JP5498461B2 - タービンロータ及びその製造方法並びに蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明はタービンロータ及びその製造方法並びに蒸気タービンに係り、特に、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材が、突き合せ溶接により形成される溶接部を介して接続されるものに好適なタービンロータ及びその製造方法並びに蒸気タービンに関する。

一般に、蒸気タービンは、タービンロータに動翼が設置された高圧タービン、中圧タービン、及び低圧タービンから概略構成され、主蒸気配管から流入する蒸気により駆動され、発電機を回転させ発電するものである。

図１に、蒸気タービンの概念図を示す。該図に示す如く、タービンロータ５１には、高圧タービン５４、中圧タービン５５、及び低圧タービン５６ａ、５６ｂが取り付けら、主蒸気配管５２から流入する蒸気は、高圧タービン５４に流れる。その後、一旦、高圧タービン５４から蒸気は、ボイラー再熱器５３にて温度を上昇させた後に、中圧タービン５５及び低圧タービン５６ａ、５６ｂに流れて駆動し、タービンロータ５１の端部に取り付けられた発電機５７を回転させることで発電している。

ところで、蒸気タービンのタービンロータは、軸長が長大になり、しかも、高圧側ロータには高温クリープ破断強度が要求され、一方、低圧側ロータには引張強度と靭性とが要求されるので、一部材で高圧側及び低圧側の蒸気タービンロータを形成した場合、各特性を満足させることができなかった。

そこで、高圧側ロータを高温クリープ破断強度に優れた材料で形成すると共に、低圧側ロータを引張強度と靭性に優れた材料で形成し、その後、これらを溶接によって一体化している。

溶接は、開先内に溶融した溶接金属を堆積させながら、開先内部をトーチが走査することによりなされる。その際に用いられる溶接としては、速度は遅いが低入熱で施工が可能なタングステン・イナートガス溶接（ＴＩＧ）、レーザ溶接、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）などが、一方、高入熱だが速度は早いサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、マグ溶接（ＭＡＧ）等が挙げられる。

これらの溶接の問題点は、前者は施工時間が多大に要すること、また、後者は結晶粒の粗大化に伴い耐食性が低下することである。例えば、特許文献１では、溶接方法をＴＩＧのみに限定し、また、特許文献２及び３では、溶接方法をＴＩＧまたはＳＡＷのいずれかを採用することが示されている。

特開平１０−６０１０号公報 特開２００６−５１５２４号公報 特開２００３−１５４４５４公報

しかしながら、上記した特許文献１乃至３に記載された溶接方法では、溶接方法の長所と短所のいずれかを優先するに過ぎず、施工時間の短縮と耐食性の向上を両立するには至っていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材が、突き合せ溶接により形成される溶接部を介して接続されるものであっても、製造時間が短く、かつ、耐食性に優れたタービンロータ及びその製造方法並びに蒸気タービンを提供することにある。

本発明のタービンロータは、上記目的を達成するために、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材が、突き合せ溶接により形成される溶接部を介して接続されており、前記溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部と、該溶接部中央部より半径方向外側に位置し、厚さが４〜２０ｍｍ、幅が前記溶接部中央部よりも４〜１０ｍｍ広い溶接部表層部とから形成されていると共に、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、かつ、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上であることを特徴とする。

また本発明の蒸気タービンは、高圧タービンと中圧タービン及び低圧タービンから構成され、主蒸気配管から流入する蒸気により駆動されるものであって、前記高圧タービンと中圧タービン及び低圧タービンの少なくとも１つのタービンロータが、上記構成のタービンロータであることを特徴とする。

