JP2021011611A

JP2021011611A - 鋼、タービンロータ、および、蒸気タービン

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Publication number: JP2021011611A
Application number: JP2019126871A
Authority: JP
Inventors: 雄亮重田; Yusuke Shigeta; 石井　龍一; Ryuichi Ishii; 龍一石井; 善継佐藤; Yoshitsugu Sato; 佐藤　正樹; Masaki Sato; 正樹佐藤; 翔太井上; Shota Inoue
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: JP7258678B2

Abstract

【課題】耐腐食性を向上し、安定的な運用を長期間に渡って実現する。【解決手段】実施形態の鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０８、Ｓｉ：０．１０〜０．３０、Ｍｎ：０．４０〜０．８０、Ｎｉ：５．０〜７．０、Ｃｒ：１１．５〜１３．５、Ｍｏ：１．４〜１．８、Ｎ：０．００３〜０．００９を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、鋼、タービンロータ、および、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンにおいては、腐食の防止等を実現するために、様々な技術が提案されている。特に、蒸気タービンのうち、地熱タービンは、腐食が容易に進行する腐食環境下で使用されるので、腐食防止の要求が高い。このため、たとえば、腐食等を回避するための構造や、コーティングによって表面の性状を改善すること等の技術が提案されている。

特許第３１１７３３８号特許第５３１６０４２号特開２００３−２１４１１３号公報特開２００４−２７０４８４号公報特開２０１２−４７１１７号公報特開２０１５−１１７６２５号公報特許第３９０５７３９号特開平１０−２４５６５７号公報特開平８−３６９５号公報

従来においては、蒸気タービンを構成するタービンロータなどの部材について、耐腐食性等を十分に向上させることが容易でない。また、地熱タービンを構成する各部材は、二酸化炭素、硫化水素、塩素、アンモニア等の成分が多量に含有する酸性の蒸気に曝されるので、全面腐食、孔食、応力腐食割れが重畳して生じる場合がある。このため、地熱タービンを構成する各部材について更新や補修を頻繁に行う必要がある。したがって、地熱タービンなどの蒸気タービンにおいては、腐食防止を容易に実現し、更新や補修の頻度を低減させて効率的な運用を可能にすることが求められている。つまり、地熱タービンなどの蒸気タービンについて安定的な運用を長期間に渡って可能にすることが困難な場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、耐腐食性を向上し、安定的な運用を長期間に渡って実現可能な、鋼、タービンロータ、および、蒸気タービンを提供することである。

実施形態の鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０８、Ｓｉ：０．１０〜０．３０、Ｍｎ：０．４０〜０．８０、Ｎｉ：５．０〜７．０、Ｃｒ：１１．５〜１３．５、Ｍｏ：１．４〜１．８、Ｎ：０．００３〜０．００９を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

図１は、実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図である。図２は、実施形態に係る蒸気タービンを構成するタービンロータにおいて、軸受と接触する接触部を模式的に示す断面図である。図３は、実施形態に係る蒸気タービンにおいて、タービンロータのロータディスクに動翼が設置された部分を模式的に示す図である。

以下より、本実施形態の蒸気タービンに関して、図１を用いて説明する。図１では、鉛直面（ｙｚ面）に沿った断面を示している。

図１に示すように、蒸気タービン１は、軸流タービンであって、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿った水平方向ｙを流れ方向として蒸気が流れる。蒸気タービン１は、多段式であって、動翼２１とノズル板２５（静翼）とで構成されたタービン段落が回転軸ＡＸに沿った軸方向に複数段並んでおり、蒸気が複数のタービン段落のそれぞれにおいて仕事を行う。これにより、蒸気タービン１においてタービンロータ２２が回転する。蒸気タービン１は、たとえば、地熱タービンであり、地熱井から蒸気が作動流体として供給されるように構成されている。

蒸気タービン１を構成する各部の詳細について説明する。

ケーシング２０は、内部にタービンロータ２２を収容している。タービンロータ２２は、軸受（図示省略）に回転可能に支持されている。タービンロータ２２は、一端が発電機（図示省略）に連結されており、タービンロータ２２の回転によって、発電機（図示省略）が駆動して発電が行われる。タービンロータ２２には、ロータディスク２２１が外周面に複数設けられている。タービンロータ２２に設けられたロータディスク２２１の外周面には、動翼２１が設置されている。動翼２１は、タービンロータ２２の外周面を囲うように、複数がタービンロータ２２の周方向Ｒ（回転方向）において間を隔てて配置されており、動翼翼列を構成している。動翼翼列は、複数段であって、複数段の動翼翼列のそれぞれは、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿って並んでいる。複数段の動翼翼列においては、初段から最終段へ向かうに伴って、動翼２１の翼長が順次長くなっている。

