JP2009520603A

JP2009520603A - 低圧タービンにおける溶接されたロータの製造方法

Info

Publication number: JP2009520603A
Application number: JP2008546316A
Authority: JP
Inventors: バラル・ランジット; バルチュ・ヘルベルト; ケラー・ゾリン; ヴァンストーン・ロドニー・ウィリアム
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2009-05-28
Also published as: CN101341001A; US20090001142A1; DE112006003408A5; WO2007073976A1

Abstract

【課題】低圧タービンにおける最終段に対して問題なく高い強度の鋼を使用することができる、低圧タービンにおいて溶接されたロータの製造方法を提供すること。
【解決手段】低圧タービンにおける溶接されたロータ10の製造方法において、１）第１の鍛造部品12,13の最小降伏点を700MPaとするとともに、第２の鍛造部品11,14を鉄のほか、3.5%のNi、1.5%のCr、0.35%のMo、0.1%のV及び0.25%のCから成る熱処理された3.5NiCrMoV鋼で形成するステップと、２）溶接材料から成る塗布層20を第２の鍛造部品の表面19に塗布するステップと、３）溶接後、塗布層である溶接材料及び熱影響域を第１の応力除去焼なましによって軟化させるステップと、４）溶接箇所が形成されるように第１及び第２の鍛造部品を組み立て、溶接箇所を、溶接部15,16が形成されるよう溶接材料によって充填するステップと、５）溶接後、溶接部に第２の応力除去焼なましを施すステップとを行う。

Description

本発明は、タービン技術の分野に属し、請求項１の上位概念による低圧タービンにおける溶接されたロータの製造方法に関するものである。

蒸気タービンのロータを複数の鍛造部品を溶接して製造することは以前からよく知られており、各鍛造部材はそれぞれ異なった温度で使用されるとともにそれぞれ異なった材料で形成されている。このような異なった材料から成る鍛造部品を溶接するために、過去に様々な方法が提案されてきた（例えば特許文献１〜４）。

図１には、例えば非特許文献１において開示されているような低圧タービンにおける溶接されたロータの構成が示されている。ここで、ロータ１０は４つの鍛造部品１１〜１４で組み立てられており、これら鍛造部品１１〜１４は、回転軸１８に沿って溶接部１５，１６によって互いに結合されている。なお、このロータ１０は、回転軸１８に対して垂直な中央平面２３に関して対称となっている。

また、蒸気は、中央平面２３へ流入した後、回転軸１８に沿って両方向へ流通し、翼を貫流する。ここで、この翼の長さはロータ１０の端部へ近づくほど大きく設定されており、最も長い翼は、翼配列固定部１７によって外側の鍛造部品１１，１４に設けられている。

そして、最終段における効率は、この最終段に対応した翼の長さを拡大することによって向上させることが可能となっている。また、ロータ１０に固定された回転翼が増大する長さ及び力によって疲労（腐食）するため、鍛造部品の強度をこれに対応させる必要がある。

上記のような低圧タービン用の溶接されたロータのための高強度の材料として、これまで、鉄（Ｆｅ）のほか、０．２２％の炭素（Ｃ）、０．２％のマンガン（Ｍｎ）、２．３％のクロム（Ｃｒ）、２．２％のニッケル（Ｎｉ）及び０．７２％のモリブデン（Ｍｏ）から成り、少なくとも７００ＭＰａの降伏点を有する２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼が用いられてきた。仮に、回転翼が低圧タービンの最終段において１００ｃｍより大きく延長される必要がある場合には、外側の鍛造部品１１，１４に関してより強度の高い材料が必要となる。
米国特許第４９６２５８６号明細書米国特許第６１５２６９７号明細書米国特許第６７５３５０４号明細書欧州特許出願公開第０６９４１３５号明細書 L. Busse著、"World's highest capacity steam turbosets for the lignite-fired Lippendorf power station"、ABB Review 6/1997、p. 14-15

ところで、溶接後の応力除去焼なましプロセス（ＰＷＨＴ：溶接後熱処理）を変更することなく２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼をより強度の高い材料にすることは、熱影響域（ＨＡＺ）の硬さを高めることになり、応力腐食割れ（ＳＣＣ）の危険性を高めることにつながってしまう。

