JP2005002929A - 蒸気タービンロータおよび蒸気タービンプラント - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蒸気入口温度が675〜725℃、蒸気出口温度が650℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンにより構成される蒸気タービンプラントにおいて、超高圧タービンのロータを、14〜18重量%のCr,15〜45重量%のFe,1.0〜2.0重量%のAl,1.0〜1.8重量%のTi,CおよびNの総和が0.05 重量%以下、及びNbが下式により規定される範囲であるNiFe基合金の鍛造材により形成する。
【数1】
3.5−[重量%Fe]/20<[重量%Nb]<4.5−[重量%Fe]/20…〔数1〕
【選択図】 図6
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主蒸気温度が675℃以上である蒸気タービンのロータ及び蒸気タービンプラントに関する。
【0002】
【従来の技術】
蒸気タービン発電プラントの発電効率を向上させるためには、主蒸気温度の向上が有効である。現在は主蒸気温度が600℃を超えた蒸気タービンプラントが商用運転しており、主蒸気温度650℃クラスの蒸気タービンの開発が進められている。また、さらなる効率向上をめざし、主蒸気温度を675℃以上特に700℃以上とした蒸気タービンの開発も進められている。主蒸気温度700℃以上を目指した蒸気タービンにおいては、従来の鉄鋼材料よりなるロータ材では、耐用温度が650℃程度であるため不適当であり、Ni基合金にする必要がある。
Ni基合金は、鉄鋼材料と比較して、強度は高いが、高価であり、また、大型鍛造品の製作が困難である。大型鍛造品の作製が比較的容易な合金としては、
A286タイプの合金,IN706タイプの合金,IN718タイプの合金などが上げられる。何れも、ガスタービンディスク,発電機ロータなどで実績がある(特許文献1,非特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−226837号公報(特許請求の範囲)
【非特許文献1】
CAMP−ISIJ VOL.15(2002)−535(緒言)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
A286タイプの合金は、NiFe基合金としては、Feの含有量が多く、コスト的に有利であるが、強度が弱く主蒸気温度が700℃を超える蒸気タービンロータ材には適さない。IN706タイプの合金は、大型鋼塊製造性と強度のバランスに優れており、40重量%前後のFeを含むため、コスト的に有利である。IN718タイプの合金は、NbやMoなどの偏析元素の含有量が多く、10ton を超える蒸気タービンロータの製作は困難であるが、高温強度はIN706タイプの合金よりも優れている。本発明では、IN706タイプの合金やIN718タイプの合金などのNiFe基合金を超高圧タービンロータに用いた主蒸気温度675℃以上特に700℃以上の蒸気タービンプラントの開発を目指した。
【0005】
IN706タイプの合金やIN718タイプの合金などのNiFe基合金は、代表的なガスタービンディスク材である。しかし、Nbの偏析により、凝固欠陥(フレッケル欠陥)を生じるため、10ton 以上の鍛造品の製作は困難である。大型鋼塊の製造性向上には、偏析元素のNbの低減が効果的であるが、これらのNiFe基合金は、Ni3Nb(γ″相)により析出強化されているため、Nbを低減すると強度が大幅に落ちるという問題がある。
【0006】
また、500℃〜650℃で優れた機械的性質を示すが、700℃前後での使用実績は少ない。本発明者らが、調査した結果、これらのNiFe基合金を長時間700℃に曝した場合、有害相が析出し、脆化することが明らかになった。
【0007】
このように、主蒸気温度675℃以上特に700℃を超える蒸気タービンの製作においては、ロータ材の製造性および高温安定性に大きな課題がある。
【0008】
本発明の目的は、主蒸気温度675℃以上特に700℃を超える蒸気タービンに好適なロータ材を開発し、その材料により形成されたロータそのロータを具備した蒸気タービンプラントを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の蒸気タービンロータは、14〜18重量%のCr,15〜45重量%のFe,1.0〜2.0重量%のAl,1.0〜1.8重量%のTi,CおよびNの総和が0.05重量%以下、及びNbが下式により規定される範囲であるNiFe基合金の鍛造材よりなる。
【0010】
【数1】
3.5−[重量%Fe]/20<[重量%Nb]<4.5−[重量%Fe]/20…〔数1〕
本発明は、前記のNiFe基合金鍛造材よりなるロータを、蒸気入口温度が675〜725℃であり蒸気出口温度が650℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンを具備する蒸気タービンプラントのロータに用いることを特徴とする。本発明のロータは、超高圧タービンロータ,高圧タービンロータ及び中低圧タービンロータのいずれにも用いることができるが、特に超高圧タービンロータに用いることが好ましい。
