JPH08160035A

JPH08160035A - ガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装置

Info

Publication number: JPH08160035A
Application number: JP29927094A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Sakurai; 茂雄桜井; Nobuhiro Isobe; 展宏磯部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスタービン高温部品の寿命を精度良く推定す
る。【構成】定期点検でえられるデータである損傷分布に基
づくことにより熱応力解析の負荷条件を決定し、適正な
余寿命評価を行い、その結果により長寿命化処理である
遮熱コーティングを実施してガスタービンの高温部品の
寿命管理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンを用いた発
電設備の予防保全技術に係わり、特に高温で長期間稼働
するガスタービン動静翼や燃焼器などの高温部品の寿命
管理方法及びその装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】高温機器の主要部材は、長期間の使用に
伴い材料脆化や疲労損傷およびクリープ損傷が進行す
る。これらの経年劣化の診断および材料損傷の予測は高
温部材の強度信頼性の検討をするうえで、また高温部品
の余寿命を評価するうえでも最も重要な課題である。こ
れに対する劣化診断技術の一例としては、蒸気タービン
に関しては従来多くの提案がなされており、例えば低合
金耐熱鋼では粒界腐食法に基づくレプリカ法あるいは電
気分極法から材料の脆化の指標である破面遷移温度（Ｆ
ＡＴＴ）を推定し、これから経年劣化した部材の最大許
容欠陥寸法を評価するものが提案されている（タービン
部材の劣化診断方法特開平1−110259 号,低合金鋼の
劣化判定法特開昭62−222155号）。

【０００３】ガスタービンに関しては高温部品の表層部
の劣化を物理定数の変化から検出して、寿命予測をする
方法が提案されている（ガスタービン特開平5−26054
号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方法では、
低合金鋼に対しては非破壊的に劣化度は評価できるがガ
スタビーンに使用される超合金の高温部品に対しては劣
化度は評価できない。また材料の物理定数からガスター
ビン部材の寿命予測するだけでは、ガスタービンの保全
管理や長寿命化を提案すること困難で、従って定期点検
時、補修あるいはリプレース時期の適正化を行うことが
難しい。ところでガスタービンは、起動が容易で建設期
間が短く、また高温排ガスを利用して蒸気タービンと組
み合わせた複合（コンバインド）プラントが高い熱効率
であることから、近年の環境エネルギー問題を背景とし
て設備建設が積極的に進んでいる。この発電設備の主要
機器であるガスタービンには高効率化が要求され、ター
ビン入口ガス温度は年々急速に上昇してきている。これ
に伴い主要高温機器である燃焼器，タービン翼の負荷条
件は従来になく苛酷になっている。しかしながらこれら
高温部品には安定した設備稼働のためには高い信頼性が
要請されている。ところで、ガスタービンの構成材料で
あるＮｉ基やＣｏ基の超合金は高温高強度であるが、高
温長時間負荷や起動停止の繰り返しによって材質劣化や
損傷の累積が生じる恐れがある。したがって、高い信頼
性でガスタービンを運転するためには、これらの高温部
材の劣化損傷を定期点検時に的確に把握し、これらの結
果に基づき点検時期や補修および部品交換などの保全管
理をする必要がある。ガスタービン高温部品の劣化損傷
のなかで高温腐食と疲労が極めて重要である。ガスター
ビンの多くはその起動特性が優れているため電力需要に
応じて頻繁な起動停止を行う。このためタービン動翼や
静翼は厳しい熱疲労損傷を受けることになる。ところで
一般に動翼はコーティングを施されており、このコーテ
ィング翼におけるき裂発生機構は次のように考えられて
いる。先ずコーティング層の劣化、すなわち層組織が２
相(βとγ′)に変化し脆くなりスポーリングが生じる。
その次にコーティングにき裂が発生し、酸化あるいは硫
化腐食が相互拡散層、そして母材に及び、き裂はその腐
食を受けた部分を成長する。き裂成長は環境に著しく影
響されることが組織観察により確認されている。ところ
がガスタービンに一般に用いられるコーティングを施さ
れた動翼に関しては現在この劣化損傷にたいする有効な
診断方法はない。従来の電気化学法ではプラント現場で
の電気的ノイズの影響または環境温度および腐食時間の
設定が困難で劣化度の評価に大きな誤差を与える可能性
という問題がある。さらに、プラントの稼働条件が変化
し、それに伴いプラントの起動停止頻度が増加し、従来
の運転データに基づくトレンドカーブでの余寿命予測も
困難になっている。これらの状況に際して、ガスタービ
ン発電プラント機器の稼働条件における劣化の高精度な
診断を行う手法および保全管理を行う方法とその装置の
開発が強く望まれている。本発明の目的は、発電プラン
ト用のガスタービンで問題となっている高温部品でコー
ティング界面の偏析や、高温で繰り返し負荷を受けるこ
とにより表面微小き裂が発生する高温部品、例えば静翼
において、より合理的な保全管理を行うためのガスター
ビンの寿命管理法とその装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、定期点検でえ
られるデータである損傷分布であるき裂に着目して熱応
力解析の負荷条件である熱伝達係数を決定し、適正な余
寿命評価を行い、その結果により長寿命化処理である熱
応力低減のための遮熱コーティングや部品交換を実施し
てガスタービンの高温部品の寿命管理を行うことを特徴
とする。