一方、熱影響域における硬さを抑えるために溶接後熱処理の温度を高くすると、鍛造部品及び溶接材料の強度が低下してしまうことになる。また、溶接部のための翼配列固定部の近傍において翼配列固定部が過熱されてしまうため、熱影響域における硬さの低減のために高い温度で溶接後熱処理（応力除去焼なまし）を行うことも不可能である。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、従来の方法における課題を解決し、低圧タービンにおける最終段に対して問題なく高い強度の鋼を使用することができ、かつ、最終段において長い回転翼を使用することができる、低圧タービンにおいて溶接されたロータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、互いに溶接して形成された複数の低圧段落及び高圧段落それぞれのための第１の組成を有する鋼から成る第１の鍛造部品及び複数の低圧段落のための第２の組成を有する鋼から成る第２の鍛造部品を含んで構成された、低圧タービンにおける溶接されたロータの製造方法において、
１）前記第１の鍛造部品の最小降伏点を７００ＭＰａとするとともに、前記第２の鍛造部品を鉄のほか、３．５％のニッケル、１．５％のクロム、０．３５％のモリブデン、０．１％のバナジウム及び０．２５％の炭素から成る熱処理された３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成するステップと、
２）溶接材料から成る塗布層を前記第２の鍛造部品の表面に塗布するステップと、
３）溶接後、前記塗布層である溶接材料及びこれに付随する熱影響域を局所的な第１の応力除去焼なましによって軟化させるステップと、
４）溶接箇所が形成されるように前記第１及び第２の鍛造部品を組み立て、該溶接箇所を、溶接部が形成されるよう溶接材料によって充填するステップと、
５）溶接後、前記溶接部に第２の応力除去焼なましを施すステップと
を行うことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の製造方法において、前記第１の鍛造部品を鉄のほか、０．２２％の炭素、０．２％のマンガン、２．３％のクロム、２．２％のニッケル及び０．７２％のモリブデンから成る２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏで形成することを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の製造方法において、前記溶接箇所へ充填する溶接材料として、鉄のほか、０．１３％の炭素、０，３〜０．８％のクロム、０．６〜２．５％のニッケル、０．４〜０．８％のモリブデン、最大０．１５％のコバルト、最大０．１５％のマンガン及び０．５％のケイ素を有するＮｉＣｒＭｏ鋼を用いることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の製造方法において、前記第２の応力除去焼なましとして、溶接材料及び２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼に対して標準的な応力除去焼なましを約５９０℃で施すことを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の製造方法において、前記第１の鍛造部品を、鉄のほか、３．５％のニッケル、１．５％のクロム、０．３５％のモリブデン、０．１％のバナジウム及び０．２５％の炭素から成る３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼とすることを特徴としている。

さらに、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法において、前記塗布層を前記表面の外縁部にのみ形成することを特徴としている。これにより、溶接後の応力除去焼なましに必要な時間を短縮することが可能となる。

本発明によれば、従来の方法における課題を解決することが可能であるとともに、低圧タービンにおける最終段に対して問題なく高い強度の鋼を使用することができる上、最終段において長い回転翼を使用することも可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図２ａには図１における鍛造部品１４の一部を拡大した図が示されており、この鍛造部品１４は、鉄（Ｆｅ）のほか、３．５％のニッケル（Ｎｉ）、１．５％のクロム（Ｃｒ）、０．３５％のモリブデン（Ｍｏ）、０．１％のバナジウム（Ｖ）及び０．２５％の炭素（Ｃ）を含有する焼もどしされた３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼から成り、リング状の接続面１９を備えている。

なお、このリング状の接続面１９の特に外縁部には、まず、溶接材料から成る塗布層２０が形成される（図２ａ）。

この接続面１９の外縁部における塗布層２０を形成することで、溶接（ＰＷＨＴ）後における応力除去焼なましにかかる時間を大幅に短縮することができるという利点が得られる。

しかして、塗布層２０の形成後、該塗布層２０の溶接材料及びこれに付随する熱影響域（ＨＡＺ）に応力除去焼なまし処理が施される。これは、図２ｂにおけるＴ＞Ｔ₀なる記載によって示唆されている。ここで、Ｔ₀は標準の応力除去焼なまし温度である。

