JP2001041140A

JP2001041140A - 水力機械用羽根車及び水力機械

Info

Publication number: JP2001041140A
Application number: JP11217089A
Authority: JP
Inventors: Munetoshi Zen; 宗利善; Toshio Hattori; 敏雄服部; Katsumasa Shinmei; 克眞震明; Hiroshi Kuwabara; 広桑原; Toru Nishio; 徹西尾
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2001-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】防食効果を長期にわたって維持できる異種鋼
材を溶接してなる水力機械用羽根車を提供する。【解決手段】炭素鋳鋼からなる支持部材５に、ステン
レス鋼溶接材を略平板状に肉盛して少なくとも１層の被
覆層１３を形成し、この被覆層１３にステンレス鋼から
なる羽根３を溶接し、少なくとも被覆層１３に接する支
持部材５の表面に炭素鋼からなる溶接材を肉盛して犠牲
陽極１９を形成する。このようにすれば、キャビテーシ
ョン作用などに対する耐磨耗性を有するため、磨耗によ
る消耗速度の遅い犠牲陽極１９により、羽根車の防食を
長期にわたって維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水力機械用羽根車
に係り、特に、異種鋼材で構成された水力機械用羽根車
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のランナやインペラなどの水力機械
用羽根車は、炭素鋳鋼やステンレス鋼などの一体鋳造に
より製造されている。キャビテーションなどによる羽根
車の磨耗や腐食などに対する耐性が必要な場合は、ステ
ンレス鋼で一体成形された羽根車を用いているが、ステ
ンレス鋼製の羽根車は、炭素鋳鋼製の羽根車に対し高価
である。ところが、実際にキャビテーションなどによる
磨耗や腐食などが発生するのは羽根の部分であり、羽根
の支持部材などは、ステンレス鋼である必要がない。こ
のため、耐磨耗性や防食性を必要とする羽根をステンレ
ス鋼で、その他の支持部材などを安価な炭素鋳鋼で形成
し、各部材を溶接して羽根車を製造することにより、羽
根車のコストを低減することが望まれている。また、最
近の水力機械の大容量化に伴い、羽根車が大型化する傾
向にあるが、大型の羽根車を一体鋳造することは難しい
ため、羽根や支持部材などを別々に形成し、これらの各
部材を溶接することで羽根車を形成する必要が生じてい
る。このような炭素鋳鋼とステンレス鋼などの異種鋼材
からなる部材をエレクトロスラグ溶接法により一体化す
ることで羽根車を製造する方法が特開平６３−２５２６
８４号公報に提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ステンレス
鋼からなる羽根を、炭素鋳鋼からなる羽根の支持部材な
どに溶接して羽根車を形成した場合、ステンレス鋼と炭
素鋳鋼との間に生じる電位差により、電位の卑な金属と
なる炭素鋳鋼製の支持部材の溶接部や溶接部に隣接する
領域などに腐蝕、すなわち異種金属接触腐食が発生し、
応力腐食割れなどを引き起す。

【０００４】このような異種金属接触腐食を防ぐ方法と
して、鉄管などにおいて、鉄よりも電位の卑な金属であ
る亜鉛、アルミニウム、またはマグネシウムを主体とし
た合金などで形成した犠牲陽極を形成し、この犠牲陽極
を腐食させることで鉄管などを防食する方法、いわゆる
流電陽極方式の電気防食法を適用することが考えられ
る。しかし、水力機械用の羽根車では、腐食による犠牲
陽極の消耗に加え、犠牲陽極が、常時、水の物理的な力
やキャビテーションの作用などを受けるため、磨耗によ
る消耗が起こる。したがって、耐磨耗性の低い亜鉛、ア
ルミニウム、またはマグネシウムを主体とした合金など
で形成された犠牲陽極では、水の物理的な力やキャビテ
ーションの作用などがない場合に比べて消耗速度が速く
なる。このような亜鉛、アルミニウム、またはマグネシ
ウムを主体とした合金などで形成された犠牲陽極を水力
機械用羽根車に適用した場合、短時間で犠牲陽極が消耗
するため、異種鋼材を溶接した水力機械用羽根車におい
て発生する腐食を長期にわたって防ぐことは難しく、十
分な防食効果が得られない。

