JP4991669B2

JP4991669B2 - タービン翼、及び蒸気タービン

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Publication number: JP4991669B2
Application number: JP2008252160A
Authority: JP
Inventors: 博司春山; 裕之土井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010084553A

Description

本発明は、表面に保護性の酸化皮膜を有する蒸気タービン静翼に係り、表面に保護製の酸化皮膜を有する蒸気タービン静翼に関する。

近年、蒸気タービンにおいては、高い発電効率が要求されており、蒸気温度が上昇する傾向にある。蒸気温度が５６６℃以上の場合、静翼の材料として一般的に１２％Ｃｒ系のステンレス鋼が使用されている。静翼の表面粗さが効率に及ぼす影響として、長時間運転中に静翼表面に酸化スケールが生成し、表面が粗くなることにより効率が低下することが知られている。高圧段側においては、高温蒸気による酸化を防止するために、クロムカーバイドのコーティングあるいは窒化処理を施すことにより、表面粗さの増大に従う効率の低下を防止している。特に、中低圧段側においては、表面研磨した鍛造材を溶接した後、応力除去焼鈍中に生成した酸化スケールを除去するために、再度表面研磨によって表面を滑らかにしたうえで使用されている。

特開２００２−３０９３０３号公報（特許文献１）には、微細な合金形成用金属粒子を塗布・焼結することによって、鋼表面に有機媒体を含有する金属粒子組成物を形成する方法が開示されている。

特表２００７−５０７６０４号公報（特許文献２）には、耐食性のバインダーマトリックスを使用して、耐摩耗性及び耐エロージョン性の向上したナノ構造化コーティングを製造する方法が開示されている。

特開２００２−３０９３０３号公報特表２００７−５０７６０４号公報

溶射または焼結により合金コーティングを形成した場合には、耐酸化性・耐摩耗性に優れるものの、コストが高くなるという問題がある。また、窒化処理のように耐磨耗性を向上させることによって耐酸化性が低下する場合もある。

一方、表面に皮膜を形成しない表面研磨のみの静翼は、長時間運転中に酸化し、表面が粗くなることにより効率が低下する。

以上のように、従来の技術は、いずれもタービン性能の維持とコストを満足すると言えるものではなかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶射や焼結体などの合金コーティングを用いることなく低コストで、耐酸化性に優れ、長時間運転後であっても効率が低下しない蒸気タービン静翼を提供する。

本発明は、重量でＭｎを０.１〜１.０％、Ｃｒを８〜１５％含むステンレス鋼を基材とし、その表面にＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅを含む保護性の酸化皮膜を有し、酸化皮膜における酸化物の平均粒径が２０〜７０ｎｍであることを特徴とする蒸気タービン静翼にある。

また本発明は、前記の蒸気タービン静翼において、更に、表面粗さＲａが１.６ａ以下であることを特徴とする蒸気タービン静翼にある。

本発明者らは、蒸気タービン静翼の表面粗さと酸化物の平均粒径に着目し、蒸気タービン効率と表面の性状について検討した。その結果、重量でＭｎを０.１〜１.０％、Ｃｒを８〜１５％含むＣｒステンレス鋼を基材とし、その表面にＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅを含む保護性の酸化皮膜を有し、酸化皮膜における酸化物の平均粒径が２０〜７０ｎｍである蒸気タービン静翼は、耐酸化性が優れており、長時間運転後でも性能の低下が抑制されることを見出した。

基材の８〜１５％Ｃｒステンレス鋼について、通常大気中で酸化させた場合には、Ｆｅ及びＣｒが酸化することによって、ＦｅＣｒ₂Ｏ₄のスケールが生成する。このスケールには保護性がないため、酸化を抑制することはできず、長時間運転後にはＦｅＣｒ₂Ｏ₄スケールの外層にマグネタイトＦｅ₃Ｏ₄のスケールが生成する。また、９〜１３％Ｃｒステンレス鋼を低酸素分圧環境で酸化させた場合には、酸化物の標準生成自由エネルギーがＦｅよりもＣｒの方が低いため、Ｃｒが優先的に酸化するが、保護性のあるクロミアＣｒ₂Ｏ₃皮膜を均一に生成するにはＣｒ量が不足している。しかし、Ｍｎを０.１〜１.０％含む９〜１３％Ｃｒステンレス鋼では、Ｍｎ酸化物の標準生成自由エネルギーがＦｅ及びＣｒよりもさらに低いため、これを低酸素分圧環境で酸化させた場合、ノジュール状にＭｎ酸化物が生成し、その他の部分にＣｒリッチな酸化物が生成することにより、長時間運転中の酸化が抑制されることが分かった。

