(57)【要約】【課題】表面からの深さ方向に劣化の度合いが異なるガスタービンの高温部品等の劣化を非破壊で正確に判定する。【解決手段】被検体１１と同一の材料の劣化と磁化特性の相関を予め記憶した磁化特性データベース１４と、被検体１１の磁化特性を計測して記憶する磁気プローブ１２及び計測特性記憶部１５と、この記憶部１５に記憶される計測で得た磁化特性と磁化特性データベース１４に記憶される磁化特性とにより被検体１１の劣化の度合いを判定する制御部１３と、制御部１３で得た判定結果を表示出力する表示部１７とを備える。【選択図】    図１
2004309259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体と同一の材料の劣化と磁化特性の相関情報を予め記憶した記憶手段と、
上記被検体の磁化特性を計測する計測手段と、
この計測手段で得た磁化特性と上記記憶手段に記憶される相関情報とにより上記被検体の劣化を判定する判定手段と、
この判定手段で得た判定結果を出力する出力手段と
を具備したことを特徴とする材質劣化判定装置。
【請求項２】
上記記憶手段及び計測手段は、劣化層の深さを指標とした磁化特性を用いることを特徴とする請求項１記載の材質劣化判定装置。
【請求項３】
上記記憶手段及び計測手段は、残留磁束密度を指標とした磁化特性を用いることを特徴とする請求項１記載の材質劣化判定装置。
【請求項４】
上記記憶手段及び計測手段は、磁気ヒステリシスループの面積を指標とした磁化特性を用いることを特徴とする請求項１記載の材質劣化判定装置。
【請求項５】
上記記憶手段及び計測手段は、磁気ヒステリシスループのパターンを指標とした磁化特性を用いることを特徴とする請求項１記載の材質劣化判定装置。
【請求項６】
上記計測手段は、被検体の表面全面を計測することを特徴とする請求項１記載の材質劣化判定装置。
【請求項７】
被検体と同一の材料の劣化と磁化特性の相関情報を予め記憶した記憶工程と、
上記被検体の磁化特性を計測する計測工程と、
この計測工程で得た磁化特性と上記記憶工程で記憶される相関情報とにより上記被検体の劣化を判定する判定工程と、
この判定工程で得た判定結果を出力する出力工程と
を有したことを特徴とする材質劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に高温の燃焼ガスにさらされるガスタービン部品などの被検体に好適な材質劣化判定装置及び材質劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電プラントは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機の駆動によって圧縮された空気を燃焼器に案内し、燃焼器ライナで燃料とともに燃焼する。燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、トランジションピース及び静翼を経て動翼に案内され、この動翼を回転駆動させることでガスタービンとしての仕事をさせる。
【０００３】
この種のガスタービンの高温部品である燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼、及び動翼には、Ｎｉ基、Ｃｏ基、またはＮｉ−Ｆｅ基の耐熱超合金が用いられているが、高温の燃焼ガス雰囲気にあるため、材質劣化が顕著に生じる。
【０００４】
ところで、上述したガスタービン高温部品は、機器の設計段階で決まるクリープあるいは疲労寿命と、実機の運転、立地上の環境により設定される寿命を基に、同一機種あるいは同一運転形態をとるガスタービンを分類し、分類した各グループの先行機の実績を用いて設計寿命を補正して後続機の保守管理を行なっている。
【０００５】
近年では、ガスタービンの高温部品の劣化、損傷の診断を効率的に精度よく予測する保守管理方法が実現されつつある。（例えば、特許文献１参照。）
これらの保守管理方法では、材質劣化を判定するために高温部品を破壊して組織観察し、あるいは破壊が不可能な場合ではＳＵＭＰ法にて非破壊で組織観察するのが一般的である。これらの方法は、劣化判定のために多くの時間が必要であり、かつ評価できる位置が局所的で限られている。
【０００６】
一方、化学プラント及び原子力プラント等で用いられているフェライト系ステンレス鋼等を対象に、材質劣化と相関がある磁化特性を把握して、被測定体の磁化特性を計測して、予め求めておいた磁化特性の変化と劣化の関係から劣化判定を行なう方法がある。（例えば、特許文献２及び特許文献３参照。）
