JPH11248605A

JPH11248605A - ガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法およびその装置

Info

Publication number: JPH11248605A
Application number: JP10053871A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Yamamoto; 浩喜山本; Hiroaki Yoshioka; 洋明吉岡; Yasuhiko Kikuchi; 泰彦菊池; Keiichi Shimomura; 慶一下村
Original assignee: Toshiba Corp; Tohoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tohoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】γ′相の形態変化を比較的容易な手法によって
正確に把握し、高い精度を持った余寿命を推定すること
ができるガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法およ
びその装置を提供する。【解決手段】ニッケル基耐熱合金から成るガスタービン
翼のクリープ余寿命を評価する方法において、ガスター
ビン翼の特定箇所から試料を採取してその箇所における
γ′相の形態変化を観察し、そのγ′相の変化組織の平
均アスペクト比Ｌ／Ｔと同組織の平均幅Ｔとを測定し、
ガスタービン翼と同一の材料について予め求めたγ′相
のアスペクト比Ｌ／Ｔと応力との関係および平均幅Ｔと
温度との関係に基づいて、ガスタービン翼の使用応力お
よび温度を推定し、これら推定した応力および温度の値
を、破断時間との関係を示すクリープマスター曲線に対
応させることにより、ガスタービン翼のクリープ寿命を
評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運用中にクリープ
損傷を受け、点検や補修等の処置が必要となるガスター
ビン動翼あるいは静翼について、クリープ余寿命を評価
するためのガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法お
よびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高温下で応力を負荷されながら長時間使
用されるガスタービン動静翼の構成材料であるニッケル
基耐熱超合金は、運転中にクリープ損傷を受け、金属組
織とりわけ析出相γ′が粗大化する等の形態変化を生じ
る。このγ′相の形態変化は明らかに材料劣化であり、
材料の余寿命と相関性がある。このような材料劣化は、
メタル温度、作用応力および使用時間によって支配され
るものであり、発電用ガスタービンではこれらの支配因
子を考慮し、通常数万時間の寿命を持つように構成材料
の材質や翼形状等を決定している。

【０００３】しかし、燃焼ガスの偏流によるメタル温度
の上昇などの予測外の原因により、寿命に達する前に破
損することが考えられる。また、発電用ガスタービンの
ベースロード運転化や毎日の起動停止など使用条件が一
層過酷になってきている。

【０００４】このようなことから、動静翼材の劣化の程
度を正確に検知して余寿命を的確に予測する技術、余寿
命推定法の開発が急務となってきている。高精度の余寿
命推定法を適用することにより、的確な補修や交換が可
能となり、メンテナンスコストが節約できるとともに、
発電用ガスタービンプラントの寿命を延長することも可
能となる。

【０００５】しかしながら、γ′相の形態変化をはじめ
とする材料劣化は定期的点検で一般に行われている外観
検査、磁粉探傷検査、硬さや電気抵抗計測では検出不可
能であり、材料の余寿命を的確に評価することはできな
い。上記の各種検査・計測に代わって発電用ガスタービ
ン高温部品の材料劣化を検出し、材料の余寿命を推定す
る方法として、特開昭５９−６０３４７号、特開昭６１
−１０８９６７号、特開平２−２２７６５４号、特開平
３−２０９１６２号、特開平４−２５７４５号、特開平
５−３１２８００号、特開平８−１０５８８２号等の公
知例がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開昭５９−６０３４
７号、特開昭６１−１０８９６７号、特開平２−２２７
６５４号、特開平５−３１２８００号、特開平８−１０
５８８２号等の技術は、材料の全体のマクロ的或いは特
定部位のミクロ的な評価の違いこそあるが、合金元素の
濃度分布の変化を検知し、その濃度分布変化とクリープ
をはじめとする機械的特性との相関より材料の余寿命を
評価するものであり、材料劣化度および残寿命の評価を
高精度で行うためには、必ずしも十分とは言えないもの
である。

【０００７】また、特開平３−２０９１６２号および特
開平４−２５７４５号の技術は、高温下で応力負荷しな
い状態でのγ′相の形態変化と機械的特性の関係から材
料の余寿命を推定する方法を示しているが、近年発電用
ガスタービン動静翼に使用され始めている一方向凝固合
金や単結晶合金のように高γ′相体積率を有する合金に
は十分に適用することが困難である。