また、本発明のタービンロータの製造方法は、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材を、突き合せ溶接により接続して製造するに当たり、前記突き合せ溶接された溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部より半径方向外側に位置する溶接部表層部が、厚さが４〜２０ｍｍ、幅が前記溶接部中央部よりも４〜１０ｍｍ広くなると共に、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、かつ、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上となるように溶接されるか、
若しくは、前記突き合せ溶接された溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部を溶接する中央部溶接工程と、該中央部溶接工程よりも低入熱で、前記溶接部中央部より半径方向外側に位置する厚さが４〜２０ｍｍ、幅が中央部よりも４〜１０ｍｍ広い溶接部表層部を溶接する表層部溶接工程とを順番に行い、かつ、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上となるように溶接されることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材が、突き合せ溶接により形成される溶接部を介して接続されるものであっても、製造時間が短く、かつ、耐食性に優れたタービンロータ及びその製造方法並びに蒸気タービンを得ることができる。

本発明に係る蒸気タービンの概略を示す概念模式図である。 本発明のタービンロータの実施例１の全体構造を示す断面図である。 図２の溶接部を示す断面図である。 本発明のタービンロータの実施例１に採用される溶接装置を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例１における溶接工程を示すフロー図である。 本発明のタービンロータの実施例１における溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータに採用されるタービンロータ母材の分割例を示し、（ａ）は３分割、（ｂ）は４分割、（ｃ）は６分割の例をそれぞれ示す図である。 本発明のタービンロータの実施例２であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例３であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例４における溶接工程を示すフロー図である。 本発明のタービンロータの実施例４であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例５であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例６における溶接工程を示すフロー図である。 本発明のタービンロータの実施例６であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例８における溶接工程を示すフロー図である。 本発明のタービンロータの実施例８であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例９に採用される溶接装置を示す図である。 本発明のタービンロータの実施例９であり、溶接部の溶接状態の変化を示す図である。 本発明のタービンロータの他の例を示す断面図である。

本発明者等は、ＳＡＷを用いて製作した溶接部の耐食性を評価した。その結果、この溶接部の耐食性は、ＴＩＧを用いて製作した溶接に比べて劣ることが分かった。更に詳細に調査した結果、溶接部表面に露出した熱影響部（ＨＡＺ）粗粒域の耐食性が著しく劣っていた。その際の結晶粒度番号（測定方法：ＪＩＳ Ｇ０５５２）は、５以下であった。また、溶接部内部のＨＡＺ粗粒域は、結晶粒度５以上であった。

溶接部の表面と内部においてＨＡＺ粗粒域の結晶粒度番号に相違が生じるのは、多層溶接における繰り返し熱サイクルによる焼鈍しの効果に関係する。溶接部内部では、この繰り返し焼鈍し効果により、粗大粒は徐々に小さくなる。その一方、溶接部表面では、この繰り返し焼鈍し効果は極小さいことから、粗大粒のまま残存する。また、施工時間は、ＴＩＧ法のみを用いて製作する場合に比べて短かった。

以上のことから、耐食性向上と施工時間短縮を両立することが課題であり、本発明者等は、これらの課題について本発明を提案し、後述する試験などを行った。その結果、上記課題を解消する見通しを得た。

以下、図面を用いて本発明のタービンロータ及びその製造方法を説明する。

本発明のタービンロータ及びその製造方法の実施例１について図２乃至図６を用いて説明する。

本実施例における溶接部の仕様は、後述する表１にまとめて示してある。材料は３.５％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の同材としたが、ロータ材料の組み合わせには制限はない。例えば、Ｎｉ基超合金、１２％Ｃｒ鋼、またはＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼との異材、及び同材の組み合わせであっても構わない。

図２及び図３に、タービンロータの例として低圧タービン用溶接ロータを示す。該図に示す如く、低圧タービン用溶接ロータは、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材３１を突き合せ溶接により形成される溶接金属３３を含む、厚さが８０ｍｍ以上の溶接部３４を介して接続されている。ロータの中心部には、熱容量及び溶接部の肉厚低下を目的とした密閉中空部３２がある。

