JP2007254806A - タービンケーシング - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高温高圧の蒸気環境で使用されるケーシング材料として、高温強度に優れ、高靭性及び溶接性に優れるケーシングを提供することにある。
【解決手段】本発明のケーシングは、質量で、C:0.08〜0.20%,Si:0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:0.80〜1.40%,Cr:1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下,S:0.01%以下,Al:0.005%以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなる合金によって形成される。
【選択図】なし

Description

本発明は、タービンケーシングやバルブケーシングに係り、特に、蒸気タービンに使用するタービンケーシング又はバルブケーシングに関する。
火力発電用蒸気タービンに用いられるタービンケーシングやバルブケーシングは、その形状が複雑であるため、多くの場合、鋳鋼が用いられている。これらの高温部材には、高温強度及びクリープ破断強度が高いことが要求され、さらに鋳鋼を用いた場合には、欠陥部を溶接により補修する必要があるため優れた溶接性が求められる。
このような要求に対応するため、特許文献1に開示されているような、高強度であり、しかも溶接性に優れたケーシング材料が使用されるようになった。
その他、特許文献2や特許文献3に記載されるような、高Cr系耐熱鋼の代替材となる2.25Cr−2W−Mo−V鋳鋼や、特許文献4や特許文献5に記載されるような、耐衝撃特性を改善することで溶接性を向上させたCr−Mo−V−W鋳鋼がある。
特開平8−209293号公報 特開2001−115230号公報 特開2001−059130号公報 特開2000−273570号公報 特開平10−259449号公報
しかし、近年の火力発電プラントは、高い熱効率と共に優れた経済性が要求される。蒸気タービンに使用されるケーシング材料についても、従来使用していた材料では必ずしも十分であるとはいえない状況である。
そこで、本発明は、高温高圧の蒸気環境で使用されるケーシング材料として、高温強度に優れ、高靭性及び溶接性に優れるケーシングを提供することにある。
本発明のケーシング材料としては、質量で、C:0.08〜0.20% ,Si:0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:0.80〜1.40%,Cr:1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下,S:0.01%以下,Al:0.005 %以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなる合金によって形成されることを特徴とする。
また、本発明のケーシング材料としては、質量で、C:0.08〜0.20%,Si:
0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:1.10〜1.40%,Cr:
1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06
〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下 ,S:0.01%以下,Al:0.005 %以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする。
これらケーシング材料は、タービンのタービンケーシングやバルブのバルブケーシングに使用される。また、これらケーシング材料は、鋳鋼であることが好ましい。
また、これらタービンケーシングやバルブケーシングは蒸気タービンに使用される。
さらに、ケーシング材料の特徴として、Mn/Niが、1.0以下、好ましくは0.5以下、さらに好ましくは0.07〜0.38、さらに好ましくは0.07〜0.27であり、
(Mo+V)/Niが、3.0以下、好ましくは0.93〜2.38、さらに好ましくは