【０００６】

【作用】ガスタービンの高温部品、例えば静翼の場合は
使用中に熱疲労を主因として表面に微小なき裂が分布し
て発生成長することが多い。これらは各定期点検時に検
出され記録されることにより損傷の発達が傾向的に把握
できる。これらの記録を高温部品の部位により観察記録
の領域を決め、その領域での損傷状態を最大き裂長さに
よって代表させことにより高温部品の劣化状態を定量的
に評価する。また一方、設計条件と運転履歴データを用
いて有限要素法などによる熱応力解析に基づく部品の余
寿命評価において、前記のき裂長さに基づく損傷分布に
対応する応力分布になるように熱伝達係数などの境界条
件を繰り返し損傷分布に一致するように熱応力解析を実
施し応力分布を決定することで評価の高精度化が図られ
る。また十分な余寿命がない場合には部品の長寿命化処
理として熱疲労による損傷が使用温度を低下することで
効果的に寿命が伸びることが知られているので、損傷の
大きい領域表面には部材温度を低下させる遮熱コーティ
ングを施す。これにより部分的な補修により部品の長寿
命化が可能となる。

【０００７】

【実施例】

（実施例１）本発明の１実施例を以下、図面を用いて説
明する。ガスタービン高温部品の寿命管理を実施する際
の手順について図１に示す。ガスタービン高温部品、例
えば図２に示す様な静翼は形状寸法などの設計条件と起
動停止回数や運転温度などの運転履歴を基本的な境界条
件として有限要素法などにより温度解析と熱応力解析を
行う。この解析結果の静翼の応力分布に基づき対応する
材料強度データを基準として損傷分布に変換して評価す
る。この場合、該当静翼の定期点検データとしての損傷
分布データ、たとえば図２に示す様な表面き裂の観察デ
ータを用いて、応力分布と比較してこの観察データと一
致するように、すなわち応力が高い部分はき裂密度が大
きくなるように熱伝達係数などの境界条件を変えながら
繰り返し解析を実施する。き裂分布観察データと解析結
果が一致した時の結果である応力分布から解析的に余寿
命を評価する。図３にき裂の発生分布状況と応力解析で
得られた等応力分布を示す。ここでガスタービンはその
起動特性のすぐれている特長から発電設備毎あるいは各
機器によってその運転履歴が異なる。このため機器によ
り著しく異なる運転履歴の把握、すなわち、起動停止回
数，運転時間，トリップ回数，排気ガス温度履歴などか
ら前記のように応力解析により求めた応力が繰り返すと
して熱疲労損傷を評価して該当機器の余寿命が計算され
る。一方、損傷分布の解析は図２に示す様な静翼の場合
は、図４のように一つの静翼全体を例えば１６に分割し
た部位を考えて損傷分布を解析する。観察したき裂の数
と各部位の関係を図５に示す。観察した運転時間は約６
０００時間から約２００００時間の間の３回とした。こ
の結果から番号１と２のアウターウォール部と番号１０
のトレイリングエッジ部のプレッシャサイド領域がき裂
の数が多いことが分かり、アウターとインナーウォール
の損傷の差は顕著である。図６には発生した各き裂の長
さの和である総長と部位の関係を示す。この関係は図５
のき裂数の結果とほぼ同じ傾向である。すなわち、番号
１と２のアウターウォール部と番号１０のトレイリング
エッジ部のプレッシャサイド領域にき裂が大きく成長し
ていることが分かる。図５と図６の損傷解析からガスタ
ービン静翼の損傷累積の大きい領域が明らかとなり、静
翼のどの領域を監視すれば効果的に寿命を管理できるか
が分かる。さらに図７には稼働履歴の主要な項目である
起動停止回数とき裂の総長との関係を部位の１０、すな
わち、アウターウォール側のトレイリングエッジ部に着
目して整理した結果を示す。

