(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転実績を記録する第１ステップと、
モデル化した蒸気タービンから有限要素法により振動応力を求めるとともに蒸気タービン負荷に対応した振動応力線図を求める第２ステップと、
axをタービン表層部からの亀裂深さ、H1をタービン表層部硬さ、H0をタービン表層部から２００〜３００μｍにおける硬さとしたときに、H（ax）＝H0−（H0−H1）exp（-cXa）なるタービンロータ表層部硬さ変化曲線を用いてタービンロータの表層部の硬さを求める第３ステップと、
タービンロータの硬さ、亀裂長さ、応力比を乗算して亀裂進展下限界値を求める第４ステップと、
この第４ステップで求めた亀裂進展下限界値に相当する亀裂進展最小応力値を前記第２ステップで求めた振動応力線上にプロットし、この振動応力線での蒸気タービン低負荷側との交点を亀裂進展最小負荷とし、この振動応力線での蒸気タービン高負荷側との交点を亀裂進展最大負荷とするとともに、前記亀裂進展最小負荷から前記亀裂進展最大負荷までの範囲を亀裂進展負荷帯として定め、前記第２ステップで求めた振動応力および亀裂深さに基づいて影響関数法を用いて求めた応力拡大係数範囲と前記第４ステップで求めた亀裂進展下限界値とを突き合わせ、亀裂進展下限界値が応力拡大係数範囲より大きい場合には、蒸気タービンの実負荷がまだ前記亀裂進展領域に入っていないと認定し実負荷に増加負荷分ΔＬを加えて運転を継続する判断をする一方、前記亀裂進展下限界値が前記応力拡大係数範囲より小さい場合には、蒸気タービンの実負荷が亀裂進展領域に入っていると認定し、次のステップに進む第５ステップと、
この第５ステップで決定した亀裂進展負荷帯における応力拡大係数範囲、亀裂長さ、最小応力拡大係数と最大応力拡大係数との比で求められる応力比および亀裂進展下限界値とからなる関数から求められる亀裂進展速度と、前記第５ステップで決定した亀裂進展負荷帯における応力拡大係数範囲、最小応力拡大係数と最大応力拡大係数との比で求められる応力比、亀裂進展下限値および亀裂長さなる関数の逆数を積分して求められる許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命と、を亀裂進展特性として求める第６ステップと、
この第６ステップで求めた亀裂進展負荷帯における亀裂進展特性から予め決められた許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命を単位時間に換算して寿命消費率を算出する第７ステップと、
この第７ステップで算出した寿命消費率と前記第５ステップで求められた亀裂進展負荷帯における運転時間から求められる総合亀裂進展寿命に基づいて、実亀裂長さから予め定められた許容亀裂長さまでに達する時間を算出する第８ステップと、
この第８ステップで求めた許容亀裂長さまでに達する時間が次回の定期検査まで維持できないとき、タービンロータの補修および交換または前記亀裂進展負荷帯を避ける運転を選択する一方、前記許容亀裂長さまでに達する時間が次回の定期検査まで維持できる場合はそのまま運転を継続する選択を行う第９ステップと、
を備えることを特徴とするタービンロータの亀裂進展予測方法。
【請求項２】
第３ステップにおける亀裂深さは、該当部位の電位差を検出する電位差検出法、レプリカで検出する方法、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂長さ線図、予めデータベース化した等応力分布線図、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂開口量線図のうち、いずれかを選択して求めることを特徴とする請求項１記載のタービンロータの亀裂進展予測方法。
【請求項３】
レプリカは、ビデオフィルムおよび紫外線により硬化するプラスチック材のうち、いずれかを選択することを特徴とする請求項２記載のタービンロータの亀裂進展予測方法。
【請求項４】
第３ステップにおけるタービンロータの表層部の硬さは、該当部位にパルスを与え、発生する磁気変化からバルクハウゼンノイズを演算し、その演算信号から表層部の硬さを求めるバルクハウゼンノイズ法を用いることを特徴とする請求項１記載のタービンロータの亀裂進展予測方法。
【請求項５】
第９ステップにおけるタービンロータの補修の際、補修幅領域を一方のタービン動翼のフック部と隣のタービン動翼のフック部とに跨って削除することを特徴とする請求項１記載のタービンロータの亀裂進展予測方法。
【請求項６】
第９ステップにおけるタービンロータの補修は、使用温度および運転時間から硬さを求め、その硬さを予め作成した応力−硬さ線図にプロットし、その硬さが許容硬さ限界値よりも下廻ったとき、開始することを特徴とする請求項１記載のタービンロータの亀裂進展予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンロータの亀裂進展予測方法に係り、特にタービンロータに植設したタービン動翼の、その植込み部とタービンロータとの接触部分に発生した亀裂に基づく寿命を予測するタービンロータの亀裂進展予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、蒸気タービンは、図２０に示すように、外部ケーシング１と内部ケーシング２とに区分けしたタービンケーシング３内に、軸受４で軸支したタービンロータ５を収容し、内部ケーシング２に係合したタービンノズル６とタービンロータ５に植設したタービン動翼７とを組み合せてタービン段落８を形成し、このタービン段落８を軸方向に沿って多段に配置する構成になっている。
