JP5185902B2 - タービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関するものであり、特に、対面するロータディスクの両端面に設けた探触子を用いたタービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。

被検査物を物理的に破壊することなく材料内部の亀裂などを検出する非破壊検査の１つとして超音波探傷検査が知られている。

超音波探傷検査の使用形態の一例として、蒸気タービン翼溝部に発生する亀裂の検出が挙げられる。
タービンのロータディスクの一形態として、周方向に翼溝が彫られたものがある。このような形態のロータディスクにおいては反射波を受信することが容易であるため超音波探傷検査の実施も難しくはなく、ロータディスクの周方向に翼溝が彫られたタービン翼においては、亀裂や腐食などの欠陥の検出のための超音波探傷検査が実用化されている。

しかしながら、翼溝がロータディスクの径方向に彫られた形態のロータディスクにおいては、亀裂や腐食などの欠陥の検出のために超音波探傷試験を実施する場合、反射波を直接受信することが難しい。そのため、翼溝が径方向に彫られた形態のロータディスクにおいては、超音波探傷検査によって亀裂などの欠陥を検出することが困難である。
例えば翼溝上部からの斜角探傷法を実施する場合には、動翼間に探触子を設置する必要があるため、検査員の手の届く範囲にしか探触子を設置することができない。そのため、検査員の手の届く範囲しか超音波探傷検査を実施することができず、翼溝全面を探傷することができない。特に、中・小型のタービンロータでは、動翼間隔が狭く探触子の設置が不可能な場合すら有る。

そこで、翼溝が周方向に彫られた形態のロータディスクにおいても超音波探傷検査によって亀裂や腐食などの欠陥を検出する技術が、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示された技術は、２探触子を用いた翼溝端部からのピッチキャッチ法による超音波探傷検査に関する技術であり、詳しくは長さ方向に平行な欠陥を有する翼溝歯部の両翼溝端面の一方に屈折角１０〜４０°の発信側縦波斜角探触子、他方に同様な受信側縦波斜角探触子をそれぞれ設置し、翼溝壁面で１回反射した後縦波のまま伝搬する壁面反射波の伝搬時間と、翼溝壁面で１回反射した後横波に変換した壁面欠陥反射波が欠陥で反射し翼溝壁面まで伝搬した後再び縦波にモード変換して受信されるまでの伝搬時間との時間差により欠陥を検出するものである。

また、特許文献２には、探触子位置を固定してロータを回転させることで、探触子をロータの周方向に沿わせて相対移動させ超音波探傷試験を半自動化した技術が開示されている。

特開平５−２８８７２３号公報 特許第３３９０７４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、翼溝歯部の端面に探触子を設置する必要があるため、翼溝が小さい中・小型のロータでは探触子を設置することができない。そのため、特許文献１に開示された技術は翼溝が大きなロータディスクに適用可能であるに留まり、技術の適用範囲が狭いという課題が残る。

また、特許文献２に開示された技術においては、探触子位置を固定し、ロータを回転させて探傷するために、ロータを回転させることのできる架台などの補助用の器具が必要であるため、超音波探傷検査を行うために必要な道具、装置が大がかりなものとなる。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、翼溝が小さい中・小型のロータであっても適用が可能であり、大型の補助用の器具を必要とせず、翼溝が周方向に彫られた形態のロータディスクであっても適用可能なタービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、タービン用ロータディスクの亀裂及び腐食を探触子を用いて検出するタービン用ロータディスクの超音波探傷装置において、
対面するロータディスクの両端面の、タービンの軸方向の対称位置にそれぞれ超音波信号の送信及び受信が可能な送受信探触子を配置し、
一側の前記送受信探触子よりの超音波信号の反射波、他側探触子への透過波を両探触子で受信させ、
前記送受信探触子で受信した少なくとも４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態をデータベース化したデータベースを備え、
該データベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別することを特徴とする。

