JP6883121B2

JP6883121B2 - 稼働中に腐食損傷を受けるパワータービンのディスクの長寿命化

Info

Publication number: JP6883121B2
Application number: JP2019570545A
Authority: JP
Inventors: ダイパンカー・デュア; ジョニー・ウィッドン; モハマド・レザ・カジャヴィ; ジェイソン・フォーリー
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: EP3642455B1; US20200200011A1; WO2018236618A3; CN110741136B; KR102275609B1; US11174734B2; CN110741136A; RU2737127C1; WO2018236618A2; EP3642455A2; SA519410655B1; KR20200014920A; JP2020528510A

Description

本出願は、２０１７年６月２０日に出願された"DAMAGE REMOVAL AND LIFE EXTENSION OF POWER TURBINE DISKS THAT ARE EXPOSED TO IN-SERVICE CORROSION OR OTHER OPERATIONAL DAMAGE BY USING SKIM MACHINING"と題する同時係属中の米国仮特許出願第６２／５２２３１７号、代理人整理番号２０１７Ｐ１２６９７ＵＳについて、米国特許法第１１９条（ｅ）の下でこの仮出願の利益を主張する。なお、その全ては参照によって本明細書に組み込まれ、本出願はそれに対する優先権の利益を主張する。

本発明の態様は、腐食損傷を有するパワータービンのディスクの有効寿命を延ばすための補修方法に関する。より詳細には、腐食を有しないベースラインディスクのベースライン構造の第１の熱分析を実施して第１の定常温度分布を決定するステップと、腐食を補修して加工済ディスクを形成するのに好適な深さまで腐食損傷したディスクを加工してステップと、加工済ディスクの第２の熱分析を実施して加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定するステップと、加工済ディスクの軸対称形状部に対する第１の予測安全サイクル寿命（ＰＳＣＬ）を計算するステップと、加工済ディスクの鋸歯状形状部に対する第２のＰＳＣＬを計算するステップと、補修方法を認定して加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致することを保証するステップと、を含む補修方法に関する。

パワータービンを利用する航空転用ガスタービンは、オイルおよびガス、ならびに発電用途に、世界的に頻繁に使用される。これらのユニットの多くは、沖合いおよび海洋環境で動作し、吸気および燃料は、重大な高温表面腐食、およびパワータービンの重要な構成要素の機械的特性の劣化を生じさせ得る、腐食性汚染物質を含有することが多い。これらのパワータービンの性能および耐久性は、高温部の構成要素の、高温表面腐食に抵抗し、かつそれらの機械的特性を維持する能力に、大きく依存する。通常、パワータービンのディスクのベース材料は、鉄ベースまたはニッケルベースのいずれかの超合金である。

過去数年にわたり、いくつかのディスク腐食損傷の事故が、特に海洋環境に配置されたユニットのパワータービンのオーバーホール中に確認されている。腐食損傷のかなりの部分は、タービンディスクの領域において確認されている。タービンディスクの領域は、タービンブレード取付形状部（すなわち、ディスク型鋸歯状領域）、ガスの影響を受けるディスク面、およびトルク伝達形状部を含む。これらのケースにおける腐食のメカニズムは、タイプＩＩ型熱腐食としても知られる、低温熱腐食（ＬＴＨＣ）として識別されている。このような腐食は、合金金属の機械的特性に重大な劣化をもたらす場合がある。装備の安全性および信頼性を損なうことなく、稼働中のディスクの作動寿命を延ばすために、腐食および他の動作上の損傷を受けるパワータービンのディスクを補修することが望ましい。

腐食損傷を有するパワータービンのディスクの有効寿命を延ばすための補修方法が開示されており、このパワータービンは、複数の段および段間空隙を含む。この方法は、腐食を有さないベースラインディスクのベースライン構造の第１の熱分析を実施して第１の定常温度分布を決定するステップを含む。この方法は、腐食を補修するために好適な深さまで腐食損傷したディスクを加工して加工済ディスクを形成するステップも含む。ディスクを加工する深さは、統計的に確立される。次に、加工済ディスクの第２の熱分析を実施して加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定する。加えて、この方法は、加工済ディスクの軸対称形状部の第１の予測安全サイクル寿命（ＰＳＣＬ）を計算するステップと、加工済ディスクの鋸歯状形状部の第２のＰＳＣＬを計算するステップと、を含む。さらに、加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致することを保証するため、補修方法が認定される。補修方法を認定することは、加工試験、機械的特性および金属組織評価、ならびに残留応力評価を含む。

当業者は、本発明のそれぞれの特徴を、一緒にまたは別々に、任意の組み合わせまたは部分的組み合わせで適用し得る。

本発明の例示的な実施形態を、添付の図面と共に、以下の発明を実施するための形態において、さらに説明する。

腐食の兆候を取り除くため、および／または補修するために、加工または再加工され得るディスクの例示的な補修範囲を示す図である。公知のパワータービンの部分断面、および公知の二次的空気体系を示す図である。パワータービンのディスクの例示的な定常温度分布を示す図である。ベースライン構造と最悪のケースの空隙との間のロータディスク温度における、定常温度の変動を示す図である。ディスクの軸対称形状部の基準位置を示す図である。根元部の鋸歯状部の横断面図である。腐食損傷を有するパワータービンのディスクの有効寿命を延ばすための、補修方法を示す図である。試験ディスク１および２の、第１および第２の正規化硬度結果を示す図である。室温における新しいディスクの最小許容仕様に正規化した、補修したディスクの引張特性を示す図である。新しいディスクの最小許容仕様に正規化した、補修したディスクのクリープ破壊特性を示す図である。試験ディスクＤ１およびＤ２の、加工済ノッチ形状部および加工済ウェブ部、ならびに未加工ノッチ形状部および未加工ウェブ部における、残留応力測定の位置を示す図である。ディスク面における、加工済ノッチ形状部および加工済ウェブ部、ならびに未加工ノッチ形状部および未加工ウェブ部の、周方向の残留応力測定値を示す図である。ディスク面における、加工済ノッチ形状部および加工済ウェブ部、ならびに未加工ノッチ形状部および未加工ウェブ部の、径方向の残留応力測定値を示す図である。第１のサイクルに残留応力によって超過した引張力を伴う、パワータービンのディスクの負荷プロファイル（サイクル当たりの歪み量）を示す図である。第１のサイクルに残留応力によって超過した引張力による、パワータービンのディスクの応答を示す図である。

