JPWO2002101204A1 - タービン翼及びタービン発電設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、蒸気タービンのタービン翼の流体接触部の耐久性を向上させることが主目的である。本発明は、蒸気タービンのタービン翼４の流体接触部位が、球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金５と、前記タービン翼４と前記Ｃｏ基合金５とを液相拡散接合した液相拡散接合部６とで構成してある。そのため、タービン翼に駆動流体が接触しても、共晶炭化物の腐食が進むものの、その腐食の進みは共晶炭化物の非連続性分布により途中で抑制され、タービン翼の耐久性が向上する。

Description

技術分野
本発明は、タービン翼とそのタービン翼を採用したタービン発電設備に係る。
背景技術
共晶炭化物が非連続分布とされた金属を弁の機械的摺動部に装着してその弁の耐エロージョン・コロージョン性を向上する技術は、特開２０００−２７３５７３号に開示されている。
その一方、タービン発電設備に目を移すと、火力原子力発電設備のタービンの低圧部では、高流速，キャビテーション，液滴の衝突が予想される部位にはエロージョンによるタービン翼への影響を抑止または抑制するためにエロージョン防止対策が採用されている。
従来の火力原子力発電設備業界でのエロージョン防止対策は高耐蝕・耐磨耗のＣｏ基合金を溶解して肉盛するかまたはその表面を硬化熱処理を行うものであった。その接合方法としては、ろうづけ方法（特開平２−３３４０３号，特開平７−２８６５０１号）又は、インサート材を用いた拡散接合方法（特開昭５８−１３４８７号）がある。
しかし、火力原子力発電設備業界では、近年、腐蝕環境下、特にＣｏ基肉盛材の耐食性の低下する溶存酸素の高い雰囲気で長時間にわたり運転される傾向にあり、その結果、従来のエロージョンシールド以上の耐エロージョン性能を有するエロージョンシールド技術が求められている。
特にタービン翼の後ろ数段は湿り度の高い蒸気中での運転となる一方で、近年の長翼化，プラント長寿命化のための給水配管中の溶存酸素を増加させる運転方法の採用の結果、従来のエロージョン防止対策以上に溶存酸素雰囲気下でのエロージョンシールド性能を有するエロージョンシールド技術が求められている。しかし、その求めに対応したタービン翼の耐エロージョン性能の向上技術は存在しなかった。
発明の開示
従って、本発明の目的は、第一にタービン翼の耐エロージョン性能向上にあり、第二にそのタービン翼を採用したタービン発電設備の信頼性向上を図ることにある。
本発明は、タービン翼の駆動流体接触部に共晶炭化物が不連続分布とされた金属を装着したタービン翼であるので、タービン翼に駆動流体が接触して共晶炭化物の腐食が進むが、その腐食の進みは共晶炭化物の非連続性分布により抑制され、タービン翼の耐久性が向上する。
そのような本発明のタービン翼を採用したタービン発電設備によれば、タービン発電設備の保守性・信頼性向上のほかに、タービン翼の保守・交換時期が延長されてタービン発電設備の稼動効率が向上する。
また、タービン翼に装着される金属はエロージョンシールド材と称せられ、そのエロージョンシールド材は、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金の一合金を鍛造して前記一合金に粒状の共晶炭化物を生成し、しかる後に前記一合金の表面を再溶融して前記表面に網目状又は線状の共晶炭化物を生成させ前記表面よりも深層部に前記粒状の共晶炭化物を残留させて製造され、このようなエロージョンシールド材によれば、表面硬度の向上とエロージョンシールド性能の向上とが得られる。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、火力発電用又は原子力発電用又は地熱発電用の蒸気タービンのタービン翼に適用することができる。これらの蒸気タービンは、タービン翼の駆動流体として、硫黄分を含んだ雰囲気もしくは溶存酸素を多く含んだ流体が用いられる。
