ガスタービントランジションピース劣化調査研究

研究レポート
ガスタービントランジションピース劣化調査研究
エネルギア総合研究所 発電・材料担当 松村 栄郎
１
まえがき
（試験材）
ガスタービントランジションピース（燃焼器で発生し
A
廃却材：実機で約26,000時間使用
た燃焼ガスをガスタービン翼に導く円筒）は，高温の燃
B
新 材：実機新品と同条件で製作
焼ガスに曝されるため，損傷が激しく短い周期で取り替
えられており，超耐熱合金製で高価なためその保守費用
材 質：ニッケル基超耐熱合金
（３）クリープ強度
A廃却材，B新材のクリープ強度を把握するためクリ
は高コストである。
（図１）
当所では，トランジションピースの取替周期延長に寄
ープ破断試験を行った。試験時間を短縮するため，メー
与するデータを取得するため，材質のニッケル基超耐熱
カー推定温度より高温の加速条件下で，試験片に実機レ
合金※について各種劣化調査を行っており，研究成果の
ベルの引張応力を付加して保持し，破断時間の測定を行
うち高温長時間使用によるクリープ強度低下，金属組織
った。その結果，A廃却材のメーカー推定温度における
劣化について報告する。
クリープ余寿命は約50,000時間と推定された。
（図２）
※ ニッケル基超耐熱合金：現在，最も高温強度に優れる耐熱合金。
γ’
（ ガンマプライム）相と呼ばれるニッケル，アルミニウムか
アイソストレス法
（試験応力：実機レベル）
らなる金属間化合物を微細に析出させて高温強度を向上させて
試験温度
いる。
圧縮機 燃焼器 ガスタービン翼
空気
● ①廃却材破断データ
● ②新材破断データ
廃却材−3σ
燃焼ガス
約50,000hr
メーカー推定温度
クリープ破断時間
燃焼器出口部
（トランジションピース）
燃焼ガス
図２ クリープ試験結果
※ −３σ：データのばらつきを考慮し，統計的にクリープ破断時
間の最短値を近似したライン
静翼へ
（４）組織劣化
B新材を11,000時間まで高温で保持し，γ’相の粒子
形態変化（粒径，粒子間距離）について観察を行った。
図１ ガスタービン，トランジションピースの概要図
その結果，保持温度が高いほどγ’相の粗大化，消失が
早く生じる傾向にあることが確認された（ただし，メー
２
研究の概要
（１）研究の着眼点
本研究では，ニッケル基超耐熱合金の析出強化相であ
るγ’相の粒子形態変化に着目し，トランジションピー
ス材料の高温での劣化傾向や実機使用した廃却材の劣化
状況の把握を行った。
（２）試験対象，試験材
（試験対象）
柳井発電所 ２号系列トランジションピース
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カー推定温度±０℃のみ組織変化が少なく特異な挙動を
示した）（図３）。また，時間と温度に対するγ’相の粒
子形態変化の特性について，下記の組織パラメータを使
って整理した。（図４）
（組織パラメータ）＝粒子間距離の２乗／平均粒径
組織パラメータの変化傾向より，クリープ強度に寄与
するγ’相はメーカー推定温度＋20℃以下であれば，10
万時間程度経過後も残存すると推定される。
エネルギア総研レビュー No.3
ガスタービントランジションピース劣化調査研究
1μm
温度
時間
1000hr
3000hr
7000hr
C
11000hr
−20℃
B
E
D
A
±０℃
＋20℃
写真１ 廃却材の組織劣化観察，温度推定位置
＋40℃
A
B
C
D
E
γ 外
相 面
粒
界 内
5μm 面
（温度＝メーカー推定温度との比較値）
図３ 新材の組織劣化
外
γ’面
粒
内
1μm 面
試験温度（℃）
γ’
相消失限界
◆＋40 ●＋20
■−20 ◆−70
組織パラメータ
推定温度 ＜＜−70℃
＜＜−70℃
−70℃∼−20℃ −70℃∼−20℃
＜＜−70℃
（推定温度＝メーカー推定温度との比較値）
図５ 廃却材各部の組織劣化，温度推定
３
研究成果
（１）クリープ余寿命
メーカー推定温度でのA廃却材のクリープ余寿命は約
（試験温度＝メーカー推定温度との比較値）
10,000
50,000時間と推定され，十分余裕があると考えられる。
100,000
（２）組織劣化
高温保持時間（ｈ
ｒ）
図４ 温度・時間とγ’組織パラメータの関係
A廃却材のマウント部額縁側は，燃焼ガスが衝突する
部位のため組織劣化の進行が顕著であり，点検時には注
視すべき箇所である。
４
あとがき
時間，温度に対するγ’相の粒径，組織パラメータと
トランジションピースの高温長時間使用によるクリー
の関係から，A廃却材各部の実機使用時の温度を推定し
プ強度低下，組織劣化の傾向を把握し，材質のニッケル
たところ，おおむねメーカー推定温度−20℃以下である
基超耐熱合金の劣化について基礎的なデータを蓄積する
と推定された。また，マウント部額縁側（Ｃ部）では粒
ことができた。本研究で得られたデータは，さらなる取
界炭化物の粗大化，γ’相の消失が顕著であり金属組織
替周期延長について判断する際に活用できるよう，電源
の劣化が進行していることがわかった。
（写真１，図５）
事業本部ならびに柳井発電所と情報共有したい。
エネルギア総研レビュー No.3
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