の形状から抽出した波形形状パラメータの分布と損傷形態との相関関係を用いて前記蒸気タービンの損傷形態を判別することにある。
【０００６】
発明者らは、これらの損傷形態毎のＡＥ振幅の時系列波形形状の相違に着目し、波形形状の有効振幅と持続時間の比である波形形状パラメータ毎に発生度数の分布を求めた。求めた波形形状パラメータ分布は損傷形態毎に一定の傾向を示すことが確かめられ、この波形形状パラメータ分布と損傷形態との間には相関関係があることが判明した。
【０００７】
より具体的には、前記有効振幅を所定時間内におけるＡＥ信号強度の最大振幅値又は最大振幅値から所定の閾値を差し引いた値とし、前記持続時間を前記ＡＥ信号の最大振幅時から前記ＡＥ信号の振幅値が前記閾値まで減衰するに至るまでの減衰時間又は前記ＡＥ信号の振幅値が前記閾値を越え再び閾値まで減衰するに至るまでの時間とするとよい。
【０００８】
また、発明者らの実験によれば、前記波形形状パラメータの分布を波形形状パラメータに関して積分することで得られる波形形状パラメータ積分を各損傷形態毎に計算したところ、この波形形状パラメータ分布積分は損傷形態毎に特定の値を示すことが確かめられた。よって、上記特徴に加え、この波形形状パラメータ積分によっても損傷形態を判別することが可能である。
【０００９】
ところで、ＡＥ信号として、ブレードや軸受の損傷に起因する信号のみならず、電気ノイズや、弁音、軸受の回転音等が受信される。発明者らの実験によれば、ＡＥ信号の重心周波数等のＡＥパラメータの値とＡＥ振幅の二次元座標上へのプロットは、これらの音源や音源の損傷形態に依存する傾向が認められることが判明した。よって、上記特徴にかかる損傷形態判別方法による試験を行う前に、あらかじめ前記ＡＥ信号に基づく重心周波数等のＡＥパラメーターの値と前記ＡＥ信号の強度との相関により前記損傷の評価試験を行うとよい。この評価試験により、得られたＡＥ信号の音源等を把握し、この評価試験のみでは音源の損傷形態が明瞭に区別されない場合に、上記特徴にかかる損傷形態判別方法を用いた試験は極めて有用である。
【００１０】
上記いずれかに記載の特徴にかかる損傷形態判別方法により、前記蒸気タービンの流体による損傷と回転部分の損傷とを前記損傷形態として判別することができる。すなわち、前記流体中に分散するスケール等の粒子によりタービンブレードに生じる損傷と、回転部分である軸受に生じる損傷とを判別することができる。
【００１１】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係る損傷形態判別方法の特徴によれば、蒸気タービンにおける損傷形態を非破壊的手法により判別することが可能となった。これにより、例えばタービンブレードの重大損傷に起因するＡＥ信号と、滑り軸受の焼付きに起因するＡＥ信号を明瞭に判別でき、蒸気タービンの適切な保守・修繕を行うことが可能となった。
【００１２】
本発明の他の目的、構成、効果については、以下の「発明の実施の形態」の欄で明らかになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１に示すように、観測対象となる流体機械の一例である蒸気タービン１は、二カ所の基礎部２にそれぞれ外壁３が支持され、各基礎部２，２の近傍にそれぞれ配置された一対の滑り軸受４，４に対して主軸５が回転自在に支持されている。主軸５の図１左側には瓦斯タービンが接続される一方、主軸５の右端には発電器が接続される。
【００１４】
主軸５にはぞれぞれ高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８が設けられている。これら各ブレード群６，７，８は、複数のブレードを主軸５の周囲に並べてなるブレード段６ａ，７ａ，８ａを複数段主軸５の長手方向に並べて構成されている。
【００１５】
高圧ブレード群６にはボイラから高圧蒸気入口９を介して蒸気が供給され、主軸５を駆動回転させた後、高圧排気口１０を介して排気される。高圧排気口１０からの廃棄の一部はボイラで再熱されてから再熱蒸気入口１１を経て中圧ブレード群７に供給される。また、高圧排気口１０の残分は低圧蒸気入口１２を介して中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８に供給され、主軸５を駆動回転させて低圧排気口１３から排気される。本実施形態における「損傷」とは、ブレード等に生じる微細な亀裂やエロージョン等及び軸受４、４における焼付き等をいう。
【００１６】