0.93〜1.73である。
また、ケーシング材料の特徴として、(Mo+V)/Ni/Bが、1000〜5000、好ましくは3500〜5000である。
本発明によって、高温高圧の蒸気環境で使用されるケーシング材料として、高温強度に優れ、高靭性及び溶接性に優れるケーシングを提供することができる。
本実施形態で説明する蒸気タービン用のタービンケーシング及びバルブケーシングは、質量で、C:0.08〜0.20%,Si:0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:0.80〜1.40%,Cr:1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下,S:0.01%以下 ,Al:0.005%以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなる合金によって形成されることを特徴とするものである。
なお、Niの含有量としては、好ましくは1.10〜1.40%である。
また、最近では、蒸気タービンの運転が定常的ではなく、起動停止が繰返し行われることも多く、蒸気タービンの起動停止に伴う熱応力の低減が必要である。
こうした材料組成のケーシングを実現することにより、起動停止時の応力条件下においても優れた特性を具備し、かつ、溶接性や製造性にも優れたタービンケーシング及びバルブケーシングを有する蒸気タービンを提供するが可能となる。
こうした材料組成のケーシングは、機械的性質も向上し、経済性にも優れている。そして、高温強度に優れ、高靭性及び溶接性を有する耐熱鋼が実現できる。
本実施形態で説明するケーシングは、多量のCrやW,Nbを強化材として含有しないため、溶接性,製造性,鋳造性を低下させることもない。また、超臨界環境下でも安定的に使用でき、強度や靭性も十分である。
特に、溶接性に関しては、溶接後の応力除去焼鈍なしで溶接熱影響部に生じる割れ
(SR割れ)感受性を低めた耐熱鋼を実現できる。
また、蒸気タービンのケーシングには、必要な特性はいろいろあるが、特徴的なものとしては大型製品の製造性,靭性および溶接性が上げられる。そのため、ボイラ配管の材料やロータの材料をケーシングの材料として転用することはできない。すなわち、低合金耐熱鋼であっても用途の違いによって材料組成の設計が変わってくる。
特に566℃以上における高いクリープ破断強度を有し、さらに靭性および溶接性に優れ、主蒸気温度及び圧力がそれぞれ、温度566℃以上、圧力24MPa以上の超臨界圧タービンの高圧及び中圧に使用されるタービンケーシングやバルブケーシングの材料にとっては、独自の研究開発が必須となる。
(成分限定理由)
Cは、高温強度を高めるために必要な元素であり、0.05 %以上の含有量が必要である。その含有量が0.25 %を越えると、高温で長時間さらされた場合には、炭化物等の過剰析出による脆化が生じ、クリープ破断強度を低下させ、また、溶接における溶接部の割れ感受性を高めるので、0.25 %以下に限定される。特に、高い強度及び靭性を得るには、0.08〜0.20%が好ましい。
Siは、一般に、脱酸材として添加され、焼入れ性を増す元素であるが、過剰含有は焼戻し脆化感受性を高めるので、0.05〜0.75%にする必要があり、好ましくは、その含有量の上限を0.45%とし、さらにはその含有量の上限を0.40%とすることが好ましい。
Mnは、Siと同様に脱酸材として添加され、焼入れ性を増し、強度及び靭性を向上させる元素であるが、過剰含有は焼戻し脆化感受性を高め、クリープ破断強度が低下し、含有量が少ない場合は、クリープ破断延性や鋳造性を低下させる。Niと複合添加し、靭性とクリープ破断強度を高めようとする場合は、0.10〜0.30%が好ましく、さらには0.10〜0.25%が好ましい。
Niは、靭性を高めるのに有効な元素である。しかし、Niの添加は、クリープ破断強度を低下させるため、従来のCrMoV組成合金では、概ね0.50%以下の含有と制限されることが多い。我々は、研究の結果、Mnの含有量を0.10〜0.30%とすることによって、クリープ破断強度を保ちながら、Niの含有量を増やし、靭性を高めることができることを発見した。使用温度566℃では、Mnの含有量が0.10〜0.30%において、Niの含有量を0.80〜1.40%とすることが好ましいことがわかった。より高い靭性を要求する場合には、Niの含有量を1.10〜1.40%とすることが好ましく、この際のMnの含有量は0.10〜0.30%が好ましく、さらには0.10〜0.25%が好ましい。
