火力発電プラントの非破壊検査技術,三菱重工技報 Vol.52 No.4(2015)

新 製 品 新 技 術 特 集 技 術 論 文 36 火 力 発 電 プラントの 非 破 壊 検 査 技 術 Non Destructive Inspection Technology for Thermal Power Plant *1 浦 田 幹 康 *1 青 木 清 隆 Mikiyasu Urata Kiyotaka Aoki 浦 田 直 矢 田 上 光 一 Naoya Urata Koichi Tagami 近 藤 学 *3 松 本 真 太 郎 Manabu Kondo Shintaro Matsumoto 火 力 発 電 プラントのボイラ 設 備 では, 急 速 な 負 荷 変 化 や 運 転 モードに 応 じて 様 々な 損 傷 が 発 生 する 可 能 性 がある そこで 三 菱 日 立 パワーシステムズ( 株 )( 以 下, 当 社 )では,これら 損 傷 を 的 確 且 つ 迅 速 に 検 出 可 能 な 非 破 壊 検 査 技 術 を 開 発 している 現 在,インナーUT/ケーブルレスイ ンナーUT(Ultrasonic Testing; 超 音 波 探 傷 試 験 )による 肉 厚 計 測 技 術, 管 内 挿 入 式 ECT(Eddy Current Testing; 渦 流 探 傷 試 験 )による 腐 食 減 肉 部 検 査 技 術,フェーズドアレイ UT によるクリー プ 損 傷 検 知 技 術, 薄 膜 UT による 肉 厚 モニタリング 技 術 など, 開 発 した 検 査 技 術 について 実 機 ボ イラ 設 備 のメンテナンス 工 事 への 適 用 を 推 進 している 1. はじめに 火 力 発 電 プラントのボイラ 設 備 は, 高 温 高 圧 状 態 における 長 時 間 の 運 用 が 余 儀 なくされてお り, 摩 耗, 腐 食,クリープ 等 の 経 年 的 な 劣 化 に 伴 う 各 設 備 の 損 傷 が 懸 念 される そのため, 日 常 の 保 守 点 検 に 加 え, 様 々な 損 傷 の 形 態 を 十 分 に 考 慮 した 点 検 を 行 うことが 重 要 である また, 電 力 の 自 由 化 による 保 守 費 用 の 低 減 から,より 合 理 的 で 精 度 の 高 い 検 査 が 求 められている そこで 当 社 では,これら 損 傷 を 的 確 且 つ 迅 速 に 検 出 するための 非 破 壊 検 査 技 術 として,インナ ーUT/ケーブルレスインナーUT,フェーズドアレイ UT, 薄 膜 UT モニタリング,ECT 技 術 等 を 開 発 し, 実 機 ボイラ 設 備 のメンテナンス 工 事 への 適 用 を 推 進 中 である 本 稿 では,これら 開 発 した 非 破 壊 検 査 技 術 の 概 要 及 び 今 後 の 展 望 について 述 べる 2. ボイラの 損 傷 と 非 破 壊 検 査 技 術 ボイラ 設 備 では, 急 速 な 負 荷 変 化 や 運 転 モードに 応 じて 様 々な 損 傷 が 発 生 する 可 能 性 があり, それらを 検 知 する 非 破 壊 検 査 技 術 は, 損 傷 形 態 及 び 対 象 設 備 の 構 造 を 十 分 熟 知 した 上 で 開 発 す る 必 要 がある 図 1に,ボイラ 設 備 の 損 傷 と 当 社 が 開 発 した 非 破 壊 検 査 技 術 を 示 す まず, 節 炭 器 や 再 熱 器 管 等 の 伝 熱 管 外 面 では, 局 所 的 な 摩 耗 減 肉 や 広 範 囲 に 亘 る 減 肉 の 発 生 が 懸 念 される これらの 肉 厚 を 管 外 面 から 精 度 