JP2014083579A

JP2014083579A - 蒸気タービンロータの溶接方法

Info

Publication number: JP2014083579A
Application number: JP2012236224A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Arai; 将彦新井; Shinji Oikawa; 慎司及川; Kenichi Murata; 健一村田; Kazuhiko Endo; 一彦遠藤; Hiroyuki Doi; 裕之土井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: JP5973870B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、タービンロータ溶接部の高品質化により、破壊に対して信頼性の高い蒸気タービンロータの溶接方法を提供することにある。
【解決手段】蒸気タービンロータの溶接方法は、突合せ溶接の開先がインロー構造でルート総厚み2aとしたとき、開先部R（A×a；Aは3〜4）、ルート幅Ｗ（B×a；Bは0.5〜1.5）の寸法比を有し、ルート幅Ｗの範囲に溶接トーチを設置し、裏波溶接することを特徴とする。溶融部をモニタリングしながら施工条件を調整して裏波溶接することが好ましい。
【選択図】図1

Description

本発明は、インロー構造を有する溶接部の新規な開先形状を有する蒸気タービンロータの溶接方法に係り、特に裏波溶接による良好な溶接部強度を有した分割構造型の蒸気タービンロータの溶接方法に関する。

環境問題の高まりから、蒸気タービン発電プラントには高効率化及び出力の大容量化が求められ、蒸気温度は高温高圧化が進められている。従来、蒸気タービンロータのような大型の回転体は、鍛造熱処理技術の発展とも相俟って、一体型ロータが適用されてきた。蒸気温度538℃〜600℃の高圧、中圧蒸気タービンには、1％CrMoV系鋼（例えばASTM A470 class8）、12％Cr系鋼（例えば特許文献１）が使用され、蒸気温度400℃以下の低圧蒸気タービンには3〜4％NiCrMoV系鋼（例えばASTM A470 class7）が使用されている。また、タービンの軽量化、構造簡素化のために、538〜566℃の蒸気温度で高圧から低圧までを同一材質で一体成形した高低圧一体型ロータには2％Ni、2％CrMoV系鋼（例えば特許文献２）等が使用されているが、さらなる高温化、大容量化には適さない。
ロータ材に要求される特性は、高圧（高温）では高温クリープ破断強度であり、低圧では引張強さ、靭性である。このように蒸気タービンロータは、一つの材質で高圧、低圧の双方の特性を満足することは困難であるのはもちろんのこと、要求される特性は段落毎に異なっている。段落毎または複数段落毎に最適な材料を選択して、ボルト締結、溶接接合等により一本のロータを構成するものとして、溶接構造ロータがある。また、製造工程の再溶解時に異なる材質を接合する方法として、特許文献３がある。大型ロータの製造と比べて、段落毎または複数段落毎のような小鋼塊は、高品質な鋼塊が得られやすく、大規模な製造設備を必要としない。
回転体である蒸気タービンロータは、欠陥に起因する破壊を防止するため、品質の確保が重要である。溶接ロータは溶接部で欠陥が生じ易い。

特許1833108号公報特許3106121号公報特公昭56-14842号公報

本発明の目的は、タービンロータ溶接部の高品質化により、破壊に対して信頼性の高い蒸気タービンロータの溶接方法を提供することにある。

蒸気タービンロータの溶接方法は、突合せ溶接の開先がインロー構造でルート総厚み2aとしたとき、開先部R（A×a；Aは3〜4）、ルート幅Ｗ（B×a；Bは0.5〜1.5）の寸法比を有し、ルート幅Ｗの範囲に溶接トーチを設置し、裏波溶接したことを特徴とする。

本発明によれば、信頼性の高い高効率大容量の蒸気タービンが得られ、高効率発電をすることで化石燃料の節約、排出ガスの発生量を抑えることが可能となり、地球環境保全に貢献できる。

蒸気タービンロータの開先形状を示す図。低圧タービンロータの一例を示す図。高低圧一体型タービンロータの一例を示す図。高圧タービンロータの一例を示す図。高中圧タービンロータの一例を示す図。