【０００８】高γ′相体積率の合金が実機環境でクリー
プ損傷を受けた場合には、γ′相は上記公知例に示され
るような単純な粗大化は生じず、応力負荷方向に垂直な
方向に互いに連なってラフト構造と呼ばれる組織を形成
する。このことから上記公知例の技術ではラフト構造組
織を形成する一方向凝固合金や単結晶合金の劣化度の高
精度な検知は難しいと考えられる。

【０００９】一方、最近ではラフト構造に着目して余寿
命を評価する技術も開発されている（例えば特開平８−
２７１５０１号、特開平８−２９７０７９号等）。これ
らの技術では、組織変化の定量値と高温部材の損傷量と
の関係に基づいて余寿命を推定するというものである
が、変化組織の密度あるいはラフト化比率等をパラメー
タとして推定計算を行っており、処理が比較的複雑化す
る等の難点がある。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、金属組織のうちγ′相の形態変化を比較的
容易な手法によって正確に把握することができ、それに
より高い精度を持った余寿命を推定することができるガ
スタービン翼のクリープ余寿命評価方法およびその装置
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明者は高温下で応力負荷された場合、すなわち
クリープ損傷を受けた場合に形成されるγ′相のラフト
構造組織に注目し、ラフト構造組織の形態をパラメータ
として材料劣化を定量化することを試みた。その結果、
ラフト構造組織の平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平均幅（以
下、平均チャンネル幅ともいう）Ｔとがそれぞれ負荷応
力と温度に対応していることが明らかとなった。

【００１２】そこで、本発明はこの点に着目し、動静翼
材のクリープ余寿命を評価する方法として、平均アスペ
クト比と応力との関係および平均チャンネル幅と温度と
の関係を定めた相関図を予め求めておき、実測した平均
アスペクト比と平均チャンネル幅とを上記の相関図にプ
ロットして応力と温度をそれぞれ求め、求められた応力
と温度とを予め求めたクリープラプチャーマスター曲線
上にプロットし、クリープ余寿命を算出するようにした
ものである。

【００１３】即ち、請求項１の発明では、ニッケル基耐
熱合金から成るガスタービン翼のクリープ余寿命を評価
する方法において、前記ガスタービン翼の特定箇所から
試料を採取してその箇所におけるγ′相の形態変化を観
察し、そのγ′相の変化組織の平均アスペクト比Ｌ／Ｔ
と同組織の平均幅Ｔとを測定し、前記ガスタービン翼と
同一の材料について予め求めたγ′相のアスペクト比Ｌ
／Ｔと応力との関係および平均幅Ｔと温度との関係に基
づいて、前記ガスタービン翼の使用応力および温度を推
定し、これら推定した応力および温度の値を、破断時間
との関係を示すクリープマスター曲線に対応させること
により、前記ガスタービン翼のクリープ寿命を評価する
ことを特徴とするガスタービン翼のクリープ余寿命評価
方法を提供する。

【００１４】請求項２の発明では、請求項１記載のガス
タービン翼のクリープ余寿命評価方法において、評価対
象となるガスタービン翼の構成材料であるニッケル基耐
熱合金は、γ′相の体積率が４０％以上であることを特
徴とするガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法を提
供する。

【００１５】請求項３の発明では、請求項１または２記
載のガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法におい
て、評価対象となるガスタービン翼の特定箇所として、
翼表面近傍または翼内部、もしくは両者の中から最も損
傷を受ける箇所を選定することを特徴とするガスタービ
ン翼のクリープ余寿命評価方法を提供する。

【００１６】請求項４の発明では、請求項１から３まで
のいずれかに記載のガスタービン翼のクリープ余寿命評
価方法において、γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよ
び平均幅Ｔの測定を定期点検時、コーティング補修なら
びに再施工時、または再生熱処理時に行うことを特徴と
するガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法を提供す
る。