そして、応力除去焼なまし後、互いに溶接される鍛造部材１３，１４は溶接箇所２１を形成するように互いに突き合わせられる（図２ｃ）。この溶接箇所２１は、Ｆｅのほか、最大０．１３％のＣ、０．３〜０．８％のＣｒ、０．６〜２．５％のＮｉ、０．４〜０．８％のＭｏ、最大０．１５％のコバルト（Ｃｏ）、最大１．５％のマンガン（Ｍｎ）及び０．５％のケイ素（Ｓｉ）を含有する標準のＮｉＣｒＭｏ合金である溶接材料２２によって充填される。これにより、鍛造部材１４は、２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼から成る鍛造部材１３との溶接がなされることになる（図２ｄ）。

最後に、溶接材料及び２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼が５９０℃で応力除去焼なましされる（図２ｅ）。

上記のような製造方法は以下のような特性及び利点を有している。
−鍛造部材を有するロータについて、最終的に最低でも８００ＭＰａの降伏点が得られる。
−溶接部の境界面において熱影響域についての十分な硬さが得られる（表面部下方での大きい硬さにより応力腐食割れの危険が回避される。）。
−鍛造部材及び溶接材料における強度低下が生じない。

なお、図２ａ〜図２ｅにおいては、溶接部を２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼から成る鍛造部材と３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼から成る鍛造部材の間に形成したが、両鍛造部材を３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、これらの間に溶接部を形成してもよい。

本発明による方法の実施に適した低圧タービン用ロータの縦断面図である。本発明の方法における一ステップを示す部分拡大図である。本発明の方法における一ステップを示す部分拡大図である。本発明の方法における一ステップを示す部分拡大図である。本発明の方法における一ステップを示す部分拡大図である。本発明の方法における一ステップを示す部分拡大図である。

符号の説明

１１，１２，１３，１４鍛造部品
１５，１６溶接部
１７翼配列固定部
１８回転軸
１９接続面
２０塗布層
２１溶接箇所
２２溶接材料

Claims

互いに溶接して形成された複数の低圧段落及び高圧段落それぞれのための第１の組成を有する鋼から成る第１の鍛造部品（１２，１３）及び複数の低圧段落のための第２の組成を有する鋼から成る第２の鍛造部品（１１，１４）を含んで構成された、低圧タービンにおける溶接されたロータ（１０）の製造方法において、
１）前記第１の鍛造部品（１２，１３）の最小降伏点を７００ＭＰａとするとともに、前記第２の鍛造部品（１１，１４）を鉄のほか、３．５％のニッケル、１．５％のクロム、０．３５％のモリブデン、０．１％のバナジウム及び０．２５％の炭素から成る熱処理された３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成するステップと、
２）溶接材料から成る塗布層（２０）を前記第２の鍛造部品（１１，１４）の表面（１９）に塗布するステップと、
３）溶接後、前記塗布層（２０）である溶接材料及びこれに付随する熱影響域を局所的な第１の応力除去焼なましによって軟化させるステップと、
４）溶接箇所（２１）が形成されるように前記第１及び第２の鍛造部品（１２，１３；１１，１４）を組み立て、該溶接箇所（２１）を、溶接部（１５，１６）が形成されるよう溶接材料（２２）によって充填するステップと、
５）溶接後、前記溶接部に第２の応力除去焼なましを施すステップと
を行うことを特徴とする製造方法。
前記第１の鍛造部品（１２，１３）を鉄のほか、０．２２％の炭素、０．２％のマンガン、２．３％のクロム、２．２％のニッケル及び０．７２％のモリブデンから成る２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼で形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
前記溶接箇所（２１）へ充填する溶接材料として、鉄のほか、０．１３％の炭素、０，３〜０．８％のクロム、０．６〜２．５％のニッケル、０．４〜０．８％のモリブデン、最大０．１５％のコバルト、最大０．１５％のマンガン及び０．５％のケイ素を有するＮｉＣｒＭｏ鋼を用いることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
前記第２の応力除去焼なましとして、溶接材料及び２．３Ｃｒ２．２ＮｉＭｏ鋼に対して標準的な応力除去焼なましを５９０℃で施すことを特徴とする請求項３記載の製造方法。
前記第１の鍛造部品（１２，１３）を、鉄のほか、３．５％のニッケル、１．５％のクロム、０．３５％のモリブデン、０．１％のバナジウム及び０．２５％の炭素から成る３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼とすることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
前記塗布層（２０）を前記表面（１９）の外縁部にのみ形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。