これらの方法は、検出できる範囲が局所的であり、ガスタービン部品に特有の、深さ方向で劣化が異なるものについては評価ができないという不具合がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９３０４９号公報
【０００８】
【特許文献２】
特公平０７−０１３６２５号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開平０７−１１９７５５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンの高温部品である燃焼器、動翼及び静翼は、一般的に冷却構造となっており、外表面と内部の一方が高温の燃焼ガスにさらされる反面、他方が冷却空気等により冷やされるという、部品の肉厚方向に温度分布を生じるものとなっている。これに伴い、当該部品に生じる材質劣化も肉厚方向（表面からの深さ方向）で顕著に異なり、肉厚方向の劣化の深さを判定するためには破壊調査を行なうより他なかった。
【００１１】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面からの深さ方向に劣化の度合いが異なるガスタービンの高温部品等の劣化を非破壊で正確に判定することが可能な材質劣化判定装置及び材質劣化判定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ガスタービン部品を被検体とした材質劣化判定装置であって、被検体と同一の材料の劣化と磁化特性の相関を予め記憶した記憶手段と、上記被検体の磁化特性を計測する計測手段と、この計測手段で得た磁化特性と上記記憶手段に記憶される磁化特性とにより上記被検体の劣化を判定する判定手段と、この判定手段で得た判定結果を出力する出力手段とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
このような構成とすれば、深さ方向に劣化の度合いが異なるガスタービンの高温部品の劣化を、短時間のうちに非破壊で広範囲に渡って正確に判定することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下本発明の第１の実施形態に係る劣化判定装置について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る劣化判定装置１０のシステム構成を示すものである。同図で、ガスタービンの高温部品、その材料が超合金でなる被検体１１の表面に磁気プローブ１２を当接してその全面を走査し、磁化特性を計測する。
【００１６】
磁気プローブ１２は、励磁器及び磁気センサからなり、この磁気プローブ１２で得られた被検体１１の計測結果は、逐次制御部１３により取込まれ、計測作成記憶部１５に記憶される。
【００１７】
制御部１３は、この劣化判定装置１０全体の制御動作を司るものであり、上記磁気プローブ１２、計測作成記憶部１５の他に、磁化特性データベース（ＤＢ）１４、キー操作部１６、及び表示部１７を接続している。
【００１８】
磁化特性データベース１４は、被検体１１となる各種部品と材質毎に劣化と磁化特性の相関曲線をマスタカーブと称する情報として予め記憶しておく。
【００１９】
より詳細には、材質劣化した材料の磁化特性の計測と断面の組織観察を行なってマスタカーブを作成する。このマスタカーブは、各材料毎に作成する。
【００２０】
その当初には、まず対象となる材料を実機環境下を模擬した環境下で人工的に種々の温度により各種劣化材を作成する。
【００２１】
その後、劣化材の磁化特性の一つとして残留磁束密度及び磁気ヒステリシスループの面積率の少なくとも一方の計測と組織観察による肉厚方向への劣化深さの計測を行なう。組織観察は、劣化材の断面を光学顕微鏡か、必要により走査型電子顕微鏡で観察することが望ましく、外表面から劣化している深さを正確に計測する。
【００２２】
以上の残留磁束密度及び磁気ヒステリシスループの面積率の少なくとも一方と劣化深さのデータを基に、予め磁化特性と劣化深さの相関を求めるマスタカーブとし、磁化特性データベース１４に記憶しておく。
【００２３】
計測特性記憶部１５は、上記磁気プローブ１２を用いて被検体１１を計測した場合に得られる磁化特性の計測結果を一時的に記憶しておく。
【００２４】
キー操作部１６は、制御部１３に直接接続され、被検体１１の部品や材質の特定、計測動作中の各種操作情報等をキーボード及び例えばマウスのようなポインティングデバイスにより操作入力する。
【００２５】
表示部１７は、例えばバックライト付きのカラー液晶表示パネルとその駆動回路とで構成され、制御部１３から与えられる表示データに基づいて計測動作中の各種情報や計測後の劣化判定結果等を表示する。