【０００３】
また、タービン動翼７は、図２１に示すように、植込み部９を、タービンロータ５の植込み溝１０のフック部１１に係合させ、周方向に沿って環状列に植設されている。
【０００４】
またタービンノズル６は、図２１および図２２に示すように、タービン動翼７に対応させてタービンロータ５の周方向に沿って環状列に配置しており、その入口側にノズルボックス１２を備えるとともに、このノズルボックス１２に連通する蒸気入口１３に、通常、４弁の蒸気加減弁（図示せず）を設けている。
【０００５】
蒸気加減弁は、図２４に示すように、タービン出力の増加に沿って第１弁および第２弁をほぼ同時に開弁させ、さらに第３弁および第４弁を順次、シーケンシャルに開弁させる、いわゆる３アドミッション方式、あるいは図示していないが第１弁、第２弁および第３弁を同時に開弁させ、残りの第４弁を次に開弁させる、いわゆる２アドミッション方式、または第１弁から第４弁までの全ての弁を同時に開弁させるいわゆる１アドミッション方式のいずれかの運転モードを採用している。
【０００６】
例えば、起動運転時、蒸気加減弁が３アドミッション方式の運転モードを採る場合、タービン動翼７は、タービンロータ５が１回転（３６０°）する間に、図２３に示すように、タービンノズル６から案内された蒸気を２回受けている。このため、タービン動翼７には、蒸気を受ける場合とそうでない場合とに基づく蒸気の圧力変動力がある。さらに加えて、タービン動翼７は、腹側と背側との間に圧力差が生じており、この圧力差に基づく蒸気の流れに変動が出、結局、上述の圧力変動力に、蒸気流れに変動が加わって、図２３に示すように、タービンロータ５の回転方向と同じ方向に強い加振力Ｆを受けている。
【０００７】
このような加振力Ｆを繰り返し受けると、タービンロータ５は、図２５に示すように、タービン動翼７の植込み部９に係合させる植込み溝１０のフック部１１に亀裂Ｃが発生することがあった。タービンロータ５の亀裂発生が必然的に蒸気タービンの安定運転を損ねるので、最近では、亀裂の進展を予測する発明が数多く提案されている。
【０００８】
しかし、亀裂の進展の予測は、蒸気条件、例えば圧力、温度、蒸気流量等や起動回数等の運転条件等、数多くの因子を含んでいるために、その解決手法を困難にしており、現在、模索の段階である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来、タービン動翼７は、高温強度に優れた１２Ｃｒ系の合金鋼を使用しているのに対し、タービンロータ５は、タービン動翼材料に較べて相対的に高温強度の低いＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系の合金鋼を使用している。タービンロータ５がタービン動翼材料に較べて高温強度の低いＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系の合金鋼を使用したのは、軸受４の焼付けを少なくさせる点を考慮したものではあるが、高温強度が低いが故にタービンロータ５の植込み溝１０のフック部１１には、上述の加振力Ｆの影響を受けて長年の使用の結果、図２５に示すように、亀裂Ｃが発生することがあった。この亀裂Ｃは、タービンロータ材料の長年の使用の結果、金属組織が当初に較べて変化していると、たいして大きくない加振力でもさらに進展する。このような疲労破壊を、フレッティング疲労と称している。
【００１０】
このフレッティング疲労は、図２６に示すように、振動応力σａにより発生するものと考えられている。すなわち、基台部Ｘに部材Ｙ，Ｚが距離δを置いて接触している場合、基台部Ｘに外部から加振力Ｆが繰り返し加えられると、基台部Ｘには、振動応力（応力振幅）σａが与えられる。この振動応力σａは、部材Ｙ，Ｚの端部から基台部Ｘに与えている面圧力に対し、交差する方向に与えられるため、その強度が低くなり、亀裂Ｃが発生すると考えられる。特に、基台部Ｘに対し、部材Ｙ，Ｚがある一定の距離δの範囲内において設置されていると、この傾向は強い。ちなみに、基台部Ｘ、部材Ｙ，Ｚを隣接して設置していると、振動応力σａは、図２７２７に示すように、部材Ｙ，Ｚを設置していない場合（フレッティング無し）に較べて著しく低くなることが実験で確認されている。
【００１１】
タービンロータ５の植込み溝１０のフック部１１にフレッティング疲労による亀裂Ｃが発生するのは、タービン動翼７を環状列に隣接して植設することに要因があるものと考えられている。なお、タービン動翼７の植込み部９はその材質の強度が高いこともあって、フレッティング疲労が認められていない。
【００１２】
