評価対象機器のサンプル採取・母材補修装置、およびその方法

【課題】実機のサンプル採取部位を機械的な手段によって切削するために、微小なサンプルを採取することが困難であり、比較的に大きなサンプルならざるをえない。このため、サンプルの採取によって実機の受ける損傷も比較的大きく、採取後の補修も困難である。
【解決手段】評価対象の機器４からサンプル３９を取出すために、機器表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の環状溝を加工し、かつ、サンプル取出し後に形成された母材の掘孔Ｈをレーザービームの照射により溶接補修するレーザー加工装置２と、レーザービームによって溝加工および堀孔の溶接補修を行う際、照射部位の周囲に冷却媒体を噴射する冷却装置と３、加工された環状溝内に挿入される形状に形成され、かつ先端部にサンプルの根元部分を溶解し母材から根切るための放電部を有する支持体３４と、母材から根切りされたサンプル３９を環状溝から取出す取出部３６とを有するサンプル取出装置５とを備えるようにした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、評価対象機器の劣化程度の評価を行うために、評価対象機器からサンプルを採取し、サンプル採取後の母材を補修するサンプル採取・母材補修装置、およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電プラント機器、例えばガスタービン部品は高温下で長期間使用されるため、コーティング層は腐食や酸化により、また基材は時効損傷を受けることにより、材質が劣化する。さらに、ガスタービンは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ので、ガスタービンのコーティング部品のコーティング層および基材は、起動停止に伴う厳しい熱疲労損傷を受けて、き裂が発生する。
したがって、運転の安全性や機器の信頼性を確保し、事故や故障により発電プラントを長期間停止させないようにするためには、この熱疲労損傷の評価は最も重要である。
【０００３】
従来、ガスタービンのコーティング施工部品の熱疲労損傷を把握する手法として次のような方法が知られている。すなわち、点検時に実機から採取したブロック状のサンプル（以下、単にサンプルという）を試験・分析し、その結果と予め求めた材料強度のデータベースと構造解析による応力および温度を基にして限界き裂長さや限界損傷値を推定し、さらに予め求めた材料強度のデータベースと構造解析による応力および温度を基にしてき裂進展長さや損傷の大きさを予測し、前記限界き裂長さと前記き裂進展長さを比較して余寿命を求め、補修，交換および定検の時期の変更などを示唆する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、実機からサンプルを採取する装置として、サンプル採取部位の周辺を切削する座ぐり用刃物と、座ぐり後にサンプルの基部を根切りする根切り用刃物を備えて円柱状のブロックサンプルを採取するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−１９５７９５号公報
【特許文献２】特公平５−４１３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献２に記載の技術では、実機のサンプル採取部位を機械的な手段によって切削するために、微小なサンプルを採取することが困難であり、比較的に大きなサンプルにならざるをえない。このため、サンプルの採取によって実機の受ける損傷も比較的大きく、採取後の補修も困難である。しかもこの技術では刃物によって座ぐりするため、大型の機械設備が必要であり、また、複雑な形状を持つ部品に対する切削作業は困難であるうえに、採取するサンプルの形状は円柱状のものに限られるという欠点がある。さらに、実機からサンプルを採取する際に発生した熱による母材のサンプル採取部位周辺部への影響を防ぐ方法や、サンプル採取後の堀孔に対する補修については一切考慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、レーザー加工装置を用いて評価対象機器の任意部位から任意形状の微小サンプルを採取し、しかもサンプル採取後の母材の堀孔に対して補修を行うようにしたサンプル採取・母材補修装置、およびその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、請求項１記載のサンプル採取・母材補修装置に係る発明は、評価対象機器の表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