蒸気タービン１をモニタするための損傷形態判別装置２０は、一対の第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２、インパルスハンマー２３及び判別ユニット３０を備えている。第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２は広帯域型であり、各軸受４，４近傍の外壁３にエポキシ樹脂等の接着剤で固定してある。そして、高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８から生じるＡＥ（アコースティックエミッション）を主軸５，軸受４を介してそれぞれ受信し、同時に各軸受４，４から発生するＡＥも受信する。インパルスハンマー２３は高圧ブレード群６のブレードを打撃するためのものであって。打撃時のパルスを内蔵された加速度センサーにより受信し、判別ユニット３０に送信する。
【００１７】
判別ユニット３０は図２に示すように、第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２にそれぞれ並列に接続されたプリアンプ２４，２４及びフィルター２５，２５を備えている。フィルター２５は各周波数帯毎に信号を増減させることの可能なディスクリミネーターであって、必要な周波数帯を適宜選択する。第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２，インパルスハンマー２３の出力はレコーダー２６を介して記録媒体２７に一旦記憶され、又は直接的にパーソナルコンピューター２８に送られ、処理される。
【００１８】
ボイラや配管の内面に付着し脱落する酸化スケール等は、高圧ブレード群６、中圧ブレード群７及び低圧ブレード群８のブレードに衝突し、これらに損傷を与える。特に、高圧高速で最もスケールに侵食され易いのは、高圧ブレード群６の高圧入口ブレード段６ｘであることが判明した。また、高圧入口ブレード段６ｘから損傷（侵食）時に生じるＡＥが最もＡＥエネルギーが大きいと判明した。
【００１９】
したがって、第一ＡＥセンサー２１，第二ＡＥセンサー２２による高圧入口ブレード段６ｘからのＡＥをモニタするには、高圧入口ブレード段６ｘから生じるＡＥを第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２のそれぞれにより一定レベルで捕捉するように受信感度を補正すればよい。具体的には、インパルスハンマー２３で高圧入口ブレード段６ｘのブレードを打撃したときにインパルスハンマー２３により受信される入射波の振幅を入射振幅Ｈｉとする。また、第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２それぞれにより受信される受信波の振幅を受信振幅Ｈｒとする。各第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２の減衰率Ｑは次式により求められる。
【００２０】
Ｑ＝Ｈｒ／Ｈｉ
【００２１】
かかるＱを外壁３に取り付けられた第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２についてそれぞれ求める。そして、第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２による受信信号の振幅にＱを乗じて感度補正（減衰補正）を行うことで、高圧入口ブレード段６ｘのＡＥ信号を第一ＡＥセンサー２１及び第二ＡＥセンサー２２の双方により同レベルで確実に捕らえることができる。
【００２２】
一方、固体粒子の衝突によるＡＥ信号を検出するために、図３に示す粒子衝突装置４０を用いた実験を行った。試験体としてタービンブレードの材料である１２ＣｒＭｏＶの切片４１を用い、この試験体４１に対して粒子銃４３から発射される直径１〜２ｍｍのＣｒ・Ｍｏ鋼球を衝突させた。この試験体４１表面に配置してあるＡＥセンサー４２によりＡＥ信号の連続計測を行った。そして、上述の蒸気タービン１にセンサーを取付た場合と同様にして、受信したＡＥ信号は、上述の図２と同様の判別ユニット５０により処理される。
【００２３】
図４は、図１に示す蒸気タービン１実機に設けた損傷形態判別装置２０の計測結果と、図３に示す衝突実験装置４０を用いた鋼球試験の計測結果とを用いた損傷マップである。同損傷マップは、横軸を重心周波数、縦軸を受信信号の振幅強度とする二次元座標上のグラフに各タービンでの計測結果（但し、ＡＥ振幅は減衰率で補正）をプロットしたものである。なお、重心周波数は、衝突等により生じたＡＥ信号を一定時間サンプリングし、その周波数スペクトルを用いて重心となる周波数を求めたものである。縦軸の受信信号強度は上記減衰補正を施した信号強度である。
【００２４】