タービンロータ５の植込み溝１０のフック部１１に発生する亀裂Ｃは、何分にも外部から観察することができず、定期検査時のみである。蒸気タービンの運転中、亀裂Ｃが進展すると、安全かつ安定運転が損われるので、的確な亀裂進展の予測技術が必要である。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、タービン動翼の植込み部と係合するタービンロータにおける植込み溝のフック部の硬さを運転中に発生した振動応力や硬さ等から将来の運転に対し、亀裂の進展量を予測し、的確な亀裂進展予測の下、タービンロータの交換または補修を的確に対処できるようにするタービンロータの亀裂進展予測方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項１に記載したように、運転実績を記録する第１ステップと、モデル化した蒸気タービンから有限要素法により振動応力を求めるとともに蒸気タービン負荷に対応した振動応力線図を求める第２ステップと、axをタービン表層部からの亀裂深さ、H1をタービン表層部硬さ、H0をタービン表層部から２００〜３００μｍにおける硬さとしたときに、H（ax）＝H0−（H0−H1）exp（-cXa）なるタービンロータ表層部硬さ変化曲線を用いてタービンロータの表層部の硬さを求める第３ステップと、タービンロータの硬さ、亀裂長さ、応力比を乗算して亀裂進展下限界値を求める第４ステップと、この第４ステップで求めた亀裂進展下限界値に相当する亀裂進展最小応力値を前記第２ステップで求めた振動応力線上にプロットし、この振動応力線での蒸気タービン低負荷側との交点を亀裂進展最小負荷とし、この振動応力線での蒸気タービン高負荷側との交点を亀裂進展最大負荷とするとともに、前記亀裂進展最小負荷から前記亀裂進展最大負荷までの範囲を亀裂進展負荷帯として定め、前記第２ステップで求めた振動応力および亀裂深さに基づいて影響関数法を用いて求めた応力拡大係数範囲と前記第４ステップで求めた亀裂進展下限界値とを突き合わせ、亀裂進展下限界値が応力拡大係数範囲より大きい場合には、蒸気タービンの実負荷がまだ前記亀裂進展領域に入っていないと認定し実負荷に増加負荷分ΔＬを加えて運転を継続する判断をする一方、前記亀裂進展下限界値が前記応力拡大係数範囲より小さい場合には、蒸気タービンの実負荷が亀裂進展領域に入っていると認定し、次のステップに進む第５ステップと、この第５ステップで決定した亀裂進展負荷帯における応力拡大係数範囲、亀裂長さ、最小応力拡大係数と最大応力拡大係数との比で求められる応力比および亀裂進展下限界値とからなる関数から求められる亀裂進展速度と、前記第５ステップで決定した亀裂進展負荷帯における応力拡大係数範囲、最小応力拡大係数と最大応力拡大係数との比で求められる応力比、亀裂進展下限値および亀裂長さなる関数の逆数を積分して求められる許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命と、を亀裂進展特性として求める第６ステップと、この第６ステップで求めた亀裂進展負荷帯における亀裂進展特性から予め決められた許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命を単位時間に換算して寿命消費率を算出する第７ステップと、この第７ステップで算出した寿命消費率と前記第５ステップで求められた亀裂進展負荷帯における運転時間から求められる総合亀裂進展寿命に基づいて、実亀裂長さから予め定められた許容亀裂長さまでに達する時間を算出する第８ステップと、この第８ステップで求めた許容亀裂長さまでに達する時間が次回の定期検査まで維持できないとき、タービンロータの補修および交換または前記亀裂進展負荷帯を避ける運転を選択する一方、前記許容亀裂長さまでに達する時間が次回の定期検査まで維持できる場合はそのまま運転を継続する選択を行う第９ステップと、を備えるものである。
【００１７】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項２に記載したように、第３ステップにおける亀裂深さは、該当部位の電位差を検出する電位差検出法、レプリカで検出する方法、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂長さ線図、予めデータベース化した等応力分布線図、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂開口量線図のうち、いずれかを選択して求めるものである。
【００１８】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項３に記載したように、レプリカは、ビデオフィルムおよび紫外線により硬化するプラスチック材のうち、いずれかを選択するものである。
【００１９】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項４に記載したように、第３ステップにおけるタービンロータの表層部の硬さは、該当部位にパルスを与え、発生する磁気変化からバルクハウゼンノイズを演算し、その演算信号から表層部の硬さを求めるバルクハウゼンノイズ法を用いるものである。