良 く 測 定 することは 困 難 な 場 合 が 多 く, 損 傷 位 置 によっては 多 大 な 付 帯 工 事 を 要 することから 管 の 内 側 から 肉 厚 計 測 可 能 な 超 音 波 水 浸 法 であるインナーUT (1) やケー ブルレスインナーUT が 有 効 である また, 伝 熱 管 の 管 内 面 側 では, 酸 素 腐 食 やアルカリ 腐 食 等 に よる 腐 食 減 肉 が 発 生 する これらは 腐 食 生 成 物 (スケール)の 生 成 を 伴 うため,インナーUT では 計 測 が 困 難 である また, 広 範 囲 に 亘 る 検 査 が 必 要 にもなることから,スケールの 影 響 を 受 け 難 い 管 内 挿 入 式 ECT 技 術 が 有 効 である 一 方, 管 寄 せ, 主 蒸 気 管 等 の 大 口 径 配 管 の 溶 接 部 では, 高 温 *1 技 術 統 括 本 部 総 合 研 究 所 材 料 研 究 部 三 菱 日 立 パワーシステムズ( 株 )サービス 戦 略 本 部 長 崎 サービス 部 *3 三 菱 日 立 パワーシステムズ( 株 )ボイラ 技 術 本 部 ボイラ 技 術 部 主 席 技 師

三菱重工技報 Vol.52 No.4 (2015) 37 長時間使用に伴いクリープ損傷が発生する このため き裂発生の前過程であるクリープボイド 金 属結晶境界部の空孔 の密集状態を検知できれば適切なメンテナンスの実行が可能であり フェー ズドアレイ UT 技術の適用が有効になる 更に 発生した減肉の損傷状況を運転中にモニタリング可 能な薄膜 UT 技術を適用することで 蒸気漏洩等のトラブルを未然に防止することが可能となる このように 当社ではボイラ各設備や損傷に対し 様々な非破壊検査技術を開発している 次 項に各非破壊検査技術の概要を述べる 図１ ボイラ設備の損傷と非破壊検査技術 3. 各種非破壊検査技術の概要 3.1 インナーUT/ケーブルレスインナーUT システムによる肉厚計測技術 図 2 は インナーUT システム及びケーブルレスインナーUT システムの概要を示している イン ナーUT システムは 長尺の信号ケーブルを有した超音波センサ 超音波厚さ計 ケーブル送り 装置 大型ポンプで構成される 伝熱管の入口側と出口側を切断し そこにケーブル挿入ノズル を装着して ケーブル挿入ホースを接続する その後 圧力水とケーブル挿入装置を利用して 伝熱管内へ超音波センサを挿入しながら伝熱管の厚さを全長に亘って計測する インナーUT は これまで 290 缶を超える検査工事に適用して高い信頼を得ており 現在もその適用実績は堅 調に推移している 図２ インナーUT システム及びケーブルレスインナーUT システムの概要 更に当社では 伝熱管肉厚計測の更なる高効率化を目指し 従来のインナーUT 技術をコンパ クト化し 且つ計測速度を向上させたケーブルレスインナーUT システムを開発した ケーブルレス

38 インナーUT システムは, 伝 熱 管 内 に 挿 入 可 能 な 大 きさにまで 小 型 化 した 各 種 電 子 回 路 で 構 成 し た 小 型 超 音 波 センサであり,これを 伝 熱 管 内 に 挿 入 し, 水 圧 を 利 用 して 走 行 させながら 伝 熱 管 の 全 周 及 び 全 長 の 肉 厚 を 計 測 する また, 信 号 ケーブルを 有 しないため, 大 型 のケーブル 送 り 装 置 や 圧 力 ポンプが 不 要 であり, 総 重 量 を 従 来 比 約 90% 削 減 するなど,システムの 大 幅 なコンパクト 化 を 達 成 している 図 3に, 開 発 した 超 小 型 超 音 波 センサを 示 す 超 小 型 超 音 