CN1891843A - 汽轮机用管道、其制造方法及使用其的汽轮机发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是，将晶粒均匀细化的离心铸造材料用于管道，从而可以实现更高温化，并且，提供由提高管道可靠性的离心铸造管道构成的汽轮机用管道及其制造方法，以及使用该管道的汽轮机用主蒸气管道和再热管道以及汽轮机发电设备。本发明的汽轮机用管道，其特征在于，由马氏体钢离心铸造材料构成，所述的马氏体钢离心铸造材料具有在与径向垂直的面上的晶粒度级别数大于等于5的径向的柱状晶粒。所述的钢以质量计含有0.05～0.5％C、小于等于1.0％Si、0.05～1.5％Mn、0.01～2.5％Ni、8.0～13.0％Cr、0.05～2.5％Mo、小于等于3.0％W、0.05～0.35％V、0.01～0.5％Nb，小于等于5％的Co、0.01～0.1％N、小于等于0.03％的B、小于等于0.05％的Al，余量由不可避免的杂质和铁构成。

Description

汽轮机用管道、其制造方法及使用其的汽轮机发电设备
技术领域
本发明涉及由超声波探伤试验缺陷检测精度高的离心铸造管道构成的新的汽轮机用管道及其制造方法，以及使用该管道的汽轮机用主蒸气管道和再热管道以及汽轮机发电设备。
背景技术
对于汽轮机发电设备来说，暴露于高温高压的蒸气中的管道，尤其是暴露于主蒸气中的主蒸气管道的完善程度决定了设备的寿命。当管道内部存在缺陷时，就会以该缺陷为起点发生腐蚀或龟裂，降低寿命。为了防止使用过程中的破损、泄漏事故，在制造和使用管道时，检查管道内部是否存在缺陷是很重要的，通常是采用非破坏性试验来进行材料检验。
作为非破坏性试验法，例如在JIS G0582、JIS G0581、JIS G0565中分别规定了超声波探伤(UT)、射线探伤(RT)、磁粉探伤(MT)，其中，对于内部缺陷的位置和大小的检测精度，超声波探伤(UT)特别有效。
另外，根据使用的温度，管道材料使用碳素钢、低合金钢、高铬合金等。近年来出于节能目的，对于蒸气的高温化、高压力化的开发日益趋向实用化，在与此相对的大于等于500℃的蒸气温度下，使用耐受温度、耐环境性高的含8～13％铬的高铬马氏体钢，作为合金组成的一例，在火力发电设备的技术标准的“火 SFVAF28”中规定了9％Cr锻钢，在“火 SUS410J3”中规定了12％Cr锻钢。关于这些锻钢的合金组成，专利文献1和2等中有所报道。
专利文献1：特开昭59-116360号公报
专利文献2：特开平2-290950号公报
发明内容
但是，就以往的9％Cr锻钢和12％Cr锻钢来说，为了在更高的温度下使用，必须通过含有更多的Mo、W、Co、Nb和B等强化元素来强化，但是由于不得不作为锻钢，所以无法含有大量的这些元素，因而无法实现高温化。
而且，在超声波探伤试验中为了高精度地检测出缺陷，被检测材料的超声波透过性能必须很好。一般地说，铸造材料的晶粒度级别数小于等于4时，晶粒粗大，另外，由于形状和壁厚不同，凝固速度也不同，容易形成复合晶粒组织，由于超声波的衰减、异常折射，超声波探伤性能变差，难以充分探伤。因此，超声波探伤检查所需的时间加大，定期检查需要花费很多时间。另外，由于检测精度低，不得不将运转中所允许的缺陷尺寸规定为更小的值，不得不在达到部件原本具有的寿命之前将其废弃，不能有效地利用。
本发明的目的是，通过在管道中使用晶粒均一细化的离心铸造材料，提供可以实现更高温化并且提高管道可靠性的、由离心铸造管道构成的汽轮机用管道，其制造方法，以及使用该管道的汽轮机用主蒸气管道和再热管道以及汽轮机发电设备。
本发明提供了一种汽轮机用管道，其特征在于，由马氏体钢离心铸造材料构成，所述的马氏体钢离心铸造材料具有在与径向垂直的面上的晶粒度级别数大于等于5的径向的柱状晶粒。
本发明人发现，离心铸造材料与具有同样合金组成的锻造材料相比，与径向垂直面的晶粒度级别数相等，并且在室温和高温下的抗拉强度和延性相等，另外，本发明人还发现，其蠕变断裂强度在更长时间侧和高温侧更高。
在利用熔融金属的重力的普通静止铸造中，无论是在大气中浇铸还是在真空中铸造，都容易形成气孔，并且晶粒容易粗大化(平均粒度No.4以下)，还容易形成复合晶粒。另一方面，一面使金属模具旋转一面浇注熔融金属，利用由离心力产生的加压力进行凝固的离心铸造，即使在大气中铸造时也不易产生缺陷，能够形成晶粒均匀而细小的组织。此外，还可以形成径向生长的柱状晶。因此，对于作为汽轮机用管道尤其是象汽轮机用主蒸气管道这样在更高的温度下承受极高内压的部件来说，具有径向生长的柱状晶的离心铸造材料，对于其内压，柱状晶成为更大的变形阻力，结果可以得到高的蠕变断裂强度。另外，由于晶粒形成均匀的组织，可以得到高的超声波探伤性能。
所述的马氏体钢，以质量计，优选含有0.05～0.5％C、小于等于1.0％的Si、0.05～1.5％Mn、0.01～2.5％Ni、8.0～13.0％Cr、0.05～2.5％Mo、小于等于3.0％的W、0.05～0.35％V、0.01～0.5％Nb、0.01～0.1％N，并且Co含量小于等于5％、B含量小于等于0.03％、Al含量小于等于0.05％，余量由不可避免的杂质和铁构成。
