JP4593862B2 - 溶接構造タービンロータの溶接継目の超音波検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、第１部分ロータが第２部分ロータに、ロータ軸線に対して垂直な溶接継目によって、中空室を封じ込めた状態で、ロータの周りを環状に延びる溶接面に沿って溶接されている、ロータ軸線に沿って延びる溶接構造タービンロータの溶接継目の超音波検査方法に関する。
【０００２】
１９８６年、シュプリンガー出版社（ベルリン）のＪ．＆Ｈ．クラウトクレメル著の本「ベルクストッフプルュフング ミット ウルトラシャル(Werkstoffpruefung mit Ultraschall ＝超音波による材料検査)」の第１１０〜１１１頁に、送信検査ヘッドと受信検査ヘッドとによって、ワークにおける内面での反射を利用して、ワーク部位を超音波検査する方式が記載されている。その場合、ワークの両側に検査ヘッドが、その両検査ヘッドが互いに対向して位置するように、配置されている。送信検査ヘッドは超音波信号を被検査面に向けて送信し、超音波信号はその被検査面で受信検査ヘッドに向けて反射される。両検査ヘッドがワークの同じ側に連続して配置されるタンデム方式で検査することもできる。その場合、ワーク背面が第２反射のために利用される。しかし、ワークの片側にしか接近できず、タンデム方式における補助反射に対する適当な背面が存在しないとき、上述の方法は利用できない。
【０００３】
本発明の課題は、溶接継目における材料欠陥の広がりを量的に評価できるようなタービンロータの溶接継目の超音波検査方法を提供することにある。
【０００４】
この課題は、第１部分ロータが第２部分ロータに、ロータ軸線に対して垂直な溶接継目によって、中空室を封じ込めた状態で、ロータの周りを環状に延びる溶接面に沿って溶接されている、ロータ軸線に沿って延びる溶接構造タービンロータの溶接継目の超音波検査方法において、超音波送信器および超音波受信器が、第１部分ロータの範囲においてロータ表面上に、ロータ軸線に対して対称に配置され、超音波信号が超音波送信器から溶接継目に向けて送信され、そこに存在する材料欠陥から超音波受信器に向けて反射され、前記溶接継目における材料欠陥の欠陥位置を欠陥信号によって測定する際、その欠陥位置が、超音波送信器および超音波受信器の欠陥位置測定時における測定位置によって表され、超音波送信器あるいは超音波受信器がそれぞれの測定位置から動かされ、動かされた測定位置での測定によって生ずる欠陥信号の変化から、材料欠陥の向きが検出されることによって解決される。
【０００５】
溶接構造タービンロータは複数の部分ロータを溶接して構成されている。これらの部分ロータはそれぞれ溶接面に環状突出部を有している。その突出部は通常、半径方向内側にさらに、溶接継目のつけ根の機械的負荷を軽減するための負荷軽減膨出部を有している。部分ロータにおける溶接突出部の半径方向内側面が大きく湾曲している幾何学形状のため、溶接継目部位に、その溶接継目をタンデム方式で超音波検査するために利用できる背面壁は存在しない。また、部分ロータが中空室を形成した状態で溶接されるために、ロータ表面と反対側の内側面に接近できないので、上述の反射方法は欠陥の量的解析に利用できない。従って、従来において、溶接継目の超音波検査は、考え得る材料欠陥の存在をパルス反射技術で認識する単一の音波検査ヘッドによる純粋な質的情報に限られていた。しかしそのような質的情報では、溶接継目の実際の質についての情報に対して十分でない。破損の危険を確実に排除するために、材料欠陥の広がりを示し評価する必要がある。これは本発明によってはじめて行える。適当な反射背面壁が利用できないにもかかわらず、またタービンロータの内側面に、即ち溶接後の中空室に接近できないにもかかわらず、タービンロータの回転対称を利用して、２個の検査ヘッドを備えた送信器・受信器技術が使用される。そのために、検査ヘッドがロータ表面上にロータ軸線に対して対称に配置される。これによって、検査ヘッドの測定位置は、溶接継目への音波照射点とで、ロータ軸線に対して平行に延び従って溶接継目に対して垂直に延びる平面を形成する。従って、入射超音波信号と溶接面への垂線との成す角度は、この垂線と超音波信号との成す反射角と同じである。このように規定された幾何学形状において、公知の鏡技術のように、位置測定された材料欠陥の欠陥評価を行うことができる。しかしこの場合に全く新たなことは、通常の鏡技術のように、検査ヘッドが被検査体の両側に配置されていないことである。タービンロータの回転対称を利用して、検査ヘッドを部品の同一面上に、即ちロータ表面上に配置することによって、鏡技術が思いがけずに適用できる。
