(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン燃焼器用トランジションピースの寿命をさらに延伸することができる、トランジションピースの組織及び機械的特性を維持する方法を提供すること。【解決手段】ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースに再生熱処理を複数回施しても金属組織や機械的特性に悪影響を与えることなく、再生熱処理することにより未使用のトランジションピースの組織及び機械的特性と同程度まで回復させることができる。従って、ガスタービン燃焼器用トランジションピースを定期的に再生熱処理することにより、未使用のトランジションピースと同程度の組織及び機械的特性を維持させることができるようになる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器用トランジションピースの組織及び機械的特性を維持する方法であって、
前記トランジションピースを定期的に再生熱処理することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記トランジションピースが所定量の肉厚を有する場合に前記再生熱処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記トランジションピースの機械的特性が劣化した際に前記再生熱処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記トランジションピースのマウント部額縁側の機械的特性が劣化した際に前記再生熱処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記機械的特性の劣化をスモールパンチ試験により評価することを含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記トランジションピースの組織が劣化した際に前記再生熱処理を施すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記トランジションピースのマウント部額縁側の組織が劣化した際に前記再生熱処理を施すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記再生熱処理が、溶体化熱処理及び時効熱処理を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器におけるトランジションピース部材の組織及び機械的特性を維持する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器に用いられているトランジションピースは、高温強度、高温腐食に優れたNi基超合金などの超耐熱合金を材料として構成されているが、ガスタービン燃焼器の長期運転に伴って組織や機械的特性が劣化する。そのため、従来においては、トランジションピースの寿命の延伸化を目的として、トランジションピースの組織や機械的特性を回復させる技術の開発が行われている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【特許文献１】特開２０００−８０４５５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、トランジションピースの寿命をさらに延伸することができる、トランジションピースの組織及び機械的特性を維持する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】
【０００４】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意努力した結果、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースに再生熱処理を複数回施しても金属組織や機械的特性に悪影響を与えることなく、再生熱処理することにより未使用のトランジションピースの組織及び機械的特性と同程度まで回復することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明に係る方法は、ガスタービン燃焼器用トランジションピースの組織及び機械的特性を維持する方法であって、前記トランジションピースを定期的に再生熱処理することを含む。
【０００６】
なお、前記再生熱処理は、前記トランジションピースが所定量の肉厚を有する場合に行うことをしてもよい。また、前記再生熱処理は、前記トランジションピースの機械的特性（特にトランジションピースのマウント部額縁側の機械的特性）が劣化した際に行うこととしてもよいし、前記トランジションピースの組織（特にトランジションピースのマウント部額縁側の組織）が劣化した際に行うこととしてもよい。
【０００７】
ここで、前記機械的特性の劣化は、例えば、スモールパンチ試験などにより評価することができる。また、前記再生熱処理は、溶体化熱処理及び時効熱処理を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、トランジションピースの寿命をさらに延伸することができる、トランジションピースの組織及び機械的特性を維持する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
上記知見に基づき完成した本発明を実施するための形態を、実施例を挙げながら詳細に説明する。
【００１０】
上述のように、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースに再生熱処理を複数回施しても金属組織や機械的特性に悪影響を与えることなく、再生熱処理することにより未使用のトランジションピースの組織及び機械的特性と同程度まで回復させることができることから、トランジションピースの組織や機械的特性の劣化が進行してトランジションピースが損傷する前に再生熱処理を定期的に施すことにより、未使用のトランジションピースと同程度の組織及び機械的特性を維持させることができるようになり、トランジションピースの寿命のさらなる延伸化を図ることが可能となる。なお、前記再生熱処理には、溶体化熱処理と時効熱処理とが含まれる。