【００１７】請求項５の発明では、請求項１から４まで
のいずれかに記載のガスタービン翼のクリープ余寿命評
価方法において、γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよ
び平均幅Ｔを測定するための試料採取は、レプリカ法も
しくは小片の切断採取法によりタービン翼を破壊するこ
となく行い、またはタービン翼切断により行うことを特
徴とするガスタービン翼のクリープ余寿命評価法方法を
提供する。

【００１８】請求項６の発明では、請求項１から５まで
のいずれかに記載のガスタービン翼のクリープ余寿命評
価方法において、γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平
均幅Ｔとの測定は、デンドライト組織におけるデンドラ
イトコア部分について行うことを特徴とするガスタービ
ン翼のクリープ余寿命評価方法を提供する。

【００１９】請求項７の発明では、ガスタービン翼の特
定箇所から採取した試料についてのγ′相の形態観察に
基づいて、そのγ′相の変化組織の平均アスペクト比Ｌ
／Ｔと平均幅Ｔとの測定を行う測定手段と、前記ガスタ
ービン翼と同一の材料について予め実験的に求めておい
たアスペクト比Ｌ／Ｔと応力との関係および平均幅Ｔと
温度との関係を相関図として格納する記憶手段と、前記
測定手段で測定された実測データとしての平均アスペク
ト比Ｌ／Ｔおよび平均幅Ｔと前記記憶手段に格納されて
いる相関図データとを入力値として、実測データに対応
する使用応力および温度を求める応力・温度演算手段
と、この演算手段で求めた応力および温度の値をこれら
と材料の破断時間との関係を示すクリープマスター曲線
に照合し、現時点における寿命消費分と将来破断に至る
までの寿命残余分とを求めるクリープ寿命推定手段と、
この寿命推定手段での照合結果に基づいて余寿命データ
を出力する出力手段とを備えたことを特徴とするガスタ
ービン翼のクリープ余寿命評価装置を提供する。

【００２０】このような本発明のクリープ余寿命評価方
法および装置によると、クリープ損傷による材料劣化を
ラフト構造組織の形態パラメータより検知することで、
従来にない高精度のタービン翼の余寿命評価が行えるよ
うになる。また、本発明の余寿命評価法でメンテナンス
される発電用ガスタービンの信頼性は従来に比較して非
常に高いものとなる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２２】図１は、本実施形態によるガスタービン翼
のクリープ余寿命評価装置のシステム構成を示してい
る。

【００２３】このクリープ余寿命評価装置は、ガスター
ビン翼の特定箇所から試料を採取する金属組織採取装置
１と、採取した試料についてのγ′相の形態観察を行
い、それに基づいてγ′相の変化組織のパラメータ、即
ち平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平均幅Ｔとの測定を行う測
定手段としてのγ′相形態パラメータ測定装置２と、運
転時間、起動停止回数などの運転環境を算出する運転環
境算出装置３とを備える。

【００２４】また、ガスタービン翼の材料に対応して運
転時間、温度等とその材料の破断時間との関係を示すク
リープマスター曲線を作成するマスター曲線作成装置４
と、このマスター曲線作成装置４、前記のγ′相形態パ
ラメータ測定装置２および運転環境算出装置３から得ら
れる情報に基づいてクリープ寿命の推定を行うクリープ
寿命推定装置５とを備えている。

【００２５】マスター曲線作成装置４は、ガスタービン
翼と同一の材料について予め実験的に求めておいたアス
ペクト比Ｌ／Ｔと応力との関係および平均幅Ｔと温度と
の関係を相関図として作成する手段、およびそれらを格
納する記憶手段と、γ′相形態パラメータ測定装置２で
測定された実測データとしての平均アスペクト比Ｌ／Ｔ
および平均幅Ｔと、記憶手段に格納されている相関図デ
ータとを入力値として、実測データに対応する使用応力
および温度を求める応力・温度演算手段とを備えてい
る。

【００２６】また、クリープ寿命推定装置５は、マスタ
ー曲線作成装置４で求めた応力および温度の値をこれら
と材料の破断時間との関係を示すクリープマスター曲線
に照合し、現時点における寿命消費分と将来破断に至る
までの寿命残余分とを求めるクリープ寿命推定手段を備
えている。

