(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなり、高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材の表面のフェライト量を局所的に測定し、該フェライト量に基づいて予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量とフェライト量との関係より前記部材の腐食量又は酸化量を求め、該求められた腐食量又は酸化量より予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量と寿命との関係に基づいて前記部材の余寿命を求めることを特徴とする高温部材の余寿命予測法。
【請求項２】
請求項１において、前記求められた腐食量又は酸化量に基づいて予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量と温度との関係より前記部材の高温に晒された平均温度を求め、予め求められた前記部材の温度と機械的特性との関係によって求められる寿命との関係より前記平均温度に基づいて前記部材の余寿命を求めることを特徴とする高温部材の余寿命予測法。
【請求項３】
Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなり、高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を測定し、該フェライト量に基づいて予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係より前記部材の高温に晒された平均温度を求め、該求められた平均温度と前記機器部材の使用時間及び設計応力との関係に基づいて、予め求められた前記部材のクリープ破断強度より前記部材の余寿命を求めることを特徴とする高温部材の余寿命予測法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記高温機器部材は、ボイラー、蒸気タービン、ガスタービン、ジェットエンジン、ごみ焼却炉及び燃料電池のいずれかにおける前記高温腐食又は高温酸化に晒される部材であることを特徴とする高温部材の余寿命予測法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記高温機器部材は、ガスタービン又はジェットエンジンの静翼、動翼及び燃焼器のいずれかであることを特徴とする高温部材の余寿命予測法。
【請求項６】
Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなる高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係及び予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量と寿命との関係を記憶する記憶手段、前記入力されたフェライト量より前記記憶手段に基づいて腐食量又は酸化量を演算する演算手段、該求められた腐食量又は酸化量より前記記憶手段に基づいて余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする高温部材の余寿命予測システム。
【請求項７】
Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなる高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係及び予め求められた前記部材の温度と機械的特性との関係を記憶する記憶手段、前記入力された前記フェライト量より前記記憶手段に基づいて前記部材の高温に晒された平均温度を演算する演算手段、前記求められた平均温度より前記記憶手段に基づいて前記部材の余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする高温部材の余寿命予測システム。
【請求項８】
Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなる高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係及び予め求められた前記部材の温度とクリープ破断強度との関係を記憶する記憶手段、前記入力された前記フェライト量より前記記憶手段に基づいて前記部材の高温に晒された平均温度を演算する演算手段、前記求められた平均温度より前記記憶手段に基づいて前記部材の余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする高温部材の余寿命予測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン等の高温で長時間稼動によって生ずる材料の酸化又は腐食によって生じる材料の変化を利用し、非破壊的に評価する新規な高温部材の余寿命予測法及びそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの動翼、静翼等高温部材はNi基やCo基耐熱合金で製造されている。一般に、高温で使用されるこれらの材料は、600℃〜1100℃程度で長時間使用され、900℃以下ではNa、K.Sによる高温腐食、1000℃以上では高温酸化、900℃〜1000℃では高温腐食と酸化による損傷を受ける。高温腐食、酸化を受けると材料は腐食生成物、酸化物が形成され剥離、飛散による減肉をきたし、割れや冷却空気のもれによる事故につながるので、腐食状況を非破壊で正確に評価し、再コーティングや補修溶接あるいは新品と交換されねばならない。
