JPH0371977A - 炭素鋼製蒸気タービン構成要素への耐侵食性表面の付与方法及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ４胆妥至１ 本発明は、炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食表面
を付与するするための方法に間し、特に、許容不可の歪
みを伴うことなく、耐圧部に、冶金的に結合された耐侵
食性合金を付着するための相乗作用溶接変数に関するも
のである。

免豐△宜遣 原子力発電プラントで用いられているような蒸気タービ
ンの成る部分においては、米国機械学会（＾５ＨＥ）規
格の＾ＳＭＥ　Ｐ４炭素鋼がら形成された耐圧部が用い
られている。この材料は高い耐侵食性を有するわけでは
ないが、他の選択された工学的要件に適合する材料であ
る。蒸気タービンの運転中、タービンを通る蒸気流路に
は、高速乱流状態のような予測不可能な熱−流体力学的
特性が生じ、その結果、上述のような炭素鋼製耐圧部に
侵食−腐食作用もしくは反応が生ずる。この侵食−腐食
反応は、時間の経過と共に、耐圧部の壁厚を減少して粗
表面を発生する。一方、この粗表面は、侵食腐食反応の
作用を促進して、更に、蒸気流路内の乱流を増強する。

蒸気タービンにおける侵食−腐食損傷を最小限度に抑止
するために、侵食−腐食過程に対し抵抗を示す表面を設
けることが必要となってきている。

粉末冶金法で形成された表面は単に機械的に結合される
だけであり、その結果、侵食されて剥離した砕片がター
ビン中に引き込まれるので、冶金的に結合された保護合
金の方が有利である。

冶金的に結合された表面は、種々の溶加材を用いて慣用
のアーク溶接法で形成されるのが典型的である。しかし
、慣用の溶接法では収縮応力、過剰の熱入力及び母材内
に熱勾配が生ずることがあり、そのため、耐圧部に許容
不可の歪みが屡々発生する。このような歪みが生ずると
、タービン運転にとって必要とされる金属間での蒸気封
じ込めが不可能となることがあり、従って、付加的な研
磨、加工及び（又は）−時的シール材が一般に必要であ
る。

従って、耐侵食性表面の付与中、母材に感知し得るほど
の変形を生ぜしめることなく、実質的に全ての選択され
た工学的要件を満たすような、炭素鋼製蒸気タービン構
成要素への耐侵食性表面の付与方法に対する必要性が存
在する。また、侵食−腐食作用という過酷な状況にも耐
えることができる冶金的に結合された耐侵食性表面を耐
圧部に付与する必要性も存在する。更にまた、複雑な位
置付は設備を使用することなく、現場で実施することが
できるサーフェーシング（肉盛）加工に対する必要性も
存在する。

免旦食且Ｉ 本発明は、耐侵食性表面を有する炭素Ｗ４製蒸気タービ
ン構成要素を提供するものであり、また該耐浸食性表面
を付与する方法を提供するものである。本発明の方法に
よれば、加圧蒸気にさらすことができる第１の表面を有
する炭素ｗｉ製蒸気タービン構成要素が提供される。こ
の表面には、少なくとも１２重量％のクロムを有する鋼
を含む第１の溶接物が溶接される。この溶接物は、約０
．２５ｃｍもしくは０．１ｉｎより小さい公称第１パス
厚で、毎分約６１〜１３２ｃｍ（２４〜５２ｉｎ）の溶
接速度のように高速度でタービン構成要素の表面上に付
着される。

従って、本発明は、顕著な母材の歪みを伴うことなく、
冶金的に結合された所望の耐侵食性表面を発生すること
ができる合金と、相乗作用溶接変数との新規な組み合わ
せを提供する。本明細書に開示する溶接法は、介入する
溶接熱サイクル数を減少することにより歪みを減少する
非常に長い連続した溶接ビードを付着することを可能に
する準自動フラックス入りアーク溶接法（ＦＣＡＷ）を
含んでいる。この溶接法は、米国機械学会では、ガスー
金属アーク溶接（ＧＭ＾旧とも称されている。本発明に
よれば、最小の熱入力で、−層高い走行速度が得られる
ように、高速付着用に設計されている調合されたフラッ
クス入りアーク溶接用溶加材が特定的に選択される。更
に具体的には、高い耐侵食性及び充分な降伏強さと共に
、非常に延性のある溶接ビードもしくは溶接物を形成す
るオーステナイト面心立方高クロム溶加材が用いられる
。

本発明の更に詳細な側面によれば、主に母材に向かって
優先的に変形し、従って、タービンケーシングの歪みを
最小にする比較的薄肉の確実な溶接ビード形態を実現す
るために、高速垂直下向き溶接姿勢が採用される。