【００１１】
前記溶体化熱処理は、真空中でγ′相の固溶温度以上からNi基超合金の局部溶融温度以下の範囲内で行うことが好ましい。溶体化熱処理の温度がγ′相の固溶温度未満である場合には、強化析出相であるγ′相が母材（γ相）に完全に固溶できず、溶体化熱処理の温度がNi基超合金の局部溶融温度を超えると、局部溶融による強度低下や自重による変形が生じるからである。
【００１２】
前記時効熱処理は、真空中でγ′相の固溶温度以下の、γ′相が適当な形状、速度で析出する温度で行うことが好ましい。なお、時効熱処理の温度をγ′相の固溶温度以下としたのは、γ′相の固溶温度を超えると強化析出相であるγ′相が母材（γ相）に固溶してしまい析出できないからである。また、時効熱処理の温度がγ′相の固溶温度から低すぎるとγ′相が析出する速度が遅いため、適当な温度で行うことが好ましい。
【００１３】
なお、上述の再生熱処理は、トランジションピースが所定量の肉厚を有する場合に行うことが望ましい。所定量の肉厚がなければ、再生熱処理して未使用のトランジションピースの組織及び機械的特性と同程度まで回復させても、ガスタービン燃焼器での使用による熱応力や外部からの応力によりトランジションピースが損傷するからである。従って、トランジションピースが高温腐食および酸化によって減少する肉厚を限界値で管理し、再生熱処理を行うかどうかを判断することにより、使用不可能となるトランジションピースに対して再生熱処理するという無駄な作業を防止することができ、トランジションピースの使用による損傷を未然に防止することができる。
【００１４】
また、上述の再生熱処理は、トランジションピースの組織や機械的特性が劣化した際に行うことが望ましい。これは、組織や機械的特性が劣化していないトランジションピースに対して再生熱処理を行う必要がないためである。従って、トランジションピースの組織や機械的特性が劣化した際に再生熱処理を行うことにより、より効率的にトランジションピースにおいて劣化した組織や機械的特性を回復させることができるようになる。
【００１５】
なお、後述するように、トランジションピースのマウント部額縁側においては組織の劣化（γ相粒界の炭化物の粗大化、γ′相の粒径の成長、脆性η相の発生など）や機械的特性（特に、脆化特性）の劣化が著しいことが明らかになった。従って、トランジションピースのマウント部額縁側において組織や機械的特性が劣化している場合に再生熱処理を施すことにより、トランジションピースにおいて劣化した組織や機械的特性を未使用のトランジションピースと同程度まで回復させることができ，トランジションピースの使用による損傷を未然に防止することができるようになる。
【００１６】
上述のトランジションピースの組織の劣化（例えば、γ相粒界の炭化物の粗大化、γ′相の粒径の成長、脆性η相の発生など）の評価は、例えば、マクロ観察、ミクロ組織観察などの顕微鏡を用いた組織観察により行うことができる。また、上述のトランジションピースの機械的特性（引張特性、脆性特性、疲労特性、クリープ特性など）の劣化の評価は、例えば、引張試験、クリープ試験、硬さ試験、スモールパンチ試験、シャルピー衝撃試験、微小シャルピー衝撃試験などの既存の試験により行うことができる。このように、これらの評価を行うことにより、トランジションピースの劣化箇所の特定や劣化程度を明確にすることができ、再生熱処理の必要性の有無が判断可能となる。
【００１７】
なお、上述の評価は、全ての組織観察や試験により行うこととしてもよいが、マクロ観察、ミクロ組織観察などの組織観察、硬さ試験、スモールパンチ試験、シャルピー衝撃試験、微小シャルピー衝撃試験などの脆性特性を評価する試験に対してのみ行うこととしてもよい。これにより、再生熱処理の必要性の有無を迅速に判断することができるようになる。また、上述の評価は、ガスタービン燃焼器に設置されている１０〜１４個程度のうちの最低１つ以上のトランジションピースに対して行えばよく、１つ以上のトランジションピースの評価結果により、残りのトランジションピースに対して再生熱処理が必要かどうかを判断することができる。
【実施例】
【００１８】
以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１９】
［実施例１］
ガスタービン燃焼器に使用したNimonic263製トランジションピース（26250時間使用，起動回数290回）の各部位（図１中のＡ〜Ｅ）から試験片をそれぞれ採取し、走査型電子顕微鏡を用いて各試験片のミクロ組織観察を行った（図２）。その結果、図２に示すように、各部位の試験片において、γ′相の粒径の成長、γ相の粒界における炭化物の粗大化、脆性η相の発生などの組織の劣化が確認でき、トランジションピースのマウント部額縁側（図１中のＣ部分）から採取した試験片における組織の劣化が特に顕著であった。
【００２０】
また、上述のトランジションピースの各部位の内側面から採取した各試験片（□10 mm×厚さ0.5 mm）及びトランジションピースの材料（新材）で作製した試験片（□10 mm×厚さ0.5 mm）に対して、スモールパンチ（ＳＰ）試験を行った（図３）。なお、ＳＰ試験は、試験片（ｎ＝３）を用いて、室温，負荷速度0.5mm/minという条件下で行った。さらに、ＳＰ試験により得られた各試験片の破断延性値を用いて、式：Ｎｆ／Ｎｆ０＝（εｆ／εｆ０）１／ｍ（式中「Ｎｆ」は各試験片の低サイクル疲労寿命を、「Ｎｆ０」は新材の低サイクル疲労寿命を、「εｆ」は各試験片の破断延性を、「εｆ０」は新材の破断延性を、「ｍ」は材料定数（0.5〜0.6）をそれぞれ示す。）から各試験片の残寿命を算出し、新材に対する各試験片の残寿命割合を求めた（図４）。
【００２１】
図３及び図４に示すように、各試験片は新材に比べてＳＰ特性（吸収エネルギー（荷重−変位曲線の積分値）、破断延性）や残寿命が低下していることが確認でき、トランジションピースのマウント部額縁側（図１中のＣ部分）から採取した試験片においてＳＰ特性や残寿命の低下が特に顕著であった。なお、図には示さないが、トランジションピースのクリープ余寿命をアイソストレス法（実機応力レベル）により推定したところ、余寿命は十分であることがわかった。
