(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの積分値により音響エネルギーを求め、この音響エネルギーを用いて検査対象物に生じた損傷の程度を評価する異物衝突による損傷評価方法。
【請求項２】
検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの周波数スペクトルからこの音響信号の重心周波数を求め、この重心周波数を用いて検査対象物に亀裂が生じたか否かを評価する異物衝突による損傷評価方法。
【請求項３】
前記音響エネルギーを累積し、この累積値により前記検査対象物に生じたエロージョン等の累積的損傷の程度を評価する請求項１に記載の異物衝突による損傷評価方法。
【請求項４】
検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの積分値により音響エネルギーを求めると共に、この受信された音響信号の単位衝突あたりの周波数スペクトルからこの音響信号の重心周波数を求め、単位衝突あたりの前記音響エネルギーのうち一定値以上で且つ前記重心周波数が一定値以上の場合の当該音響信号の単位衝突あたりの前記音響エネルギーの累積値を用いて検査対象物の重大な損傷の程度を評価する異物衝突による損傷評価方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の異物衝突による損傷評価方法に用いる異物衝突による損傷評価装置であって、前記検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を受信する音響センサと、この受信された音響信号の単位衝突あたりの音響エネルギー又は重心周波数等の特徴量を求める音響信号処理手段と、前記特徴量に基づき損傷の程度を評価する評価手段とを備えた異物衝突による損傷評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電所のタービン設備で脱落酸化スケールに起因して発生するノズルやタービンブレードの亀裂やエロージョン等にみられるような異物衝突による損傷評価方法及びこれに用いる評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電所の蒸気タービン施設では、ボイラから蒸気配管を伝って蒸気がタービンに送られる。この際、蒸気配管の内面に発生した酸化スケール等の異物がタービンの起動時に蒸気により運ばれ、タービンノズル及びタービンブレードに衝突する。そして、異物の衝突によりこれらノズルやブレード等に亀裂やエロージョン等の損傷が生じることとなる。
【０００３】
従来では、タービンを停止させての定期点検時に目視検査や蛍光探傷により損傷評価を行っていた。したがって、定期点検時以前に損傷が急激に進行した場合は問題である。
【０００４】
一方、特開平１０−３３９７２１号公報によれば、モーターやポンプ等の回転機械部品における捻り力により回転軸に疲労が生じる。同公報記載の技術では、ＡＥセンサによりこの回転軸から発生するバースト波を捉え、その周波数変化により同軸に生じる金属疲労等の金属材料の異常を検出していた。しかし、同公報記載の技術によれば、金属材料の捻りにより生じる材料異常を捉える点についての開示はあるが、異物の衝突による材料の損傷については示唆も言及もされていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明の目的は、異物衝突による検査対象物の損傷程度を非破壊的手法で評価することの可能な異物衝突による損傷評価方法及びこれを用いた評価装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる損傷評価方法の特徴は、検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの積分値により音響エネルギーを求め、この音響エネルギーを用いて検査対象物に生じた損傷の程度を評価することにある。
【０００７】
発明者らの実験によれば、音響信号のエネルギーをＥ、異物の速度をＶ、異物の質量をｍとすると、異物の運動エネルギーｍＶ2は音響信号エネルギーＥに比例することが判明した。また、検査対象物に相当する試験片の研削量等の損傷の程度をＤとすると、異物の運動エネルギーｍＶ2は研削量Ｄに比例する。したがって、音響信号エネルギーをもって検査対象物の損傷程度を推定することが可能であることが判明した。ここで、「損傷の程度を評価する」とは、「損傷が生じているか否かを評価すること」及び「損傷がどの程度生じているか」の双方を含む。
【０００８】
換言すれば、本発明によれば、前記音響エネルギーを累積し、この累積値により前記検査対象物に生じたエロージョン等の累積的損傷の程度を評価することができる。
【０００９】
