(57)【要約】【課題】本発明は、ガスタービンに用いる部品の変形修正方法を提供するものである。【解決手段】対象部材にピーニングによって残留応力を与え、前記ピーニングの後、前記対象部材を加熱した後に変形修正を行うことを特徴とするガスタービン部材の変形修正方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象部材にピーニングによって残留応力を与え、
前記ピーニングの後、前記対象部材を加熱した後に変形修正を行うことを特徴とするガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項２】
前記ピーニング及び前記加熱により対象部材の結晶粒を元の状態より小さくすることを特徴とする請求項１記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項３】
前記ピーニング及び前記加熱を行う部分は、前記対象部材の引張変形する面であることを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項４】
前記ピーニング及び前記加熱を行う部分は、前記対象部材の引張変形する面の全面であることを特徴とする請求項３記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項５】
前記ピーニング及び前記加熱を行う部分は、前記対象部材の引張変形する面のうち比較的変形の大きい箇所であることを特徴とする請求項３記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項６】
前記加熱温度は６００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項７】
前記加熱温度は溶解化熱処理相当の温度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項８】
前記変形修正後は熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のガスタービン部材の変形修正方法。
【請求項９】
前記変形修正後は熱処理を行うことで前記対象部材の粒子が元の状態より小さくなった部分を粗大化することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のガスタービン部材の変形修正方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに用いる部材の変形修正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機により外部から空気を吸入・圧縮し、圧縮空気を燃焼器に案内する。燃焼器に導入した圧縮空気の中に燃料である油を噴射して加熱し、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。この高温・高圧の燃焼ガスを、燃焼器ライナ、トランジションピースおよび静翼を経て動翼に案内した後、動翼を回転駆動させて燃焼ガスを膨張させ、熱エネルギーを回転の機械エネルギーに変え、同軸に設けられた発電機で発電する。ガスタービンは燃焼器出口ガス温度が高いほど発電効率が向上することから、ガスタービン入口温度の高温化が推進されているが、高温下に晒されるガスタービン高温部品にとっては極めて過酷な環境となってきている。
【０００３】
変形修正方法としては、一般的には変形部位を局所的にバーナー等で加熱し、ジャッキ等で加圧する方法が用いられている。この他に、熱膨張係数の大きな修正治具を筒状部品の内側に挿入して温度を上昇させて、熱伸びの差によって形状を修正させる方法（例えば、特許文献１）、コーン形状と円柱形状から成る変形修正治具を筒状部品の内側の変形部位にコーン側が接触する方向に設置し、変形修正治具または筒状部品自身を筒状部品軸方向に移動させると共に筒状部品外面を加熱することにより変形修正する方法（例えば、特許文献２）などが提案されている。
【０００４】
しかしながら、上記のいずれの方法でも、充分な変形修正量を得たり、より小さな力で部材を変形させるには一定以上の温度に部品を加熱する必要がある。例えば一定以上の温度が燃焼器ライナ、基材材質に悪影響はない温度であっても、部分的にろう付けされたろう材が溶融してしまうという現象が挙げられる。この際、ろう材の溶融を防止するために、あらかじめ材質劣化部のみを機械的に切断して、変形修正処理を施した後再接合および再コーティングするなどが必要となることも考えられ、再生に要するコストが過大になってしまう。よってできるだけ低い温度で変形修正をすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９７９３１号公報
【特許文献２】特開２００９−７９４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は変形修正時の温度を低減できるガスタービン部材の変形修正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】
【０００７】
