CN104343470A - 蒸汽轮机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蒸汽轮机转子，实现包含低压最终段L-0段以及比其处于高压侧的L-1段的段翼的SCC感受性的减少和LCF寿命的提高的双方。本发明的蒸气轮机转子是通过焊接接合低压最终段L-0段的转子盘、和包含比该低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段的多段的转子盘而形成的蒸气轮机转子，其特征在于，上述低压最终段L-0段以及比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘材料是12Cr钢，并且上述转子盘材料的拉伸强度是900～1200MPa。

Description

蒸汽轮机转子
技术领域
本发明涉及蒸汽轮机转子，特别是涉及适合大型发电设备、和燃气轮机的联合发电设备所使用的蒸汽轮机的蒸汽轮机转子。
背景技术
通常，在蒸汽轮机中，其低压段(例如，从低压最终段L-0段到高压侧的L-4段)是湿蒸汽域或者干蒸汽与湿蒸汽的干湿交流区域，所以对于涡轮机转子来说，处于腐蚀环境恶劣的条件下。
一般地，考虑机械强度、韧性以及大型锻造性，蒸汽轮机的低压段转子材料采用3.5％Ni钢、1CrMoV钢等的低合金钢。由于低合金钢的耐腐蚀性不一定高，所以在长时间使用的机械设备中，存在腐蚀介质堆积在翼与转子镶嵌部的间隙，而产生应力腐蚀破裂(以下，称为SCC(Stress Corrosion Cracking))的情况。
另外，低压最终段L-0段中，采用翼长长的翼(长翼)，所以在翼镶嵌部产生高离心应力。特别是，在用于联合发电设备的情况下，存在由于伴随起动停止的离心应力的变动、反复，而使腐蚀环境中的低循环疲劳寿命(以下，称为LCF(Low Cycle Fatigue)寿命)降低的情况。
作为提高蒸汽轮机中的低压最终段L-0段所使用的涡轮机转子的可靠性的技术，例如有专利文献1以及2所记载的技术。
专利文献1(JP2001-50002A)记载了采用耐腐蚀性高的12Cr钢作为低压最终段L-0段的转子材料。另外，专利文献2(JP2006-307840A)记载了通过使从低压最终段L-0段到L-2段的转子材料的屈服强度越向高压侧越降低，来减少针对SCC的感受性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-50002号公报
专利文献2：日本特开2006-307840号公报
发明内容
本发明所要解决的技术问题
如上述那样，关于蒸汽轮机的低压涡轮机转子的现有的主要课题是在低压最终段L-0段的腐蚀环境中的LCF寿命的提高、和从低压最终段L-0段到L-4段的SCC感受性的减少。
另一方面，近年来，推进着低压最终段L-0段的长翼化，例如有采用3600rpm转的翼长为1250mm以上的翼的情况。而且，伴随低压最终段L-0段翼的长翼化，在比低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段、L-2段中也推进着长翼化。因此，在L-1段、L-2段中目前还不怎么成为问题的腐蚀环境中的LCF寿命的提高成为课题。另外，在比低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段和L-2段中，由于段温度比低压最终段L-0段高，所以SCC感受性变高，因此更需要SCC感受性的减少。
然而，上述的专利文献1以及2中，关于用于实现比低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段和L-2段的SCC感受性的减少和LCF寿命的提高的双方的适当的材料、机械强度，没有完全清楚地提及。
本发明是鉴于上述的点而完成的，其目的在于，提供能够实现包含低压最终段L-0段以及比其位于高压侧的L-1段的段翼的SCC感受性的减少和LCF寿命的提高的双方的蒸汽轮机转子。
用于解决技术问题的方案