また、発明者らの実験によれば、検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの周波数スペクトルからこの音響信号の重心周波数を求め、この重心周波数を用いて検査対象物に亀裂が生じたか否かを評価することが可能であることが判明した。
【００１０】
より具体的には、検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を音響センサにより受信し、この受信された音響信号の単位衝突あたりの積分値により音響エネルギーを求めると共に、この受信された音響信号の単位衝突あたりの周波数スペクトルからこの音響信号の重心周波数を求め、単位衝突あたりの前記音響エネルギーのうち一定値以上で且つ前記重心周波数が一定値以上の場合の当該音響信号の単位衝突あたりの前記音響エネルギーの累積値を用いて検査対象物の重大な損傷の程度を評価する。発明者らの実験によれば、亀裂等の損傷が発生した際には、通常よりもより高周波側の成分の増加が認められた。したがって、重心周波数の程度によって亀裂の発生を予測することができる。
【００１１】
ところで、「単位衝突あたりの前記音響エネルギーのうち一定値以上のもの」とは、音響エネルギー自体が一定値以上の場合の他に、音響信号レベルが一定以上で且つ一定時間以上持続するものも含む。「単位衝突あたりの前記音響エネルギーのうち一定値以上のもの」であると同時に、上記重心周波数が一定値以上であるものの累積値を求めることで、損傷に関連する単位衝突に着目することができる。
【００１２】
一方、上記特徴方法に用いる異物衝突による損傷評価装置の特徴は、前記検査対象物に異物が衝突する際の音響信号を受信する音響センサと、この受信された音響信号の単位衝突あたりの音響エネルギー又は重心周波数等の特徴量を求める音響信号処理手段と、前記特徴量に基づき損傷の程度を評価する評価手段とを備えたことにある。
【００１３】
【発明の効果】
このように、上記本発明の方法及び装置の特徴によれば、評価対象施設の損傷検査を評価対象施設の稼働を休止することなく評価することが可能となった。上記評価方法を連続して実施することにより、評価対象施設の損傷程度を逐次把握することができ、評価対象施設の健全性をより確実に維持できるようになった。
【００１４】
特に、「単位衝突あたりの前記音響エネルギーのうち一定値以上のもの」であり且つ「上記重心周波数が一定値以上であるもの」の累積値を求めることで、損傷の程度又は発生をより確実に推定することが可能となった。
【００１５】
なお、本発明の他の目的、構成及び効果については次に示す「発明の実施の形態」の項で明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図７を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。この第一の実施形態は本発明の原理を実証するための基礎実験に相当する。
【００１７】
図１は本発明を実施するための損傷評価設備１であり、この損傷評価設備１は射出装置２と損傷評価装置３とを備えている。射出装置２は異物の一例であるスケールを鋼板等により作成された試験片９に吹き付けて音響センサー１２を含む損傷評価装置３により音響信号を受信すると共に、その損傷の程度を調査するためのものである。
【００１８】
ブロアー４から送られる圧縮空気は弁６を介して加圧タンク５内に収納された標準スケールを第一流路７ａから圧送する。また、ブロアー４の一部は第二流路７ｂにより分岐されて第一流路７ａと合流し、合流路７ｃを介してノズル８から標準スケールを試験片９に吹き付ける。このとき、ノズル８から射出されるスケールの速度はレーザー発信器１１ａからレーザー発信器１１ｂに至るレーザー光により求められる。試験片９としては、タービンブレードの材料である１２ＣｒＭｏＶの切片を用いている。
【００１９】
ノズル８から試験片９への異物の吹きつけにより発生した音響信号は音響センサー１２により受信された後、損傷評価装置３のプリアンプ１３に導入されてＳＮ比の向上のために２０ｄＢから４０ｄＢ程度に増幅される。ついで、ハイパスフィルターやローパスフィルターを含むフィルター１４でノイズを除去した後、Ａ／Ｄコンバーター１５でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１６で各種信号処理が施されてからその結果がモニター１７に表示される。また、ノズル８からの異物の速度も同時にＣＰＵ１６に入力され、スケールの運動エネルギーの計算に用いられる。
【００２０】
スケールは標準の人工スケール（ＳＫＤ１１、２＊２＊０．２mm）を用いた、運動量の積分値はレーザー発信器１１ａ，レーザー発信器１１ｂによる速度Ｖと、使用後における加圧タンク５の計量により、人工スケールの消費量から算出することができる。また、試験片９の研削量は試験片９全体の重量を測定することで確認することができる。スケールの射出量はブロアー４の強度と弁６との調節により適宜変更することができる。