ケーシング２０の内部には、ノズル１０が設置されている。ノズル１０は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４とノズル板２５とによって構成されている。ノズル１０において、ダイアフラム外輪２３は、リング形状であって、ケーシング２０の内周面に設置されている。ダイアフラム外輪２３は、上半部と下半部とを組合せて構成されている。ダイアフラム内輪２４は、ダイアフラム外輪２３と同様にリング形状であって、ダイアフラム外輪２３の内側にダイアフラム外輪２３から間を隔てて設置されている。ダイアフラム内輪２４は、ダイアフラム外輪２３と同様に、上半部と下半部とを組合せて構成されている。ノズル板２５は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間に複数が設置されている。

ここでは、複数のノズル板２５は、タービンロータ２２の外周面を囲うように周方向Ｒに間を隔てて配置されており、静翼翼列を構成している。静翼翼列は、動翼翼列と同様に、複数段であって、複数段の静翼翼列がタービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿って並ぶように設けられている。複数段の静翼翼列においては、初段から最終段へ向かうに伴って、ノズル板２５の翼長が順次長くなっている。

蒸気タービン１においては、蒸気入口管２８がケーシング２０の入口を貫通しており、その蒸気入口管２８を介して、蒸気がケーシング２０の内部に作動流体として導入される。

［タービンロータ２２］
（鋼（Ｍ１））
本実施形態の蒸気タービン１において、タービンロータ２２は、下記の鋼（Ｍ１）を用いて、たとえば、鋳造で形成される。

鋼（Ｍ１）の組成は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０８、Ｓｉ：０．１０〜０．３０、Ｍｎ：０．４０〜０．８０、Ｎｉ：５．０〜７．０、Ｃｒ：１１．５〜１３．５、Ｍｏ：１．４〜１．８、Ｎ：０．００３〜０．００９を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

上記において、「Ｃ：０．０３〜０．０８」等は、Ｃ元素の含有率が０．０３質量％以上、０．０８質量％以下であること等を示している（他も同様）。

鋼（Ｍ１）は、フェライト相とオーステナイト相とマルテンサイト相との少なくとも２相が同時に存在する素材であって、優れた耐食性と高い強度との両者を備えている。鋼（Ｍ１）において、ＣｒおよびＭｏは、フェライト形成元素であって、耐食性の向上に有効な成分であり、１１．５〜１３．５質量％のＣｒと１．４〜１．８質量％のＭｏとを含有する。鋼（Ｍ１）において、Ｎｉは、オーステナイト形成元素であって、耐食性の向上に有効な成分であり、５．０〜７．０％のＮｉを含有する。そして、鋼（Ｍ１）は、オーステナイト形成元素であるＭｎを０．４〜０．８質量％含有し、Ｃを０．０３〜０．０８質量％含有し、かつ、Ｎを０．００３〜０．００９質量％含有する。このため、鋼（Ｍ１）は、沈降型元素と浮上型元素のバランスが極端に偏らないように沈降型元素と浮上型元素の比率を保ち、鋼塊凝固時の偏析を抑制可能であり、熱処理後に所望の組織状態を形成するとともに、車軸として必要な機械的性質を発揮できる。