従って、本発明の目的は、顕著な歪みを伴わずに、炭素
鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食性表面を冶金的に結
合する方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、欠陥を殆ど伴うことがなく、
且つ下地の炭素鋼母材の膨張及び収縮を吸収する溶接耐
侵食性表面を提供することにある。

上に述べた目的及び説明が進むに連れ当業者には明らか
になるであろう他の目的から、本発明は、実質的に、以
下に述べる部分及び方法の新規な構成、組み合わせ及び
配列を提供するものである。

免豐旦毘星皇且」 本発明は、炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食性表
面を付与するものである。該タービン構成要素は、加圧
蒸気にさらすことができる表面を含む。この表面は、少
なくとも１２重量％のクロムを有する鋼を含む溶接物で
溶接される。該溶接物は、約０．１ｉｎ（０，２５ｃｍ
）より小さい公称第１パス厚で毎分約２４〜５２ｉｎ（
６１〜１３２ｃｍ）の速度で上記表面上に付着される。

本発明はまた、炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食
性表面を溶接する方法であって、約０．３５重重景より
少ない炭素を含むと共に第１の表面を有する炭素鋼製の
蒸気タービン構成要素を用意するステップと、該第１の
表面に約０．１ｉｎ（０，２５ｃｍ）より小さい厚さを
有する第１の溶接物の形態で上記第１の表面上にオース
テナイトステンレス鋼をフラックス入りアーク溶接する
ステップとを含み、該フラックス入りアーク溶接ステッ
プにおいては、垂直下向き溶接姿勢で、約１６０〜１８
０アンペアの直流電流で、毎分約４２１−５２ｉｎ（１
２２〜１３２ｃｍ）の溶接速度が用いられる溶接方法を
も提供するものである。

また、本発明は、加圧蒸気に対する耐侵食性を与えるた
めの溶接された表面を有する実質的に無歪みの炭素鋼製
蒸気タービン構成要素を含む蒸気タービン装置であって
、上記溶接表面が、ステンレス鋼、好ましくは、少なく
とも約１２重量％のクロムを含むオーステナイトステン
レス鋼、例えばＥ３０９Ｌの、約０．１５ｉｎ（０，３
８ｃｍ）より小さい２パス溶接物を含む蒸気タービン装
置をも提供するものである。

本発明は、蒸気タービン構成要素に対する耐侵食性サー
フェーシング（肉盛）、母材の侵食を更に減速又は停止
するための母材の修復もしくは回復及び高圧シリンダ等
のための被覆を施す際に有利に適用することができる。

本発明は、板上ビード等々を含め種々の形態において有
用であることが判明した。

本発明の最も好適な溶接法においては、溶接前に炭素鋼
製蒸気タービン構成要素を清浄にする。

ディスク研磨、研削その他の金属表面加工処理を行って
、スケール、酸化物、錆その他の表面汚染物を除去する
のが有利である。これ等の処理のいずれか１つを行った
後に、表面を、残渣を伴わない石油ベースの洗浄剤、例
えば鉱油で払拭し、それに続いてメチルアルコール等で
清拭する。油、グリース、塗料その他の皮膜の残留痕跡
は、乾燥した清潔な無リント布で拭い取るべきである。

本発明の溶接ステップは、好ましいとは言えないまでも
、ガスタングステンアーク溶接法、ガス金属アーク溶接
法及びプラズマ溶接を用いることも可能ではあるが、フ
ラックス入りアーク溶接法で実施するのが有利である。

このフラックス入りアーク溶接法によれば、非常に長い
連続した溶接ビードの付着が可能であり、それにより、
溶接熱サイクル数が減少され歪みが低減される。この溶
接法の好適な対象は、蒸気侵食／腐食損傷を受けた、或
は受けるであろうところの約０．３５重量％より少ない
炭素を含むＰ−１炭素鋼のような蒸気タービン炭素ａｍ
成要素の領域に耐侵食性溶接金属を付着することである
。

ここに開示した方法では、溶接付着熱応力及び歪みを最
小にする約１３０〜２２０アンペアの直流、好ましくは
２４〜２８ボルトで１４５〜１８０アンペアの逆極性の
直流電流を用いる特別に開発された高速付着ＦＣＡ−Ｗ
溶加材が用いられる。歪みを最小にする能力は、単一パ
スの場合、約０．１ｉｎ（０，２５ｃｍ）、好ましくは
約０．０６ｉｎ（０，１５ｃｍ）より小さく、そして二
回パスの場合には、約０．１５ｉｎ　（０，３８ｃｍ）
、好ましくは、約０．１２ｉｎ（０，３５ｃｉ）より小
さい薄肉溶接ビードの高移動速度付着で、母材に対する
熱入力を低くし、可能な限りにおいて、垂直方向下向き
に溶接することにより実現することができよう。垂直下
向き姿勢以外の姿勢での溶接でも、高い走行もしくは移
動速度で溶接するのが有利である。羽根の環状溝或は管
継手のような大量の付着合金が要求される場合には、走
行（移動）速度及び溶加材の直径を、マルチパスグルー
プ溶接技術を用いることができるように調整すべきであ
る。