Crは、炭化物形成元素であり、高温強度及び耐酸化性を高め、高温材料として欠くことのできない元素である。そのため0.50%以上を含有させる必要があるが、2.00%を越える含有量では、高温での長時間加熱によって析出物の粗大化が生じ、クリープ破断強度を低める。特に、高いクリープ破断強度を得るには1.00〜1.40%が好ましい。
Moは、固溶強化及び析出強化作用によってクリープ破断強度を高め、さらに焼戻し脆化を防止する元素である。0.50 %未満の含有では十分な強度が得られない。さらに、2.00 %を越える含有量では、それ以上の大きな効果が得られない。特に、高いクリープ破断強度を得るには1.20〜1.60%が好ましい。
Vは、Cと結合して炭化物を形成しクリープ破断強度を高める。0.05 %未満では十分な強度を得られないが、0.50 %を越えると溶接後のSR割れ感受性を高めるので避ける必要がある。特に、高いクリープ破断強度及び延性を得るには、0.10〜0.30%が好ましい。
Bは、焼入れ性を向上させ、顕著にクリープ破断強度を向上させる。その含有量が、
0.0003%未満では十分な強度が得られないが、0.0030%を越える含有量では、溶接後のSR割れ感受性を著しく高めるので避ける必要がある。特に、高いクリープ破断強度を有し、溶接後のSR割れ感受性を低く抑えるには、0.0005〜0.0010%が好ましい。
Tiは、Si同様に脱酸材として添加される。0.15 %を越えると高温で長時間の加熱による脆化感受性を高めるので避ける必要があり、Tiの含有量として、好ましくは
0.06〜0.10%である。
Alは、Si同様に脱酸材としての効果がある。我々は、CrMoV組成鋳鋼の研究の結果から、Alがクリープ破断強度及びクリープ破断延性を低下させ、溶接後のSR割れ感受性を高めることを発見した。本実施形態では、0.005 %以下の含有量とすることが好ましい。その含有量の下限としては、できる限り0%であることが好ましい。
P及びSは、不純物元素で、焼戻し脆化を引き起こしたりするため、可能な限り低めることが望ましいが、完全に含有しないということは難しく、本実施形態では、0.01 %以下の含有とすることが望ましい。その含有の下限としては、P及びSとも0%であることが好ましい。
(その他の元素)
なお、本実施形態において添加しない元素の中から、一般の低合金耐熱鋼に添加が確認されているW,Nb及びNについて特徴と、本実施形態において添加を避けた理由を示す。
Wは、Moと同様に、固溶強化及び析出強化作用によってクリープ破断強度を高め、より高温でその効果を発揮する。しかし、Wの含有は、延性,靭性及び溶接性を低下させる傾向にあり、また、鋳造性を低下させる。
Nbは、Cと結合して炭化物を形成し高温強度を高める。しかし、Nbの含有は、溶接性及び鋳造性を低下させる。また、低合金耐熱鋼におけるNbの含有は、高Cr鋼などの高合金耐熱鋼に見られるほどの強度向上効果はない。
Nは、本実施形態においてはむしろ有害な元素である。Nの含有は、Bと結合してBNを析出するため、Bの固溶量が減り、Bによる焼入れ性が低下し、クリープ破断強度の向上効果を減じる。さらに、靭性及び溶接性を低下させる。
(材料組成設計)
ケーシング材料の強化には、クリープ破断強度と靭性のバランスが必要である。
CrMoV組成鋳鋼の強化材として、W,Nb及びNを添加することが一般的に確認されているが、溶接性や靭性及び鋳造性の観点から、本実施形態ではこれを用いない。
本実施形態で説明するケーシング材料の基本的な考えは、クリープ破断強度をMo,V,Bで補い、靭性をNiで確保するというところにあり、その含有量は前述した通りである。
しかし、この考え方を成立させるためには、Niの含有量の増加に伴い低下するクリープ破断強度を所定値に保つ必要がある。このためにはMnの適正化及び靭性や溶接性を低めるP,S,Al等の不純物元素の低減が必要である。
