JP2013204082A

JP2013204082A - 溶接部の応力腐食割れ防止方法およびタービンロータ

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Publication number: JP2013204082A
Application number: JP2012073816A
Authority: JP
Inventors: Liang Yan; 梁閻; Shoichi Fukamatsu; 彰一深松; Masao Arimura; 正雄有村; Hideyuki Maeda; 秀幸前田; Tetsuya Yamanaka; 哲哉山中; Shinichi Terada; 慎一寺田; Kenichi Imai; 健一今井; Atsuo Nakatomi; 淳夫中富; Hideaki Shimada; 秀顕島田; Shuichi Inagaki; 修一稲垣
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】タービンロータ等の蒸気タービン発電プラント、ガスタービン等の構成部品を溶接を用いて製造するに際し、構成部品の強度を維持したまま溶接部の応力腐食割れを防止する。
【解決手段】第１部材１１及び第２部材１２の溶接部１６を含む領域に溝部１７を形成するステップと、前記溝部内に犠牲陽極材を充填し、犠牲陽極層１８を形成するステップと、を具える。
【選択図】図６

Description

本発明は、溶接部の応力腐食割れ防止方法およびその方法を使用したタービンロータに関する。

蒸気タービン発電プラント、ガスタービン等の発電効率を向上させるためには、主蒸気温度あるいは燃焼温度の向上が有効である。主蒸気温度あるいは燃焼温度の向上に伴い、上記プラント、ガスタービンを構成する部品の温度も高くなるため、これら部品に対しては優れた耐高温特性が要求される。

上述のような部品として例えばタービンロータを挙げることができるが、このタービンロータは所定の金属材料を鋳造、鍛造等の諸工程を経ることにより一括して製造する場合と、複数の部品を溶接によって結合させて製造する場合とがある。

溶接によってタービンロータを製造する場合、溶接金属はロータ材とほぼ同等の組成を有する溶接棒を使用することが多い。また、溶接後、溶接部の残留応力を除去し、溶接部の硬さを低下させるため、熱処理を行う必要がある。熱処理によって溶接部の硬さを改善することによって、溶接部の応力腐食割れ発生リスクが低減される。しかしながら、熱処理温度を高くすることにより、タービンロータの強度が下がり、熱処理温度を低くすることにより、溶接部の硬さは十分に下がることができず、そこで応力腐食割れが生じやすくなる。

したがって、溶接部の硬さ低下と溶接されたタービンロータの強度維持との両立を図ることが重要であり、その解決方法が求められている。

上記の解決方法として、例えば、タービンロータを溶接する部位の一部（ロータ表面に近い部位）に、予め溶接材料からなる塗布層を設け、局部熱処理によってその塗布層を軟化させた後、本体溶接を行い、再度熱処理を行うことによって、タービンロータの強度を維持しながら、応力腐食割れを回避するという方法が開示されている（特許文献１）。

しかしながら、上記方法では、溶接部と事前に塗布した軟化層との間における硬さの管理は明確ではない。また、塗布層を軟化させることによって、塗布層の金属組織は本体溶接部の金属組織と変わる場合があり、組織の変化によるタービンロータの溶接部における耐食性、耐応力腐食割れ特性が劣化してしまう場合がある。

特表２００９−５２０６０３号

本発明が解決しようとする課題は、タービンロータ等の蒸気タービン発電プラント、ガスタービン等の構成部品を溶接を用いて製造するに際し、構成部品の強度を維持したまま溶接部の応力腐食割れを防止することである。

本発明の一態様は、第１部材及び第２部材の溶接部を含む領域に溝部を形成するステップと、前記溝部内に犠牲陽極材を充填し、犠牲陽極層を形成するステップと、を具えることを特徴とする、溶接部の応力腐食割れ防止方法に関する。

また本発明の一態様は、組成の異なる複数の部材を溶接によって接合して構成されるタービンロータにおいて、このタービンロータを構成する第１部材及び第２部材の溶接部を含む領域に溝部を形成し、この溝部内に犠牲陽極層を形成して成ることを特徴とするタービンロータに関する。

