JP6317542B2 - 蒸気タービンロータ - Google Patents

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Description

本発明は、低圧タービンロータに係り、大型火力発電タービン等に好適な発電容量の大きい蒸気タービンロータに関する。
近年、省エネルギー(例えば、化石燃料の節約)および地球温暖化防止(例えば、CO2ガスの発生量抑制)の観点から火力発電プラントの効率向上が望まれている。蒸気タービンの効率を向上させる有効な手段の1つとして、蒸気タービン長翼の長大化がある。また、蒸気タービン長翼の長大化は、車室数の低減によって設備建設期間の短縮やそれによるコスト削減という副次的な効果も期待できる。
長翼は、高い遠心応力と湿潤環境下で使用されるため、長翼材には強度と耐食性の両方に優れる特性が求められている。また、翼を植設するロータにも、翼の大型化に伴って高い強度が要求されるが、現在使用されている低圧ロータ(非特許文献1;ASTM A470Class7)では強度が十分では無く、また熱処理により一体ロータを高強度化した場合には、最終段落以外は必要以上の強度となって靭性が低下し、さらに耐応力腐食割れの感受性を高めるため、ロータとしての特性バランスが悪くなる。
ASTM designation A470
本発明の目的は、低圧最終段落のみを高強度化し、高強度鋼翼の長翼化に対応した信頼性の高い蒸気タービンロータを提供することにある。
本発明は質量で、0.1%以下のC、0.1%以下のN、9.0%以上14.0%以下のCr、9.0%以上14.0%以下のNi、0.5%以上2.5%以下のMo、0.5%以下のSi、1.0%以下のMn、0.25%以上1.75%以下のTi、0.25%以上1.75%以下のAlを含み残部がFeおよび不可避不純物からなる析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼製の蒸気タービン低圧最終段長翼を具備し、質量で、C0.10〜0.35%、Si0.50%以下、Mn0.33%以下、Cr8.0〜13.0%、Ni0.5〜3.5%、Mo1.5〜4.0%、及びN0.02〜0.15%を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるディスクを、低合金鋼からなるタービンロータの最終段部に接合したことを特徴とする蒸気タービンロータにある。
本発明によれば、高効率大容量の蒸気タービンを製造することができ、高効率発電をすることで化石燃料の節約、排出ガスの発生量を抑えることが可能となり、地球環境保全に貢献できる。
分割構造型低圧タービンロータシャフトの模式図。 分割構造型高低圧一体型タービンロータシャフトの模式図。 低圧蒸気タービンの断面図。
以下、本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼長翼材料に含まれる成分元素の役割と添加量の規定について説明する。
カーボン(C)は、クロム炭化物を形成し、炭化物の過剰析出による靭性の低下、粒界近傍のCr濃度低下による耐食性の悪化などが問題となる。また、Cはマルテンサイト変態終了温度点を著しく低下させる。このため、Cの量は低減する必要があり、0.1%以下であることが好ましく0.05%以下であることがより好ましい。
窒素(N)は、TiNやAlNを形成して疲労強度を低下させ、靭性にも悪影響を及ぼす。また、Nはマルテンサイト変態終了温度点を著しく低下させる。このため、Nの量は低減する必要があり、0.1%以下であることが好ましく0.05%以下であることがより好ましい。
クロム(Cr)は、表面に不動態被膜を形成することで耐食性向上に寄与する元素である。添加の下限を9.0%とすることで耐食性を十分に確保できる。一方で、Crを過剰に添加するとδフェライトが形成し機械的性質及び耐食性を著しく悪化させるので、上限を14.0%とした。以上から、Crの添加量は9.0〜14.0%とする必要がある。11.0〜13.0%が望ましく、特に11.5〜12.5%が好ましい。
ニッケル(Ni)は、δフェライトの形成を抑制し、またNi−TiおよびNi−Al化合物の析出硬化により、強度の向上に寄与する元素である。また、焼入れ性、靭性も改善する。上記の効果を十分にするためには、添加の下限を9.0%とする必要がある。一方、添加量が14.0%を越えると、残留オーステナイトが析出し目標とする引張特性が得られない。以上の点から、Niの添加量は9.0〜14.0%とする必要がある。11.0〜12.0%がより望ましく、特に11.25〜11.75%がより好ましい。