【００２７】さらに、クリープ寿命推定装置５での照合
結果に基づいて余寿命データを出力する出力手段とし
て、寿命診断表示装置６が備えられている。

【００２８】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態におけ
る評価対象となるガスタービン翼を構成するニッケル基
耐熱超合金材料の組織を拡大して示す説明図であり、応
力負荷方向に対して垂直に切断した顕微鏡的模式図であ
る。

【００２９】図２（Ａ）は光顕微鏡組織を示しており、
この図に示すように、ニッケル基耐熱超合金はデンドラ
イト組織を呈している。この組織は、γ′相が緻密に整
列したデンドライトコア部とデンドライト間部とからな
っており、このうちラフト構造は主にデンドライトコア
部に形成されることから、本実施形態でのパラメータの
測定は、このデンドライトコア部にて行う。

【００３０】図２（Ｂ）は、デンドライトコア部を拡大
して示すものであり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）また
は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による画像の模式図であ
る。この図２（Ｂ）に示す整列組織がγ′相を表してお
り、この状態がクリープ変形のない状態である。

【００３１】図２（Ｃ）は、γ′相にクリープ変形を与
えた場合のラフト組織を示しており、同図に示すように
γ′相は応力方向と直交する方向に延びた状態に変形し
ている。この図２（Ｃ）に示すように、アスペクト比は
連なったγ′相の横幅Ｌと厚さＴとの比Ｌ／Ｔである。
また、本実施形態では、厚さＴを「チャンネル幅Ｔ」と
定義する。即ち、本実施形態では、一定領域におけるラ
フト構造γ′組織のアスペクト比Ｌ／Ｔを平均した「平
均アスペクト比Ｌ／Ｔ」と、同様にチャンネル幅Ｔを平
均した「平均チャンネル幅Ｔ（単に「平均幅Ｔ」ともい
う）」をマスター曲線作成のためのパラメータとして使
用する。

【００３２】図３は平均アスペクト比Ｌ／Ｔと、翼材料
に発生する応力σとの関係を示す相関図、即ち、平均ア
スペクト比−応力線図であり、マクスター曲線作成装置
４内でγ′相形態パラメータ測定値に基づいて作成さ
れ、保持される。この図３に特性線Ｐで示すように、平
均アスペクト比Ｌ／Ｔと応力σとは比例的な関係にあ
り、応力σが大きい程、平均アスペクト比Ｌ／Ｔが小さ
くなる。例えば平均アスペクト比がＡ₁の場合には、応
力σ₁と推定できる。

【００３３】図４は、実機運転時間（本実施形態では
「時効時間」と定義する）ｈと、平均チャンネル幅Ｔ
と、材料の使用温度ｔ（試験温度）（ｔ₁，ｔ₂，
ｔ₃，…）との関係を示したもの、即ち平均チャンネル
幅−温度曲線図であり、マスター曲線作成装置４内で
γ′相形態パラメータ測定値に基づいて作成され、保持
される。この図４に特性線Ｑで示すように、時効時間ｈ
と平均チャンネル幅Ｔとは比例関係にあり、時効時間ｈ
が長くなるに連れて平均チャンネル幅Ｔが拡大する。ま
た、特性線Ｑの傾きは、試験温度ｔが高い程（ｔ₁＞ｔ
₂＞ｔ₃）、大きくなる。例えば時効時間ｈ₁、平均チ
ャンネル幅ｄ₁の場合、使用温度はｔ₂と推定できる。

【００３４】図５は、翼材料が破断に至るまでの時間
（破断時間）ｈと応力σと温度ｔとの関係を示したも
の、即ちクリープラプチャーマスター曲線図であり、マ
スター曲線作成装置４で作成され、保持される。この図
５に特性線Ｒで示すように、破断時間ｈと応力σとは比
例関係にあり、応力σが大きい程、破断時間ｈが短くな
る。また、試験温度ｔが高い程（ｔ₁＞ｔ₂＞ｔ₃）、
同一応力発生時の破断時間ｈ、即ち翼寿命が短くなる。

