(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン低圧内部車室の内面を非破壊で検査する検査方法であって、
前記蒸気タービン低圧内部車室の内面における溶接線の脚長量の設計値を取得し、
前記蒸気タービン低圧内部車室の内面における溶接線の変化の有無を目視点検し、
溶接線の脚長を計測して残存脚長量を取得し、
前記残存脚長量が前記設計値を基に設定した第１閾値未満か否か判定し、
前記残存脚長量が前記第１閾値未満であった場合、前記設計値を基に設定した前記第１閾値より小さな第２閾値未満か否かさらに判定し、
前記残存脚長量が前記第２閾値未満であった溶接線および前記目視点検によってき裂が確認された溶接線に溶接補修を施し、
前記残存脚長量が前記第１閾値未満であって前記第２閾値を超えていた溶接線は次回検査時の補修対象とすることを特徴とする蒸気タービン低圧内部車室の検査方法。
【請求項２】
溶接線にかかる発生応力値を算出し、該発生応力値と耐力との間の値を限界値とする限界脚長量を算出し、前記脚長量の設計値と該限界脚長量の中間値を前記第２閾値として設定することを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン低圧内部車室の検査方法。
【請求項３】
前記第１閾値は、前記第２閾値を設定した後、該第２閾値と前記設計値との間の値に設定することを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン低圧内部車室の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部を蒸気が通過する蒸気タービン低圧内部車室の検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、発電機に連結したタービン翼を蒸気で回転させて発電を行う設備であり、火力発電所や原子力発電所などで利用されている。発電所用の一般的な蒸気タービンは、複数のタービン翼を同軸方向に直列に備える多段式の構造となっていて、上流側のタービン翼は高圧タービンと、下流側のタービン翼は低圧タービンと呼ばれている。また、高圧タービンと低圧タービンの間に中圧タービンを備える場合もある。例えば、とある原子力発電所では、高圧タービンを１基、続いて低圧タービンを３基備えた構造の蒸気タービンが利用されている。これら複数の高圧・低圧タービンを備えることで、蒸気タービンは蒸気圧の利用効率の向上が図られている。
【０００３】
上記の高圧・低圧タービンは、１基ごとにタービン車室（以下、車室と称する）と呼ばれるケーシングにタービン翼を内包した構造となっている。車室は２重になっていて、外側の外部車室と、その内側でタービン翼を覆う内部車室とによって構成されている。原子炉等で発生した蒸気は、内部車室の内側の空間を通過する仕組みとなっている。
【０００４】
発電所、例えば原子力発電所では、電気事業法に基づき最長でも２４ヶ月ごとの定期検査が義務づけられている。その際、プラントは完全に停止され、圧力容器や各配管の傷の有無、および各機器の機能などが検査される。検査項目のなかには、毎回の定期検査で検査する項目と、数回の定期検査おきに検査する項目とがある。例えば、前述の内部車室に対しては、定期検査ごとに、内面のき裂や溶接線の浸食等を検査する目的でＰＴ検査(Penetrant Testing)と呼ばれる浸透探傷試験が一般に実施されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載の技術はガスタービンの動翼補修方法であるが、この特許文献１にはタービン翼のき裂の有無を蛍光浸透探傷検査で検査する旨が記載されている。ＰＴ検査の流れを簡単に説明すると、まず、検査面に浸透液（染色液または蛍光液）を塗布してき裂に染み込ませる。次に、一定時間経過した後に浸透液を拭き取り、さらに現像液を塗布する。すると、き裂に染み込んでいた浸透液が現像液を介して検査面に浮き出るため、き裂の数や程度が観察可能になるという流れで行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６８４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、業務負荷およびコスト低減の観点から、蒸気タービンの定期検査に対して合理化が要請されている。しかし従来の定期検査では、車室を開放してＰＴ試験を実施した後、検出されたき裂等の要補修箇所に対して切削および埋め戻し溶接などの補修作業をさらに行っている。