JP2624224B2

JP2624224B2 - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP2624224B2
Application number: JP30712195A
Authority: JP
Inventors: 孝利 ▲吉▼岡; 誠信桐原; 正男志賀; 光男栗山; 武彦 ▲吉▼田; 孝徳室星
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1997-06-25
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JPH08209293A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な耐熱鋼を用い
た大型火力発電の蒸気タービン用ケーシング本体，主蒸
気主塞止弁及び加減弁を有する蒸気タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の火力発電用蒸気タービンは蒸気温
度最大５３８℃，蒸気圧力最大２４６気圧である。その
ケーシング等にはＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼が使用されてい
る。

【０００３】近年、石油，石炭などの化石燃料の枯渇及
び省資源の問題から発電プラントの発電効率の向上が重
要な課題となっている。発電効率を上げるには蒸気温度
又は蒸気圧力を上げること、大型化することが有効であ
る。これらの蒸気温度，圧力を高めた場合、大型化した
場合の蒸気タービン用ケーシング等に使用される材料と
して前述の現用のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼では高温強度が不
足なため、更に高温強度の高い材料が必要である。

【０００４】発明者らは蒸気温度及び圧力を高めた場
合、大型化した場合に使用する材料としてＣｒ−Ｍｏ−
Ｖ鋼を基本組成とし、微量のＢを添加した鋼を検討し
た。微量のＢを含有せしめることによって鋼の焼入性を
増し、高温強度を顕著に高めるが、溶接性を低め、特に
溶接後の応力焼鈍で溶接熱影響部に割れ生じる割れ感受
性（ＳＲ割れ感受性）を高める欠点がある。火力発電用
蒸気タービンのケーシング，主蒸気主塞止弁及び加減弁
は互いに溶接によって接合され、溶接後応力除去焼鈍さ
れるので、前述のようにＳＲ割れが生じないものでなけ
ればならない。

【０００５】特開昭55−41962 号公報にはＣｒ−Ｍｏ−
Ｂ鋼が示されているが、この鋼にはＶが含有されておら
ず、高温強度、特にクリープ破断強度が低く、蒸気温度
５９３℃には適さない。また、この公報には溶接性につ
いては全く示されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶接
後のＳＲ割れ率が小さく高温強度の高い耐熱鋼からなる
蒸気タービンを提供するにある。

【０００７】本発明の他の目的はき裂進展速度の小さい
耐熱鋼からなる蒸気タービンを提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、蒸気タービン
用ケーシング本体，加減弁及び主塞止弁の少なくとも１
つが重量で、Ｃ０．０５〜０.２％，Ｓｉ０.１５〜０.
７５％，Ｍｎ２％以下，Ｃｒ０.５〜２.０％，Ｍｏ０.
５〜２.０％，Ｖ０.０５〜０.５％，Ｎｉ０.５％以下，
Ａｌ０.００２〜０.０７％，Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ｂ０.０００２〜０.００３０％及び不可避の不純
物を含み、残部がＦｅである鋼からなることを特徴とす
る蒸気タービン。

【０００９】本発明は、不可避の不純物のうちＰ，Ｓ
ｂ，Ｓｎ及びＡｓの含有量及び前記Ａｌの含有量をppm
で表わし、以下に示すＸが２６５０以下、更にＸとｘＡ
ｌとを加えた値が２９２０以下が好ましい。

【００１０】Ｘ＝１０Ｐ＋５Ｓｂ＋４Ｓｎ＋ＡｓｘＡｌ（ｘは図４より求められる係数である）更に、本発明は、蒸気タービン用内外部ケーシング本
体、加減弁及び主塞止弁の少なくとも１つが、６００
℃，１０⁵時間クリープ破断強度が９kg／mm²以上及び板
厚３０mm，ＪＩＳ規格Ｚ３１５８の規定による斜めＹ形
溶接割れ試験における厚さ５mmｌパス溶接後の応力除去
焼鈍による割れ率が２０％以下である全焼戻しベーナイ
ト組織を有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ低合金鋼によって構成さ
れることが好ましい。

【００１１】また、前述の低合金鋼は、室温の引張伸び
率が１５％以上及び室温の引張絞り率が５０％以上を有
するもの鋼が好ましい。

【００１２】本発明は、重量でＣ０.０８〜０.１５％，
Ｃｒ０.９〜１.７％，Ｍｏ０.８〜１.３％，Ｖ０.１〜
０.３５％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ０.２〜０.
６％，Ｎｉ０.１〜０.３％，Ａｌ０.００２〜０.０７
％、Ｔｉ０.０４５〜０.１５％，Ｂ０.０００５〜０.０
０２０％及び不可避の不純物を含み、残部がＦｅであ
り、全焼戻ベーナイト組織を有する鋼が好ましい。

【００１３】本発明は鋳物又は鍛鋼のいずれでも用いら
れる。特に、鋳物において大きな効果が発揮される。

【００１４】本発明はＭｇ０.１％以下，Ｚｒ０.２％以
下，Ｎｂ０.２％以下，Ｗ０.２％以下の少なくとも１種
を更に含み、これらの合計量で０.２％以下含有する。

【００１５】本発明は、不可避の不純物のうちＰ，Ｓ
ｂ，Ｓｎ及びＡｓの含有量、前記Ａｌ及びＳｉの含有量
をppm で表わし、以下に示すＸとｘＡｌとを加えた値が
2920以下及びＸとＳｉ／ｙとを加えた値が３２００以下
であるのが好ましい。