【００２６】
次に上記実施形態の動作について説明する。
【００２７】
図２は被検体１１の劣化判定に係る主として制御部１３の処理による工程を示すものである。
その当初には、磁気プローブ１２により被検体１１の計測を行なうものとして、被検体１１の外表面全面を走査し、得られた計測値を計測特性記憶部１５へ記憶する（ステップＳ１）。
【００２８】
制御部１３は、この計測特性記憶部１５に記憶された計測値から被検体１１の残留磁束密度及び磁気ヒステリシスループの面積率の少なくとも一方を被検体１１の磁化特性として算出する（ステップＳ２）。
【００２９】
次いで、キー操作部１６により被検体１１の部品名と材料名とを指定し、磁化特性データベース１４から対応する磁化特性のマスタカーブを選択して読出す（ステップＳ３）。
【００３０】
そして、この読出したマスターカーブと上記ステップＳ２で算出した磁化特性の計測値との比較演算により、被検体１１の劣化度を算出し（ステップＳ４）、算出した劣化度を表示部１７にて表示出力して（ステップＳ５）、以上で一連の劣化判定処理を終える。
【００３１】
図３（Ａ）は、オーステナイト系の超合金であるＮｉ基超合金ＩＮ３８ＬＣ材に遮熱のための皮膜を形成したガスタービン動翼の劣化前の断面組織を示す図である。図示する如くγ相２１中にγ′相２２がほぼ均一に分布しており、当然ながら燃焼雰囲気にさらされる前の外表面には何ら化合物等は生成されていない。
【００３２】
これに対し、図３（Ｂ）は実機環境を模擬した試験の中で同部品を例えば１０００℃の燃焼ガス雰囲気下においた場合の断面組織を示すものである。燃焼雰囲気下では、まず上記材料の表面で酸化スケール２３が生成するとともに、この酸化スケール２３直下では主強化相のγ′相２２が消滅し、代わって窒化アルミニウムや窒化チタン等の窒化物２４が析出する。加えて、この窒化物２４のさらに下部では、γ相２１中で凝縮粗大化したγ′相２５となることが認められた。
【００３３】
このうち、特に主強化相のγ′相２２が消失した領域と窒化物２４が析出した領域は、ほとんど材料の強度に寄与せず、いわゆる劣化領域として取扱われるのが一般的であり、本実施形態でも図３（Ｂ）に示す如くそれらの領域を劣化層の深さＤとして判定するものとした。
【００３４】
一方、上記と同様の燃焼ガス雰囲気下で種々の温度で試験した後、本来は非磁性であるオーステナイト系の超合金であっても材料劣化に伴って磁化特性が変化することが判明した。
図４は、１５，０００時間試験後と２０，０００時間試験後の材料の各磁気ヒステリシスループ３１，３２を示すもので、劣化層の深さが異なると磁化特性にも変化を生じることがわかる。
【００３５】
すなわち、１５，０００時間及び２０，０００時間試験後の材料の磁気ヒステリシスの測定結果では、劣化層の深さの違いにより磁気ヒステリシスループ３１，３２の面積（＝磁気ヒステリシスロス）、及び残留磁束密度等に変化を生じている。
【００３６】
したがって、これらの試験により得られた結果を磁化特性データベース１４にマスタカーブとして予め記憶しておくことで、上記ステップＳ４で示した被検体１１の計測値に対する正確な劣化判定を行なうことが可能となる。
【００３７】
磁化特性データベース１４には、上記材料の動翼に限らず、動翼及び静翼、燃焼器ライナ、トランジションピースに用いられる各種実験室材のデータを記憶しておくとともに、推定精度を向上させるために追加データの入力も可能であるものとする。
【００３８】
以上の劣化判定処理により、Ｎｉ基及びＣｏ基超合金の材質劣化を上記磁化特性に基づいて高い精度で判定することができた。
【００３９】
（第１の実施形態の実施例）
ここでは、実プラントで設計寿命内で廃却となったＮｉ基超合金のＩＮ７３８ＬＣ材のガスタービンの第２段動翼を対象にして、上記第１の実施形態で示した磁化特性である残留磁束密度を基に劣化判定を行なった場合について例示する。
【００４０】
図５は、設計寿命内で廃却となった動翼部の部位毎の劣化層の深さを、残留磁束密度の計測で推定した結果と、断面観察結果から計測した値とを比較して示すものである。
【００４１】
各部位「前縁部」「腹側」「背側」「後縁部」とも非破壊の磁化特性を用いて推定した劣化の深さの値と、その後の破壊試験により実断面を計測して得た劣化深さの値とがほぼ一致しており、上記第１の実施形態に係る手法が劣化度を判定する手法として有効であることを確認した。
【００４２】
なお、上記動翼の「腹側」「背側」の各部位全面をそれぞれ走査して磁束密度を計測したところ、劣化層の深さはほぼ全面に渡り規定以上であるであることが判明し、余寿命評価が可能であることも確認した。
【００４３】