特に、内部車室の内面に存在する検査すべき溶接線は、１つの蒸気タービンで約２５００ｍにもなり、そこから検出される要補修箇所は約２００箇所以上にもなる。このような定期検査では、ある程度の絶対的な日数および費用の確保が必要であって、個々の作業効率の改善を図ったとしても大幅な合理化は見込めない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、労力軽減およびコスト低減の観点から合理化を図ることが可能な蒸気タービン低圧内部車室の検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここで発明者らは鋭意検討し、前述した約２００箇所以上もの箇所に補修作業を行う必然性について根本的な見直しを行った。まず、従来の定期検査では、ＰＴ検査における要補修箇所か否かの判定には日本機械学会の策定する「溶接規格」を準用していた。むろん、事故・故障の未然防止を図る上では、厳密な検査で設備保全の万全を図ることは好ましい。しかし溶接規格は、本来は機器の製作時に適用することを想定した規格である。そのため、過度に多くの要補修箇所が検出されるおそれがあった。
【００１０】
また、溶接補修を多くの箇所に実施した場合、新たな要補修箇所を連鎖的に発生させるおそれがあることが発見された。詳細には、ある箇所に溶接補修を行った場合、その箇所には溶接時の入熱によって熱変形が生じ、残留応力を発生させるおそれがあった。残留応力は、溶接線のき裂等の発生原因ともなりかねない。一般に、残留応力は熱処理によって除去可能である。しかし、内部車室のような大型設備に対しての熱処理は実施が難しい。
【００１１】
さらに、ＰＴ検査は車室分解後に実施されるものであって、その検査結果から要補修箇所の数が導き出されるのも当然ＰＴ検査の後である。すなわち、従来の定期検査では、一連の作業がどの程度の時間を要するものであるのか事前に把握する手立てはなかった。そのため、定期検査の予定を組む段階では最大の日数を確保しておかなければならず、また作業内容および各種契約手続きの変更対応などの追加業務がその都度発生し、作業員の業務負荷が増大していた。そして、これらによって常に工程遅延のリスクを抱える状況となっていた。
【００１２】
以上の理由から、発明者らは、ＰＴ検査を含んだ従来の定期検査の手法に代わる新たな検査手法の確立を目指してさらに検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明にかかる蒸気タービン低圧内部車室の検査方法の代表的な構成は、蒸気タービン低圧内部車室の内面を非破壊で検査する検査方法であって、蒸気タービン低圧内部車室の内面における溶接線の脚長量の設計値を取得し、蒸気タービン低圧内部車室の内面における溶接線の変化の有無を目視点検し、溶接線の脚長を計測して残存脚長量を取得し、残存脚長量が設計値を基に設定した第１閾値未満か否か判定し、残存脚長量が第１閾値未満であった場合、設計値を基に設定した第１閾値より小さな第２閾値未満か否かさらに判定し、残存脚長量が第２閾値未満であった溶接線および目視点検によってき裂が確認された溶接線に溶接補修を施し、残存脚長量が第１閾値未満であって第２閾値を超えていた溶接線は次回検査時の補修対象とすることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、溶接線の脚長量を基準とすることで、従来の過度に厳密であったＰＴ検査を廃止しながらも、要補修箇所か否かの判定を定量的に行うことができる。これにより、補修作業の実施箇所を不安なく効率的に削減し、定期検査の大幅な工程短縮を図ることが可能となる。また、次回検査時の要補修箇所を把握することもできるため、次回検査の予定を適切な日程で組むことができる。そして、これらによって作業員の負荷低減および検査コストの大幅な低減を図ることが可能となる。
【００１５】
当該蒸気タービン低圧内部車室の検査方法では、溶接線にかかる発生応力値を算出し、発生応力値と耐力との間の値を限界値とする限界脚長量を算出し、脚長量の設計値と限界脚長量の中間値を第２閾値として設定するとよい。ここで、耐力とは部位（材質）の降伏応力を意味している。この第２閾値によれば、検査した溶接線について次回検査時の要補修箇所を定量的かつ適切に評価することができる。
【００１６】
上記の第１閾値は、第２閾値を設定した後、第２閾値と設計値との間の値に設定するとよい。この第１閾値によれば、次回検査時にもまだ補修が必要でないことを定量的に判定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、労力軽減およびコスト低減の観点から合理化を図ることが可能な蒸気タービン低圧内部車室の検査方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】原子力発電所における蒸気タービンの構成例を示す図である。