理解を促進させるため、可能な場合は、同一の参照番号を、図面で共通である同一の要素を示すために使用している。図面は縮尺に則っていない。

本開示の教示を組み込む様々な実施形態を、本明細書で詳細に示しかつ説明するが、当業者は、やはりこれらの教示を組み込む多くの他の変形の実施形態を容易に考案できる。本開示の範囲は、例示の実施形態の詳細の構造、および説明または図面に示される構成要素の配置への適用に限定されない。本開示は、他の実施形態を含包し、様々な方法で実践または実施される。本明細書で使用される表現および専門用語は、説明が目的であり、限定と見なすべきではないことも理解されたい。本明細書で使用される「含む(including)」および「備える(comprising)」、または「有する(having)」、ならびにこれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびそれらの同等物、ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別途明記または列挙しない限り、用語「取り付けられた(mounted)」、「接続された(connected)」、「支持された(supported)」、および「連結された(coupled)」、ならびにこれらの変形は、広義に使用され、直接的なまたは間接的な取付、接続、支持、および連結を含む。さらに、「接続された」および「連結された」は、物理的または機械的な接続または連結に限定されない。

本発明の態様によれば、損傷したディスクを加工するために以前確立したディスク補修方法を使用して稼働中のディスクの作動寿命を延ばすために、ならびに、以前に破棄されたディスクをスキム加工を介して利用するために、腐食の兆候を取り除く、および／または補修する。図１は、腐食の兆候を取り除くため、かつ／または、補修するために、加工または再加工され得るディスク１２の例示的な補修範囲１０を示す図である。詳細には、補修範囲１０は、ディスクのリム、ウェブ、およびボアの範囲を含み得る（図３参照）。補修方法において、ディスクを加工する推奨深さは、タイプＩＩ型熱腐食が誘発する腐食としても知られる低温熱腐食（ＬＴＨＣ）によって誘発された、確認された表面下の損傷の深さと、以前のパワータービンのディスクにおける損傷と、ツールの滑りまたは一般的な取り扱いミスによる、ディスクで確認された加工が誘発した損傷の深さと、製品ディスクの表面粒径と、を検討することによって統計的に確立される。加えて、補修方法は、分析評価、補修プロセスの変動の影響を分離するために実行される包括的加工試験、残留応力の評価調査を介した試験ディスクの広範囲な特徴づけ、および補修後のディスクから抽出した試験片の機械的テストの、組み合わせおよび／またはシーケンスを含む。さらに、プロセス制御を使用して、補修したディスクの品質レベルが、加工を終えた新しいディスクと実質的に一致することを保証する。

寿命予測および影響評価
本発明の態様によれば、寿命予測の方法論が、パワータービンのディスクにおける補修の影響の評価に利用される。この点について、Turbine Technical Conference and Exposition 2015のProceedings of 2015 ASME Turbo ExpoにあるGT2015-43333のV07AT28A012頁におけるDua DおよびVasantharao B.による"Life Prediction of Power Turbine Components for High Exhaust Back Pressure Applications - Part I: Disks"の開示を本明細書においてその全体が参照によって組み込む（すなわち「寿命予測文書」）。寿命予測の方法論によれば、ディスクの形状部の予測安全サイクル寿命（ＰＳＣＬ）は、破壊される（すなわち不安定クラックが成長した後の、デブリを含むまたは含まない構成要素の一部が壊れて離れる点）までの最小寿命の２／３（すなわち設計上の安全率として計算される値）である。破壊されるまでの最小寿命は、最小発生寿命と形状部における最小伝播寿命との合計に等しい。以下において、有効歪みパラメータを基にした方法を使用して、典型的な発生寿命を予測し、最小発生寿命を推定するために保存要因を適用する。破壊力学に基づくアプローチを使用して、典型的な伝播寿命を予測し、最小伝播寿命を推定するために保存要因を適用する。さらに、伝播寿命は、目標のＰＳＣＬ未満である予測発生寿命を有するディスク型形状部のみにおいて算定される。

詳細には、等温かつ歪み制御された平滑な試験片の低サイクル疲労（ＬＣＦ）データを使用して、以下の構成要素と試験片との違いを考慮した、ウォーカー歪み対発生寿命の曲線を作り出す。すなわち、ａ）高い応力を受ける材料の体積、ｂ）Ｒ比補正、ｃ）表面条件および製造方法、ｄ）最大応力時の温度、である。σ_ｍｉｎが一時的な最小引張応力成分、σ_ｍａｘが一時的な最大引張応力成分である場合、σ_ｍｉｎ／σ_ｍａｘの比率は、応力比Ｒとして知られる。ウォーカー応力パラメータを定義するために使用される公式を式（１）に示す。