【０００５】本発明の課題は、炭素鋳鋼の支持部材にス
テンレス鋼の羽根を溶接してなる羽根車の防食を長期に
わたって維持することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の水力機械用羽根
車は、以下の手段により上記課題を解決する。炭素鋳鋼
からなる支持部材にステンレス鋼からなる羽根を溶接
し、少なくとも溶接部に接する支持部材の表面に炭素鋼
からなる溶接材を肉盛する。このように羽根車を構成す
れば、肉盛された炭素鋼は、電位が炭素鋳鋼よりも卑な
金属となり犠牲陽極となるため、炭素鋳鋼からなる支持
部材を防食する。さらに炭素鋼は、耐磨耗性が高いた
め、犠牲陽極の磨耗による消耗速度を遅くできるので、
長期にわたって防食効果を維持することができる。

【０００７】また、炭素鋳鋼からなる支持部材に、ステ
ンレス鋼溶接材を略平板状に肉盛して少なくとも１層の
被覆層を形成し、この被覆層にステンレス鋼からなる羽
根を溶接し、少なくとも被覆層に接する支持部材の表面
に炭素鋼からなる溶接材を肉盛すれば、溶接部の耐磨耗
性、防食性、硬度などの低下を防ぐことができるので好
ましい。

【０００８】さらに、少なくとも被覆層と、この被覆層
の端部から一定の範囲にある支持部材の表面とを炭素鋼
からなる溶接材で覆うことが好ましい。さらに、溶接部
から支持部材の表面にわたる一定の範囲を覆うことが好
ましい。

【０００９】また、炭素鋳鋼からなる支持部材に、オー
スティナイト系ステンレス鋼溶接材を略平板状に肉盛し
て第１の被覆層を形成し、この第１の被覆層上にマルテ
ンサイト系ステンレス鋼溶接材を略平板状に肉盛して第
２の被覆層を形成し、この第２の被覆層にマルテンサイ
ト系ステンレス鋼からなる羽根を溶接し、少なくとも第
１の被覆層に接する支持部材の表面に炭素鋼からなる溶
接材を肉盛することでも、溶接部の耐磨耗性、防食性、
硬度などの低下を防ぐことができるので好ましい。

【００１０】さらに、少なくとも第１の被覆層と第２の
被覆層と、第１の被覆層の端部から一定の範囲にある支
持部材の表面とを炭素鋼からなる溶接材で覆うことが好
ましい。さらに、溶接部から支持部材の表面にわたる一
定の範囲を覆うことが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用してなる水力
機械用羽根車の一実施形態を図１乃至図４を参照して説
明する。図１は、本発明を適用してなる水力機械用羽根
車の斜視図である。図２（ａ）は、水力機械用羽根車の
平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａからの矢視図であ
る。図３、図４は、図２（ａ）のＢ−Ｂでの水力機械用
羽根車の部分断面図である。

【００１２】本実施形態の羽根車１は、ポンプ用羽根車
であり、図１に示すように、羽根３、クラウン５、バン
ド７を溶接して形成されている。羽根３は、１３％クロ
ム５％ニッケル系ステンレス圧延鋼材、すなわちマルテ
ンサイト系ステンレス圧延鋼材から成形されたものであ
り、羽根３の両側の縁部に形成され、クラウン５とバン
ド７とに接合される接合面８は、各々開先加工を施され
て溶接される。羽根３の支持部材であるクラウン５は、
炭素鋳鋼であるＳＣＷ４８０で鋳造されたものであり、
図２に示すように、中央部に向かって漸次厚みが増し、
頂部に平面を有する略円錐状に形成されており、クラウ
ン５の斜面には、クラウン３の中央部から円周部に向か
って、同方向に湾曲した弧状の複数の羽根３が溶接によ
り接合されている。なお、クラウン５の軸心部には、図
示していないモータなどの駆動手段の駆動軸を挿入する
ための貫通穴９が設けられている。バンド７は、炭素鋳
鋼であるＳＣＷ４８０で鋳造され、クラウン５の斜面に
沿うように一端から他端に向かって開口が漸次縮径する
リング状の部材であり、溶接により羽根３と接合されて
いる。なお、クラウン５とバンド７とは、羽根３で仕切
られた複数のダクト状構造を形成している。