同図において、信号群Ａ１は、電気ノイズに起因するものであって、重心周波数１８０〜３８０ｋＨｚ程度であるが、受信振幅は低い。信号群Ａ２は通常弁音等の運転音、信号群Ａ３は弁の開閉音であり、いずれも重心周波数１７０ｋＨｚ以下である。信号群Ａ４は、上記軸受４の正常作動時の回転音に起因する。信号群Ａ５は上記軸受４，４より発生する軸受の片当たり等のノイズに起因する。
【００２５】
信号群Ａ６はスケールが発生した場合であり、このスケールに起因して亀裂やエロージョンが進行するため、同信号群は侵食の予兆現象として捕らえられる。そして、侵食が実際に進行する重大損傷の場合には、信号群Ａ６と同程度でさらに高強度の信号である信号群Ａ７の信号群として受信されることとなる。したがって、信号群Ａ６，Ａ７に着目することにより、発生したＡＥは、タービンの種類に依存せずタービンの状態（正常運転状態・損傷の予兆段階・損傷段階など）により、座標中で識別可能であり、損傷の予兆現象及び重大損傷を捕えることが可能であることがわかる。このように、得られた実機の損傷領域は、実験結果と一致した。
【００２６】
ところで、信号群Ａ８は軸受４の潤滑不良による焼付きに起因するＡＥである。この信号群Ａ８は、重大損傷発生時の信号領域Ａ７に一部重複する。したがって、スケール等の衝突によるタービンの動・静翼の損傷と、軸受４、４の焼付きとのいずれが生じているか明瞭に区別できない場合があり、不都合を生じる。そこで、以下、これらの損傷形態を判別するための手法について説明する。
【００２７】
粒子衝突等に起因するＡＥ信号は、図５に示す信号波形Ｗ１の如く、突発型のＡＥ波形を呈する。一方、エロージョン等が進行しているブレードや焼付きが進行している滑り軸受に起因するＡＥ信号は、図５に示す信号波形Ｗ２の如く、比較的持続時間が長い連続型の波形を呈する。また、ピーク振幅以降の振幅値の減少は、連続型波形になるほど遅くなる。この波形形状の相違を数値化するために、有効振幅Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）および減衰持続時間Ｔ（Ｔ１，Ｔ２）を用いて、波形の形状を表すパラメーターとして波形形状パラメータｓを次式により定義した。
【００２８】
ｓ＝Ｔ／Ｈ・・・（１）
【００２９】
本実施形態では、有効振幅Ｈとして、所定の持続時間内におけるＡＥ信号の最大振幅から所定の閾値Ｌを差し引いた値を用いた。この閾値Ｌを差し引くことで、バックグラウンドノイズを除去してある。また、減衰持続時間Ｔとして、最大振幅時からＡＥ信号の振幅値が閾値Ｌを示すまでの時間を用いた。図５に示す信号波形Ｗ１、Ｗ２にあっては、この波形形状パラメーターは、それぞれ、ｓ１＝Ｔ１／Ｈ１、ｓ２＝Ｔ２／Ｈ２となり、連続型波形になるほど、これらの数値ｓ１，ｓ２は増大する。なお、波形形状パラメーターはＴとＨとの比であればよく、Ｈ／Ｔとして定義しても構わない。
【００３０】
図６は、上記式（１）により求めた波形形状パラメータｓの構成比分布を損傷形態毎にプロットしたものである。図中、四角印は上記硬球試験による侵食テストのＡＥ、三角印は上記実機によるＳＰＥのＡＥ、菱形は正常な軸受のＡＥ、丸印は軸受の焼付きによるＡＥにそれぞれ相当する。縦軸の構成比は、閾値Ｌを越えた図５の信号波形Ｗ１，Ｗ２を１カウントとし、０．１刻みで横軸に示された波形形状パラメーター毎にカウントを積算し、最大値を１とした相対度数表示である。同プロットより、硬球侵食及びＳＰＥのＡＥは軸受のＡＥと明らかに異なることが理解され、また、正常な軸受と焼付き軸受とは明らかに異なることが理解される。すなわち、波形形状パラメータｓの分布は、種々の損傷形態毎に異なった傾向を示し、波形形状パラメータｓは、損傷形態を判別するパラメータとして利用可能であることが判明した。
【００３１】
ここで、図６に示す波形形状パラメータｓの分布を数値化して表現するために、各損傷毎の波形形状パラメータｓと構成比との相関を示す関数ｆ（ｓ）を、波形形状パラメータｓに関して積分することで得られる波形形状パラメータ積分Ｓを式（２）で定義する。
【００３２】
Ｓ＝∫ｆ（ｓ）ｄｓ・・・（２）
【００３３】
図７は、式（２）で得られた波形形状パラメータ積分ＳとＡＥ振幅との関係を示すものである。同図によれば、損傷形態毎の波形形状パラメータ積分Ｓは、ＡＥ振幅に依存しないことがわかる。また、この波形形状パラメータ分布面積は重心周波数に依存しない。よって、この波形形状パラメータ積分Ｓの値により各損傷形態をより明瞭に判別可能であることが判明した。このように、図４，６，７を併用することで、損傷形態を明瞭に判別することが可能である。
【００３４】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。なお、以下の各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよい。