【００２１】
図２（ａ）は音響センサー１２から入力された横軸を時間軸とする音響信号の波形であり、ノイズの混入していることがわかる。よって、ノイズレベルＬ以下の信号はカットすることが望ましい。また、たとえばＳＶ０のような一定の基準時間幅Ｗに満たない突発的な音響信号は除去することが望ましく、例えばＳＶ１〜３のようなノイズレベルＬを越え且つ各ノイズレベルにおける信号時間幅ｄ１〜３が基準時間幅Ｗを越えた信号が有効信号として認識される。各単位衝突あたりの有効信号ＳＶ１〜３のＡＥエネルギーＥ（Ｅａ）は積分により算出される。例えば、信号ＳＶ１の積分値は斜線の部分の面積とｄ１＊Ｌとの合計となる。
【００２２】
図３に運動エネルギーＥとＡＥエネルギーとの関係を示す。ここで用いているＡＥエネルギーは単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａであり、運動エネルギーは試験片の重量ｍと上記レーザー受信器１１ｂによる速度Ｖを用いてｍＶ2として算出される。また、図５に示すように、単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａの積算値であるエロージョンエネルギー積算値（ＡＥエネルギー総量）Ｅｔと損傷量の一例である研削量（ｍｍ3）との相関も実験により明らかになった。
【００２３】
図４は、単位衝突あたりのＡＥエネルギーの発生と損傷量Ｄとの相関を示すものである。問題となる単位衝突あたりの損傷量Ｄｏをあらかじめ定め、これに対応するＡＥエネルギーの値を閾値Ｅｏとして求め、この閾値により重大な損傷が生じているか否かを判断する。もう一つの重大な損傷の評価は後述する図２（ｂ）（ｃ）に示す重心周波数Ｆｇの遷移であり、この値は亀裂の進行により高周波側に移行する。
【００２４】
次いで、図１、図６及び図７を参照しながら、評価手順について説明する。図１の音響センサー１２から入力された図２（ａ）の音響信号及びレーザー発信器１１ｂから入力された流速はＣＰＵ１６において次の各処理がなされる。
【００２５】
まず、図２（ａ）の如くノイズレベルＬ以下で基準時間幅Ｗに満たない突発的な音響信号以外の信号が有効信号ＳＶ１〜３として認識される（Ｓ１）。次に、各単位衝突あたりの有効信号ＳＶ１〜３のＡＥエネルギーを積分により算出し（Ｓ２）、各単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａが閾値Ｅｏよりも大きいときは（Ｓ３）、重大損傷エネルギー積算値ＥｓにＥａを加える（Ｓ４）。また、重大損傷発生頻度Ｎｅに回数１を加える（Ｓ５）。そして、異常が発生した旨を当該単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａ及び重大損傷発生頻度Ｎｅと共に表示する（Ｓ６）。各単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａが閾値Ｅｏよりも小さいときは（Ｓ３）、これらＳ４、５の処理は行われない。
【００２６】
次に、各単位衝突あたりの有効信号ＳＶ１〜３の周波数分析をＦＦＴ演算回路により行う（Ｓ７）。周波数分析により、図２（ｂ）、（ｃ）の如きグラフが得られ、各グラフの重心周波数Ｆｇを求める（Ｓ８）。図２（ｂ）の重心周波数Ｆｇ１よりも、同（ｃ）の重心周波数Ｆｇ２の方がより高周波側にシフトしており、亀裂の進行が認められた。そこで、本実施形態では、亀裂の判断をＳ９〜Ｓ１３のステップで行う。
【００２７】
まず、重心周波数Ｆｇが基準重心周波数Ｆｏより大きいときは（Ｓ９）、亀裂が発生している判断し、各単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａが閾値Ｅｏよりも小さくても（Ｓ１０）、重大損傷エネルギー積算値ＥｓにＥａを加える（Ｓ１１）。すなわち、亀裂の発生により重大な損傷が発生していると判断している。また、亀裂発生頻度Ｎｃに回数１を加え（Ｓ１２）、亀裂が発生した旨を表示すると共に、その重心周波数Ｆｇと発生頻度Ｎｃとを表示する（Ｓ１３）。
【００２８】
ステップＳ１４〜１６ではエロージョンの進行が判断される。エロージョンエネルギー積算値Ｅｔに各単位衝突あたりのＡＥエネルギーＥａが加えられる（Ｓ１４）。エロージョンエネルギー積算値Ｅｔがエロージョン基準値Ｅ１を越えるときは、エロージョンが進行している旨とエロージョンエネルギー積算値Ｅｔが表示される（Ｓ１６）。
【００２９】
ステップＳ１７，１８では重大損傷の進行が判断される。重大損傷エネルギー積算値Ｅｓが重大損傷基準値Ｅ２を越えるときは（Ｓ１７）、重大損傷が進行している旨と重大損傷エネルギー積算値Ｅｓが表示される（Ｓ１８）。
【００３０】