以下、図面を参照して説明する。
本発明の蒸気タービンロータの溶接方法は、図1に示す突合せ溶接の開先がインロー構造でルート総厚み2aとしたとき、開先部R（A×a；Aは3〜4）、ルート幅Ｗ（B×a；Bは0.5〜1.5）の寸法比を有し、ルート幅Ｗの範囲に溶接トーチを設置し、裏波溶接する。
裏波溶接には、溶接入熱とロータ側の熱容量が密接に関係しており、突合せ部の総厚み2aとしたときの開先部RはR=A×aで表したときに、Aは3〜4とすることが好ましい。Aが3より小さいとロータ側の熱容量が大きくなり、溶接入熱により温度が十分に上がらず溶け込み不良が生じ易くなる。Aが4より大きいとロータ側の熱容量が小さくなり、過大な入熱による溶け落ち等により裏波溶接が不完全になる恐れがある。ルート幅Wも開先部Rと同様、ロータ側の熱容量に密接に関係しており、W=B×aで表した時に、Bは0.5〜1.5とすることが好ましい。Bが0.5より小さいとロータ側の熱容量が大きくなり、溶接入熱により温度が十分に上がらず溶け込み不良が生じ易くなる。Bが1.5より大きいとロータ側の熱容量が小さくなり、過大な入熱による溶け落ち等により裏波溶接が不完全になる恐れがある。
また、溶接の際は、溶融部をモニタリングしながら施工条件を調整して裏波溶接する。予熱、温度膨張により、トーチと溶接体との距離がわずかにズレるため、均一な裏波溶接を形成するには、ビード形状をモニタリングしながら、溶接条件を随時変更することが好ましい。
初層部の裏波溶接はＴＩＧ溶接を用い、その後、数層はＴＩＧ溶接を連続して用い、その後、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接等の高効率溶接により溶接することが好ましい。
本発明の高圧用、中圧用、高中圧用蒸気タービンロータは、1％CrMoV系鋼は質量％で0.25〜0.35％C、1％以下のMn、1％以下のNi、0.8〜1.5％Cr、1.0〜1.5％Mo、0.2〜0.3％Vを含み、残部Fe及び不可避的不純物からなることが好ましい。
本発明の高圧用、中圧用、高中圧用蒸気タービンロータは、12％Cr系鋼は、質量％で0.1〜0.2％C、0.3〜1.0％Mn、1％以下のNi、9〜13％Cr、0.1〜1.5％Mo、0.2〜3％W、0.02〜0.1％Nb、3％以下のCo、0.01％以下のBを含み、残部Fe及び不可避的不純物からなることが好ましい。
本発明の低圧用蒸気タービンロータは、3〜4％NiCrMoV系鋼は、質量％で0.32％以下のC、0.20〜0.40％Mn、3〜4％Ni、1.25〜2.0％Cr、0.25〜0.60％Mo、0.05〜0.15％Vを含み、残部Fe及び不可避的不純物からなることが好ましい。
また低圧用蒸気タービンロータの最終段落に用いる12％Cr系鋼は，質量％で0.15〜0.35％C，0.50％以下のSi，0.33％以下のMn，8.0〜13.0％Cr，0.5〜3.5％Ni，1.5〜4.0％Mo，0.05〜0.35％V ，Nb及びTaの1種又は2種の合計量が0.02〜0.30％、及び0.02〜0.15％Nを含有し、残部がFe及び不可避不純物からなることが好ましい。
また、本発明の高圧用、中圧用、高中圧用蒸気タービンロータは、Ni基合金は質量％で、12〜20％Cr、1.5〜3.5％Nb、1.5〜2.0％Ti、0.2〜1.5％Alを含み、残部Niと不可避的不純物からなることが好ましい。
また、本発明の高圧用、中圧用、高中圧用蒸気タービンロータは、Ni基合金は質量％で、15〜20％Cr、5〜15％Mo、1.0〜2.0％Ti、0.2〜2.0％Alを含み、残部Niと不可避的不純物からなることが好ましい。
さらに、本発明の高圧、中圧及び高中圧蒸気タービンロータは、蒸気温度の高い前側段落に12％Cr系鋼を用い、温度の低下した後側段落以降及び／またはシャフト部に1％CrMoV系鋼を用いたことを特徴とする。
さらに、本発明の高圧、中圧、及び高中圧蒸気タービンロータは、蒸気温度の高い前側段落にNi基合金を用い、温度の低下した後側段落以降及びまたはシャフト部に12％Cr系鋼、1％CrMoV系鋼のいずれかまたは双方を用いたことを特徴とする。
さらに、本発明の高低圧一体型及び中低圧一体型蒸気タービンロータは、高圧および中圧ロータは1％CrMoV系鋼または12％Cr系鋼のいずれかを用い、低圧用ロータは3〜4％NiCrMoV系鋼を用いたことを特徴とする。
回転体は、軸の偏芯が大きな振動を引き起こすので、溶接中の寸法安定性が重要である。
本発明の蒸気タービンロータの製造方法は、インローにより軸曲りを防止し、狭開先の溶接にTIG溶接法を用い、ロータ軸を縦向きにして回転させながら溶接することが好ましく、溶融部をモニタリングしながら溶接条件を調節して健全な裏波溶接をすることがより好ましい。
さらに、本発明の蒸気タービンロータの製造方法は、ティグ溶接の後に、被覆アーク溶接、またはサブマージアーク溶接法を用い、ロータ軸を横向きにして回転させながら溶接することが好ましい。
本発明の蒸気タービンプラントは、上記本発明のタービンロータで構成されていることが好ましい。
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明する。