上記実施形態では、軸受４として滑り軸受を例示した。しかし、軸受はこれに限られず、転がり軸受にも適用でき、スラスト型又はラジアル型のいずれであってもよい。
【００３５】
上記実施形態では、ＡＥセンサ２１，２２を二カ所に取り付けたが、高圧入口タービン６ｘのみを評価するのであれば、単一のＡＥセンサを取り付けるのみでも構わない。また、逆に、ＡＥセンサを３カ所以上に離隔させて取り付けても良い。
【００３６】
上記実施形態では、ＡＥ信号の強度として、「振幅強度」を用いたが、例えば、振幅強度を積分して求められる「ＡＥエネルギー強度」を用いてもよい。
【００３７】
上記実施形態では、損傷マップを作成するに際のパラメータとして「重心周波数」を用いた。しかし、例えば、受信信号の「平均周波数」や「ピーク周波数」といった種々の周波数を用いて解析する実施形態も考えられる。
【００３８】
上記実施形態における重心周波数や受信振幅等の具体的数値はあくまでも例示に過ぎず、ＡＥセンサの特性によっても変化する。したがって、本発明はこれらの例示した数値に限定されるものではない。
【００３９】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る判別方法の対象となる蒸気タービンとＡＥセンサー等の関係を示す概略図である。
【図２】本発明に係る蒸気タービン損傷形態判別方法を実施するための判別装置のブロック図である。
【図３】固体粒子衝突試験装置の概略図である。
【図４】重心周波数とＡＥ信号強度との関係を示すグラフである。
【図５】信号波形から波形形状パラメータを定義するための説明図である。
【図６】波形形状パラメータの構成比分布を示すグラフである。
【図７】波形形状パラメータ分布積分とＡＥ振幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
１：蒸気タービン、２：基礎部、３：外壁、４：軸受、５：主軸、６高圧ブレード群，６ａ：ブレード段、６ｘ：高圧入口ブレード段、７：中圧ブレード群、７ａ：ブレード段、８：低圧ブレード群、８ａ：ブレード段、９：高圧蒸気入口、１０：高圧排気口、１１：再熱蒸気入口、１２：低圧蒸気入口、１３：低圧排気口、２０：損傷形態判別装置、２１：第一ＡＥセンサー、２２：第二ＡＥセンサー、２３：インパルスハンマー、２４：プリアンプ、２５：フィルター、２６：レコーダー、２７：記録媒体、２８：パーソナルコンピューター、３０：判別ユニット、４０：衝突実験装置、４１：試験体、４２：ＡＥセンサー、４３：粒子銃、５０：判別ユニット、Ｌ：閾値

Claims

ＡＥ信号により蒸気タービンの損傷形態を判別する方法であって、前記ＡＥ信号の時系列波形の形状（Ｗ１，Ｗ２）から抽出した波形形状パラメータ（ｓ）の分布と損傷形態との相関関係を用いて前記蒸気タービンの損傷形態を判別することを特徴とするＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。
前記波形形状パラメータ（ｓ）が、前記波形形状の有効振幅（Ｈ１，Ｈ２）と持続時間（Ｔ１，Ｔ２）の比で与えられることを特徴とする請求項１に記載のＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。
前記有効振幅（Ｈ１，Ｈ２）が所定時間内におけるＡＥ信号強度の最大振幅値又は最大振幅値から所定の閾値（Ｌ）を差し引いた値であると共に、前記持続時間（Ｔ１，Ｔ２）が前記ＡＥ信号の最大振幅時から前記ＡＥ信号の振幅値が前記閾値（Ｌ）まで減衰するに至るまでの減衰時間又は前記ＡＥ信号の振幅値が前記閾値（Ｌ）を越え再び閾値（Ｌ）まで減衰するに至るまでの時間であることを特徴とする請求項２に記載のＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。
前記波形形状パラメータ（ｓ）の分布を波形形状パラメータ（ｓ）に関して積分することで得られる波形形状パラメータ積分（Ｓ）により損傷形態を判別することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。
あらかじめ前記ＡＥ信号に基づく重心周波数等のＡＥパラメーターの値と前記ＡＥ信号の強度との相関により前記損傷の評価試験を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。
前記蒸気タービンの流体によるタービンブレードの損傷と軸受の損傷とを前記損傷形態として判別することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＡＥ信号による蒸気タービンの損傷形態判別方法。