以上のステップが各単位衝突あたりの有効信号ＳＶ１〜３毎に行われ、継続評価のフラグが立っているときは繰り返し上記ステップが行われる（Ｓ１９，２０）。そして、評価対象施設の稼働を行いつつ、損傷の進行をリアルタイムでモニタリングすることが可能となる。
【００３１】
次に、図８，９を参照しながら、本発明の第二実施形態について説明する。本実施形態は、火力発電所における蒸気タービンのタービンブレードの損傷程度をモニタリングしながら評価するものである。
【００３２】
図８に示す低圧用の蒸気タービン３０では、軸３１の周りに複数のタービンブレードが設けられ、軸受け３３に支持されている。軸３１の中央側から矢印ＳＴｉに示すように外側に向かって中圧タービンからの蒸気が供給され、タービンブレード３２に衝突して軸３１を旋回させて発電器を駆動させる。そして、蒸気タービン３０の両側から矢印ＳＴｏに示すように蒸気が復水器へ戻ることとなる。
【００３３】
本実施形態では、タービンブレード３２の損傷程度を評価するので、本来は音響センサーをタービンブレードに直接設置することが望ましい。しかし、ブレードは回転しているため、ブレード３２に近い位置で安定してＡＥを受信できる軸受け３３に音響センサー１２を取り付けている。なお、高圧、中圧タービンもほぼ同様の構成であり、音響センサーは軸受けに取り付ければよい。
【００３４】
図９は蒸気発電設備における蒸気タービンの稼働時における上述の重心周波数を用いた評価実績を示すグラフであり、この測定は１３日の間に行われている。また、重心周波数は同グラフの右下に示すように、各周波数帯域毎に濃淡表示で表されている。例えば、３４０〜３６０ｋＨｚの重心周波数については、第一日目における発生頻度が約１１５ｄＢ程度となっている。本蒸気タービンの稼働は１〜７日目前半までと１２〜１３日目前半までである。いずれも、ＡＥの重心周波数がより高周波側で強く観察されているが、稼働開始直後にはスケール等が多く、微小亀裂等も進行し易い環境にあることから、実体と符合していることが確認された。このような蒸気タービンについて、実際には上述の第一実施例の如き各項目について評価を行えばよい。
【００３５】
最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。
上記各実施形態では、評価対象物に損傷を与える異物としてスケールを例示したが、この異物としては、スケールに限られるものではなく、サイズ的にももっと大きな粒径も異物であっても構わない。また、評価対象もタービンのような回転体の他、流路自体の損傷についても評価することが可能である。
【００３６】
評価は、上述のようなソフトウエア処理のみに限らず、演算装置を含むハードウエア的なものとして構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための損傷評価設備を示すブロック図である。
【図２】（ａ）はセンサにより受信された波形のうち音響信号の積分値として評価されるものを示すグラフ、（ｂ）（ｃ）は音響信号の周波数スペクトルを示し、（ｂ）は亀裂が生じていない場合、（ｃ）は亀裂が生じている場合をそれぞれ示す。
【図３】運動エネルギーとＡＥエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図４】ＡＥエネルギーと損傷量との関係を示すグラフである。
【図５】研削量とＡＥエネルギー総量との関係を示すグラフである。
【図６】損傷評価装置における損傷評価の手順を示すフローチャートの前半部である。
【図７】損傷評価装置における損傷評価の手順を示すフローチャートの後半部である。
【図８】タービンとこれに対する音響センサの取り付け位置を示す図である。
【図９】タービン運転実績における各重心周波数の各時刻におけるエネルギー強度の分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１    損傷評価設備
２    射出装置
３    損傷評価装置
４    ブロアー
５    加圧タンク
６    弁
７ａ  第一流路  ７ｂ  第二流路  ７ｃ  合流路
８    ノズル
９    試験片
１１ａ  レーザー発信器    １１ｂ  レーザー受信器
１２    音響センサ
１３    プリアンプ
１４    フィルター
１５    Ａ／Ｄコンバータ
１６    ＣＰＵ
１７    モニター
３０    蒸気タービン
３１    軸
３２    タービンブレード
３３    軸受け
【図１】
0004056202.tif 000002
【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７】
0004056202.tif 000008
【図８】
0004056202.tif 000009
【図９】
0004056202.tif 000010