実施形態の鋼（Ｍ１）において各成分が含有する割合（含有率）を上記範囲に設定した理由に関して説明する。

・Ｃ（炭素）［（Ｍ１）…０．０３〜０．０８］
Ｃは、焼入れ性の確保と共に、強度を維持するために不可欠な成分である。鋼（Ｍ１）において、Ｃの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が小さくなる。鋼（Ｍ１）において、Ｃの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、鋼塊鋳造時の偏析傾向が高まるので、均一な鋼塊を製造することが困難になる場合がある。このため、鋼（Ｍ１）では、Ｃの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｓｉ（ケイ素）［（Ｍ１）…０．１０〜０．３０］
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分である。鋼（Ｍ１）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の下限値以上である場合、蒸気中における耐酸化性を向上可能である。鋼（Ｍ１）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、鋼塊凝固時の偏析傾向が増大するとともに、鋼の靱性が低下するので、Ｓｉの含有率は、可能な限り、低い方が好ましい。このため、鋼（Ｍ１）では、Ｓｉの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｍｎ（マンガン）［（Ｍ１）…０．４０〜０．８０］
Ｍｎは、脱硫剤として有用な成分である。鋼（Ｍ１）において、Ｍｎの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、脱硫剤としての作用が効果的に発現される。Ｍｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合には、ＭｎＳの生成量が減少するので、選択的な腐食疲労が発生しやすくなる。鋼（Ｍ１）において、Ｍｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、非金属介在物の生成量が増加して、靱性の低下が生ずる場合がある。このため、鋼（Ｍ１）では、Ｍｎの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｎｉ（ニッケル）［（Ｍ１）…５．０〜７．０］
Ｎｉは、耐食性、焼入れ性、および、靭性を向上させる成分であるとともに、フェライトの生成を抑制する効果を有する成分である。鋼（Ｍ１）において、Ｎｉの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が小さくなる。鋼（Ｍ１）において、Ｎｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、変態点が著しく低下し、焼戻し熱処理による強度調整が難しくなる。このため、鋼（Ｍ１）では、Ｎｉの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｃｒ（クロム）［（Ｍ１）…１１．５〜１３．５］
Ｃｒは、耐酸化性および耐食性の向上に有効な成分である。鋼（Ｍ１）において、Ｃｒの含有率が上記範囲である場合には、上述した作用および効果が十分に発現される。鋼（Ｍ１）において、Ｃｒの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、フェライトの形成量が増加すると共に、焼入れ性が低下する。このため、鋼（Ｍ１）では、Ｃｒの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｍｏ（モリブデン）［（Ｍ１）…１．４〜１．８］
Ｍｏは、耐食性を高める成分である。鋼（Ｍ１）では、Ｍｏは、Ｆｅを除き、最も含有率が高い。鋼（Ｍ１）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、本発明の鋼においては所望の耐食性が得られない。鋼（Ｍ１）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、耐食性の効果が飽和状態になる。そして、Ｍｏは、溶解時の沈降型元素であるので、Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合には、沈降型元素の含有率が高い状態に偏るので、均一な成分の鋼塊を製造することが難しくなる。このため、実施形態の鋼（Ｍ１）では、Ｍｏの含有率を上記範囲にした。

なお、Ｗ（タングステン）は、Ｍｏと同様な効果を有する成分であるので、鋼（Ｍ１）においてＭｏの一部または全部をＷ（タングステン）に変えてもよい。この場合、Ｍｏの含有率［Ｍｏ］（質量％）とＷの含有率［Ｗ］（質量％）とが下記式（Ａ）に示す関係になることが好ましい。
１．４０≦［Ｍｏ］＋［Ｗ］／２≦１．８０・・・（Ａ）

・Ｎ（窒素）［（Ｍ１）…０．００３〜０．００９］
Ｎは、固溶強化に寄与する成分である。鋼（Ｍ１）においては、Ｃの含有割合が低いため、十分な焼入れ効果が得られず、調質熱処理によっても強度特性が所望の値にならない可能性がある。Ｃの含有割合が高い場合には鋼塊凝固時の偏析傾向が増大し、均一な鋼を得ることができなくなる。このため、鋼（Ｍ１）では、この代替として、微量のＮが添加されている。鋼（Ｍ１）において、Ｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が小さくなる。鋼（Ｍ１）において、Ｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、Ｎの偏析傾向が高くなる。このため、実施形態の鋼（Ｍ１）では、Ｎの含有率を上記範囲にした。

なお、鋼（Ｍ１）の作製において主成分であるＦｅ等を溶解するときに不可避的に混入する不可避的不純物の含有割合は、極力、低いことが好ましい。また、素材の製造に際し、１次溶解および鋳造した鋼塊を再度溶解したものを用いて、タービンロータ２２を作製してもよい。

上記のように、鋼（Ｍ１）で作製されたタービンロータ２２は、十分な強度を有し、かつ、十分な靱性を有する。また、鋼（Ｍ１）で作製されたタービンロータ２２は、腐食環境下であっても、腐食、孔食、応力腐食割れ等の不具合が生じにくいため、タービンロータ２２において蒸気に曝される部分について、コーティングによる表面性状の改善を施す必要がない。その結果、鋼（Ｍ１）で作製されたタービンロータ２２を備える蒸気タービン１は、長期間に渡って、安定的な運用を実現可能である。