これにより、探触子を設ける位置が翼溝歯部に限定されないため、翼溝部の大きさに関わらず適用が可能である。
また、送受信探触子を用い前記一側から発信された超音波信号の反射波及び透過波を受信することで、少なくとも４つの波形信号を得ることができ、該少なくとも４つの波形信号により亀裂及び腐食の有無を判定するため、亀裂や腐食の有無の誤判定を防止することができる。

また、本発明は、前記４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態をデータベース化したデータベースを備え、該データベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別する。
このようにデータベースに基づいて亀裂又は腐食の形態を判別することで、亀裂又は腐食の形態の誤判定を防止することができる。

また、課題を達成するための方法の発明として、タービン用ロータディスクの亀裂及び腐食を探触子を用いて検出するタービン用ロータディスクの超音波探傷方法において、
対面するロータディスクの両端面のタービン軸方向の対称位置にそれぞれ配置された送受信探触子の一側より発信された超音波信号の反射波、他側探触子への透過波を両探触子で受信し、
前記送受信探触子で受信した少なくとも４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態のデータベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別することを特徴とする。

即ち、前記４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態のデータベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別する。

以上記載のごとく本発明によれば、翼溝が小さい中・小型のロータであっても適用が可能であり、大型の補助用の器具を必要とせず、翼溝が周方向に彫られた形態のロータディスクであっても適用可能なタービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することができる。

超音波探傷検査を行うロータディスクに設けられた翼溝周辺の一部を示した斜視図であり、超音波の発信及び受信の様子を合わせて示している。 超音波探傷検査を行うロータディスクに設けられた翼溝周辺の一部を示した斜視図であり、超音波の発信及び受信の別の様子を合わせて示している。 亀裂、腐食ピットとＵＴ波形の関係のデータベースの一例を示す表である。 観察されたＵＴ波形の一例を示した図である。 本発明の超音波探傷装置が適用されるタービンロータの概略図である。 超音波探傷装置を取り付けた状態のロータディスクの正面図である。 超音波探傷装置を取り付けた状態のロータディスクの部分側面図である。 伸縮機構の斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本発明の超音波探傷装置に係る実施形態について説明する。
図１は、実施例における超音波探傷検査を行うロータディスクに設けられた翼溝周辺の一部を示している。図１において、ロータディスク５には、翼を植え込むための翼溝を設けることにより形成される翼溝歯部６が構成されている。なお、図１におけるＡ方向はタービンの軸方向を示しており、Ｂ方向はタービンロータの径方向を示している。即ち図１において翼溝歯部６は、ロータディスク５の外周側に形成されている。

また、ロータディスク５における翼溝歯部６の内周側（以下ディスク部と称する）７の両端面８にはそれぞれ超音波探傷探触子９ａ、９ｂが設けられる。
２つの探触子９ａ、９ｂは、タービンの軸方向Ａに沿って対称位置に設置されている。さらに、２つの探触子９ａ、９ｂは、何れも超音波を発信及び受信が可能なものである。
２つの探触子９ａ、９ｂは、タービンの軸方向Ａに対して３０〜７０°までの範囲で任意の入射角で超音波を発信することができるものを用い、前記入射角とディスクの厚さによって探触子９ａ、９ｂの位置を決定して配置される。

次に、超音波探傷検査により翼溝歯部６に生じた亀裂、腐食などの欠陥を検出する手順について図１及び図２を用いて説明する。
まず、一方の探触子９ａよりタービンの軸方向Ａと同方向に超音波Ｏを発信する。一方の探触子９ａより発信された超音波を他方の探触子９ｂで受信することで、２つの探触子９ａ、９ｂがタービンの軸方向Ａに沿って対称位置に設置されているかどうか確認する。２つの探触子９ａ、９ｂがタービンの軸方向Ａに沿って対称位置に設置されていない場合には一方（９ａ若しくは９ｂ）又は両方の探触子９ａ、９ｂの位置を調整し、再度一方の探触子９ａよりタービンの軸方向Ａと同方向に超音波を発信して２つの探触子９ａ、９ｂがタービンの軸方向Ａと同方向に沿って対称位置に設置されているかどうか確認する。２つの探触子９ａ、９ｂがタービンの軸方向Ａと同方向に設置されていることが確認されるまで、探触子９ａ、９ｂの位置調整と、一方の探触子９ａよりタービンの軸方向Ａと同方向に発信することによる探触子９ａ、９ｂの位置確認とを繰り返す。