另外，优选的是，所述的马氏体钢以质量计含有：0.07～0.20％C、0.2～0.6％Si、0.3～0.7％Mn、0.2～0.8％Ni、8.0～13.0％Cr、0.9～1.8％Mo、0.1～0.7％W、0.05～0.35％V、0.01～0.3％Nb、0.01～0.1％N、0.005～0.02％Al，余量由不可避免的杂质和铁构成；或者，以质量计含有：0.07～0.20％C、0.2～0.6％Si、0.3～0.7％Mn、0.2～0.8％Ni、8.0～13.0％Cr、0.5～1.2％Mo、1.0～3.0％W、0.05～0.35％V、0.01～0.3％Nb、0.5～2.0％Co、0.01～0.1％N、0.003～0.02％B、0.005～0.02％Al，余量由不可避免的杂质和铁构成。
下面，说明用于本发明的离心铸造材料的成分限定理由。
C是提高淬透性，确保强度所必须的元素。其含量如果小于0.05％，则无法得到充分的淬透性，在冷却速度比较慢的圆筒内周侧生成较软的铁素体组织，无法得到足够的抗拉强度和屈服强度。反之，其含量如果超过0.5％，则韧性降低，因此将C的范围限定为0.05～0.50％。尤其优选0.10～0.45％的范围，更优选0.07～0.20％或者0.20～0.35％的范围。
Si是脱氧剂、Mn为脱硫、脱氧剂，在钢的熔炼过程中添加，少量添加即可奏效。另外，添加Si、Mn可以改善金属熔液的流动性，对于铸造是不可缺少的元素。Si含量优选小于等于1.0％，更优选小于等于0.75％，尤其优选0.2～0.6％。
适量添加Mn，具有使钢中作为杂质元素存在而恶化热加工性能的有害的S形成硫化物MnS而将其固定的作用。因此，适量添加Mn具有减少所述S的危害的效果，所以其含量应当大于等于0.05％。另一方面，如果大量添加，容易引起蠕变脆化，因此其含量规定为小于等于1.5％。尤其优选在0.15～1.2％，更优选在0.3～0.7％的范围。
Ni是提高淬透性、提高韧性所不可缺少的元素。如果Ni不足0.01％，则韧性提高效果不充分。反之，超过2.5％的大量添加，会降低蠕变断裂强度。尤其优选为0.2～2.3％，更优选在0.2～0.8％或者0.8～2.0％的范围。
Cr具有提高淬透性、提高韧性和强度的效果。另外，还可以提高在蒸气中的耐腐蚀性、耐氧化性。其含量不足8.0％时，这些效果不充分，但是超过13.0％过量添加的话，会形成δ铁素体相，因此降低蠕变断裂强度和韧性。尤其优选为8.5～12.5％，更优选在8.8～12.2％的范围。
Mo在回火处理中使晶粒内析出细小碳化物，具有提高高温强度和防止回火脆化的效果。其含量不足0.05％时，这些效果不充分，而超过2.5％大量添加时会降低韧性。尤其优选的是，对于600℃左右的温度，将Mo量提高到0.9～1.8％，将后述的W量减少到0.1～0.7％；对于630℃左右的温度，将Mo量稍微减少到0.5～1.2％，将后述的W量提高到1.0～3.0％的范围。
W与Mo同样，析出细小的碳化物，具有提高高温强度和防止回火脆化的效果。超过3.0％大量添加时会降低韧性。尤其优选的是，与上述的使用温度相对应来设定。
V在回火处理中使晶粒内析出细小的碳化物，具有提高高温强度和韧性的效果。其含量不足0.05％时，这些效果不充分，而超过0.35％添加时效果将饱和。尤其优选在0.15～0.33％的范围，更优选在0.20～0.30％的范围。
Nb与V同样会析出细小的碳化物，有利于提高高温强度、提高韧性。使用小型钢锭进行的实验结果表明，通过与V复合添加，可以得到大幅度提高强度的效果。实验结果还表明，如果添加不足0.01％，这些效果不充分，而超过0.5％添加时效果将饱和，并且引起韧性下降。尤其优选在0.04～0.45％的范围，更优选在0.06～0.15％或者在0.15～0.4％的范围。
添加Co可以提高高温强度，同时还提高韧性。超过5％的过量添加会降低韧性。尤其优选小于等于4％，更优选小于等于3％，对于前面所述的630℃左右的温度来说，优选含有0.5～2.0％。
N具有改善蠕变断裂强度和防止生成δ铁素体的效果。其含量小于0.01％时，上述效果不充分，添加超过0.1％时，不仅会降低韧性，还会降低蠕变断裂强度。尤其优选在0.02～0.09％的范围，更优选在0.03～0.08的范围。
B具有强化晶界的作用和抑制碳化物凝集变得粗大、提高高温强度的效果。超过0.03％添加时会降低韧性。尤其优选小于等于0.020％，更优选小于等于0.015％。
Al是作为脱氧材料添加，但它是强氮化物形成元素，通过固着对蠕变具有有效作用的氮，降低在超过550℃的高温区域的蠕变断裂强度。另外，Al会促进以W、Mo为主体的、作为脆弱的金属间化合物的拉弗斯相的析出，降低蠕变断裂强度，因此将其上限设定为0.05％。尤其优选小于等于0.04％，更优选小于等于0.35％。
另外，减少P和S的含量具有提高蠕变断裂强度和低温韧性的效果，因此希望尽可能减少。从提高低温韧性的角度考虑，优选P小于等于0.020％，S小于等于0.020％。尤其优选P小于等于0.015％，S小于等于0.015％。更优选P小于等于0.010％，S小于等于0.010％。
减少Sb、Sn和As也具有提高低温韧性的效果，因此应尽可能减少其含量，从目前炼钢技术水平的角度考虑，优选Sb小于等于0.0015％，Sn小于等于0.01％，As小于等于0.02％。尤其优选Sb小于等于0.0010％，Sn小于等于0.005％，As小于等于0.01％。