【0011】
本発明者らは、IN706タイプの合金の高温強度と組織の関係について、検討を進めて来た。特許文献1では、IN706タイプの合金の疲労強度および靭性を改善するために、CおよびNの添加量を増大し、NbCの析出量を増加させ、結晶粒微細化による特性向上を試みている。この際、析出強化相であるNi3NbのNbがNbCに取られるため、Ni3Nbが減少し、0.2%耐力等が低下する。しかし、Alを添加し、単結晶Ni基合金などの析出強化相であるNi3Al を析出させることにより、強度低下を補えることを述べている。また、非特許文献1では、特許文献1に記載された合金の一部組成について検討を行い、Al添加により析出するNi3Al が700℃において安定であることを報告している。特許文献1では、使用温度が低く、停止起動の多いガスタービンのディスク材を対象としているため、疲労強度を重視し、結晶粒微細化の目的で、CおよびNの添加量を増やしているが、蒸気タービンロータでは、使用温度が高く、停止起動も少ないため、疲労強度よりもクリープ強度が重要である。疲労強度は、結晶粒が細かいほど有利であるが、クリープ強度は、結晶粒微細化により低下する。また、NbCの析出により、Ni3Nbの析出量が減少するため、好ましくない。したがって、蒸気タービンロータ材では、CおよびNの添加量は少ない方が有利である。
【0012】
非特許文献1における学術的検討においては、特許文献1に記載されたAlおよびNbの含有量範囲内で高Al,低Nb側が高温組織安定性と高温強度向上に有効であることを述べているが、その他の元素の適正添加量、特にCおよびNの添加量には言及していない。また、Feの添加量が一定である。
【0013】
本発明者らは、特許文献1および非特許文献1の知見をもとに、蒸気タービンロータ材に必要なクリープ強度とNb低減によるフレッケル欠陥抑制を重視し、特にC,Nの添加量に改良を加えるとともに、Feの添加量に着目し、14〜18重量%のCr,15〜45重量%のFe,1.0〜2.0重量%のAl,1.0〜1.8重量%のTi,CおよびNの総和が0.05重量%以下、及びNbを所定量含むNiFe基合金が、主蒸気温度675℃以上特に700℃の蒸気タービンロータ材に適していることを見出した。
【0014】
本発明によるNiFe基合金の組成範囲限定理由について述べる。
【0015】
Alは、Nb低減による強度低下を補い組織安定性を向上させるため、1.0重量%以上含有させることが必要である。しかし、過度の含有は、Ni3Al の過度な増加による鍛造性の悪化を生じるため、2.0重量%以下が好ましい。
【0016】
Tiも、Ni3Al を析出させる元素であり、また、Ni3Ti を安定にする元素であるため、過大な含有は好ましくなく、1.0〜1.8重量%が望ましい。
【0017】
CおよびNについては、前述のように、NbCの増加に伴う結晶粒微細化を抑えるため、CとNの総和で0.05重量%以下が好ましい。
【0018】
Nbの添加量は偏析抑制の観点から、3重量%以下が望ましく、また、有害析出相であるη相,σ相およびδ相の析出を抑制するためには、Feの含有量に対して、下式の関係を満たす必要がある。
【0019】
【数2】
[重量%Nb]<4.5−[重量%Fe]/20 …〔数2〕
また、Nbは、γ′相を析出させる元素でもあり、含有量が少なすぎると、有効な強度が得られないため、同じく、Fe含有量に対して下式の関係を満たす必要がある。
【0020】
【数3】
3.5−[重量%Fe]/20<[重量%Nb] …〔数3〕
前記した元素を除く残りの元素は、実質的にNiである。
【0021】
以上述べた成分範囲のNiFe基合金を用いることにより、溶解プロセス及び熱間鍛造を経てロータを作製しても、フレッケル欠陥が発生しにくく、長時間使用時に有害相の析出がなく、高温強度、高温安定性に優れた超高圧タービンロータの作製が可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例を示す蒸気タービンプラントの概略図である。本蒸気タービンプラントは、超高圧タービン1,高圧タービン2,中低圧タービン3から構成され、超高圧タービン1の入口蒸気温度は700℃、出口温度は600℃である。高圧タービン2と中低圧タービン3の入口蒸気温度はいずれも600℃である。超高圧タービン1に用いた材料の化学成分を表1に示した。表2は作製したロータの構成を示している。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
従来材を用いたケースAの場合、ロータ中心部に偏析に伴うフレッケル欠陥が発生した。ケースBでは、ロータの重量を8ton とし小型化しているが、ケースAと同様にフレッケル欠陥が発生した。ケースCは、ロータを2個に分割し、ボルトで結合している。この場合は、鍛造品サイズが小さいため、フレッケル欠陥は発生しなかった。本発明であるケースDおよびケースEでは、一体構造ではあるが、フレッケル欠陥は検出されなかった。