［接触部２２２］
実施形態に係る蒸気タービンを構成するタービンロータ２２において、軸受（図示省略）と接触する接触部２２２に関して、図２を用いて説明する。

本実施形態のタービンロータ２２において、軸受（図示省略）と接触する接触部２２２は、タービンロータ２２の本体を構成する鋼（Ｍ１）とは異なる材料を用いて構成されている。

本実施形態では、接触部２２２は、ＷＣとＣｏとＣｒとからなる金属セラミクス（Ｍ２）で形成されていることが好ましい。接触部２２２は、上記成分の粉体を溶射することによって形成される。

（金属セラミックス（Ｍ２））
金属セラミックス（Ｍ２）の形成において、ＷＣ粉末にＣｏ粉末およびＣｒ粉末を添加する理由について以下に述べる。

・Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、ＷＣに対する固溶度が大きく、濡れ性や対磨耗性が優れる成分であり、ＷＣの結合金属として有用である。これとともに、Ｃｏは、基材への密着強度を向上させ、対衝撃性を向上可能な成分である。しかし、Ｃｏが金属セラミクス（Ｍ２）において、多量に添加された場合には、耐食性が低下する。

・Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、金属セラミクス（Ｍ２）において、Ｃｏ添加による耐食性低下を補う効果を有する成分である。しかし、金属セラミクス（Ｍ２）において、Ｃｒが多量に添加された場合には、対衝撃性が低下する。

摩耗や衝撃に対する抵抗力が高く、かつ、耐食性を低下させないためには、約１０質量％のＣｏと約４質量％のＣｒとを含有し、残部がＷＣからなる粉体（ＷＣ：Ｃｏ：Ｃｒ＝約８６：約１０：約４）を用いることが、最も好適である。この溶射用粉末として用い、当該ロータ車軸の軸受部に溶射し、金属セラミックス（Ｍ２）を設けることで、本実施形態では蒸気タービンを安定的に運用することが可能となる。

ＷＣとＣｏとＣｒとからなる金属セラミクス（Ｍ２）で接触部２２２を形成する理由について説明する。

上述した割合でＣｒを含有する鋼（Ｍ１）で作製したタービンロータ２２と、軸受の内面に施工されるホワイトメタルとの間においては、凝着摩耗が生じ易い。この対策のために、ホワイトメタルと接触しても凝着磨耗を生じない低合金鋼を軸受部分に焼嵌めすること、低合金鋼をロータ軸受部に肉盛り溶接を施すこと等が提案されている。しかし、前者は、運転中に嵌合部へ腐食成分が侵入し、その侵入に伴って嵌合部において応力腐食割れが生じる場合がある。この一方で、後者は、溶接部に対して溶接後の熱処理が必要になるため、鋼（Ｍ１）で作製したタービンロータ２２において逆変態が生じる場合がある。具体的には、鋼（Ｍ１）は、耐食性向上を目的にＮｉの添加率が高く、Ａｃ１変態点が低いので、熱影響部に適した温度に加熱することで逆変態が生じる。大型のタービンロータ２２において十分な強度を維持しつつ、溶接熱影響部に適正な溶接後熱処理を施すためには、低温で極めて長時間の局所加熱が必要となる。その結果、製造工期の延長とともに、ロータ素材としての経済性が著しく低下する。

しかしながら、ＷＣとＣｏとＣｒとからなる金属セラミクス（Ｍ２）は、硬度が高く、耐摩耗性が高く、かつ、タービンロータ２２を構成する鋼（Ｍ１）に対する密着強度が高い。また、金属セラミクス（Ｍ２）を溶射によって施工する際には、タービンロータ２２の本体に対して熱影響を与えない。したがって、本実施形態では、接触部２２２と軸受との間において凝着磨耗が生ずることを効果的に防止可能である。

［動翼２１］
本実施形態の蒸気タービン１において、動翼２１は、少なくとも一部が、耐食性に優れるＮｉ基合金（Ｍ３）を用いて形成されていることが好ましい。たとえば、動翼２１を構成するＮｉ基合金（Ｍ３）の組成は、質量％で、Ｃｒ；１９．０〜２２．５、Ｍｏ：７．０〜９．５、Ｎｂ：２．７５〜４．０、Ｔｉ：１．０〜１．７、Ａｌ：０を超え０．３５以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。Ｎｉ基合金（Ｍ３）において、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌは、強度の向上に有効な成分として添加されている。