【０００８】図８には起動停止回数と部位１０領域の最
大き裂長さの関係を示す。これらの結果から起動停止回
数と最大き裂長さは、よく対応してほぼ指数的に増加し
ている。これらの結果から最大き裂長さをａ_maxとし、
起動停止回数をＮとすれば、次式が得られる。

【０００９】Ｎ＝Ｃ.log(ａ_max） …（１）上式により将来の最大き裂長さａ_maxを予測し、静翼の
余寿命を評価できることになる。この場合、図１０に示
すように決められた部位をビデオカメラなどで表面損傷
の画像を拡大入力し、これをコンピュータで画像処理
し、統計処理し最大き裂長さを求め余寿命が評価され
る。さらに画像を記録しておいて次回定検時にも同一領
域の画像を取り込んで前回画像のき裂画像は濃度を濃く
出力し、今回のものを薄く出力し重ね合わせることによ
り容易にき裂長さの成長が認識できる。

【００１０】上述のように解析的およびき裂長さ検出に
よる非破壊的余寿命評価による総合的な高温部品の余寿
命診断ができる。この場合次期定検までに十分な信頼性
維持できる余寿命があると診断されれば運転を続け、そ
うでなければ該当部品の長寿命化処理を施す。長寿命化
処理としては該当部品の交換，補修、それから遮熱コー
ティングがある。部品交換や補修については従来より採
用されてきているものである。ここでは静翼などのき裂
発生の主要メカニズムが熱疲労であることから、部品の
材料に負荷される温度を低下させることにより寿命が延
長されることに基づき遮熱コーティング施工を長寿命化
処理として採用する。この処理を施されればタービンに
戻され再び使用されることになる。

【００１１】ところで、遮熱コーティング施工された翼
についても施工された次の定検では余寿命診断が必要と
なる。この場合には遮熱コーティングされた翼に対する
新しい診断技術が必要となる。これについて以下に詳述
する。

【００１２】遮熱コーティングはその合金コーティング
の上にジルコニア酸化物とイットリア酸化物混合のセラ
ミックスがコーティングされる。ところでコーティング
翼におけるき裂発生機構は次のように考えられている。
先ずコーティング層の劣化、すなわち層組織が２相（β
とγ′）に変化し脆くなり界面での微小剥離が生じる。
その次にコーティングにき裂が発生し、酸化あるいは硫
化腐食が相互拡散層、そして母材に及び、き裂はその腐
食を受けた部分を成長する。したがって劣化過程のう
ち、界面での変化を解析的あるいは非破壊的にそして破
壊評価で診断することが不可欠となる。本発明の実施例
として解析評価の段階ではこの劣化のメカニズムに基づ
いてなされる。すなわち、図１１に示すセラミックスと
母材の中間層コーティングの劣化過程の解析的な説明図
を用いて評価手順を述べる。この図ではコーティング層
と母材における組成元素であるＮｉとＡｌの濃度勾配が
生じることを示している。（ｂ）図に示すように、この
濃度勾配により各元素は高温の稼働状態で拡散移動が起
こる。この結果、図に示すような物質移動と空孔移動が
起こり（ｃ）図のようにコーティング界面では析出物や
ボイドが発生することになる。この過程はＮｉとＡｌに
着目したKirkendall拡散として知られているものであ
る。この式から劣化として問題となるボイドの密度Ｃｖ
に関しては次式によって評価できる。Ｃｖ＝−１／（ＮｓＦ）Ｊｖ／ｘ …（２）ここで、Ｎｓは空孔源密度、Ｆは温度に依存する定数、
Ｊｖは空孔の流束である。上式（２）によって後に述べ
る破壊試験結果との対応から適正な定数Ｃｃを決定し、
解析評価における基準値を設定する。すなわち、Ｃｖ＜Ｃｃ２となる。

【００１３】図１１に示したコーティング翼の劣化メカ
ニズムによれば界面層ではボイドが発達して材料剛性や
物性が変化するため超音波を用いて非破壊的に劣化が診
断できる。