波 センサは, 従 来 のインナーUT と 同 一 構 造 のマルチチャンネル 式 超 音 波 探 触 子, 超 小 型 パルサーレシーバー, 計 測 値 を 記 録 するメモリ,これらを 制 御 する 電 子 回 路 及 びバッテリーで 構 成 される また, 計 測 値 は USB 接 続 によりパソコンへ 転 送 され, 当 社 独 自 のデータ 処 理 システムで 画 像 化 して 減 肉 状 況 図 として 出 力 可 能 である 表 1に, 従 来 のインナーUT システムとケーブルレスインナーUT システムの 比 較 結 果 を 示 す ケ ーブルレスインナーUTシステムは, 従 来 システムと 同 等 の 肉 厚 計 測 精 度 を 有 しながら, 総 重 量 は 従 来 比 90% 減 の 軽 量 化 を 達 成 している また, 従 来 システムの 約 2 倍 の 速 度 で 肉 厚 計 測 可 能 で あることを 実 機 伝 熱 管 検 査 で 実 証 しており, 検 査 工 程 の 短 縮 が 期 待 できる 表 2に, 従 来 のインナーUTとケーブルレスインナーUTの 適 用 範 囲 を 示 す ケーブルレスイン ナーUTシステムは, 管 内 径 が 32mm 以 上 の 伝 熱 管 肉 厚 測 定 に 適 用 可 能 であるが, 更 に 内 径 や 曲 げ 半 径 の 小 さい 伝 熱 管 への 対 応 が 今 後 の 開 発 課 題 である 表 1 比 較 結 果 従 来 インナーUT ケーブルレス インナーUT 比 較 結 果 計 測 精 度 ±0.1mm ±0.1mm 同 等 計 測 速 度 平 均 100~150mm/s 平 均 200~280mm/s ( 最 大 200mm/s) ( 最 大 300mm/s) 2 倍 総 重 量 1 200kg 120kg 90% 低 減 現 地 準 備 時 間 2 日 1 日 50% 低 減 表 2 適 用 範 囲 図 3 ケーブルレスインナーUT 用 超 小 型 超 音 波 センサ 従 来 インナーUT ケーブルレス インナーUT 伝 熱 管 の 厚 さ 1.5mm~20mm 1.5mm~20mm 伝 熱 管 の 内 径 22~60mm 32~60mm 伝 熱 管 の 曲 げ 半 径 35mm 50mm 対 象 伝 熱 管 パネル 型 横 置 き, 吊 り 下 げ 横 置 きのみ 3.2 管 内 挿 入 式 ECT による 腐 食 減 肉 部 検 査 技 術 ボイラ 伝 熱 管 の 管 内 面 側 では, 酸 素 腐 食 やアルカリ 腐 食 等 による 腐 食 減 肉 の 発 生 が 懸 念 され る 発 生 位 置 によっては 管 外 面 からの 肉 厚 測 定 が 困 難 な 場 合 があるため,インナーUT のような 高 効 率 な 検 査 技 術 の 適 用 が 望 ましい しかしながら, 腐 食 減 肉 部 には 腐 食 反 応 に 伴 うスケールが 生 成 するため, 管 内 面 からの 超 音 波 を 適 用 した 場 合,スケール 部 で 超 音 波 が 散 乱 するなどして 肉 厚 を 計 測 することが 出 来 ない このため, 現 状 では 管 の 一 部 を 切 断 してファイバースコープを 挿 入 し, 表 面 スケールの 付 着 状 況 から 減 肉 や 異 常 の 有 無 を 評 価 しているが, 目 視 検 査 による 評 価 は 定 性 的 であり, 減 肉 量 を 定 量 的 に 評 価 することが 困 難 である そこで 当 社 では, 管 内 面 の 腐 食 減 肉 深 さを 計 測 可 能 な 管 内 挿 入 式 ECT センサを 開 発 した ECT は, 導 電 性 を 有 する 試 験 