JPH09195795A - ガスタービン静翼の余寿命評価方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービン静翼の余寿命評価について、その
損傷（き裂）の限界値は経験的に定められることが多
く、場合によっては過度に安全側の評価となっているこ
ともあり、材質の劣化評価を行い限界き裂長さを評価す
ることが必要である。また、点検期間を短くし、プラン
トの稼働率を高くするために、点検作業の合理化を図
る。 【解決手段】静翼の表面から微小試験片を採取し、その
破壊試験を行うことで劣化評価を行い、得られた破壊靭
性値から限界き裂長さを求める。また最大長さのき裂に
着目した破壊力学的なき裂進展解析を行い、それらを合
わせて余寿命評価を行う。また、点検時には最大長さの
き裂だけを計測することにより点検作業の合理化を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンにおい
て、疲労やクリープによる損傷を受け、点検・補修等の
処置が必要となる静翼の余寿命評価方法とその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの静翼はプラントの起動・
停止に伴う熱ひずみの繰り返しにより、使用中に部材表
面にき裂が発生する。また高温下で長時間使用されるた
め材質の劣化が生じる。そのため、事故や故障によりプ
ラントを長時間停止させることのないよう、運転の安全
性や機器の信頼性を保つために、適当な時期にプラント
を停止して、部材の点検を行っている。静翼について
は、表面に発生するき裂長さや減肉量等の損傷について
調査が行われている。そして、各損傷ごとに基準値を設
け、その値を越えていれば交換・補修といった処置がと
られるようになっている。しかし、機器の安定した運用
や信頼性を確保するためには、将来の損傷や劣化の進展
を把握する必要があり、き裂や変形といった損傷の進展
を予測する手法がいくつか提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、損傷
の進展を予測する手法はいくつか提案されているが、そ
の損傷の限界値は、経験的に定められることが多く、場
合によっては過度に安全側の評価となっていることもあ
る。また、点検は定期的にプラントを停止して、数週間
かけて行われるため、プラントの稼働率を高くするため
に、点検作業を合理化し、点検期間を短縮するといった
要求もある。

【０００４】本発明の目的は、ガスタービン静翼につい
て、点検時に観察されたき裂の進展解析と同時に、材質
の劣化評価を行い、許容できる最大のき裂長さを求め、
合理的な余寿命評価を行うことのできる手法とその装置
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述したように、許容で
きるき裂長さは材質の劣化に伴い減少するため、劣化評
価を行う必要がある。

【０００６】本発明は以下のことを特徴とする。

【０００７】（１）ガスタービン静翼の寿命評価方法に
おいて、構造解析より推定される応力を基に、部材に発
生するき裂の成長を予測し、また、使用中の部材から採
取した微小試験片を用いて破壊試験を行い、破壊エネル
ギの低下量から限界となるき裂長さを求め、それらの結
果と点検時に観察されたき裂の長さから部品の余寿命を
求める。

【０００８】（２）又は、（１）において、部品をいく
つかの部位に分け、その各部位における最大のき裂長さ
を計測し、そのき裂長さに基づいて余寿命を評価するこ
とを特徴とする。

【０００９】（３）又は、（１）において、点検時に観
察されたき裂長さと、それまでの運転履歴より、そのき
裂が存在する位置に発生する応力を推定し、その応力値
を基にき裂進展解析を行い、余寿命を求めることを特徴
とする。

【００１０】（４）又は、（１）において、破壊試験か
ら得られる破壊エネルギと炭化物の析出量などの組織変
化量との関係を求め、破壊試験を行わない部品について
は、最大長さのき裂近傍の組織変化を観察し、上記関係
から破壊エネルギを推定し、限界き裂長さを求めること
を特徴とする。

【００１１】（５）又は、（１）において、破壊試験で
得られる破壊エネルギの低下量と温度および時間との関
係を予め求めておき、点検時に行われる破壊試験の結果
と上記関係から、使用中の部材の温度を推定することを
特徴とする。

【００１２】（６）又は、ガスタービン静翼の余寿命評
価装置において、部材に発生する最大き裂の長さと、破
壊試験の結果を入力することで、き裂の進展解析と限界
き裂長さの低下量の推定を行い、その結果を表示し、ま
た入力されたデータをデータベースの中に記録し、次回
以降の点検時にデータとして使用することを特徴とす
る。