【００１６】Ｓｉ／ｙ（ｙは図１７より求められる係数
である）本発明に係る鋼は特に蒸気温度５３８℃，５９３℃及び
６５０℃で蒸気圧力３１６気圧の蒸気条件を有する蒸気
タービンとして鋳物からなるケーシング本体、鋳物又は
鍛造によって構成される主塞止弁及び加減弁に好適でケ
ーシングは焼入れ又は焼ならし処理後焼戻し処理が施さ
れ、全焼戻ベーナイト組織を有するのが好ましい。本発
明に係る鋼を使用したケーシングは５５０℃のき裂進展
速度が２０×１０^-3（mm／ｈ）以下が好ましい。

【００１７】（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、長時間側のクリープ破断強度を低下させ、更に溶
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，靭性を得るに
は０.０５〜０.２０％が好ましく、更に０.０８〜０.１
５％が望ましい。

【００１８】Ｓｉ及びＭｎは一般に脱酸剤として添加さ
れる。Ｓｉ及びＭｎは各々０.１５〜０.７５及び２％
以下含有される。Ｍｎは０.２〜０.６％が好ましい。こ
れらの元素は焼入性を増す元素であるが、逆に前述した
含有量より多い過剰な含有量では焼もどし脆化感受性を
高める。更に、Ｓｉはき裂進展速度を高めるので、０.
３５％以下が好ましい。

【００１９】Ｎｉは靭性を高めるのに有効な元素であ
り、０.５％以下含有させることができる。０.５％を
越える含有はクリープ破断強度を低下させる。特に、高
い強度，靭性を得るには０.１〜０.５％が好ましく、更
に０.１〜０.３％が望ましい。Ｃｒは炭化物形成元素で
あり、高温強度を高め、更に耐酸化性を高める元素であ
り、高温材料として欠くことのできないものである。そ
のため０.５％以上含有させる必要がある。逆に２.０
％を越える含有は高温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０.９〜１.７％が好ましい。

【００２０】Ｍｏは固溶強化及び析出硬化作用によって
クリープ破断強度を高め、更に焼戻し脆化を防止する元
素である。０.５％未満の含有量では十分な強度が得ら
れない。更に、２％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０.８〜１.３％が好ましい。

【００２１】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
得ることができず、逆に０.５％を越えると溶接後の応
力除去焼鈍で割れ感受性を高めるので避けるべきであ
る。特に、高いクリープ破断強度，延性を得るには０.
１０〜０.３５％が好ましく、更に０.２〜０.３５％が
望ましい。

【００２２】Ｂは焼入性を向上させ、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
では十分な高温強度が得られない。逆に０.００３０％
を越える含有量では溶接後の応力除去焼鈍で割れ感受性
を著しく高めるので避けるべきである。特に、高いクリ
ープ破断強度を有し、低い応力除去焼鈍での割れ感受性
を得るには０.０００５〜０.００２０％が好ましい。

【００２３】Ａｌは鋼中のＮを固定し、ＢとＮとの結合
を防止してＢの強化作用を有効に働かせるものであり、
０.００２％未満の含有量では十分な高温強度が得られ
ない。逆に、０.０７を越える含有量では高温強度を急
激に低めるので避けるべきである。特に、応力除去焼鈍
における割れ感受性を低め、高い高温強度を得るには
０.００５〜０.０７％が好ましく、更に鋼中の不純物量
に関係なく顕著に応力除去焼鈍における割れ感受性を低
め高強度を得るには０.００５〜０.０２０％が望まし
い。

【００２４】ＴｉはＡｌと同様にＮを固定し、Ｂ含有に
よる強化作用を有効に働かせるものであり、０.１５％
以下含有させる。逆に、０.１５％を越える含有量で
は、その効果が飽和する。特に、高い強度を得るには
０.０４５〜０.１５％が好ましく、更に０.０５〜０.１
２％が望ましい。

【００２５】高い高温強度を得るには、ＡｌとＴｉとの
複合添加が好ましく、その合計の含有量は０.０６〜０.
１５％が好ましく、更に０.０７〜０.１３％が望まし
い。

【００２６】（Ｘ及びＸとｘＡｌとの関係）Ｐ，Ｓｂ，
Ｓｎ及びＡｓなどの鋼の製造上不可避の不純物元素は高
温での加熱によって結晶粒界に偏析し、結晶粒界を脆化
させる。これらの多量の含有は溶接後の応力除去焼鈍で
の割れ（ＳＲ割れ）感受性を顕著に高める。更に多量の
含有は焼戻し脆化及び高温での使用中脆化を生じさせ
る。特に、これらの不純物元素はＢを含む鋼においてＳ
Ｒ割れ感受性に敏感に影響を及ぼすので、Ｘの値を2650
以下にコントロールすることが好ましい。更に、Ａｌの
含有は同様にＳＲ割れ感受性を高める元素であるので、
ＸとｘＡｌとの相関関係によってそれらの含有量を２９
２０以下にするのが好ましい。

【００２７】ｘＡｌはその含有量によってＳＲ割れ率に
及ぼす効果が異なるので、その含有量によって異なった
係数がとられる。ｘは係数であり例えば、Ａｌ量が0.01
5％以下では零である。Ａｌ含有量が０.０１５％以下
ではＳＲ割れ率に対しほとんど影響を及ぼさないことを
意味する。その他、Ａｌ量が０.０１６％では係数は
４.４，０.０２％では４.０，０.０２５％では３.５，
０.０３％では３.１，０.０４％では２.７，０.０５％
では２.４，０.０６％では２.１，０.０７％では１.
８，０.０８％では１.５５，０.０９％では１.３及び
０.１％では１.０である。