の環状溝を加工し、かつ、サンプル取出し後に形成された母材の掘孔をレーザービームの照射により溶接補修するレーザー加工装置と、前記レーザー加工装置から照射されたレーザービームによって前記評価対象機器の溝加工および堀孔の溶接補修を行う際、照射部位の周囲に冷却媒体を噴射する冷却装置と、前記評価対象機器に加工された前記環状溝内に挿入される形状に形成され、かつ先端部に前記サンプルの根元部分を溶解し母材から根切るための放電部を有する支持体および母材から根切りされたサンプルを前記環状溝から取出す取出部を有するサンプル取出装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項７記載のサンプル採取・母材補修方法の発明は、評価対象機器の表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の環状溝を加工する工程と、前記加工された環状溝内の前記サンプルの根元部分を放電により溶解し母材から根切る工程と、前記母材から根切られたサンプルを取出す工程と、サンプル取出し後に母材に形成された堀孔に評価対象機器と同様の成分を有する充填物を充填する工程と、前記充填物と周囲の評価対象機器母材とをレーザービームにより溶接し補修する工程、とから成る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザー加工装置を用いることによって、評価対象機器の任意位置で任意形状の溝加工を行って微小なサンプルを採取することができ、しかも、サンプル採取後の掘孔の溶接補修を行うようにしたので、評価対象機器に与える損傷を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る評価対象機器のサンプル採取・母材補修装置、およびその方法について、図１〜図１０を参照して説明する。
【００１１】
（実施例１）
本発明の実施例１について、図１ないし図５を参照して説明する。
図１は本実施例１におけるサンプル採取・母材補修装置の全体構成図、図２（ａ）、（ｂ）はサンプル採取・母材補修装置を構成するレーザー加工装置の概略構成図、図３はサンプル採取・母材補修装置を構成するサンプル取出装置の概略構成図、図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はサンプル採取工程を示す図、図５はサンプル取出し後母材に形成された掘孔に対する溶接補修工程を示す図である。
【００１２】
まず、図１から順に説明する。図１において、サンプル採取・母材補修装置１は、レーザー加工装置２と、冷却装置３と、評価対象機器４から任意の形状例えば円柱状のサンプルを取出すためのサンプル取出装置５とから構成されている。
【００１３】
このうち、レーザー加工装置２は、評価対象機器４からサンプル３９を取出すために評価対象機器４の表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の所望の深さの環状溝を加工し、かつ、この環状溝からサンプル３９を取出した後、母材に形成された掘孔Ｈに対して補修作業を行う装置であって、レーザー加工ヘッド１０と、このレーザー加工ヘッド１０を駆動するレーザー加工ヘッド駆動装置１１と、前記レーザー加工ヘッド１０に所望の形状および深さの環状溝を加工させるようにレーザー加工ヘッド駆動装置１１に対して指令を出力する制御装置１２とから構成され、レーザー加工ヘッド駆動装置１１および制御装置１２間をケーブル１３によって接続されている。なお、前述したサンプル取出し用の環状溝の型は、円型、楕円型、升型等閉ループであれば任意の型で構わない。
【００１４】
次に、レーザー加工ヘッド１０は、図２（ａ）で示すようにレーザービーム集光用光学レンズ系１４と、レーザー発光器１５と、これらを収容するヘッドカバー１６とから構成されており、レーザー発光器１５は電気ケーブル１７によって前記制御装置１２に接続されている。そして、レーザービーム集光用光学レンズ系１４、レーザー発光器１５および制御装置１２によって、レーザービームを発生させ、その焦点の大きさと強さを調整するように構成されている。本実施例１の場合、レーザービームの出力を１〜１０００ｋＷ、レーザービーム焦点の直径を１０μｍ〜１０ｍｍの範囲で調整することが可能になっている。
【００１５】