【００１３】本発明では静翼の表面から微小試験片を採
取し、その破壊試験を行うことで劣化評価を行い、限界
き裂長さを求める。また、静翼の損傷を考えると、き裂
が部材を貫通し、開口するまで進展すると、そこを通し
て冷却空気の漏洩が生じ、機能の喪失につながる。一つ
でもき裂が貫通すると、そのようなことが生じると考え
られるので、問題となるのは最も深くまで進展している
き裂ということになり、そのようなき裂は表面長も最大
であると考えられる。そこで、点検時には最大長さのき
裂およびそれと合体するようなき裂だけを検出すればよ
く、そうすることで点検作業を合理化することが可能と
なる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の基本的なブロック図であ
る。構造解析１で計算により求まる応力を基に破壊力学
パラメータ演算器２で応力拡大係数やＪ積分といったき
裂進展解析に用いられるパラメータが計算され、それと
材料データ４からき裂進展解析演算器３によりき裂進展
曲線が求められる。一方、点検データ５から評価の対象
となる最大き裂長さが得られ、それとき裂進展解析結果
から深さ方向への進展量が求められる。さらに、静翼か
ら採取される微小試験片より得られる破壊試験データ７
を基に限界き裂長さ評価装置により限界き裂長さが求ま
る。それらを合わせて余寿命評価装置９で余寿命が求め
られる。

【００１５】図２は余寿命評価の特性図である。損傷の
成長評価と長時間使用に伴う材質の劣化評価の両者を行
うことで余寿命評価が達成され、余寿命が求まる。図１
における構造解析１からき裂進展解析演算器３までの流
れで損傷進展曲線１０が求まり、破壊試験データ７と限
界き裂長さ評価装置８により限界損傷寸法の低下を表す
曲線１１が得られ、それらを合わせて評価することで部
品の余寿命が求まることになる。以下にそれらの各作業
についての詳しい説明を行う。

【００１６】図３は図２における損傷成長曲線を求める
手順についてのものである。まず、有限要素法などによ
る構造解析１により問題となる部位の応力値が求められ
る。ここで問題となるのは、部材深さ方向へのき裂進展
であるので、部材内部の応力分布１２が求められる。こ
のような応力分布を多項式近似することで、次式により
破壊力学パラメータである応力拡大係数Ｋが求まる。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、Ｆ₀，Ｆ₁，Ｆ₂，…はき裂の形状
係数、Ａ₀，Ａ₁，Ａ₂，…は応力分布を多項式近似した
ときの各項の係数、ａはき裂長さ、ｔは板厚、σ₀ は部
材外表面での応力値である。このＫ値によりき裂進展評
価を行うことになるが、場合によっては、数１で求めら
れた応力拡大係数を例えば次式によりＪ積分値Ｊに変換
し、そのＪ値によりき裂進展評価を行う場合もある。

【００１９】

【数２】

【００２０】Ｊ積分の計算式については他にもいくつか
提案されており、数２による評価が困難なときは他の式
を用いてもよい以上のような計算によりＫ値やＪ値とい
った破壊力学パラメータとき裂深さの関係１３が得られ
る。き裂進展解析には、このＫ値あるいはＪ値とき裂進
展速度ｄａ／ｄＮとの関係

【００２１】

【数３】

【００２２】を実験により求めておく必要がある。数３
中のＣ，ｍはそれぞれ実験により求められる定数であ
る。また式中のΔは、負荷１サイクル中のＫ値（Ｊ値）
の変動幅であることを示している。この数３に数１また
は数２で求められたＫ値やＪ値を代入し積分することで
き裂進展曲線１５が求められる。

【００２３】実際の静翼の損傷は、その取付位置により
燃焼ガス温度などの使用条件がばらつくため、翼により
異なってくる。構造解析の際に、それらを考慮して静翼
に発生する応力値を求めることは非常に困難である。そ
こで、き裂進展曲線の横軸を、例えばき裂が部材を貫通
する繰り返し数といった適当な寿命で基準化しておけ
ば、解析的に求まるき裂進展曲線は応力によらず１本の
曲線となるので、点検時に観察されたき裂長さから、そ
の寿命比が求められることになる。また、図４のように
いくつかの応力値に対してき裂進展曲線を求めておき、
点検時のき裂長さとそれまでの起動・停止回数から部材
に発生する応力を推定することで、各静翼ごとの負荷条
件のばらつきに対応することができる。