ここで、「ε_ｗ」は有効歪みパラメータ、「σ_{ｖｍ−ｍａｘ}」はサイクルにおけるミーゼス応力値、「Δε」は荷重サイクルを通した任意の固定方向における最大歪み範囲、「Ｅ」は最大ミーゼス応力に相当するサイクルの時点の温度における弾性ヤング率、および「ｗ」は異なる最小−最大応力比（Ｒ）における関連テスト結果に使用されるウォーカー指数である。Ｒ比が−１において、歪み制御されたテストが平滑な試験片に行われたが、パワータービンのディスクの応力分析から、各形状部におけるＲ比（最小応力／最大応力）が異なることも知られている。ウォーカー指数「ｗ」の値は、算定された最後のウォーカー歪みパラメータがＲ比値から影響を受けないように選ばれた。

試験片データからウォーカー歪み対発生寿命において最小二乗法を実行し、調整パラメータ「Ｎ_０」、「Ｕ_Ｎ」、および「Ａ」を決定する。（ディスク材料の式（２）参照）。

ここで、「ε_ｗ」は有効歪みパラメータ、および「Ｎ_ｆ」はクラック発生ＬＣＦ寿命である。

構成要素の応力分析は、ウォーカー歪みの計算のために必要な歪み範囲、および最大ミーゼス応力を提供する。この値は、構成要素のうちで高い応力を受ける材料の範囲および／または体積が、試験片のものとは異なることを考慮に入れるために、範囲補正要因（Ｋ_Ａ）によって補正される。表面条件のノックダウン要因（Ｋ_Ｓ）も、試験片表面が滑らかかつ研磨される一方で、構成要素の表面は加工されるのみであることを考慮に入れるために、適用される。したがって構成要素では、ウォーカー歪みは以下の式（３）を使用して計算される。

ここで、

であり、「Ｓ_０」および「Ｓ_ｂ］は、試験片と、歪みのピークを表わすウォーカー歪みを含む構成要素とに画定された面積である。詳細には、「Ｓ_０」は歪み制御されたテスト試験片の基準表面積、「Ｓ_ｂ」は構成要素の特定の形状部の表面積、および「β」は形状パラメータである。

式（３）を用いて構成要素の形状部のために計算されたウォーカー歪みを使用し、式（２）を用いた試験片データ上の曲線の適合から、構成要素の形状部の発生寿命を予測する。ノッチ、フィレット、または高い「Ｋｔ」値（すなわち応力集中要因）を伴う、切削形状部などのディスク型形状部のためにも、平滑な試験片の歪み制御されたデータが、寿命を決めるために使用される。これを、本明細書の発明者は、堅実で有効なアプローチであると考察する。

伝播寿命は、市販の疲労クラック成長予測ソフトウェアを使用して推測された。このようなソフトウェアは、平面コードを含むことが多い。平面コードは、分析された外形は矩形プレートで表わされる場合があり、構成要素は荷重制御され（例えば離された境界において一定の負荷をかける）、大幅な荷重の再分布がなく（リモートローディングはクラックの成長によって変化しない）、クラックは平面のままであると仮定することが多い。平面ツールにおける応力強度係数（ＳＩＦ）ソリーションは、引張弾性破壊力学（ＬＥＦＭ）が適用されるものと仮定する。

式（４）に示される、公知のパリス則の数式は、クラック成長速度を、応力強度の関数として定義し、伝播寿命を推定するために使用される。パリスの数式を定義するために必要な係数（Ｃおよびｎ）は、クラック成長テストから得られる。

ここで、「ａ」はクラック長さ、および「ｄａ／ｄＮ」はクラック成長速度である。ディスクの形状部が溜めることができる臨界のクラックサイズは、対象となる温度におけるディスク材料の公知の破壊靭性（Ｋｉｃ）に依存する。

伝播寿命は、式（５）に示されるクラック成長モデルを統合することによって推定される。式（４）の右項は、応力強度「ΔＫ」を含む。「ΔＫ」は、以下の式（５）に示されるように、考察中の形状部における外形、クラック寸法、向き、および応力の関数である。

クラック先端における応力強度の変化が、応力変化（Δσ）と、ディスクの形状部におけるクラックの外形、向き、および寸法との関数であるので、「ΔＫ」の値は、「最大応力場」、「最小応力場」、および仮定したクラック伝播面の寸法を定義することによって推定された。

伝播寿命の推定のため、最小圧縮応力場の影響は無視した。すなわち、

引張として最小応力場を有するディスクの形状部のために、等価値の０−ｍａｘ応力場が、式（７）に示されたようにウォーカー補正によって生成された。

ここで、「ΔＫ_ｅｆｆ」は変更した有効応力強度係数、「Ｒ」は最小（σ_ｍｉｎ）応力場と最大（σ_ｍａｘ）応力場との比率、および「ｍ」はウォーカー指数である。

対象の形状部において、最大主応力の時間プロットを使用して、最大引張応力の対象となる点を識別した。次にこの点におけるクラックの向きを識別し、伝播面を画定する。この向きに沿ってセクションを画定し、最悪の主応力をピーク応力時点におけるこのセクションにプロットする。最大応力場を得るために事前に画定されたセクションにおいて、応力の多項式フィット対距離データを最も浅い応力勾配に沿って示す。伝播寿命を推定するために使用されるクラック成長モデルは、２つの係数Ｃおよびｎを含む。考察中のディスクの形状部におけるピークサイクル温度が、ピーク応力時点における温度とは同じではない場合、温度差を考慮しながら、式（８Ａ）および式（８Ｂ）における式を使用して係数を決定する。