【０００６】
好適には、超音波送信器および超音波受信器は、ロータ表面上においてロータ軸線に対する対称配置を維持した状態で、溶接継目全体が少しずつ超音波信号を受けるように、移動される。このような検査ヘッドの配置によって、適当な変位によって、溶接継目全体を検査することができる。そのために、検査ヘッドは円周方向に移動され、即ち、相対的に接近あるいは離隔される。これにより、溶接継目深さを走査できる。更に、検査ヘッドはその相対間隔を維持した状態で円周方向に移動できる。これは溶接継目の円周方向への走査に使われる。検査ヘッドの動きに対する別のパラメータは軸線方向運動であり、即ち、検査ヘッドは相対間隔変化なしに、ロータ軸線に沿って移動される。これは、溶接継目厚さの走査に使われる。これらの運動様式の適当な順番および組合せによって、溶接継目面全体が少しずつ超音波検査される。
【０００７】
好適には、超音波送信器が超音波受信器としても設計され、超音波送信器が場合によっては同時に実施される補助検査過程においてパルス信号を送信し、その反射信号を受信する。この超音波送信器の補助的なパルス反射技術は、上述したように、送受信技術に対してシーケンス的に行われるか、あるいは多チャネル検査装置として形成された超音波送信器の場合も送受信技術と並行して行われる。補助的なパルス反射技術によって、材料欠陥のむしろ容積的な特徴あるいはむしろ平面的な特徴についての情報が得られる。これによって、上述したように送受信技術によって得られる材料欠陥の平面的広がりについての情報と共に、材料欠陥についての質的情報を一層細密にすることができる。好適には同じように、超音波受信器が超音波送信器としても設計されている。
【０００８】
好適には、超音波受信器及び／又は超音波送信器はグループ放射器として形成され、これによって、超音波信号に対して種々の受信角ないしは入射角が電子式に設定できる。
【０００９】
溶接継目における材料欠陥の位置測定は、超音波送信器および超音波受信器のそれぞれ対応した欠陥位置を決定する。それぞれの欠陥位置は、材料欠陥の位置測定時に取っている超音波送信器および超音波受信器の位置である。好適には、超音波送信器あるいは超音波受信器は、局所的にそれぞれの欠陥位置の周りを移動される。この局所的な変位によって生ずる欠陥信号の変化から、材料欠陥広がりの量的検出に加えて、材料欠陥の向きが検出される。換言すれば、まず上述したように、材料欠陥の平面的広がりの位置測定および評価が行われる。そして、平面的な材料欠陥の向きについての情報を補助的に得るために、超音波受信器あるいは超音波送信器が、欠陥信号が発信されている欠陥位置の周りを移動され、超音波信号が異なった角度で受信ないしは送信される。即ちこの場合、ロータ軸線に対する検査ヘッドの厳格な対称配置は存在せず、従って、送信超音波信号および受信超音波信号に対する精確な鏡面対称は存在しない。中央欠陥位置を中心とした角度状態の局所的変化によって、平面的な材料欠陥が溶接面に対してどのように向いているかについての情報が得られる。これによって、欠陥評価の一層の細密化が達成される。
【００１０】
好適には、本発明に基づく方法は、第１部分ロータが第２部分ロータとは異なった材料から成っているタービンロータに適用される。正にそのように材料を組み合わされている場合、溶接継目に、その溶接結合の強度について危険であると評価される材料欠陥が生ずる。即ち正にここでは、材料欠陥の質的評価が重要である。
【００１１】
好適には、溶接継目は第１部分ロータの溶接突出部と第２部分ロータの溶接突出部との間に位置している。
【００１２】
好適には、タービンロータは蒸気タービンロータとして形成されている。
【００１３】
以下において図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１４】