モリブデン(Mo)は、耐食性を向上させる元素である。目標の耐食性を得るためには、少なくとも0.5%の添加が必要であり、一方添加量が2.5%を越えると、δフェライトの形成を助長し却って特性を悪化させる。以上の点から、Moの添加量は0.5〜2.5%とする必要がある。1.0〜2.0%がより望ましく、特に1.25〜1.75%が好ましい。
シリコン(Si)は脱酸材であり0.5%以下とするのが好ましい。0.5%を越えるとδフェライトの析出が問題となるためである。0.25%以下がより望ましく、0.1%以下が特に好ましい。カーボン真空脱酸法、及びエレクトロスラグ溶解法を適用すればSiの添加を省くことが可能である。その場合はSiを無添加とするのが好ましい。
マンガン(Mn)は脱酸剤及び脱硫剤であり、またδフェライトの形成を抑制するために少なくとも0.1%以上の添加が必要である。一方、1.0%を越えると靭性が低下するため、Mnは0.1〜1.0%添加させる必要がある。0.3〜0.8%がより望ましく、特に0.4〜0.7%が更に好ましい。
アルミニウム(Al)は、Ni−Al化合物を形成し析出硬化に寄与する元素である。析出硬化を十分に発現するためには、少なくとも、0.25%以上添加する必要がある。添加量が1.75%を越えると、Ni−Al化合物の過剰な析出やδフェライトの形成による機械的性質の低下を引き起こす。以上の点から、Alの添加量は0.25〜1.75%とする必要がある。0.5〜1.5%がより望ましく、特に0.75〜1.25%が好ましい。
チタン(Ti)はNi−Ti化合物を形成し析出硬化に寄与する。上記の効果を十分に得るためには、添加の下限を0.25%以上とする必要がある。Tiを過剰に添加した場合、δフェライトが形成するので上限を1.75%とした。このため、Tiの添加量は0.25〜1.75%とする必要がある。0.5〜1.5%がより望ましく、特に0.75〜1.25%が好ましい。
AlとTiの添加量は、合計で0.75以上、2.25以下とする必要がある。0.75より小さい場合、析出硬化が十分でなく目標とする引張強さが得られない。一方、2.25より大きい場合は析出硬化が過剰となり靭性が低下する。
ニオブ(Nb)は、炭化物を形成して強度、耐食性の向上に寄与する元素である。0.05%より少ないとその効果が不十分で、0.5%以上添加するとδフェライトの形成を助長する。以上の点から、Nbの添加量は0.05〜0.5%とする必要がある。0.1〜0.45%がより望ましく、特に0.2〜0.3%が好ましい。
また、バナジウム(V)、タンタル(Ta)をNbに置き換えることもできる。Nb、V、及びTaの2種類、または3種類を複合添加する場合、添加量の合計はNb単独添加と同量にする必要がある。これらの元素の添加は必須ではないが、析出硬化をより顕著にする。
タングステン(W)はMoと同様に耐食性を向上させる効果がある。Wの添加は必須ではないが、Moとの複合添加により一層この効果を高めることができる。この場合、MoとWの添加量の合計はδフェライトの析出を防ぐためにMo単独添加と同量にする必要が
ある。
本発明における不可避的不純物とは、原料にもともと含まれていた、もしくは製造の過程で混入したなどに起因して本発明に含まれる成分であり、意図的に入れたものではない成分を指す。不可避不純物として、P、S、Sb、Sn、及びAsがあり、このうちの少なくとも1種類が本発明に含まれる。
また、P及びSの低減は、引張特性を損なわずに、靭性を向上できるので極力低減することが好ましい。P:0.5%以下、S:0.5%以下とすることが靭性を向上させる観点から好ましい。特に、P:0.1%以下、S:0.1%以下が好ましい。
As、Sb、及びSnを低減することで靭性を改善できる。このため、上記の元素を極力低下することが望ましくAs:0.1%以下、Sb:0.1%以下、Sn:0.1%以下が好ましい。特にAs:0.05%以下、Sb:0.05%以下、Sn:0.05%以下が好ましい。
上記成分範囲を満足する組成であっても、時効熱処理後に均一焼戻しマルテンサイト組織にするためには下記のパラメータA、Bが同時に規定範囲内であることを必要とする。なお、ここでいう均一焼戻しマルテンサイト組織とは、組織中のδフェライト、残留オーステナイトおよびフレッシュマルテンサイトがそれぞれ10%未満であることを指す。
A:(Cr+2.2Si+1.1Mo+0.6W+4.3Al+2.1Ti)−(Ni+31.2C+0.5Mn+27N+1.1Co)
B:(125−4.0Cr−6.0Ni−3.0Mo+2.5Al−1.5W−3.5Mn−3.5Si−5.5Co−2.0Ti−221.5C−321.4N)
規定範囲:4.0≦A≦10.0かつ2.0≦B≦7.0