次に、図１に示したように一方の探触子９ａより欠陥１０に向けて超音波ａを発信する。該超音波ａの欠陥１０による反射波１を超音波ａを発信した側の探触子９ａで受信するとともに、超音波ａの欠陥１０での透過波２を他側の探触子９ｂで受信する。

また、図１に示したように一方の探触子９ａから超音波ａを発信するとともに、図２に示したように探触子９ｂより欠陥１０に向けて超音波ｂを発信する。該超音波ｂの欠陥１０での透過波を探触子９ａで受信するとともに、超音波ｂの欠陥１０での反射波４を探触子９ｂで受信する。

即ち、探触子９ａから発信された超音波ａの反射波（探触子９ａで受信）、探触子９ａから発信された超音波ａの透過波（探触子９ｂで受信）、探触子９ｂから発信された超音波ｂの透過波（探触子９ａで受信）、探触子９ｂから発信された超音波ｂの反射波（探触子９ｂで受信）の４種類の超音波探傷波形（以下、ＵＴ波形と称する）を確認することができる。
この４種類のＵＴ波形により、欠陥１０を評価する。

前記４種類のＵＴ波形による欠陥１０の評価について説明する。
あらかじめ、亀裂、腐食ピットなどの欠陥を入れたロータディスク５の翼溝歯部６周辺を模した試験体を作成し、亀裂、腐食ピットとＵＴ波形の関係のデータベースをあらかじめ作っておく。

あらかじめ作られた亀裂、腐食ピットとＵＴ波形の関係のデータベースの一例について図３を用いて説明する。
図３において、最左列の亀裂Ａ、亀裂Ｂ、亀裂Ｃ、亀裂Ｄ、腐食ピットＡ、腐食ピットＢ、腐食ピットＣはそれぞれ左２列目に図示した欠陥図に対応する欠陥が生じていることを意味している。
また、図３において１波形、２波形、３波形、４波形で示した列は、それぞれ図１、図２に示した反射波１、透過波２、透過波３、反射波４のＵＴ波形を意味しており、欄内○であればＵＴ波形にきずエコーが観察され、欄内×であればＵＴ波型にきずエコーが観察されなかったことを表している。

図１、図２に示したように反射波１、透過波２、透過波３、反射波４の波形を確認し、該波形を図３に示したようなデータベースと照合することで、欠陥１０の形態を予測することができ、欠陥１０の評価が可能となる。

図４は、図１、図２に示したようにして反射波１、透過波２、透過波３、反射波４を確認したときに観察されたＵＴ波形の一例を示した図である。図４（ａ）は反射波１のＵＴ波形、図４（ｂ）は透過波２のＵＴ波形、図４（ｃ）は透過波３のＵＴ波形、図４（ｄ）は反射波４のＵＴ波形の一例を示している。
図４に示したようなＵＴ波形が観察されたとき、図４各図から図４（ｂ）、図４（ｃ）のみできずエコーが確認できる。この波形は図３においては、１波形×、２波形○、３波形○、４波形×に相当するので、欠陥は亀裂Ｂであると評価することができる。

なお、本実施例においては２つの探触子９ａ、９ｂをタービンの軸方向Ａに沿って対称位置に設置し、４種類のＵＴ波形を使用して欠陥１０の評価を行ったが、例えばロータディスク５における翼溝歯部６のディスク部７の両端面８に、それぞれ２つずつ超音波探傷探触子を設け１６種類のＵＴ波形から欠陥１０を評価することもできる。この場合、探触子の設置、図３に相当するデータベースの作成に時間及び手間がかかるものの、より正確に欠陥１０の評価を行うことが可能となる。さらに、前記両端面８にそれぞれ３つ以上の探触子を設けてもよいことはもちろんである。
なお、前記両端面８にそれぞれ２つ以上探触子を設ける場合には、両端面それぞれに同数かつタービンの軸方向Ａに沿って対称位置に設置する必要がある。