上記した溶接部３４の肉厚は、８０ｍｍ以上であることが望ましい。その理由は、本発明では、ＴＩＧとＳＡＷを肉厚方向に使い分けて施工時間の短縮と耐食性の向上を両立するが、溶接部の肉厚が８０ｍｍ以下の場合、施工時間の短縮に関する長所が顕著に表れないからである。

図４に、本実施例のタービンロータを製作するための溶接装置の一例を示す。該図に示す如く、溶接装置は、円周方向に移動できる駆動装置５と、タービンロータ母材３１に熱を投入して溶接部３４を形成させる溶接機構６と、駆動装置５の走査及び溶接機構６からのデータ記録及び送受信を行う制御評価装置１０と、駆動装置５と制御評価装置１０との間で信号を送受信する信号ケーブル８及び溶接機構６と制御評価装置１０との間で信号及びデータを送受信する信号ケーブル９とから概略構成されている。

また、溶接機構６のトーチ１１には、ガスボンベ１４から不活性ガスの供給をうけるためにガスホース１７、１８を取り付けてある。タービンロータ母材１には、トーチ１１とタービンロータ母材３１との間で電気アークを発生するために、電気線１９を取り付けてある。タービンロータ回転装置１５には、回転信号線２０を取り付けてあり、制御評価装置１０からの制御信号を受けて、タービンロータ回転装置１５の回転速度及び回転方向が制御される。

尚、本実施例では、駆動装置５は、タービンロータ母材３１に密着して移動する自立型を記載したが、この他に、別に走査アームなどの外力により駆動装置５が移動するものでも構わない。

また、本実施例では、入熱量の異なる少なくとも２種類の溶接を用いている。本実施例では、低入熱の溶接方法としては、入熱量１５〜２５ＫＪ／ｃｍのＴＩＧとしたが、レーザ溶接やＥＢＷであっても構わない。また、高入熱の溶接方法としては、入熱量２０〜３０ＫＪ／ｃｍのＳＡＷ、ＳＭＡＷ、ＭＡＧであっても構わない。また、図４では、溶接方向が下向きであるが、横向きであっても構わない。

図５は、本発明のタービンロータの製造方法におけるタービンロータ溶接工程のフローの一例を示すものである。

図５に示す如く、まず、ステップ１０１で、タービンロータ母材３１を他方のタービンロータ母材３１に組み込む。その後、ステップ１０２で、溶接工程を開始する指示がでると、ステップ１０３で、溶接時の熱応力を緩和するために、タービンロータ母材３１を予熱する。このタービンロータ母材３１を予熱する際に用いる装置は、電気炉、ガスバーナ、高周波誘導加熱機等が挙げられるが、その他の装置でも構わない。

そして、ステップ１０５において、図４で示した高入熱な溶接装置によって、溶接部３４の中央部を形成するために、中央部溶接３４ａを行う。ステップ１０６では、図４で示した低入熱な溶接装置によって溶接部の表層部を形成するために、表層部溶接３４ｂを行う。

ステップ１０８では、本溶接で溶接部３４に入った熱を均一化するために残留応力除去焼鈍を行う。残留応力除去焼鈍する際に用いる装置は、電気炉、ガスバーナ、高周波誘導加熱機等が挙げられるが、その他の装置でも構わない。

ステップ１０９で溶接部３４の溶接欠陥検査を行う。検査方法としては、浸透探傷試験（ＰＴ）、目視検査（ＶＴ）、超音波探傷試験（ＵＴ）、放射線透過試験（ＲＴ）、磁粉探傷試験（ＭＴ）などが挙げられるが、その他の方法でも構わない。

ステップ１１０で欠陥を検出して、さらにステップ１１１で欠陥サイズが機械強度上許容できない場合、ステップ１１２で溶接部３４を切除して、さらにステップ１１３でロータ端面を開先加工する。ステップ１１０で欠陥を検出しなかったり、或いはステップ１１１で欠陥サイズを許容することが確認できた場合、ステップ１１４に進んで溶接工程を終了する。