【００２８】Ａｌ含有量が０.０１５％以下のときはＸ
の値は２９２０以下となる。

【００２９】Ｘをこの値以下にすればＳＲ割れ率を２０
％以下とすることができ、多層盛溶接においてＳＲ割れ
を防止することができる。更にＸはＡｌ含有量が０.０
１６％のとき２２１０以下，０.０２％のとき２１３０
以下，０.０３％のとき1990以下，０.０４％のとき１８
４０以下，０.０５％のとき１７２０以下，０.０６％の
とき１６６０以下，０.０７％のとき１６４０以下，０.
０８％のとき１６８０以下，０.０９％のとき１７７０
以下，０.１０％のとき１９２０以下にすることによっ
てＳＲ割れ率を２０％以下にできる。

【００３０】（ＡｌとＴｉとの相関関係）ＡｌとＴｉと
は強化に対して相互作用を及ぼすので、それらの添加量
には相関関係がある。これの含有量は０.０６〜０.１５
％のとき高い高温強度が得られ、更に０.０７〜０.１３
％で大きな効果を有する。

【００３１】Ｔｉ／Ａｌの比が高温強度に影響を及ぼ
す。この比率は０.８〜１４のとき高いクリープ破断強
度が得られ、更に０.９〜９.５で大きな効果が得られ
る。

【００３２】Ａｌ／Ｔｉの比も同様に高温強度に影響を
及ぼす。この比率は0.07〜1.25が好ましく、更に０.１
０５〜１.１５が望ましい。

【００３３】（ＸとＳｉ／ｙとの関係）Ｓｉ及びＸはと
もにき裂進展速度を高めるので、Ｓｉ量及びＸで計算さ
れるＰ，Ｓｂ，Ｓｎ及びＡｓ量を低めるべきである。そ
のため前述の式で計算されるＳｉ／ｙとＸとを加えた値
を３２００以下にするのが好ましい。

【００３４】ＸとＳｉ／ｙとを加えた値を３２００以下
にすることによりき裂進展速度を２０×１０^-3mm／ｈ以
下にすることができる。更に２９００以下では１０×10
^-3mm／ｈ，２７００以下で５×１０^-3mm／ｈ以下及び２
６００以下で２.５×10^-3mm／ｈ以下にすることができ
る。

【００３５】（その他の元素）Ｚｒ及びＮｂはＡｌ及び
Ｔｉと同様にＮと結合してＢ窒化物の形成を防止し、ク
リープ破断強度を高める。

【００３６】また、ＺｒはＳを固定化する作用を有する
ので、溶接熱影響部の結晶粒界へのＳの偏析を抑制す
る。したがって、Ｓなどの不純物元素の結晶粒界の偏析
が原因で発生するＳＲ割れ発生防止にも効果がある。Ｚ
ｒは０.２％以下の微量で効果が発揮されるが、それを
越えると靭性を低下させる。したがってＺｒは０.２％
以下とすべきである。

【００３７】Ｗは炭化物生成元素で０.２％以下で高温
強度を高めるのに効果があり、それ以上含有すると逆に
高温延性を低下させる。したがってＷは０.２％以下と
する。Ｍｇは強力な脱酸剤であり、その含有は鋼中の酸
素量を低め、強度を高める効果を有する。しかし、０.
１％を越える含有は延性を低めるので好ましくなく、
従って０.１％以下とすべきである。

【００３８】（熱処理）本発明に係る鋼は鍛鋼及び鋳鋼
いずれでも適用できる。特に鋳鋼において鋼中に不純物
元素が偏析したままで使用される場合に効果が発揮され
る。

【００３９】熱処理として少なくとも焼入れ又は焼なら
し及び焼戻し処理が施される。焼入れ又は焼ならしは温
度９０００〜１１００℃で２時間以上保持され、強制冷
却することが好ましい。焼戻しは温度６８０〜７３０℃
で２時間以上保持され、徐冷することが好ましい。焼戻
し処理を２回以上繰返すことによって靭性が向上する。
更に前記の焼入れ焼もどしの工程を２回繰返すことが好
ましい。

【００４０】本発明に係る鋼は全焼戻ベーナイト組織と
することが好ましく、それによって高温強度の高いもの
が得られる。

【００４１】本発明に係る鋼の硬さはブリネル硬さ（Ｈ
_B）で１７０〜２６０が好ましい。この硬さを有する本
発明鋼は高い高温強度を有し、ＳＲ割れ感受性の低いも
のが得られる。

【００４２】（溶接）本発明に係る鋼の溶接継手及び補
修の溶接施工条件は予熱温度２５０℃以上で溶接し、溶
接後冷却過程の１５０℃以上でＳＲを開始することが望
ましい。ＳＲ処理は６７０〜７３０℃で２時間以上保持
することが望ましい。また、ＳＲ処理を繰返すと溶接熱
影響部の切欠靭性が向上し、更に溶接部の残留応力が低
下する。

【００４３】溶接棒はＣｒ−Ｍｏ系の溶接棒が望まし
い。また、溶接後焼入れ，焼もどし処理が必要な場合に
は、クリープ破断強度の点から、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系溶接
棒が望ましい。