Aはマルテンサイト組織の安定性に係るパラメータである。均一焼戻しマルテンサイト組織を得るためには、本発明鋼の成分範囲内において、パラメータAが4.0以上、10以下であることが好ましい。δフェライト、残留オーステナイトの析出に伴い引張強さなどの特性が低下するので、安全面の観点からこれらの析出許容量はそれぞれ1.0%、10%以下とした。パラメータAが4.0未満のとき残留オーステナイトが10%以上析出し、また、オーステナイト安定化傾向が強く下記パラメータBが既定の範囲内でもサブゼロ無しではマルテンサイト変態が終了せず、Ac1温度以下の時効処理でもオーステナイトを10%以下まで分解できない。また、パラメータAが10より大きいときは、δフェライトが10%以上析出する。
Bは発明材の変態温度に係るパラメータで、均一焼戻しマルテンサイト組織を得るための目安であるマルテンサイト変態終了温度が20℃以上を実現するには、本発明鋼の成分範囲内において、パラメータBが2.0以上であることが好ましい。一方、パラメータBが7.0より大きい場合Ac1温度が低くなり、本発明鋼の時効熱処理温度である500〜600℃での時効処理時に硬く脆いフレッシュマルテンサイト組織が10%以上生成し靭性が目標を下回る。
以上により、パラメータAが4.0以上、10.0以下、パラメータBが2.0以上、7.0以下を満足する成分範囲を選択することで、高強度、高靭性および高耐食性を有し、均一焼戻しマルテンサイト組織となる合金を得ることができる。
本発明は、ロータディスク部材料が質量で、C0.10〜0.35%、Si0.50%以下、Mn0.33%以下、Cr8.0〜13.0%、Ni0.5〜3.5%、Mo1.5〜4.0%、及びN0.02〜0.15%を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、低合金鋼からなるタービンロータの最終段部に接合したことを特徴とするタービンロータにある。
本発明は、低圧最終段のディスクをTIG溶接、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接のいずれかの溶融溶接方法により溶接したことを特徴とするタービンロータにある。
本発明は、さらに、上記タービンロータからなることを特徴とする蒸気タービン、ならびに蒸気タービン発電プラントにある。
ロータの翼植込み部は高速回転による高い遠心応力と、湿潤環境下での使用に耐えるため、引張強さが高いと同時に耐食性が高くなければならない。そのためにタービンロータ材の金属組織は、有害なδフェライトが存在すると、機械的特性を著しく低下させるので、全焼戻しマルテンサイト組織でなければならない。
本発明に用いるディスク用高Cr鋼は、次式で計算されるCr当量
Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb
−40C−30N−30B−2Mn−4Ni−2Co
+2.5Ta
が10以下になるように成分調整され、δフェライト相を実質的に含まないようにすることが必要である。
タービンロータ最終段のディスク材の引張強さは1000MPa以上、好ましくは1100MPa以上である。
本発明のタービンロータディスク材の成分範囲限定理由について説明する。Cは高い引張強さを得るために0.15%以上必要である。あまりCを多くすると、靭性、ならびに溶接性を低下させるので0.35%以下にする。特に、0.16〜0.33%が好ましく、より0.17〜0.30%が好ましい。また、さらなる検討を行った結果、Cは0.10%であっても十分な高い引張強さを得られることが分かった。よって、Cの成分範囲は特に、0.11〜0.33%が好ましく、より0.12〜0.30%が好ましい。
Siは脱酸剤、Mnは脱硫・脱酸剤で鋼の溶解の際に添加するものであり、少量でも効果がある。Siはδフェライト生成元素であり、多量の添加は、疲労及び靭性を低下させる有害なδフェライト生成の原因になるので、0.50%以下が好ましい。なお、カーボン真空脱酸法及びエレクトロスラグ再溶解法などによればSi添加の必要がなく、Si無添加がよい。特に、0.10%以下、より0.05%以下が好ましい。
少量のMn添加は靭性を向上するが多量の添加は靭性を低下させるので、0.33%以下が好ましい。特に、Mnは脱硫剤として有効なので、靭性向上の点から0.30%以下、特に0.25%以下、より0.20%以下が好ましい。
Crは耐食性と引張強さを高めるが、13%以上添加するとδフェライト組織生成の原因になる。8%より少ないと耐食性が不十分なので、Crは8〜13%が好ましい。特に強度の点から10.5〜12.8%が、より11〜12.5%が好ましい。
Moは固溶強化及び炭化物・窒化物析出強化作用によって強度を高める効果がある。Moは1.5%以下では強度向上効果が不十分であり、4%以上になるとδフェライト生成原因になるので1.5〜4.0%が好ましい。特に、1.7〜3.5%、より1.9〜3.0%が好ましい。なお、W及びCoもMoと同じ様な効果があり、より高強度化のために上限で同等の含有量まで含有させることができる。