次にディスクへのクリープ損傷を推定する。クリープ損傷の推定に関し、TMS Superalloysの５１５頁〜５２０頁にあるBasoalto H.、Vermeulen B.、Brooks J.W.、Coventry G.、Williams W.、Mason-Flucke J.およびBagnall S.による"A New Hyperbolic Tangent Modelling Approach For The Creep Behaviour of The Single Crystal Nickel-Based Superalloy CMSX-4"（２０１８）の開示が、本明細書に参照によってその全てが組み込まれている。加えられた応力σと、所与の時間および温度において蓄積された応力εとの間の関係は、次の式で表わすことができる。

ここで、「σ_ｉ」および「ε_ｉ」は、温度と時間との関数である。「σ_ｉ」パラメータは、最大引張強度の半分であり、「ε_ｉ」は、加えられた応力が「σ_ｉ」と同じときの最小歪み率の点における歪みであり、「ｋ」は調整パラメータである。ディスクの形状部は、作動寿命の終わりにおける、蓄積された等価値の非弾性クリープ歪みレベルのために評価され、類似の動作条件で配置されたユニットの以前の経験に基づいて、許容クリープが誘発する変形制限に対して比較される。

図２を参照すると、第１の翼１６、第１のブレード１８、第２の翼２０、および第２のブレード２２を有する公知のパワータービン１４の、部分断面が示される。第１のブレード１８および第２のブレード２２は、第１の回転ディスク２４および第２の回転ディスク２６に、それぞれ装着されている。第１の翼１６および第１のブレード１８は、第１の段を形成し、第２の翼２０および第２のブレード２２は、第２の段を形成する。第１の翼１６、第１のブレード１８、第２の翼２０、および第２のブレード２２は、第１の段間空隙開口部２６、第２の段間空隙開口部２８、第３の段間空隙開口部３０、および第４の段間空隙開口部３２も形成する。

図２における位置３４、３６、３８、および４０はポートを特定し、それらから冷却空気が、公知の二次的空気体系の一部としてパワータービン１４に供給される。この空気は、ディスクの寿命を最適化するよう冷却空気をディスク２４、２６に提供するため、圧縮器段から引き込まれる。矢印４２は、パワータービン１４への二次的空気体系の流動経路を示す。この空気はさらに、高温ガスの摂取を排除または最小限に抑えるため、およびオイルミストが発火することを防ぐために、換気と空洞の封止とを提供する。

ディスク材料を取り除くため、および腐食損傷の補修のために、ディスク２４、２６を加工することは、高温ガスの摂取および空洞漏洩流動特性に影響を及ぼす。詳細には、ディスク２４、２６における定常および一時的な温度場は、二次的空気流動および空洞力学に実質的に依存し、そのためＰＳＣＬおよび全体クリープ損傷に影響を及ぼす。したがって、機械的健全性および補修後のディスク寿命に対する影響を定量化するために、二次的空気流動特性への変化を正確に予測することは重要である。

本発明の態様によれば、熱モデルをベースラインのパワータービン構造から生成する。図３を参照すると、パワータービン１４のディスク２４、２６の例示的な定常温度分布４４が示され、ここで、Ｔ１〜Ｔ１１は、関連のディスク領域の温度を示す。Ｔ１は、最高温度を示し、Ｔ２〜Ｔ１１は連続的に下がる温度を示す。例示目的のため、定常温度分布４４は、ディスク２４、２６のリム４６、ウェブ４８、およびボア５０のセクションに関して示される。パワータービン１４の設計開発段階の間、システムレベルのパワータービンにおける二次的流動分析を複数の段間空隙開口部２６、２８、３０、３２の組み合わせで実行した。引込流動の変化、ならびに冷却流動の減少の影響を評価した。図４は、ベースライン構造と最悪のケースの空隙との間の、ロータディスクの温度における定常温度の変動５２を示す。詳細には、リムの温度の比較のための基準点５４を図４に示す。感度の検討は、増加した空隙開口部による定常ディスク温度への影響が概ね３℃であることを示す。この温度変化について、本明細書の発明者は、パワータービンのディスクの寿命全体に対して非常に危険性が低いものと考察する。したがって、ディスク補修による、二次的空気システム特性の変化のためのディスクのリムの温度への全体影響は、無視してよいものと考察される。

タービンブレードは、翼形部および根元部を含む。根元部は、根元部の下部に沿ってサイズが減少する、外側へ延びる複数の鋸歯部または丸突部を含み、鋸歯状部として知られる複数の丸突部構造を形成する。対応するタービンロータディスクは、互いに離隔された複数の取付スロットを含む。各ディスクスロットは、各スロットの反対側の側壁に画定された一連の軸方向凹部またはノッチを含み、それらは、対応するディスク型鋸歯状構造を形成するよう、根元部の鋸歯状部に、形状および向きが実質的に一致する。ディスク型鋸歯状部は、パワータービンの高温、高応力環境下でブレードを保持するために、根元部を保持する対応するスロットを提供する。