本発明によれば、タービンロータ等の蒸気タービン発電プラント、ガスタービン等の構成部品を溶接を用いて製造するに際し、構成部品の強度を維持したまま溶接部の応力腐食割れを防止することができる。

実施形態におけるタービンロータの溶接による製造形態を示す断面図である。図１に示すタービンロータの溶接部位を拡大して示す断面図である。実施形態におけるタービンロータの溶接後の形態を示す断面図である。図３に示すタービンロータの溶接部を拡大して示す断面図である。実施形態における溶接部の応力腐食割れ防止方法を説明するための工程図である。実施形態における溶接部の応力腐食割れ防止方法を説明するための工程図である。実施形態の応力腐食割れ防止方法の変形例を説明するための工程図である。図５に示す溝部の近傍を拡大して示す断面図である。図８に示す溝部のエッジ部を拡大して示す断面図である。

（応力腐食割れ防止方法の工程）
図１は、実施形態におけるタービンロータの溶接による製造形態を示す断面図であり、図２は、図１に示すタービンロータの溶接部位を拡大して示す断面図である。また、図３は、タービンロータの溶接後の形態を示す断面図であり、図４は、図３に示すタービンロータの溶接部を拡大して示す断面図である。さらに、図５及び図６は、実施形態における溶接部の応力腐食割れ防止方法を説明するための工程図である。

なお、本実施形態では、タービンロータを３つの構成部品から構成する場合について説明しているが、構成部品の数は特に限定されるものではない。また、本実施形態ではタービンロータの溶接部の応力腐食割れ防止方法について説明するが、溶接部を有する部品はタービンロータに限定されるものではなく、本実施形態の溶接部の応力腐食割れ防止方法は、腐食、孔食、応力腐食割れが発生する環境に使用されるその他の任意の部品の溶接部に対して適用することができる。例えば、発電プラント及び発電機器の溶接部の応力腐食割れの対策に適用することができる。

図１に示すように、タービンロータ１０は、３つの構成部品１１，１２及び１３から構成されており、図２に溶接部位を拡大して示すように、以下においては、構成部品１１及び１２間を溶接によって結合する場合について説明する。

最初に図２に示すように、タービンロータ１０の構成部品１１及び１２を付き合せることにより形成された開先１５に対して、構成部品１１及び１２、すなわちタービンロータ１０と同じ材料組成の溶接材料を供給し、バタリング溶接等の汎用の溶接方法によって構成部品１１及び１２を溶接し、結合する（図３及び図４参照）。

次いで、図５に示すように、開先１５に形成された溶接部１６を含む領域に、深さ方向の断面が台形状の溝部１７を形成する。次いで、図６に示すように、常温かつ大気下において、例えば金属溶射装置２１を用いて溝部１７内に犠牲陽極材１８ｘを充填し、図７に示すように犠牲陽極層１８を形成する。

なお、犠牲陽極層１８を形成するに際しては、金属溶射装置２１を用いた金属溶射法の他に、ショートコーティング法、大気圧化学蒸着法等を用いることもできる。また、溝部１７の深さ方向の断面形状は、犠牲陽極材１８ｘを保持して犠牲陽極層１８を形成及び保持できるものであれば台形状に限られるものではなく、任意の断面形状を有する溝部１７から構成することができる。

溝部１７は、溶接された構成部品１１及び１２の結合体を、この結合体の長さ方向における軸回りに回転させながら、グラインダなどで機械加工を施すことによって形成する。また、犠牲陽極層１８の形成も、上記結合体を長さ方向における軸回りに回転させながら、金属溶射装置２１から犠牲陽極材１８ｘを溝部１７内に充填させながら行う。

上述のように溝部１７内に犠牲陽極層１８を形成することにより、いわゆる犠牲陽極作用によって、犠牲陽極層１８から溶接部１６に対して防食電流が流れるようになる。したがって、構成部品１１及び１２の結合体を、比較的低い温度で熱処理し、結合体の強度を高く保持するような場合においても、溶接部１６には上述のように犠牲陽極作用によって防食電流が流れるようになるので、溶接部１６の応力腐食割れを十分に防止することができる。