【００２４】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項５に記載したように、第９ステップにおけるタービンロータの補修の際、補修幅領域を一方のタービン動翼のフック部と隣のタービン動翼のフック部とに跨って削除するものである。
【００２５】
本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、上記目的を達成するため、請求項６に記載したように、第９ステップにおけるタービンロータの補修は、使用温度および運転時間から硬さを求め、その硬さを予め作成した応力−硬さ線図にプロットし、その硬さが許容硬さ限界値よりも下廻ったとき、開始するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法の実施形態における手順を示すブロック図である。
【００２８】
本実施形態に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、例えば負荷、運転時間等の運転実績を記録する第１ステップ（ＳＴ１）、運転中、各負荷帯毎における振動応力を求める第２ステップ（ＳＴ２）、タービンロータの表層部の硬さを求める第３ステップ（ＳＴ３）、タービンロータの硬さから亀裂進展下限界値を求める第４ステップ（ＳＴ４）、第２ステップで求めた振動応力を基に影響関数法で算出する応力拡大係数範囲と第４ステップで求めた亀裂進展下限界値とから亀裂が進展する負荷帯（最低負荷から最高負荷までの負荷範囲）を決定する第５ステップ（ＳＴ５）、第５ステップで決定した亀裂進展負荷帯におけ亀裂進展特性、具体的には亀裂進展速度、許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命等を求める第６ステップ（ＳＴ６）、第６ステップで求めた亀裂進展負荷帯における亀裂進展特性から寿命消費率を算出する第７ステップ（ＳＴ７）、第７ステップで算出した寿命消費率と実亀裂長さとから予め定められた許容亀裂長さまでに達する時間を算出する第８ステスップ（ＳＴ８）、第８ステップで求めた許容亀裂長さまでに達する時間が次回の定期検査まで維持できない場合、タービンロータを補修または交換する対策を検討する第９ステップ（ＳＴ９）を経る手順になっている。
【００２９】
第３ステップ（ＳＴ３）で求めるタービンロータの硬さは、図２に示すように、予め作成した応力−硬さ線図から求めることができる。この応力−硬さ線図は、縦軸にタービンロータの表面層の硬さを、横軸にタービンロータの温度および運転時間を示すもので、使用温度および運転時間毎にタービンロータの応力値（応力２は応力１よりも大きい）に応じた表面層の硬さがプロットされている。なお、本実施形態は、タービンロータの表面層の硬さを応力−硬さ線図から求めたが、これに限らず、例えば図３に示すように、タービンロータ表層部硬さ変化曲線から求めてもよい。
【００３０】
このタービンロータ表層部硬さ変化曲線Ｈ（ａｘ）は、
【数１】
0003764616.tif 000002
として与えられる。
【００３１】
ここで、ａｘはタービンロータ表層部からの亀裂深さ、Ｈ１はタービンロータ表層部硬さ、Ｈ０は、例えばタービンロータ表層部から深さ２００〜３００μｍにおける硬さ、Ｃは定数をそれぞれ示す。
【００３２】
上式（１）は、タービンロータ表層部の硬さＨ１と亀裂深さａｘ、例えば表層部から２００〜３００μｍの深さにおける硬さＨ０との二点間の範囲に亘ってテスト材で実測して作成したマスターカーブである。このマスターカーブは、タービンロータ表層部が軟質層と硬質層とに混在した組織層になっていて、ある程度の深さから硬さを求めることが必要な場合に適用される。
【００３３】
なお、亀裂深さａｘは、以下に示す非破壊的検査法を用いて求めることができる。
【００３４】
第１の亀裂深さａｘの測定方法は、図４に示すように、亀裂部分を跨いで配置した電極１４ａ，１４ｂを介して亀裂から一定の距離に離れた部位における電位差を用いて測定する方法である。電極１４ａ，１４ｂ間を一定の電位差Ｖ０（照合電極）にしたとき、計測電極間の電位差Ｖは、関数Ｖ＝Ｖ（ａｘ，Ｖ０）として与えられる。したがって、電位差Ｖを計測すれば、亀裂深さａｘは求めることかできる。
【００３５】
また、第２の亀裂深さａｘの測定方法は、図５に示すように、亀裂部分にビオデンフィルム（プラスチックフィルム）を貼付してもよい。ビデオフィルムは、酢酸メチルにより軟化し、この酢酸メチルの気化とともに硬化して亀裂の形状をレプリカすることができる。また、ビオデンフィルムに代えて紫外線により硬化するプラスチック材を用いてもよい。
【００３６】
また、他の亀裂深さａｘを求める場合、例えば図６に示すように、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂長さ線図、図７に示すように、予めデータベース化した等応力分布線図、あるいは図８に示すように、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂開口量（開口幅）線図を用いてもよい。