本発明の理解は、溶接法及び継手の種別毎に溶接パラメ
ータの近似的に好適な範囲を示す以下に述べる実施例か
ら更に深められよう。

実ｉＬｌ：垂直下向きサーフェーシング接続溶接形Ｒ：
　　板上ビード溶接 裏当て：　　　＾ＳＨＥ　Ｐ−１ 母材：　　　　＾Ｓ阿Ｅ　Ｐ−Ｉ　Ｓ＾５１５　ＧＲ，
６５，Ｓ＾２１６　ＧＲＪＩＣ［３゜溶接技術：　　　
Ｆｃ八へ＞去、単層の場合約０．０６ｉｎ（０，１５ｃ
ｍ＞厚、２Ｎマルチパスの場合には約０．１２ｉｎ　（
０，３０ｃｍ＞又はそれ以上の厚さで、毎分約４８〜５
２ｉｎ（１２２〜１３２ｃｍ／分）の溶接移動速度で、
各ビードが先行のビード に対し約３０〜５０％だけ重なるようにして直線ビード
を溶接する 位置：　　　　移動方向とは反対に約２０°後向きで垂
直下向きに溶接ガンを指向する 溶加材：　　　　Ａｌ＋ＩＳ　Ａ５．２２　クラスＥ３
０９　ＬＴ−１，０，０４５ｉｎ（０，１１ｃｍ）径 シールドガス：７５％のアルゴン（＾Ｒ）７２５％のＣ
０２（±１０％）、３５−４５立方フイ一ト／時、（９
９０〜１２７３立方デシメートル／時） 予熱＝６０″’Ｆ　（１５，６’Ｃ）（最小）、１３５
”Ｆ（５７，２’Ｃ）（最大、パス間） 電流±極性：　　ＤＣＲＰ、電極を正 アンペア：　　　１６０−１８０ ボルト：　　　　　２４−２８ ［：上向き姿勢サーフェーシング 溶接形Ｒ：　　板上ビード溶接 裏当て：　　　＾ＳＨＥ　Ｐ−１ 母材：　　　　　　　　　Ｓへ５１５　　ＧＲ，６５、
Ｐ−１溶接技術：　　　ＦＣＡＷ法、単層の場合約０．
０６ｉｎ（０，１５ｃｍ）厚、マルチパスの場合には、
約０．３０ｉｎ（０，３０ｃｍ）の厚さで、毎分約２５
〜３５ｉｎ（６３，５〜８８．９ｃｍ／分）の溶接移動
速度で、各ビードが先行のビードに対し約３０〜５０％
だけ重なるようにして直線ビードを溶接する 位置：　　　　移動方向とは反対側に約２０°後向きで
溶加材： 予熱： 電流＋極性： アンペア： ボルト； 大部」Ｌ旦： 溶接形態： 裏当て： 母材： 溶接法： 上向きに溶接ガンを指向する 八−３＾５．２２クラスＥ３０９　ＬＴ−１、ｎ（０，
ＩＬｃｍ）径 ６０”Ｆ（１５，６°Ｃ）（最小）、 （最大、パス間） ＤＣＲＰ、電極を正 １４５−１５５ ６−２８ ３００”Ｆ（１４８，９°Ｃ） ０　、０４５ 水平姿勢サーフェーシング 板上ビード溶接 ＾ＳＨＥ　Ｐ−１ ＾ＳＨＥ　Ｐ−Ｉ　Ｓ＾５１５　ＧＲ，６５，Ｓ＾２１
８　ＧＲＪＣＢ。

ＦＣＡＷ法、単層の場合約０．０６ｉｎ（０，１５ｃｍ
）厚、２層マルチパス又は必要に応じそ れより多いパスでは約０．１２ｉｎ（０，３０ｃｍ＞厚
で、約２５〜３５ｉｎ（６３，５〜８８．９ｃｍ／分）
の溶接移動速度で、各ビードが先行の ビードに対し約３０〜５０％だけ重なるようにして直線
ビードを溶接する 移動方向に対し約２０’後向きで水平に溶接ガンを指向
する 静Ｓ＾５．２２クラスＥ３０９　ＬＴ−１，０，０４５
ｉｎ（０，１１ｃｍ）径 シールドガス：７５％のアルゴンく＾Ｒ）７２５％の０
０２（±１０％）、３５−４５立方フイ一ト／時、（９
９０〜１２７３立方デシメートル／時） ＤＣＲＰ、電極を正 １４５−１５５ ６−２８ アンペア： 電流＋極性： 位置： ボルト： 溶加材： 丈如班１：平坦姿勢サーフェーシング 溶接形態：　　板上ビード溶接 へＳＭＥ　　Ｐ−１ 母材：　　　　＾ＳＨＥ　Ｐ−Ｉ　Ｓ＾５１５ＧＲ，６
５Ｓ＾２１６　ＧＲＪＣＢ。