これらを考慮し、MnとNiとの間、そして、クリープ破断強度と靭性とのバランスを取るためには高温強度の強化元素と靭性の強化元素との間の組成バランスを組成設計で組み込んでいる。
MnとNiとの関係は、図1に示すように、Niを積極的に添加する設計とし、NiはMnよりも含有量が多くなる。そして、好ましい範囲としては、Mnの含有量が0.1 〜0.3%、Niの含有量が0.8〜1.4% を発見した。これをMn/Niと表すと、その範囲は0.07〜0.32となる。また、より高い靭性を要求する場合には、Niの含有量を1.1〜1.4%とする。この場合は、Mn/Niは0.07〜0.27%である。最も広いMn/Niの範囲は0.05〜0.50%である。
なお、図1は、本実施形態で示す10種類の合金組成(表1に示す試料No.1〜No.3及びNo.7〜No.13)に関してプロットして示したものである。
クリープ破断強度と靭性とのバランスを取るためには、高温強度の強化元素と靭性の強化元素との関係が重要である。
高温強度の強化元素としてのMo,V,Bと靭性の強化元素としてのNiとの関係が重要であり、Mo+VとNiとの関係を図2に示す。図2に示すように本実施形態で示す
(Mo+V)/Niの範囲は、傾きが3の直線より小さい領域にあり、好ましくは、
(Mo+V)/Niが0.93〜2.83であるとよい。さらに、Niの含有量を1.1〜1.4%とすると、(Mo+V)/Niは0.93〜1.73となることが好ましい。なお、最も広い(Mo+V)/Niの範囲は0.71〜3.16である。
本実施形態のクリープ破断強度を向上させるためにかかせない元素であるBと(Mo+V)/Niとの関係を図3に示す。
Bの単位をppmとした場合、本実施形態における好ましい範囲は、傾き0.5 の直線より小さい領域にあることがわかる。なお、(Mo+V)/Ni/Bは1000〜5000であることが好ましく、Niの含有量を1.1〜1.4%とした場合には、(Mo+V)/
Ni/Bは、3500〜5000であることが好ましい。また、最も広い(Mo+V)/Ni/Bの範囲は200〜5000である。
図2および図3にも、本実施形態で示す10種類の合金組成(表1に示す試料No.1〜No.3及びNo.7〜No.13)に関してプロットして示す。
(熱処理)
熱処理は、焼入れまたは焼ならしを施し、焼戻し処理が施される。
焼入れまたは焼ならしは、温度1000〜1100℃で保持され、強制冷却することが好ましい。焼戻し処理は、温度680〜750℃で保持され、除冷することが好ましい。焼戻し処理を2回以上繰り返すことによって靭性が向上する。さらに、焼入れまたは焼ならしと焼戻しの工程を2回繰り返すことが好ましい。
本実施形態は、全焼戻しベイナイト組織とすることが好ましく、それにより高温強度の高い鋼が得られる。
(溶接)
本実施形態の溶接条件及び補修の施工条件は、予熱温度150℃以上で溶接し、溶接後の冷却過程において150℃以上で後熱処理を開始することが望ましい。溶接後熱処理は、650〜700℃で1時間以上保持することが望ましい。また、溶接後の応力除去焼鈍処理を繰り返すと溶接熱影響部の切欠き靭性が向上し、さらに溶接部の残留応力を低下することができる。
溶接法としては、TIG溶接やMIG溶接などのアーク溶接法が適用される。
溶接棒としては、Cr−Mo系の溶接棒が望ましい。また、溶接後の焼入れ(焼なまし)焼戻し処理が必要な場合には、クリープ破断強度を得るために、Cr−Mo−V系溶接棒が望ましい。
本実施例で説明する材料として、高周波誘導溶解炉にて溶解し、砂型に鋳込み鋳塊を製作した。形状は、幅300mm×高さ160mm×奥行き80mmである。
熱処理は、いずれの試料も1050℃で5時間保持後に400℃/hで冷却する焼ならし処理を施し、その後、725℃で12時間保持後に炉冷の焼戻し処理を施した。
表1に試験に用いた試料の化学組成を示す。
Figure 2007254806
試料の組成は、いずれも均一な全焼戻しベイナイト組織である。No.1〜No.3及び
No.7〜No.13が本実施例の鋼であり、No.4〜No.6及びNo.14〜No.18が比較のために作製した参考例の鋼である。
クリープ破断試験は、平行部の直径6mm、平行部の長さ30mmのクリープ試験片を用いて行った。衝撃試験は、Vノッチ試験片を用いて行った。