【００１３】羽根３とクラウン５、及び羽根３とバンド
７の溶接は、ほぼ同じ工程であるため、以下の説明で
は、羽根３とクラウン５との溶接を例として説明する。
まず、クラウン５の溶接側の面１１に、図３に示すよう
に、羽根３と同等材からなるマルテンサイト系ステンレ
ス鋼溶接材をバタリング材として肉盛溶接、すなわちバ
タリングして厚さ数ｍｍ程度の略平板状の被覆層１３を
形成する。次に、羽根３と被覆層１３とを、バタリング
材として用いたマルテンサイト系ステンレス鋼溶接材を
用いて溶接する。最終溶接として、溶接部１５に形成さ
れた溶接金属１７の被覆層１３に隣接する部分から、ク
ラウン５の面１１の被覆層１３に隣接する部分にかけ
て、被覆層１３を覆うように炭素鋼からなる溶接材を化
粧盛り溶接して犠牲陽極１９を施す。このとき、犠牲陽
極１９は、クラウン５の面１１の、被覆層１３の端部か
らの距離Ｌが７ｍｍ以内の領域に形成されている。犠牲
陽極１９を形成するための炭素鋼溶接材には、軟鋼用ア
ーク溶接フラックス入りワイヤや軟鋼用被覆アーク溶接
棒など様々な一般的な炭素鋼溶接材を用いることができ
る。また、犠牲陽極１９は、溶接部１５の見た目上の仕
上げが問題にならない場合には、化粧盛り溶接で形成す
る必要はない。

【００１４】なお、被覆層１３は、羽根３を構成するマ
ルテンサイト系ステンレス鋼のクロムが、クラウン５を
構成する炭素鋳鋼の炭素と結合して脱炭層を形成するこ
とにより、溶接部１５のクロムの濃度が減少し、溶接部
１５の耐磨耗性、防食性、硬度などが低下することを防
ぐため、すなわち溶接部１５の品質保全のために設けら
れている。また、被覆層は、図４に示すように、２種類
の材料を順次バタリングして２層の被覆層１３、２１を
形成するようにしてもよい。この場合、クラウン５の面
１１に１層目としてクロムリッチなＳＵＳ３０９Ｍｏ、
すなわちオースティナイト系ステンレス鋼溶接材をバタ
リング材としてバタリングして略平板状の被覆層２１を
形成し、被覆層２１上に２層目として羽根３と同等材か
らなるマルテンサイト系ステンレス鋼溶接材をバタリン
グして略平板状の被覆層１３を形成した後、羽根３と被
覆層１３とを溶接すればよい。なお、被覆層は、溶接部
１５に必要とされる品質に応じて構成すればよく、溶接
部１５の品質に問題がなければ、被覆層を１層にした方
が溶接工程の工数や材料を減らせるため、羽根車１の製
造コストを低減できる。

【００１５】ここで、表１に、本実施形態の羽根車１を
構成する材料の化学成分を示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１に示すような組成の鋼材、溶接材から
なる各部、さらに犠牲陽極１９を形成する犠牲陽極用炭
素鋼の腐食電位を試験した結果の一例を表２に示す。本
試験は、羽根３、クラウン５、バンド７、被覆層１３、
２１、犠牲陽極１９などの各部から試験片を切出し、研
磨後、電位測定用参照電極にＡｇ／ＡｇＣｌ電極を用
い、ポテンショスタットにより室温淡水中での腐食電位
測定を行ったものである。