【図２】図１の低圧タービンの車室分解図である。
【図３】本実施形態にかかる蒸気タービン低圧内部車室の検査方法の流れを示すフローチャートである
【図４】図３の第１・第２閾値の設定処理の流れを示すサブルーチンである。
【図５】内部車室のＦＥＭ解析を示す図である。
【図６】溶接線の残存脚長量の検査の概要を示す図である。
【図７】ＰＴ検査において線状指示模様が確認された溶接線の観察結果である。
【図８】き裂進展評価の結果を示す図である。
【図９】本実施形態にかかる蒸気タービン低圧内部車室の検査方法と従来の検査方法との各工程を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２０】
（蒸気タービン低圧内部車室）
本実施形態にかかる蒸気タービン低圧内部車室の検査方法の説明に先立って、当該検査方法が実施される原子力発電所における蒸気タービンの構成について説明する。図１は、原子力発電所１０における蒸気タービン１００の構成例を示す図である。蒸気タービン１００は、１基の高圧タービン１０２と、３基の低圧タービン１０４ａ〜１０４ｃとを同軸方向に備えた多段式の構成となっている。各高圧・低圧タービンには、タービン翼１０６ａ〜１０６ｄと、各タービン翼を覆うタービン車室（車室１０８ａ〜１０８ｄ）が含まれている。蒸気タービン１００は、原子炉圧力容器２０から供給される蒸気でタービン翼１０６ａ〜１０６ｄを回転させ、その回転エネルギーを発電機３０に伝える。蒸気タービン１００は、このような多段式の構成によって、蒸気圧を効率よく利用することが可能となっている。
【００２１】
図２は、図１の低圧タービン１０４ａの車室分解図である。図２に示す低圧タービン１０４ａは、図１の低圧タービン１０４ａ〜１０４ｃの代表例である。図２では車室１０８ｂの内部を示すために、便宜上タービン翼１０６ｂの図示を省略している。図２に示すように、車室１０８ｂは、外側に外部車室１１０、その内側に内部車室１１２を備えた２重構造となっている。
【００２２】
外部車室１１０は、内部車室１１２を覆うケーシングであって高温・高圧の蒸気には直接触れない。一方、内部車室１１２は、タービン翼（図示省略）を覆うケーシングであって、その内側には高温・高圧の蒸気が流れる。内部車室１１２は内径が最大で約６ｍにもなる管状の構造であって、上側の上半部１１２ａと下側の下半部１１２ｂに分割することができる。内部車室１１２の内面には周方向に仕切板１１４が設けられている。仕切板１１４は整流作用等を目的に多数設けられていて、仕切板同士の間には各所に補強リブ１１６が設けられている。これら仕切板１１４および補強リブ１１６などの設置箇所には溶接線が数多く存在している。
【００２３】
原子力発電所１０における蒸気タービン１００の定期検査では、内部車室１１２（蒸気タービン低圧内部車室）に対して、その内面のき裂や浸食等の有無が検査される。その際、従来では、ＰＴ検査（浸透探傷試験）が実施されていた。以下に説明する当該蒸気タービン低圧内部車室の検査方法は、労力軽減およびコスト低減の観点から、ＰＴ検査に代わって蒸気タービン低圧内部車室の内面を非破壊で検査する新たな検査方法である。
【００２４】
（蒸気タービン低圧内部車室の検査方法）
図３は、本実施形態にかかる蒸気タービン低圧内部車室（内部車室１１２）の検査方法の流れを示すフローチャートである。以下に説明する内部車室１１２の検査方法では、内部車室１１２を検査しその健全性の是非を判定するにあたり、検査時における溶接線の脚長の残存量（残存脚長量）を判定基準として採用している点で従来のＰＴ検査等と異なっている。なお、溶接線の脚長とは、ほぼ直角に交わった２つの面の角に溶接を施した場合において、形成された溶接線（すみ肉）のほぼ三角形の断面における溶接線のルート部（２つの面の角の部分）から溶接線の止端部（溶接線の末端）までの長さである。
【００２５】
（第１・第２閾値の設定）
まず、図３のステップ２００において、後の処理に先立ち、残存脚長量の減少の程度を判定するための第１・第２閾値を設定する。図４は、図３の第１・第２閾値の設定処理の流れを示すサブルーチンである。図４に示すように、まずステップ３００において、内部車室１１２の内面における溶接線の脚長量の設計値を取得する。この脚長量の設計値とは、溶接線の設計上における設計基準値、いわゆるノミナル値である。第１・第２閾値は、このステップ３００で取得した脚長量の設計値を基に設定する。