【００３５】例えば、この図５において、試料に基づく
応力がσ₁、試験温度がｔ₂の場合、クリープ寿命推定
装置５において、運転環境算出装置３から入力される評
価時間がｈ₁であると、これらの照合により、現時点は
図５の黒丸（●）の位置にプロットされるので、そこか
ら運転初期側が消費済の寿命（消費寿命）となり、破断
点（ｔ₂ラインとの交点）までの時間が残寿命と推定さ
れるものである。

【００３６】次に、詳しい実施例１〜３について説明す
る。

【００３７】実施例１（表１，２、図１，図６〜図８）本実施例ではクリープ余寿命推定に当たり、マスター曲
線作成装置４から動翼の構成材料を選択する。マスター
曲線作成装置４では図６，７，８に示すように、発電用
ガスタービン翼用ニッケル基耐熱超合金の余寿命推定法
に用いられる各種マスター曲線が作成され、これらが保
存され、必要に応じて選択して出力される。各種マスタ
ー曲線Ｐ₁，Ｑ₁，Ｒ₁はマスター曲線作成装置４によ
り以下の方法で作成されたものである。

【００３８】まず、予めタービン翼と同一材質の未使用
材を用いてクリープラプチャー試験を行い、応力σと破
断時間ｈの関係を示すクリープラプチャーマスター曲線
図（図８）を作成した。続いて未使用材を種々の試験条
件で応力時効し、ラフト構造γ′相組織（図２参照）を
形成させ、応力負荷方向に垂直な切断面について走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは透過型電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）と画像解析装置を用いてラフト構造組織の形態パラ
メータ、平均アスペクト比Ｌ／Ｔ、平均チャンネル幅Ｔ
を測定し、平均アスペクト比−応力曲線図（図６）およ
び平均チャンネル幅−温度曲線図（図７）を作成した。

【００３９】次に、実機から抜き取ったタービン翼の
γ′相組織を金属組織採取装置により採取した。サンプ
ル採取部位は運転環境算出装置で最も過酷な場所を選定
し、選定した部位から採取した組織の平均アスペクト比
Ｌ／Ｔおよび平均チャンネル幅Ｔをγ′相形態パラメー
タ測定装置を用いて測定した。なお前述したように、ニ
ッケル基耐熱超合金はデンドライト組織を呈しており、
ラフト構造組織はγ′相が緻密に整列したデンドライト
コア部で主に形成されることから、両形態パラメータの
測定はデンドライトコア部にて行った（図２参照）。

【００４０】続いて、クリープ寿命推定装置５で実機か
ら抜き取ったタービン翼のクリープ余寿命を推定した。
まず、実機から採取したサンプルの平均アスペクト比Ｌ
／Ｔと平均チャンネル幅Ｔとをそれぞれ図６および図７
上にプロットすることで、これらの形態パラメータに対
応した応力と温度を求めた。ここで、図７による温度推
定に用いた時効時間は、運転環境算出装置３に記憶され
ているサンプルを採取した動翼の実機運転時間である。

【００４１】この応力σおよび温度ｔと実機運転時間ｈ
を図８のクリープラプチャーマスター曲線Ｒ₁上にプロ
ットすることにより、消費寿命および余寿命を算出し
た。即ち、応力σおよび温度ｔを同一と仮定して、次回
定期点検までの運転時間を今後の運転条件設定装置で設
定し、図８上に当てはめ、余寿命との関係を判断し、寿
命に達する場合は寿命診断表示装置が警報を発するよう
にした。これにより、今後の運用形態を考慮した定量的
な余寿命診断が可能となった。

【００４２】以上の手順に従って、約３８００時間（起
動停止回数１６５回）運転した１５ＭＷ級ガスタービン
第１段動翼の余寿命を推定した例を示す。評価対象とな
る動翼は、γ′相体積率４５％を有するニッケル基一方
向凝固耐熱超合金ＣＭ２４７ＬＣ製で定期点検のために
抜き取ったものである。

【００４３】下記の表１に示す条件で、応力時効を行っ
た未使用のＣＭ２４７ＬＣの平均アスペクト比−応力曲
線および平均チャンネル幅−温度曲線は、それぞれ図
６、７に示したように作成された。次に、実機からレプ
リカ法により採取したサンプルの平均アスペクト比Ｌ／
Ｔおよび平均チャンネル幅Ｔを測定した。