【００２２】
［実施例２］
次に、上述のガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースの側面溶接部（図１中のＤ，Ｅ部分）から採取した試験片に対して再生熱処理（溶体化熱処理及び時効熱処理）を１〜５回行ったものと新材のミクロ組織観察を実施例１と同様に行った（図５）。
【００２３】
図５に示すように、１回再生熱処理したトランジションピースも５回再生熱処理したトランジションピースも新材と同様の組織を呈すること、すなわち、γ′相の粒径やγ相の粒界における炭化物が微小化することが明らかになった。また、再生熱処理を繰り返して行うことによる炭化物の析出などの悪影響は確認できなかった。
【００２４】
また、１〜５回再生熱処理を行った各トランジションピースの側面溶接部（図１中のＤ，Ｅ部分）の母材（φ3 mm×厚さ0.25 mm）、及び新材（φ3 mm×厚さ0.25 mm）に対して、実施例１と同様にＳＰ試験を行った（図６）。
【００２５】
図６に示すように、１〜５回再生熱処理を行った各トランジションピースの母材のＳＰ特性や残寿命は、新材と同程度に回復、あるいは、それ以上に向上することが明らかになった。また、再生熱処理を繰り返してもＳＰ特性に悪影響を与えることがないことが明らかになった。
【００２６】
また、１〜５回再生熱処理を行った各トランジションピースのマウント部額縁側（図１中のＣ部分）から採取した試験片及び新材から作製した試験片を用いて万能試験機により引張試験（JIS Z 2241  金属材料引張試験方法）を実施し、試験によって得られた応力・ひずみ曲線から0.2％耐力、引張強さ、破断伸び、及び絞りを求めた。図７に試験片の形状を示す（図７中の数字の単位は「mm」である。）。図８に各トランジションピースの0.2％耐力及び引張強さの結果をそれぞれ示す。また、図９に各トランジションピースの破断伸び及び絞りの結果をそれぞれ示す。なお、引張試験は、室温、負荷速度：0.2%耐力まで20N/(mm2・s)でそれ以降は30%/minという条件下で行った。
【００２７】
図８に示すように、１〜５回再生熱処理を行った各トランジションピースの0.2％耐力及び引張強さは、新材と同程度まで回復することが明らかになった。また、図９に示すように、１〜５回再生熱処理を行った各トランジションピースの破断伸び及び絞りは、新材より増加することが明らかになった。このことから、低サイクル疲労寿命も向上するのではないかと考えた。さらに、再生熱処理を繰り返しても0.2％耐力、引張強さ、破断伸び、及び絞りに悪影響を与えることがないことが明らかになった。
【００２８】
以上のことから、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースに再生熱処理を複数回施しても金属組織や機械的特性に悪影響を与えることなく、再生熱処理することにより未使用のトランジションピースの組織及び機械的特性と同程度まで回復することができることがわかった。また、トランジションピースのマウント部額縁側（図１中のＣ部分）において、組織の劣化（γ相粒界の炭化物の粗大化、γ′相の粒径の成長、脆性η相の発生など）や機械的特性（特に脆化特性）の劣化が著しいことから、トランジションピースのマウント部額縁側において組織や機械的特性が劣化している場合に再生熱処理を施すことにより、トランジションピースにおいて劣化した組織や機械的特性を未使用のトランジションピースと同程度まで回復させることができ、トランジションピースの使用による損傷を未然に防止することができることが示唆された。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースから採取した各試験片の位置を示す図である。
【図２】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースから採取した各試験片のミクロ組織観察を行った結果を示す図である。なお、図中の「外面」はトランジションピースの外側の面を意味し、「内面」はトランジションピースの内側の面を意味する。
【図３】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースから採取した各試験片及び新材に対するＳＰ試験の結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースから採取した各試験片の新材に対する残寿命割合を調べた結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースから採取した試験片を１又は５回再生熱処理したもの及び新材のミクロ組織観察を行った結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースの側面溶接部の母材から採取し１〜５回再生熱処理した各試験片及び新材に対するＳＰ試験の結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施例において、引張試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図８】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースの額縁部から採取し１〜５回再生熱処理した各試験片及び新材の0.2％耐力及び引張強さを調べた結果を示す図である。
【図９】本発明の一実施例において、ガスタービン燃焼器に使用したトランジションピースの額縁部から採取し１〜５回再生熱処理した各試験片及び新材の破断伸び及び絞りを調べた結果を示す図である。
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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