【００３７】
また、本実施形態は、上述応力−硬さ線図に限らず、例えば図９および図１０に示すように、バルクハウゼンノイズ法から硬さを求めてもよい。
【００３８】
このバルクハウゼンノイズ法による実施形態は、図９に示すように、被検体１５にパルス発生器１６からのパルスを増幅器１７、センサ１８を介して与え、被検体１５に発生する磁気変化をセンサ１８で検出し、その検出信号を増幅器１９、フィルタ２０を介して周波数解析装置２１で演算し、その演算信号に基づくバルクハウゼンノイズ出力から図１０に示すように、タービンロータ表層部の硬さを求めることができるようになっている。
【００３９】
このバルクハウゼンノイズ法は、強磁性体が磁化される過程で磁壁が不連続に発生、移動する際に生じる磁気ノイズの増減変化が材料の硬さの高低変化に対応する関係にあることに着目したものである。したがって、バルクハウゼンノイズ法は、強磁性体の表層部の硬さを求める場合、有効である。
【００４０】
図１１は、第２ステップ（ＳＴ２）において、各負荷帯の振動応力を求めるに先立ち、その前提となる蒸気タービンの負荷出力と運用モード１，２との関係からタービン動翼を介してタービンロータのフック部に加えられる加振力を算出する蒸気タービン負荷出力−加振力線図である。
【００４１】
蒸気による加振力は、蒸気タービンの負荷出力が一定でも運用モードが異なれば著しく変動する。特に、運転モード１、具体的には３アドミッション方式は、運用モード２、具体的には２アドミッション方式に較べて加振力が高い。また、３アドミッション方式は、蒸気タービンの負荷出力が所定領域の負荷出力になると、高加振力になり、タービンロータに亀裂を発生させる危険域に入る。
【００４２】
このように、運用モード１，２により加振力が変動する中で、変動する加振力を考慮して第２ステップ（ＳＴ２）では、振動応力（応力振幅）σを求める（平均応力でもよい）。
【００４３】
タービンロータの振動応力（応力振幅）σは、図１２に示すように、動翼カバー２２、テノン２３、タービン動翼７、植込み部９、タービンロータ５、フック部１１で構成した実機の蒸気タービンをモデル化し、そのモデルを用いて有限要素法により求める。
【００４４】
このようにして有限要素法によって求めた振動応力σは、図１３に示すように、蒸気タービン負荷に対応させてプロットし、振動応力線図をマスターカーブとして作成する。
【００４５】
一方、第５ステップ（ＳＴ５）で亀裂進展負荷帯を決定するにあたり、応力拡大係数範囲ΔＫと亀裂進展下限界値ΔＫｔｈとが関係するので、先ず、応力拡大係数範囲ΔＫと亀裂進展下限界値ΔＫｔｈは、タービンロータの亀裂進展の開始点となるので、明確に定めておくことが大切であり、図１５を用いて説明する。
【００４６】
図１５は、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈと応力拡大係数範囲ΔＫとの大小関係を示す亀裂深さ−応力拡大係数範囲線図の例示である。また、この図において、予め定められた亀裂深さａを基点に亀裂深さ領域１と亀裂深さ領域２とに区分けされる。
【００４７】
今、亀裂深さ領域１において、蒸気タービンが、例えばモード１、具体的には３アドミッション方式で運転していると、応力拡大係数範囲ΔＫは、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈを超えているので危険域に入っている。このため、危険域を避ける必要上、蒸気タービンは、その運用モードを３アドミッション方式から２アドミッション方式に変更させるか、あるいは図１１で示した高加振力域を避けるために、蒸気量を急激に増加させ、高加振力域に相当する蒸気タービン出力負荷を迅速に通過させる。
【００４８】
また、亀裂深さ領域１において、蒸気タービンが、例えばモード２、具体的には２アドミッション方式で運転していると、応力拡大係数範囲ΔＫは、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈを超えていないので、蒸気タービンの運転はそのまま継続される。
【００４９】
しかし、蒸気タービンは、その運転が亀裂深さ領域２になると、亀裂が進展する危険域に入る。このため、蒸気タービンは亀裂部分を補修するか、新規なタービンロータに交換するかの措置が講じられる。
【００５０】
このように、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈが応力拡大係数範囲ΔＫとの関係では、タービンロータの亀裂進展開始点になるので、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈおよび応力拡大係数範囲ΔＫともに明確に定めておくことが必要とされる。
【００５１】
応力拡大係数範囲ΔＫは、ΔＫ＝Ｋｓ−Ｋｃとしてあらわすことができる。ここで、Ｋｓは最大応力拡大係数であり、Ｋｃは、最小応力拡大係数である。この応力拡大係数範囲ΔＫは、第２ステップ（ＳＴ２）で作成した振動応力線図における加振力負荷時および加振力除荷時の振動応力および亀裂深さａｘに基づいて影響関数法で算出される。
【００５２】