对于锻钢来说，为了防止在锻造过程中开裂，必须将C、Mo、W、Nb、B的添加量限制在较低的水平，但对于铸造的场合来说，由于不需要以铸造为代表的热加工，因此这些元素的添加上限可以提高。另外，在普通铸造的场合，由于对冷却速度有限制，所以容易发生成分偏析，而在离心铸造时可以加快凝固速度，不易发生成分偏析，因此可以实现更高合金化，能够对应于更高温度。
本发明涉及的离心铸造材料，在600℃下10万小时的平滑蠕变断裂强度适宜大于等于95MPa，优选大于等于98.5MPa，并且常温抗拉强度适宜大于等于570MPa，优选大于等于590MPa。另外，优选在一个端部一体地形成凸缘部。
本发明提供了一种汽轮机用管道的制造方法，其特征是，将钢包精炼的钢水浇注到内表面形成了陶瓷涂层的旋转圆筒金属模具中，进行离心铸造，形成晶粒度级别数大于等于5的径向的柱状晶。
另外，本发明提供了一种汽轮机用管道的制造方法，其特征是，将具有在垂直于径向的面的晶粒度级别数大于等于5的径向柱状晶的铁素体系钢的离心铸造材料，加热至奥氏体化温度并保持，然后急速冷却，接着进行2次回火处理，形成马氏体组织。
优选的是，上述奥氏体化温度为1000～1100℃，冷却为空冷或者风冷，上述2次回火处理温度为550～780℃，第1次的所述回火的冷却为空冷，并且第2次的所述回火的冷却为炉冷。
本发明涉及的离心铸造材料，能够将晶粒细化，通过晶粒的细化强化可以实现高强度化。
另外，本发明提供了一种汽轮机用主蒸气管道，其特征是，将高温高压的主蒸气输送到高压汽轮机或者高中压一体汽轮机的主蒸气管道，是由上述记载的汽轮机用管道或者采用上述记载的汽轮机用管道的制造方法制造的汽轮机用管道构成。
另外，本发明提供了一种汽轮机用再热管道，其特征是，将从高压汽轮机出来的蒸气进行再热后输送到中压汽轮机的再热管道或者将从高中压一体汽轮机的高压部出来的蒸气进行再热后输送到所述高中压一体汽轮机的中压部的再热管道，是由上述记载的汽轮机用管道或者采用上述记载的汽轮机用管道的制造方法制造的汽轮机用管道构成。
优选的是，在具备高压汽轮机、中压汽轮机和1台低压汽轮机或者具备高压汽轮机、中压汽轮机和串联结合的2台低压汽轮机的汽轮机发电设备中，具有下述两种情况中的至少一种：将高温高压的主蒸气输送到所述高压汽轮机的主蒸气管道由上述记载的汽轮机用主蒸气管道构成，将从所述高压汽轮机出来的蒸气进行再热后输送到所述中压汽轮机的再热管道由上述记载的汽轮机用再热管道构成；所述主蒸气管道通过弯管焊接连接到所述高压汽轮机的外部壳体(ケ-シング)上。
优选的是，在具备高中压一体汽轮机和1台低压汽轮机或者具备高中压一体汽轮机和串联结合的2台低压汽轮机的汽轮机发电设备中，具有下述两种情况中的至少一种：将高温高压的主蒸气输送到所述高中压一体汽轮机的主蒸气管道由上述记载的汽轮机用主蒸气管道构成，将从所述高中压一体汽轮机的高压部出来的蒸气进行再热后输送到所述高中压一体汽轮机的中压部的再热管道由上述记载的汽轮机用再热管道构成；所述主蒸气管道通过弯管焊接连接到所述高中压一体汽轮机的外部壳体上。
所述的外部壳体最好是由下面所述的铸钢制造，即，该铸钢含有(以重量计)：0.07～0.20％C、0.05～0.6％Si、0.1～1.0％Mn、0.1～0.5％Ni、1.0～2.5％Cr、0.5～1.5％Mo、0.1～0.35％V，优选含有小于等于0.025％Al、0.0005～0.004％B和0.05～0.2％Ti中的至少一种，具有全回火贝氏体组织。特别优先选用含有0.10～0.18％C、0.20～0.60％Si、0.20～0.50％Mn、0.1～0.5％Ni、1.0～1.5％Cr、0.9～1.2％Mo、0.2～0.3％V、0.001～0.005％Al、0.045～0.010％Ti和0.0005～0.0020％B的铸钢。更优选Ti/Al比为0.5～10。
在其内部，具有由马氏体铸钢构成的内部壳体，所述的马氏体铸钢含有(以重量计)：0.06～0.16％的C、小于等于0.4％Si、小于等于1％Mn、8～12％Cr、0.2～0.9％Ni、0.05～0.3％V、0.01～0.15％Nb、0.01～0.08％N、小于等于1％的Mo、1～3％W、小于等于0.003％B，更优选含有(以重量计)：0.09～0.14％C、小于等于0.3％Si、0.40～0.70％Mn、8～10％Cr、0.4～0.7％Ni、0.15～0.25％V、0.04～0.08％Nb、0.02～0.06％N、0.40～0.80％Mo、1.4～1.9％W、0.001～0.0025％B，余量为Fe和不可避免的杂质，并且，优选含有小于等于0.15％Ta和小于等于0.1％的Zr中的至少一种。
构成内部壳体的铸钢，在620℃下10万小时蠕变断裂强度大于等于9kg/mm2，并且具有大于等于1kgf-m的室温冲击吸收能量，而且焊接性良好。进而，为了确保更高的可靠性，优选在625℃下10万小时蠕变断裂强度大于等于10kgf/mm2，并且室温冲击吸收能量大于等于2kgf-m。