【００１８】

【表２】

【００１９】表２より、１３％クロム５％ニッケル系ス
テンレス圧延鋼材、１３％クロム５％ニッケル系ステン
レス鋼溶接材、１３％クロム５％ニッケル系ステンレス
鋼バタリング材、ＳＵＳ３０９Ｍｏバタリング材は、
同程度の腐食電位であるのに対し、炭素鋳鋼材であるＳ
ＣＷ４８０と犠牲陽極１９の炭素鋼とは他に比べて腐食
電位が５割以上も小さいことが分かる。

【００２０】ところで、異種金属接触腐食では、例えば
最も電位が卑な金属を鉄とすると、次式（１）に示すよ
うなアノード反応が起こり、腐食が発生する。また、式
（１）の鉄のイオン化で余った電子は、溶存酸素と水と
反応し、次式（２）に示すようなカソード反応を起こ
す。

【００２１】

【化１】

【００２２】

【化２】

【００２３】このため、本実施形態の羽根車１におい
て、表２に示すように、最も電位が卑な金属、つまり炭
素鋼からなる犠牲陽極１９が式（１）のアノード反応を
起すことにより、犠牲陽極１９は、犠牲陽極１９を形成
していない場合に最も卑な金属であるＳＣＷ４８０から
なるクラウン５及びバンド７の面１１の被覆層１３また
は２１との境界部分や隣接部分などでアノード反応によ
り発生する腐食を阻止する。さらに、マルテンサイト系
ステンレス鋼からなる羽根３や溶接金属１７などの溶接
部１５近傍のカソードとなる部分には、式（２）のカソ
ード反応により生成したＯＨイオン（ＯＨ-）が、水中
のＣａイオン（Ｃａ²+）やＭｇイオン（Ｍｇ²+）と反応
してアルカリ性のＣａＣＯ₃やＭｇ(ＯＨ)₂の電解皮膜が
形成される。このアルカリ性電界被膜が、溶接部１５や
溶接部１５に隣接する部分を覆い、これらの部分を防食
する。このように、犠牲陽極１９により、溶接部１５
や、クラウン５とバンド７の面１１の被覆層１３、２１
と接する部分や隣接する部分などを防食できるので、応
力腐食割れなどの発生を防止できる。

【００２４】表３に、クラウン５の面１１における、被
覆層１１の端部からの距離Ｌと電位との関係を測定した
試験の結果の一例を示している。

【００２５】

【表３】

【００２６】クラウン５の面１１の電位は、表３に示す
ように、被覆層１１から離れるほど減少することが分か
る。異種金属接触腐食は、接触する金属の電位に差が生
じることにより発生するため、ステンレス鋼材である羽
根３、溶接金属１７、そして被覆層１１、２１の電位よ
りも炭素鋳鋼であるクラウン５やバンド７の面１１の電
位の方が卑である領域に異種金属接触腐食が発生する恐
れがあり、その領域を覆うように犠牲陽極１９を形成す
ればよい。したがって、表２の各部材の腐食電位測定の
結果と表３の結果を併せると、本実施形態では、クラウ
ン５やバンド７の面１１の被覆層１１または２１の端部
からの距離Ｌがほぼ７ｍｍ以内となるように犠牲陽極１
９を形成することが望ましい。

【００２７】ところで、一般に犠牲陽極は、次式（３）
のような電流を発生して防食対象金属を流電陽極式の電
気防食、すなわちカソード防食している。

【００２８】Ｉｔ＝ΔＥ／Ｒ（３）ここで、Ｉｔは発生電流（全防食電流（Ａ））、ΔＥは
有効電位差（Ｖ）、Ｒは回路抵抗（Ω）である。また、
これら犠牲陽極の寿命は次式（４）より算出される。