次に、図１〜図４を用いて説明した超音波探傷検査の手法を適用し、２つの探触子９を同期して移動し、ロータディスク全周にわたって超音波探傷試験を行うための超音波探傷装置について説明する。

まずロータディスク５について説明する。
図５は、本発明の超音波探傷装置が適用されるタービンロータの概略図である。図５においてＣ部に示したタービンロータ１２を構成するロータディスク５に、本発明の超音波探傷装置が適用される。

図６は超音波探傷装置を取り付けた状態のロータディスク５の正面図であり、図７は超音波探傷装置を取り付けた状態のロータディスク５の部分側面図である。

ロータディスク５には、図６に示したようにその中心部にはロータ軸３６が貫通している。ロータ軸３６はロータディスク５と一体化している場合もある。
さらに、ロータ軸３６の周囲には複数（図６においては４個）のロータ孔１６が設けられている。

このようなロータディスク５に取り付けられる超音波探傷装置について図６及び図７を用いて説明する。
超音波探傷装置は、両端に歯車３２が取り付けられたシャフト３８と、下側レール１８及び上側レール１９と、バネ２６を介して探触子９が取り付けられる伸縮機構２４とから主に構成されている。

下側レール１８は、正面円状の形状をしており、マグネット等の固定手段によりロータ軸３６と同心円状にロータディスク５に固定されている。下側レール１８は、ロータディスク５の両面それぞれに固定して設置される。
上側レール１９は、正面円状の形状をしており、下側レール１８に沿って移動可能に取り付けられている。また、上側レール１９の内周側は歯車形状であり、後述する歯車３２と係合可能に形成されている。
なお、下側レール１８及び上側レール１９は、本実施例においては正面円状の形状としたが、正面半円状など、円の一部を構成する正面弧状の形状とすることもできる。この場合、下側レール１８及び上側レール１９の設置が容易になる。

シャフト３８は、両端に歯車３２が取り付けられるとともに、ロータ孔１６を貫通して設置されている。シャフト３８の両端に取り付けられた歯車３２は、それぞれ上側レール１９の内周側の歯車形状部分と係合可能に配置される。
上側レール１９の内周側と歯車３２を係合可能とするためには、ロータ孔１６の位置を考慮して、下側レール１８及び上側レール１９の径と、歯車３２の径を適切に設定すればよい。

さらに、上側レール２２の外周側には、ボルトとナット等の接続手段３０により伸縮機構２４が固定して接続されている。伸縮機構２４にはバネ２６を介して探触子９が取り付けられている。バネ２６を圧縮バネとし、伸縮機構２４にバネ２６を介して探触子９を取り付けることで、バネ２６の弾性力により探触子９をロータディスク５に確実に接触させている。

図８はバネ２６を介して探触子９が取り付けられた伸縮機構２４の斜視図である。
伸縮機構２４は内筒２４ａと外筒２４ｂとから構成され、内筒２４ａの外側にはおねじ、外筒２４ｂの内側にはめねじが形成され、前記おねじとめねじを螺合させて図８に示したＤ方向に伸縮可能となっている。

探触子９は、図１、図２に示した探触子９ａ、９ｂに対応するものであり、超音波を送信及び受信が可能なものである。

図５〜図８を用いて説明した構成において、超音波探傷検査を行う手順について説明する。
まず、図１を用いて説明した手順と同様にして、一方の探触子９から他方の探触子９へタービンの軸方向と同方向に超音波を発信して、２つの探触子９がタービンの軸方向に沿って対称位置に設置されているかどうか確認し、必要に応じて前記対称位置に設置されるように調整する。

次に、図１を用いて説明した手順と同様にして、２つの探触子９両方から超音波を発信し、２つの探触子９それぞれで反射波、透過波を受信し、図３に示したようなデータベースを用いて欠損を評価する。