上記の他に、蒸気中に含まれる砂等の固体粒子による侵食の程度が大きくない場合には、上記のＮｉ基合金（Ｍ３）に変えて、ＡＭＳ４９２８等に規定されるチタン合金を用いて動翼２１を形成してもよい。

［ノズル板２５］
本実施形態の蒸気タービン１において、ノズル板２５は、少なくとも一部が、耐食性に優れるＮｉ基合金（Ｍ４）を用いて形成されていることが好ましい。たとえば、ノズル板２５を構成するＮｉ基合金（Ｍ４）の組成は、質量％で、Ｃｒ：２０．０〜２２．５、Ｍｏ：１２．５〜１４．５、Ｆｅ：２．０〜６．０、Ｗ：２．５〜３．５を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。

なお、通常のスチール製材質を用いてノズル板２５を形成した場合には、ＷＣの溶射を施工することで、耐食性・耐侵食性を向上させることができる。

［動翼２１の固定で使用するピン２２３］
実施形態において、タービンロータ２２（図１参照）のロータディスク２２１に動翼２１が設置された様子について、図３を用いて説明する。図３では、周方向Ｒを直線状に示している。

図３に示すように、動翼２１は、翼有効部２１１とカバー部２１２と植込み部２１３とを備える。動翼２１において、植込み部２１３には、タービンロータ２２の周方向Ｒに沿ったフォークが複数設けられており、その複数のフォークが軸方向に並んでいる。ロータディスク２２１には、タービンロータ２２の周方向Ｒに沿った植込み溝Ｔ２２１が複数設けられており、その複数の植込み溝Ｔ２２１が軸方向に並んでいる。

動翼２１をタービンロータ２２に設置する際には、まず、動翼２１の植込み部２１３に設けられた複数のフォークのそれぞれを、タービンロータ２２のロータディスク２２１に形成された複数の植込み溝Ｔ２２１に挿入する。その後、ピン２２３を用いて、タービンロータ２２に動翼２１を固定する。ここでは、ピン２２３は、棒状体（小径棒）であって、ロータディスク２２１に形成された孔を介して、動翼２１の植込み部２１３に形成された孔（図示省略）に挿入される。ピン２２３が軸方向に沿って挿入されることによって、動翼２１がロータディスク２２１に固定される。

タービンロータ２２に動翼２１を固定するときに使用するピン２２３は、高い強度が必要であり、かつ、腐食環境下で運転が行われる蒸気タービン１では、応力腐食割れに関しても考慮する必要があり、常温引張強さが１２００ＭＰａ以上１４００ＭＰａ以上になるように調整される。常温引張強さが１２００ＭＰａ未満である場合には、タービンロータ２２と動翼２１との間の固定が不十分になる場合がある。そして、常温引張強さが１４００ＭＰを超える場合には、応力腐食割れの発生が加速される場合がある。このため、本実施形態では、タービンロータ２２に動翼２１を固定するときに使用するピン２２３は、下記の鋼（Ｍ５）を用いて形成されている。

（鋼（Ｍ５））
鋼（Ｍ５）の組成は、質量％で、Ｃ：０．４２〜０．５０、Ｓｉ：０．２０〜０．３５、Ｍｎ：０．４５〜０．７０、Ｃｒ：０．８〜１．１５、Ｍｏ：０．４５〜０．６５、Ｖ：０．２５〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