根据发明的一方式，提供一种蒸汽轮机转子，是通过焊接接合低压最终段L-0段的转子盘、和包含比该低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段的多段的转子盘而形成的蒸汽轮机转子，其特征在于，上述低压最终段L-0段以及比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘材料是12Cr钢，并且上述转子盘材料的拉伸强度是900～1200MPa。
发明的效果
根据本发明，能够提供实现包含低压最终段L-0段以及比其位于高压侧的L-1段的段翼的SCC感受性的减少和LCF寿命的提高的双方的蒸汽轮机转子。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的蒸汽轮机转子的一个例子的概要结构图。
图2是表示12Cr钢中的拉伸强度与规格化LCF寿命的关系的图，该规格化LCF寿命是以相同的变形范围条件下的3.5％NiCrMoV钢的LCF寿命进行规格化的。
图3是表示钢材的拉伸强度与规格化局部应力的关系的图，该规格化局部应力是以在低压最终段L-0段产生将换算成弹性应力的局部应力的涡轮机转子材料的局部应力进行规格化的。
图4是表示本发明的第二实施方式的蒸汽轮机转子的一个例子的概要结构图。
符号说明
1、10－低压最终段L-0段的转子盘，2、11－L-1段和L-2段的转子盘，3－L-3段、L-4段以及L-5段的转子盘，4、13－轴承部的转子盘，6－低压最终段L-0段的翼长，12－L-3段以上的高压段的转子盘。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的蒸汽轮机转子进行说明。但是，本发明并不局限于这里所列举的实施方式，能够在不脱离本发明的技术的思想的范围内适当地进行组合、改进。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式的蒸汽轮机转子的一个例子的概要结构图。图1所示的蒸汽轮机转子是双流式低压蒸汽轮机转子。
如该图所示，本实施方式的蒸汽轮机转子包括：低压最终段L-0段的转子盘1(图1的分区B、F)；构成比该低压最终段L-0段位于1段高压侧的L-1段以及L-2段的转子盘2(图1的分区C、E)；构成比L-1段以及L-2段位于更高压侧的L-3段、L-4段以及L-5段的转子盘3(图1的分区D)；以及轴承部的转子盘4(图1的分区A、G)。这些各转子盘1～4通过TIG焊接、埋弧焊或者焊条电弧焊的任一种焊接来接合。
本实施方式中的低压最终段L-0段翼的翼长6是转速为3600rpm规格的1250mm以上(优选1270mm)，L-1段翼的翼长为700mm以上(优选780mm)，L-2段翼的翼长为300mm以上(优选360mm)。
而且，在本实施方式中，采用12Cr钢作为低压最终段L-0段的转子盘1(图1的分区B、F)、以及构成比低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段以及L-2段的转子盘2(图1的分区C、E)的转子盘材料，并使其拉伸强度为900MPa以上1200MPa以下。
本实施方式中，无需有意使图1的分区B和F(低压最终段L-0段的转子盘1)以及分区C和E(构成L-1段和L-2段的转子盘2)中的拉伸强度不同，如果拉伸强度在900～1200MPa的范围内，则能够得到腐蚀LCF的长寿命化和减少SCC感受性的效果。换言之，也可以用相同的材料构成转子盘1和转子盘2。
另一方面，在本实施方式中，构成比构成L-1段和L-2段的转子盘2(图1的分区C、E)位于高压侧的L-3段、L-4以及L-5段的转子盘3(图1的分区D)采用作为低合金钢的3.5％NiCrMoV钢，其拉伸强度优选为600～750MPa。
另外，轴承部的转子盘4(分区A、G)采用1％CrMoV钢。轴承部的转子盘4采用低合金钢是为了减少与轴承的烧伤、表面机械损伤。
根据采用这样的本实施方式的蒸汽轮机转子材料的结构，即使在低压最终段L-0段的翼长为1250mm以上的恶劣的离心力的条件下，也能够实现从低压最终段L-0段到L-5段的全部所要求的SCC感受性的减少，并且，在从低压最终段L-0段到L-2段中能够实现在腐蚀环境中的LCF寿命的提高。
接下来，为了确认本发明的效果，对本发明者等实施的试验进行说明，并且更具体地说明本发明的效果。
