JPH0425745A - ガスタービン高温部品の損傷診断法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン等の高温部品としてγ′（ガンマ
−プライム）相析出強化型ニッケル基超合金を用いた部
材で特に動翼などクリープ損傷および疲労損傷をうける
ガスタービン高温部品の損傷診断法に関する。

（従来の技術） 従来ガスタービンの高温部品のメンテナンスは、その部
品の寿命が環境、運転方法、使用燃料等により非常に大
きな差が生じることがら、定期点検において部品の外観
上の問題（クラック、欠損、腐食、変形、摩耗等）が生
していないかを検査し、補修を行って再使用するか、あ
る許容値を越えているものは寿命が来たと判断して交換
していた。

ガスタービン部品は高温で過酷な条件下で使用される。

特に発電用ガスタービンはピークロート用等の負荷調整
用として日夜起動停止等の厳しい運転状態で使用されて
いる。これらの高温部品は起動停止や負荷変動等の非定
常運転の繰り返しにより結晶粒内にすべり線が発生増加
してすべり帯を形成した後に、すべり帯に沿って金属結
晶粒オーダの微小き裂が発生する。

一方、定常運転中にクリープにより部品を構成する金属
結晶の結晶粒界で空孔が発生し、それらが互いに連結す
る等により微小き裂が発生し、材料が受ける損傷は蓄積
される。

γ′相析出強化型ニッケル基超合金の上記疲労やクリー
プに関する各種材料特性は、高温に長時間さらされると
徐々に変化して初期の強度的特性は異なってくる。この
ように高温で使用されるγ′相析出強化型ニッケル基超
合金製部品は、運転状態とその材料特性とが関わって種
々の損傷が蓄積、進行する。

特に発電用ガスタービン高温部品は、蒸気タービン部品
と比べて部品の寿命が短い為、部品の損傷状態を正確に
把握して支障なく使用できる期間を予知診断し、経済的
な取替え計画を建てることにより電力の安定運用を図っ
ていかなければならない。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の技術の場合、外観的な検査であり、外
観上良好であっても、部材は疲労損傷およびクリープ損
傷を受けている場合があり、その部品が再使用された場
合破壊、飛散にいたるケースがある。

また、蒸気タービン高温部品の損傷診断は使用条件解析
により温度、応力を求め、また過去の運転履歴に応じて
材料特性が初期状態から変化しており、これら材料特性
は非破壊的な計測法である硬さ計測、電気抵抗計測、電
気化学的な計測等により、その変化量を定量的に算出し
修正することにより部品の損傷を精度良く求める方法が
ある。

しかし、γ′相析出強化型ニッケル基超合金は、γ′の
析出状態により材料強度が複雑に変化するため、例えば
従来技術である硬さ計測からその材料特性を推定するこ
とはかなり困難である。

そこで、本発明の目的は、ガスタービン高温部品の使用
状態をあられす使用状態量と、高温部品の材料固有の特
性およびその変化を表す材料状態量と、その運転履歴を
考慮して、　γ′相析出強化型ニッケル基超合金製のガ
スタービン高温部品の損傷量の蓄積や進行状況を正確に
把握できるようにしたガスタービン高温部品の損傷診断
法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明のガスタービン高温部品の損傷診断法は、運転条
件・部品形状設定器により温度・応力算出のための境界
条件を設定し、温度・応力算出器により部品の非定常・
定常温度・応力を算出し、一方、金属組織採取器によっ
て採取した電子顕微鏡写真より金属間化合物γ′の形状
を表すパラメータを　γ′形状パラメータ算出器により
算出し、このパラメータおよび算出した温度・応力を用
いることにより　γ′相析出強化型ニッケル基超合金製
寿命診断対象部品固有の材料特性である低サイクル疲労
特性およびクリープ破断特性を材料特性算出器により算
出し、運転履歴設定器により部品の定常運転時間・起動
停止回数を設定し、これら材料特性、温度・応力、運転
履歴を用いて消費寿命演算器により低サイクル疲労損傷
とクリープ損傷による累積損傷を算出し、更に今後の運
用形態設定器により今後の部品の定常運転時間・起動停
止回数を設定し、余寿命演算器により当該部品のき裂発
生までの余寿命を低サイクル疲労損傷とクリープ損傷に
よる累積損傷演算により算出し、更に寿命診断結果の表
示器によりこれらの消費寿命および余寿命演算結果を表
示し、き裂発生寿命に達しつつあるものは警報を発する
ことを特徴とするものである。