表面粗さについては、表面の酸化物が成長することにより表面が粗くなるため、酸化物が生成しないことが望ましい。しかし、８〜１５％Ｃｒ鋼において、合金またはセラミック等によるコーティングを施す以外の方法としては、酸化物の成長を抑制することが重要である。本発明者らは、保護性の酸化皮膜を構成する酸化物粒子の粒径が２０〜７０ｎｍであれば、酸化スケールの成長が顕著に抑制されることを見出した。一方、どれだけ酸化物粒子の粒径をナノオーダーに維持しても、酸化物を生成する表面の粗さが大きいと、その効果が見られないことも分かった。各種検討の結果、長時間運転後であっても表面粗さの増大を抑制し、効率の低下を防止するには、保護性の酸化皮膜の粒径が２０〜７０ｎｍであることと、表面粗さＲａが１.６ａ以下であることが重要であり、本発明に至った。

本発明により、蒸気タービン静翼における運転中の酸化スケールの生成を抑制することが可能となり、低コストで、耐酸化性に優れ、長時間運転後であっても効率が低下しない蒸気タービン静翼を提供することが可能となった。

本発明は、上記の通りの特徴を持つものであり、以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、本願発明を使用した蒸気タービンについて説明する。

図１は、本発明の蒸気タービン翼を中圧静翼１４及び高圧静翼１５として適用した蒸気タービンプラントの一例である。ボイラより供給された５６６℃の蒸気は主蒸気配管２８を通して、高圧車室１８に導かれる。蒸気はノズル３８を通り、高圧静翼１５は蒸気の流れる方向を変えるとともに、圧力差により蒸気の速度を増加させ、高圧動翼１６は蒸気エネルギーを回転エネルギーに変換し、ロータ３３を回転させて、ロータ３３に結合された発電機で発電を行う。

図２は、単翼型の蒸気タービン静翼を示す図である。鍛造材を加工した後、表面粗さＲａを０.４ａに表面研磨して作成した翼部５０と内側シュラウド部５１、及び翼部５０と外側シュラウド部５２を、それぞれ溶接し、タービン静翼形状とした後に、６５０℃，４時間の熱処理を行って製造した。溶接後の熱処理により、タービン翼の表面に本発明の酸化皮膜を形成するため、従来、表面粗さＲａを１.６ａに研磨して作成した場合に必要であった、溶接後のブラストや研磨などによる酸化スケールの除去、及びその後の洗浄工程が不要となる。

本発明の酸化膜は、タービン翼の表面に形成されたものであることを特徴とする。また、前記酸化膜は、酸化物粒子を含み、前記酸化物粒子の粒径が２０〜７０ナノメートルであることを特徴とする。

前記酸化膜の表面粗さＲａは、１.６ａ以下であることを特徴するが、１.０ａ以下が望ましく、特に、０.５ａ以下がより好ましい。表面粗さは、その求め方によって、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ、算術平均粗さＲａなどが使用されている。本発明における平均粗さは、算術平均粗さＲａを示す。粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分における平均線から粗さ曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値をマイクロメートルで表すことによって求める。

前記酸化膜の成分は、主にＣｒ，Ｆｅ，Ｏ，Ｍｎを含むことを特徴とする。

タービン翼が、本発明の酸化膜を有することにより、運転中の酸化スケールの生成を抑制することが可能となり、低コストで、耐酸化性に優れ、長時間運転後であっても効率が低下しないことが可能となる。

熱処理条件の雰囲気は、大気中であっても効果は見られるが、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気中または真空中の低酸素分圧であることが望ましい。特に、１×１０^-12atm以下であることが好ましい。熱処理温度は、実動温度以上の温度で行い、溶接構造を有する翼の場合には、製造時の溶接後応力除去焼鈍温度であることが望ましく、溶接構造のない翼の場合には、翼材の焼き戻し温度以下であることが望ましい。特に、６５０〜６９０℃が好ましい。熱処理時間は、低酸素雰囲気では長時間行うことによって、より保護性の高いＣｒリッチな酸化皮膜が形成されるが、現実的には工程上短時間であることが望ましい。特に、３〜１２時間が好ましい。