【０００３】
従来、高温腐食、酸化を受けた材料の非破壊評価技術はなく、目視と経験に頼っている現状である。従って、ガスタービン等の高温機器部材の高温腐食、酸化状況を非破壊的に知ることは、実機の破壊事故防止の点からも極めて重要である。
【０００４】
従来、高温部材の予寿命を求める方法として、フェライト系耐熱鋼では硬さの変化、Ni基合金においてはγ,相の形状の変化を求めることによって予測することが行われている。
【０００５】
又、特開昭56−166463号公報及び特開昭62-64945号公報には、非磁性部材の磁気特性の変化を利用した窒化層の厚さ及び熱交換器伝熱管の損傷感受性を調べることが示されている。しかし、これらの公報には高温部材の余寿命に関しては示されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高温に晒される高温機器部材の余寿命をほぼそのままの状態で非破壊的に求めることのできる高温部材の余寿命予測法及びそのシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手設】
本発明は、Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなり、高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材の表面のフェライト量を局所的に測定し、該フェライト量に基づいて前記部材の高温に晒された酸化量、腐食量及び平均温度のいずれかを求め、その求められた値に基づいて予め求められた特定の関係よりその部材の余寿命を求めることを特徴とする高温部材の余寿命予測法にある。
【０００８】
又、本発明は、前述の求められた酸化量、腐食量及び平均温度のいずれかと前記機器部材の使用時間及び設計応力とに基づいて、予め求められたクリープ破断強度より前記部材の余寿命を求めることを特徴とする高温部材の余寿命予測法にある。
【０００９】
即ち、本発明は、磁性をフェライト量で定量化できるフェライトインジケータあるいはフェライトスコープ探触子を被試験体に直接又は間接的に接触させ、ガスタービン等高温機器に使用される耐熱合金の高温腐食、酸化を定量的に非破壊で評価し、それらの値と予め求められた特定の種々の特性との関係に基づいて高温に晒された高温機器部材の余寿命を予測するものである。
【００１０】
ガスタービンの高温部材である動翼、静翼、燃焼器はNi基、Co基、Fe基耐熱合金で製造されている。これらの合金は高温燃焼ガスに曝され、燃料中のS、Na、K等により900℃以下ではNa、K、Sによる高温腐食、1000℃以上では酸素による高温酸化、900℃〜1000℃では高温腐食と酸化による損傷を受ける。このためCr、A1等の耐食性、耐酸化性を向上させる元素が添加されている。高温使用中にはこれらの元素の酸化物、Cr203、A1203、の保護被膜が形成され、環境との遮断により耐食性、耐酸化性を維持している。しかし、最近はS、Na、Kの多い燃料の使用、高温長時間の使用により、Cr203、Al203、の保護被膜の成長、多孔質化、破損、剥離により腐食、酸化が促進され、基材の損傷をきたす。
【００１１】
本発明者等は、この保護被膜の成長から基材の減肉に至る過程において腐食損傷が激しくなると本来磁性のない耐熱合金がある腐食段階から磁性を示す、すなわち磁性を帯びることを見出した。これは基材のCrが腐食の進行とともに保護被膜に移行し、保護被膜直下の基材表面のCr量が減少するため、基地側の組成が変化し、磁性を示したものと考えられる。
【００１２】
フェライトインジケータあるいはフェライトスコープで磁性をフェライト量として定量的に評価出来れば腐食の度合いが数値化でき、従来目視か経験にたよっていた高温腐食量、酸化量を定量的に非破壊で評価できる。これにより再コーティングの時期、補修溶接の時期、新品交換の時期がより正確に把握出来る。
【００１３】
また、Crの表面スケールヘの移動で非磁性であったものが磁性を帯びることを見出し、実機の高温腐食及び酸化状況を定量的に評価出来ることから、残余腐食寿命を予知できることが明らかである。
【００１４】
更に、本発明は、Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなる高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係及び予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量と寿命との関係を記憶する記憶手段、前記入力された前記フェライト量より前記記憶手段に基づいて腐食量又は酸化量を演算する演算手段、該求められた腐食量又は酸化量より前記記憶手段に基づいて余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする高温部材の余寿命予測システムにある。