また、亀裂進展下限界値ΔＫｔｈは、亀裂深さａｘおよび応力比Ｒの設定如何によって第６ステップ（ＳＴ６）で求める亀裂進展特性評価が不正確になるので、予めテスト材等を用いて第４ステップ（ＳＴ４）において定める。
【００５３】
第４ステップ（ＳＴ４）で定める亀裂進展下限界値△Ｋｔｈは、図１４で示す亀裂進展下限界値を定める線図のうち、図１４（ａ）の応力比依存性の下限界値線図から求めた亀裂進展下限界値Ｋｔｈ１、図１４（ｂ）の亀裂長さ依存性の下限界値線図から求めた亀裂進展下限界値Ｋｔｈ２、および図１４（ｃ）の硬さ依存性の下限界値線図から求めた亀裂進展下限界値Ｋｔｈ３を算出し、算出した各値を乗算し、△Ｋｔｈ＝Ｋｔｈ１×Ｋｔｈ２×Ｋｔｈ３として算出する。
【００５４】
このようにして亀裂進展下限界値△Ｋｔｈを算出すると、第５ステップ（ＳＴ５）では、図１３に示すように、亀裂進展下限界値△Ｋｔｈに相当する亀裂進展最小応力値σｍｉｎを振動応力線にプロットし、振動応力線との交点Ｘを亀裂進展最小負荷Ｌｍｉｎとし、交点Ｙを亀裂進展最大負荷Ｌｍａｘとする。この亀裂進展最小負荷Ｌｍｉｎから亀裂進展最大負荷Ｌｍａｘまでの範囲を亀裂進展領域ＣＲとして定められる。なお、この亀裂進展領域ＣＲの前後領域は、亀裂の進展が停止している範囲である。
【００５５】
第５ステップ（ＳＴ５）で亀裂進展負荷帯（Ｌｍｉｎ〜Ｌｍａｘ）が定められると、蒸気タービンは、図１３に示すように、上述影響関数法で求めた応力拡大係数範囲△Ｋと第４ステップ（ＳＴ４）で求めた亀裂進展下限界値△Ｋｔｈとを突き合わせ、△Ｋｔｈ＞△Ｋの場合、実負荷Ｌ（ｘ）がまだ亀裂進展領域ＣＲに入っていないと認定し、実負荷Ｌ（ｘ）に増加負荷分△Ｌを加えて運転を継続する。
【００５６】
また、蒸気タービンは、応力拡大係数範囲△Ｋと亀裂進展下限界値△Ｋｔｈとを突き合わせ、△Ｋｔｈ＜△Ｋの場合、実負荷Ｌ（ｘ）が亀裂進展領域ＣＲに入っていると認定し、第６ステップ（ＳＴ６）で亀裂進展特性評価、具体的には亀裂進展速度ｄｌ／ｄＮ，許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命Ｎｆを求め、さらにステップ７で許容亀裂長さまでの寿命消費率φＬをそれぞれ求める。
【００５７】
まず、亀裂進展速度ｄｌ／ｄＮは、応力拡大係数範囲△Ｋ、亀裂長さｌ、応力比Ｒ（Ｋｃ／Ｋｓ）、亀裂進展下限界値△Ｋｔｈの依存性を考慮して次式で求められる。
【００５８】
【数２】
0003764616.tif 000003
【００５９】
次に、許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命Ｎｆは、実亀裂長さｌ０から予め定められた許容亀裂長さｌ１までを次式で求められる。
【００６０】
【数３】
0003764616.tif 000004
【００６１】
なお、予め定められた許容亀裂長さｌ１は、例えば運転上、支障のない範囲で運転できる最大限の亀裂長さ等の経験則から定められる。
【００６２】
第７ステップ（ＳＴ７）では、上述の許容亀裂長さまでの亀裂進展寿命Ｎｆにおける単位時間ｎ０あたりの寿命消費率φＬを次式で算出する。
【００６３】
【数４】
φＬ＝ｎ０／Ｎｆ      ……（４）
次に、寿命消費率φＬと亀裂進展負荷帯（Ｌｍｉｎ〜Ｌｍａｘ）における運転時間ｔＬとから総合亀裂進展寿命Ｔを次式で算出する。
【００６４】
【数５】
0003764616.tif 000005
【００６５】
式（５）で、総合亀裂進展寿命Ｔが算出されると、第８ステップ（ＳＴ８）では、許容亀裂長さに至るまでの亀裂進展時間評価が行われる。亀裂進展時間評価の際、残っている運転時間が次回の定期検査まで維持できる場合、第９ステップ（ＳＴ９）では引き続き運転を継続させる。
【００６６】
また、残っている運転時間が次回の定期検査まで維持できない場合、第９ステップ（ＳＴ９）では、タービンロータの補修、交換または亀裂進展負荷帯（Ｌｍｉｎ〜Ｌｍａｘ）を避ける運転（例えば、蒸気量を急激に増して高加振力に相当する蒸気タービン出力負荷を迅速に通過させる）のうち、いずれかが応急対策として選択される。
【００６７】
タービンロータの材料劣化層や亀裂発生部の除去などの補修を選択する場合、蒸気タービンは、図１６に示すように、斜線で示す補修幅領域を一方のタービン動翼のフック部Ａと隣のタービン動翼のフック部Ｂとに跨がって削除する。補修幅領域を一方のタービン動翼のフック部Ａとなりのタービン動翼のフック部Ｂとに跨がって削除するのは、タービン動翼の接触端間距離が削除前に較べて大きくなって接触端間の近接効果が小さくなり、疲労強度が向上することと相まってタービン動翼間の隙間分だけ両圧増加が抑えられるからである。
【００６８】
また、タービンロータの補修後、タービン動翼を植設する際、タービン動翼は亀裂発生部が再び接触部分にならないように、円周上の位置をずらすか、あるいは植設位置を元の位置にし、タービンロータの削除した部分をフック接触部分にしてもよい。ともに、フレッティング疲労強度を向上させることができる。
【００６９】