次に、レーザー加工ヘッド駆動装置１１は、図２（ｂ）に示すように軸線が交差する２つの回転軸を備え、一方の回転軸（便宜上、縦軸という）１８はＸ軸に対して３６０°の範囲で回転可能に基礎部（例えば前記制御装置１２）に支持され、他方の回転軸（便宜上、横軸という）１９はＹ軸に対して上下方向に１８０°の範囲で回転可能に、かつ横軸方向に伸縮可能に前記回転軸１８の先端に支持されており、レーザー加工ヘッド１０の照射口を３次元に位置制御することができるように構成されている。本実施例では、レーザー加工ヘッド１０を０．１〜１μｍ／歩の微小移動および連続移動を可能としており、精密に任意形状の溝加工ができるようになっている。
【００１６】
一方、冷却装置３は、レーザービームによって溝加工および堀孔の溶接補修を行う際に、対象部位の周囲に冷却媒体としての窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の高圧冷却ガスを噴射することによって、母材が高熱によって組織変動や変形することを防ぐためのものであって、冷却ガスを噴射する噴射ノズル２０、冷却ガスを貯蔵するガスボンベ２１、噴射ノズル２０に冷却ガスを供給する配管２２、この配管２２の途中に設けられ冷却ガスの流量および圧力を調整するバルブ２３によって構成されている。
【００１７】
そして、サンプル取出装置５はレーザー加工装置２による評価対象機器４に溝加工をした後、サンプル３９を評価対象機器４の母材から根切して取出すものであって、後述する環状放電部および温度センサーを支持する支持体としての採取パイプ３０、放電制御装置３１、放電用回線３２および温度センサー用回線３３によって構成されている。
【００１８】
図３はサンプル取出装置５の採取パイプ３０に注目して描いた模式図である。採取パイプ３０は絶縁性や耐熱性に優れたセラミックス材料で形成した採取パイプ胴体３４の内部に、サンプル３９を吸着、粘着あるいは挟持する手段としてのピストンヘッド３６を収納しており、このピストンヘッド３６はピストンロッド３５によって採取パイプ胴体３４の外部から上下方向に操作されるようになっている。
【００１９】
そして、採取パイプ胴体３４の先端部には、その内周面に環状放電部３７および温度センサー３８を埋設するとともに、それらと放電制御装置３１とを接続する放電用回線３２および温度センサー用回線３３を埋設している。なお、温度センサー３８は、環状放電部３７が前記放電制御装置３１で設定した温度でサンプル３９の根元部分を母材から溶解するように溶解時の温度を検出し、前記放電制御装置３１にフィードバックするものである。この設定温度は、評価対象機器の材質によって設定される。
【００２０】
以上で、本実施例のシステム構成および構成部品の説明を終えたので、次に、サンプル採取・母材補修装置によって、機器の任意部位からサンプルを採取する工程とサンプル採取後の堀孔を補修する工程とについて説明する。
【００２１】
まず、サンプルの採取工程から説明する。
図１、図２に示すレーザー加工装置２を用いて評価対象機器４のサンプル採取部位に対して溝加工を行う。レーザー加工装置２は、前述のようにレーザービームの出力を１〜１０００ｋＷ、レーザービーム焦点の直径を１０μｍ〜１０ｍｍの範囲で調整することが可能になっているので、溝加工の寸法は、必要に応じて深さが５０μｍ〜２５ｍｍ、幅が１００μｍ〜１０ｍｍの範囲に調整する。また、レーザー加工ヘッド駆動装置１１は制御装置１２によって回転軸１８、１９を制御することによって、精密に任意形状の溝加工を行う。
【００２２】
このようにして、所望の形状の溝加工を行った後、図４で示すように、その溝の大きさおよび形状に適合した採取パイプ３０を選んで挿入する（ａ）。次に、採取パイプ３０の先端内部に埋設した環状放電部３７と、サンプル３９の根元との間に瞬時的に約10,000Vの高電圧をかけて放電させることによって、1,500〜10,000℃の高熱でサンプル３９の根元部分を溶解させ、母材から根切する（ｂ）。そして、サンプル３９を採取パイプ３０から取出す（ｃ）。その後は、図示しない分析装置により、そのサンプル３９の化学成分を分析し、組織および機械的な性質を調査し、機器の劣化程度や余寿命を評価する。なお、図４においてＨはサンプル３９を取出した後に形成された堀孔である。
【００２３】
次に、堀孔Ｈを補修する工程について説明する。
図５に示すように、サンプル３９を切出した後に形成された掘孔Ｈに対し、機器４の構造強度の低減を防ぐために、切出したサンプル３９と同じ形状および材質の固体または粉末の充填物Ｆを挿入する（ａ）。次に、掘孔Ｈと充填物Ｆとの隙間をレーザー加工装置２によって溶接する（ｂ）。溶接後、充填物Ｆおよび溶接箇所に必要に応じて研磨を行い、機器４の表面を均一な面に仕上げる（ｃ）。
【００２４】
なお、サンプル採取および掘孔の溶接補修を実施する時に、冷却装置３によって対象部位の周囲に窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の高圧冷却ガスを噴射して冷却し、高熱によって母材の組織変動や変形を防ぐようにする。