溶接熱影響部割れ試験は、y型開先試験片(板厚20mm)を用いて行った。溶接には表2に示す組成のCr−Mo鋼用被覆アーク溶接棒(棒直径4mm)を用い、250℃に予熱後、表3に示す条件で、1パス溶接を行った。そして、試験片の溶接部近傍に対して、溶接熱影響部開始温度を200℃とし、後熱処理を690℃で2時間の焼鈍しを行った。
Figure 2007254806
Figure 2007254806
図4に、溶接熱影響部割れ試験片の構造図を示す。
表4は、表1に示す合金の衝撃破面遷移温度(FATT)とクリープ破断強度(566℃×10万時間強度)及び溶接SR割れの有無を示すものである。
Figure 2007254806
表4より、本実施例の試料No.1〜No.3及びNo.7〜No.13のいずれもが、衝撃破面遷移温度(FATT),クリープ破断強度(566℃×10万時間強度)及び溶接SR割れの有無に対して良好な結果であることがわかる。
図5は、Niの含有量と10万時間クリープ破断強度との関係を示したものである。図6は、Niの含有量と衝撃破面遷移温度(FATT)との関係を示したものである。
図5及び図6よりも、本実施例の試料No.1〜No.3及びNo.7〜No.13のいずれもが、衝撃破面遷移温度(FATT),クリープ破断強度(566℃×10万時間強度)の良好なものであることがわかる。
このように、機械的性質に及ぼすNiの含有量の影響を調べた結果、Niの含有量が増加するとクリープ破断強度は低下し、靭性は向上することがわかった。
図7及び図8は、本実施形態で示した高強度耐熱鋼を用いた高圧蒸気タービンの断面構成図である。なお、図7に示した蒸気タービンは、高圧蒸気タービンであり、図8に示した蒸気タービンは、高中圧一体型蒸気タービンである。
図7に示すように、高圧蒸気タービンは、高圧外部ケーシング10と、その内側に高圧内部ケーシング11とがあり、その高圧内部ケーシング11の内に高圧動翼12を植設した高圧ロータシャフト13が設けられる。
また、図8に示すように、高中圧一体型蒸気タービンは、高圧側は、高圧外部ケーシング10と、その内側に高圧内部ケーシング11とがあり、その高圧内部ケーシング11の内に高圧動翼12を植設した高圧ロータシャフトが設けられる。中圧側も高圧側と同様に、中圧外部ケーシング20と、その内部に中圧内部ケーシング21とがあり、その中圧内部ケーシング21の内に中圧動翼22を植設した中圧ロータシャフトが設けられる。なお、符号40は、高中圧一体ロータである。
蒸気タービンに導かれる高温高圧の蒸気は、高圧蒸気タービンおよび高中圧一体型蒸気タービンのいずれの場合も、ボイラによって得られ、主蒸気管を通って主蒸気入口を構成するフランジ,エルボ30を通り、ノズルボックス31より初段動翼に導かれる。これらの動翼に対応して、各々静翼が設けられる。
本実施例においては、外部ケーシング,内部ケーシング,バルブケーシング(主蒸気止め弁ケーシング及び蒸気加減弁ケーシング)として、実施例1の表1に記載のNo.8の鋳鋼を用いる。電気炉で50トン溶解し、真空取鍋精錬後、砂型の鋳型に鋳込む。
この鋳鋼を1050℃で10時間保持し、炉冷の焼ならし処理後、1050℃で10時間保持し、衝風冷の焼入れを行い、ついで725℃で12時間保持の焼戻しを2回行う。
全焼戻しベイナイト組織有するこれらケーシングを切断調査した結果、566℃,24MPa高温高圧ケーシングに要求される特性(566℃10万時間強度≧98MPa,
FATT≦135℃)を十分満足すると共に、溶接SR割れ試験においても割れのない良好なものである。
こうしたケーシング材料を用いたタービンケーシング又はバルブケーシングは、高温高圧の蒸気環境で使用される蒸気タービンに利用可能性を有する。
実施形態で示した合金のMnとNiとのバランスを示す図である。 実施形態で示した合金の高温強度の強化元素と靭性の強化元素とのバランスを示す図である。 実施形態で示した合金の高温強度の強化元素/靭性の強化元素とBとのバランスを示す図である。 溶接SR割れ試験片の構造図である。 Niの含有量と10万時間クリープ破断強度との関係を示した図である。 Niの含有量と衝撃破面遷移温度(FATT)との関係を示した図である。 高圧蒸気タービンの構造断面図である。 高中圧一体型蒸気タービンの構造断面図である。