本発明の一態様に係るガスタービン部材の変形修正方法は、対象部材にピーニングによって残留応力を与え、前記ピーニングの後、前記対象部材を加熱した後に変形修正を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、変形修正時の温度を低減できるガスタービン部材の変形修正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態におけるガスタービン燃焼ライナの模式図と断面形状の変形の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における平板の曲げ変形を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態における手順のフローを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における材料の温度と引張特性、及び温度と引張り破断伸びの関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における材料の平均粒径と引張り破断伸びの関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における平板の曲げ変形を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１１】
本発明の第1の実施の形態について説明をする。以下、本発明に係る発電プラント構成部品の変形修正方法およびその装置の実施の形態について、一例としてガスタービン燃焼器ライナを用いて説明をする。
【００１２】
図１(a)はガスタービン燃焼ライナの模式図、図１(b)〜(d)は断面形状を示している。図１(a)に示すようにガスタービン燃焼器ライナ１は、板厚数ｍｍの圧延材を円筒状に曲げた部材を溶接にて接合し、部分的にろう付けを施した構造を有する。一部がテーパー状になっている。この燃焼器ライナ１の円筒内面には燃焼ガスの熱を遮蔽するセラミックコーティングが施されている。このテーパー状の部位の断面形状は本来は真円であるが、プラントにて長時間使用すると次第に変形してくる。これを図１(b)〜(d)を用いて説明をする。図１(b)〜(d)は図１(a)におけるX−X’での断面形状を示す。図１(b)は製品の本来の形状、すなわち使用前の新品の状態を示す。これを長時間使用すると図１(c)のように変形する。ここで本実施の形態の変形修正方法を用いて図１(d)のように修正する。
【００１３】
次に図１(b)〜(d)の変形について板状部材を例に挙げて図２で詳しく説明する。図２(a)〜(c)は平板２の曲げ変形を示した図である。図２(a)は製品の本来の形状、すなわち新品の形状である。図２(b)は長時間使用後の変形した状態を示している。図２(c)は本実施の形態の変形修正を用いて修正された状態を示す。
【００１４】
本実施の形態の変形修正方法は、変形修正作業前に変形修正対象部材に対して行う処理である。図２と図３を用いて手順を説明する。まず、図２(b)のＡの面全体に予めショットピーニングなどを施して残留応力を与える（図３のＳ１）。次に、Ａの面の結晶粒を細かくする、すなわち微細粒化させるため加熱して再結晶を生じさせる（図３のＳ２）。この際、Ａの面の全面に再結晶を生成することが望ましい。
【００１５】
なお、変形修正方法説明の一例として平板２を挙げたがこの形状に限るものではなく、他の形状にも適用可能である。また、加熱方法としては例えばバーナーや高周波での加熱、また電気炉を用いて行うことができる。
【００１６】
なお、微細粒化させる部位は変形修正時に大きな引張変形を受ける部位（すなわち、本例では図２のＢ部）だけもで良い。この場合にはショットピーニングのノズル位置を制御して当該部位にのみショットピーニングを施す、または部材にマスキングを施して必要な部位にのみショットピーニングを施しても良い。これによって、当該部位にのみ選択的に再結晶粒を生成させる。この場合は、再結晶粒形成のために部材全体を加熱する必要は無く、高周波加熱コイルなどで当該部位のみを加熱することもできる。
【００１７】
次に本実施の形態についてさらに詳しく説明をする。図４を用いて燃焼器ライナの基材に使われるNi基超合金の温度と引張強度（図４(a)）及び温度と引張り破断伸び（延性）の関係（図４(b)）を示している。本材料においては温度が高くなると強度が低下し、延性が向上することが分かる。またこの関係は特に６００℃程度を境に顕著であることが分かる。600℃程度を境にそれ以上の温度では強度化低下し、延性が向上することがわかる。
【００１８】
図５には燃焼器ライナの基材に使われるNi基超合金の室温引張破断伸びと結晶粒径（平均粒径）との関係を示している。粒径が小さければすなわち微細粒化すれば高い延性を得有し、変形時に割れが生じる可能性を低減できることが分かる。
【００１９】
図より、大きな延性が得られる平均粒径は5mm以下付近であることが分かる。よって平均粒径が5mm以下の再結晶を全面に生成するプロセスの条件を選定する。再結晶現象は主として残留応力の大きさと加熱温度、ならびに加熱時間のパラメータによって制御される。またショット材の粒径を大きくすると部材の厚み方向へより深くまで再結晶を形成できる。
【００２０】
このようにあらかじめ各パラメータと再結晶生成範囲や再結晶粒径との相関を把握することで状況に応じてパラメータを設定することができる。
【００２１】
一例として以下の例を挙げる。まず残留応力を加える工程としてここではエア式ショットピーニングを用いる。ショット材には平均粒径1mmの鋼球を用い、圧力0.5MPa、ノズル径7mm、ノズルと平板の距離150mm、ピーニング時間30秒の条件で残留応力を付与する。次に再結晶のための加熱を行う。ここでは600℃で1時間の加熱を加える。その結果、粒径2mm程度の再結晶粒がショットピーニングを施工した表面から深さ約200mmの範囲にまで形成される。このように、当該部位を微細粒化すると、変形時に割れが生じる可能性を低減でき、より低い温度域（本例のNi基合金の場合で600℃以下）で、条件によっては当該部位を加熱しなくても、また、より速いひずみ速度で、変形修正を行うことができる。なお、変形修正時に加熱を行う場合は、加熱温度が高すぎると変形修正の最中に微細再結晶粒が成長・粗大化する可能性があるため、本実施の形態では800℃以下、より好ましくは600℃以下の温度とする。