【００２９】Ｔ＝ＫＷＱ／Ｉａ（４）ここで、Ｔは寿命（ｙｅａｒ）、Ｗは陽極体重量（ｋ
ｇ）、Ｑは有効発生電気量（Ａ・ｙｅａｒ／ｋｇ）、Ｉ
ａは陽極体当たりの平均発生電流（Ａ）、Ｋは陽極の有
効利用限界（防食技術便覧より０.８５程度）である。
したがって、防食に必要な陽極数量Ｎは、次式（５）に
より決められる。

【００３０】Ｎ＝Ｉｔ／Ｉａ（５）このように、犠牲陽極は、アノード反応により腐食して
消耗するため、メンテナンス周期などを考慮して必要な
大きさを決定する必要がある。従来のような亜鉛、アル
ミニウム、またはマグネシウムなどを主体とした合金な
どで形成した犠牲陽極を流水中で鉄の防食に用いた場
合、例えば、Ａｌ-Ｚｎ-Ｉｎ合金の鉄に対する有効電位
差は０.２５Ｖとなり、その理論発生電流値は、２.８７
Ａｈ／ｇとなる。鉄の所要防食電流が約１００ｍＡ／ｍ
²であるため、Ａｌ-Ｚｎ-Ｉｎ合金では、３０ｇ／ｍ²程
度の大きな犠牲陽極を必要とする。Ａｌ合金に対して比
較的消耗量の少ない亜鉛合金の犠牲陽極でも、単位面積
当たり４００ｇ／ｍ²は必要（防錆管、１９９６年１
月、「すき間腐食に対する亜鉛複合樹脂材料のカソード
防食特性」）となる。さらに、水力機械用羽根車のよう
に水の物理的な力やキャビテーションの作用などを受け
る場合には、磨耗による消耗も考慮しなければならない
が、亜鉛、アルミニウム、またはマグネシウムなどを主
体とした合金などは、例えばＡｌ合金では、ブリネル硬
さ（ＨＢ）が２３〜２８程度といったように、比較的硬
さが低い金属であり耐磨耗性が低いため、非常に大きな
犠牲陽極を形成しなければならなくなる。しかし、実際
には、構造体や羽根車などを備えた装置の設計や機能上
の制約などにより、犠牲陽極の大きさには限界があるた
め、亜鉛、アルミニウム、またはマグネシウムなどを主
体とした合金からなる犠牲陽極を羽根車などに設けた場
合、消耗速度が速く、短時間で犠牲陽極が消耗して異種
金属接触腐食などが発生し、応力腐食割れなどを引き起
こす。また、応力腐食割れの発生などを避けるために
は、頻繁に犠牲陽極などのメンテナンスを行なわなけれ
ばならず、水力機械を頻繁に停止させることになり好ま
しくない。

【００３１】これに対して、本実施形態の羽根車１で
は、ブリネル硬さ（ＨＢ）が１４０程度といったような
耐磨耗性の高い炭素鋼で犠牲陽極１９を形成しているた
め、犠牲陽極１９の消耗速度が遅い。さらに、炭素鋼か
らなる犠牲陽極１９は、表２に示されるように、発生電
流こそ少ないものの、羽根１３、溶接金属１７、被覆層
１３、２１などのステンレス鋼に対して、十分な電位差
を有するため、犠牲陽極として有効に作用して長期にわ
たり炭素鋳鋼からなるクラウン５やバンド７などを防食
できる。また、カソード反応により生成するアルカリ性
の電解皮膜は溶接部１５や溶接部１５に隣接する部分の
防食を長期にわたって維持することができる。

【００３２】また、本実施形態の羽根車１では、図２に
示すように、クラウン５とバンド７の間の羽根３によっ
て仕切られたダクト状構造の水の出入口付近が、キャビ
テーションが発生するキャビテーション発生位置２３で
ある。しかし、犠牲陽極１９は、出入口付近のキャビテ
ーション発生位置２３からはほとんどの部分が離れてお
り、一部が僅かにキャビテーション発生位置２３に接し
ているのみであり、犠牲陽極１９全体から見れば、キャ
ビテーション発生位置２３での犠牲陽極１９の摩耗量は
僅かである。このため、数年毎に実施される定期点検の
際に、犠牲陽極１９のキャビテーション発生位置２３に
位置する部分を補修溶接することで容易にメンテナンス
できる。さらに、本実施形態の羽根車１に形成した犠牲
陽極１９は、一般に入手しやすく安価な炭素鋼により形
成されているため、羽根車１を安価に抑えることができ
る。