本发明涉及的外部和内部套管的制造方法是，用电炉熔炼以各铸钢作为目标组成的合金原料，进行钢包精炼，然后用砂型铸模浇铸成型。优选的是，在浇铸成型后，在1000～1150℃下退火，进行加热至1000～1100℃后急速冷却的正火热处理，分别在550～750℃和670～770℃进行2次回火。
本发明的目的是，通过将晶粒均一细化的离心铸造材料用于管道，可以实现更高温化，并且，提供由提高了管道可靠性的离心铸造管道构成的汽轮机用管道及其制造方法，以及使用该管道的汽轮机用主蒸气管道和再热管道以及汽轮机发电设备。
附图说明
图1是表示应力与断裂时间之间关系的曲线图。
图2是超声波探伤的示意图。
图3是超声波反射的回声示意图。
图4是本发明涉及的高中压一体型汽轮机的断面图。
图5是图4的左侧面图。
图6是本发明涉及的弯管接头的离心铸造制造装置的断面图。
图中，13是高中压一体型转子轴，16是高压侧转动叶片，17是中压侧转动叶片，18是高压侧内部壳体，19是高压侧外部壳体，20是中压侧内部壳体，21是中压侧外部壳体，23是轴承，25是凸缘，27是喷嘴室，28是主蒸气管道，29是直线部，30是弯管，31是外部壳体的连接部，32、33是焊接部，41是旋转铸模，42是金属熔液，43是浇包。
具体实施方式
下面，通过具体的实施例详细地说明用于实施本发明的最佳方案，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
在本实施例中，使旋转铸模以约800rpm旋转，将在浇包中准备好的熔融液浇注到旋转铸模中，经过凝固得到离心铸管。通过调整转速、容量、铸模尺寸，可以得到具有各种直径、壁厚、长度的离心铸管。为了能够耐受剧烈的热冲击，该铸模材料使用碳素钢的锻钢，在其内表面涂布陶瓷粉末的涂层。可以通过涂层材料和其厚度来控制所得到的离心铸管的晶粒度大小。本实施例的离心铸管为外径450mm×内径250mm×长度1000mm。
表1表示本发明涉及的离心铸造管、锻造管及普通铸造管的化学组成(质量％)。分别在高频熔炉中熔炼各个试样，然后，浇注到旋转铸模中进行离心铸造而得到离心铸造管，通过热锻而形成锻造管。
试样No.1～No.13是本发明的离心铸造材料，No.20是用于比较的锻造材料，No.21～No.24是用于比较的普通铸造材料。所有试样都是在淬火后进行2次回火处理而形成。在各处理中，所进行的淬火处理是，在1050℃加热保持10分钟，然后空冷处理；回火处理是，在770℃加热保持1小时后空冷处理以及在740℃加热保持1小时后炉冷处理的2次处理。
                                            表1
  No.   C   Si   Mn   P   S   Ni   Cr   Mo   W   Co   Nb   V   N   B   Al   Fe
  1   0.12   0.30   0.46   0.005   0.004   0.5   10.8   1.3   0.3   -   0.06   0.20   0.045   -   0.012   余量
  2   0.12   0.34   0.48   0.005   0.004   0.6   10.7   1.4   0.4   1.2   0.07   0.21   0.045   -   0.008   余量
  3   0.10   0.29   0.61   0.004   0.004   0.5   11.0   0.8   2.1   1.1   0.08   0.25   0.021   0.008   0.007   余量
  4   0.13   0.28   0.54   0.005   0.004   0.2   10.2   0.3   2.5   2.5   0.07   0.21   0.022   0.012   0.004   余量
  5   0.25   0.42   0.44   0.005   0.004   1.8   11.2   2.1   0.3   2.4   0.15   0.25   0.062   0.013   0.003   余量
  6   0.35   0.54   0.46   0.004   0.005   2.2   11.5   2.5   -   -   0.20   0.23   0.075   -   0.003   余量
  7   0.15   0.32   0.45   0.005   0.005   2.1   11.0   2.1   -   -   0.12   0.25   0.065   -   0.002   余量
  8   0.15   0.45   0.52   0.005   0.004   0.5   8.7   1.3   0.3   -   0.06   0.20   0.043   -   0.040   余量
  9   0.12   0.44   0.41   0.004   0.004   0.2   8.6   0.3   2.6   2.5   0.07   0.25   0.025   0.012   0.008   余量
  10   0.11   0.48   0.51   0.005   0.005   0.5   8.4   0.8   2.2   -   0.07   0.19   0.022   0.009   0.024   余量