【００２５】
以上述べたように、本実施例によれば、レーザー加工装置２のレーザービームの焦点や強さを制御することによって、加工する溝の深さや幅を必要に応じて調整することができるので、評価対象となる機器４の任意部位について溝加工を行うことが可能であり、評価する上で必要最小限度の、しかも任意形状のサンプル３９を採取することができる。また、溝加工後に母材に形成された堀孔Ｈに対しては、レーザー加工装置２によって溶接補修を行うようにしたので、対象機器４に与える損傷を最小限に抑えることができる。
【００２６】
また、サンプル取出装置５に設けた環状放電部３７によって、サンプル３９の根元部分を溶解し、母材から根切するようにしたので、対象機器４から過剰な切削を行う必要が無く、簡単にサンプル３９を取出すことができる。
さらに、冷却装置３によって、溝加工やサンプル３９の根切りおよび溶接補修時で生じた高熱による母材の組織変動や変形を回避することができる。
【００２７】
次に、図６ないし図１０に参照して本実施例によるサンプル採取方法が適用される評価対象機器の例について説明する。
図６は蒸気タービン４０におけるサンプル採取部位の例を示す図である。
【００２８】
図６の場合、高圧タービン４１、中圧タービン４２および低圧タービン４３のタービン段落を構成する動翼４４および静翼４５、タービンロータ４６、タービンロータ接続フランジ４７、タービンケーシング４８および主蒸気配管４９等が評価対象の機器である。なお、一点鎖線の円は、低圧タービン４３のタービン段落を構成する動翼４４および静翼４５の拡大図を示す。
【００２９】
蒸気タービン４０を評価するにあたり、本実施例によるサンプル採取方法を適用する場合、まず低圧タービン４３のケーシング４８を分解して静翼４５を取り外し、さらにタービンロータ４６から動翼４４を取り外して検査台に裁置した状態でサンプル採取装置１を所定の位置にセットする。そして上述した方法によって対象部位からまずサンプルを採取し、次に、サンプル採取後の堀孔を補修する。
【００３０】
なお、ケーシング４８や配管４９のように、外側からサンプルを採取できる機器については、分解しなくてもサンプル採取装置１を予め定めた位置にセットすることにより本発明方法を実施することができる。
【００３１】
図７はガスタービン５０におけるサンプル採取部位の例を示す図である。
図７において、ガスタービン本体６０の動翼６１、静翼６２、タービンロータ６３、タービンケーシング６４の任意部位、ガスタービン圧縮機７０の動翼７１、静翼７２、圧縮機ロータ７３、圧縮機ケーシング７４の任意部位、およびガスタービン燃焼器８０の任意部位がサンプル採取の対象機器である。
【００３２】
このガスタービン５０を評価するにあたり、本実施例によるサンプル採取方法を適用する場合も図６の蒸気タービンの場合と同様にして対象部位からまずサンプルを採取し、次に、サンプル採取後の堀孔を補修する。
【００３３】
図８はタービン発電機９０におけるサンプル採取部位の例を示す図である。
図８において、発電機ロータ９１、発電機ロータ接続フランジ９２、発電機ケーシング９３等の任意部位がサンプル採取の対象機器である。この発電機９０を評価するにあたり、本実施例によるサンプル採取方法を適用する場合は、固定子フレームを分解してサンプル採取部位を露出した状態、もしくはサンプル採取部位を検査台に載置した状態で、サンプル採取装置１を所定の位置にセットし、上述した方法によって対象部位からまずサンプルを採取し、次に、サンプル採取後の堀孔を補修する。
【００３４】
図９は立軸型水車の回転部１００におけるサンプル採取部位の例を示す図である。
図９の場合、水車ランナ１０１、水車ロータ１０２、水車ロータ接続フランジ１０３等の任意部位がサンプル採取の対象である。この立軸型水車を評価するにあたり、本実施例によるサンプル採取方法を適用する場合は、水車ケーシング１０４から水車の回転部１００を引抜いて吊り下げた状態、もしくは水車をさらに分解して対象部位を検査台に載置した状態で、サンプル採取・母材補修装置１を所定の位置にセットし、上述した方法によって対象部位からまずサンプルを採取し、次に、サンプル採取後の堀孔を補修する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明におけるサンプル採取・母材補修装置の全体構成図。
【図２】本発明におけるレーザー加工装置の概略構成図。
【図３】本発明におけるサンプル取出装置の概略構成図。
【図４】本発明におけるサンプル採取工程を示す図。
【図５】本発明における掘孔の溶接補修工程を示す図。
【図６】蒸気タービンにおけるサンプル採取部位の例を示す図。