【００１５】
又、本発明は、前述の高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた前記部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係及び予め求められた前記部材の温度と機械的特性との関係を記憶する記憶手段、前記入力された前記フェライト量より前記記憶手段に基づいて前記部材の高温に晒された平均温度を演算する演算手段、前記求められた平均温度より前記記憶手段に基づいて前記部材の余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明における機械的特性として、予め求められた前記部材の温度とクリープ破断強度との関係を記憶する記憶手段に基づいて前記求められた平均温度より前記部材の余寿命を演算する演算手段、を有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
表１は供試材として適用したガスタービン用高温部材である耐熱合金の主な化学組成(重量%)を示す。いずれの試料も耐食性、耐酸化性向上を目的としてCrが添加され、他に強度向上を目的にCo、W、Ti、A1が添加されている。この材料の高温酸化、耐食性を見るためにNo.1は850〜982℃、大気中で酸化試験を、又No.2〜No.9は900℃、70hのバーナリグ装置で高温腐食試験を実施し、酸化試験後及び腐食試験後、磁性を帯びているかどうかを見るためにフェライトインジケータあるいはフェライトスコープでフェライト量を測定した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表２及び図１に高温酸化とフェライト量との関係、表３及び図２に腐食量とフェライト量との関係を示す。各材料には耐食性、耐酸化性向上を目的にＣｒを主に、Ａｌ、Ｒｅが添加され、強度向上因子としてＮｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃ、Ｂ等が添加されている。各々合金元素はお互いに微妙に異なっているので高温酸化、腐食特性は異なるが、図１、図２から分かるようにブェライト量は酸化量、腐食量と相関性があり、酸化量、腐食量の増加によってフェライト量ともに大きくなっている。図１の高温酸化では８５０℃、２万時間後でも磁性は示さないが、９８２℃では短時問で磁性を示す。図２の高温腐食ではフェライト量約９％で一定値を示すようになる。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
即ち、未知の高温に晒された部材のフェライト量を計れば非破壌で高温酸化における酸化量又は腐食量を求めることができる。表２及び図２は、酸化量については示されていないが、酸化量は加熱時間にほぼ比例していることが確認されているので、本実施例では単に加熱時間を示した。従って、未知の高温に晒された部材は、既にそのものの使用時間がその実施の経緯から求められるので、求められたフェライト量によって使用平均温度を求めることができる。
【００２２】
即ち、高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を測定し、フェライト量に基づいて予め求められた前記部材の腐食量又は酸化量とフェライト量との関係より部材の腐食量又は酸化量を求め、求められた腐食量又は酸化量より予め求められた部材の腐食量又は酸化量と寿命との関係に基づいて部材の余寿命を求めることができる。
【００２３】
又、表３及び図３においても、腐食量とフェライト量とは相関性があるので、特定の材料について種々の温度と時間とを変えて種々の温度と時間と腐食量についても酸化と同様に求めることによって、未知の高温に晒された部材について、既にそのものの使用時間がその実施の経緯から求められ、又求められたフェライト量によって使用平均温度を求めることができる。そして、その予め求められた部材の温度と機械的特性との関係によって求められる寿命との関係より平均温度に基づいて部材の余寿命を求めることができる。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
上述のように、高温腐食又は高温酸化を受けた未知の高温機器部材のフェライト量を測定し、そのフェライト量に基づいてその部材の高温に晒された平均温度が求められ、求められた平均温度と機器部材の使用時間及び設計応力とに基づいて、予め求められた各種温度におけるクリープ破断線図よりその部材の余寿命を求めることができる。このクリープ破断線図は各部材について、各種温度と各種応力によってクリープ破断試験を行うことによって通常求められるものである。
【００２６】