  11   0.36   0.47   0.50   0.005   0.005   0.8   9.2   0.8   2.3   1.5   0.42   0.25   0.051   -   0.035   余量
  12   0.11   0.35   0.48   0.005   0.004   0.5   8.5   0.9   2.1   1.2   0.07   0.25   0.028   0.002   0.024   余量
  13   0.08   0.34   0.42   0.011   0.011   0.35   8.97   0.97   -   -   0.11   0.24   0.044   -   0.030   余量
  20   0.08   0.34   0.49   0.005   0.004   0.09   8.3   0.9   -   -   0.07   0.23   0.059   -   0.011   余量
  21   0.08   0.34   0.49   0.005   0.004   0.09   8.3   0.9   -   -   0.10   0.25   0.045   -   0.011   余量
  22   0.10   0.24   0.44   0.005   0.001   0.04   8.7   0.8   2.1   -   0.11   0.24   0.044   -   0.014   余量
  23   0.12   0.34   0.41   0.005   0.005   0.25   11.2   0.5   2.1   -   0.08   0.22   0.055   0.0008   0.025   余量
  24   0.11   0.22   0.51   0.004   0.004   0.20   10.5   0.21   2.6   2.5   0.06   0.25   0.020   0.0120   0.008   余量
表2是表示本发明涉及的离心铸造管和普通铸造管的拉伸试验及在600℃下10万小时蠕变断裂试验的结果。如表2所示，本发明涉及的离心铸造材料，由金属模具的外周面进行急速冷却，具有从其外周面沿径向生长至内周面的柱状晶，与径向垂直的面的晶粒度级别数为6.8～9.5，与普通铸造材料的1.8～3.3相比显著地细化，具有与相同合金组成的锻造材料的晶粒度级别数8.0同等的晶粒直径。普通铸造材料为粗大的晶粒，并且还是复合晶粒。另外，本发明涉及的离心铸造材料的与径向垂直的面的平均晶粒直径为约15～35μm，但由于该离心铸造材料具有一定厚壁，因而柱状晶并不是完全笔直的棒状，而是相互纠缠形成，所以具有前面所述的高的高温强度。
                                          表2
No.   晶粒度No.   抗拉强度(MPa)   延伸率(％)   断面收缩率(％)  蠕变断裂强度*(MPa)
  1   7.5   725   21   66  102.5
  2   8.8   730   20   59  101.1
  3   9.2   755   19   58  101.5
  4   8.7   764   20   61  98.6
  5   7.8   784   22   63  100.6
  6   8.5   721   20   57  99.8
  7   6.8   681   23   70  98.2
  8   8.5   694   20   56  98.9
  9   7.2   674   22   64  99.8
  10   8.4   682   22   66  99.7
  11   8.6   666   22   64  99.9
  12   9.5   715   21   62  100.4
  13   7.8   660   25   68  88.8
  20   8.0   676   25   75  74.6
  21   2.2   582   17   48  85.6
  22   3.3   594   17   52  92.6
  23   1.8   542   16   44  74.1
  24   2.5   522   18   46  82.5
*600℃、105小时断裂强度
另外，如表2中所示，本发明涉及的离心铸造材料的抗拉强度为660～784MPa，比普通铸造材料的522～594MPa高，与锻造材料的676MPa相当或者更高。另外，本发明涉及的离心铸造材料的拉伸延伸率为19～25％，比普通铸造材料的16～18％高，断面收缩率为56～70％，比普通铸造材料的44～52％高，与锻造材料相当。
此外，就蠕变断裂强度来说，本发明涉及的离心铸造材料为88.8～102.5MPa，与普通铸造材料的74.1～92.6MPa相比，对于相同的合金组成也要高，对于锻造材料的74.6MPa来说，在相同合金组成时更高。