【0026】
以下、フレッケル欠陥が生じていない、ケースC〜Eのロータより、試験材を採取し、機械試験および金属組織観察を行った結果を示す。
【0027】
図2は、ロータ採取材の引張試験結果である。室温での耐力値は従来材が優れているものの700℃近傍の耐力値および引張強さともに本発明材を用いたロータからの採取材が優れている。図3は、ロータ採取材のクリープ試験結果である。本発明材を用いたロータ採取材のクリープ強度は、従来材と同等以上である。
【0028】
図4は、上記ロータ材およびこれらの時効材について、700℃で5000時間時効処理を行った材料の金属組織のスケッチである。金属組織の観察には透過型電子顕微鏡を用いた。従来材のロータ採取材では、γ′相(Ni3Al)およびγ″相(Ni3Nb)が微細に分散していたが、本発明材の採取材では、結晶粒内の析出物はγ′相(Ni3Al)のみであった。従来材のロータ採取材を700℃で時効処理した試料では、層状のη相およびδ相が観察され、γ′相およびγ′相が粗大化するとともに、析出量が減少していた。本発明材を用いたロータ材では、700℃の時効処理でも、η相やδ相の析出は起こらず、γ′相のみが粒内に析出していた。
【0029】
図5は、ロータ採取材およびロータ採取材を700℃で時効処理した材料のシャルピ衝撃試験結果である。従来材を用いたロータ材では、使用温度である700℃での時効処理によって、シャルピ吸収エネルギーが大きく低下するのに対して、本発明材では、シャルピ吸収エネルギーの低下が見られない。
【0030】
このように、本発明材の特徴は、初期の析出強化相はγ′相のみであり、700℃で長時間時効処理した際もη相やδ相などの有害相が出ないことであり、このために、700℃において時効処理を行っても脆化しない。また、図2に示したように従来材では、室温から高温にかけて、引張強度低下が大きいのに対して、本発明材の強度低下が小さいのは、高温ほど強度が増すという特異な性質をもつ、γ′相のみを析出強化相としているからである。
【0031】
図6は、高温でも安定であり高温強度に優れたγ′相を適量析出させ、なおかつ、有害相が析出せず、また、大型鋼塊作製の際にフレッケル欠陥が発生しない組成範囲を検討した結果である。この組成範囲のロータ材を作製することにより、700℃近傍での高温強度およびに脆化特性にすぐれた10ton クラスの蒸気タービンロータの作製が可能である。
【0032】
【発明の効果】
本発明により、675℃以上特に700℃近傍での高温強度およびに脆化特性にすぐれた10ton クラスの蒸気タービンロータの作製が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】蒸気タービンの構成図。
【図2】蒸気タービンロータ採取材の引張試験結果を示す図。
【図3】蒸気タービンロータ採取材のクリープ試験結果を示す図。
【図4】蒸気タービンロータ採取材および時効材の金属組織スケッチを示す図。
【図5】蒸気タービンロータ採取材および時効材のシャルピ衝撃試験結果を示す図。
【図6】本発明のロータに使用されるNi基合金の適正な組成範囲を示す図である。
【符号の説明】
1…超高圧タービン、2…高圧タービン、3…中低圧タービン。
Claims (6)
- 主蒸気温度が675℃以上である蒸気タービンのロータであって、14〜18重量%のCr,15〜45重量%のFe,1.0〜2.0重量%のAl,1.0〜1.8重量%のTi,CおよびNの総和が0.05重量%以下、及びNbが下式により規定される範囲であるNiFe基合金の鍛造材よりなることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【数1】
3.5−[重量%Fe]/20<[重量%Nb]<4.5−[重量%Fe]/20…〔数1〕 - 請求項1において、Nbの上限量が3重量%であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
- 請求項1において、前記Cr,Fe,Al,Ti,C,N及びNb以外の元素はNiよりなることを特徴とする蒸気タービン。
- 蒸気入口温度が675〜725℃であり蒸気出口温度が650℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンにより構成される蒸気タービンプラントにおいて、前記超高圧タービンのロータが14〜18重量%のCr,15〜45重量%のFe,1.0〜2.0重量%のAl,1.0〜1.8重量%の
Ti,CおよびNの総和が0.05重量%以下、及びNbが下式により規定される範囲であるNiFe基合金の鍛造材よりなることを特徴とする蒸気タービンプラント。
【数1】
3.5−[重量%Fe]/20<[重量%Nb]<4.5−[重量%Fe]/20…〔数1〕 - 請求項4において、Nbの上限量が3重量%であることを特徴とする蒸気タービンロータプラント。
- 請求項4において、前記Cr,Fe,Al,Ti,C,N及びNb以外はNiよりなることを特徴とする蒸気タービンプラント。
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