【００２６】
続くステップ３０２では、内部車室１１２において溶接線に発生し得る発生応力値を算出する。本実施形態では、発生応力値を算出するために内部車室１１２のＦＥＭ（有限要素法）解析を行った。
【００２７】
図５は、内部車室１１２のＦＥＭ解析を示す図である。図５（ａ）は、ＦＥＭ解析において使用した内部車室１１２のＦＥＭモデルを示す図である。図５（ａ）に示すように、発生応力値は、内部車室１１２の内壁１１８と仕切板１１４との間に形成された溶接線から算出した。また、発生応力値は、異なる脚長量を有する複数の溶接線から算出した。
【００２８】
図５（ｂ）は、ＦＥＭ解析の結果を示す表である。図５（ｂ）は、各溶接線の脚長量、発生応力値、許容応力比、および耐力比を示している。各溶接線の脚長量は、設計値を基準にした比率で表している。許容応力比は、許容応力値に対する発生応力値の比である。なお、許容応力値は溶接金属の仕様に基づき、国の定める技術基準により規定される値であり、本実施形態の仕様では１００ＭＰａに設定されている。また、耐力比は、耐力（溶接金属の降伏応力）に対する発生応力値の比である。
【００２９】
図５（ｂ）に示すように、各溶接線は、脚長量が減少するほど発生応力値が高くなっている。溶接線５〜溶接線８では発生応力値が許容応力値を超えている。しかし、溶接線５〜溶接線８の発生応力値は耐力以下であるため、各溶接線に塑性変形は発生しない。本実施形態では、溶接線８における発生応力値（１２４．３ＭＰａ）を溶接線が耐え得る限界値に設定し（図４のステップ３０４）、その脚長量（１０％）をこれ以上の減少が許されない限界脚長量として算出した（ステップ３０６）。
【００３０】
図６は、溶接線の残存脚長量の検査の概要を示す図である。以下、図６を参照しながら図４の処理について説明する。図４のステップ３０８では、図６に示す脚長量の設計値（１００％）と限界脚長量（１０％）との中間値（５５％）を算出し、この中間値を第２閾値として設定する。そして、図４のステップ３１０において、図６に示す第２閾値（５５％）と設計値（１００％）との間に任意の第１閾値を設定する。本実施形態では、第１閾値は許容応力値未満（図５（ｂ）参照）の溶接線４の脚長量（６７％）に設定した。以上により、図４に示す一連の第１・第２閾値の設定処理を終了する。
【００３１】
（溶接線の検査作業の流れ）
以下では、図２のように上半部１１２ａと下半部１１２ｂとに内部車室１１２を開放した後に行われる、溶接線の検査作業の流れについて説明する。再び図３を参照する。内部車室１１２を開放した後、内部車室１１２の内面における溶接線の変化の有無を目視点検する。まず、ステップ２０２において、溶接線にき裂は存在するか否か判定する。視認可能な程度にまで進展したき裂が存在する場合（ステップ２０２のＹＥＳ）、後のステップ２１２にて溶接補修を施す。なお、ステップ２０２では、溶接線の目立った浸食、および内部車室１１２の内面におけるき裂や浸食の発生の有無も点検するとよい。
【００３２】
以下、図６を参照しながら図３の処理について説明する。図３のステップ２０２においてき裂が存在しなかった場合（ステップ２０２のＮＯ）、溶接線の浸食の進展を検査するために、ステップ２０４にて各溶接線を計測して残存脚長量（図６参照）を取得する。溶接線の残存脚長量は、例えば溶接線の表面の寸法計測値を基に算出する。なお、溶接線の計測は、例えば設計値の溶接線の形状に合わせた専用ゲージを作成し使用すると、より簡便に行うことができる。
【００３３】
次にステップ２０６において、溶接線の残存脚長量（図６参照）が第１閾値未満か否か判定する。第１閾値未満であった場合（ステップ２０６のＹＥＳ）、さらにステップ２１０にて第２閾値未満か否か判定する。第２閾値未満であった場合（ステップ２１０のＹＥＳ）、その溶接線は、現時点では限界脚長量に達していなくても、次回点検時までには限界脚長量に達するまで浸食が進行するおそれが高い。そこで、続くステップ２１２にてその溶接線に溶接補修を施す。溶接補修では、溶接線の周囲の切削と埋め戻し溶接とを行う。
【００３４】
一方、ステップ２１０にて第２閾値以上であった場合（ステップ２１０のＮＯ）、その溶接線は現時点では溶接補修の必要がないものの、次回検査時には残存脚長量が第２閾値未満となっている可能性が高い。そこで、その溶接線は次回検査時の補修対象とする（ステップ２１４）。このように、第２閾値によれば、検査した溶接線について次回検査時の要補修箇所を定量的かつ適切に評価することができる。
【００３５】