【図７】ガスタービンにおけるサンプル採取部位の例を示す図。
【図８】タービン発電機におけるサンプル採取部位の例を示す図。
【図９】立軸型水車の回転部におけるサンプル採取部位の例を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…サンプル採取・母材補修装置、２…レーザー加工装置、３…冷却装置、４…対象機器、５…サンプル取出装置、１０…レーザー加工ヘッド、１１…レーザー加工ヘッド駆動装置、１２…制御装置、１３…ケーブル、１４…レーザービーム集光用光学レンズ系、１５…レーザー発光器、１６…ヘッドカバー、１７…電気ケーブル、１８…第１の回転軸、１９…第２の回転軸、２０…噴射ノズル、２１…配管、２２…ガスボンベ、２３…バルブ、３０…採取パイプ、３１…放電制御装置、３２…温度センサー用回線、３３…放電用回線、３４…採取パイプ胴体、３５…ピストン、３６…ピストンヘッド、３７…環状放電部、３８…温度センサー、３９…サンプル、４０…蒸気タービン、４１…高圧部、４２…中圧部、４３…低圧部、４４…動翼、４５…静翼、４６…タービンロータ、４７…タービンロータ接続フランジ、４８…タービンケーシング、４９…主蒸気配管、５０…ガスタービン、６０…ガスタービン本体、６１…動翼、６２…静翼、６３…タービンロータ、６４…タービンケーシング、７０…ガスタービン圧縮機、７１…動翼、７２…静翼、７３…圧縮機ロータ、７４…圧縮機ケーシング、８０…ガスタービン燃焼器、９０…発電機、９１…発電機ロータ、９２…発電機ロータ接続フランジ、９３…発電機ケーシング、１００…立軸型水車の回転部、１０１…水車ランナ、１０２…水車ロータ、１０３…水車ロータ接続フランジ、１０４…水車ケーシング。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象機器の表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の環状溝を加工し、かつ、サンプル取出し後に形成された母材の掘孔をレーザービームの照射により溶接補修するレーザー加工装置と、
前記レーザー加工装置から照射されたレーザービームによって前記評価対象機器の溝加工および堀孔の溶接補修を行う際、照射部位の周囲に冷却媒体を噴射する冷却装置と、
前記評価対象機器に加工された前記環状溝内に挿入される形状に形成され、かつ先端部に前記サンプルの根元部分を溶解し母材から根切るための放電部を有する支持体および母材から根切りされたサンプルを前記環状溝から取出す取出部を有するサンプル取出装置と、を備えたことを特徴とするサンプル採取・母材補修装置。
【請求項２】
前記レーザー加工装置は、前記評価対象機器にレーザービームを照射するレーザー加工ヘッドと、このレーザー加工ヘッドを駆動するレーザー加工ヘッド駆動装置と、前記レーザー加工ヘッドに所望の形状および深さの前記環状溝を加工させるように前記レーザー加工ヘッド駆動装置に対して指令を出力する制御装置とから構成したことを特徴とする請求項１記載のサンプル採取・母材補修装置。
【請求項３】
前記レーザー加工ヘッド駆動装置は、軸線が交差する第１の回転軸および第２の回転軸を備え、第１の回転軸に前記レーザー加工ヘッドを取り付け、前記第２の回転軸で第１の回転軸を支持することにより、前記レーザー加工ヘッドを３次元に位置制御することを可能にしたことを特徴とする請求項１記載のサンプル採取・母材補修装置。
【請求項４】
前記サンプル取出装置は、前記支持体を絶縁性および耐熱性に優れた材質の採取パイプ胴体で構成し、この採取パイプ胴体内に前記取出部を収納するように構成したことを特徴とする請求項１記載のサンプル採取・母材補修装置。
【請求項５】
前記サンプル取出装置を構成する前記取出部は、サンプルを吸着、粘着または挟持する手段で構成されたことを特徴とする請求項３記載のサンプル採取・母材補修装置。
【請求項６】
前記評価対象機器が、発電プラント機器としての蒸気タービン、ガスタービン、発電機または水車であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のサンプル採取・母材補修装置。
【請求項７】
評価対象機器の表面にレーザービームを照射してサンプル取出し用の環状溝を加工する工程と、
前記加工された環状溝内の前記サンプルの根元部分を放電により溶解し母材から根切る工程と、
前記母材から根切られたサンプルを取出す工程と、
サンプル取出し後に母材に形成された堀孔に評価対象機器と同様の成分を有する充填物を充填する工程と、
前記充填物と周囲の評価対象機器母材とをレーザービームにより溶接し補修する工程、とから成るサンプル採取・母材補修方法。

【図１】