実施形態の鋼（Ｍ５）において各成分が含有する割合（含有率）を上記範囲に設定した理由に関して説明する。

・Ｃ（炭素）［（Ｍ５）…０．４２〜０．５０］
Ｃは、焼入れ性の確保と共に、強度を維持するために不可欠な成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｃの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、特に強度の確保が困難になる。鋼（Ｍ５）において、Ｃの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、鋼塊鋳造時の偏析傾向が高まるとともに、焼き割れが生じ易くなる。このため、鋼（Ｍ５）では、Ｃの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｓｉ（ケイ素）［（Ｍ５）…０．２０〜０．３５］
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の下限値以上の場合、蒸気中における耐酸化性を向上可能である。鋼（Ｍ５）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、鋼の靱性が低下するので、Ｓｉの含有率は、可能な限り、低い方が好ましい。このため、鋼（Ｍ５）では、Ｓｉの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｍｎ（マンガン）［（Ｍ５）…０．４５〜０．７０］
Ｍｎは、脱硫剤として有用な成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｍｎの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、脱硫剤としての作用が効果的に発現される。Ｍｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合には、ＭｎＳの生成量が減少し、選択的な腐食疲労が発生する場合がある。Ｍｎの含有率が高い場合は、ＭｎＳの生成量が増加し、靱性の低下が発生するので、Ｍｎの含有率は可能な限り低い方が好ましい。Ｍｎの含有率が上記範囲の上限値を超えた場合、靱性の低下が生ずる。このため、鋼（Ｍ５）では、Ｍｎの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｃｒ（クロム）［（Ｍ５）…０．８〜１．１５］
Ｃｒは、耐酸化性および耐食性の向上に有効な成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｃｒの含有率が上記範囲の下限値以上である場合には、上述した作用および効果が十分に発現される。鋼（Ｍ５）において、Ｃｒの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、所望の強度を確保することが困難になる。このため、鋼（Ｍ５）では、Ｃｒの含有率が上記範囲に設定されている。

・Ｍｏ（モリブデン）［（Ｍ５）…０．４５〜０．６５］
Ｍｏは、耐食性および焼入れ性を高める効果を有する成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の下限値以上である場合、上記効果を得ることができる。鋼（Ｍ５）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、上記効果が飽和する。このため、実施形態の鋼（Ｍ５）では、Ｍｏの含有率を上記範囲にした。

・Ｖ（バナジウム）［（Ｍ５）…０．２５〜０．３５］
Ｖは、焼入れ性の向上に効果があるとともに、微細な炭化物を生成し、高温での強度の向上に寄与する成分である。鋼（Ｍ５）において、Ｖの含有率が上記範囲の下限値以上である場合には、上記の効果を得ることができる。鋼（Ｍ５）において、Ｖの含有率が上記範囲の上限値を超える場合には、鋼塊鋳造時の偏析傾向が高まるとともに、焼き割れが生じ易くなる。このため、実施形態の鋼（Ｍ５）では、Ｖの含有率を上記範囲にした。

なお、鋼（Ｍ５）の作製において主成分であるＦｅおよび上記各成分を溶解するときに不可避的に混入する不可避的不純物の含有割合は、極力、低いことが望ましい。

本実施形態では、タービンロータ２２に動翼２１を固定するときに使用するピン２２３が鋼（Ｍ５）を用いて形成されているので、ピン２２３に応力腐食割れが発生することを抑制可能である。

その結果、本実施形態では、安定的な運用を長期間に渡って実現可能である。

［１］鋼（Ｍ１）について
以下より、上記したタービンロータ２２の材料である鋼（Ｍ１）に関する実施例および比較例について、表１および表２を用いて説明する。

表１および表２において、Ｐ１，Ｐ２は、実施例であり、Ｃ１，Ｃ２は、比較例である。Ｃ１は、既存の地熱タービンを構成するタービンロータ２２の材料である。Ｃ２は、耐食性に優れる既存のタービンロータ２２の材料である。

（１−１）鋼の作製
各例の鋼（供試鋼）については、各成分が表１に示した値になるように作製した。ここでは、まず、各例の鋼を構成する各成分の材料を、表１に示す割合で混合することによって鋼を形成した。

そして、その鋼について調質熱処理を行った。ここでは、表２に示す条件で焼ならし、および、焼戻しを調質熱処理として順次行った。

（１−２）試験内容
上記のように作製した各例の鋼に関して、表２に示すように各種の試験を実施した。具体的には、下記の試験法によって、常温引張強さ、常温伸び、２０℃衝撃吸収エネルギー、および、硬度を測定した。硬度は、各例の鋼で作製された軸材の端部において、表層に位置する部分と中央に位置する部分とを測定した。
・常温引張強さ…ＪＩＳＺ２２４１に基づき測定
・常温伸び（破断伸び）…ＪＩＳＺ２２４１に基づき測定
・２０℃衝撃吸収エネルギー…ＪＩＳＺ２２４２に基づき測定
・硬度（ブリネル硬さ（ＨＢ））…ＪＩＳＺ２２４６に基づき測定