【００１４】図１２には破壊試験に用いられる微小パン
チ（スモールＳＰパンチ）試験法を示す。

【００１５】（ａ）図はスモールパンチ試験に用いる治
具を示す。本手法の特徴は試験片として１０mm角で０.
５mm の微小なものを採用できることである。これは実
コーティング翼から直接切り出して試験片を作成できる
ので高精度に実部材の劣化度を診断が可能である。
（ｂ）図は上述の微小パンチ試験において材料劣化診断
をする際のパラメータであるＳＰエネルギーの定義を示
す。図に示すように（ａ）図に示す試験片治具により得
られる荷重と変位の曲線上でのＳＰエネルギーの大小に
より劣化度が評価できる。本発明では静翼の部分から最
も劣化していると思われる高温部から試験片を切り出し
ＳＰ試験を実施しその比較と、別途標準試験片で得られ
ているＳＰエネルギーと劣化度の関係から実翼の劣化診
断を行う。図（ｂ）に示すようにコーティングは引張り
側に位置することで劣化が進行していれば、感度良く試
験荷重の低下に現われる。この荷重低下位置からＳＰエ
ネルギーを求めることにより正確にコティング層の劣化
を診断できることになる。またこの試験においてＡＥセ
ンサーを試験片に装着して実験すればコーティング部で
のき裂発生を感度良く検出できる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、定期点検でえられるデ
ータである損傷分布に基づくことにより熱応力解析の負
荷条件を決定し、適正な余寿命評価を行い、その結果に
より長寿命化処理である遮熱コーティングを実施してガ
スタービンの高温部品の寿命管理を行うことによりガス
タービンの信頼性を確保して運転を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の評価手順の概要を示すフロ
ー図。