以下、本発明に用いたタービン翼の成分限定理由について説明する。

Ｃｒは蒸気中の耐食性，耐酸化性を向上させる。また、焼入れ性を向上させ、靭性及び強度向上効果もある。８.０％未満ではこれらの効果が十分ではなく、１５.０％を超える過剰な添加はδフェライト相を形成させるため、クリープ破断強度，靭性を低下させる。特に、９.０〜１３.０の範囲とすることが好ましい。

Ｍｎは、Ｍｎ酸化物をノジュール上に生成するために０.１％以上にすべきである。一方、多量に添加するとクリープ脆化を生じやすくなるため、１.０％以下とする。特に、０.５〜１.０％の範囲とすることが好ましい。

その他、含まれても良い元素として、Ｃ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｎ，Ｃｕ，Ａｌ、及び不可避不純物のＳ，Ｐなどがあるが、いずれの元素も耐酸化性及び強度を損なわないことが好ましい。

表１に、本実施例における蒸気タービン静翼に用いるステンレス鋼の化学組成を示す。

上記組成の試験片にて、酸化被膜の評価を行った。

高周波溶解炉した鋼塊を８５０〜１１５０℃の温度で熱間鍛造し、３０mm角とした。焼入れは、１０２４〜１０５２℃で１時間行った後に油冷し、焼き戻しは、６２０℃以上で２時間行った後に空冷した。３０mm角の供試材から寸法２０×２０×５mmの試験片を切断し、表面を＃６００エメリー紙で研磨した後、アセトンで脱脂洗浄した。

次に温度６９０℃の大気中で４時間の熱処理を大気中で行った。昇温及び降温速度は、それぞれ１時間毎に１００℃である。

図３は、大気中での熱処理後の表面性状の模式図を示す。倍率２０００倍で観察したところ、表面に１μｍ程度の粒径の酸化物が均一に生成していた。酸化物の主な成分は、ＥＤＸ分析の結果、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｏ，Ｍｎであった。また、表面粗さＲａは、大気中の熱処理によって僅かに増大した。

この試験片を用いて、温度６５０℃の大気中で１０００時間の酸化試験を行い、鋼表面に生成した酸化物の性状を、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。

図４は、大気中での熱処理後に、６５０℃で１０００時間の大気酸化試験をした後の表面性状の模式図である。倍率５０００倍で観察したところ、２〜４μｍ程度の粒径の比較的大きな角型の酸化物と、１μｍ程度の粒径の酸化物が結合して形成された酸化物が確認された。図３で１μｍ程度の粒径であった酸化物が運転中の酸化によって２〜４μｍに成長したと考えられる。

また、上記試験片について、研磨後、熱処理後及び大気酸化試験後の表面粗さ測定を行った。

図５は、熱処理前の表面粗さをそれぞれ１としたときの、表面粗さの相対値を示す図である。大気中熱処理では熱処理後及び運転時間中に表面粗さが増大するが、その増加は非常に小さいことが確認された。表面粗さが増大すると、タービンの効率が低下するため、静翼に大気中の熱処理を適用した場合であっても、表面粗さの増大が抑制されることが確認された。さらに、従来の工程で必要であった溶接後のブラストや研磨などによる酸化スケールの除去、及びその後の洗浄工程が不要となり、コスト低減の効果も得られる。

実施例１と同様の試験片を作成し、低酸素分圧中での熱処理を行った場合について説明する。

高周波溶解炉した鋼塊を８５０〜１１５０℃の温度で熱間鍛造し、３０mm角とした。焼入れは、１０２４〜１０５２℃で１時間行った後に油冷し，焼き戻しは、６２０℃以上で２時間行った後に空冷した。で３０mm角の供試材から寸法２０×２０×５mmの試験片を切断し、表面を＃６００エメリー紙で研磨した後、アセトンで脱脂洗浄した。

次に温度６９０℃で４時間の熱処理を酸素分圧が１×１０^-12atm以下の低酸素分圧中で行った。昇温及び降温速度は、それぞれ１時間毎に１００℃である。これらの試験片を用いて、温度６５０℃の大気中で１０００時間の酸化試験を行い、鋼表面に生成した酸化物の性状を、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。

図６は、図１と同じ倍率２０００倍で観察した、低酸素分圧中での熱処理後の表面性状の模式図を示す。表面における酸化物の生成は、図１の大気ＳＲ材と比較して非常に少ない。これは本発明に係る蒸気タービン静翼の初期の表面に相当する。