また、上記のように作製した各例の鋼に関して、曝露試験を実施した。曝露試験に関しては、下記の条件で実施した。
・試験環境…露点温度においてＨＣＯ_３、ＨＳ、Ｈ_３ＢＯ_３、Ｃｌ、ＮＨ_４等の腐食成分を含む実蒸気環境（ｐＨ：３．５，平均温度：約１６０℃）
・試験期間…約１ヶ月

そして、曝露試験後の鋼に関して、全面腐食、重量減、孔食、および、応力腐食割れを判定した。ここでは、下記の判定基準で各項目について判定を行った。

（全面腐食の判定基準）
・大…Ｃ２の結果よりも大きい場合
・中…Ｃ２の結果と同等である場合
・小…Ｃ２の結果よりも小さい場合
・無…発生無しである場合

（重量減の判定基準）
・大…Ｃ２の結果よりも大きい場合
・中…Ｃ２の結果と同等である場合
・小…Ｃ２の結果よりも小さい場合
・無…発生無しである場合

（孔食の判定基準）
・大…Ｃ２の結果よりも大きい場合
・中…Ｃ２の結果と同等である場合
・小…Ｃ２の結果よりも小さい場合
・無…発生無しである場合

（応力腐食割れの判定基準）
・大…Ｃ２の結果と同等である場合
・小…Ｃ２の結果よりも小さい場合
・無…発生無しである場合

（１−３）試験結果
鋼（Ｍ１）に相当するＰ１，Ｐ２は、表２に示すように、既存の地熱タービンを構成するタービンロータ２２の材料であるＣ１に対して、常温引張強さが同等であるが、２０℃衝撃吸収エネルギーがＣ１よりも著しく大きい。そして、Ｐ１，Ｐ２は、耐食性に優れる既存のタービンロータ２２の材料Ｃ２に対して、常温引張強さが小さいが、２０℃衝撃吸収エネルギーが著しく大きい。このため、Ｐ１，Ｐ２は、長翼の装着を容易に実現可能である。

鋼（Ｍ１）に相当するＰ１，Ｐ２の硬度は、表２に示すように、Ｃ１，Ｃ２と同様に、表層から中央に渡って均一な値になっている。

表１において、ＰＲＥは、耐食性の指標であり、下記の式（Ｂ）によって算出される。（式（Ｂ）において、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｗ］、および、［Ｎ］は、各成分分の質量比（質量％）である）。ＰＲＥは、値が大きいほど、孔食に対して良好な材質であることを示す。

ＰＲＥ＝［Ｃｒ］＋３．３＊（［Ｍｏ］＋［Ｗ］／２）＋１６［Ｎ］・・・（Ｂ）

表１に示すように、鋼（Ｍ１）に相当するＰ１およびＰ２のＰＲＥは、Ｃ１よりも著しく大きく、Ｃ２と同等である。このため、Ｐ１およびＰ２は、優れた耐食性を備える。

曝露試験の結果、鋼（Ｍ１）に相当するＰ１およびＰ２は、表２に示すように、Ｃ１，Ｃ２よりも、全面腐食、重量減、孔食の発生が小さい。また、Ｐ１およびＰ２は、Ｃ１およびＣ２と異なり、応力腐食割れの発生が無かった。Ｃ２は、強度が高いために、応力腐食割れが著しく発生した。このように、Ｐ１およびＰ２は、Ｃ１およびＣ２よりも優れた耐食性を備えている。

以上のように、鋼（Ｍ１）に相当するＰ１およびＰ２をタービンロータ２２の材料として用いることによって、高い強度および優れた靱性を備えると共に、実際の蒸気環境下において優れた耐食性を有するタービンロータ２２を作製することができる。

［２］金属セラミクス（Ｍ２）について
以下より、タービンロータ２２において軸受（図示省略）と接触する接触部を構成する金属セラミクス（Ｍ２）に関する実施例および比較例について、表３を用いて説明する。

表３において、Ｐ３は、実施例であり、Ｃ３は、比較例である。

Ｐ３では、まず、鋼（Ｍ１）で形成されたタービンロータ２２において接触部を形成する部分に、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末を用いて０．５ＭＰａの条件でブラスト処理を実行した。そして、約１０質量％のＣｏと約４質量％のＣｒとを含有し、残部がＷＣからなる粉体を高速フレーム溶射によって溶射した。ここでは、溶射層の厚さが０．２ｍｍになるように溶射を行った。その後、溶射層の表面粗さが０．４Ｒａ以下になるように研磨を実行した。