图1表示本发明涉及的离心铸造材料No.13和锻造材料No.20在600℃的蠕变断裂曲线图。这些离心铸造材料No.13和锻造材料No.20具有几乎相同的合金组成。如图1所示，本发明涉及的离心铸造材料No.13与锻造材料No.20相比，在600℃下一直到4000小时两者都几乎相同，但是在此之后本发明涉及的离心铸造材料No.13的斜率变小，在长时间侧具有更高的蠕变断裂强度。另外，在650℃下，不管是在短时间还是在长时间侧，都显示出本发明涉及的离心铸造材料No.13比锻造材料No.20具有更高的蠕变断裂强度。
图2是表示超声波探伤中相对于被检体的超声波探头、探伤范围及缺陷的关系的断面图。图3是以往的普通铸造钢采用超声波探伤的反射回声的示意图及本发明涉及的离心铸造钢采用超声波探伤的反射回声的示意图。
被检体使用9％Cr铸钢的普通铸造材料(a)(晶粒度级别数No.1～4；平均粒度级别数2.8)和通过离心铸造制作的9％Cr铸钢的离心铸造材料(b)(晶粒度级别数No.7～8；平均晶粒度级别数7.6)，所有的被检体都在底面引入同样的人工缺陷，然后比较超声波探伤的精度。使用钛酸钡的陶瓷振子的超声波探头2的操作速度控制在不超过每秒150mm的范围，探伤频率为2MHz，接触介质使用甘油。
具有晶粒度级别数No.1～4范围的普通铸造材料(a)，由于形成粗大晶粒与细小晶粒混合存在的复合晶粒组织，因异常反射而引起噪声及因透过能下降引起缺陷回声振幅下降的影响，无法得到足够的检测精度。另一方面，晶粒度级别数No.7～8的离心铸造材料(b)，由于形成了仅有细小晶粒且具有均匀晶粒的组织，因此不会产生噪声、缺陷回声振幅下降的问题，可以得到足够的检测精度。由此可知，在离心铸造材料的超声波检查中，由于其组织的完善程度，能够以高精度检测出其缺陷，检测精度高。
根据本实施例，超声波探伤检查中的缺陷检测精度高，定期检查容易，并且管道的可靠性高。
如上所述，本发明的离心铸造材料形成了均匀的细晶粒组织，在大致相同的化学组成的情况下进行比较时，强度、延展性和韧性优于普通铸造材料，常温抗拉强度及10万小时蠕变断裂强度也具有优异的值，能够得到作为汽轮机用管道所必须的所有特性。
在本实施例中，通过将晶粒均一地细化的离心铸造材料用于管道，能够实现更高温化，另外，可以得到由管道可靠性高的离心铸造管形成的汽轮机用管道。
实施例2
表3表示600℃的高中压一体型汽轮机的材料构成和使用其的发电设备的构成。如表中所示，在(A)中，通过由高中压一体型汽轮机和与其联机的1台低压汽轮机(LP)旋转的发电机G来进行发电。在(B)中，通过由高中压一体型转子轴和与其联机的2台低压汽轮机(LP)旋转的发电机G来进行发电。另外，在表3示出高压侧初级转动叶片的构造、低压汽轮机最终级转动叶片的材料以及高中压转子轴的材料等。
表3
Figure A20061010028300161
TCDF-43：串联双流排气，使用43英寸长叶片
HP：高压部，IP：中压部，LP：低压部，R/H：再热器(锅炉)
图4是表示使用了由离心铸造制作的主蒸气管道的、输出功率600MW的高中压一体汽轮机的一例的总体构成图。高压侧汽轮机(HP)具有内部壳体18、在其外侧的外部壳体19以及高压侧转动叶片16，中压侧汽轮机(IP)具有内部壳体20、在其外侧的外部壳体21以及高压侧转动叶片17，并且设置有嵌入了这些转动叶片的高中压一体型转子轴13。
高温高压主蒸气由锅炉得到，锅炉侧的主蒸气管道连接到凸缘25，该主蒸气由高中压一体型汽轮机侧的主蒸气管道28，经过高中压一体型汽轮机的主蒸气入口，通过喷嘴箱27导入高压侧转动叶片16的初级段。高中压一体型汽轮机在图中左侧的高压侧具有8级高压侧转动叶片16，在图中右侧约一半的中压侧设有6级转动叶片。与这些转动叶片对应设置有各个静止叶片。这些转动叶片为鞍形或者木屐(ゲタ)型的楔形样式双雄榫，高压侧初级叶片长度约40mm，中压侧初级叶片长度约100mm。
中压侧汽轮机，将从高压侧汽轮机排出的蒸气用再热器(R/H)再度加热到600℃，利用该蒸气与高压侧汽轮机一起旋转发电机G，以3000RPM的转速旋转。
图5是表示从图4的左侧观察的高中压一体型汽轮机的一例的部分构成图。如图所示，高温高压的主蒸气是通过高中压一体型汽轮机侧的主蒸气管道28供给。在本实施例中，主蒸气管道28具有凸缘25、直线部29和弯管30，凸缘25和直线部29是通过离心铸造形成的一体结构。直线部29和弯管30通过形成坡口后由堆焊焊接形成的焊接部32而形成一体。另外，主蒸气管道28的弯管30和外部壳体19的连接部31通过在形成于其上的坡口堆焊焊接形成的焊接部33成为一体。
图6是通过离心铸造形成主蒸气管道的凸缘与直线部成为一体结构的离心铸造制造装置的构成图。如图6所示，旋转铸模41由具有形成凸缘25的部分和形成直线部29的部分的金属模具构成。旋转铸模41以规定转速旋转，将在浇包43中的金属熔液42浇注到旋转铸模41内，使之凝固，得到具有凸缘25的离心铸管。通过调整转速、容量、铸模尺寸，可以得到具有各种不同直径、壁厚、长度的离心铸造管。为了能够耐受急剧的热冲击，该铸模材料使用碳素钢的锻钢，在其内表面上涂布陶瓷粉末的涂层。通过涂层的材料及其厚度，可以控制所得到离心铸造管的晶粒度大小。直线部29具有实施例1的直径和内径，长度为1m左右。
