JP5578893B2 - 蒸気タービンの摺動部を有する部材 - Google Patents

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部材に関する。

近年、蒸気タービンは、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℃〜６３０℃の場合、蒸気タービン部材として一般的に９〜１２％Ｃｒ系のステンレス鋼が使用されている。蒸気タービン部材として、例えば蒸気加減弁では、蒸気流量を制御するために、弁棒とブッシュ，スリーブと弁体が摺動する構造になっている。

耐摩耗性を向上させる目的で窒化処理が施されていたが、窒化処理では耐酸化性がないため、蒸気加減弁が高温蒸気により酸化すると、運転時間とともに生成した酸化スケールによって摺動部の間隙が減少し、定期検査ごとにスケールを除去しなければ、摺動部が固着してしまうという問題があった。また、主蒸気管や再熱蒸気管では、生成した酸化スケールが成長，剥離してしまうという問題があった。

これらの蒸気タービン部材の耐酸化性を向上させる方法として、一般的には溶射や焼結あるいは溶接により、基材表面に合金コーティングやセラミック等を形成することが行われている。

例えば、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記載されている。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記載されている。

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、剥離する可能性があり、コストが高くなるという問題がある。溶接により合金コーティングを形成した場合には、残留応力が発生するため、割れが起きる可能性があり、さらに摺動部がある部材では間隙管理が困難になる。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蒸気タービン部材は、長時間運転中に酸化してしまう。

以上のように、従来の技術は、いずれもタービン部材の耐酸化性とコストを満足すると言えるものではなかった。

特開２００２−３０９３０３号公報 特表２００７−５０７６０４号公報

本発明の目的は、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、耐酸化性に優れた蒸気タービン部材を提供することにある。

本発明の蒸気タービン部材は、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを８〜１５重量％、Ｍｎを０.１〜１.０重量％含有するステンレス鋼を基材とする蒸気タービンの摺動部を有する部材において、前記基材はその表面に、前記基材の成分であるＣｒ，Ｍｎを含む保護性の酸化皮膜を有し、この酸化皮膜の厚さが１μｍ以下であり、さらに前記酸化皮膜においてノジュール状にＭｎ酸化物が生成されており、その他の部分にはＣｒリッチな酸化物が生成されていることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで、耐酸化性に優れた蒸気タービン部材を提供することができる。

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。 本発明に係る蒸気加減弁の断面図である。 本発明の実施例における間隙距離の相対値を示す図である。

本発明の蒸気タービン部材は、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、酸化皮膜の膜厚が１μｍ以下である。

また、蒸気タービン部材において、更に、表面粗さＲａが１.６ａ以下である。

本発明者らは、蒸気タービン部材の膜厚と表面粗さに着目し、酸化スケールの生成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、酸化皮膜の膜厚が１μｍ以下である蒸気タービン部材は、耐酸化性が優れていることを見出した。

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。このスケールはクロミアＣｒ₂Ｏ₃皮膜よりも保護性が低いため、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、８〜１５％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、保護性の酸化皮膜の膜厚が１μｍ以下であれば、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。各種検討の結果、長時間運転後であっても耐酸化性を維持するには、保護性の酸化皮膜の膜厚が１μｍ以下であることと、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。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
まず、本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部材を主蒸気配管２８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、蒸気加減弁の一例を模式的に示す断面図である。

蒸気加減弁は、弁棒２０１とブッシュ２０２とスリーブ２０３と弁体２０４と弁座２０５より構成され、弁棒とブッシュ，弁体とスリーブが摺動する。鍛造材を機械加工した後、表面粗さＲａを０.４ａに表面研磨して作製した後に、６５０℃，４時間の熱処理を行って製造した。タービン部材に溶接部がある場合には、溶接後の熱処理により、タービン部材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、タービン部材の表面に形成されている。また、酸化膜は、基材の成分元素の酸化物からなり、酸化物の膜厚が１μｍ以下である。

酸化膜の表面粗さＲａは、１.６ａ以下であり、１.０ａ以下が好ましく、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。

酸化膜の成分は、主にＣｒ，Ｆｅ，Ｏ，Ｍｎを含む。さらに、これらの成分の中で、Ｏ以外の成分は基材のものであり、外部から与えられるものではない。

蒸気タービン部材が、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できる。また、低コストで、耐酸化性に優れた蒸気タービン部材を提供できる。

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、本発明に用いた蒸気タービン部材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部材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、酸化試験を行った。

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

熱処理後には、厚さが約０.５μｍの酸化皮膜が鋼表面に生成した。

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、酸化皮膜の膜厚を走査顕微鏡により測定した。

図３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膜厚から、放物線則を用いて推定した間隙距離の相対値を示す。比較例として、表１に示す試験片を、未処理のまま酸化試験に供した試験結果も示す。この結果、大気中の熱処理によって、比較例よりも間隙が減少する時間が長くなり、耐酸化性が向上したことが確認された。

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。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。低酸素雰囲気での熱処理後には、鋼表面に厚さ約０.３μｍの酸化皮膜が生成した。

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皮膜の膜厚を走査顕微鏡により測定した。

図３に、本実施例の結果から放物線則を用いて推定した間隙距離の相対値を示す。

この結果、低酸素中での熱処理によって、比較例よりも間隙が減少する時間が約４倍長くなり、耐酸化性が著しく向上したことが確認された。また、低酸素雰囲気中での熱処理の方が、実施例１で示した大気中での熱処理よりも耐酸化性の向上が顕著であることが明らかとなった。

従って、本発明の蒸気タービン部材を適用することにより、溶射や焼結体あるいは溶接などによる合金コーティングを用いることなく低コストで、耐酸化性に優れた蒸気タービン部材が提供可能となる。

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
２０１ 弁棒
２０２ ブッシュ
２０３ スリーブ
２０４ 弁体
２０５ 弁座

Claims (2)

1. Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを８〜１５重量％、Ｍｎを０.１〜１.０重量％含有するステンレス鋼を基材とする蒸気タービンの摺動部を有する部材において、
   前記基材はその表面に、前記基材の成分であるＣｒ，Ｍｎを含む保護性の酸化皮膜を有し、この酸化皮膜の厚さが１μｍ以下であり、さらに前記酸化皮膜においてノジュール状にＭｎ酸化物が生成されており、その他の部分にはＣｒリッチな酸化物が生成されていることを特徴とする蒸気タービンの摺動部を有する部材。
2. 請求項１において、前記酸化皮膜の表面粗さＲａが１.６ａ以下であることを特徴とする蒸気タービンの摺動部を有する部材。

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