首先，在模拟实机环境的腐蚀环境(纯水、溶解氧浓度150ppb、pH＝8、温度50℃)中，实施了使用切口试件的低循环疲劳试验。模拟起动停止的离心力的负荷卸载，利用脉动波形(负荷频率0.01Hz)进行了试验。作为试件的材料，使用3.5％NiCrMoV钢和拉伸强度不同的三种12Cr钢。图2示出其试验结果。图2是表示12Cr钢中的拉伸强度与规格化LCF寿命的关系的图，该规格化LCF寿命是以相同的变形范围条件下的3.5％NiCrMoV钢的LCF寿命进行规格化的。
如图2所示可知：12Cr钢在其拉伸强度约为1100MPa时，相对于3.5％NiCrMoV钢最能呈现出LCF寿命的提高效果。另外，在拉伸强度约为800MPa的12Cr钢中，其LCF寿命与3.5％NiCrMoV钢的LCF寿命几乎相同。这可以认为是因为若拉伸强度低则在切口底处的塑性变形增加，其塑性变形所引起的寿命降低成为主导，12Cr钢的耐腐蚀性提高效果被抵消。
另一方面，拉伸强度约为1400MPa的12Cr钢中，与拉伸强度为1100MPa的12Cr钢比较，LCF寿命的提高效果降低。这推断为理由是越成为高强度，平均应力效果(切口材料的脉动试验中，平均应力为正值)越较大地呈现、切口感受性越高。
图3是表示钢材的拉伸强度与规格化局部应力的关系的图，该规格化局部应力是以在低压最终段L-0段产生换算成弹性应力的局部应力的涡轮机转子材料的局部应力进行规格化的。图3示出12Cr钢以及3.5％NiCrMoV钢中的拉伸强度与针对SCC的临界应力的关系。
如图3所示可知：12Cr钢以及3.5％NiCrMoV钢均是若拉伸强度增加，则针对SCC的临界应力降低。可知12Cr钢的SCC临界线的一方与3.5％NiCrMoV钢相比位于横轴的高应力侧，SCC感受性高。
另外，如图3所示，在3.5％NiCrMoV钢中，通过调整拉伸强度约为750MPa以下，从而能够对于SCC临界线确保足够的裕度。相同地，对于12Cr钢，通过调整拉伸强度为1200MPa以下，从而能够对于SCC临界线确保足够的裕度。
根据上述的试验结果确认了：作为低压最终段L-0段、L-1段以及L-2段的涡轮机转子材料，采用拉伸强度为900～1200MPa的12Cr钢，从而如图2所示，能够使腐蚀环境中的LCF寿命提高，如图3所示，能够对于SCC临界应力确保足够的裕度。
换言之可知，在涡轮机转子材料中，为了相比3.5％NiCrMoV钢提高腐蚀环境中的LCF寿命，仅采用12Cr钢是不充分的，需要采用将拉伸强度调整为900～1200MPa的范围内的12Cr钢，使拉伸强度成为约1100MPa是最有效的。
另外，在因为翼长短而离心应力所影响的腐蚀LCF寿命不怎么成为问题的L-3段、L-4段以及L-5段中，为了减少作为主要的损伤原因的SCC的感受性，从可靠性和经济性的观点优选采用拉伸强度为600～750MPa的3.5％NiCrMoV钢。
并且，12Cr钢比3.5％NiCrMoV钢价格高，所以作为这样的材料结构，使高价的12Cr钢的采用为必要最小限，从而能够使涡轮机转子的特性提高，并且以最小限度抑制对成本的影响。
此外，在本实施方式中，在分区C与E中，对具备L-1段和L-2段的结构的转子盘进行了说明，但本发明并不局限于此。例如，可以明确的是即使分区C、E的转子盘是仅由L-1段构成的转子盘，或者包含了从L-1段到L-3段或者L-4段的多段的一体转子盘，也能够得到与上述相同的效果。
接下来，对本实施方式的低压最终段L-0段～L-2段所采用的12Cr钢的适当的化学成分进行说明。
本实施方式的低压最终段L-0段～L-2段所采用的12Cr钢的适当的化学成分根据质量比包括0.10％以上0.35％以下的C(碳)、1.5％以上4.0％以下的Mo(钼)、0.8％以上3.2％以下的Ni(镍)、0.15％以上0.3％以下的V(钒)、0.1％以上0.3％以下的Nb(铌)、以及0.04％以上0.10％以下的N(氮)。其余部分由Fe(铁)和不可避杂质构成。
为了得到高拉伸强度，C成分的含有率需要为0.10质量％以上。若C成分过度则使韧性以及焊接性降低，所以C成分的含有率为0.35质量％以下。