符号の説明
10…高圧外部ケーシング、11…高圧内部ケーシング、12…高圧動翼、13…高圧ロータシャフト、20…中圧外部ケーシング、21…中圧内部ケーシング、22…中圧動翼、30…エルボ、31…ノズルボックス、40…高中圧一体ロータ。

Claims (19)

  1. 質量で、C:0.08〜0.20%,Si:0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:0.80〜1.40%,Cr:1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下,S:0.01%以下 ,Al:0.005%以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなる合金によって形成されることを特徴とするケーシング。
  2. 請求項1に記載のケーシングをタービンに使用したことを特徴とするタービンケーシング。
  3. 請求項2に記載のタービンケーシングにおいて、Mn/Niが0.07〜0.32であることを特徴とするタービンケーシング。
  4. 請求項2に記載のタービンケーシングにおいて、(Mo+V)/Niが0.93〜2.38であることを特徴とするタービンケーシング。
  5. 請求項2に記載のタービンケーシングにおいて、(Mo+V)/Ni/Bが1000〜5000であることを特徴とするタービンケーシング。
  6. 請求項1に記載のケーシングをバルブに使用したことを特徴とするバルブケーシング。
  7. 請求項1に記載の合金が、鋳鋼であることを特徴とするケーシング。
  8. 質量で、C:0.08〜0.20%,Si:0.05〜0.45%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:1.10〜1.40%,Cr:1.00〜1.40%,Mo:1.20〜1.60%,V:0.10〜0.30%,Ti:0.06〜0.10%,B:0.0005〜0.0010%,P:0.01%以下,S:0.01%以下 ,Al:0.005%以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするタービンケーシング。
  9. 請求項8に記載のケーシングをタービンに使用したことを特徴とするタービンケーシング。
  10. 請求項9に記載のタービンケーシングにおいて、Mn/Niが0.07〜0.27であることを特徴とするタービンケーシング。
  11. 請求項9に記載のタービンケーシングにおいて、(Mo+V)/Niが0.93〜1.73であることを特徴とするタービンケーシング。
  12. 請求項9に記載のタービンケーシングにおいて、(Mo+V)/Ni/Bが3500〜5000であることを特徴とするタービンケーシング。
  13. 請求項8に記載のケーシングをバルブに使用したことを特徴とするバルブケーシング。
  14. 請求項8に記載の合金が、鋳鋼であることを特徴とするケーシング。
  15. 請求項2に記載のタービンケーシングを使用することを特徴とする蒸気タービン。
  16. 請求項6に記載のバルブケーシングを使用することを特徴とする蒸気タービン。
  17. 請求項9に記載のタービンケーシングを使用することを特徴とする蒸気タービン。
  18. 請求項13に記載のバルブケーシングを使用することを特徴とする蒸気タービン。
  19. 質量で、C:0.05〜0.25%,Si:0.05〜0.75%,Mn:0.10〜0.30%,Ni:0.80〜1.40%,Cr:0.50〜2.00%,Mo:0.05〜2.00%,V:0.05〜0.50%,Ti:0.06〜0.15%,B:0.0003〜0.0030%,P:0.01%以下,S:0.01%以下 ,Al:0.005%以下からなり、残部がFe及び不可避的不純物元素からなり、Mn/Niが0.05〜0.50、(Mo+V)/Niが0.71〜3.16、及び(Mo+V)/Ni/Bが200〜5000である合金によって形成されることを特徴とするケーシング。

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