三菱重工技報 Vol.58 No.1 (2021) 新製品・新技術特集

技 術 論 文1

蒸気タービン保全における複雑形状翼溝部の高効率・高精度超音波探傷技術
High-efficiency and High-precision Ultrasonic Techniques for Complex Shaped Blade
Grooves for Steam Turbine Rotor Maintenance上 林 正 和 *1

浦 田 幹 康 *1

Masakazu Kamibayashi

Mikiyasu Urata

増 田 拓 郎 *2

杉 田 亮 輔 *3

Takuro Masuda

Ryosuke Sugita

岡 田 好 司 *4

中 島 充 詞 *5

Koji Okada

Atushi Nakajima

蒸気タービンロータの低圧段においては，長期運転に伴い動翼を植込む翼溝部での応力腐食割れ発生による動翼飛散のリスクが潜在している。当社グループでは，加工形状が複雑となるアキシャルエントリー型の翼溝部に対して，動翼を抜き取らずに翼溝部に生じる微細な応力腐食割れを検出・識別するための超音波探傷技術を開発している。本報では特殊な翼溝加工形状やディスク形状にも対応できる超音波検査技術の概要及び検査事例を紹介する。

|1. はじめに当社グループでは，長年にわたって自家用発電の小型単車室タービンから原子力用大型タービンに加え，石油化学プラントのコンプレッサ駆動機としての可変速蒸気タービンなど，多様なニーズに応えられる幅広い蒸気タービン設備を製作・納入しており，発電用では世界 70 か国 2500台以上，コンプレッサ駆動用では世界 60 か国 1400 台以上に達している。
高温高圧蒸気によって高速回転運動へ変換する蒸気タービンロータでは，蒸気の流れを受け止めて回転するための動翼がロータ軸に植込み構造となっている。ロータ低圧段の翼溝部には長期運転に伴って応力腐食割れ（SCC：Stress Corrosion Cracking）が生じることから，動翼飛散等の事故未然防止には定期的な非破壊検査による保守管理が重要であり，これまでフェーズドアレイ UT（Ultrasonic Testing）技術を活用して動翼を抜き取らない翼溝部の検査技術を開発してきた。しかし，翼溝がロータ軸方向に加工されているアキシャルエントリー型の翼溝では，その溝形状やディスク形状が特殊なものもあり，UT が適用できず動翼抜取りによる検査が必要となり，翼抜取りや復旧などに多大な付帯工事を有するケースもある。
当社の翼溝部 UT 技術はこれまで多数の実機に適用しているが，更なる適用拡大を目的に，湾曲した翼溝や大型タービンでの複雑なディスク形状にも対応できる検査技術を開発した。これにより動翼の抜取り・復旧の付帯工事が不要となり，検査工程の短縮が可能となる。

|2. 蒸気タービン低圧段のディスク及び翼溝形状
動翼を植込む翼溝部を形成するディスク形状は，お客様プラント運転仕様や動翼の仕様に合わせて最適化しているため，図１の例に示すようにストレート型やテーパつきの他，曲率や鍔形状がついているディスクなど様々な形状が存在する。一般的な UT ではディスクの平滑面にセンサを*1 三菱重工業（株）総合研究所サービス技術部サービス技術第一研究室*2 三菱パワー（株）サービス本部長崎サービス部蒸気タービン AS 技術 G
*3 三菱パワーインダストリー（株）サービス事業部蒸気タービンサービス部蒸気タービン技術 G*4 三菱コンプレッサ（株）安全環境・品質保証部検査 T*5 三菱コンプレッサ（株）カスタマーサービスセンター

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2配置して翼溝部の探傷が必要となるが，これら様々なディスク形状では一般的な UT は適用できない。
アキシャルエントリー型の翼溝加工は，図２に示すようにストレートタイプ，スキュードタイプ，カーブドタイプの３種類がありそれぞれの溝形状の応力集中部に生じる SCC を検出するために，超音波ビームを適切な方向に制御する探傷のアプローチが必要となる。
これら様々なディスク断面形状，翼溝加工形状に対応するための超音波探傷技術を開発した
ので，以下にその詳細を述べる。

図１ 蒸気タービンロータのディスク断面形状例

図２ アキシャルエントリー型翼溝の加工形状|3. アキシャルエントリー翼溝向け UT 技術
ストレート又はスキュードに加工されたアキシャルエントリー翼溝の超音波探傷技術(1)は，これまで最も実績の多い検査技術である。図３に示すように，ディスク側面にアレイ探触子を配置してディスク厚さ方向にビームスキャンをしながら SCC を検出する手法であるが，超音波ビーム方向に対して傾斜した SCC を高感度に検出するために，超音波シミュレーションを活用してディスク厚さに応じてビーム集束範囲を最適化したアレイ素子設計を行い，かつ狭隘のディスク間にも入る小型化した高性能センサを開発している。また，ディスク周方向には約 100 枚又はそれ以上の翼溝が加工されており，全翼溝を効率的に検査する必要がある。狭隘ディスク間にセンサを固定してディスク全周のデータを数分～数十分で収録できる手動スキャナや，検査データと 3D-CAD を組み合わせるソフトウェアによって，形状エコーと深さ１mm 以下の SCC を高精度で識別できる専用探傷ソフトも開発し，高効率の検査を実現している。
また翼溝部には，蒸気環境によってデポジットの付着，SCC 起点となり得る腐食ピットの他，運転や蒸気条件に起因した疲労き裂も生じることがある。これまで約 10 年以上にわたって，図４に示すように翼溝サンプルを高温炉で加熱して加速試験により生じさせた SCC や，長期運用によってエコーが検出された実機ロータでの検証データを蓄積しており，実証データに基づいた反射源との反射エコーの相関性評価や，検査データと 3D-CAD の重ね合わせ技術によって，有害な三菱重工技報 Vol.58 No.1 (2021)