【図２】本発明の実例を示すガスタービン静翼の損傷状
態とこれに対応する応力解析の結果を説明する図。

【図３】ガスタービン静翼に発生する応力の分布図。

【図４】本発明での非破壊方法で採用する損傷状態を解
析する際に用いる対象領域を示す図。

【図５】損傷を解析した結果を示す図。

【図６】損傷を解析した結果を示す図。

【図７】損傷を解析した結果を示す図。

【図８】損傷を解析した結果を示す図。

【図９】本発明による実翼から損傷評価のため部位を決
めて拡大し画像処理する例を説明する図。

【図１０】遮熱コーティング部の劣化状態を示す図。

【図１１】遮熱コーティング部の劣化状態を示す図。

【図１２】スモールパンチ試験による劣化診断を説明す
る図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービン高温部品の寿命管理方法及び
その装置において、ガスタービン高温部品の設計条件と
運転履歴から前記高温部品の温度と応力の解析を実施し
て余寿命評価を行う際に、定期点検時に記録された前記
高温部品の損傷分布状態に対応するように解析での熱的
条件である負荷条件を決定し応力を求め、次回に予定さ
れる定検時の該当高温部品の損傷状態を起動停止回数と
運転時間をもとに前記解析で求めた応力が繰り返される
として計算して高温部品の余寿命を診断し、余寿命が所
定量ない場合にはさらに非破壊的検出法により余寿命を
診断し、次回の定検までの運転期間中に所定量の損傷に
到らなければ、そのまま運転を進め、所定の損傷以上と
なれば定検期間を短くするか、あるいは該当部品の補修
あるいは部品交換の長寿命化処理を施し運転を進め、長
寿命化処理を施した高温部品については次回の定検時に
は代表部品の抜き取りを行い、前記代表部品から試験片
を採集し破壊試験を実施して余寿命診断とし次回定検間
での運転の可否を判断することとし、定検期間や長寿命
化処理としての補修あるいは部品交換を余寿命診断に基
づいて計画的に実施することを特徴とするガスタービン
高温部品の寿命管理方法及びその装置。
【請求項２】前記定期点検時に記録された高温部品の損
傷分布状態は部品の材料表面に生じる微小なき裂の長さ
の分布データに基づき、き裂密度が大きい部位あるいは
き裂長さが大きい部位は大きい応力が作用しているとし
てき裂長さ分布に比例して応力の大きさの分布を一致さ
せるように温度応力解析の負荷条件である熱伝達係数等
の熱的条件を決定し、将来の運転計画に基づき損傷を微
小き裂密度Ｄ（ａ）あるいは最大き裂長さＡmax として
損傷発達を運転計画の稼働時間ｔおよび起動停止回数Ｎ
の関係式Ｄ(ａ)＝ｆ(Ｎ，ｔ)あるいはＡmax＝ｆ(Ｎ，
ｔ）から予測し、解析的に余寿命を評価することを特徴
とするガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装
置。
【請求項３】前記請求項１におけるガスタービン高温部
品の長寿命化は、将来の運転計画に基づき損傷を微小き
裂密度あるいは最大き裂長さとして損傷発達を運転計画
の稼働時間および起動停止回数の関係から予測し、解析
的に余寿命を評価し、所定の余寿命がない場合長寿命化
処理として微小き裂密度あるいは最大き裂長さのデータ
に基づいて損傷の進行が大きい部位に対して遮熱コーテ
ィングを施工し温度分布を一様にし熱応力を緩和するこ
とによりガスタービン高温部品を長寿命化することを特
徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその
装置。
【請求項４】ガスタービン高温部品の寿命管理方法及び
その装置において、高温部品の非破壊的余寿命診断は各
定期点検での損傷データである部材表面の微小き裂密度
あるいは最大き裂長さを運転履歴との関係に基づき、損
傷発達の履歴を統計的に近似しその近似式により、次回
定期点検の損傷を予測し余寿命を診断することを特徴と
するガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装
置。
【請求項５】ガスタービン高温部品の寿命管理方法及び
その装置において、高温部品の非破壊的余寿命診断は各
定期点検での損傷データである部材表面の微小き裂密度
あるいは最大き裂長さを運転履歴との関係および高温部
材中で損傷が大きい代表領域を決定し、該代表領域のみ
での採集データを該高温部品の損傷の監視部として、損
傷検出時には前記代表領域のみを対象にすることにより
損傷発達の履歴を統計的に回帰近似しその近似式によ
り、次回定期点検の損傷を予測し余寿命を診断すること
を特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法及び
その装置。
【請求項６】高温部品の非破壊的余寿命診断は各定期点
検での損傷データである部材表面の最大き裂長さと運転
履歴との関係および高温部材中でき裂寸法が大きい代表
領域に基づき、損傷検出時には前記代表領域を対象にす
ることによりき裂成長の履歴を統計的に近似しその近似
式により、次回定期点検の損傷を予測し余寿命を診断す
る前記ガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装
置において、前記代表領域をビデオカメラ等により入力
記録し前回記録の代表領域での最大き裂長さを比較計算
して、次回定期点検の損傷を予測し余寿命を診断するこ
とを特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法及
びその装置。
【請求項７】高温部品の非破壊的余寿命診断は各定期点
検での損傷データである部材表面の最大き裂長さを運転
履歴との関係および高温部材中でき裂寸法が大きい代表
領域に基づき、損傷検出時には前記代表領域を対象にす
ることにより損傷発達の履歴を統計的に近似しその近似
式により、次回定期点検の損傷を予測し余寿命を診断す
る前記ガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装
置において、代表領域をビデオカメラ等により入力記録
し前回記録の代表領域全域と画像上で最大き裂長さを比
較計算して、前記最大き裂長さと深さとの関係を予め求
めておいて肉厚に対し所定量き裂成長した時点で次回定
期点検の損傷を予測し余寿命を診断することを特徴とす
るガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその装置。
【請求項８】前記請求項２の将来の運転計画に基づき損
傷を最大き裂長さとして損傷発達を運転計画の稼働時間
および起動停止回数の関係から予測し、解析的に余寿命
を評価し、所定の余寿命がない場合に最大き裂長さのデ
ータに基づいて損傷の進行が大きい部位に対して遮熱コ
ーティングを施工するガスタービン高温部品の寿命管理
方法及びその装置において、定検時の遮熱コーティング
部の余寿命診断を超音波利用による剥離面積の検出に基
づいて実施すること特徴とするガスタービン高温部品の
寿命管理方法及びその装置。
【請求項９】ガスタービン高温部品の寿命管理方法及び
その装置における高温部品長寿命化策としての遮熱コー
ティング施工は、高温部品の母材表面にＮｉ，Ｃｏ，Ｃ
ｒ，Ａｌ，Ｙなどを主成分とする合金コーティングを低
圧プラズマ溶射などで施し、さらに前記合金コーティン
グ表面にアルミニウムをコーティングし、その後その表
面を大気に暴露し酸化させ、酸化させたアルミニウムコ
ーティング表面に遮熱コーティングを施工することを特
徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法及びその
装置。
【請求項１０】ガスタービン高温部品の寿命管理方法及
びその装置における高温部品長寿命化策としての遮熱コ
ーティング施工は、高温部品の母材表面にＮｉ，Ｃｏ，
Ｃｒ，Ａｌ，Ｙなどを主成分とする合金のコーティング
を低圧プラズマ溶射などで施し、さらに前記合金コーテ
ィング表面にアルミニウムをコーティングし、その後そ
の表面を大気に暴露し酸化させ、酸化させたアルミニウ
ムコーティング表面を研削し平滑化した後に遮熱コーテ
ィングを施工することを特徴とするガスタービン高温部
品の寿命管理方法及びその装置。