本発明の態様によれば、寿命影響の調査を実行する。図５および図６は、寿命影響の調査の焦点である、ディスク軸対称形状部および鋸歯状形状部の基準位置を示す。図５を参照すると、段１および段２のディスクのうち選択されたディスク軸対称形状部に基準位置１〜１０を指定する。図６は、鋸歯状部の根元部５６の断面を示しており、この根元部は、ディスク型鋸歯状部７０の上部ノッチ６４、中間部ノッチ６６、および下部ノッチ６８に位置された、第１の丸突部５８、第２の丸突部６０、および第３の丸突部６２を有する。内部の有限要素コードは、プロセス前、解析、およびプロセス後に用いられる。対称形のディスク型形状部は、二次元（２Ｄ）非対称モデルによって評価され、ディスク型鋸歯状形状部７０は、三次元（３Ｄ）セクターモデルのブレードディスクを使用して評価された。定常および一時的温度プロファイルを熱モデルから補間した。海洋オイルおよびガス用途におけるユニットのほとんどが、ベース負荷条件で作動されるので、これらは寿命内で非常に多い回転開始−停止のサイクルを受けることはない。したがって、パワータービンの寿命予測のため、ＬＣＦおよびクリープに起因する損傷を別々に評価する一方、全体的損傷を推定するためにＬＣＦおよびクリープからの損傷の直線的蓄積の簡易なアプローチを使用する。サイクル損傷予測のため、クラック発生の歪み対寿命のデータ、および伝播評価のための疲労クラック成長データは、サイクル当たりの損傷成長における待機時間の起因を考慮せず、等温平滑な試験片テストから生成される。加えて、起動傾斜から、アイドル状態における同時性アイドル状態保持へ、定常状態における定常状態保持および停止への、公知の単一方形サイクルのための、評価を実行した。

クラック発生予測に関して、以前に組み込みこまれた寿命予測文書に対する基準が作られる。さらに、Engineering Failure Analysis 14の５１８頁から５２８頁にあるCorran R.S.J.およびWilliams S.Jによる「Lifing Methods and Safety Criteria in aero gas turbines」（２００７）の開示が、本明細書に参照によってその全体が組み込まれている。詳細には、クラック発生予測のために、対応する有効歪みが、単調な応力歪み曲線を使用して、所与の歪み範囲対寿命試験片テストの第１の材料の対応サイクルから算定された。次に調整パラメータ「Ｎ_０」、「Ｕ_Ｎ」、および「Ａ」が対応して選ばれ、全ての測定した有効歪みおよび寿命を、試験片テストからの破損に適合させた。方形サイクルの有効歪みは、有限要素予測から等方硬化を使用して予測され、次に、試験片テストからの単調な有効歪み対寿命曲線と比較された。上述した式（１）および式（２）を参照されたい。モデル化の簡略化のため、および予測におけるさらなる堅実性のために、寿命評価の調査が、補修されたディスクに対応する寸法を有するディスクモデルで実行され、その一方でそれらのディスクは、パワータービンの作動寿命を通して稼働設置されているものと仮定した。

表１は、ベースライン構造と比較した、補修したディスクのディスク軸対称形状部におけるＰＳＣＬの変化を列挙している。表１において、ディスク識別（ディスクＩＤ）および位置識別（位置ＩＤ）は、図５に示すディスクおよび基準位置にそれぞれ対応する。表１に示されるように、ディスク軸対称形状部におけるＰＳＣＬは、段１および段２のディスクで改善されている。詳細には、寿命限界である公知の軸対称形状部に対するベースライン構造と比較して、補修したディスクは、段１のディスクのＰＳＣＬは概ね８０％の改善、および段２のディスクのＰＳＣＬは概ね２６０％の改善である。この改善は、金属を径方向外側から中央の臨界寿命制限位置のディスクから取り除くことに起因する、遠心荷重の減少によって、全体の応力状態の減少に起因し得る。

表２は、ベースライン構造と比較した補修したディスクのディスク型鋸歯状形状部におけるＰＳＣＬの変化、および蓄積された等価値の非弾性クリープ歪みの変化を列挙している。表２において、ディスク識別（ディスクＩＤ）および位置識別（位置ＩＤ）は、図５および図６で示されるディスクおよび基準位置にそれぞれ対応する。

この場合、ベースライン構造と比較して、補修したディスクは、段１のディスク型鋸歯状部のＰＳＣＬにおいて概ね３２％の減少、および段２のディスク型鋸歯状部のＰＳＣＬにおいて概ね５７％の減少である。これは、加工による、鋸歯状部の荷重負荷範囲の全体的な減少に起因し得る。したがって、フリート経験に基づき選択された動作閾値が超過したかどうかに基づいて、ディスクの補修が実行される。さらに、厳しい原位置試験スケジュールが、補修後にサービスに戻されることになるディスクの、効果的な現場管理のために使用される。

図７を参照すると、腐食損傷を有するパワータービンのディスクの、有効寿命を延ばすための補修方法７２が示される。ステップ７４において、第１の定常温度分布を決定するために、腐食を有さないベースラインディスクのベースライン構造の熱分析が実施される。ステップ７６において、腐食損傷を受けたディスクが、腐食を補修して加工済ディスクを形成するのに好適な深さまで加工される。ステップ７８において、加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定するために、加工済ディスクの熱分析が実施される。次にステップ８０において、第１のＰＳＣＬが、加工済ディスクのディスク軸対称形状部において計算される。さらに、ステップ８２において、第２のＰＳＣＬが、加工済ディスクのディスク型鋸歯状形状部において計算される。ステップ８４において、補修方法が、加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致するのを保証するために認定される。

加工試験および評価
いくつかの加工試験が、稼働中の腐食したディスクに実行され、加工の固定装置の作成、プロセスの詳細、動作のシーケンス、新しい統計の設定、検査の寸法／ゲージ点を確立する。ディスクの検査は、腐食ピッチング／損傷のしるしを残すための蛍光粒子検査（ＦＰＩ）を介して補修後に実行された。補修した試験ディスクから加工された試験片の、詳細な金属組織検討も実行し、補修後の微細構造損傷、表面下の残留腐食が誘発するスパイク／劣化ゾーン、および粒間腐食を評価した。その後、広範なテストプログラムが、全体的な機械的特性の損失を評価するために、補修したディスクの重要位置から加工済試験片に行われた。加えて、ディスクは、補修後の主形状部および位置における、表面の残留応力の進展も評価され、補修前の残留応力の大きさと比較された。試験ディスクの詳細の寸法計測も、加工が誘発する稼働中のディスクのプロファイルの変形を定量化するために、３Ｄ白色光走査を使用して、補修前および補修後に実行した。