図１には、蒸気タービンロータ１の一部が縦断面図で示されている。蒸気タービンロータ１はタービン軸線３に沿って延び、ロータ表面５を有している。第１部分ロータ７が第２部分ロータ９に溶接継目１１で溶接されている。溶接継目１１は環状溶接面１３に沿って延びている。溶接継目１１は第１部分ロータ７の溶接突出部１８と第２部分ロータ９の溶接突出部２０との間に位置している。両溶接突出部１８、２０はそれぞれの部分ロータ７、９の円周に沿って環状に延びている。溶接突出部１８、２０はその半径方向内側部位に負荷軽減膨出部１７、１９を有している。これらの負荷軽減膨出部１７、１９は溶接継目１１の半径方向内側膨出部の機械的負荷を軽減するために使われる。溶接継目１１は、第１部分ロータ７に隣接して第１溶接継目面１１Ａを有し、第２部分ロータ９に隣接して第２溶接継目面１１Ｂを有している。正にこれらの溶接継目面１１Ａ、１１Ｂの範囲に材料欠陥が生ずることがある。この材料欠陥は、亀裂形成を助長し、最悪の場合には溶接結合を損傷させる。従って、溶接継目１１のそのような材料欠陥１６について検査する必要がある。その場合、亀裂伝播の恐れは、材料欠陥１６の大きさおよび形状に大きく左右され、例えば平面的な材料欠陥の場合、気泡状の材料欠陥１６の場合よりも、その恐れは極めて大きいので、材料欠陥１６の単なる存在を検出するだけでは不十分である。しかし溶接結合の範囲における部分ロータ７、９の幾何学形状のために、材料欠陥１６の量的評価ができる通常の超音波検査技術を利用することができない。部分ロータ７、９の広がりのために、超音波を垂直に入射することができない。また溶接によって形成された中空室１５に溶接後は接近できないので、検査ヘッドを、一方ではロータ表面５に、他方では中空室１５側の表面に、互いに対向して配置して構成される鏡技術を利用することもできない。ロータ表面５上に連続して配置された２個の検査ヘッドによるタンデム式検査技術は、このタンデム式検査技術にとって必要な反射に対して適当な背面壁が利用できないので排除される。従って従来、ロータ表面５に超音波を入射する単一の検査ヘッドのパルス反射検査技術により、材料欠陥１６の単なる存在を検出することで済まされねばならなかった。溶接継目１１の超音波評価検査がどのように行われるかについて、以下において詳細に説明する。
【００１５】
図２には、片側端に環状溶接継目１１が存在している第１部分ロータ７が斜視図で示されている。分かり易くするために、その溶接継目１１で第１部分ロータ７に溶接される第２部分ロータ９は示されていない。第１部分ロータ７のロータ表面５上に超音波送信器２１が配置されている。同様に第１部分ロータ７のロータ表面５上に、ロータ軸線３に対して対称に、超音波受信器２３が配置されている。超音波送信器２１によって溶接継目１１に向けて超音波信号２５が送信される。溶接継目１１における超音波信号２５の衝突点２４から、超音波受信器２３に向けて超音波信号２５が反射される。ロータ表面５上における超音波送信器２１および超音波受信器２３の支持点は、衝突点２４と共通の平面内に位置している。この共通の平面Ｅはロータ軸線３に対して平行に延びている。このように形成された鏡技術によって、ロータ表面５の曲率を利用して、所定の角度状態に基づいて、材料欠陥の広がりについて評価できる検査技術が提供される。
【００１６】
図３には、図２における配置構造の平面図で、超音波送信器２１および超音波受信器２３のロータ軸線３に対して対称な配置構造が示されている。
【００１７】
図４には、図２における配置構造の側面図が示されている。ここでは超音波受信器２３しか示されていない。この超音波受信器２３は同時に超音波送信器としても形成されている。超音波受信器２３はこの送信器特性によって、溶接継目１１にパルス信号３１を送信する。その反射信号３３が超音波受信器２３によって受信される。このパルス反射方式によって、材料欠陥１６が、図２で述べたような方法で得られた結果と共に、その欠陥種類について、即ちむしろ容積的な欠陥であるか、むしろ平面的な欠陥であるかについて、評価される。同じようにして、超音波送信器２１も補助的に超音波受信器として形成されている。超音波送信器２１ないしは超音波送信器２３の多チャネル形態において、パルス反射方式は、図２で説明したように、送受信技術と並行して実施される。
【００１８】
図５には、材料欠陥１６の評価を細密にする補助方法が示されている。図２に相当した配置構造の平面図において、超音波送信器２１および超音波受信器２３は、欠陥位置Ｆに材料欠陥１６が検出されているそれぞれの測定位置Ｍ１、Ｍ３に示されている。いま、超音波送信器２１が測定位置Ｍ１から補助測定位置Ｍ２に動かされ、別の超音波信号２５Ａが異なった角度で欠陥位置Ｆに送信される。即ち、反射信号２５Ａは溶接継目１１に対し角度βを有し、この角度βは、対称位置において入射された超音波信号２５の角度αとは異なっている。これによって、超音波受信器２３における信号高さは、超音波送信器２１の補助測定位置Ｍ２に関係して、および材料欠陥１６の向きに関係して、変化する。これによって、材料欠陥１６の向きについての情報が得られる。
【００１９】