図６に、溶接部３４の開先形状の一例を示す。溶接部３４の肉厚をｔ、溶接部３４の中央部溶接３４ａの幅をＷｃ、溶接部３４の表層部溶接３４ｂの幅をＷｓ、及び溶接部３４の表層部溶接３４ｂの深さをｔｓとそれぞれ定義する。

これら因子の間には、下記の式（１）〜（３）の関係が成立する。

Ｗｃ＋１０＞Ｗｓ＞Ｗｃ＋４ 式（１）
２０＞ｔｓ＞４ 式（２）
ｔ＞８０ 式（３）
式（１）については、繰り返し焼鈍しが十分に施されていない中央部溶接３４ａ上部のＨＡＺ粗粒域に対して、表層部溶接３４ｂの溶接過程における繰り返し焼鈍しを施すことを想定している。そのため、結晶粒の微細化効果のために、中央部溶接３４ａのＨＡＺ粗粒域を十分にカバーするように、表層部溶接３４ｂの幅Ｗｓは、中央部溶接３４ａよりも最低でも４ｍｍ広くする必要がある。表層部溶接３４ｂの幅Ｗｓが中央部よりも４ｍｍ未満の場合、中央部溶接３４ａのＨＡＺ粗粒域を十分にカバーできずに、結晶粒の微細化効果は得られない。

また、残留応力の除去効果のために、中央部溶接３４ａの歪付与領域を必要最小限カバーするように、表層部溶接３４ｂの幅Ｗｓは、中央部溶接３４ａよりも最大で２０ｍｍ広くする必要がある。但し、表層部溶接３４ｂの幅Ｗｓが中央部溶接３４ａよりも２０ｍｍ以上広い場合、上記と同じ効果が期待できるものの、施工時間を要する。よって、溶接体積を必要最小限に抑えるには、表層部溶接３４ｂの幅Ｗｓは中央部溶接３４ａよりも最大で２０ｍｍ広くすれば十分である。

式（２）については、表層部溶接３４ｂの底部において繰り返し焼鈍しを十分に施すために、１層当たりの溶着金属厚さが少なくとも２層積層する必要がある。これより、表層部溶接３４ｂの深さは最低でも４ｍｍとする必要がある。表層部溶接３４ｂの深さが４ｍｍ以下の場合、表層部溶接３４ｂの底部において繰り返し焼鈍しを十分に施されないため、結晶粒の微細化効果は得られない。表層部溶接３４ｂの深さを４ｍｍ以上にしても、同じ効果が期待できるが、表層部溶接３４ｂの深さが中央部よりも２０ｍｍより深くなると、上記と同様の効果が期待されるものの、施工時間を要する。よって、溶接体積を必要最小限に抑えるには、表層部溶接３４ｂの深さは最大２０ｍｍであれば十分である。

式（３）については、高速施工が可能な溶接方法と、低速施工が可能な溶接方法を併用するため、後者のみで施工する場合に比べて施工時間の短縮化が期待できるのは、肉厚が８０ｍｍ以上の溶接部３４である。肉厚が８０ｍｍ未満の場合では、低速施工が可能な溶接方法のみを使用した方が、施工時間は短くなる。一方、肉厚が厚くても、同様の効果が期待でき、更なる施工時間の短縮が期待できる。ただし、タービンロータで対象とする肉厚は、最大で２５０ｍｍである。

表１に、各実施例における施工条件と各特性の測定結果例をまとめて示す。横軸は施工条件と特性、縦軸は各実施例を示す。施工条件としては、溶接方法、後処理、溶接部の形状、及び表層部の溶接金属をそれぞれ示している。また、特性としては、最大結晶粒度、及び単位施工時間（従来の実施例１における施工時間を１００とした場合の相対比率）を示している。