（実施例１）
表１はインロー構造を有するCrMoV鋼製のリング材を突合せ溶接したときの結果を示す。
全周に渡って健全な裏波溶接が出来たものを○、溶け込み不良、あるいは溶け落ちが観察されたものを×で示した。突合せ部の形状は図1に示す。総厚み2a、開先部R、ルート幅Wをパラメータとし、ＴＩＧ溶接法で電流280Ａ、溶接速度80ｍｍ/分で行った。本発明の比率を有するR、Wの形状では健全な裏波溶接を確認できたが、比較形状においては、溶け込み不良、溶け落ちのいずれかが観察された。同様に、3.5NiCrMoV鋼、12Cr鋼、Ni基合金を用いたリング材溶接においても、本発明のa、R、Wの関係を満たすときに、健全な裏波溶接が形成された。

（実施例2）
図2に復流型の低圧タービンロータの概要を示す。3.5Ni鋼を溶解、鍛造し、実施例1に示した開先形状を用いてＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により溶接部13にて接合し、分割構造型の低圧タービンロータを作製した。初層〜3層目までをロータ軸を縦向きにしてＴＩＧ溶接し、ついでロータ軸を横向きにしてサブマージアーク溶接により接合した。中空部14は重量低減のための空隙である。溶接は250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下にして行った。溶接後、400℃に保持して脱水素処理を行い、残留応力除去のため、570℃に昇温して保持した。溶接部の非破壊検査（磁紛探傷試験、浸透探傷試験、超音波探傷試験）の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。軸の長さ、分割数、胴部径は出力及び回転数により変わるが、種々のロータ形状に対して、同様に溶接接合が可能である。
また，最終段11に12Cr系鋼を用いることもできる。ジャーナル部15は軸受の焼付き防止のため，CrMoV鋼もしくは3.5Ni鋼を用いる。実施例1に示した開先形状を用いてＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により溶接部13にて接合し、分割構造型の低圧タービンロータを作製した。初層〜3層目までをロータ軸を縦向きにしてＴＩＧ溶接し、ついでロータ軸を横向きにしてサブマージアーク溶接により接合した。中空部14は重量低減のための空隙である。溶接は250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下にして行った。溶接後、400℃に保持して脱水素処理を行い、残留応力除去のため、570℃に昇温して保持した。溶接部の非破壊検査（磁紛探傷試験、浸透探傷試験、超音波探傷試験）の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。軸の長さ、分割数、胴部径は出力及び回転数により変わるが、種々のロータ形状に対して、同様に溶接接合が可能である。
図3に単流型の高低圧一体型タービンロータの概要を示す。高中圧側母材22、26はCrMoV鋼、低圧側母材21は3.5Ni鋼を溶解、鍛造し、実施例1に示した開先形状を用いてＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により溶接部23にて接合し、分割構造型の高低圧一体型タービンロータを作製した。初層〜3層目までをロータ軸を縦向きにしてＴＩＧ溶接し、ついでロータ軸を横向きにしてサブマージアーク溶接により接合した。中空部24は重量低減のための空隙である。
溶接は250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下にして行った。溶接後、400℃に保持して脱水素処理を行い、残留応力除去のため、570℃に昇温して保持した。溶接部の非破壊検査（磁紛探傷試験、浸透探傷試験、超音波探傷試験）の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。軸の長さ、分割数、胴部径は出力及び回転数により変わるが、種々のロータ形状に対して、同様に溶接接合が可能である。