本实施例的主蒸气管道28的凸缘25和直线部29，是使用实施例1的表1的No.8的组成制作而成，直线部29具有径向的柱状晶，如前面的表2所示，室温的抗拉强度为694MPa，在600℃下10万小时蠕变断裂强度为98.9MPa。使用前采用超声波探伤检测出的缺陷尺寸，最大的等价直径为1.4mm，远远小于断裂力学规定的最大允许缺陷的大小，能够使用100万小时以上。
弯管30由表1所示的No.20的锻造材料形成，相对于直线部29，使用相同组织金属的焊接材料，在坡口内堆焊焊接而互相连接，形成主蒸气管道28。另外，主蒸气管道28，使用焊条采用TIG焊接堆焊焊接到由含有(以重量计)0.06～0.2％C、1.5～2.5％Cr、0.5～1.5％Mo、0.05～0.3％V和0.005～0.03B的马氏体铸钢构成的外部壳体19上，所述的焊条由不含B的该马氏体钢构成。
在本实施例中，由于使用提高了超声波探伤试验的缺陷检测精度的离心铸造管道，可以减少检查成本，延长部件寿命，同时提高设备的可靠性。
另外，如表3所示，具有如图4所示的、将从高中压一体汽轮机的高压部出来的蒸气进行再热(R/H)后输送到高中压一体汽轮机的中压部的再热管道24，在本实施例中，该再热管道24与前面所述的主蒸气管道28同样，也可以使用具有相同的合金组成、同样采用离心铸造制造并进行热处理而得到的材料，这样，可以得到具有更高可靠性的汽轮机发电设备。
另外，在本实施例中，作为将供给的高温高压主蒸气从锅炉侧输送至高中压一体汽轮机之间的主蒸气管道，可以使用相同组织金属的焊接材料形成有凸缘或者无凸缘的整体结构。该主蒸气管道可以制成具有前面所述的直径和内径并且长度大于等于1m的材料。
如上所述，在本实施例中，通过将晶粒均匀地细化的离心铸造材料用于管道，可以实现更高温化，另外，由于提高了管道的可靠性，可得到具有更高可靠性的汽轮机发电设备。
实施例3
在本实施例中，使用高压汽轮机和中压汽轮机代替高中压一体型汽轮机，在表3(B)所示的结构中，将(HP)和(IP)分别置换成高压汽轮机和中压汽轮机，形成交叉双轴式结构(CC4F)，通过高压汽轮机和中压汽轮机驱动发电机G转动，同时，由2台低压汽轮机旋转发电机G。
高压汽轮机和中压汽轮机都具有外部壳体和内部壳体，具有与实施例2相同的材料构成。所述的高温高压主蒸气由锅炉得到，通过主蒸气管道，经过前面所述同样地焊接连接在高压汽轮机的外部壳体上的弯管，通过喷嘴箱导入到初级转动叶片。初级为双流，只在一侧设置有8级。与这些转动叶片相对应，设置有各个静止叶片。
在本实施例中，主蒸气管道的凸缘和直线部与实施例2同样地采用离心铸造制成，被焊接连接到由具有与上述同样的晶体组织和机械特性的并且具有相同合金组成的锻造材料构成的弯管上，连接在外部壳体上。因此，在本实施例中，通过将晶粒均匀地细化的离心铸造材料用于管道，可以实现更高温化，另外，由于提高了管道的可靠性，可以得到具有更高可靠性的汽轮机发电设备。
并且，将从高压汽轮机出来的蒸气进行再热后供给到中压汽轮机的再热管道以及直至锅炉侧高压汽轮机的主蒸气管道，也可以与实施例2同样地构成。
实施例4
在本实施例中，将高压汽轮机的蒸气温度定为538℃，对于该温度，主蒸气管道和再热管道使用具有(以质量计)0.09～0.20％C、0.15～0.75％Si、0.20～1.00％Mn、小于等于0.50％Ni、0.9～1.65％Cr、0.80～1.30％Mo、0.05～0.35％V、余量为Fe的钢。在本实施例中，与实施例2同样地通过离心铸造制造主蒸气管道和再热管道。这些管道是，通过在1025～1075℃加热并保持，然后风冷，在690～730℃下加热并保持，然后进行炉冷，形成贝氏体组织。主蒸气管道具有锅炉侧的直至高压汽轮机之间的部分及高压汽轮机侧的部分，与实施例2同样，高压汽轮机侧部分具有除了弯管的凸缘和直线部。
本实施例中，主蒸气管道具有与实施例2同样的晶体组织，并被焊接连接到由具有相同合金组成的锻造材料所构成的弯管上，通过弯管连接到外部壳体上。因此，在本实施例中，通过将晶粒均匀地细化的离心铸造材料用于管道，能够提高管道的可靠性，得到具有更高可靠性的汽轮机发电设备。

Claims (17)

1.汽轮机用管道，其特征在于，由马氏体钢离心铸造材料构成，所述的马氏体钢离心铸造材料具有在与径向垂直的面上的晶粒度级别数大于等于5的径向的柱状晶粒。
2.根据权利要求1所述的汽轮机用管道，其特征在于，所述的马氏体钢以质量计含有：0.05～0.5％C、小于等于1.0％的Si、0.05～1.5％Mn、0.01～2.5％Ni、8.0～13.0％Cr、0.05～2.5％Mo、小于等于3.0％的W、0.05～0.35％V以及0.01～0.5％Nb，Co小于等于5％、N为0.01～0.1％、B小于等于0.03％、Al小于等于0.05％。
3.根据权利要求1所述的汽轮机用管道，其特征在于，所述的马氏体钢以质量计含有：0.07～0.20％C、0.2～0.6％Si、0.3～0.7％Mn、0.2～0.8％Ni、8.0～13.0％Cr、0.9～1.8％Mo、0.1～0.7％W、0.05～0.35％V、0.01～0.3％Nb、0.01～0.1％N、0.005～0.02％Al，余量由不可避免的杂质和铁构成。