機械的特性および金属組織の評価
白色光走査を使用して、補修手順からの歪みによって誘発された可能性がある、ディスクの考えられる寸法的な不適合を識別した。腐食ピッチングおよび損傷のしるしは、ディスクプロファイルのほとんどから確認されなかった。小さな残留腐食損傷が、バランスリングおよび鋸歯状面などの、加工しにくい形状部の周りに残った。追加の加工ゲージ点を、より正確なディスクプロファイルの画定のため、およびそれらの位置の加工を可能にするために、バランスリングの隅肉範囲の周りに画定した。さらに、加工による全体的なスプリングバックのための恒久的変形は、補修後の白色光走査の間には確認されなかった。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）およびＸ線元素マッピング分析を使用して残留腐食がある範囲の特徴付けを実行した。試験ディスクの中央、ウェブ、およびリムのサンプルを調査した。サンプルは、粒間腐食、硫化粒子を伴う劣化マトリクス、およびスケール表面における酸化チタン（公知の高温熱腐食すなわちＨＴＨＣ）の兆候を示さなかった。しかし、いくつかの範囲、すなわちスケール表面における硫化チタンの連続層および酸化ニッケル層でピッチングが顕在化し（すなわちＬＴＨＣ）、硫化チタン粒子を伴うベース金属および表面の酸化ニッケル層の、局所的に劣化した範囲で顕在化した（すなわちＬＴＨＣとＨＴＨＣとの間の一時的モード）。試験ディスクのリムのサンプルは、局所的なピッチングのみを示し、表面の残りは、表面下の腐食のいかなるしるしも示さなかった。Ｘ線元素マッピングは、ピットの底部において硫化チタンの連続層、および表面において薄い酸化層を示した。このタイプの顕在化は、通常ＬＴＨＣの発生を例証する。

冶金特性および機械的特性が変化する可能性の調査のため、および新しいディスクの関連する内部材料の仕様とこれらの特性を比較するために、金属組織、硬度、引張破壊、および応力破壊の試験片を、関連する米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）標準規格：Ｅ８、Ｅ２１、およびＥ２９２に従って準備した。補修したディスクの全てのプロファイルにわたる特性を評価するために、試験片を、ディスクの表裏両方のボア、ウェブ、およびリム範囲から準備した。さらに、機械的特性が全ての方向で比較できるのを保証するため、引張破壊および応力破壊のための試験片を、上述の範囲において径方向および接線方向の両方で準備した。硬度テストを、上述の範囲においてディスクの両面で実施した。

図８は、新しいディスクの許容仕様範囲と比較した、ディスク１およびディスク２それぞれの第１の正規化硬度結果８６および第２の正規化硬度結果８６を示す。ディスク１およびディスク２は、検討のために利用された２枚の試験ディスクである。図８において、「Ｆ」および「Ｒ」は、それぞれ「表面」および「裏面」を示す。硬度値は許容範囲内であるが、両方のディスクにわたる僅かな変動が確認される。これは、鍛造したディスクの微細構造における変動による正常なものと考察される。

図９は、室温における新しいディスクの最小許容仕様に正規化した、補修したディスクの引張特性を示す。図９において、「Ｃｅｎ」は「中央」、「Ｒ」は「径方向」、および「Ｔ」は「接線方向」を示す。両方のディスクのために、全てのディスクおよび両方向から準備した全ての試験片の、降伏強度（Ｙ．Ｓ）９０および極限強度（Ｕ．Ｔ．Ｓ）９２は、最小要求を満たし、ごく僅かな変動を示す。両方のディスクの伸張（Ｅｌｏｎｇ．）９４および範囲内の減少（Ｒ．Ａ）９６は、ボアからリムにかけての延性の減少を例証する。全体的に観察される引張延性の損失は、パワータービンのディスクの稼働中における高温への長期曝露に起因し得る。二次的硬化段階の融合または変質と、高温における曝露時間を伴うカーバイドの析出、ならびにカーバイドのタイプおよび組織の変化と、望ましくない、または有害な二次的段階の形成とは、延性を含む機械的特性の劣化の主な理由であることが知られている。

図１０は、新しいディスクの最小許容仕様に正規化した、補修したディスクのクリープ破壊特性を示す。詳細には、図１０は、５５１ＭＰａ（概ね８０ｋｓｉ）の死荷重を用いて６４９℃（１２００°Ｆ）で実行した応力破壊テストにおいて、正規化した破壊時間(Rupture Time)９８、および伸張（Ｅｌｏｎｇ．）１００を示す。図１０において、「Ｃｅｎ」は「中央」、「Ｒ」は「径方向」、および「Ｔ」は「接線方向」を示す。両方のディスクの全ての試験片の破壊時間９８および延性は、最小要求を大幅に超過した。結果からの例外は、第２の試験ディスク（Ｄ２）の破壊時間９８であった。これらの位置の各々において、金属の動作温度は、クリープが関わってくる等擬温度を超過することは予想されない。加えて、このテストは、これらの位置の各々における破壊において、高い程度のクリープ延性を示す。延性のこの減少は、全てのパワータービンのディスクが稼働中でなければ、および確認された腐食損傷を伴うディスクに限定しなければ、多くの場合予想される。