3SCC の識別を行う取組みをしている。

図３ アキシャルエントリー型翼溝フェーズドアレイ UT

図４ アキシャルエントリー型翼溝の SCC 検査例|4. カーブドアキシャルエントリー翼溝向け UT 技術
タービンロータの高速回転に伴う動翼の遠心応力を緩和するために，曲率を設けて溝加工するカーブドアキシャルエントリー翼溝がある。この翼溝形状に対して適切に超音波ビームを入射させて SCC を検出するために，従来のセンサ前後方向にアレイ分割してビームスキャニングする方法とは異なり，図５に示すようにセンサ幅方向にアレイ分割して，ディスク周方向に超音波ビームを電子スキャンする探傷技術を開発した。

図５ カーブドアキシャルエントリー型翼溝 UT 技術

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ディスク周方向に電子スキャンをしながら，専用スキャナによってセンサをディスク径方向に機械走査させることで，湾曲した翼溝全域に対してディスク全厚の探傷データを収録して翼溝全域の SCC を効率よく検出する方法である。実機長期運用で発生した SCC や高温炉による加速試験で発生させた SCC によって，その検出性能を確認している。また，本技術では検査対象のディスク厚さに応じて浅層用及び深層用に最適化したセンサを使い分ける，又は組み合わせることでディスク厚さの異なる様々な翼溝の全域を効率よく検査でき，かつ精度よく評価できる。

|5. 複雑形状ディスク向け UT 技術
大型タービンの低圧段では，図１に示したようにディスクにテーパや曲面，鍔がついている形状が多く，一般的な平面の超音波センサは配置できない。そこで，当社が開発したアダプティブ超音波探傷技術(2)を活用して，任意の曲率やテーパを有するディスク面からでも内在欠陥を高精度に可視化する検査技術を開発した。図６に示すように，超音波センサとディスク表面間に，超音波音響ゲルを適用することで，任意の曲面やテーパ形状に密着して効率的に超音波を送受信する。内部きずの画像化には FMC/TFM（Full Matrix Capture/Total Focusing Method）という信号処理を活用し，まずセンサ内全素子の送受信信号データを用いて表面形状を映像化することで表面形状の空間座標を求める。次に表面座標を通過してスネル法則を満たす伝搬経路を計算することで，予め定めた翼溝エリア領域をグリッド分割して，各座標に該当する波形時間の波高値を積分してイメージングする技術であり，GPGPU（General-Purpose Computing on Graphics
Processing Units）による計算処理を実装してリアルタイムでの探傷が可能である。

図６ 大型タービン複雑形状ディスクでのアダプティブ超音波探傷原理

図７には，実機翼溝に生じた SCC や人工欠陥を対象に，従来フェーズドアレイ UT の探傷波形とアダプティブ UT（FMC/TFM）の探傷波形とを比較する。アダプティブ UT では，長期間の腐食に伴って凹凸を有する SCC のき裂破面にて散乱した超音波エコーを，全アレイ素子で受信して合成できるため，溝形状や人工欠陥からの反射エコーの分解能が改善され，形状エコーとの識別性が向上していることが確認できる。
大型低圧タービンでの実機検査状況を，図８に示す。翼溝部近傍に鍔形状のついた狭いディスク間においても，音響ゲルを内蔵した大型超音波センサを所定位置に配置し，周方向の連続三菱重工技報 Vol.58 No.1 (2021)

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検査データを収録するスキャナによって，高効率に全翼溝の UT 検査を行える。また，ディスク周方向に溝加工しているＴルート型翼溝部向けには，図９に示すように動翼植え込みの段差部を基準に超音波センサが周方向に自動走行しながら検査データを自動収録するスキャナも開発しており，検査効率向上に加えてトレーサビリティも向上した検査システムを構築している。
図 10 に，アキシャルエントリー翼溝を対象としたディスク１段当たりの標準的な検査工程を示す。従来の動翼抜取りを伴う検査では全体工程６日間に対して，翼の抜取り・復旧の付帯工事が不要となり，１段/日と大幅な検査工程の短縮が可能となる。本検査技術は，引き続き識別性や検査精度の向上に努める。

図７ 大型タービン複雑形状ディスク UT 検査事例

図８ 大型タービン複雑形状ディスク UT 状況

図９ 蒸気タービン翼溝 UT 用自走ス
キャナ

図 10 タービンロータ翼溝検査工程|6. まとめ
当社グループでは，タービン設備の長期運転に伴いタービンロータ低圧段の翼溝部に生じる応力腐食割れを効率よく検出する技術開発に取り組んでいる。本報では，加工形状が複雑となるアキシャルエントリー型の翼溝部に対して，様々な溝形状やディスク形状に対応できる超音波探三菱重工技報 Vol.58 No.1 (2021)

6傷技術を紹介した。
本検査技術は，現在中小型機をはじめ数多くの蒸気タービンでの保全検査として実績を重ねており，また蒸気タービン以外の高速回転機械などの複雑形状部に対する検査拡大も期待できる。今後も，検査・評価システムの高度化を図り，回転機械の長期運転での保全運用に貢献していく。

参考文献(1) 浦田ほか，蒸気タービンアキシャルエントリー型翼植え込み溝部の超音波探傷技術，火力原子力発電，Vol.68 No.3 (2017) p.37-40(2) 林ほか，複雑な形状から製品内部をイメージングするアダプティブ超音波探傷技術，三菱重工技報，Vol.56 No.1 (2007) p.1-5