【００４４】溶接法は被覆アーク溶接，半自動ＭＩＧ溶
接，半自動複合ワイヤ溶接及びサブマージアーク溶接法
などが適用される。

【００４５】

【発明の実施の形態】

（実施例１）高周波誘導溶解炉によって溶解し、砂型に
鋳込み，鋳塊を作製した。形状は厚さ１３０mm，長さ４
００mm，幅４００mmである。

【００４６】熱処理としていずれの試料も１０５０℃で
１５時間保持後、４００℃／ｈで冷却する焼ならし処理
を施し、その後７３０℃で１５時間保持後炉冷の焼もど
し処理を施した。

【００４７】表１に試験に用いた供試材の化学組成（重
量％）を示す。試験材の組織はいずれも均一な全焼もど
しベーナイト組織である。

【００４８】Ｎo.１はＢ含有量が０.０００３％の本発
明に係る鋼の下限値を有するもので、他の成分は現用の
蒸気タービンケーシング材のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼の化学
組成範囲のものである。

【００４９】Ｎo.２〜９はＡｌ及びＴｉの影響、Ｎo.１
０〜１２はＰ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ａｓなどの不純物元素の影
響、Ｎo.１３〜１５はＳｉ量の影響、Ｎo.１６はＺｒ及
びＮo.１７はＭｇ添加の影響を検討するものである。

【００５０】Ｎo.１，３，７及び１０，１４，１５が比
較材、Ｎo.２，４〜６，８，９及び１３，１６〜１９が
本発明に係る鋼である。

【００５１】

【表１】

【００５２】ＳＲ割れ試験を、JIS Z3158 に準じ、図１
に示す斜めＹ形溶接割れ試験片（板厚３０mm）を用いて
行った。以下に示す溶接条件によって厚さ約５mmの１パ
ス溶接を行った。溶接には市販のＣｒ−Ｍｏ鋼用被覆ア
ーク溶接棒（棒直径４mm）を用い、表３の条件で溶接し
た。

【００５３】図２は溶接開先形状を示す図１のＡ−Ａ′
断面図、図３は溶接金属とＳＲ割れとの関係を示す図１
のＡ−Ａ′断面図である。

【００５４】ＳＲ割れ率（％）は以下の式で求められ
る。

【００５５】

【数１】

【００５６】ＳＲ割れ率は溶接開先部を５分割し、５個
の平均値を求めた。３は割れである。

【００５７】表２は溶接金属の化学組成（重量％）であ
る。残部はＦｅである。

【００５８】

【表２】

【００５９】

【表３】

【００６０】クリープ破断試験を、平行部の直径が１０
mm，平行部の長さ５０mmの形状のクリープ試験片を用
い、試験温度を±１℃以内に保って行った。

【００６１】衝撃試験を、JIS Z2202 ５号試験片に加工
した試験片を用いて行った。

【００６２】表４は、表１に示す合金のＸ、６００℃，
１０⁵時間クリープ破断強度、ＳＲ割れ率及び（Ｘ＋ｘ
Ａｌ）を示すものである。Ｘは前述の計算式によって求
めたものである。ｘＡｌは、前述のようにＡｌ含有量を
ppm で表わし、その含有量に図４に示す縦軸の値（ｘ）
を積算して求めた。例えば、Ａｌ０.０２％（２００pp
m）のとき縦軸のＳＲ割れ増倍係数（ｘ）は４.０であ
り、ｘＡｌは８００である。Ｎo.３の合金は、Ｘが１８
８０であり、Ａｌ０.０８３％（８３０ppm）における増
倍係数が１.５であり、そのｘＡｌは１２４５である。
従って、（Ｘ＋ｘＡｌ）は、３１２５である。以上のよ
うにして（Ｘ＋ｘＡｌ）の値が求められる。

【００６３】

【表４】

【００６４】図５は、鋼中のＡｌ含有量が０.０１４％
以下の鋼についてＸとＳＲ割れ率との関係を示す線図で
ある。図に示す如く、Ｘが２５００を越えるとＳＲ割れ
率が急激に増加することが分る。

【００６５】図６はＸ１５６０〜２１４０及びＳｉ量
０.２６〜０.５２％を有する鋼についてＡｌ量とＳＲ割
れ率との関係を示す線図である。図に示す如くＡｌ０.
０１５％以上で急激にＳＲ割れ率が増加する。割れ率が
２０％ではＡｌ０.０４％以下，１０％では０.０２８
％以下，５％では０.０１９％以下が好ましい。

【００６６】図７は、（Ｘ＋ｘＡｌ）とＳＲ割れ率との
関係を示す線図である。図に示す如く、（Ｘ＋ｘＡｌ）
の値が２５００を越えると急激にＳＲ割れ率が増加し、
3250ではほぼ１００％のＳＲ割れ率を有する。ＳＲ割れ
率を２０％以下にするには（Ｘ＋ｘＡｌ）の値を２９２
０以下にするのが好ましい。