（作用） 本発明によれば、非破壊的にレプリカ採取し、γ′相を
画像処理装置により効率的にまた高精度に評価すること
により、実機ガスタービン動翼の固有の、また長時間加
熱劣化を考慮した材料特性を算出することが可能である
。これ等の材料特性を用いることによりクリープ損傷お
よび低す、イクル疲労損傷を定量的に診断が可能であり
、また今後の運用形態を考慮した定量的な余寿命診断も
可能である。

（実施例） 本発明の詳細な説明する前に、本発明の対象となるガス
タービン部品の個有の材料特性について、第２図、第３
図および第４図を用いて説明する。

被調査部品を研磨、腐食後、金属組織転写用フィルムを
用いて金属組織のレプリカを採取する。

ここで、微小サンプル採取が可能な場合、サンプルを用
いて観察しても良い。このレプリカを用いて２段レプリ
カ法により透過型電子顕微鏡を用いてＩ［を行う。例え
ば、　γ′相析出強化型ニッケル基超合金であるｌＮ７
３８ＬＣのγ′の析出状態を高倍率で観察すると図２の
金属組織２１．２２．２３に示す様にγ′相２４がｔ７
Ｒ察される。

このγ′相の析出状態は、使用温度領域（８００〜９５
０℃）で高温加熱時効することにより凝集粗大化する。

　γ′相析出強化型ニッケル基超合金は、初期状態であ
るクリープ破断強度Ａおよび低サイクル疲労強度りを持
ち、それに対応しである大きさのγ′相２４が析出した
金属組織２１を有する。

γ′相２４はある時間高温加熱時効することにより凝集
粗大化し金属組織２２になる。　γ′相２４がある大き
さになるまでクリープ破断強度は増大してクリープ破断
強度Ｂとなる。これは適当な大きさのγ′相がクリープ
破断強度を高めるためである。

低サイクル疲労強度は低下傾向にあり、低サイクル疲労
強度Ｅになる。

更に、　γ′相２４は長時間高温加熱時効することによ
り更に凝集粗大化し金属組織２３になる。　γ′相が適
切な大きさ以上になると、クリープ破断強度は減少して
クリープ破断強度Ｃとなる。低サイクル疲労強度は更に
低下し、低サイクル疲労強度Ｆとなる。

この様に高温加熱時効することにより凝集粗大化した　
γ′相２４の大きさを表すパラメータとクリープ破断強
度および低サイクル疲労強度は相関関係があり、　γ′
相２４の大きさを表すパラメータを用いることによりこ
れ等の材料強度を表すことが出来る。

以上によりクリープ破断強度特性は、第４図に示すよう
に　γ′相２４の大きさを表すパラメータと相関性があ
り、　γ′相２４の大きさを表すパラメータの異なるい
ずれかの曲線も、　γ′相２４の大きさを表すパラメー
タ、ラーソンミラーパラメータＰ、応力σの関係をω式
の様に表すことができる。

Ｐ＝ｆｌ（σ、γ′相の大きさを表すパラメータ）・・
・・・・・・・■ ラーソンミラーパラメータＰは、　γ′相祈出強化型ニ
ッケル基超合金のクリープ破断試験における試験温度Ｔ
（絶対温度）と破断時間ｔとの関係を２式の様に与える
ものである。

Ｐ＝Ｔ　（Ｃ＋１ｏｇｔ）　　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・■ここで、Ｃは材料定数である。

第４図はγ′パラメータ１くγ′パラメータ２くγ′パ
ラメータ３くγ′パラメータ４の順でγ′パラメータの
値が大きく、応カ一定の場合、γ′パラメータに依存し
てラーソンミラーパラメータＰは大きさが決まる。　γ
′相析出強化型ニッケル基超合金は高温長時間使用によ
り初期状態から変化してクリープ破断特性はγ′相の大
きさを表すパラメータの変化より算出することができる
。

また、ある温度での　γ′相の大きさを表すパラメータ
と低サイクル疲労強度特性との間には第３図に示すよう
な相関があり、　γ′相２４の大きさを表すパラメータ
の異なるいずれがの曲線も、温度と　γ′相の大きさを
表すパラメータをパラメータにして０式で応力σと破損
までの繰返数Ｎｆの関係が表せる。