結晶粒度は大きい（微細）な方が好ましいが、現状の技術レベルでは、７．０が最大値である。また、単位施工時間は短いほど好ましいが、従来の実施例１に比べて３０％減であれば、短縮化できたと言える。

実施例としては、本発明の実施例１乃至７に加えて、従来技術における実施例２及び３も併せて示す。

表２に、ＴＩＧ及びＳＡＷ法の代表的な溶接条件及び溶接部の特性を示す。

ＳＡＷは、ＴＩＧに比べて入熱量及び溶着量が多いため、施工速度は早い。その一方、母材への影響が大きいため、残留応力の範囲が広く、ＨＡＺ粗粒域の最低結晶粒度番号は小さく（粗大）になる。

本実施例の場合、最大結晶粒度は５．５〜７．０で、単位施工時間は１２〜４７％であり、従来の実施例１に比べて短時間で施工できる。また、従来技術における実施例２及び３では、単位施工時間は８〜２７％であり、本発明における実施例１と同レベル以下であったが、最大結晶粒度は４．０（粗大）であった。

以上のことから、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

次に、本発明のタービンロータに採用されるタービンロータ母材３１の分割例を図７に示す。図２に示した例は、タービンロータ母材３１を中央で２分割した例であるが、図７に示す例は、タービンロータ母材３１の分割個数のみが図２と異なる。その他については、溶接部３４を含め図２と同様である。

即ち、図７（ａ）では、タービンロータ母材３１は、軸端側に近い最終段と１段目の間と対側の最終段と１段目の間で３分割されている。図７（ｂ）では、図２と図７（ａ）の分割パターンが同時に起きており、タービンロータ母材３１は、軸端側に近い最終段と１段目の間、中央、反対側の最終段と１段目の間で４分割されている。図７（ｃ）では、図７（ｂ）に加えて、両側の最終段と軸受部の間で６分割されている。

本実施例では、少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材３１が溶接部３４を介して接続されていれば、タービンロータ母材３１の分割個数に制限はない。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例２について図８を用いて説明する。本実施例は、実施例１と比べて、溶接部における表層部溶接３４ｂの開先形状のみが異なる。その他については、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図８に示す如く、本実施例では、溶接部３４の表層部溶接３４ｂの開先側面が、溶接部３４の中央部溶接３４ａの半径方向外側開先端部から半径方向外側に向かって広くなるように傾斜しており、ここに中央部溶接３４ａ（図８（ｂ）参照）を行った後に、表層部溶接３４ｂ（図８（ｃ）参照）を行うものである。

これにより、開先端部への応力集中が緩和されるため、溶接割れの危険性を低減できる。その他の効果については、実施例１と同様である。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例３について図９を用いて説明する。本実施例は、実施例１と比べて、溶接部における表層部溶接３４ｂの開先形状のみが異なる。その他については、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図９に示す如く、本実施例では、溶接部３４の表層部溶接３４ｂの開先側面が、溶接部３４の中央部溶接３４ａの半径方向外側開先端部から半径方向外側に向かって広くなるように湾曲している。即ち、溶接部３４の表層部溶接３４ｂの開先形状内の角が曲面に加工され、ここに中央部溶接３４ａ（図９（ｂ）参照）を行った後に、表層部溶接３４ｂ（図９（ｃ）参照）を行うものである。

これにより、湾曲している箇所への応力集中が緩和されるため、溶接割れの危険性を低減できる。その他の効果については、実施例１と同様である。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例４について図１０及び図１１を用いて説明する。本実施例は、実施例１と比べて、溶接部３４において、さらに初層部溶接３４ｃを追加している点のみが異なる。その他については、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図１０に示す如く、本実施例では、実施例１の図５と比べて、ステップ１０４の初層部溶接３４ｃが追加されている。即ち、ステップ１０３で、溶接時の熱応力を緩和するために、タービンロータ母材３１を予熱した後に、ステップ１０４で初層部溶接３４ｃを行う。その後、図５と同様に、ステップ１０５で中央部溶接３４ａ、ステップ１０６で表層部溶接３４ｂを行うものである。他の工程は、図５と同様である。