V及びNbは炭化物を析出し引張強さを高めると同時に靭性向上効果がある。V0.05%、Nb0.02%以下ではその効果が不十分であり、V0.35%、Nb0.3%以下がδフェライト生成の抑制から好ましい。特にVは0.15〜0.30%、より0.20〜0.30%、Nbは0.10〜0.30%、より0.12〜0.22%が好ましい。Nbの代わりにTaを全く同様に添加でき、複合添加においても合計量で同様の含有量とすることができる。
Niは低温靭性を高めると共に、δフェライト生成の防止効果がある。この効果は、Ni0.5%以下では不十分で、3.5%を越える添加で効果が飽和する。特に、0.8〜3.2%、より1.0〜3.0%が好ましい。
Nは強度の向上及びδフェライトの生成防止に効果があるが0.02%未満ではその効果が十分でなく、0.15%を越えると靭性、溶接性を低下させる。特に、0.04〜0.10%の範囲で優れた特性が得られる。
Si、P及びSの低減は、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましい。低温靭性向上の点からSi0.50%以下、好ましくは0.1%以下、P0.015%以下、S0.015%以下が好ましい。特に、Si0.05%以下、P0.010%以下、S0.010%以下が望ましい。
Sb、Sn及びAsの低減も、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましいが、現状製鋼技術レベルの点から、Sb0.0015%以下、Sn0.01%以下、及びAs0.02%以下に限定した。特に、Sb0.001%以下、Sn0.005%及びAs0.01%以下が望ましい。
本発明タービンロータの溶接は、TIG溶接、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接のいずれかで溶接し、溶接後熱処理は、560℃〜580℃で行い、十分な残留応力を除去するとともに、逆変態オーステナイトの生成を抑制して、ディスクは完全な焼戻しマルテンサイト、低合金ロータは焼戻しベイナイトとすることが好ましい。
以下、実施例を説明する。
〔実施例〕
表1は長翼部材に用いた析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼の化学組成(質量%)を示す。残部はFeである。各試料は150kg真空アーク溶解し、1150℃に加熱し、鍛造して実験素材とした。溶体化熱処理として950℃で1時間保持した後に室温の水に浸漬する水冷を行った。次いで、時効熱処理として500℃で2時間保持した後に室温の大気中に取り出す空冷を行った。
表2に室温における引張試験、Vノッチシャルピー衝撃試験の結果を示す。
Figure 0006317542
Figure 0006317542
表3はタービンロータディスク部材に係る高Cr鋼の化学組成(質量%)を示し、残部はFeである。各試料はそれぞれ150kg真空アーク溶解し、1150℃に加熱し鍛造して実験素材とした。この素材に1050℃で2時間加熱後衝風冷却を行い、冷却温度を150℃で止め、その温度より560℃で2時間加熱後空冷の一次焼戻しを行い、ついで600℃で5時間加熱後炉冷の二次焼戻しを行った。
Figure 0006317542
熱処理後の素材から引張試験片及びVノッチシャルピー衝撃試験片を採取し実験に供した。
表4に室温における引張試験、Vノッチシャルピー衝撃試験の結果を示す。
Figure 0006317542
翼材、ロータ材ともに大型長翼に要求される機械的特性を十分満足する。
図1に復流型の低圧タービンロータの概要を示す。実施例1に示した高Cr鋼ロータディスク成分を真空溶解にて電極を作製し、ESR法により再溶解して実機大の大型ディスクを作製した。ASTM A470Class7に規定される低合金鋼でロータシャフトを作製し、最終段のディスク部のみを高Cr鋼となるよう、TIG溶接、サブマージアーク溶接により接合し、分割構造型のタービンロータを作製した。最終段部11が高Cr鋼ディスク、上流側12が低合金鋼、軸部15は軸受部の損傷を低減する目的で低合金鋼とし、1〜2.5%のCrを含む材料が適用可能である。溶接部13は内周側から溶接を開始し、初層〜3層目までをTIG溶接、ついでサブマージアーク溶接により接合した。14は重量低減のための空隙である。