Ｎｆ＝ｆ２（σ、温度、γ′相の大きさを表すパラメー
タ）・・・・・・・・・（３） この図でγ′パラメータ１くγ′パラメータ２くγ′パ
ラメータ３くγ′パラメータ４の順で　γ′パラメータ
の値が大きく、低サイクル疲労強度はこれに対応して低
下することを示す。　γ′相析出強化型ニッケル基超合
金は高温長時間使用により初期状態から変化して、低サ
イクル疲労強度特性γ′相の大きさを表すパラメータの
変化より算出することができる。

以上によりガスタービン部品固有の、また長時間高温加
熱劣化を考慮した材料特性を非破壊的に求め、こ−れ等
の材料特性と使用条件である温度・応力および運転履歴
から低サイクル疲労損傷およびクリープ損傷を求めガス
タービンの消費寿命を算出し、更に今後の運用形態を考
慮してき裂発生寿命損傷線図よりき裂までの余寿命を計
算する。

更に、これ等の消費寿命・余寿命診断結果を表示し、き
裂発生寿命に近付けば警報を発する。

次に本発明をガスタービン動翼に適用した実施例を第１
図、第５図、第６図および第７図を用いて説明する。第
１図は本発明の損傷診断法の全体手法を示す手順図であ
る。

ここで、まず第１図の金属組織採取器３、　γ′形状パ
ラメータ算出吊器および材料特性算出器５それぞれの算
出手法を第５図に示す。第５図において、ガスタービン
動翼の有効部５１の低応力高温部位５１′よりレプリカ
採取（５０１）する。

レプリカ採取は検査部位５１′を研磨して腐蝕し。

金属組織転写フィルムで組織を転写して行う。このレプ
リカを用いて２段レプリカ法（例えば当該レプリカに無
定形炭素を真空蒸着し、無定形炭素膜レプリカを製作す
る。）により透過電子顕微鏡により金属組織を高倍率（
例えば５０００倍から１００００倍程度）で観察（５０
２）する。

この観察画像を画像処理装置に入力し、黒白２値化画像
処理（５０３）を行うと、２値化したγ′相の軸郭５４
が観察される。しかし、２値化画像には炭素化物や微細
な　γ′のノイズ５５も同時に観察される。

そこで、画像処理によりノイズを除去（５０４）　Ｌ、
凝集粗大化したγ′相の軸郭５６のみを抽出する。

この画像により画像処理装置を用いて、　γ′相の大き
さを表すパラメータより例えば本実施例では局長を計測
（５０５）する。更に、取り込んだ画像領域のγ′相の
周長の平均値を演算（５０６）する。

応力と　γ′相の周長の関数としてラーソンミラーパラ
メータを予め実験的に求めておき、温度・応力算出器に
よりもとめた温度よりクリープ破断特性５８を材料特性
算出器（５０７）により算出する。

また、温度と　γ′相の局長の関数として低サイクル疲
労寿命を予め実験的に求めておき、温度・応力算出器に
よりもとめた温度より低サイクル疲労特性５７を材料特
性算出器（５０７）により算出する。

以上の診断部材固有の材料特性と使用条件解析により求
めた温度・応力より第６図、第７図により夫々低サイク
ル疲労損傷Φｆおよびクリープ損傷ΦＣを算出する。低
サイクル疲労損傷Φｆはつぎの様に求める。非定常時の
応力と算出した低サイクル疲労特性より破損までの繰返
数Ｎｆを求め、非定常運転１回当たりの疲労損傷ΔΦｆ
を求める。

△Φｆ　＝　１　／　Ｎ　ｔ　　　　　　　　　　・・
・・・・・・・に）非定常運転の繰返による疲労損傷量
の蓄積は次式で表せる。

Φｆ＝ΣΔΦｆ　　　　　　　　　　・・・・・・■ク
リープ損傷ΦＣはつぎの様に求める。定常運転時の応力
と算出したクリープ破断特性により、破損時間Ｔｒを求
め、定常運転単位時間当たりのクリープ損傷量△ΦＣを
次式のように求める。

ΔΦｃ＝１／Ｔｒ　　　　　　　　　　　・・・・・・
・・・０定常運転の継続によるクリープ損傷の蓄積は次
式で求める。

ΦＣ＝ΣΔΦＣ・・・・・・・・−０ 以上より低サイクル疲労損傷Φｆおよびクリープ損傷Φ
Ｃを算出することができる。これらの損傷と第８図のき
裂発生限界損傷線図とを比較して限度線図内であれば今
後の運用形態設定器及び第６図、第７図の損傷算出手順
を繰り返してき裂発生までの余寿命を寿命算出器により
算出する。