体 に 渦 電 流 を 発 生 させ,その 渦 電 流 の 変 化 から 試 験 体 表 面 のきず を 検 出 する 技 術 である ECT は 電 磁 気 反 応 を 用 いた 検 出 方 式 であるため,スケールの 影 響 を 受 け 難 い 特 徴 を 有 する この 特 徴 を 利 用 し,これまで 検 査 できなかった 伝 熱 管 内 面 の 腐 食 減 肉 部 を 検 出 し, 減 肉 深 さを 定 量 的 に 評 価 可 能 とした 図 4に, 開 発 した ECT センサ 外 観 と 模 擬 減 肉 欠 陥 の 評 価 例 を 示 す ECT センサは, 減 肉 の 見 逃 しを 防 止 するために 小 型 コイルを 複 数 配 置 したマ

39 ルチチャンネル 方 式 を 採 用 しており, 局 部 的 あるいは 広 範 囲 の 減 肉 ともに 見 逃 しなく 検 出 可 能 で ある また, 検 出 した 減 肉 部 は,±0.3mm の 誤 差 範 囲 内 で 深 さを 計 測 可 能 である 今 後, 実 機 へ の 本 格 適 用 へ 向 け, 実 機 伝 熱 管 による 検 証 を 実 施 する 予 定 である 図 4 管 内 挿 入 式 ECT センサ 外 観 と 模 擬 減 肉 欠 陥 の 評 価 例 3.3 フェーズドアレイによるクリープ 損 傷 検 知 技 術 ボイラ 管 寄 せや 主 蒸 気 管 等 の 大 口 径 配 管 では, 高 温 長 時 間 使 用 に 伴 い 溶 接 熱 影 響 部 でクリ ープ 損 傷 が 生 じる クリープ 損 傷 は, 結 晶 粒 界 に 多 数 のクリープボイドが 発 生 し,これらが 密 集 連 結 後 にき 裂 となり, 最 終 的 に 肉 厚 を 貫 通 して 漏 洩 に 至 る クリープ 破 壊 を 未 然 に 防 止 し, 且 つ 計 画 的 にメンテナンスするためには,クリープボイドが き 裂 となる 前 過 程 の 段 階 で 検 知 することが 望 まれる そこで 当 社 では, 超 音 波 探 傷 法 の 一 つであるフェーズドアレイ 法 を 用 いたクリープ 損 傷 検 知 技 術 を 開 発 した 図 5に, 開 発 したフェーズドアレイ 探 触 子 を 示 す この 探 触 子 は,クリープ ボイドの 密 集 状 態 を 検 知 するために, 超 音 波 シミュレーションから 最 適 な 探 触 子 条 件 を 見 出 して 設 計 したものである 図 6に, 実 機 配 管 の 探 傷 結 果 と 断 面 状 況 の 比 較 結 果 を 示 す 本 図 から, 開 発 したフェーズドアレイ 探 触 子 でクリープボイドの 密 集 状 態 を 検 出 可 能 であることが 分 かる なお, 実 機 では,データの 信 頼 性 と 作 業 性 を 向 上 させるため, 専 用 スキャナーを 用 いた 検 査 を 実 施 中 で あり, 作 業 時 間 は 従 来 の 約 50%まで 低 減 した このように, 本 技 術 の 適 用 によりクリープ 損 傷 を 早 期 に 検 知 し, 蒸 気 漏 洩 等 の 重 大 なトラブルを 未 然 に 防 止 するとともに, 計 画 的 で 効 果 的 なメンテナンスの 実 現 を 可 能 にした 図 5 フェーズドアレイ 探 触 子 図 6 フェーズドアレイによる 探 傷 結 果 と 断 面 状 況 との 比 較 3.4 薄 膜 UT による 肉 厚 モニタリング 技 術 ボイラ 伝 熱 管 や 配 管 等 では, 定 期 的 な 肉 厚 測 定 により 減 肉 状 況 が 管 理 されている このうち, 排 熱 回 収 ボイラ(HRSG) 伝 熱 管 では 比 較 的 減 肉 速 度 が 大 きい FAC( 流 れ 加 速 腐 食 )が 確 認 され