さらに、ガスタービンの動翼材として上記実施例で説明した以外のオーステナイト系超合金に関しても本実施形態による劣化判定が有効であることを確認した。
図６は、ガスタービンの動翼材として使用されるＮｉ基超合金であるＵ５００，ＭａｒＭ２４７，Ｒｅｎｅ８０，ＣＭＳＸ−２（商標として用いられている場合もある）の組成を示すもので、これらを材料として動翼でも上記実施形態で説明した劣化判定が有効であることを確認した。
【００４４】
加えて、Ｎｉ基、Ｃｏ基、及びＮｉ−Ｆｅ基の超合金を用いたガスタービンの燃焼器ライナ、トランジションピース、及び静翼に対しても上記実施形態で説明した劣化判定が有効であることを確認した。
【００４５】
（第２の実施形態）
以下本発明の第２の実施形態に係る劣化判定装置について図面を参照して説明する。
【００４６】
なお、劣化判定装置のシステム構成及び劣化判定の処理工程については、基本的に上記図１及び図２に示したものと同様であるので、同一部分には同一符号を付してその図示及び説明は省略する。
【００４７】
しかるに、本実施形態の磁化特性データベース１４においては、試験材の磁化特性として試験材料の部品及び材質と劣化深さの度合いに相関するものとして上記図４に示したような幾通りもの磁気ヒステリシスループのパターンを予め記憶しておくものとする。
【００４８】
また、上記ステップＳ１の磁気プローブ１２による被検体１１の計測に際しては、事前に被検体１１を消磁しておき、一定の起磁力による磁化あるいは飽和磁化を選択した上で外表面全面の磁気ヒステリシスを求めるべく計測を実行し、データを採取する。
【００４９】
その後のステップＳ２で、採取したデータを正規化し、ステップＳ３での部品及び材料の指定の後に、ステップＳ４で磁化特性データベース１４に記憶しているいくつかの基準の磁気ヒステリシスループのパターンとのパターンマッチングを行なう。
【００５０】
これにより、計測で得た磁気ヒステリシスループのパターンと最も近い磁気ヒステリシスループのパターンを磁化特性データベース１４に記憶されているものの中から選択し、その選択した磁気ヒステリシスループのパターンに相関する劣化深さの情報を読出し、ステップＳ５で判定結果としてその劣化深さを表示部１７にて表示出力する。
【００５１】
このように、予め磁化特性データベース１４に記憶させている磁化特性としての磁気ヒステリシスループのパターンと被検体１１の計測結果である磁気ヒステリシスループのパターンとを比較し、パターンマッチングにより被検体１１の劣化の度合いを判定するため、被検体１１全体の劣化の度合いをより正確に判定することが可能となる。
【００５２】
その他、本発明は上記実施の形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であるものとする。
【００５３】
さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、表面からの深さ方向に劣化の度合いが異なるガスタービンの高温部品の劣化を、短時間のうちに非破壊で広範囲に渡って正確に判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る劣化判定装置のシステム構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態に係る劣化判定の処理工程を示すフローチャート。
【図３】同実施形態に係る被検体の劣化度合いによって異なる組織変化を説明する図。
【図４】同実施形態に係る計測結果としての磁気ヒステリシスループを例示する図。
【図５】同実施形態の実施例に係る各測定部位毎の劣化深さの磁化特性測定値と断面測定値との関係を例示する図。
【図６】同実施形態に係る各種ガスタービン動翼材の組成を例示する図。
【符号の説明】
１０…劣化判定装置
１１…被検体
１２…磁気プローブ
１３…制御部
１４…磁化特性データベース（ＤＢ）
１５…計測特性記憶部
１６…キー操作部
１７…表示部
２１…γ相
２２…γ′相
２３…酸化スケール
２４…窒化物
２５…（凝縮粗大化した）γ′相
３１…１５，０００時間試験後の磁気ヒステリシスループ
３２…２０，０００時間試験後の磁気ヒステリシスループ
Ｄ…劣化層の深さ
【図１】
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【図２】
2004309259.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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