このとき、　γ′相の粗大化傾向を外挿により推定し、
材料特性を算出し、この材料特性により余寿命を算出す
ることが可能である。更に、寿命診断結果の表示および
警報器によりこれ等の消費寿命・余寿命診断結果を表示
し、き裂発生寿命に近付けば警報を発する。

本発明の実施例によれば、非破壊的にレプリカ採取し、
　γ′相を画像処理装置により効率的にまた高精度に評
価することにより、実機ガスタービン動翼の固有の、ま
た長時間加熱劣化を考慮した材料特性を算出することが
可能である。これ等の材料特性を用いることによりクリ
ープ損傷および低サイクル疲労損傷を定量的に診断が可
能であり、また今後の運用形態を考慮した定量的な余寿
命診断も可能である。

なお本発明は、上記実施例にとどまらず、　γ′相析出
強化型ニッケル基超合金製の構造部品に広く適用できる
。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、クリープ損傷や低サイクル疲労
損傷をうける　γ′相析出強化型ニッケル基超合金製の
ガスタービン部品等の損傷評価を定期点検時の非破壊的
なレプリカ採取により。

γ′相の大きさを表すパラメータを求め、　そのパラメ
ータにより当該部品の材料特性を求め、これ等の材料特
性を用いてクリープ損傷や低サイクル疲労損傷を精度良
く評価することが出来また、余寿命評価も可能である。

本発明の寿命診断結果をもちいることにより、適正時期
に部品の新製交換計画がたてられ、また、破壊事故を未
然に防止することが可能となる。すなわち、本発明は効
果的かつ信頼性の高いガスタービンの運用および予防保
全に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービン高温部品の損傷診断法を
説明するためのフローチャート、第２図はγ′相析出強
化型ニッケル基超合金のγ′相の析出状態とクリープ破
断強度と低サイクル疲労強度の相関を示す特性図、第３
図は　γ′パラメータと低サイクル疲労強度特性の関係
を示す特性図、第４図は　γ′パラメータとクリープ破
断強度特性の関係を示す特性図、第５図は金属組織採取
、γ′形状パラメータの算出、材料特性算出手法に関す
る本発明の一実施例を示すフローチャート、第６図は低
サイクル疲労損傷を算出する手順を表すフローチャート
、第７図はクリープ損傷を算出する手順を表すフローチ
ャート、第８図はき裂発生限界損傷線図である。 ２１、２２．２３・・・電子顕微鏡写真（金属組織）２
４・・金属間化合物γ′ ５１・・ガスタービン動翼の有効部 ５１′・・・レプリカ採取位置 ５２・ロータ側植込部　　５３・動翼植込部５４・・粗
大化したγ′の２値化画像 ５５・・炭化物析出物等の２値化画像 ５６・・粗大化したγ′の２値化画像 ５７・低サイクル疲労特性 ５８・・クリープ破断特性 代理人　弁理士　猪股祥晃（ほか１名）井 閏 箒４ 闇 弗 図 茅 図 亭 図 本界損傷声製 第 酎

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 運転条件・部品形状設定器により温度・応力算出のため
   の境界条件を設定し、温度・応力算出器により部品の非
   定常・定常温度・応力を算出し、一方金属組織採取器に
   よって採取した電子顕微鏡写真より金属間化合物γ′の
   形状等大きさを表わすパラメータをγ′形状パラメータ
   算出器により算出し、このパラメータおよび算出した温
   度・応力を用いることによりγ′相析出強化型ニッケル
   基超合金製寿命診断対象部品固有の材料特性である低サ
   イクル疲労特性およびクリープ破断特性を材料特性算出
   器により算出し、運転履歴設定器により部品の定常運転
   時間・起動停止回数を設定し、これら材料特性、温度・
   応力、運転履歴を用いて消費寿命演算器によって、低サ
   イクル疲労損傷とクリープ損傷による累積損傷を算出し
   、更に今後の運用形態設定器により今後の部品の定常運
   転時間・起動停止回数を設定して余寿命演算器により当
   該部品のき裂発生までの余寿命を低サイクル疲労損傷と
   クリープ損傷による累積損傷演算により算出し、更に寿
   命診断結果の表示器によりこれらの消費寿命および余寿
   命演算結果を表示してき裂発生寿命に達しつつあるもの
   は警報を発することを特徴とするガスタービン高温部品
   の損傷診断法。