【００６７】図８はＳＲ割れ率に及ぼすＸとＡｌ含有量
との相互作用の効果を示す線図である。図中の斜線部が
ＳＲ割れ率２０％以下の領域を示すものである。この領
域は図７より（Ｘ＋ｘＡｌ）の値を２９２０以下とする
ものである。図に示すように、Ｘを下げればＳＲ割れを
生じることなく含有できるＡｌ量を高めることができ
る。Ｘ２９２０以下でＡｌ含有量０.０１５％以下、同
様に２２１０以下で0.016％以下，２１３０以下で０.０
２％以下，１９９０以下で０.０３％以下，1840以下で
０.０４％以下，１７２０以下で０.０６％以下，１６４
０以下で０.０７％以下，１６８０以下で０.０８％，
１７７０以下で０.０９％以下，１９２０以下で０.１０
％以下とそれぞれＸを調整すればＡｌ量が多くてもＳ
Ｒ割れ率を２０％以下にすることができる。

【００６８】更に図に示す如くＳＲ割れ率を０％，５
％，１０％の場合についても同様である。（Ｘ＋ｘＡ
ｌ）は０％の場合２５００，５％の場合２７００及び１
０％の場合２８００である。

【００６９】図９はＴｉ量０.０９〜０.１１５％，Ａｌ
量０.０１４％以下を有する鋼の６００℃，１０⁵時間
クリープ破断強度とＸとの関係を示す線図である。クリ
ープ破断強度は不純物量によって影響を受ける。不純物
量が多くなると強度が低下するが、２７００以下のＸで
９kg／mm²以上の高強度が得られる。

【００７０】図１０はＴｉ量０.０５９〜０.０７１％，
Ｘ１６４０〜１８８０を有する鋼の６００℃，１０⁵時
間クリープ破断強度とＡｌ量との関係を示す線図であ
る。Ａｌ量の過剰なる含有は強度を急激に低下させる。
Ａｌ量が０.００２〜０.０７％で８kg／mm²以上の強度
が得られ、更に０.００５〜０.０６５％では９kg／mm²
以上の強度が得られる。

【００７１】図１１はＡｌ量０.０１２〜０.０１８％，
Ｘ１５６０〜２２９０を有する鋼の６００℃，１０⁵時
間クリープ破断強度とＴｉ量との関係を示す線図であ
る。Ｔｉの添加は顕著にクリープ破断強度を高める。特
に、Ｔｉ量０.０４〜０.１６％で７kg／mm²以上の強度
が得られ、更に０.０４５〜０.１４％では８kg／mm²以
上，０.０５〜０.１２％で９kg／mm²以上の強度が得ら
れる。これらのＴｉ量に対し、Ａｌ量を０.０１〜０.０
６５％にしたときにより強度の高いものが得られる。し
かし、Ａｌ量を高くしたときは前述のようにＸを所望の
値にすべきである。

【００７２】図１２はＡｌ量０.０２５％以下、Ｘ１５
６０〜２２９０を有する鋼の６００℃，１０⁵時間クリ
ープ破断強度と（Ａｌ＋Ｔｉ）量との関係に示す線図で
ある。ＡｌとＴｉとの複合添加によって強度が顕著に向
上する。（Ａｌ＋Ｔｉ）量が０.０６〜０.１５％で８kg
／mm²以上，０.０９〜０.１３％で９kg／mm²以上の強度
が得られる。０.０５６％以上で７kg／mm²以上の強度
を有する。

【００７３】図１３は（Ａｌ＋Ｔｉ）量０.０７３〜０.
１４３％，Ｘ１５６０〜２２９０を有する鋼の６００
℃，１０⁵時間クリープ破断強度と（Ｔｉ／Ａｌ）比と
の関係を示す線図である。クリープ破断強度は（Ｔｉ／
Ａｌ）比によって顕著な影響を受ける。（Ｔｉ／Ａｌ）
比を０.８〜１４とすれば８kg／mm²以上の強度が得ら
れ、更に０.９〜９.５で９kg／mm²以上の強度が得られ
る。

【００７４】図１４は（Ａｌ＋Ｔｉ）量０.０７３〜０.
１４３％，Ｘ１５６０〜２２９０を有する鋼の６００
℃，１０⁵時間クリープ破断強度と（Ａｌ＋Ｔｉ）比と
の関係を示す線図である。（Ａｌ／Ｔｉ）比は、顕著に
クリープ破断強度に影響を及ぼす。（Ａｌ／Ｔｉ）比を
０.０７〜１.２５にすれば８kg／mm²以上，０.１０〜
１.１５で９kg／mm²以上の強度が得られる。

【００７５】図１５は６００℃，１０⁵時間クリープ破
断強度に及ぼすＡｌ及びＴｉ量との関係を示す線図であ
る。図１０〜図１４の関係からＡｌ量とＴｉ量との点線
で囲まれた範囲にすれば、８kg／mm²以上の強度を得る
ことができ、更に一点鎖線で囲まれた範囲にすれば９kg
／mm²以上の強度を得ることができる。前者は、（Ｔｉ
０.０５６％，Ａｌ０.００４％)，(Ｔｉ０.０２６％，
Ａｌ０.０３４％），（Ｔｉ０.０５８％，Ａｌ０.０７
２％），（Ｔｉ０.０７４％，Ａｌ０.０７２％）及び
（Ｔｉ０.１４％，Ａｌ０.０１％）の各点で囲まれた範
囲である。後者は、(Ｔｉ０.０６３％，Ａｌ０.００７
％)，（Ｔｉ０.０３２％，Ａｌ０.０３８％)，(Ｔｉ０.
０５６％，Ａｌ０.０６５％)，(Ｔｉ０.０６５％，Ａｌ
０.０６５％）及び（Ｔｉ０.１１７％，Ａｌ０.０１２
％）の各点で囲まれた範囲である。これらの範囲で（Ｔ
ｉ／Ａｌ）比を０.８〜１４より０.９〜９.５にすれば
より強度の高い鋼が得られる。

【００７６】現在の火力発電用蒸気タービンケーシング
は５３８℃で１０⁵時間クリープ破断強度が９kg／mm²
以上であるものが要求される。従って、より高温化され
た場合でもその蒸気温度に応じて９kg／mm²以上の強度
にすればよい。

【００７７】図１６はＳｉ含有量とΔＦＡＴＴとの関係
を示す線図である。ΔＦＡＴＴは衝撃試験より測定した
値から以下の式によって求められる。各試料について５
００℃で３０００時間加熱した後、−２０〜１５０℃で
衝撃試験を行い、試料の破面よりΔＦＡＴＴを求めた。

【００７８】

【数２】 ΔＦＡＴＴ＝Ｔ₀−Ｔ_t…（数２）Ｔ₀＝加熱前の５０％脆性破面遷移温度（℃）Ｔ_t＝加熱脆化材の５０％脆性破面遷移温度（℃）図に示す如く、ΔＦＡＴＴはＳｉ含有量の減少に伴って
低下する。例えばＳｉ含有量が０.０６％ではΔＦＡＴ
Ｔ量が１５℃程度であり、顕著に脆化量が少なくなるこ
とが明らかである。したがって、本発明材のＳｉ含有量
は製造上可能であればできる限り低くすることが好まし
い。

【００７９】Ｚｒ及びＭｇを含むＮo.１６及びＮo.１７
はいずれもこれらの強力な脱酸作用により、鋼塊内部に
ブロホールなどの欠陥が認められず、健全な鋼塊が得ら
れ、また、ＳＲ割れも全く認められなかった。更に、い
ずれも９kg／mm²以上の高いクリープ破断強度を有す
る。

【００８０】表に示す鋼のいくつかのものについて室温
の引張試験を行った結果、いずれも５６kg／mm²以上の
引張強さ、１５％以上の伸び及び５０％以上の絞り率を
有していた。

【００８１】（実験例）実施例１と同様に同じ大きさの
鋳物を製造した。表５は試料の化学組成（重量％）であ
る。

【００８２】これらの鋼塊の製造法は以下のとおりであ
る。

【００８３】原料をアーク電気炉によって大気中で精錬
したのち、取鍋に出した。鋼塊Ｎo.２１，２２はそのま
ま真空鋳造を行い、Ｎo.２３〜２９は取鍋底よりＡｒガ
スを吹込みながら１以下に減圧して脱ガス及び鋼中の酸
化物を浮上させる処理を行い、次いで取鍋底より再びＡ
ｒガスを吹込みながらアークによって溶湯を加熱し、Ｎ
o.２１，２２と同様に真空鋳造を行った。

【００８４】

【表５】

【００８５】鋼塊の熱処理として１０５０°で９時間保
持後約４００℃／ｈの冷却速度で焼入れを行った。焼入
れ後７１０℃で１５時間保持後空冷の焼もどし処理を行
った。

【００８６】クリープき裂進展試験は側面に切欠を付し
た試験片を用いて行った。試験片形状は厚さ１４mm，幅
３０mm，長さ１４０mmである。切欠きは深さ６mm，幅１
mm，切欠先端の角度４５°の機械切削によって形成さ
せ、更に曲げ振動疲労試験によって約１mmの深さのき裂
を形成させた。両溝のものは共に深さ２mm角度６０°の
形状である。

【００８７】クリープき裂進展試験は温度５５０℃一定
で行った。き裂長さはき裂進展に伴う試験片の電気抵抗
増加現象を利用した電位法により測定した。

【００８８】き裂進展速度は以下の式によって求められ
る

【００８９】

【数３】

【００９０】における値のときの値を試験時間とき裂の
長さとの関係を示す線図によって求めたものである。

【００９１】

【数４】

【００９２】Ｐ：荷重（Kg）Ｂ：試験片の幅（mm）Ｗ：試験片の厚さ（mm）ａ：き裂の深さ（mm）上述の式より示されるようにＫＩはき裂の深さによって
変化する。荷重は2900〜３２５０kgの範囲で試験片の組
成によって変えた。

【００９３】Ｎo.２１，２５及び２６が比較材であり、
Ｎo.２２〜２４及びＮo.２７〜２９が本発明材である。

【００９４】表６にＸ，Ｘ＋Ｓｉ／ｙ，き裂進展速度及
びクリープ破断強度を示す。Ｘは前述と同様に計算され
る。

【００９５】図１７はＳｉ含有量とき裂進展速度に及ぼ
すＳｉ量の増倍係数ｙを示すものであり、ｙはこれより
求めることができる。

【００９６】係数（ｙ）はＳｉ含有量によって変り、そ
れぞれＳｉ量が０.０１％で６.５，０.１％で５.６２，
０.２％で４.７５，０.３％で３.８，０.４％で２.９，
0.5％で２.０及び０.６％以上では１である。

【００９７】

【表６】

【００９８】図１８はＳｉ０.０７〜０.０８％を有する
鋼のき裂進展速度とＸとの関係を示す線図である。Ｓｉ
量０.０７〜０.０８％の限られた範囲でき裂進展速度を
２０×１０^-3（mm／ｈ）以下にするにはＸは３１００以
下にしなければならない。更に１０mm／ｈ以下にするに
は２８５０以下，５mm／ｈ以下にするには２５００以下
にするのが好ましい。

【００９９】図１９はＸが１７４０〜２０４０のものの
き裂進展速度とＳｉ量との関係を示す線図である。き裂
進展速度２０×１０^-3（mm／ｈ）以下にするにはＳｉ量
を０.３７％以下，１０×１０^-3（mm／ｈ）以下にする
には０.３０％以下，５×１０^-3（mm／ｈ）以下にする
には０.２７％以下及び２.５×１０^-3（mm／ｈ）以下に
するには０.２５％以下にするのがよい。

【０１００】図２０はき裂進展速度と（Ｘ＋Ｓｉ／ｙ）
との関係を示す線図である。（Ｘ＋Ｓｉ／ｙ）の値が２
６００を越えると急激にき裂進展速度が増加する。き裂
進展速度を２０×１０^-3（mm／ｈ）以下にするには（Ｘ
＋Ｓｉ／ｙ）を３２００以下、以下同様に１０×１０^-3
（mm／ｈ）以下にするには２９００以下，５×１０
^-3（mm／ｈ）以下にするには２７００以下及び２.５×
１０^-3(mm／ｈ）以下にするには２６００以下が好まし
い。

【０１０１】図２１はき裂進展速度に及ぼすＸとＳｉ量
との関係を示す線図である。

【０１０２】き裂進展速度はＸ及びＳｉとも増加するこ
とによって増加するのは、それらは反比例関係にある。
図中の数字はき裂進展速度（×１０^-3mm／ｈ）である。

【０１０３】図中の点線は各々２.５×１０^-3(mm／
ｈ），１０×１０^-3（mm／ｈ）及び２０×１０^-3（mm／
ｈ）以下のき裂進展速度を得る上限のＸ及びＳｉ量を示
す線図である。

【０１０４】（実施例２）図２２は火力発電用蒸気ター
ビンケーシング本体５の断面図である。図２３は同じく
蒸気タービンの加減弁ケーシング４及び主塞止弁ケーシ
ング７の構成図である。ケーシング本体５は鋳物で構成
され、加減弁４及び主塞止弁ケーシング７は鋳物又は鍛
造のいずれでも構成することができる。

【０１０５】このようなケーシング材として、本発明の
係る鋼が適用されるが、一例として表７に示す組成（重
量％）の鋼について検討された。主塞止弁，加減弁及び
内部ケーシング本体にＢ入り鋼及び外部ケーシング本体
にＢ入り又はＢなし鋼がそれぞれ検討された。主塞止弁
及び加減弁として鍛造品が検討された。

【０１０６】

【表７】

【０１０７】表８に表７の鋼のＸ，（Ｘ＋ｘＡｌ)，
（Ｘ＋Ｓｉ／ｙ)，（Ａｌ＋Ｔｉ）及び（Ｔｉ／Ａｌ）
の各値をそれぞれ示す。本鋼種によれば、Ｂ入り鋼では
ＳＲ割れ率が約５％であり、更にＢなし鋼ではき裂進展
速度が約２.５×１０^-3(mm／ｈ）のものが得られる。

【０１０８】

【表８】

【０１０９】溶接は図２３に示す個所６について行われ
る。

【０１１０】図２４は図２３の溶接を行う場合の予熱温
度、溶接後のＳＲ処理（６９０〜７１０℃×８hr）の工
程を示す線図である。この溶接には表２と同様の溶接金
属が検討された。予熱温度は３５０℃であり、ＳＲ処理
における加熱開始温度は３５０℃である。ＳＲ処理後は
炉冷される。

【０１１１】図２５は補修溶接の工程を示す線図であ
る。３５０℃で予熱し、溶接後、110℃／ｈの速度で加
熱し、１０２５〜１０７５℃×８ｈ保持後、４００℃／
ｈで冷却し、２００℃で焼戻（６８０〜７３０℃×８h
r）の処理を施される。補修の場合には、一例として表
９の組成（重量％）の溶探金属が検討された。残部はＦ
ｅである。

【０１１２】

【表９】

【０１１３】以上の溶接においていずれの場合もＳＲ割
れは全く生じないことが明らかである。

【０１１４】本発明によれば、溶接後の応力除去焼鈍に
おいてＳＲ割れ率が小さく、高強度を有し、更にき裂進
展速度の小さい鋼を用いた５３８℃以上の蒸気タービン
が達成される。

【０１１５】

【発明の効果】【図面の簡単な説明】

【図１】溶接後の応力除去焼鈍割れ試験に用いた試験片
の平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ′断面図。

【図３】図１のＡ−Ａ′断面の溶接後の断面図。

【図４】ＳＲ割れ率に及ぼすＡｌの増倍係数とＡｌ量と
の関係を示す線図。

【図５】ＳＲ割れ率とＸとの関係を示す線図。

【図６】Ａｌ量とＳＲ割れ率との関係を示す線図。

【図７】（Ｘ＋ｘＡｌ）とＳＲ割れ率との関係を示す線
図。

【図８】ＳＲ割れ率に及ぼすＸとＡｌとの関係を示す線
図。

【図９】クリープ破断強度とＸとの関係を示す線図。

【図１０】Ａｌ量とクリープ破断強度との関係を示す線
図。

【図１１】Ｔｉ量とクリープ破断強度との関係を示す線
図。

【図１２】（Ａｌ＋Ｔｉ）量とクリープ破断強度との関
係を示す線図。

【図１３】（Ｔｉ／Ａｌ）比とクリープ破断強度との関
係を示す線図。

【図１４】（Ａｌ／Ｔｉ）比とクリープ破断強度との関
係を示す線図。

【図１５】クリープ破断強度に及ぼすＴｉ量とＡｌ量と
の関係を示す線図。

【図１６】ΔＦＡＴＴとＳｉ量との関係を示す線図。

【図１７】き裂進展に及ぼすＳｉの増倍係数（ｙ）とＳ
ｉ量との関係を示す線図。

【図１８】き裂進展速度とＸとの関係を示す線図。

【図１９】き裂進展速度とＳｉ量との関係を示す線図。

【図２０】き裂進展速度と（Ｘ＋Ｓｉ）との関係を示す
線図。

【図２１】き裂進展速度に及ぼすＸとＳｉ量との関係を
示す線図。

【図２２】火力発電蒸気タービン用ケーシング本体の断
面図。

【図２３】同じく加減弁ケーシング及び主塞止弁ケーシ
ングの平面図。

【図２４】溶接及び溶接後の処理を示す工程図。

【図２５】補修溶接施工図。

【符号の説明】

４…加減弁ケーシング、５…ケーシング本体、６…溶接
部、７…主塞止弁ケーシング。

フロントページの続き (72)発明者栗山光男茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 ▲吉▼田武彦茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者室星孝徳茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭57−143466（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−143467（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸気タービン用ケーシング本体、加減弁及
び主塞止弁の少なくとも１つが重量で、Ｃ０.０５〜０.
２５％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ２％以下、Ｃｒ
0．5〜２.０％，Ｍｏ０.５〜２.０％，Ｖ０.０５〜０.
５％，Ｎｉ０.５％以下，Ａｌ０.００２〜０.０７％，
Ｔｉ０.０４５〜０.１５％，Ｂ0.0003〜0.0030％及び不
可避の不純物を含み、残部がＦｅである鋼からなること
を特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】前記鋼が、重量で、Ｃ０.０８〜０.１５
％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ０.２〜０.６％，Ｃ
ｒ０.９〜１.７％，Ｍｏ０.８〜１.３％，Ｖ０.１〜０.
３５％，Ｎｉ０.１〜０.３％，Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ａｌ０.００２〜０.０７％，Ｂ０.０００５〜０.０
０２０％及び不可避の不純物を含み、残部がＦｅである
請求項２に記載の蒸気タービン。
【請求項３】前記蒸気タービン用ケーシング本体が鋳鋼
であり、前記加減弁及び主塞止弁が鋳鋼又は鍛鋼からな
る請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】蒸気タービン用ケーシング本体、加減弁及
び主塞止弁の少なくとも１つが、重量で、Ｃ０.０５〜
０.２５％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ２％以下、
Ｃｒ０.５〜２.０％，Ｍｏ０.５〜２.０％，Ｖ０.０５
〜０.５％，Ｎｉ０.５％以下,Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ａｌ０.００２〜０.０７％及びＢ０.０００３〜０.
００３０％と、Ｚｒ０.２％以下，Ｎｂ０.２％以下及び
Ｗ０.２％以下の少なくとも１種でこれらの合計量０.２
％以下と、不可避の不純物とを含み、残部がＦｅであ
る鋼からなることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】前記鋼が、重量で、Ｃ０.０８〜０.１５
％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ０.２〜０.６％，Ｃ
ｒ０.９〜１.７％，Ｍｏ０.８〜１.３％，Ｖ０.１〜０.
３５％，Ｎｉ０.１〜０.３％，Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ａｌ０.００２〜０.０７％、及びＢ０.０００５〜
０.００２０％と、Ｚｒ０.２％以下，Ｎｂ０.２％以下
及びＷ０.２％以下の少なくとも１種でこれらの合計量
０.２％以下及び不可避の不純物を含み、残部がＦｅで
ある請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項６】前記蒸気タービン用ケーシング本体が鋳鋼
であり、前記加減弁及び主塞止弁が鋳鋼又は鍛鋼からな
る請求項４又は５に記載の蒸気タービン。
【請求項７】蒸気タービン用ケーシング本体、加減弁及
び主塞止弁の少なくとも１つが、重量で、Ｃ０.０５〜
０.２５％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ２％以下、
Ｃｒ０.５〜２.０％，Ｍｏ０.５〜２.０％，Ｖ０.０５
〜０.５％，Ｎｉ０.５％以下,Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ａｌ０.００２〜０.０７％，Ｂ0.0003〜0.0030％，
Ｍｇ０.１％以下及び不可避の不純物とを含み、残部が
Ｆｅである鋼からなることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項８】前記鋼が、重量で、Ｃ０.０８〜０.１５
％，Ｓｉ０.１５〜０.７５％，Ｍｎ０.２〜０.６％，Ｃ
ｒ０.９〜１.７％，Ｍｏ０.８〜１.３％，Ｖ０.１〜０.
３５％，Ｎｉ０.１〜０.３％，Ｔｉ０.０４５〜０.１５
％，Ａｌ０.００２〜０.０７％，Ｂ０.０００５〜０.０
０２０％，Ｍｇ０.１％以下及び不可避の不純物を含
み、残部がＦｅである請求項７に記載の蒸気タービン。
【請求項９】前記蒸気タービン用ケーシング本体が鋳鋼
であり、前記加減弁及び主塞止弁が鋳鋼又は鍛鋼からな
る請求項７又は８に記載の蒸気タービン。