なお、以下に詳述するが、犠牲陽極層１８を構成する犠牲陽極材１８ｘの自然電位は、応力腐食割れの防止対象である溶接部１６、すなわち構成部品１１及び１２の構成材料よりも電気的に卑であることが必要である。

図７は、本実施形態の応力腐食割れ防止方法の変形例を説明するための工程図である。
本実施形態では、図６に示すようにして溝部１７内に犠牲陽極層１８を形成した後、この犠牲陽極層１８上に、常温かつ大気下において、例えば高速フレーム溶射装置２２を用いて耐摩耗材を溶射して耐摩耗層１９を形成する。この場合、耐摩耗層１９が保護層として作用するので、構成部品１１及び１２の結合体、すなわちタービンロータ１０の使用中における犠牲陽極層１８の摩耗を抑制することができる。したがって、上述した犠牲陽極層１８による溶接部１６の犠牲陽極作用による応力腐食割れをより効果的に抑制することができる。

なお、耐摩耗層１９は、上述したように、構成部品１１及び１２の結合体を、この結合体の長さ方向における軸回りに回転させながら、高速フレーム溶射装置２２を用いて耐摩耗材を溶射することによって行う。

耐摩耗層１９は、例えば、質量％で、Ｃ：４〜８、Ｃｒ：２〜６、Ｃｏ：８〜１２、Ｆｅ：０．０５〜０．２％、残部がＷ及び不可避不純物のＷ系合金から構成することができる。このようなＷ系合金を上述した高速フレーム溶射装置２２に供給して耐摩耗層１９とすることにより、この耐摩耗層１９中には耐摩耗性に優れたＷＣ相及びＣｏＣｒ相が形成されるようになる。したがって、耐摩耗層１９は溶接部１６に形成した犠牲陽極層１８を十分に保護し、犠牲陽極層１８の摩耗を抑制することができる。

また、耐摩耗層１９は、例えば、質量％で、Ｃ：４〜８、Ｃｒ：１６〜２４、Ｎｉ：１５〜２５、Ｆｅ：０．１〜０．３％、残部がＷ及び不可避不純物のＷ系合金から構成することができる。このようなＷ系合金を上述した高速フレーム溶射装置２２に供給して耐摩耗層１９とすることにより、この耐摩耗層１９中には耐摩耗性に優れたＷＣ相、Ｃｒ_３Ｃ_２相が形成されるようになる。したがって、耐摩耗層１９は溶接部１６に形成した犠牲陽極層１８を十分に保護し、犠牲陽極層１８の摩耗を抑制することができる。なお、この場合、Ｎｉ等はＷＣ相及びＣｒ_３Ｃ_２相のバインダーとして機能する。

（タービンロータ１０（構成部品１１，１２，１３及び溶接部１６）、及び犠牲陽極層１８の材料組成）
次に、本実施形態の応力腐食割れ防止方法において使用することのできるタービンロータ１０（構成部品１１，１２，１３）、犠牲陽極層１８及び耐摩耗層１９の材料組成について説明する。

＜タービンロータ１０（構成部品１１，１２，１３）の材料組成＞
本実施形態の応力腐食割れ防止方法において、タービンロータ１０（構成部品１１，１２，１３）は、好ましくは、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．２８、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｍｎ：０．２〜０．４、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｖ：０．０７〜０．１４を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物のフェライト系ステンレス鋼から構成する。

各成分及びその成分範囲限定の理由について簡単に説明する。

（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の構成元素として有用であり、０．２５％未満では、炭化物析出による強度向上を期待できない。０．２８％を超えると炭化物が析出しすぎることによって強度が低下する。このため、０．２５〜０．２８％とする。

（２）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、強化相であるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物を析出させることで、合金のクリープ強度を維持する作用がある。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が１．５％未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Ｃｒの含有率が２．０％を超えると、逆にクリープ破断強度などの機械的特性が低下する。このため、Ｃｒの添加量を１．５〜２．０％とする。

（３）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、δフェライト等の析出を抑制して、延性などの機械的特性の劣化を抑制するものである。添加量が０．２％未満では、δフェライト等の析出抑制効果が期待できない。０．４％を超えると耐酸化性が劣化する。このため、Ｍｎの添加量は０．２〜０．４％とする。