【００２２】
本発明の第２の実施の形態について説明をする。図６(a)〜(c)は平板１２の曲げ変形を示した図である。図６(a)は製品の本来の形状、すなわち新品の形状である。図６(b)は長時間使用後の変形した状態を示している。図６(c)は本実施の形態の変形修正を用いて修正された状態を示す。
【００２３】
本実施の形態の変形修正方法は、変形修正作業前に変形修正対象部材に対して行う処理である。まず、図６(b)のＡの面全体に予めショットピーニングなどを施して残留応力を与える。次に、Ａの面を微細粒化させるため加熱して再結晶を生じさせる。この際、Ａの面の全面に再結晶を生成することが望ましい。
【００２４】
このときの加熱温度を、当該部材の溶体化処理相当温度とする。溶体化処理相当温度は材質ごとに決まっているため材質によって異なるが、通常第１の実施の形態で述べた、微細粒化させるために加熱して再結晶するときの加熱温度よりも高い温度となる。そのために、この温度において平均粒径が5mm以下の再結晶が当該部位全面に生成するような付与残留応力条件、すなわちショットピーニング条件、及び加熱保持時間を選定する。
【００２５】
これによって、変形修正時に大きな引張変形を受ける部位は微細粒化によって延性が向上し、またそれ以外の部位は溶体化によって軟化するため、変形時に割れが生じる可能性を低減でき、より低い温度域（本例のNi基合金の場合で600℃以下）で、条件によっては当該部位を加熱しなくても、より小さな力によって変形修正を実施できる。
【００２６】
例えば、燃焼器ライナ材がNi基合金である場合を例に取ると、プラントで一定時間使用されたライナの場合には劣化の著しい部位では室温引張破断伸びは3％程度、ビッカース硬さは300程度であるが、溶体化熱処理後は、室温引張破断伸び30％程度、ビッカース硬さは200程度となる。すなわち、溶体化熱処理によって延性が著しく向上し、また材料が軟化することが分かる。さらに、ガスタービンでの長期間の稼動によって析出・粗大化した蓄炭化物などの析出相を取り除く、または減らして金属組織を新材に近い状態へ回復させる効果もある。
【００２７】
一例として以下の例を挙げる。燃焼器ライナ材では厚さ数mmのNi基合金板材が用いられているが、板厚4mmの平板の場合を考えると、板厚中心部での曲率半径が50mmとなるような曲げ変形を与えると円弧の凸側の最外表層では4%の引張ひずみが発生し、また、曲率半径が20mmの場合には最外表層のひずみは10%となる。ガスタービン部品の形状修正としてはこの程度のひずみ量までが想定されるため、より低い温度（望ましくは室温）での形状修正のためには、部材の破断伸びが10%以上あることが望ましいため、第１の実施の形態でも述べているように溶体化熱処理を用いることでこれらの要求される破断伸びを得ることができる。微細粒化の効果については、第１の実施の形態と同様のため、省略する。
【００２８】
また、他の具体例として溶体化熱処理の前のショットピーニングをせずに、溶体化熱処理を行うこともできる。溶体化熱処理によって向上した延性を利用して変形を修正できる。また、ガスタービンでの長期間の稼動によって析出・粗大化した蓄炭化物などの析出相を取り除く、または減らして金属組織を新材に近い状態へ回復させる効果もある。
【００２９】
なお、本実施の形態や具体例においては鋼球を空気圧で部材に衝突させるショットピーニング方式を例示したが、超音波ショットピーニング、超音波ピーニング、レーザーピーニング、キャビテーションピーニングなどでも同様に部材に残留応力を付与できる。
【００３０】
以上の実施の形態により変形修正の前処理をおこなうことができる。前処理が終わると変形修正を行う。変形修正後は、部材に充分に高い温度かつ十分な時間の熱処理（たとえば溶体化相当の熱処理）を与えて、変形修正による残留ひずみを除去すると共に、微細粒を粗大化させることが望ましい。変形修正後に再結晶粒の粒径を変形修正前の粒径に近づけるように調整することで、変形修正不要な部分と変形修正した部分を含む部品全体の強度を保つことができる。
【００３１】
変形の修正の対象の一例として燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼および動翼などのガスタービン高温部品が挙げられ、これらには耐熱超合金が適用される。耐熱超合金として、一般に、Ｍｏ、ＷおよびＦｅ等の元素をマトリックスに固溶させて高温強度を向上させた固溶強化型合金が使用される。例えば、燃焼器ライナにはＮｉ基超合金またはＣｏ基超合金が用いられる。
【００３２】
以上、特定の実施の形態に関連して本発明を説明したが、燃焼器ライナに限らず、トランジションピースや各種の配管など多様な部品に適用可能である。
【００３３】
本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。すなわち、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した実施の形態が備える各要素およびその材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃焼器ライナ、２  平板 
【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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