Mo成分具有利用固溶强化以及炭化物、氮化物析出强化作用来提高机械强度的作用。Mo成分的含有率不足1.5质量％，则机械强度的提高效果不充分，若超过4.0质量％，则成为δ铁素体相生成的原因，所以优选1.5～4.0质量％。
此外，W(钨)以及Co(钴)也有与Mo相同的效果。因此，为了进一步高强度化，能够使这些成分含有合计含有率(Mo、W、以及Co的合计)到4.0质量％为止。
Ni成分具有提高低温韧性并且防止δ铁素体相生成的作用。该效果在Ni成分的含有率不足0.8质量％时不充分，若超过3.2质量％则效果饱和。因此，Ni成分的含有率优选0.8～3.2％，进一步优选1.0～3.0％。
V成分以及Nb成分具有析出炭化物来提高拉伸强度，同时使韧性提高的效果。若V成分的含有率不足0.15质量％，Nb成分的含有率不足0.1质量％，则其效果不充分。另一方面，从抑制δ铁素体相的生成的观点来看，优选V成分的含有率为0.3质量％以下，Nb成分的含有率为0.3质量％以下。因此，V成分的含有率优选0.15～0.3质量％，进一步优选0.20～0.3质量％。另外，Nb成分的含有率优选0.1～0.3质量％，进一步优选0.12～0.22质量％。
此外，能够代替Nb成分完全相同地添加Ta(钽)成分。另外，复合添加Nb与Ta的情况下，合计含有率(Nb与Ta的合计)也与Nb单独添加的情况相同。
N成分具有机械强度的提高以及防止δ铁素体相生成的作用。N成分的含有率不足0.04质量％则其效果不充分，若超过0.10质量％则使韧性、焊接性降低。因此，N成分的含有率优选0.04～0.10质量％。
Cr成分具有提高耐腐蚀性和拉伸强度的作用。Cr成分的含有率若超过13质量％则成为δ铁素体相生成的原因，但若不足8质量％，则耐腐蚀性变得不足。因此，Cr成分的含有率优选8.0～13质量％。另外，从机械强度的观点来看，Cr成分的含有率优选10.5～12.8质量％。
除了上述以外，本发明中使用的12Cr钢也可以添加Si(硅)、Mn(锰)。Si成分作为脱氧剂，Mn成分作为脱硫、脱氧剂，是在钢的溶解时经常添加的，即使少量也有效果。
但是，Si成分的过度的添加成为疲劳以及使韧性降低的有害的δ铁素体相生成的原因，所以Si成分的含有率需要为0.5质量％以下，进一步优选0.1质量％以下。此外，在由真空碳脱氧法、电渣再溶解法等进行钢的溶解的情况，没有Si添加的必要，Si无添加也可以。
Mn成分除了作为脱硫剂有效，也有使韧性提高的作用，但若过度添加则使韧性降低。因此，Mn成分的含有率优选0.33质量％以下。另外，从提高韧性的观点来看，在添加Mn成分之后，进一步优选0.30质量％以下，更进一步优选0.25质量％以下，最优选0.20质量％以下。
并且，考虑如下的点也是重要的。P(磷)成分以及S(硫)成分的减少具有提高低温韧性的效果，优选极力减少。从低温韧性提高的观点来看，优选P成分的含有率为0.015质量％以下，S成分的含有率也优选0.015质量％以下。
相同地，Sb(锑)成分、Sn(锡)成分以及As(砷)成分的减少也具有提高低温韧性的效果，优选极力减少。从当前制钢技术水平的观点来看，分别优选Sb成分的含有率为0.0015质量％以下，Sn成分的含有率为0.01质量％以下，As成分的含有率为0.02质量％以下。
此外，本实施方式中，优选涡轮机转子部件彼此的接合通过TIG焊接、埋弧焊、焊条电弧焊的任一种进行。另外，优选在焊接后，进行560～580℃的热处理，充分地除去涡轮机转子整体的残留应力，并且抑制逆转变奥氏体相的生成，并且转子盘作为完全的回火马氏体相，低合金钢转子作为回火贝氏体相。
(第二实施方式)
图4是表示本发明的第二实施方式的蒸汽轮机转子的一个例子的概要结构图。图4所示的蒸汽轮机转子是一体化高压段和低压段的高低压一体转子构造的蒸汽轮机转子。这样的高低压一体转子构造的蒸汽轮机转子在联合发电设备中采用的情况较多。
如该图所示，本实施方式的蒸汽轮机转子在低压最终段L-0段的转子盘10(图4的分区B)和比该低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段以及L-2段的转子盘11(图4的分区C)采用具有900～1200MPa的拉伸强度的12Cr钢。另外，L-3段以及比该L-3段位于高压段的转子盘12(图4的分区D)采用低合金钢的1％CrMoV钢作为材料，其拉伸强度调整为600～750MPa。