図１１に、溶接部３４の開先形状の一例を示す。該図に示す開先内に、初層部溶接３４ｃ（図１１（ｂ）参照）を行いその後、中央部溶接３４ａ（図１１（ｃ）参照）、表層部溶接３４ｂ（図１１（ｄ）参照）を行うものである。特に、溶接部３４に裏波を出す必要がある場合は、中央部溶接３４ａで用いる大入熱な溶接方法では不向きである。そのために、初層部溶接３４ｃを、低入熱な溶接方法で行う方が望ましい。その他の効果については、実施例１と同様である。

よって、本実施例によれば、実施例１と同等の微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例５について図１２を用いて説明する。本実施例は、実施例４と比べて、溶接部３４における表層部溶接３４ｂの開先形状のみが異なる。その他については、実施例４と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図１２に示す如く、本実施例では、溶接部３４の表層部溶接３４ｂの開先形状内の角部Ａ及びＢが面取り加工されており、この開先内部に初層部溶接３４ｃ、中央部溶接３４ａ、表層部溶接３４ｂを行うものである。

これにより、表層部溶接３４ｂの開先形状内の角部Ａ及びＢへの応力集中が緩和されるため、溶接割れの危険性を低減できる。その他の効果については、実施例４と同様である。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例６について図１３及び図１４を用いて説明する。本実施例は、実施例４と比べて、溶接部３４の最表面に隆起部３５がある点のみが異なる。その他については、実施例４と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図１３に示す如く、本実施例では、実施例４の図１０と比べて、ステップ１０６の表層部溶接３４ｂの後に、ステップ１０７の隆起部３５の切除工程が追加されている。

図１４に、溶接部３４の開先形状の一例を示す。本実施例では、ステップ１０４で初層部溶接３４ｃを行った後に、ステップ１０５で中央部溶接３４ａ、ステップ１０６で表層部溶接３４ｂを行うが、この表層部溶接３４ｂは、隆起部３５まで行う（図１４（ｄ）参照）。その後、隆起部３５を、隆起部３５部分の表層部溶接３４ｂと共に切除する（図１４（ｅ）参照）。

これにより表層部溶接３４ｂにおける繰り返し焼鈍し効果が、より一層顕著になり、結晶粒は微細になる。その他の効果については、実施例５と同様である。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例７について説明する。本実施例は、実施例４と比べて、溶接金属３３の実が異なる。その他については、実施例４と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

表層部用溶接３４ｂの溶接金属は、中央部溶接３４ａの溶接金属と異なる化学組成にしている。その化学組成は、少なくとも１元素以上について含有量が異なり、特に、耐食性に対しては、Ｃｒの含有量が大きく影響する。よって、表層部溶接３４ｂの溶接金属の化学組成は、中央部溶接３４ａの溶接金属、タービンロータ母材３１、或いは初層部溶接３４ｃの溶接金属のいずれかよりもＣｒの含有量が多いこと好ましく、更にＣｒの含有量は、９〜１４ｗｔ％が望まし。表層部溶接３４ｃの溶接金属のＣｒ含有量が９ｗｔ％未満の場合、耐食性の効果は著しくない。

一方、表層部溶接３４ｃの溶接金属のＣｒ含有量が１４ｗｔ％よりも多い場合では、有害相を形成するため強度低下を引き起こす。よって、本実施例によれば、添加元素、特にＣｒ量の増量による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例８について図１５及び図１６を用いて説明する。本実施例は、実施例４と比べて、表層部溶接３４ｂの後に表面改質工程が追加してある点のみが異なる。その他については、実施例４と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図１５に示す如く、本実施例では、実施例４の図１０と比べて、ステップ１０６の表層部溶接３４ｂの後に、ステップ１１５の表面改質工程が追加されている。