図2に単流型の高低圧一体型タービンロータの概要を示す。実施例1に示した高Cr鋼ロータディスク成分を真空溶解にて電極を作製し、ESR法により再溶解して実機大の大型ディスクを作製した。ASTM A470Class7に規定される低圧ロータ材料、ASTM A470Class8に規定される高圧ロータ材料でロータシャフトを作製し、最終段のディスク部を高Cr鋼となるよう、TIG溶接、サブマージアーク溶接により接合し、分割構造型のタービンロータを作製した。最終段部21が高Cr鋼ディスク、高圧部26がASTM A470Class8、低圧部22がASTM A470Class7、軸部25は軸受部の損傷を低減する目的で低合金鋼とし、1〜2.5%のCrを含む材料が適用可能である。溶接部23は内周側から溶接を開始し、初層〜3層目までをTIG溶接、ついでサブマージアーク溶接により接合した。24は重量低減のための空隙である。
図3に低圧蒸気タービンの断面図を示す。ロータ44は実施例2に示した低圧タービンロータからなり、最終段長翼41は実施例1に示した材料組成にて、型打ち鍛造により製造した。
本発明の蒸気タービンロータは、高強度、高靭性、高耐食性に優れる長翼、ロータにより大型の蒸気タービンロータに適用することができるほか、ガスタービン圧縮機などにも適用できる。
11、21 低圧最終段部
12、22 低圧部上流側タービンロータシャフト
13、23 溶接部
14、24 空隙
15、25 軸部
26 高圧部タービンロータシャフト
41 最終段長翼
42 静翼
43 軸受
44 分割構造型タービンロータシャフト

Claims (6)

  1. 質量で、0.1%以下のC、0.1%以下のN、9.0%以上14.0%以下のCr、9.0%以上14.0%以下のNi、0.5%以上2.5%以下のMo、0.5%以下のSi、1.0%以下のMn、0.25%以上1.75%以下のTi、0.25%以上1.75%以下のAlを含み、残部がFeおよび不可避不純物からなり、下記で定義されるパラメータA,Bがそれぞれ「4.0≦A≦10.0」、「2.0≦B≦7.0」であり、その金属組織中のδフェライト、残留オーステナイトおよびフレッシュマルテンサイトがそれぞれ10%未満である焼戻しマルテンサイト組織である析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼製の蒸気タービン低圧最終段長翼を具備し、
    A=(Cr+2.2Si+1.1Mo+0.6W+4.3Al+2.1Ti)−(Ni+31.2C+0.5Mn+27N+1.1Co)、
    B=125−4Cr−6Ni−3Mo+2.5Al−1.5W−3.5Mn−3.5Si−5.5Co−2Ti−221.5C−321.4N、
    Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb−40C−30N−30B−2Mn−4Ni−2Co+2.5Ta、
    質量で、0.10〜0.35%のC、0.50%以下のSi、0.33%以下のMn、8.0〜13.0%のCr、0.5〜3.5%のNi、1.5〜4.0%のMo、及び0.02〜0.15%のNを含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、上記で定義されるCr当量が「Cr当量≦10」であり、その金属組織が焼戻しマルテンサイト組織であるディスクを、低合金鋼からなるタービンロータの最終段部に接合したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
  2. 請求項1において、前記長翼が、さらに、Nb、V及びTaから選ばれる少なくとも1種を質量で0.5%以下含み、
    前記ディスクが、さらに、質量で0.05〜0.35%のV、Nb及びTaの1種又は2種の合計量を0.02〜0.30%含むことを特徴とする蒸気タービンロータ。
  3. 請求項1または2において、前記長翼が、さらに、Wを含み、MoとWの合計量が、Mo単独添加と同量であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
  4. 請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記長翼の不可避不純物が、S、P、Sb、Sn及びAsから選ばれる少なくとも1種であり、質量で、S:0.5%以下、P:0.5%以下、Sb:0.1%以下、Sn:0.1%以下、及びAs:0.1%以下であり、
    前記ディスクの不可避不純物が、S、P、Sb、Sn及びAsから選ばれる少なくとも1種であり、質量で、S:0.015%以下、P:0.015%以下、Sb:0.0015%以下、Sn:0.01%以下、及びAs:0.02%以下であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の蒸気タービンロータを具備したことを特徴とする蒸気タービン。
  6. 請求項5に記載の蒸気タービンを具備したことを特徴とする蒸気タービン発電プラント。
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