JP4694576B2 - タービン部品の欠陥検出方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン部品の欠陥を検出するために、フェーズドアレイ検査ヘッドによって部品の被検査面領域に少なくとも１つの超音波信号を送信および受信するタービン部品の欠陥検出方法に関する。本発明はさらに、タービン部品の欠陥を検出するために、部品の被検査面領域に少なくとも１つの超音波信号を送信および受信するためのフェーズドアレイ検査ヘッドを備えた測定および評価装置に関する。

例えばタービン翼等のタービン部品の欠陥を検出するのに超音波検査を実施することは基本的に知られている。しかしこのような検査はこのような部品において存在するジオメトリのゆえにごく限定的にのみ可能であり、比較的誤りを孕んでもいる。

例えば現在、タービン翼根元部の固定穴の相応の試験は翼の分解後にのみ可能である。

フェーズドアレイ技術（Phased Array Technique）を利用することによって、被検査面領域で欠陥は検査ヘッドの操作なしに画像化表示によって表示することができる。これは既に１つの改良である。というのも、時間を要し、それゆえに費用のかかるタービン翼の分解および組付けを特に省くことができるからである。つまり放射される超音波の方向、もしくは超音波を受波することのできる方向は、フェーズドアレイ技術によって変更することができる。

例えば、タービン翼根元部の欠陥予想領域において確実かつ迅速な分析を実行することがフェーズドアレイ技術によって可能である。高い機械負荷、熱負荷または腐食負荷によって疲労亀裂もしくは疲労クラックとして発生する亀裂は特に検知することができる。

そこで、本発明によれば、このフェーズドアレイ技術は、フェーズドアレイ検査ヘッドが複数の仮想検査ヘッドに区分され、次に、少なくとも２つの仮想検査ヘッドを用いて個々の被検査面領域に向けて少なくとも１つの超音波信号が送信されるように改良される。被検査面領域からのエコー信号は本発明により用いられる少なくとも２つの仮想検査ヘッドによって受信される。その際有利にはパルスエコー法で処理される。というのも、この技術でもって欠陥は基本的に特に厳密に検出できるからである。

このため本発明に係る測定および評価装置は複数の仮想検査ヘッドに区分されるフェーズドアレイ検査ヘッドを備え、少なくとも２つの仮想検査ヘッドを用いて個々の被検査面領域に向けてそれぞれ少なくとも１つの超音波信号を送信および受信可能にする制御装置が設けられている。

複数の仮想検査ヘッドを用いて超音波信号を送信および受信することによって、被検査面領域はいわば複数の目視方向から観察される。試験結果も相応に一層厳密となり、誤りを孕むことが少ない。

特に有利には、本発明に係るフェーズドアレイ検査ヘッドは、特にそれぞれ約２４個の素子を備えた３つの仮想検査ヘッドに区分されている。このため例えば合計６４個の素子を備えた１つの検査ヘッドから出発することができ、この検査ヘッドは回路技術的に個別に制御可能な３つの検査ヘッドに区分されている。

各仮想検査ヘッドは有利には例えば、付属する超音波装置のプログラミングによって、被検査面領域に複数の超音波照射（ショット）を送出できるように制御される。好ましくは例えば２００回のこのような超音波照射が各仮想検査ヘッドから送出され、相応にそれらのエコー信号が受信される。超音波照射の送出は、有利には、超音波照射もしくは送出された超音波信号が被検査面領域にわたって向きを変えもしくは振動するように行われる。このためフェーズドアレイ検査ヘッドは好ましくは、できるだけ多数の素子および／または交換可能な楔を備えた直線振動子として構成することができる。

タービン部品の可能な欠陥の位置および／または形状は、本発明によれば、有利には、個々の被検査面領域での少なくとも２つの仮想検査ヘッドの測定結果を組合せることによって、または基準測定結果と比較することによって評価することができる。特に面の広がりもしくは欠陥寸法は特に正確に求めることができる。なぜならば一般に検査ヘッドの少なくとも１つは検出すべき欠陥の輪郭を明確に検出したからである。