溶接法（技術）：　ＦＣＡＷ法、単層の場合約０．０６
ｉｎ（０，１５ｃｍ＞厚、２層マルチパス又は必要に応
じそ れ以上のマルチパスでは０．１２ｉｎ（０，３０ｃｍ）
厚で、毎分約２５〜３５ｉｎ（６３，５〜８８．９０ｎ
／分）の溶接移動速度で、各ビード裏当て： が先行のビードに対し約３０〜５０％だけ重なるように
して直線ビードを溶接す る 位置：　　　　移動方向に対し約２０″後向きでフラッ
トに溶接ガンを指向する 溶加材：　　　静Ｓ＾５．２２クラスＥ３０９　ＬＴ−
１，０，０４５ｉｎ（０，１１ｃｍ）径 シールド・ガス；７５％のアルゴン（＾Ｒ＞／２５％の
００２（±１０％）変動可、３５−４５立方フイ一ト／
時、（９９０〜１２７３立方デシメートル／時）電流＋
極性：　　ＤＣＲＰ、電極を正 アンペア＋　　　１４５−１５５ ボルト、　　　　２６−２８ 更に、熱入力及び制御歪みを最小にするためにスキップ
溶接法（飛石溶接法）を用いることが示唆される。これ
と関連して、１つの好適な方法は２を越えない溶接ビー
ドを互いに隣接して形成し、次いで、約６１ｎ（１５，
２４ｃｍ）左方又は右方に移動し、２を越えない溶接ビ
ードを形成し、このようにして所要の面積もしくは領域
が完全に覆われるまで前後に溶接加工することである。

溶接後、溶接スラグ及びスケールを、スラグハンマー或
は他の機械的手段を用いてチッピングにより除去し、そ
れに続いてワイヤブラシで酸化物、軽量のスケール、錆
及び溶接スモーク（ｗｅｌｄｉｎｇｓｍｏｋｅ）を除去
すべきである。この目的で用いられるワイヤブラシは汚
染物が除去されて存在しないステンレス鋼製の刷毛から
構成すべきである。

上述の手順で付着される耐侵食性溶接金属サーフェーシ
ング（肉盛）は、専ら硬化肉盛でもなければ、また専ら
耐腐食溶接肉盛でもない。これにより、元の母材は、大
きな耐侵食性を含め、卓越した機械的特性を有する母材
となると考えられる。

好適な合金Ｅ３０９Ｌ（米国機械学会の呼称）の工学的
性質、特性及び相対耐侵食性は、炭素鋼のそれ等よりも
遥かに優れたおり、従ってこの合金は好適な合金である
と考えられる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、歪みを最小
にし、しかも研削或は−時的シール材を回避するように
して炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食性表面を付
与する新規な方法を提案した。種々の実施例を例示した
が、これは単に説明の便宜上であって、本発明を制限す
るものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、
種々の変形及び変更を当業者が容易に想到し得るであろ
うことを付記する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電力を発生するのに用いられる形式の蒸気タービン
   装置において、炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食
   性表面を付与するための方法であって、 （ａ）第１の表面を有する炭素鋼製蒸気タービン構成要
   素を用意し、 （ｂ）前記第１の表面上に少なくとも１２重量％のクロ
   ムを含む第１の鋼溶接物を毎分約６１〜１３２ｃｍの溶
   接速度で溶接し、前記溶接物が、約０．２５ｃｍより小
   さい公称第１パス厚さを有するようにする、諸ステップ
   を含む炭素鋼製蒸気タービン構成要素への耐侵食性表面
   の付与方法。 ２）炭素鋼製蒸気タービン構成要素に耐侵食性表面を溶
   接する方法であって、 （ａ）約０．３５重量％より少ない炭素Ｃを含むと共に
   、第１の表面を有する炭素鋼製蒸気タービン構成要素を
   用意し、 （ｂ）約０．２５ｃｍより小さい厚さを有する第１の溶
   接物としてオーステナイトステンレス鋼を、垂直下向き
   の溶接姿勢で約１６０〜１８０アンペアの直流で、毎分
   約１２２〜１３２ｃｍの速度でフラックス入りアーク溶
   接する、 諸ステップを含む炭素鋼製蒸気タービン構成要素への耐
   侵食性表面の溶接方法。