在本实施方式中，用高低压一体转子构成分区D，但若用12Cr钢的耐热钢形成高压段部分，则能够得到高温蠕变强度提高的效果。另外，为了减少与轴承的烧伤、表面机械损伤，优选在轴承部的涡轮机转子13(图4的分区A)采用低合金钢的1％CrMoV钢。
通过成为这样的本实施例的涡轮机转子的结构，能够与第一实施方式相同地实现从低压最终段L-0段到L-9段的全部所要求的SCC感受性的减少，并且，在低压最终段L-0段到L-2段中能够实现在腐蚀环境中的LCF寿命的提高。
此外，在本实施方式中，对在分区C中具备L-1段和L-2段的构成的转子盘进行了说明，但本发明并不局限于此。例如，可以明确的是即使分区C的转子盘是仅由L-1段构成的转子盘、或者包含从L-1段到L-3段或者L-4段的多段的转子盘，也能够得到与上述相同的效果。
上述的实施方式是用于帮助本发明的理解而具体地说明的例子，本发明并不局限于具备说明的所有结构的蒸汽轮机转子。例如，能够将某实施方式的结构的一部分置换成其他的实施方式的结构，也能对某实施方式的构成添加其他的实施方式的构成。并且，对于各实施方式的构成的一部分，能够删除、置换成其他的构成、添加其他的结构。

Claims (8)

1.一种蒸汽轮机转子，其是通过焊接接合低压最终段L-0段的转子盘、和包含比该低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段的多段的转子盘而形成的蒸汽轮机转子，其特征在于，
所述低压最终段L-0段以及比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘材料是12Cr钢，并且，所述转子盘材料的拉伸强度是900～1200MPa。
2.根据权利要求1所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
所述低压最终段L-0段以及比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘材料是包含8.0～13质量％的Cr的12Cr钢。
3.根据权利要求1或者2所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
所述低压最终段L-0段的转子盘材料和比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘材料相同。
4.根据权利要求3所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
比所述L-1段以及L-2段的转子盘位于高压侧且构成通过焊接与所述转子盘接合的多段的转子盘材料是3.5％NiCrMoV钢或者1％CrMoV钢。
5.根据权利要求4所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
构成所述多段的所述转子盘材料的拉伸强度为600～750MPa。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
构成所述低压最终段L-0段以及比该低压最终段L-0段位于高压侧的至少L-1段的转子盘的所述12Cr钢包含0.10～0.35质量％的C、1.5～4.0质量％的Mo、0.8～3.2质量％的Ni、0.15～0.3质量％的V、0.1～0.3质量％的Nb、以及0.04～0.10质量％的N。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
所述低压最终段L-0段的转子盘以及包含比该低压最终段L-0段位于高压侧的L-1段的多段的转子盘的焊接通过TIG焊接、埋弧焊、焊条电弧焊的任一种来进行。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的蒸汽轮机转子，其特征在于，
所述低压最终段L-0段的翼长是3600rpm规格的1250mm以上，L-1段的翼长为700mm以上。
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