さらに本発明により、特にタービン部品の欠陥の方位は、個々の被検査面領域での少なくとも２つの仮想検査ヘッドの測定結果を比較することによって、または基準測定結果に対して相対的に比較することによって求めることができる。被検査部品の亀裂の特に方位をこのように推定し認識することは、一般に本発明に係る"向きを変えて照射された超音波"の１つが亀裂内に放射され、他の複数の"向きを変えて照射された超音波"が場合によっては亀裂の向きを実質的に横切って亀裂に左右から照射される事情に基づいている。

本発明により求められた検査結果の判定をできるだけ現実に即して、相応の評価装置または評価員によって特に容易に実施するために、本発明に係る測定および評価装置が、画像化法において少なくとも２つの仮想検査ヘッドの測定結果の二次元表示を行うように構成されていると特に有利である。特に好ましくはエコー信号の振幅値がカラーコード化して表示される。これは特に、測定結果の二次元表示を可能とするＢスキャンで行うことができる。

本発明に係るタービン部品の欠陥検出方法および本発明に係るこのような欠陥を検出するための測定および評価装置の１実施例が、以下において、添付した略図面に基づいて詳しく説明される。

図１には、タービンの図示しないタービン軸もしくはホイールディスクに取付けるように意図されているタービン翼１０が示されている。このようなタービン翼１０はタービン運転時に高い熱負荷を受け、機械負荷も受ける。

タービン翼１０は差込み根元部として構成された翼根元部１２を有し、この翼根元部１２はディスク状条帯を備え、このディスク状条帯に固定穴１４が設けられている。前記負荷のゆえに特に固定穴１４に亀裂が生じることがある。

タービン翼１０のこのような損傷の確実な試験は、現在、タービン翼１０の分解状態時にのみ可能である。組込状態における超音波技術による試験は限定的にのみ可能であり、比較的誤りを孕んでいる。

検査を改善するために、フェーズドアレイ技術のフェーズドアレイ検査ヘッドが使用され、この検査ヘッドはタービン翼１０および／または付属する軸に固定配置される。この配置は、例えば図５に円で示したような被検査面領域を超音波照射できるように行われる。その際、検査ヘッドの操作は必要ない。

その際に使用され図３に略示した測定および評価装置１６は、そのフェーズドアレイ検査ヘッド１８が３つの仮想検査ヘッド２０，２２，２４に区分されるように調整されている。

これらの仮想検査ヘッド２０，２２，２４のうち第１検査ヘッドは、合計６４個の素子のうち素子１〜２４を含むフェーズドアレイ検査ヘッド１８を含む。同様に、第２仮想検査ヘッド２２はフェーズドアレイ検査ヘッドの素子２１〜４４を含み、第３仮想検査ヘッド２４は素子４１〜６４を含む。

個々の仮想検査ヘッドは、詳しくは図示しない制御装置によって、次のように、すなわち、個々の仮想検査ヘッド２０，２２，２４を用いてそれぞれ個々の超音波照射（ショット）、この例では約２００回の超音波照射が直線振動子によって被検査面領域にわたって向きを変えて送出され、引き続きエコー信号が受信されるように制御される。

次に、仮想検査ヘッドのすべての超音波照射のエコー信号がＢスキャンで表示され、二次元表示で画像化法を提供する。表示においてエコー信号はその振幅値に関してカラーコード化して表示される。この表示は図４に示すＢスキャングラフと相応に付属するＡスキャングラフとで再生される。各仮想検査ヘッドについて固有のＢスキャングラフが表示される。

これにより、さまざまな仮想検査ヘッドによって（図５に例示的に円で印を付けたような）欠陥予想領域がさまざまな視角から走査される。さまざまな角度からのこの走査によって、欠陥もしくは欠陥の方位を検出することが可能になる。

例えば図４の３つのＢスキャングラフに認めることができるように、そこに円で印を付けた亀裂欠陥は特に第２仮想検査ヘッド２２もしくは第３仮想検査ヘッド２４で検査するとき明確に認識されるのに対して、第１仮想検査ヘッドでは気付かれないままとなる。これは亀裂欠陥の寸法、正確な形状について、特に方向についても、相応に改善された逆推論を可能とする。