図１６に、溶接部３４の開先形状の一例を示す。本実施例は、実施例４の図１１に比べて、表面改質された図１６（ｅ）が追加してある。この表面改質は、表層部溶接３４ｂの後に、表層部溶接３４ｂに対して、ＦＳＷ（摩擦撹拌溶接）、又はショット、ウォータジェット或いはレーザを用いたピーニン等を含む表面改質方法を適用することで、結晶粒を微細化するものである。

これにより、更に耐食性は向上する。よって、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

本発明の実施例９について図１７及び図１８を用いて説明する。本実施例は、実施例４と比べて、初層部溶接３４ｃの溶接方向のみが異なる。その他については、実施例４と同様であるため、詳細な説明は省略し、相違点のみ説明する。

図１７に示す如く、本実施例におけるタービンロータ溶接装置は、実施例１の図４と比べて、タービンロータ母材３１が縦方向に配置され、トーチ１１及びタービンロータ回転装置１５の向きが横方向である点が異なり、その他については、図４と同様である。

図１８に、溶接部３４の開先形状の一例を示す。実施例４の図１１に比べて、タービンロータ母材３１が縦方向に配置され、図１８（ａ）と図１８（ｂ）における溶接部の向きが横方向である点が異なり、横向きの開先部内に初層部溶接３４ｃ、中央部溶接３４ａ、表層部溶接３４ｂを行うものである。その他については、実施例４と同様である。

これにより、初層部溶接３４ｃの積層方向を軸方向にすることができるため、強度信頼性の向上に寄与できる。また、実施例４と同様に、本実施例によれば、微細な結晶粒による耐食性の向上効果と、施工時間の短縮を両立することができる。

図１９に、本発明のタービンロータの他の例を示す。図１９（ａ）は、３箇所の溶接部を有する高低圧ロータ、図１９（ｂ）は、２箇所の溶接部を有する高圧ロータ、図１９（ｃ）は、２箇所の溶接部を有する高中圧ロータである。

本発明では、低圧ロータ、高低圧ロータ、高圧ロータ及び高中圧ロータなどのロータの種類によらず、溶接部の板厚が８０ｍｍ以上であれば、効果が期待できる。また、溶接部の箇所数は多い方が、本発明の効果がより顕著に表れる。

５…駆動装置、６…溶接機構、８、９、２０…信号ケーブル、１０…制御評価装置、１１…トーチ、１４…ガスボンベ、１５…タービンロータ回転装置、１７、１８…ガスホース、１９…電気線、２０…回転信号線、３１…タービンロータ母材、３２…密閉中空部、３３…溶接金属、３４…溶接部、３４ａ…中央部溶接、３４ｂ…表層部溶接、３４ｃ…初層部溶接、３５…隆起部、５１…タービンロータ、５２…主蒸気配管、５３…ボイラー再熱器、５４…高圧タービン、５５…中圧タービン、５６ａ、５６ｂ…低圧タービン、５７…発電機、６０…高圧ロータ、６１…低圧ロータ、６２…中圧ロータ。

Claims (16)