【００４４】ところで、動翼はメタル温度を下げるため
に、翼内部に空気あるいは蒸気などの冷媒を通す内部構
造を持っている。このため、翼内部と外表面で温度差が
生じ、翼表面近傍では遠心応力に加えて熱応力も作用す
ることから翼表面近傍が最も過酷な箇所となる。そこで
金属組織の採取は翼表面近傍でよく、採取方法として、
ここではレプリカ法を用いた。レプリカ法は、サンプル
採取箇所をグラインダー等で鏡面研磨して材料に合った
腐食液でエッチングし、その箇所に溶剤で溶かしたレプ
リカ膜を張り付け、乾燥後、剥がすことで組織を転写す
るものである。

【００４５】本実施形態では、選定した部位から採取し
たレプリカ膜を、γ′相形態パラメータ測定装置を用い
て平均アスペクト比および平均チャンネル幅を測定し
た。その結果を下記の表２に示している。この表２の値
を図６、７にプロットすると、動翼の使用応力および温
度はそれぞれ１２ｋｇｆ／ｍｍ２、および９００℃とな
った。この推定値と運転時間とをＣＭ２４７ＬＣのクリ
ープラプチャーマスター曲線（図８）に当てはめると黒
丸（●）印の位置となり、クリープ余寿命は約６７２０
０時間となった。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】実施例２（表３，４、図１，図９〜図１
１）実施例１と同一のガスタービンにおいて、実施例１の動
翼と同様に、試験的に使用されているニッケル基単結晶
耐熱超合金ＣＭＳＸ−２製第１段動翼に本発明を適用し
た。

【００４９】本実施例の対象となる動翼は、耐食コーテ
ィングを補修するために運転後、約５６００時間（起動
停止回数２５６回）経過した時点で抜き取ったものであ
る。なお、ＣＭＳＸ−２はγ′相体積率が５５％以上の
高強度合金である。

【００５０】実施例１と同様の手順に従って、未使用の
ＣＭＳＸ−２を用い、マスター曲線作成装置４により、
平均アスペクト比−応力曲線図（図９）、平均チャンネ
ル幅−温度曲線図（図１０）およびクリープラプチャー
マスター曲線図（図１１）を作成した。

【００５１】下記の表３は、図９，図１０の作成時に使
用した応力時効材の試験条件、およびγ′相の形態パラ
メータを示している。

【００５２】また、表４は、実機の動翼について、金属
組織採取装置１およびγ′相形態パラメータ測定装置２
により測定した平均アスペクト比Ｌ／Ｔ、および平均チ
ャンネル幅Ｔを示している。本実施例で適用した翼は、
実施例１と同形状であるため、金属組織の採取は翼表面
近傍から行い、サンプルは、より一層の測定精度向上を
図るために、コーティングを一部除去して実翼メタル表
面より小片を切り出す方法により採取した。そして、直
接、γ′相の形態パラメータの測定を行った。

【００５３】次いで、平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよび平
均チャンネル幅Ｔの測定結果をそれぞれ図９、図１０に
プロットし、動翼の使用応力σおよび温度ｈを求めた結
果、それぞれ実施例１と同じく１２ｋｇｆ／ｍｍ２、９
００℃となった。この推定値を、運転時間とともに図１
１にプロットすると●印の位置となり、クリープ余寿命
は約８８０００時間となった。

【００５４】

【表３】

【００５５】

【表４】

【００５６】実施例３（表５，６、図１２〜図１４）実施例１と同一のガスタービンにおいて、ニッケル基普
通鋳造耐熱超合金ＭａｒＭ２４７製第３段動翼に、本発
明を適用した。この動翼は、約１２０００時間（起動停
止回数４４５回）運転後、材料劣化を回復させる再生熱
処理を施すために実機から抜き取ったものである。

【００５７】ＭａｒＭ２４７は、４０％のγ′体積率を
有する普通鋳造耐熱超合金の中では最高の高温強度を有
する材料である。

【００５８】本実施例でも、実施例１と同様の手順に従
ってマスター曲線作成装置によりクリープラプチャーマ
スター曲線図（図１４）、平均アスペクト比−応力曲線
図（図１２）および平均チャンネル幅−温度曲線図（図
１３）を、未使用のＭａｒＭ２４７から作成した。