（４）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。添加量が０．２５％未満の場合耐孔食性が低下し、０．５％を超えて添加するとδフェライト相の析出により延性などの機械的特性が劣化する。このため、Ｍｏの添加量を０．２５〜０．５％とした。

（５）Ｖ（バナジウム）
Ｖは、Ｖの炭窒化物の析出による高温強度を高める。添加量が０．０７％未満の場合、Ｖの炭窒化物の析出による高温強度の効果が得られず、０．１４％を超えると逆に炭化物の析出量が減少し高温強度が十分得られない。このため、Ｖの添加量を０．０７〜０．１４％とする。

（６）Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｕ（銅）、硫黄（Ｓ）等
Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｕ（銅）、硫黄（Ｓ）等は、フェライト系ステンレス鋼においては不可避不純物として分類されるものである。したがって、これらの元素は可能な限り０％に近いことが望ましい。

＜犠牲陽極層＞
タービンロータ１０の構成材料として上述のような材料組成のフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、犠牲陽極層（犠牲陽極材）は以下のような組成成分の材料を好ましく用いることができる。

（１）質量％で、Ｍｇ：１〜２５％、Ａｌ：７５〜９９％のＡｌ系合金
このＡｌ系合金は、上述したフェライト系ステンレス鋼に対して自然電位が卑であるため、当該Ａｌ系合金から構成した犠牲陽極層１８は、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分に高い犠牲陽極作用を示す。

Ｍｇの添加量が２５％を超えると、必要以上の防食電流が流れるため、犠牲陽極層１８の腐食速度が早くなり、寿命が短くなる。一方、Ｍｇの添加量が１％未満であると、十分な防食電流が流れず、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分な犠牲陽極作用を示すことができない。このため、Ｍｇの添加量を１〜２５％とする。

（２）質量％で、Ｚｎ：１〜２５％、Ａｌ：７５〜９９％のＡｌ系合金
このＡｌ系合金は、上述したフェライト系ステンレス鋼に対して自然電位が卑であるため、当該Ａｌ系合金から構成した犠牲陽極層１８は、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分に高い犠牲陽極作用を示す。

Ｚｎの添加量が２５％を超えると、必要以上の防食電流が流れるため、犠牲陽極層１８の腐食速度が早くなり、寿命が短くなる。一方、Ｚｎの添加量が１％未満であると、十分な防食電流が流れず、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分な犠牲陽極作用を示すことができない。このため、Ｚｎの添加量を１〜２５％とする。

（３）質量％で、Ｍｇ：１〜５％、Ｚｎ：３〜１５％、Ａｌ：８０〜９６％のＡｌ系合金
このＡｌ系合金も、上述したフェライト系ステンレス鋼に対して自然電位が卑であるため、当該Ａｌ系合金から構成した犠牲陽極層１８は、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分に高い犠牲陽極作用を示す。

Ｚｇの添加量が５％を超え、かつＺｎの添加量が１５％を超えると、必要以上の防食電流が流れるため、犠牲陽極層１８の腐食速度が早くなり、寿命が短くなる。一方、Ｍｇの添加量が１％未満かつＺｎの添加量が３％未満であると、十分な防食電流が流れず、上記フェライト系ステンレス鋼からなるタービンロータ１０（構成部品１１及び１２）の溶接部１６に対して十分な犠牲陽極作用を示すことができない。このため、Ｍｇの添加量を１〜５％とし、Ｚｎの添加量を３〜１５％とする。

（応力腐食割れ防止方法の詳細）
図８は、図５に示す溝部１７の近傍を拡大して示す図であり、図９は、図８に示す溝部１７のエッジ部を拡大して示す図である。

上述のように、本実施形態では、溝部１７の深さ方向の断面形状を台形状としているが、この場合、溝部１７の底部１７Ａに対する側壁１７Ｂの角度θは、例えば１０度〜６０度とすることが好ましい。この場合、上述した応力腐食割れ防止方法において、溝部１７内に犠牲陽極材１８ｘを十分に保持することができ、これによって犠牲陽極層１８を十分に形成及び保持できる。したがって、犠牲陽極材１８ｘの溝部１７への充填時及び犠牲陽極層１８の形成時における、これら犠牲陽極材１８ｘ及び犠牲陽極層１８の飛散を抑制することができる。