残留応力の評価
試験ディスクを、Ｘ線回析技術を使用して残留応力について評価した。補修前後の残留応力の状態を比較するために、ディスクの片面のみを、これらの加工試験で補修した。評価は、補修したディスク面および未補修のディスク面の両方で実行した。Ｘ線回析の残留応力測定を、米国自動車技術者協会（ＳＡＥ）ＨＳ−７８４に従って、２角度正弦二乗ｐｓｉ技術を使用して実行した。

Ｘ線回析残留応力測定が、表面および所定の公称深さまで、ならびに対象の増加分について行われた。測定は、加工面のバランスリングにおける隅肉径、未加工面の駆動アームの下方の隅肉径、加工済ディスクウェブ、および未加工位置のディスクウェブにおいて、径方向、４５°、および周方向について行われた。図１１を参照すると、試験ディスクＤ１およびＤ２の、加工済ノッチ形状部１０２および加工済ウェブ部１０４、ならびに未加工ノッチ形状部１０６および未加工ウェブ部１０８における、残留応力測定の位置が示される。

区分けは、Ｘ線ビームの入射および回析のためのアクセスを提供するために、Ｘ線回析残留応力測定の前に必要であった。区分けの前に、単一の電気抵抗型歪みゲージロゼットを各測定位置に適用した。区分けの結果生じた、合計の歪み緩和を、区分けプロセスが完了した後で記録した。材料を取り除くことによる表面下の残留応力分布の考えられる変質を、最小限に抑えるよう、表面下測定のために、材料を電気分解で取り除いた。深さの関数として得られた全てのデータは、残留応力測定のために利用した放射が表面下応力勾配の中に貫入する影響について、補正した。

図１２および図１３は、ディスク面の加工済ノッチ形状部１０２および加工済ウェブ部１０４、ならびに未加工ノッチ形状部１０６および未加工ウェブ部１０８における、周方向１１０および径方向１１２それぞれの残留応力測定を示す。予想したように、加工面（ノッチ形状部１０２およびウェブ部１０４の両方）において実行された残留応力測定は、表面における高い引張残留応力を示す。未加工位置で実行された評価からの結果は、測定した残留応力の大きさは本質的に圧縮であることを示した。これらの結果は、クリープまたは塑性変形を受けることが予想されなかった未加工面のウェブ部について、特に興味深かった。したがって、無加工のウェブ部１０８において、応力の残留状態が、補修後の加工面で確認されたものと類似の元々の加工からの引張りにとどまるか、または応力の残留状態が、試験ディスクＤ１およびＤ２がそれらの寿命を通して非常に長い動作時間を経験するにつれて緩和したか、のいずれかが予想された。応力緩和が未加工位置で確認できなかった事実は、予測したようなその後のクリープまたは塑性変形が、未加工ウェブ位置で生じなかったことを示す。

図１４および図１５は、試験ディスクＤ１およびＤ２の未加工位置において測定した、圧縮残留応力について考えられる説明を提供する。図１４は、残留応力によって、第１のサイクルで超過した引張力を伴う、パワータービンのディスクの負荷プロファイル（サイクル当たりの歪み量）１１４を示す。図１５は、残留応力によって、第１のサイクルで超過した引張力による、パワータービンのディスクの応答１１６を示す。元々、一時的な応力予測は、全体の応力状態における熱の一時的サイクルを通した、当初の引張残留応力の起因を考慮しなかった。しかし実際の動作において、一時的応力に加えて、加工による高い引張残留応力は、第１のサイクルにおける引張超過／塑性変形をもたらす。その後応力状態は、停止後に負荷を取り除くことによって、圧縮になる。しかし、タービンの第１の起動および停止サイクル後、引張と圧縮との間の応力状態のサイクルは、各々次の一時的サイクルを弾性的に介して、全ての停止後に圧縮にとどまる。残留応力評価は、補修動作によって誘発された高い引張残留応力が、最初の数サイクル後の動作中に応力の全体の圧縮状態をもたらし、そのため高い引張残留応力は、ウェブ部における全体の応力状態を低減させる実際の利益をもたらすことを示した。

図１５におけるヒステリシス１１８は、残留応力による第１のサイクルの引張超過に対するパワータービンのディスクの応答１１６の例を示す。グラフの歪み比率は、ピーク歪みの、０．２％ずらした歪みに対する比率であり、応力比率は、対応する応力応答の大きさの、０．２％ずらした歪みにおけるパワータービン合金の耐力に対する比率である。グラフの比率値は例示目的のみのものであり、実際の構成要素の予測された大きさを表わすものではないことに、留意されたい。

したがって、試験ディスクＤ１およびＤ２からの試験片の金属組織およびＸ線分光評価は、微細構造損傷、補修後に表面下残留腐食が誘発したスパイク／劣化ゾーン、および粒間腐食のしるしを示さなかった。加えて、補修後に試験ディスクから抽出した試験片で実行した、機械的特性の評価は、硬度、引張、クリープ、および延性の値が、新しいパワータービンのディスクに特定された許容レベルを満たしていることを示した。

本発明は、ＬＴＨＣに曝露されたパワータービンのディスクの腐食損傷の完全な取り除きを提供し、それによって、稼働する腐食したディスクの長寿命化、および安全な稼働への復帰を可能にする。本開示の特定の実施形態を例示かつ説明してきたが、当業者には、様々な他の変形および変更が、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく成され得ることが明白となろう。したがって、本開示の範囲内にある全てのこのような変形および変更は、添付の特許請求の範囲に含まれるよう意図される。