【００５９】下記の表５は、図１２、図１３の作成に使
用した応力時効材の試験条件、およびγ′相の形態パラ
メータを示している。

【００６０】本実施例で適用した動翼は、内部に冷却構
造を有しない無冷却翼であり、有限要素解析により翼表
面ではなく内部が最もクリープ損傷を受ける箇所である
ことを確認した。そこで、この動翼を切断し、翼内部か
ら小片を採取し、金属組織サンプルとした。

【００６１】表６は、γ′相形態パラメータ測定装置に
より測定した平均アスペクト比Ｌ／Ｔ、および平均チャ
ンネル幅Ｔを示している。

【００６２】本実施例では、図１２と図１３とを利用し
て、測定した平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平均チャンネル
幅Ｔ、そして運転時間ｈから、動翼の使用応力および温
度を求めた結果、それぞれ２２ｋｇｆ／ｍｍ２、７５０
℃となった。図１４において、推定した応力および温度
を運転時間とともにプロットすると●印の位置となりク
リープ余寿命は４００００時間となった。

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明に係るガ
スタービン翼のクリープ余寿命評価方法およびその装置
によれば、クリープ損傷によりラフト構造を形成した
γ′相の平均アスペクト比、および平均チャンネル幅に
基づいて応力と温度とをそれぞれ推定し、それらの推定
結果をクリープラプチャー曲線上にプロットすることに
より、材料の劣化度ならびにクリープ余寿命を推定する
ことが可能となり、従来技術に比して高精度の寿命評価
が比較的容易な手法によって行えるようになる。

【００６６】また、本発明によれば、γ′相の体積率が
４０％以上を有するニッケル基耐熱超合金の全てに適用
可能であり、例えば発電用ガスタービン翼として開発さ
れたニッケル基単結晶耐熱超合金ＣＭＳＸ−１１、ＰＷ
Ａ１４８３あるいは第２・３世代合金呼ばれるニッケル
基一方向凝固・単結晶耐熱超合金、Ｒｅｎｅ１４２、Ｃ
Ｍ１８６ＬＣ、ＣＭＳＸ−４、ＲｅｎｅＮ５、ＣＭＳＸ
−１０、ＲｅｎｅＮ６等にも適用することができ、発電
用ガスタービンの信頼性向上、安定した電力供給、定期
点検時の不要部品の交換防止、点検周期の長期間化等が
図れ、経済的な効果も大きなものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示すもので、余寿命評価装
置の構成を示す説明図。

【図２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は前記実施形態におけ
るγ′相のラフト構造組織、アスペクト比、およびチャ
ンネル幅を説明するための模式図。