【００３３】また、本実施形態では、炭素鋳鋼としてＳ
ＷＣ４８０、マルテンサイト系ステンレス鋼として１３
％クロム５％ニッケル系ステンレス鋼、そしてオーステ
ィナイト系ステンレス鋼としてＳＵＳ３０９Ｍｏを用い
たが、各々他の種類の炭素鋳鋼、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼、そしてオースティナイト系ステンレス鋼を用
いることができる。さらに、本発明は、羽根３などをオ
ースティナイト系ステンレス鋼で形成した場合などにも
適用できる。

【００３４】また、本実施形態の羽根車１は、羽根３、
クラウン５、そしてバンド７などで構成されたポンプ用
羽根車であったが、本発明は、これに限らず、例えば、
水力発電用羽根車など様々な用途の様々な構成の羽根車
に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用してなる水力機械用羽根車の一実
施形態の斜視図である。

【図２】（ａ）は、本発明を適用してなる水力機械用羽
根車の一実施形態の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ
からの矢視図である。

【図３】本発明を適用してなる水力機械用羽根車の一実
施形態の図２（ａ）Ｂ−Ｂでの部分断面図である。

【図４】本発明を適用してなる水力機械用羽根車の別の
実施形態の図２（ａ）Ｂ−Ｂでの部分断面図である。

【符号の説明】

１羽根車３羽根５クラウン７バンド１１溶接側の面１３，２１被覆層１５溶接部１７溶接金属１９犠牲陽極

フロントページの続き (72)発明者服部敏雄茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者震明克眞茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内 (72)発明者桑原広茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内 (72)発明者西尾徹大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内Ｆターム(参考） 3H072 AA02 BB03 BB05 BB09 CC31 CC42 CC43 CC92 CC93 CC94 4K060 AA02 BA14 BA43 BA45 EA20 EB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素鋳鋼からなる支持部材にステンレス
鋼からなる羽根を溶接し、少なくとも溶接部に接する前
記支持部材の表面に炭素鋼からなる溶接材を肉盛してな
る水力機械用羽根車。
【請求項２】炭素鋳鋼からなる支持部材に、ステンレ
ス鋼溶接材を略平板状に肉盛して少なくとも１層の被覆
層を形成し、該被覆層にステンレス鋼からなる羽根を溶
接し、少なくとも前記被覆層に接する前記支持部材の表
面に炭素鋼からなる溶接材を肉盛してなる水力機械用羽
根車。
【請求項３】少なくとも前記被覆層と、該被覆層の端
部から一定の範囲にある前記支持部材の表面とを炭素鋼
からなる溶接材で覆ってなることを特徴とする請求項２
に記載の水力機械用羽根車。
【請求項４】炭素鋳鋼からなる支持部材に、オーステ
ィナイト系ステンレス鋼溶接材を略平板状に肉盛して第
１の被覆層を形成し、該第１の被覆層上にマルテンサイ
ト系ステンレス鋼溶接材を略平板状に肉盛して第２の被
覆層を形成し、該第２の被覆層にマルテンサイト系ステ
ンレス鋼からなる羽根を溶接し、少なくとも第１の被覆
層に接する前記支持部材の表面に炭素鋼からなる溶接材
を肉盛してなる水力機械用羽根車。
【請求項５】少なくとも前記第１の被覆層と前記第２
の被覆層と、前記第１の被覆層の端部から一定の範囲に
ある前記支持部材の表面とを炭素鋼からなる溶接材で覆
ってなることを特徴とする請求項４に記載の水力機械用
羽根車。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の羽根
車を備えてなることを特徴とする水力機械。