4.根据权利要求1所述的汽轮机用管道，其特征在于，所述的马氏体钢以质量计含有：0.07～0.20％C、0.2～0.6％Si、0.3～0.7％Mn、0.2～0.8％Ni、8.0～13.0％Cr、0.5～1.2％Mo、1.0～3.0％W、0.05～0.35％V、0.01～0.3％Nb、0.5～2.0％Co、0.01～0.1％N、0.003～0.02％B、0.005～0.02％Al，余量由不可避免的杂质和铁构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的汽轮机用管道，其特征在于，所述的离心铸造材料在600℃下10万小时的平滑蠕变断裂强度大于等于95MPa，并且常温抗拉强度大于等于570MPa。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的汽轮机用管道，其特征在于，所述的离心铸造材料至少在一个端部具有凸缘部。
7.汽轮机用管道的制造方法，其特征在于，将钢包精炼的铁素体系熔融钢水浇注到内表面上形成陶瓷涂层的旋转圆筒金属模具中，进行离心铸造，形成与径向垂直面上的晶粒度级别数大于等于5的径向的柱状晶粒。
8.根据权利要求7所述的汽轮机用管道的制造方法，其特征在于，所述的熔融钢水以质量计含有：0.05～0.5％C、小于等于1.0％Si、0.05～1.5％Mn、0.01～2.5％Ni、8.0～13.0％Cr、0.05～2.5％Mo、小于等于3.0％的W、0.05～0.35％V以及0.01～0.5％Nb，并且Co小于等于5％、N为0.01～0.1％、B小于等于0.03％、Al小于等于0.05％。
9.汽轮机用管道的制造方法，其特征在于，将具有与径向垂直面上的晶粒度级别数大于等于5的径向柱状晶粒的铁素体系钢的离心铸造材料，加热至奥氏体化温度并保持，然后急速冷却，接着进行2次回火处理，形成马氏体组织。
10.根据权利要求9所述的汽轮机用管道的制造方法，其特征在于，所述的奥氏体化温度是1000～1100℃，冷却为空冷或者风冷，所述的2次回火处理温度是550～780℃，第1次的所述回火的冷却为空冷，第2次的所述回火的冷却为炉冷。
11.根据权利要求9或10所述的汽轮机用管道的制造方法，其特征在于，所述的离心铸造材料以质量计含有：0.05～0.5％C、小于等于1.0％的Si、0.05～1.5％Mn、0.01～2.5％Ni、8.0～13.0％Cr、0.05～2.5％Mo、小于等于3.0％的W、0.05～0.35％V、0.01～0.5％Nb以及0.01～0.1％N，并且Co小于等于5％、B小于等于0.03％、Al小于等于0.05％。
12.汽轮机用主蒸气管道，其特征在于，将高温高压的主蒸气输送到高压汽轮机或者高中压一体汽轮机的主蒸气管道，是由权利要求1～6中任一项所述的汽轮机用管道或者通过权利要求7～11中任一项所述的汽轮机用管道的制造方法制造的汽轮机用管道构成。
13.汽轮机用再热管道，其特征在于，将从高压汽轮机出来的蒸气进行再热后输送到中压汽轮机的再热管道或者将从高中压一体汽轮机的高压部出来的蒸气进行再热后输送到所述高中压一体汽轮机的中压部的再热管道，是由权利要求1～6中任一项所述的汽轮机用管道或者通过权利要求7～11中任一项所述的汽轮机用管道的制造方法制造的汽轮机用管道构成。
14.汽轮机发电设备，具备高压汽轮机、中压汽轮机和1台低压汽轮机，或者具备高压汽轮机、中压汽轮机和串联结合的2台低压汽轮机，其特征在于，在该汽轮机发电设备中具有下述两种情况中的至少一种：将高温高压的主蒸气输送到所述高压汽轮机的主蒸气管道由权利要求12所述的汽轮机用主蒸气管道构成，将从所述高压汽轮机出来的蒸气进行再热后输送到所述中压汽轮机的再热管道由权利要求13所述的汽轮机用再热管道构成；所述主蒸气管道通过弯管焊接连接到所述高压汽轮机的外部壳体上。
15.汽轮机发电设备，具备高中压一体汽轮机和1台低压汽轮机，或者具备高中压一体汽轮机和串联结合的2台低压汽轮机，其特征在于，在该汽轮机发电设备中具有下述两种情况中的至少一种：将高温高压的主蒸气输送到所述高中压一体汽轮机的主蒸气管道由权利要求12所述的汽轮机用主蒸气管道构成，将从所述高中压一体汽轮机的高压部出来的蒸气进行再热后输送到所述高中压一体汽轮机的中压部的再热管道由权利要求13所述的汽轮机用再热管道构成；所述主蒸气管道通过弯管焊接连接到所述高中压一体汽轮机的外部壳体上。
16.根据权利要求14或15所述的汽轮机发电设备，其特征在于，所述的外部壳体由以重量计含有0.06～0.2％C、1.5～2.5％Cr和0.5～1.5％Mo的马氏体铸钢构成。
17.根据权利要求14～16中任一项所述的汽轮机发电设备，其特征在于，所述的高压汽轮机或高中压一体汽轮机在所述外部壳体的内部具有内部壳体，该内部壳体由以重量计含有0.09～0.14％C、小于等于0.3％的Si、0.40～0.70％Mn、8～10％Cr、0.4～0.7％Ni、0.15～0.25％V、0.04～0.08％Nb、0.02～0.06％N、0.40～0.80％Mo、1.4～1.9％W和0.001～0.0025％B的马氏体铸钢构成。
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