【図３】前記実施形態における平均アスペクト比−応力
曲線図。

【図４】前記実施形態における平均チャンネル幅−温度
曲線図。

【図５】前記実施形態におけるクリープラプチャーマス
ター曲線図。

【図６】本発明における実施例１に示すニッケル基一方
向凝固耐熱超合金ＣＭ２４７ＬＣの平均アスペクト比−
応力曲線図。

【図７】前記実施例１に示すニッケル基一方向凝固耐熱
超合金ＣＭ２４７ＬＣの平均チャンネル幅−温度曲線
図。

【図８】前記実施例１に示すニッケル基一方向凝固耐熱
超合金ＣＭ２４７ＬＣのクリープラプチャーマスター曲
線図。

【図９】本発明における実施例２に示すニッケル基一方
向凝固耐熱超合金ＣＭＳＸ−２の平均アスペクト比−応
力曲線図。

【図１０】前記実施例２に示すニッケル基一方向凝固耐
熱超合金ＣＭＳＸ−２の平均チャンネル幅−温度曲線
図。

【図１１】前記実施例２に示すニッケル基単結晶耐熱超
合金ＣＭＳＸ−２のクリープラプチャーマスター曲線
図。

【図１２】本発明における実施例３に示すニッケル基普
通鋳造耐熱超合金ＭａｒＭ２４７の平均アスペクト比−
応力曲線図。

【図１３】前記実施例３に示すニッケル基普通鋳造耐熱
超合金ＭａｒＭ２４７の平均チャンネル幅−温度曲線
図。

【図１４】前記実施例３に示すニッケル基普通鋳造耐熱
超合金ＭａｒＭ２４７のクリープラプチャーマスター曲
線図。

【符号の説明】

１金属組織採取装置２ γ′相形態パラメータ測定装置３運転環境算出装置４マスター曲線作成装置５クリープ寿命推定装置６寿命診断表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池泰彦宮城県仙台市青葉区一番町三丁目７番１号東北電力株式会社内 (72)発明者下村慶一宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号東北電力株式会社研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニッケル基耐熱合金から成るガスタービ
ン翼のクリープ余寿命を評価する方法において、前記ガ
スタービン翼の特定箇所から試料を採取してその箇所に
おけるγ′相の形態変化を観察し、そのγ′相の変化組
織の平均アスペクト比Ｌ／Ｔと同組織の平均幅Ｔとを測
定し、前記ガスタービン翼と同一の材料について予め求
めたγ′相のアスペクト比Ｌ／Ｔと応力との関係および
平均幅Ｔと温度との関係に基づいて、前記ガスタービン
翼の使用応力および温度を推定し、これら推定した応力
および温度の値を、破断時間との関係を示すクリープマ
スター曲線に対応させることにより、前記ガスタービン
翼のクリープ寿命を評価することを特徴とするガスター
ビン翼のクリープ余寿命評価方法。
【請求項２】請求項１記載のガスタービン翼のクリー
プ余寿命評価方法において、評価対象となるガスタービ
ン翼の構成材料であるニッケル基耐熱合金は、γ′相の
体積率が４０％以上であることを特徴とするガスタービ
ン翼のクリープ余寿命評価方法。
【請求項３】請求項１または２記載のガスタービン翼
のクリープ余寿命評価方法において、評価対象となるガ
スタービン翼の特定箇所として、翼表面近傍または翼内
部、もしくは両者の中から最も損傷を受ける箇所を選定
することを特徴とするガスタービン翼のクリープ余寿命
評価方法。
【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の
ガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法において、
γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよび平均幅Ｔの測定
を定期点検時、コーティング補修ならびに再施工時、ま
たは再生熱処理時に行うことを特徴とするガスタービン
翼のクリープ余寿命評価方法。
【請求項５】請求項１から４までのいずれかに記載の
ガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法において、
γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよび平均幅Ｔを測定
するための試料採取は、レプリカ法もしくは小片の切断
採取法によりタービン翼を破壊することなく行い、また
はタービン翼切断により行うことを特徴とするガスター
ビン翼のクリープ余寿命評価法方法。
【請求項６】請求項１から５までのいずれかに記載の
ガスタービン翼のクリープ余寿命評価方法において、
γ′相の平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平均幅Ｔとの測定
は、デンドライト組織におけるデンドライトコア部分に
ついて行うことを特徴とするガスタービン翼のクリープ
余寿命評価方法。
【請求項７】ガスタービン翼の特定箇所から採取した
試料についてのγ′相の形態観察に基づいて、そのγ′
相の変化組織の平均アスペクト比Ｌ／Ｔと平均幅Ｔとの
測定を行う測定手段と、前記ガスタービン翼と同一の材
料について予め実験的に求めておいたアスペクト比Ｌ／
Ｔと応力との関係および平均幅Ｔと温度との関係を相関
図として格納する記憶手段と、前記測定手段で測定され
た実測データとしての平均アスペクト比Ｌ／Ｔおよび平
均幅Ｔと前記記憶手段に格納されている相関図データと
を入力値として、実測データに対応する使用応力および
温度を求める応力・温度演算手段と、この演算手段で求
めた応力および温度の値をこれらと材料の破断時間との
関係を示すクリープマスター曲線に照合し、現時点にお
ける寿命消費分と将来破断に至るまでの寿命残余分とを
求めるクリープ寿命推定手段と、この寿命推定手段での
照合結果に基づいて余寿命データを出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするガスタービン翼のクリープ余
寿命評価装置。