このように、本実施形態に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、第１ステップ（ＳＴ１）から求めた負荷、運転時間を基に有限要素法で振動応力を算出するとともに、算出した振動応力等から影響関数法を用いて算出した応力拡大係数範囲△Ｋと亀裂硬さ等から算出した亀裂進展下限界値△Ｋｔｈとにより亀裂進展負荷帯を設定する一方、蒸気タービンが亀裂進展負荷帯内で運転する時、亀裂進展特性評価として亀裂進展速度、亀裂進展寿命等を求めた後、亀裂寿命消費率および総合亀裂進展寿命を算出し、その算出した総合亀裂進展寿命から許容亀裂長さに至までの残りの運転時間を求め、残りの運転時間が次回の定期検査まで維持できない場合、タービンロータに適切な措置を講じるので、タービンロータに安全かつ安定運転を行わせることができる。
【００７０】
図１７は、タービンロータ材を変更した場合、応力拡大係数範囲△Ｋから亀裂進展速度ｄｌ／ｄＮを求めるにあたり、本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に適用する亀裂進展速度線図である。
【００７１】
最近の蒸気タービンは、タービン駆動蒸気を超高圧・超高温化する研究が進められており、従来からタービンロータ材として用いられているＣｒＭｏＶ材を、１２Ｃｒ材に変更する検討が行われている。
【００７２】
本実施形態は、タービンロータ材が１２Ｃｒ材に変更されてもその１２Ｃｒ材の応力拡大係数範囲△Ｋに対する亀裂進展速度ｄｌ／ｄＮを容易に算出することができるようにしたものである。
【００７３】
したがって、本実施形態は、タービンロータ材が１２Ｃｒ材に変更になっても亀裂進展速度ｄｌ／ｄＮを容易に算出できるようにしたので、タービンロータの亀裂進展を容易に予測することができる。
【００７４】
また、ＣｒＭｏＶ材から１２Ｃｒ材に変更したタービンロータの亀裂進展を予測するにあたり、本実施形態では、図１８に示すように、予めマスターカーブとして作成した応力−硬さ線図を用い、使用温度および運転時間に対するタービンロータの表層部の硬さを求め、求めた硬さが予め定めた許容硬さ限界値よりも下廻った場合、タービンロータの軟化層除去等の補修開始条件として活用してもよい。タービンロータの補修の有無を検討する場合に有効である。
【００７５】
図１９は、タービン動翼への加振力を算出するにあたり、本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に適用するタービン動翼加振力線図である。
【００７６】
従来、タービン駆動蒸気には、酸化スケール等の異物微粒子が含まれることが多い。このためタービン動翼の上流側に位置するタービンノズルは、酸化スケール等の衝突で長年の使用の結果、浸食を受ける。
【００７７】
また、蒸気タービンは、タービン駆動蒸気が膨張仕事をする際、熱を失って水滴（ドレン）を発生させることがあり、この水滴によりタービンノズルを浸食させている。このため、タービン動翼に与えられる加振力は、タービンノズルの浸食度合の大小により変動する。
【００７８】
本実施形態は、タービンノズルの浸食度合の大小に応じてタービン動翼に与えられる加振力を修正し、修正した加振力から亀裂進展負荷帯を求めることができるようにしたものである。
【００７９】
本実施形態では、タービンノズルが浸食している場合、タービン動翼加振力線図を用いてタービンロータに発生した亀裂が進展しているかの有無を判定できるようにしたので、亀裂が進展している場合、迅速に補修対策を行うことができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法は、タービンロータの亀裂発生の有無および亀裂進展量を予測するにあたり、硬さ、加振力、振動応力を基に応力拡大係数範囲および亀裂進展下限界値を算出し、算出した応力拡大係数範囲および亀裂進展下限界値から亀裂進展負荷帯を決定するとともに、亀裂進展負荷帯における亀裂進展量を予測し、予測した亀裂進展量と許容亀裂量との差分からタービンロータの補修等の有無を判定するので、蒸気タービンに安全かつ安定な運転を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法の実施形態の手順を示すブロック図。
【図２】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に用いる応力−硬さを示すグラフ。
【図３】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に用いるタービンロータ表層部硬さ変化曲線を示すグラフ。
【図４】亀裂深さを測定する際に電気的に測定することを説明するために用いた概念図。
【図５】亀裂深さを測定する際、レプリカ方式で測定することを説明するために用いた概念図。
【図６】亀裂深さを測定する際、予めデータベース化した亀裂深さ−亀裂長さ線図から求めることを説明するために用いたグラフ。
【図７】亀裂深さを測定する際、予めデータベース化した等応力分布線図から求めることを説明するために用いたグラフ。
【図８】亀裂深さを測定する際、予めデータベース化した亀裂開口量（開口幅）線図から求めることを説明するために用いたグラフ。
【図９】バルクハウゼンノイズ法で表層部の硬さを求める場合の実施形態を示すブロック図。