上述の測定技術によって、溶接継目１１全体を検査することも勿論できる。このために、超音波送信器２１および超音波受信器２３はタービン軸線３に対してその対称配置を維持しながら移動される。この移動は、超音波送信器２１と超音波受信器２３との一定間隔を維持して、タービンロータ１の周りに円周方向にあるいはタービン軸線３に対して平行に行われる。しかし、超音波送信器２１および超音波受信器２３は、相互に接近あるいは離隔することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 溶接構造蒸気タービンロータの一部縦断面図。
【図２】 溶接構造蒸気タービンロータの溶接継目の超音波検査方式の斜視図。
【図３】 図２における配置構造の平面図。
【図４】 図２における配置構造の側面図。
【図５】 材料欠陥の向きの検出方式の説明図。
【符号の説明】
１ 蒸気タービンロータ
３ ロータ軸線
５ ロータ表面
７ 第１部分ロータ
９ 第２部分ロータ
１１ 溶接継目
１３ 溶接面
１６ 材料欠陥
２１ 超音波送信器
２３ 超音波受信器
２５ 超音波信号
３１ パルス反射信号
３３ パルス反射信号

Claims (9)

1. 第１部分ロータ（７）が第２部分ロータ（９）に、ロータ軸線（３）に対して垂直な溶接継目（１１）によって、中空室（１５）を封じ込めた状態で、ロータの周りを環状に延びる溶接面（１３）に沿って溶接されている、ロータ軸線（３）に沿って延びる溶接構造タービンロータ（１）の溶接継目（１１）の超音波検査方法において、超音波送信器（２１）および超音波受信器（２３）が、第１部分ロータ（７）の範囲においてロータ表面（５）上に、ロータ軸線（３）に対して対称に配置され、超音波信号（２５）が超音波送信器（２１）から溶接継目（１１）に向けて送信され、そこに存在する材料欠陥（１６）から超音波受信器（２３）に向けて反射され、前記溶接継目（１１）における材料欠陥（１６）の欠陥位置（Ｆ）を欠陥信号によって測定する際、その欠陥位置（Ｆ）が、超音波送信器（２１）および超音波受信器（２３）の欠陥位置測定時における測定位置（Ｍ１、Ｍ３）によって表され、超音波送信器（２１）あるいは超音波受信器（２３）がそれぞれの測定位置（Ｍ１、Ｍ３）から動かされ、動かされた測定位置での測定によって生ずる欠陥信号の変化から、材料欠陥（１６）の向きが検出されることを特徴とする溶接構造タービンロータの溶接継目の超音波検査方法。
2. 超音波送信器（２１）および超音波受信器（２３）が、ロータ表面（５）上においてロータ軸線（３）に対する対称配置を維持した状態で、溶接継目（１１）全体が少しずつ超音波信号（２５）を受けるように、移動されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 超音波送信器（２１）が超音波受信器（２３）としても設計され、超音波送信器（２１）が補助検査過程においてパルス信号（３１）を送信し、その反射信号（３３）を受信することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 超音波受信器（２３）が超音波送信器（２１）としても設計され、超音波受信器（２３）が補助検査過程においてパルス信号（３１）を送信し、その反射信号（３３）を受信することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 超音波受信器（２３）がグループ放射器として形成されて、超音波信号（２５）に対する種々の受信角（α、β）が電子式に設定できることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 超音波送信器（２１）がグループ放射器として形成されて、超音波信号（２５）に対する種々の照射角（α、β）が電子式に設定できることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 第１部分ロータ（７）が第２部分ロータ（９）とは異なった材料から成っていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 溶接継目（１１）は、第１部分ロータ（７）の溶接突出部（１８）と第２部分ロータ（９）の溶接突出部（２０）との間に位置していることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. タービンロータ（１）が蒸気タービンロータとして形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。

Images