前述のように、高温機器部材のフェライト量を測定し、フェライト量に基づいて予め求められた部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係より部材の高温に晒された平均温度を求め、求められた平均温度と機器部材の使用時間及び設計応力との関係に基づいて、部材のクリープ破断強度よりその余寿命を求めることができる。
【００２７】
（実施例２）
図３はガスタービンの第１段動翼及び図４は同じく静翼について、実機で長時間実際に使用された高温腐食あるいは高温酸化を受けたものの表面の前者が翼部１とシャンク部２、後者が翼部１についてフェライト量（％）を局所的に多数測定した結果を示す斜視図である。表４は実機動翼及び静翼の主要化学組成を示すものである。動翼材はＮｉ基耐熱合金、静翼材はＣｏ基耐熱合金であり、いずれも精密鋳造にて製造された鋳物である。Ｎｉ基耐熱合金は一段動翼として、またＣｏ基耐熱合金は一段静翼翼としていずれも高温で長時間使用され、表面に腐食、酸化による損傷が見られるものである。これらの実機動翼及び静翼の使用時間は、実機の使用実績から明らかなものである。又、動翼においてはそのロータの回転数から各部の設計応力が明らかなものである。更に、静翼においても熱サイクルによって生じる設計応力があきらかなものである。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
一段動翼は翼部1のリーデングエッジの根元部分とトレーリングエッジの直接燃焼ガスが当たる部分、一段静翼は同じく翼部１のサイドウオール４の内周側の根元部分の量エッジ部が特に腐食されているが、いずれも腐食状況に応じてフェライト量が変化しており、殆ど腐食されず強固な酸化保護被膜を維持している個所のフェライト量はO％を示すのに対し、フェライト量が3〜6%では変色し、表面状況からは腐食が進行している個所であり、又フェライト量が7〜10%の高い数値では激しく腐食し減肉に至っている個所である。
【００３０】
このフェライト量に基づいて、前述のように予め求められた各種温度及び時間の変化と腐食によるフェライト量との関係から実機の使用平均温度を求めることができるので、前述のように、クリープ破断線図による関係よりその部材の余寿命を予測することができる。
【００３１】
（実施例３）
実施例１及び２によって求められた値は、次のシステムによって高温部材の余寿命予測をもとめることができる。図５は、本発明における高温部材の余寿命予測システムを示すブロック図である。即ち、図５に示すように、Ｆｅ基オーステナイト系耐熱鋼、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のいずれかよりなる高温腐食又は高温酸化を受けた高温機器部材のフェライト量を入力する手段、予め求められた部材の高温腐食又は高温酸化によって変化するフェライト量と温度との関係を記憶する記憶手段、入力されたフェライト量に基づいて記憶手段に記憶されたフェライト量と温度との関係より部材の高温に晒された平均温度を演算する演算手段、求められた平均温度と機器部材の使用時間及び設計応力とに基づいて予め記憶された部材のクリープ破断強度との関係よりその余寿命を演算する余寿命演算手段、を有するものである。
【００３２】
又、前述のように予測される腐食量、酸化量、他の機械的特性に基づいてもその部材の余寿命を求めることができる。
【００３３】
以上のように、本発明によれば、長時間使用され、高温腐食が見られた実機部材において、Fe基オーステナイト系耐熱合金、Ni基合金、Co基合金を問わず、磁気特性として、特にフェライト量を測定することにより非破壌で腐食状況を評価出来ることができ、更に、これらのフェライト量から実機部材の高温に晒された平均温度を求めることができ、それによってその部材の余寿命を予測することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、長時間使用され、高温腐食が見られた実機材として、Fe基オーステナイト系耐熱合金、Ni基合金及びCo基合金を、ほぼそのままで非破壊で、磁気特性として、特にフェライト量を測定することにより非破壌で腐食状況を評価出来ることができ、更に、これらのフェライト量から実機の高温に晒された平均温度を求めることができ、それによってその部材の余寿命を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の高温酸化による時間とフニライト量との関係を示す線図。
【図２】  本発明の高温腐食による腐食量とフェライト量との関係を示す線図。
【図３】  実機で長時間使用した第１段動翼のフェライト量を示した斜視図。
【図４】  実機で長時間使用した第１段静翼のフェライト量を示した斜視図。
【図５】  本発明の高温部材の余寿命予測システムを示すブロック図。
【符号の説明】
１…翼部、２…シャンク部、３…ダブテイル、４…サイドウオール。
【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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