【００２４】点検時に得られるデータはき裂の表面長で
あり、実際のき裂深さを直接求めることは困難である。
静翼に生じる負荷はいわゆる熱衝撃的な負荷であり、内
表面に比べて外表面における応力変動が大きくなる。そ
のためき裂の形状も、表面長に比べて深さ方向の進展量
が小さい偏平なものとなる。そこで、上述したき裂進展
解析や廃棄された翼を切断するなどして、き裂表面長と
深さの関係を図５のようなかたちで求めておき、その関
係を用いることで、点検時に観察されたき裂表面長から
その深さ方向の進展量が求められる。

【００２５】実機静翼には多数のき裂が発生するが、一
つでも貫通し、開口したき裂があれば効率や信頼性の低
下に結びつくため、最も深くまで進展しているき裂が問
題となる。このようなき裂は表面長も最大であると考え
られる。現在のところ、点検時には発生した全てのき裂
を計測し記録しているが、損傷評価の際に必要となるの
は最大長さのき裂である。そこで、微小なき裂は計測せ
ず、最大長さあるいはそれに近い長さのき裂のみを計測
することで、点検時の作業量を低減させることができ
る。なお、静翼内の部位が異なれば応力分布等もいくら
か異なってくるので、図６に示すように、静翼をいくつ
かの部位に分け各部位の中での最大のき裂長さに着目し
た進展評価が必要となる。

【００２６】図７は限界き裂長さの評価のために行う破
壊試験の説明図である。試験片２２は標準的には１０mm
角，厚さ０.５mm のものが使用される。静翼は外表面が
高温ガスに曝され、内表面が冷却されるため、材質の劣
化は外表面近くに集中していると考えられる。そこで静
翼に対しては、このような板厚の小さい試験片を用いた
評価が有効になる。パンチャ１９に荷重を加えて試験片
を破壊することで、図８のような荷重−変位曲線が得ら
れる。使用時間に伴って、材料劣化が進行することによ
り、荷重−変位曲線の最大荷重および破壊時の変位が小
さくなる。図中斜線で示した、最大荷重までの荷重−変
位曲線下の面積から破壊エネルギが求まる。図９のよう
に、破壊エネルギと破壊靭性値との関係を予め求めてお
けば、この破壊試験により破壊靭性値の低下量が求めら
れ、限界き裂長さが決定されることになる。図１の限界
き裂長さ評価装置では、図９に示す関係と構造解析等に
より求められる応力および温度から限界き裂長さが決定
される。

【００２７】この破壊試験は、実機静翼から試験片を採
取して行うため、全ての静翼について行うことはでき
ず、数枚の静翼を抜き出してのサンプリング試験とな
り、破壊試験を行わない静翼についても、別の方法で破
壊エネルギを推定する必要がある。材質劣化が生じた静
翼表面近くの模式図を図１０に示す。表面に酸化層２３
が形成されるだけでなく、炭化物２４が結晶粒界２５に
析出することが確認されている。この炭化物の析出が材
質劣化の大きな要因になっていると考えられている。そ
こで、この炭化物の析出量と破壊エネルギの関係を破壊
試験の際に求めておき、破壊試験を行わない翼について
は、最大長さのき裂周辺の組織観察をレプリカ法などに
より行い、その結果、得られた炭化物析出量から破壊エ
ネルギを推定する。なお、広範囲にわたって組織観察を
行うのはかなりの時間と労力を要するが、実際にはき裂
の進展に対する劣化の影響が問題となるので、進展評価
の対象としている最大長さのき裂周辺についてのみ組織
観察を行えばよい。また、長時間使用後の破壊エネルギ
の低下量の推定を行う必要がある、そこで図１２のよう
に、いくつかの温度条件で時効時間と破壊エネルギの関
係を求めておき、破壊試験の結果とそれまでの運転時間
から部材の温度を推定し、その温度を基に長時間使用後
の破壊エネルギ低下量が求められる。