次に、探触子９からの超音波の発信並びに反射波、透過波の受信及びデータベースを用いた欠損の評価を継続したまま、歯車回転用レバー３４を手動又は自動で回す。歯車回転用レバー３４を回すことで、シャフト３８が回転し、シャフト３８の両端に設けた歯車３２も回転する。歯車３２の回転に伴い上側レール２２が下側レール１８に沿って移動し、上側レール２２に取り付けられた伸縮機構２４及び伸縮機構２４にバネ２６を介して取り付けられた探触子９がロータ軸３６と同心円状に回転する。即ち歯車回転用レバー３４を回すことで、ロータディスク５の両面に設けた２つの探触子９が、同期してロータ軸３６と同心円状に回転する。

これにより、ロータディスク５の両面に配置される２つの探触子９の位置を同期して移動させながら、ロータディスク５の全周にわたって超音波探傷検査が可能となる。さらに、２つの探触子９の移動は歯車回転用レバー３４を回すだけで可能であるので容易且つ短時間での移動が可能であり、しかも２つの探触子９を正確に同期して移動させることができるので正確に位置測定、制御が可能になり欠陥を高精度に検出することができる。
また、探触子９を走査して超音波探傷検査を行うため、検査に際してロータを回転させる必要がなく、大がかりな補助装置は必要ない。
さらに通常ロータディスク５に設けられているロータ孔１６を使用するため、新たな穴を開ける等のロータディスク５の加工は必要ない。しかもロータディスク５を貫通しているロータ孔を使用するので、ロータディスク５の両面に同一の機構（歯車３２、下側レール１８、上側レール２２、伸縮機構２４など）を設けることで、ロータディスク５の両面の探触子９を同期して移動させることが容易になる。

なお、図５〜図８を用いて説明した機構は、図１〜図４を用いて説明した本発明の超音波探傷検査の手法に留まらず、連動して２つ以上の探触子を移動させる必要がある超音波探傷検査には適用が可能である。例えば図７に示した２つの探触子９のうち一方が超音波発信専用、他方が超音波受信専用であるような場合においても、適用が可能である。また、周方向に翼溝加工されたロータの探傷においても適用することが可能である。

翼溝が小さい中・小型のロータであっても適用が可能であり、大型の補助用の器具を必要とせず、翼溝が周方向に彫られた形態のロータディスクであっても適用可能なタービン用ロータディスクの超音波探傷装置及び超音波探傷方法として利用することができる。

５ ロータディスク
６ 翼溝歯部
７ ディスク部
８ ディスク部の両端面
９ａ、９ｂ 探触子
１０ 欠陥
１２ タービンロータ
１６ ロータ孔
１８ 下側レール
２２ 上側レール
２４ 伸縮機構
２６ バネ
３２ 歯車
３４ 歯車回転用レバー
３６ ロータ軸
３８ シャフト

Claims (2)

1. タービン用ロータディスクの亀裂及び腐食を探触子を用いて検出するタービン用ロータディスクの超音波探傷装置において、
   対面するロータディスクの両端面の、タービンの軸方向の対称位置にそれぞれ超音波信号の送信及び受信が可能な送受信探触子を配置し、
   一側の前記送受信探触子よりの超音波信号の反射波、他側探触子への透過波を両探触子で受信させ、
   前記送受信探触子で受信した少なくとも４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態をデータベース化したデータベースを備え、
   該データベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別することを特徴とするタービン用ロータディスクの超音波探傷装置。
2. タービン用ロータディスクの亀裂及び腐食を探触子を用いて検出するタービン用ロータディスクの超音波探傷方法において、
   対面するロータディスクの両端面のタービン軸方向の対称位置にそれぞれ配置された送受信探触子の一側より発信された超音波信号の反射波、他側探触子への透過波を両探触子で受信し、
   前記送受信探触子で受信した少なくとも４つの波形信号に対応する亀裂又は腐食形態のデータベースに基づいて、前記４つの波形信号から前記亀裂又は腐食の形態を判別することを特徴とするタービン用ロータディスクの超音波探傷方法。

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