図７は、図６の表面を倍率８００００倍で観察した、低酸素分圧中での熱処理後の表面性状の模式図を示す図である。表面には５０ｎｍ程度の粒径の酸化物が均一に生成した。酸化物の主な成分は、ＥＤＸ分析の結果、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｏ，Ｍｎであった。また、表面粗さＲａは、低酸素分圧中の熱処理によって減少した。

図８は、低酸素分圧中での熱処理後に、６５０℃で１０００時間の大気酸化試験をした後の表面性状の模式図である。図４と同じ倍率５０００倍で観察したところ、酸化物の粒径は最大でも２μｍより小さく、大部分は１μｍよりも小さいことが確認された。図４と比較すると、長時間運転後の酸化物の粒径は、大気中熱処理よりも低酸素分圧中での熱処理の方が小さいことは明らかである。

また、前述の図５中に、低酸素分圧中での熱処理について、熱処理前の表面粗さを１としたときの熱処理前後及び酸化試験後の表面粗さの相対値を示した。低酸素分圧中での熱処理では、熱処理後及び運転時間中の表面粗さが、熱処理前と比べて減少したことが明らかとなった。静翼に低酸素分圧中での熱処理を適用した場合、本発明に係る保護皮膜を有することによって、長時間運転後の酸化スケールの生成が抑制され、低コストでタービン性能を維持できることが確認された。

また、熱処理の温度条件を変えて同様の試験を行った。実施例１，実施例２の熱処理温度を６５０℃に変え、４時間の熱処理を大気中及び酸素分圧が１×１０^-13atm以下の低酸素分圧中でそれぞれ行った。その結果、熱処理前後の表面粗さの比は、大気中の１.３８に対して低酸素分圧中では１.２８となった。本発明に係る保護皮膜は、６５０℃で行っても効果があることが確認された。

本発明に係る高中圧一体型蒸気タービンの断面図である。単翼型の蒸気タービン静翼を示す図である。大気中での熱処理後の表面性状の模式図である。大気中での熱処理後に大気酸化試験した後の表面性状の模式図である。熱処理前の表面粗さを１としたときの、表面粗さの相対値を示す図である。低酸素分圧中での熱処理後の表面性状の模式図である。低酸素分圧中での熱処理後の表面性状について、図５より高倍率で観察した場合の模式図である。低酸素分圧中での熱処理後に大気酸化試験した後の表面性状の模式図である。

符号の説明

１４中圧静翼
１５高圧静翼
１６高圧動翼
１７中圧動翼
１８高圧内部車室
１９高圧外部車室
２０，２１中圧内部車室
２２中圧外部車室
２５フランジ，エルボ
２８主蒸気入口
３３高中圧ロータシャフト
３８ノズルボックス
４３軸受け
５０翼部
５１内側シュラウド部
５２外側シュラウド部

Claims

Ｍｎを０.５〜１.０重量％、Ｃｒを８〜１５重量％含有するステンレス鋼を基材とするタービン翼であって、前記基材の表面にＣｒ，Ｆｅ，Ｍｎを含む酸化膜を有し、前記酸化膜は、酸化物粒子の粒径が２０〜７０ナノメートルであることを特徴とするタービン翼。
請求項１に記載されたタービン翼であって、
前記酸化膜の表面粗さＲａが１.６ａ以下であることを特徴とするタービン翼。
請求項１に記載のタービン用静翼の製造方法であって、
タービン翼を構成する部材を鍛造材の加工により形作り、前記部材の表面を、表面粗さが０.５ａ以下に研磨し、前記研磨された各部材を溶接してタービン静翼形状とした後に実働中の温度以上で熱処理を行うことを特徴とするタービン用の静翼の製造方法。
請求項３に記載されたタービン用の静翼の製造方法であって、前記研磨後の基材の表面粗さＲａを１.６ａ以下とすることを特徴とするタービン用静翼の製造方法。
請求項３に記載されたタービン用の静翼の製造方法であって、前記熱処理を、前記部材表面に形成される酸化膜に、粒径が２０〜７０ナノメートルの酸化物粒子が析出するまで行うことを特徴とするタービン用静翼の製造方法。
請求項３に記載されたタービン用の静翼の製造方法であって、前記熱処理は、６５０℃〜６９０℃で行うことを特徴とするタービン用静翼の製造方法。
請求項３に記載されたタービン用静翼の製造方法であって、前記熱処理を酸素分圧１×１０^-12atm以下で行うことを特徴とするタービン用静翼の製造方法。
請求項３に記載されたタービン用の静翼の製造方法であって、翼の処理表面は、動作流体通路部を含む範囲とすることを特徴とするタービン用静翼の製造方法。