【００２８】図１３は、以上のような、き裂進展評価と
材質劣化評価の両者により静翼の余寿命評価を行った結
果を示す図である。構造解析あるいは点検時に観察され
たき裂長さより応力値を求め、破壊力学パラメータを計
算し、き裂進展解析を行うことでき裂進展曲線が得られ
る。また、破壊試験により得られた破壊エネルギから限
界き裂長さの低下量が求められる。それらの曲線の交点
が寿命となり、それと現在の損傷量から余寿命が求ま
る。図１の余寿命評価装置９では図１３に示す作業を行
うことになる。なお、この限界き裂長さは、その時点で
の破壊靭性値から求められるが、その破壊靭性値は温度
と応力およびき裂長さの関数になる。すなわち、構造解
析あるいは点検時に観察されたき裂長さおよび破壊試験
により推定された応力および温度の値と破壊靭性値から
限界き裂長さが求められるが、上述したようにき裂の深
さ方向の進展量は表面長に比べてかなり小さくなるた
め、限界き裂長さは深さと表面長の両者を考慮して評価
する必要がある。

【００２９】本実施例では、き裂進展や材料劣化に関す
る材料データが幾つか必要となり、それらのデータは基
本的には実験で求められることになるが、点検時に観察
されるき裂長さやそれに基づいて推定される応力や破壊
試験より得られる破壊エネルギおよび起動・停止回数や
運転時間等もデータの一部として材料データベース４に
記録され、次回以降の点検時に使用される。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、ガスタービン静翼につい
て、点検時に観察されたき裂の進展解析による損傷の成
長評価および破壊試験による限界き裂長さの評価が可能
となり、精度のよい余寿命評価が可能となる。また、最
大き裂長さに着目することにより点検作業が合理化さ
れ、稼働率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明手法のブロック図。

【図２】余寿命評価の特性図。

【図３】き裂進展解析のフローチャート。

【図４】き裂進展曲線の応力による変化を示す特性図。

【図５】静翼におけるき裂表面長と深さの関係を示す特
性図。

【図６】点検時の静翼の部分分割の一例を示す説明図。

【図７】破壊試験の説明図。

【図８】破壊試験で得られる荷重−変位曲線を示す特性
図。

【図９】破壊エネルギと破壊靭性値の関係を示す特性図

【図１０】長時間使用後の静翼の組織の説明図。

【図１１】破壊エネルギと炭化物析出量の関係を示す特
性図。

【図１２】破壊エネルギの低下曲線の温度による変化を
示す特性図。

【図１３】静翼の余寿命評価を行った結果を示す特性
図。

【符号の説明】

１…構造解析、２…破壊力学パラメータ演算器、３…き
裂進展解析演算器、４…材料データベース、５…点検デ
ータ、６…き裂深さ評価装置、７…破壊試験データ、８
…限界き裂長さ評価装置、９…余寿命評価装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービン静翼の寿命評価方法におい
   て、構造解析より推定される応力を基に、部材に発生す
   るき裂の成長を予測し、また、使用中の部材から採取し
   た微小試験片を用いて破壊試験を行い、破壊エネルギの
   低下量から限界となるき裂長さを求め、それらの結果と
   点検時に観察されたき裂の長さから部品の余寿命を求め
   ることを特徴とするガスタービン静翼の余寿命評価方
   法。
2. 【請求項２】請求項１において、部品をいくつかの部位
   に分け、その各部位における最大のき裂長さを計測し、
   そのき裂長さに基づいて余寿命を評価するガスタービン
   静翼の余寿命評価方法。
3. 【請求項３】請求項１において、点検時に観察されたき
   裂長さと、それまでの運転履歴より、そのき裂が存在す
   る位置に発生する応力を推定し、その応力値を基にき裂
   進展解析を行い、余寿命を求めるガスタービン静翼の余
   寿命評価方法。
4. 【請求項４】請求項１において、破壊試験から得られる
   破壊エネルギと炭化物の析出量などの組織変化量との関
   係を求め、破壊試験を行わない部品については、最大長
   さのき裂近傍の組織変化を観察し、上記関係から破壊エ
   ネルギを推定し、限界き裂長さを求めるガスタービン静
   翼の余寿命評価方法。
5. 【請求項５】請求項１において、破壊試験で得られる破
   壊エネルギの低下量と温度および時間との関係を予め求
   めておき、点検時に行われる破壊試験の結果と上記関係
   から、使用中の部材の温度を推定するガスタービン静翼
   の余寿命評価方法。
6. 【請求項６】ガスタービン静翼の余寿命評価装置におい
   て、部材に発生する最大き裂の長さと、破壊試験の結果
   を入力することで、き裂の進展解析と限界き裂長さの低
   下量の推定を行い、その結果を表示し、また入力された
   データをデータベースの中に記録し、次回以降の点検時
   にデータとして使用することを特徴とするガスタービン
   静翼の余寿命評価装置。