１０補修範囲、１２ディスク、１４パワータービン、１６第１の翼、１８第１のブレード、２０第２の翼、２２第２のブレード、２４第１の回転ディスク、２６第２の回転ディスク，第１の段間空隙開口部、２８第２の段間空隙開口部、３０第３の段間空隙開口部、３２第４の段間空隙開口部、３４，３６，３８，４０位置、４４定常温度分布、４６リム、４８ウェブ、５０ボア、５２ロータディスクの温度における定常温度の変動、５４基準点、５６鋸歯状部の根元部、５８第１の丸突部、６０第２の丸突部、６２第３の丸突部、６４上部ノッチ、６６中間部ノッチ、６８下部ノッチ、７０ディスク型鋸歯状形状部、７２補修方法、８６第１の正規化硬度結果、８８第２の正規化硬度結果、９０降伏強度、９２極限強度、９４伸張、９６範囲内の減少、９８破壊時間、１００伸張、１０２加工済ノッチ形状部、１０４加工済ウェブ部、１０６未加工ノッチ形状部、１０８未加工ウェブ部、１１０周方向、１１２径方向、１１４パワータービンのディスクの負荷プロファイル、１１６パワータービンのディスクの応答、１１８ヒステリシス

Claims

腐食損傷を有するパワータービンのディスク（１２）の有効寿命を延ばすための補修方法（７２）であって、前記パワータービン（１４）は、段（１６、１８、２０、２２）および段間空隙（２６、２８、３０、３２）を有し、
腐食を有さないベースラインディスクのベースライン構造の第１の熱分析を実施して第１の定常温度分布（４４）を決定するステップ（７４）と、

腐食を補修して加工済ディスクを形成するのに好適な深さまで腐食損傷を受けたディスク（１２）を加工するステップ（７６）と、
前記加工済ディスクの第２の熱分析を実施して前記加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定するステップ（７８）と、
前記加工済ディスクのディスク軸対称形状部（１〜１０）に対する第１の予測安全サイクル寿命（８０）を計算するステップと、
前記加工済ディスクのディスク型鋸歯状形状部（７０）に対する第２の予測安全サイクル寿命（８２）を計算するステップと、
前記補修方法（７２）を認定して前記加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致するのを保証するステップ（８４）と
を含む、補修方法。
前記ディスクを加工する前記深さを統計的に確立する、請求項１に記載の補修方法。
低温熱腐食（ＬＴＨＣ）によって誘発された表面下損傷の確認された深さを検討することで前記ディスクを加工する前記深さを統計的に確立する、請求項２に記載の補修方法。
前記第２の熱分析を実施するステップ（７８）は、前記ベースライン構造と前記ディスク（１２）の加工による最悪のケースの空隙との間における定常温度の変動（５２）を判定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の予測安全サイクル寿命（８０）は、リムの温度の基準点（５４）に基づく、請求項１に記載の補修方法。
前記ディスク型鋸歯状形状部（７０）は、前記ディスク型鋸歯状形状部（７０）の上部（６４）、中間部（６６）、および下部（６８）のノッチを含む、請求項１に記載の補修方法。
前記第１の予測安全サイクル寿命及び前記第２の予測安全サイクル寿命のうちの少なくとも一方は、破壊するまでの最小寿命の２／３である、請求項１に記載の補修方法。
腐食損傷を有するパワータービンのディスク（１２）の有効寿命を延ばすための補修方法（７２）であって、前記パワータービン（１４）は、段（１６、１８、２０、２２）および段間空隙（２６、２８、３０、３２）を有し、
腐食を有さないベースラインディスクのベースライン構造の第１の熱分析を実施して第１の定常温度分布（４４）を決定するステップ（７４）と、
腐食を補修して加工済ディスクを形成するのに好適な深さまで腐食損傷したディスク（１２）を加工するステップ（７６）であって、前記ディスクを加工する前記深さを統計的に確立する、ステップ（７６）と、
前記加工済ディスクの第２の熱分析を実施して前記加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定するステップ（７８）と、
前記加工済ディスクのディスク軸対称形状部（１〜１０）に対する第１の予測安全サイクル寿命（８０）を計算するステップと、
前記加工済ディスクのディスク型鋸歯状形状部（７０）に対する第２の予測安全サイクル寿命（８２）を計算するステップと、
前記補修方法（７２）を認定して前記加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致するのを保証するステップ（８４）と
を含む、補修方法。
低温熱腐食（ＬＴＨＣ）によって誘発された表面下損傷の確認された深さを検討することで前記ディスクを加工する前記深さを統計的に確立する、請求項８に記載の補修方法。
腐食損傷を有するパワータービンのディスク（１２）の有効寿命を延ばすための補修方法（７２）であって、前記パワータービン（１４）は、段（１６、１８、２０、２２）および段間空隙（２６、２８、３０、３２）を有し、
腐食を有さないベースラインディスクのベースライン構造の第１の熱分析を実施して第１の定常温度分布（４４）を決定するステップ（７４）と、
腐食を補修して加工済ディスクを形成するのに好適な深さまで腐食損傷したディスク（１２）を加工するステップ（７６）であって、前記ディスクを加工する前記深さを統計的に確立する、ステップ（７６）と、
前記加工済ディスクの第２の熱分析を実施して加工済ディスクの第２の定常温度分布を決定するステップ（７８）と、
前記加工済ディスクのディスク軸対称形状部（１〜１０）に対する第１の予測安全サイクル寿命（８０）を計算するステップと、
前記加工済ディスクのディスク型鋸歯状形状部（７０）に対する第２の予測安全サイクル寿命（８２）を計算するステップと、
前記補修方法（７２）を認定して前記加工済ディスクの品質が新しいディスクと一致することを保証するするステップ（８４）であって、加工試験、機械的特性および金属組織評価、ならびに残留応力評価を含む、ステップ（８４）と
を含む、補修方法。