【図１０】図９に示す構成で求めたバルクハウゼンノイズ出力から表層部の硬さを求めることを説明するために用いたグラフ。
【図１１】タービンロータに亀裂が発生した場合、その亀裂を除去して応急的に手当をすることを説明するために用いたグラフ。
【図１２】蒸気タービンをモデル化する前の組立状態を示す一部切欠斜視図。
【図１３】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法の各ステップを細かく説明するために用いたグラフ。
【図１４】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に用いる亀裂進展下限界値を求める線図で、（ａ）は応力比依存性の下限界値線図、（ｂ）は亀裂長さ依存性の下限界値線図、（ｃ）は硬さ依存性の下限界値線図。
【図１５】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法に用いる亀裂深さ−応力拡大係数範囲を示す線図。
【図１６】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法において、タービンロータの補修を必要とした場合、その補修状況を説明するために用いた図。
【図１７】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法において、ＣｒＭｏＶ鋼の応力拡大係数範囲ΔＫおよび１２Ｃｒ鋼の応力拡大係数範囲ΔＫのそれぞれから亀裂進展速度を求めることを説明するために用いたグラフ。
【図１８】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法において、ＣｒＭｏＶ鋼の応力・硬さと１２Ｃｒ鋼の応力・硬さとを示すグラフ。
【図１９】本発明に係るタービンロータの亀裂進展予測方法において、タービン動翼の上流側に配置したタービンノズルの、そのタービンノズルが浸食を受けている場合にタービン動翼に加えられた加振力に基づく亀裂進展負荷帯と、タービンノズルが浸食を受けていない場合にタービン動翼に加えられた加振力に基づく亀裂進展負荷帯を示すグラフ。
【図２０】従来の蒸気タービンを示す一部切欠断面図。
【図２１】タービン動翼とタービンノズルとの位置関係を示す概略図。
【図２２】図２１のＡ−Ａ矢視方向から切断した断面図。
【図２３】タービンノズルからタービン動翼に流れる蒸気によりタービン動翼に加振力が加えられることを説明するために用いた図。
【図２４】蒸気加減弁の弁開度順序を説明するために用いた図。
【図２５】タービンロータのフック部に亀裂が発生したことを説明するために用いた図。
【図２６】基台部に隣接して部材を設置した場合、加振力により亀裂が発生したことを説明するために用いた図。
【図２７】材料に加振力が繰り返し与えられた場合、通常の疲労強度とフレッティング疲労強度とを比較する図。
【符号の説明】
１  外部ケーシング
２  内部ケーシング
３  タービンケーシング
４  軸受
５  タービンロータ
６  タービンノズル
７  タービン動翼
８  タービン段落
９  植込み部
１０  植込み溝
１１  フック部
１２  ノズルボックス
１３  蒸気入口
１４ａ，１４ｂ  電極
１５  被検体
１６  パルス発生器
１７  増幅器
１８  センサ
１９  増幅器
２０  フィルタ
２１  周波数解析装置
２２  動翼カバー
２３  テノン
【図１】
0003764616.tif 000006
【図２】
0003764616.tif 000007
【図３】
0003764616.tif 000008
【図４】
0003764616.tif 000009
【図５】
0003764616.tif 000010
【図６】
0003764616.tif 000011
【図７】
0003764616.tif 000012
【図８】
0003764616.tif 000013
【図９】
0003764616.tif 000014
【図１０】
0003764616.tif 000015
【図１１】
0003764616.tif 000016
【図１２】
0003764616.tif 000017
【図１３】
0003764616.tif 000018
【図１４】
0003764616.tif 000019
【図１５】
0003764616.tif 000020
【図１６】
0003764616.tif 000021
【図１７】
0003764616.tif 000022
【図１８】
0003764616.tif 000023
【図１９】
0003764616.tif 000024
【図２０】
0003764616.tif 000025
【図２１】
0003764616.tif 000026
【図２２】
0003764616.tif 000027
【図２３】
0003764616.tif 000028
【図２４】
0003764616.tif 000029
【図２５】
0003764616.tif 000030
【図２６】
0003764616.tif 000031
【図２７】
0003764616.tif 000032