また、ステップ２０６において第１閾値以上であった場合（ステップ２０６のＮＯ）、その溶接線には現時点での溶接補修の必要はないと判定して溶接補修は行わない。また、このような溶接線は、例え僅かに浸食が生じていたとしても、次回検査時において溶接補修が必要になるとは限らない。したがって、特に次回検査の補修対象とすることなく、処理を終了する。このように、第１閾値によれば、次回検査時にもまだ補修が必要でないことを定量的に判定することが可能である。
【００３６】
以上説明したように、当該検査方法では、溶接線の脚長量を基準とすることで、従来の過度に厳密であったＰＴ検査を廃止しながらも、要補修箇所か否かの判定を定量的に行うことができる。これにより、補修作業の実施箇所を不安なく効率的に削減し、定期検査の大幅な工程短縮を図ることが可能となる。また、次回検査時の要補修箇所を把握することもできるため、次回検査の予定を適切な日程で組むことができる。そして、これらによって作業員の負荷低減および検査コストの大幅な低減を図ることが可能となる。
【００３７】
（妥当性の検討）
前述した当該蒸気タービン低圧内部車室の検査方法では、従来のＰＴ検査では溶接補修の対象と判定されていた多くの箇所を補修不要と判定している。以下では、この判定の妥当性について検討する。
【００３８】
図７は、ＰＴ検査において線状指示模様が確認された溶接線の観察結果である。図７は、線状指示模様からレプリカ法により採取したフィルムの電子顕微鏡による拡大写真である。レプリカ法では、溶接線の表面の組織を特殊なフィルムに転写し、そのフィルムを電子顕微鏡で観察する。ここで、線状指示模様とは、ＰＴ検査において線状に確認される微細なき裂である。線状指示模様は、従来では進展性を有していると判断されて溶接補修の対象となっていた。
【００３９】
図７を観察すると、線状指示模様の中に白い部分が確認できる。この白い部分は、発明者らの検討の結果、溶接時に入り込んだ不純物である可能性が高いことが確認された。このことから、線状指示模様は繰返し応力が発生原因なのではなく、不純物と溶接時の熱影響とが発生原因であると推定された。この線状指示模様は進展の可能性があるか否かについて、発明者らは以下のさらなる検討を行った。
【００４０】
図８は、き裂進展評価の結果を示す図である。図８は内部車室１１２に生じ得るき裂の進展の程度を検討するものである。図８（ａ）は、応力拡大係数とき裂進展速度の関係を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、一般に、き裂は繰返し応力の回数が増えるほど、また負荷応力が大きくなるほど進展する。
【００４１】
図８（ｂ）は、き裂進展評価に用いたモデルの初期条件と得られた計算結果を示している。図８（ｂ）に示すように、内部車室１１２は肉厚が６５ｍｍとし、き裂の初期条件は長さが４００ｍｍ、深さが２０ｍｍとした。また応力負荷の最大値を降伏応力である２１５Ｍｐａとした。この条件において、繰返し応力６０サイクル後（１サイクル＝１年の稼動に相等）のき裂深さは２０．２２ｍｍであった。すなわち、内部車室１１２に上記条件のき裂が存在する状態で６０年稼動させたとしても、き裂は０．２２ｍｍほどしか進展しないことが判明した。
【００４２】
以上のことから、当該蒸気タービン低圧内部車室の検査方法では、従来の検査方法では要補修箇所としていたき裂であっても、補修不要であると不安なく判定できることが証明された。例えば、図９は、本実施形態にかかる蒸気タービン低圧内部車室の検査方法と従来の検査方法との各工程を比較する図である。図９に示すように、当該検査方法を利用することで、例えば新しい内部車室などでは溶接補修がまったく不要となる場合もある。その場合、最大で２０日程度の工程短縮が可能であり、従来の検査方法に比べて労力およびコストの大幅な削減が可能となる。
【００４３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、内部を蒸気が通過する蒸気タービン低圧内部車室の検査方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０   …原子力発電所、２０   …原子炉圧力容器、３０   …発電機、１００  …蒸気タービン、１０２  …高圧タービン、１０４ａ〜１０４ｃ  …低圧タービン、１０６ａ〜１０６ｄ  …タービン翼、１０８ａ〜１０８ｄ  …車室、１１０  …外部車室、１１２  …内部車室、１１２ａ  …上半部、１１２ｂ  …下半部、１１４  …仕切板、１１６  …補強リブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図７】
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