（実施例３）
図4に高圧タービンロータの概要を示す。母材61、62、63は12Cr鋼を溶解、鍛造し、実施例1に示した開先形状を用いてＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により溶接部66にて接合し、分割構造型の高圧タービンロータを作製した。初層〜3層目までをロータ軸を縦向きにしてＴＩＧ溶接し、ついでロータ軸を横向きにしてサブマージアーク溶接により接合した。64、65は重量低減のための空隙である。ジャーナル部65は低合金鋼を肉盛溶接した。溶接は250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下にして行った。溶接後、400℃に保持して脱水素処理を行い、残留応力除去のため、630℃に昇温して保持した。溶接部の非破壊検査（磁紛探傷試験、浸透探傷試験、超音波探傷試験）の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。軸の長さ、分割数、胴部径は出力及び回転数により変わるが、種々のロータ形状に対して、同様に溶接接合が可能である。

（実施例４）
図5に高中圧タービンロータの概要を示す、母材71はCrMoV鋼、母材72はNi基合金、母材73は12Cr鋼からなり、ジャーナル部75にはそれぞれ低合金鋼を肉盛溶接した。実施例1に示した開先形状を用いてＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により接合し、分割構造型の高圧タービンロータを作製した。初層〜3層目までをロータ軸を縦向きにしてＴＩＧ溶接し、ついでロータ軸を横向きにしてサブマージアーク溶接により接合した。74は重量低減のための空隙である。
溶接は250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下にして行った。溶接後、400℃に保持して脱水素処理を行い、残留応力除去のため、630℃に昇温して保持した。溶接部の非破壊検査（磁紛探傷試験、浸透探傷試験、超音波探傷試験）の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。軸の長さ、分割数、胴部径は出力及び回転数により変わるが、種々のロータ形状に対して、同様に溶接接合が可能である。

よって、本発明の蒸気タービンロータは、溶接部の信頼性に優れる分割構造からなり、大型の蒸気タービンロータに適用することができるほか、ガスタービン圧縮機などにも適用できる。また、ボイラ配管等の静止体に適用することも可能である。

１…母材、２…母材、１１…最終段落側母材、１２…蒸気流入側母材、１３…溶接部、１４…中空部、１５…ジャーナル部、２１…低圧側母材、２２…中圧側母材、２３…溶接部、２４…中空部、２５…ジャーナル部、２６…高圧側母材、６１…母材、６２…母材、６３…母材、６４…中空部、６５…ジャーナル部、６６…溶接部、７１…CrMoV鋼母材、７２…Ni基合金母材、７３…12Cr鋼母材、７４…中空部、７５…ジャーナル部、７６…溶接部。

Claims

突合せ溶接の開先がインロー構造でルート総厚み2aとしたとき、開先部R（A×a；Aは3〜4）、ルート幅Ｗ（B×a；Bは0.5〜1.5）の寸法比を有し、ルート幅Ｗの範囲に溶接トーチを設置し、裏波溶接することを特徴とする蒸気タービンロータの溶接方法。
請求項１において、溶融部をモニタリングしながら施工条件を調整して裏波溶接することを特徴とする蒸気タービンロータの溶接方法。
請求項1または2において、初層部の裏波溶接はＴＩＧ溶接を用い、その後、数層はＴＩＧ溶接を連続して用い、その後、被覆アーク溶接またはサブマージアーク溶接により溶接することを特徴とする蒸気タービンロータの溶接方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接方法で溶接されたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項４において、高圧用、中圧用、高中圧用ロータは、1％ＣｒＭｏＶ系鋼、12％Ｃｒ系鋼、Ｎｉ基合金のいずれかを用いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項５において、蒸気温度の高い前側段落に12％Cr系鋼を用い、温度の低下した後側段落以降及び／またはシャフト部に1％CrMoV系鋼を用いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項５において、蒸気温度の高い前側段落にＮｉ基合金を用い、温度の低下した後側段落以降及び／またはシャフト部に12％Cr系鋼、1％CrMoV系鋼の少なくとも一方を用いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項４において、低圧用ロータは、3〜4％ＮｉＣrMoV系鋼を用いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項８において、最終段落には１２％Ｃｒ系鋼を用いることを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項５乃至７のいずれかに記載の高圧用、中圧用、高中圧用ロータと、請求項８に記載の低圧用ロータとを組み合わせたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
請求項４乃至１０のいずれかに記載の蒸気タービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン。