JP2899647B2

JP2899647B2 - 水車ランナ

Info

Publication number: JP2899647B2
Application number: JP6326626A
Authority: JP
Inventors: 正三谷田; 孝雄舟本; 紀夫北村; 順三小松; 正和緑川; 次雄吉川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH07324671A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水車ランナに係り、特に
高強度・高靭性の鋼板を用いた溶接構造の水車ランナに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年発電効率の向上のため、水力発電に
おいては高揚程・高落差化の傾向にある。これに伴い高
強度・高靭性の水車ランナが求められている。従来、水
車ランナには、耐キャビテーション特性に優れたマルテ
ンサイト系ステンレス鋼である１３Ｃｒ鋼が用いられて
いた。この１３Ｃｒ鋼はＮｉを含まないものであった。
ところが、単機水車ランナの出力上昇並びに効率向上の
要請に伴い、Ｎｉを含み靭性に優れた１３Ｃｒ鋼が開発
され、この１３Ｃｒ鋼を一体鋳造あるいは分割鋳造した
水車ランナが提案されている（例えば特公昭６０−５３
７３７号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、以下のような問題点があった。ひけ巣などの鋳造特有の欠陥の発生および偏析など
により、十分な靭性が得られない。欠陥の検出には超音波探傷や放射線検査等の非破壊
検査法が用いられているが、三次元形状の水車ランナ全
体を精度良く検査するには多大な工数が必要である。

【０００４】非破壊検査で検出された鋳造欠陥は被
覆アーク溶接などによる補修溶接されるが、この補修溶
接作業に際して、１３Ｃｒ鋼は溶接割れを起こし易い。
そして、この溶接割れを回避するため予熱・後熱等の作
業が必要となり、補修作業にも多くの工数が必要であ
る。水車ランナの鋳造表面の仕上げに多大な工数が
必要である。

【０００５】本発明の目的は、高強度・高靭性の特性を
有し、かつ少ない工数で製造できる水車ランナを提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の水車ランナは、少なくともベーンの全部
が、重量で、Ｃ：０.０１〜０.１０％，Ｓｉ：０.１０
〜１.０％，Ｍｎ：０.１０〜２.０％，Ｎｉ：２〜７
％，Ｃｒ：１０〜１５％，Ｍｏ：０.１０〜３％，残部
Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ金属組織がマ
ルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、か
つ残留オーステナイト量が容量比で１０〜３５％である
圧延鋼板からなり、前記ベーンは複数枚の前記鋼板が電
子ビーム溶接によって接合された接合構造を有し、前記
ベーンはバンド及びクラウンに溶接によって接合されて
おり、溶接部の残留オーステナイト量が容量比で１０〜
３５％であることを特徴としている。

【０００７】また本発明の水車ランナは、少なくともベ
ーンの全部が、重量で、Ｃ：０.０１〜０.１０％，Ｓ
ｉ：０.１０〜１.０％，Ｍｎ：０.１０〜２.０％，Ｎ
ｉ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜１５％，Ｍｏ：０.１０〜
３％，残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ金
属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトの混合か
らなり、かつ残留オーステナイト量が容量比で１０〜３
５％である圧延鋼板からなり、前記ベーンは複数枚の前
記鋼板が電子ビーム溶接によって接合された接合構造を
有し、前記ベーンの板厚はベーン全体でほぼ一定であ
り、前記ベーンはバンド及びクラウンに溶接によって接
合されており、溶接部の残留オーステナイト量が容量比
で１０〜３５％であることを特徴としている。

【０００８】また本発明の水車ランナは、少なくともベ
ーンの全部が、重量で、Ｃ:０.０１〜０.１０％，Ｓ
ｉ：０.１０〜１.０％，Ｍｎ：０.１０〜２.０％，Ｎ
ｉ:２〜７％，Ｃｒ：１０〜１５％，Ｍｏ：０.１０〜３
％，残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ酸素
量が最大６０ppm、窒素量が最大１２０ppmであり、かつ
金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトの混合
からなり、かつ残留オーステナイト量が容量比で１０〜
３５％である圧延鋼板からなり、前記ベーンは複数枚の
前記鋼板が電子ビーム溶接によって接合された接合構造
を有し、前記ベーンの板厚はベーン全体でほぼ一定であ
り、前記ベーンはバンド及びクラウンに溶接によって接
合されており、溶接部の残留オーステナイト量が容量比
で１０〜３５％であることを特徴としている。

【０００９】

【作用】主成分であるＣｒおよびＮｉ等は水車ランナに
強度や耐キャビテーション性を与えるのに必要であり、
鋳鋼での含有量と本質的に変わりはない。しかし、１３
Ｃｒ鋼のような高合金鋼の電子ビーム溶接では、溶接欠
陥の発生防止と靭性確保のため、鋼中の酸素と窒素の含
有量については制御が必要であるとともに母材肉質に巣
等の空隙がないことが肝要である。

【００１０】以下に、鋼板化における化学成分の限定理
由を述べる。Ｃは０.１０％を越えると溶接性が悪くな
るとともに、強度の増加と相反して切欠靭性が悪くな
る。また０.０１％未満では強度上および溶解上の点で
問題である。Ｓｉは製鋼時の脱酸剤として０.１％以上
必要であるが、１％を越えると硬く脆くなるので、０.
１〜１.０％に限定される。Ｍｎは脱酸・脱硫作用があ
り、またオーステナイト化元素として靭性にも寄与する
が、２％を越えると溶接硬化性の問題を生ずる。

【００１１】Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、有
効な残留オーステナイト量を確保するためにも２〜７％
必要であるが、特に４〜６％が望ましい。しかし、７％
を越えると残留オーステナイトが増加し強度の低下を招
く。Ｃｒは耐蝕性を確保するための基本的な成分で、淡
水中での耐蝕性を得るためにも１０％以上必要である。
しかし、Ｃｒが増加するとδフェライトが増え脆化する
ので上限は１５％に限定する。Ｍｏは炭化物生成元素で
もあり、水中での疲労強度向上にも著しく有効な成分で
焼戻し脆化防止にも効果を示す。しかし、３％を越える
とその効果も薄れ、逆に焼入性が増加し靭性の低下を招
く。

【００１２】酸素は溶接金属の靭性を低下させる元素で
あるが、特に電子ビーム溶接ではブローホール等の内部
欠陥を発生させ易くするので、その上限を６０ppmに制
限する必要がある。窒素は微量であれば鋼中のＡｌと結
合して結晶粒の微細化の核としての効果があるが、あま
り多いとオーステナイト粒界に偏析して焼入性を低下さ
せるばかりでなく、酸素と同様にブローホールを発生さ
せ易くするので、上限を１２０ppmに制限する必要があ
る。

【００１３】本発明の水車ランナにおいては、鋼の組織
は主としてマルテンサイトと残留オーステナイトの混合
状態になる。そして、残留オーステナイト量は靭性の点
から１０％以上、強度の点から３５％以下にするのが良
い。

【００１４】また、上述した鋼は圧延され鋼板となり、
非破壊検査および外観検査を経て所定の寸法に切断され
て水車ランナの部材として用いられるが、鋼板のままで
の検査は非常に能率的であるばかりか、精度の向上を図
ることもできる。実際に、この状態での検査で水車ラン
ナ全体の約８〜９割の検査が終了したことになる。そし
て、鋼板は三次元曲面を有する型で塑性加工されたの
ち、電子ビーム溶接などで溶接され組み立てられる。

【００１５】

【実施例】以下に本発明を実施例により詳細に説明す
る。図１は本発明が適用されるフランシス型水車ランナ
の斜視図、図２はそれを中央で切断した図である。図に
示すように、ベーン１はクラウン２とバンド３の間に設
けられている。そして、クラウン２の中央部は図示しな
い駆動軸に連結される。

【００１６】次に表１に上記水車ランナの供試鋼の化学
成分を、表２にその機械的性質をそれぞれ示す。なお、
表２にはキャビテーション・エロージョン試験（表では
ＣＥ試験と略示している）と、破壊靭性試験の結果も示
してある。

【００１７】キャビテーション・エロージョン試験では
磁歪振動型試験機を用い、試験条件を、周波数：６.５
ＫＨｚ、振幅：１２０μｍ、試験液：水道水、試験液
温：２５℃、試験時間：２時間とし、直径２２mmの試験
面について試験前後の重量の差を測定し、試験面の懐食
量を求めた。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】破壊靭性試験では、ＡＳＴＭＥ８１３−
８１に準じ、板厚１２.７mmのコンパクト・テンション
試験片を用いて、弾塑性破壊靭性試験法により０℃での
破壊靭性を求めた。

【００２１】次に試験結果を述べる。供試材No.１〜No.
３は本発明鋼で、供試材No.４〜No.６は比較鋼である。
このうち、No.５およびNo.６は従来の水車ランナと同質
の鋳鋼品であり、他はすべて圧延鋼である。いずれも５
Ｎｉ−１３Ｃｒを主成分としたものであるが、鋼中の酸
素および窒素ガスの含有量を変化させたものである。

【００２２】引張強さ及び０.２％耐力では鋳鋼と圧延
鋼の両者に差は見られないが、伸びおよび絞りは鋳鋼よ
り圧延鋼の方がやや大きく延性に富んでいることがわか
る。さらに、衝撃値あるいは破壊靭性など構造物の破壊
防止に要求される特性に関しては、前述の引張試験にお
ける伸び等の差以上に特に圧延鋼の方が鋳鋼よりも優れ
ていた。これは、鋼中に含まれる非金属介在物の量の差
に影響されたもので、両者の清浄度(Ｔotal）が圧延鋼
で０.０３３〜０.０５３に対し鋳鋼では０.１１〜０.１
４と圧延鋼の方が鋳鋼より小さいことによるものであっ
た。

【００２３】次に５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋼の電子ビーム溶接
性について検討した結果について述べる。電子ビーム溶
接法は、溶接変形が少なく厚板でも１パスで溶接できる
利便から、高出力の装置の開発に伴い炭素鋼などの厚肉
の大型構造物の分野にも応用されてきており、一般化さ
れつつある。

【００２４】水車ランナへの実用化上、特に考慮しなけ
ればならない点としては、ポロシティ、高温割れ等の溶
接欠陥発生の有無、および溶接部の機械的性質や破壊靭
性の性能について検討することが重要である。

【００２５】５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋼の溶接性についての検
討結果を表３に示す。なお、ビード形状の符号について
は図３に示してある。供試材を板厚８０mmに加工し、Ｉ
型開先突合せ部を加速電圧９０ＫＶ、ビーム電流３００
〜３５０ｍＡ、ビーム振動を直径０.５mm×５００Ｈ
ｚ、焦点位置を被溶接材の表面下８０mmで溶接を実施し
た。その結果、全ての供試材について高温割れは発生し
なかったが、試供材No.４〜No.６はいずれも溶接金属中
央付近でポロシティが認められた。この要因は種々検討
した結果、鋼中に含まれる酸素および窒素ガスの影響に
よるものであることがわかった。供試材No.４〜No.６で
は、表中に示すように、酸素量は１００〜１２０ppmで
窒素量は４６０〜４７０ppmであった。

【００２６】

【表３】

【００２７】このような知見を下に５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋼
におけるポロシティの発生と酸素及び窒素の関係を検討
した結果、酸素量を６０ppm、窒素量１２０ppmとするこ
とにより、高温割れ等の欠陥はもちろん、ポロシティも
まったく発生しないことがわかった。このような鋼は母
材の破壊靭性のみならず溶接金属でも優れた特性を示す
ことが確認されている。

【００２８】電子ビーム溶接金属の破壊靭性とキャビテ
ーション懐食量について、本発明鋼と比較鋼との比較結
果を表４に示す。

【００２９】

【表４】

【００３０】両者はキャビテーション特性ではあまり相
違は見られないが、破壊靭性の点では本発明鋼の方が比
較鋼よりも３割ほど高い。これは、前述したように、母
材の清浄度および酸素含有量が影響していることは明白
である。

【００３１】電子ビーム溶接継手の引張試験について、
本発明鋼の試験結果を表５に示す。

【００３２】

【表５】

【００３３】表より、電子ビーム溶接の溶接金属は軟化
することなく、母材と同等の強さを有することは明らか
である。なお、表中には溶接棒Ｄ３０９Ｍｏを使用した
場合の強度についても示したが、オーステナイト系の溶
接棒の場合、電子ビーム溶接と比べかなり低い強度とな
る。

【００３４】以上のように、本実施例で用いた圧延鋼
は、電子ビーム溶接性に優れ、かつ継手の切欠靭性も鋳
造材より優れていることが判った。この結果を基にし
て、実物の１／２サイズの水車ランナを試作した。

【００３５】次にその水車ランナの試作について述べ
る。ランナの大きさは長さ：８０００mm、最大幅：１７
００mm、板厚：８０mmとした。そして、図４に示すよう
に、ベーン１を板材１Ａ，１Ｂ，１Ｃに３分割し、板材
１Ａ，１Ｂ，１Ｃの圧延方向がベーン１の長手方向と一
致するように、板材１Ａ，１Ｂ，１Ｃの板取りを行なっ
た。また板材１Ａ，１Ｂ，１Ｃは多軸塑性加工の可能な
プレス加工機を用い熱間および冷間の絞り加工をした。

【００３６】プレス加工機は図５に示すような構成のも
ので、上下方向に対向配置された上部テーブル１０と下
部テーブル１１に、半球状の可動ヘッド１２を有する可
動ロッド１３がそれぞれ取付けられ、可動ヘッド１２の
先端に三次元曲面を有する型１４が固定されて、更に型
１４の両側端は支持側板１５で支持されている。また、
型１４内には導水管１６が設けられ、型１４を冷却でき
るようになっている。

【００３７】上述のプレス加工機で板材１Ａ，１Ｂ，１
Ｃを三次元曲面にプレス加工する場合、板材１Ａ，１
Ｂ，１Ｃを予め９５０℃程度に加熱したのち、上下の型
１４の間に挿入して加圧した。そして、マルテンサイト
変態が終了するまで、板材１Ａ，１Ｂ，１Ｃを加圧しつ
づけた。これは、マルテンサイト変態が終了する前に加
圧力を解除すると、板材１Ａ，１Ｂ，１Ｃがバックリン
グを起こしたり、また、マルテンサイト変態の熱膨張に
より変形したりするのを防止するための熱処理である。

【００３８】このようにして、プレス加工された板材１
Ａ，１Ｂ，１Ｃを三次元電子ビーム溶接機で溶接し、互
いに接合して一体化したのち、寸法検査および非破壊検
査を行なって、ベーンを作成した。

【００３９】また、本発明はベーン１ばかりでなく、バ
ンド２にも適用できることは勿論である。なお、水車ラ
ンナ作成までの手順を流れ図で示すと図６のようにな
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高強度・高靭性でかつ耐懐食性のある水車ランナを得る
ことができるので、破壊安全性に対する信頼性を向上さ
せることが可能である。また、検査工数や補修工数を低
減できるので、経済的なメリットも大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用できるフランシス型水車ランナの
斜視図である。

【図２】図１を中央で切断したときの断面図である。

【図３】ビード形状を示す図である。

【図４】ランナの組立図である。

【図５】プレス加工機の断面図である。

【図６】ランナ製造の手順を示す流れ図である。

【符号の説明】１ベーン１Ａ,１Ｂ,１Ｃ板材２クラウン３バンド１０上部テーブル１１下部テーブル１２可動ヘッド１３可動ロッド１４型１５支持側板１６導水管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小松順三茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者緑川正和茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者吉川次雄茨城県日立市幸町三丁目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55−58353（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−193249（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−85960（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−49567（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F03B 3/12 C22C 38/00 302 B23K 15/00 505

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともベーンの全部が、重量で、
Ｃ：０.０１〜０.１０％，Ｓｉ：０.１０〜１.０％，Ｍ
ｎ：０.１０〜２.０％，Ｎｉ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜
１５％，Ｍｏ：０.１０〜３％，残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなり、かつ金属組織がマルテンサイトと残
留オーステナイトの混合からなり、かつ残留オーステナ
イト量が容量比で１０〜３５％である圧延鋼板からな
り、前記ベーンは複数枚の前記鋼板が電子ビーム溶接に
よって接合された接合構造を有し、前記ベーンはバンド
及びクラウンに溶接によって接合されており、溶接部の
残留オーステナイト量が容量比で１０〜３５％である水
車ランナ。
【請求項２】少なくともベーンの全部が、重量で、
Ｃ：０.０１〜０.１０％，Ｓｉ：０.１０〜１.０％，Ｍ
ｎ：０.１０〜２.０％，Ｎｉ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜
１５％，Ｍｏ：０.１０〜３％，残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなり、かつ金属組織がマルテンサイトと残
留オーステナイトの混合からなり、かつ残留オーステナ
イト量が容量比で１０〜３５％である圧延鋼板からな
り、前記ベーンは複数枚の前記鋼板が電子ビーム溶接に
よって接合された接合構造を有し、前記ベーンの板厚は
ベーン全体でほぼ一定であり、前記ベーンはバンド及び
クラウンに溶接によって接合されており、溶接部の残留
オーステナイト量が容量比で１０〜３５％である水車ラ
ンナ。
【請求項３】少なくともベーンの全部が、重量で、
Ｃ：０.０１〜０.１０％，Ｓｉ：０.１０〜１.０％，Ｍ
ｎ：０.１０〜２.０％，Ｎｉ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜
１５％，Ｍｏ：０.１０〜３％，残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなり、かつ酸素量が最大６０ppm、窒素量
が最大１２０ppmであり、かつ金属組織がマルテンサイ
トと残留オーステナイトの混合からなり、かつ残留オー
ステナイト量が容量比で１０〜３５％である圧延鋼板か
らなり、前記ベーンは複数枚の前記鋼板が電子ビーム溶
接によって接合された接合構造を有し、前記ベーンの板
厚はベーン全体でほぼ一定であり、前記ベーンはバンド
及びクラウンに溶接によって接合されており、溶接部の
残留オーステナイト量が容量比で１０〜３５％である水
車ランナ。