また、上記同様の理由及び十分な厚さの犠牲陽極層１８を形成するという観点から、溝深さｄは６ｍｍ〜１２ｍｍとすることが好ましい。

さらに、犠牲陽極層１８による犠牲陽極作用をより効果的に奏するようにするには、溶接部１６の開先の幅ｗ１に対して溝部１７の底部１７Ａの幅ｗ２を２〜５倍とすることが好ましい。すなわち、開先の幅ｗ１に対して、その幅の２〜５の幅で溝部１７内に犠牲陽極層１８を形成することが好ましい。

なお、溶接部１６に対する犠牲陽極層１８の電気防食による減肉速度は０．０５〜０．２ｍｍ／年であることが実験データから判明しているので、１０年間の実機運転環境中では最大減肉量は０．２ｍｍ／×１０年＝２ｍｍという結果となる。したがって、例えばエロージョン及び剥離等のその他の損傷を考慮して安全係数を３倍にかけると、犠牲陽極層１８の厚さは２ｍｍ×３（安全係数）＝６ｍｍ以上にすることが適切である。

また、上述した耐摩耗層１９の摩耗速度（ｍｍ／年）は０．０１〜０．１ｍｍ／年という実績があり、１０年の使用寿命及び２倍の安全係数を考慮すると、耐摩耗層１９の厚さは０．１ｍｍ／年×１０年×２（安全係数）＝２ｍｍ、つまり２ｍｍ以上にすることが望ましい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０タービンロータ
１１，１２，１３タービンロータの構成部品
１５開先
１６溶接部
１７溝部
１８犠牲陽極層
１９耐摩耗層

Claims

第１部材及び第２部材の溶接部を含む領域に溝部を形成するステップと、
前記溝部内に犠牲陽極材を充填し、犠牲陽極層を形成するステップと、
を具えることを特徴とする、溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記溝部は、深さ方向の断面が台形状を呈していることを特徴とする、請求項１に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記溶接部は、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．２８、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｍｎ：０．２〜０．４、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｖ：０．０７〜０．１４を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物のフェライト系ステンレス鋼であって、
前記犠牲陽極層は、質量％で、Ｍｇ：１〜２５％、Ａｌ：７５〜９９％のＡｌ系合金であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記溶接部は、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．２８、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｍｎ：０．２〜０．４、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｖ：０．０７〜０．１４を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物のフェライト系ステンレス鋼であって、
前記犠牲陽極層は、質量％で、Ｚｎ：１〜２５％、Ａｌ：７５〜９９％のＡｌ系合金であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記溶接部は、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．２８、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｍｎ：０．２〜０．４、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｖ：０．０７〜０．１４を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物のフェライト系ステンレス鋼であって、
前記犠牲陽極層は、質量％で、Ｍｇ：１〜５％、Ｚｎ：３〜１５％、Ａｌ：８０〜９６％のＡｌ系合金であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記犠牲陽極層上に耐摩耗層を形成するステップを具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記耐摩耗層は、質量％で、Ｃ：４〜８、Ｃｒ：２〜６、Ｃｏ：８〜１２、Ｆｅ：０．０５〜０．２％、残部がＷ及び不可避不純物のＷ系合金であることを特徴とする、請求項６に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
前記耐摩耗層は、質量％で、Ｃ：４〜８、Ｃｒ：１６〜２４、Ｎｉ：１５〜２５、Ｆｅ：０．１〜０．３％、残部がＷ及び不可避不純物のＷ系合金であることを特徴とする、請求項６に記載の溶接部の応力腐食割れ防止方法。
組成の異なる複数の部材を溶接によって接合して構成されるタービンロータにおいて、
このタービンロータを構成する第１部材及び第２部材の溶接部を含む領域に溝部を形成し、
この溝部内に犠牲陽極層を形成して成ることを特徴とするタービンロータ。
前記犠牲陽極層の上に耐磨耗層が形成されていることを特徴とする請求項９記載のタービンロータ。