溶射層である接触部とタービンロータ２２の本体との間の密着力について、以下のように測定した。断面積が数ｍｍ^２程度であるロッド底面と溶射層の表面とを接着剤で貼り付けた後に、ロッドを溶射面に対して法線方向に引張り、溶射層が剥がれる際の応力を密着力として測定した。ここでは、密着力試験片の形状は、ＡＳＴＭ−Ｃ６３３に準拠した試験片の形状である。

Ｐ３において、溶射層である接触部とタービンロータ２２の本体との間の密着力は、１００ＭＰａを超える値であり、運用上の問題がないことが確認された。また、タービンロータ２２の本体において溶射層である接触部との境界に位置する部分は、他のタービンロータ２２の本体部分と硬度が同程度であった。

これに対して、Ｃ３では、通常の高Ｃｒ鋼に採用している肉盛溶接を施した。Ｃ３においては、接触部の材料として、低合金鋼を用いた。

そして、Ｃ３では、６００℃程度の条件で溶接後の熱処理を行った。このとき、溶接熱影響部の最高硬度は、熱処理前のＨＢ４００から熱処理後のＨＢ３２０程度に低下した。これと共に、タービンロータ２２の本体の強度が８００ＭＰａ未満になり、不十分な状態になった。Ｃ３において、必要な強度を維持し、かつ、溶接熱影響部の硬度を低下させるためには、著しく長時間の溶接後熱処理を実行する必要があるため、製造工期の延長が生じ、経済性が低下する。

以上のことから、Ｐ３のように、鋼（Ｍ１）で形成されたタービンロータ２２に、ＷＣとＣｏとＣｒとからなる金属セラミクス（Ｍ２）で接触部を形成することによって、タービンロータ２２本体の強度特性を変化させることなく、軸受との凝着磨耗を回避することできた。

［３］鋼（Ｍ５）について
以下より、動翼２１の固定で使用するピン２２３に用いる鋼（Ｍ５）の実施例および比較例について、表４を用いて説明する。

表４において、Ｐ４は、実施例であり、Ｃ４は、比較例である。

各例の鋼については、各成分が表４に示した値になるように作製した。そして、上記のように作製した各例の鋼に関して、各種の試験を実施した。ここでは、表２の場合と同様な方法で各種の試験を実施した。

表４に示すように、鋼（Ｍ５）に相当するＰ４は、Ｃ４と異なり、応力腐食割れが発生しなかった。

以上のように、鋼（Ｍ５）に相当するＰ４を動翼２１の固定で使用するピン２２３の材料として用いることによって、長期間に渡って安定的な運用を実現可能である。

＜その他＞
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、例として提示したものであり、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。

１…蒸気タービン、１０…ノズル、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３…ダイアフラム外輪、２４…ダイアフラム内輪、２５…ノズル板（静翼）、２８…蒸気入口管、２１１…翼有効部、２１２…カバー部、２１３…植込み部、２２１…ロータディスク、２２２…接触部、２２３…ピン、ＡＸ…回転軸、Ｔ２２１…植込み溝

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．０８、
Ｓｉ：０．１０〜０．３０、
Ｍｎ：０．４０〜０．８０、
Ｎｉ：５．０〜７．０、
Ｃｒ：１１．５〜１３．５、
Ｍｏ：１．４〜１．８、
Ｎ：０．００３〜０．００９
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる
鋼。
蒸気タービンに用いられるタービンロータであって、
請求項１に記載の鋼を用いて形成されたタービンロータ。
軸受と接触する接触部
を含み、
前記接触部は、ＷＣとＣｏとＣｒとからなる金属セラミクスで形成されている、
請求項２に記載のタービンロータ。
請求項１から３のいずれかのタービンロータ
を備える、
蒸気タービン。
前記タービンロータに動翼がピンを用いて固定されており、
前記ピンは、
質量％で、
Ｃ：０．４２〜０．５０、
Ｓｉ：０．２０〜０．３５、
Ｍｎ：０．４５〜０．７０、
Ｃｒ：０．８〜１．１５、
Ｍｏ：０．４５〜０．６５、
Ｖ：０．２５〜０．３５
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を用いて形成されている、
請求項４に記載の蒸気タービン。