ており, 肉 厚 管 理 が 重 要 である 従 来 は, 保 温 材 の 撤 去 復 旧 や 足 場 架 設, 管 の 磨 きなどの 付 帯 工 事 が 必 要 であり, 狭 隘 部 などでは 作 業 性 や 検 査 の 信 頼 性 が 低 下 することから,これら 課 題 を 解 決 する 手 法 の 開 発 が 望 まれていた そこで 当 社 では, 低 コストで 信 頼 性 の 高 い 肉 厚 モニタリング を 可 能 とするため, 薄 膜 状 で 柔 軟 性 に 富 む 薄 膜 UT センサ (2) を 開 発 中 である 図 7は, 薄 膜 UT セ ンサの 概 要 を 示 している センサは, 上 下 部 の 電 極 と 圧 電 素 子 膜 および 信 号 線 により 構 成 され, 厚 みは 1.0mm 以 下 の 薄 膜 状 で 柔 軟 性 に 富 み, 約 300 までの 耐 熱 性 も 有 している 肉 厚 計 測 箇 所 を 研 磨 後 にセンサを 接 着 硬 化 させて 固 定 するため, 保 温 材 等 を 復 旧 した 状 態 で 肉 厚 モニタリ ングが 可 能 である このため, 都 度 の 足 場 架 設 等 の 付 帯 工 事 が 不 要 であり, 長 期 的 なメンテナン スコストを 大 幅 に 低 減 できる また, 常 時 モニタリングにより 減 肉 傾 向 が 把 握 できるため, 特 に 減 肉 速 度 が 比 較 的 早 い FAC の 肉 厚 管 理 には 有 効 であると 考 えられる 更 に, 柔 軟 性 も 有 することか ら, 従 来 の UT 等 では 計 測 が 困 難 であった 溶 接 止 端 部 近 傍 の 肉 厚 を 計 測 できる 可 能 性 があり, 信 頼 性 の 高 いメンテナンスの 実 現 が 期 待 される 今 後 は, 本 格 適 用 に 向 け, 複 雑 形 状 への 対 応 や 実 機 検 証 試 験 を 継 続 し, 本 格 適 用 を 目 指 す 40 図 7 薄 膜 UT センサの 概 要 4. まとめ 当 社 では, 火 力 発 電 プラントボイラ 設 備 の 稼 働 率 向 上 のため,ボイラの 各 部 位 損 傷 形 態 に 応 じて 様 々な 検 査 技 術 の 開 発 に 取 り 組 んでいる 本 稿 では,ボイラ 伝 熱 管 の 肉 厚 計 測 技 術 であるイ ンナーUT/ケーブルレスインナーUT 技 術, 管 内 面 の 腐 食 減 肉 を 検 査 可 能 な 管 内 挿 入 式 ECT 技 術, 大 口 径 配 管 溶 接 部 のクリープ 損 傷 を 検 知 可 能 なフェーズドアレイ 探 傷 技 術, 減 肉 をモニタリ ング 可 能 な 薄 膜 UT 技 術 について 紹 介 した これらの 技 術 について, 今 後 実 機 への 適 用 を 展 開 し つつも 更 なる 高 度 化 を 図 り, 火 力 プラントボイラ 設 備 の 稼 働 率 向 上 へ 寄 与 していく なお, 以 上 紹 介 した 検 査 技 術 は,ボイラ 設 備 への 適 用 のみではなく, 化 学 プラントや 各 種 配 管 設 備 についても 適 用 拡 大 していく 所 存 である 参 考 文 献 (1) 取 違 正 明 ほか,R35mm 対 応 インナーUT システムの 開 発 と 実 用 化, 火 力 原 子 力 発 電,594 (2006.3), 175-180 (2) 山 本 裕 子 ほか, 高 温 耐 熱 薄 膜 状 UT センサーによる 減 肉 監 視 技 術 高 度 化 の 可 能 性, 日 本 機 械 学 会