こうして全体として、特に上述した部品の欠陥寸法、欠陥位置および欠陥方位の決定を改善された迅速かつ確実な試験が可能となる。

さらに、本発明に係る方法および付属する測定および評価装置は、フェーズドアレイ検査ヘッドを使った従来の超音波探欠陥試験ではなお問題が現れた数多くの別の種類の部材においても有利に利用することができる。

本発明により試験される部材の第１斜視図 図１による部材の第２斜視図 本発明に係る測定および評価装置の構造を説明する３つの原理図 図３による測定および評価装置で試験した測定結果のグラフ 図１、図２による部材の検査された面領域を示す図。

符号の説明

１０ 部品、タービン翼
１２ 部品、翼根元部
１４ 固定穴
１６ 測定および評価装置
１８ フェーズドアレイ検査ヘッド
２０，２２，２４ 仮想検査ヘッド
２１〜４４、４１〜６４ 素子

Claims (5)

1. フェーズドアレイ技術を使用してタービン部品の欠陥を検出する方法において、
   フェーズドアレイ検査ヘッドを複数の仮想検査ヘッドに区分し、複数の仮想検査ヘッドは、直線振動子を形成するように直線上において１つの仮想検査ヘッドが他の仮想検査ヘッドの後ろに直接に配置され、
   少なくとも２つの仮想検査ヘッドを用いてタービン部品の個々の被検査面領域に向けて超音波信号を放射状に送信し、各仮想検査ヘッドは個々の被検査面領域に複数回超音波を照射し、
   送信された超音波信号をフェーズドアレイ検査ヘッドによって受信し、
   フェーズドアレイ検査ヘッドは超音波信号の送信および受信中にタービン部品の一定の位置に対して相対的に一定の位置にあり、
   予め定められた個々の被検査面領域での複数の仮想検査ヘッドの測定結果を組合せることによって、タービン部品の欠陥の位置および／または形状を評価し、かつ
   予め定められた個々の被検査面領域での複数の仮想検査ヘッドの測定結果を比較することによって、タービン部品の欠陥の方位を求める
   ことを特徴とするタービン部品の欠陥検出方法。
2. タービン部品の欠陥を検出するための測定および評価装置において、
   フェーズドアレイ技術によりタービン部品の被検査面領域に超音波信号を送信および受信するフェーズドアレイ検査ヘッドを備え、
   フェーズドアレイ検査ヘッドが複数の仮想検査ヘッドに区分され、複数の仮想検査ヘッドは、直線上において１つの仮想検査ヘッドが他の仮想検査ヘッドの後ろに直接に配置され、
   複数の仮想検査ヘッドがそれぞれタービン部品の被検査面領域に超音波信号を直接に送信しかつタービン部品の被検査面領域からの超音波信号を直接に受信するようにフェーズドアレイ検査ヘッドを制御する制御装置を備え、
   フェーズドアレイ検査ヘッドは超音波信号の送信および受信中にタービン部品の一定の位置に対して相対的に一定の位置にあり、超音波信号は放射状に送信され、
   制御装置は、個々の被検査面領域に複数回超音波信号を向けさせ、個々の被検査面領域での複数の仮想検査ヘッドの測定結果を組合せることによってタービン部品の欠陥の位置および／または形状を評価し、かつ個々の被検査面領域での複数の仮想検査ヘッドの測定結果を比較することによってタービン部品の欠陥の方位を求める
   ことを特徴とするタービン部品の欠陥を検出するための測定および評価装置。
3. フェーズドアレイ検査ヘッドが直線振動子を有することを特徴とする請求項２記載の測定および評価装置。
4. 制御装置が、画像化法において複数の仮想検査ヘッドの測定結果の二次元表示を行うことを特徴とする請求項３記載の測定および評価装置。
5. 制御装置が、制御装置によって受信された超音波信号を、タービン部品に関係した基準測定結果と比較することによって欠陥の面の広がりまたは欠陥寸法を求めることを特徴とする請求項２記載の測定および評価装置。

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