1. 少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材が、突き合せ溶接により形成される溶接部を介して接続されているタービンロータにおいて、
   前記溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部と、該溶接部中央部より半径方向外側に位置し、厚さが４〜２０ｍｍ、幅が前記溶接部中央部よりも４〜１０ｍｍ広い溶接部表層部とから形成されていると共に、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、かつ、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上であることを特徴とするタービンロータ。
2. 請求項１に記載のタービンロータおいて、
   前記溶接部表層部の開先側面が、前記溶接部中央部の半径方向外側開先端部から半径方向外側に向かって広くなるように傾斜していることを特徴とするタービンロータ。
3. 請求項１又は２に記載のタービンロータおいて、
   前記溶接部表層部の開先側面が、前記溶接部中央部の半径方向外側開先端部から半径方向外側に向かって広くなるように湾曲していることを特徴とするタービンロータ。
4. 請求項１に記載のタービンロータおいて、
   前記溶接部表層部の開先形状内の角が面取り加工されていることを特徴とするタービンロータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービンロータにおいて、
   前記溶接部は、前記溶接部中央部及び溶接部表層部に加え、前記溶接部中央部の更に半径方向内側に位置する溶接部初層部から構成されていることを特徴とするタービンロータ。
6. 請求項５に記載のタービンロータにおいて、
   前記溶接部初層部は、軸方向に溶接金属が積層されていることを特徴とするタービンロータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービンロータにおいて、
   前記溶接部表層部の化学組成は、前記溶接部中央部の化学組成とは少なくとも１元素以上異なることを特徴とするタービンロータ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のタービンロータにおいて、
   前記溶接部表層部の化学組成は、前記溶接部中央部、前記タービンロータ母材、或いは前記溶接部初層部のいずれかよりもＣｒの含有量が多いことを特徴とするタービンロータ。
9. 高圧タービンと中圧タービン及び低圧タービンから構成され、主蒸気配管から流入する蒸気により駆動される蒸気タービンにおいて、
   前記高圧タービンと中圧タービン及び低圧タービンの少なくとも１つのタービンロータが、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のタービンロータであることを特徴とする蒸気タービン。
10. 少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材を、突き合せ溶接により接続して製造するタービンロータの製造方法において、
    前記突き合せ溶接された溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部より半径方向外側に位置する溶接部表層部が、厚さが４〜２０ｍｍ、幅が前記溶接部中央部よりも４〜１０ｍｍ広くなると共に、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、かつ、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上となるように溶接されることを特徴とするタービンロータの製造方法。
11. 少なくとも２個に分割されたタービンロータ母材を、突き合せ溶接により接続して製造するタービンロータの製造方法において、
    前記突き合せ溶接された溶接部は、少なくとも半径方向内側に位置する溶接部中央部を溶接する中央部溶接工程と、該中央部溶接工程よりも低入熱で、前記溶接部中央部より半径方向外側に位置する厚さが４〜２０ｍｍ、幅が中央部よりも４〜１０ｍｍ広い溶接部表層部を溶接する表層部溶接工程とを順番に行い、かつ、少なくとも前記溶接部表層部に付随する熱影響部の最大結晶粒度は５以上であり、前記溶接部の厚さが８０ｍｍ以上となるように溶接されることを特徴とするタービンロータの製造方法。
12. 請求項１１に記載のタービンロータの製造方法において、
    前記中央部溶接工程の前に、前記溶接部中央部の半径方向開先底部に溶接部初層部を溶接する初層溶接工程を行うことを特徴とするタービンロータの製造方法。
13. 請求項１２に記載のタービンロータの製造方法において、
    前記初層溶接工程、前記中央部溶接工程、半径方向外側に隆起部を有するタービンロータ母材に対して溶接する前記表層部溶接工程、及び前記隆起部を含む前記溶接部表層部の一部を切除する切除工程を順番に行うことを特徴とするタービンロータの製造方法。
14. 請求項１２に記載のタービンロータの製造方法において、
    前記初層溶接工程、前記中央部溶接工程、前記表層部溶接工程、及び前記溶接部表層部を表面改質する表面改質工程を順番に行うことを特徴とするタービンロータの製造方法。
15. 請求項１４に記載のタービンロータの製造方法において、
    前記表面改質工程で行う表面改質は、摩擦撹拌溶接、ショット、ウォータジェット、レーザを用いたピーニングのいずれか１つで行われることを特徴とするタービンロータの製造方法。
16. 請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のタービンロータの製造方法において、
    前記表層部溶接工程で行う溶接は、タングステン・イナートガス溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれか１つで行われ、前記中央部溶接工程で行う溶接は、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接、マグ溶接のいずれか１つで行われることを特徴とするタービンロータの製造方法。
    

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