そのため、そのタービン翼は腐食環境の雰囲気にさらされることになるので、そのタービン翼には耐腐食性が強く要求されている。特に、駆動流体である蒸気中に硫黄成分，塩素等の腐蝕性成分の多い地熱発電用のタービン設備にあっては、蒸気中に含まれる硫黄分，塩素等に起因する腐食環境下での耐エロージョン・コロージョン性能の向上を図ることが要求される。
本発明の実施例として、火力発電用又は原子力発電用の蒸気タービンの例を以下に示す。
その蒸気タービンは発電機と接続されてタービン発電設備を構成している。その発電機を回転駆動する蒸気タービンは、原子炉又は火力ボイラで発生させた高圧蒸気を駆動流体として受入る。その駆動流体は蒸気タービン内のタービン翼に当って、タービン翼を回転駆動させる。そのタービン翼が回転すると、タービン翼が取り付いたタービンロータも回転して、そのタービンロータに接続された発電機が回転駆動され、発電機が発電作用を成す。
このように蒸気タービン（以下、単にタービンという。）は、原子炉もしくは火力ボイラで生成させた蒸気を駆動流体として流し込んで、その流体力をタービン翼にあてることでタービン翼とタービン回転軸とを回転させて、駆動流体の持つエネルギーを回転力に変換する。
そのタービンにおける流体力から回転力への変換は、第１図のようなタービン（低圧部）ケーシング１においてその内部を蒸気が流れて、内部に装備されたタービン翼の集合部２にぶつかることによりタービン翼が回転して行われる。それにより生み出された回転力はタービンロータ３により発電機に伝えられ、最終的に電気が発電される。
タービン翼がタービンロータ３の周りに集合しているタービン翼の集合部２には駆動流体がぶつかるので、そのタービン翼の集合体を構成する各タービン翼２の流体接触部には耐エロージョン・耐蝕性に優れたＣｏ基合金を肉盛したりすることが考えられていたが、単にＣｏ基合金を肉盛りすると、第３図（ａ）（ｂ）に示すように基材部８とともに網目状に組成されている共晶炭化物７が発生する。
この場合には、第４図（ａ）に示すように、溶存酸素を起源とする腐食環境にさらされた共晶炭化物７が第４図（ｂ）に示すように腐食し、引き続いて第４図（ｃ）に示すように基材部８が脱落するエロージョンが発生し、その結果、第４図（ｄ）に示すように再度表面近くに共晶炭化物７が表れて第４図（ａ）のように腐食環境にさらされた共晶炭化物７が第４図（ｂ）に示すように腐食を受けるという、腐食・エロージョンの繰り返しによりＣｏ基合金の損傷が生じるものと本発明の発明者等は認識した。このような認識は、硫黄を起源とする硫黄酸化物，窒素酸化物，溶存酸素等の腐食要因を含む腐食環境下でも同様である。
従って、本発明の発明者等は、タービン翼の流体接触部における一層の耐蝕性及び耐エロージョン性の向上の必要性がクローズアップされて来ると確信して以下のような対策をタービン翼に施した。
タービンのタービン翼４の流体接触部に、第２図のように、耐蝕・耐摩耗合金としてＣｏ基合金５を装着する。装着方法は後述の液相拡散接合によって行う。Ｃｏ基合金は鍛造され、鍛造組織として第５図（ａ）（ｂ）に示すような基材部８に粒状又は球状に組成されている共晶炭化物７を有する金属組織のＣｏ基合金５とされる。その共晶炭化物７は粒状又は球状であって、隣接する共晶炭化物７は互いに離れて、不連続状態である。
このような鍛造組織のＣｏ基合金５を第２図に示すようなタービン翼４の一部を形成出来る形状にして採用するか、もしくは板材状のものを採用して接合後にタービン翼４の一部と成すように加工する。Ｃｏ基合金５とタービン翼４の接合界面間に、インサート材を挿入して液相拡散接合６によって、第２図に示すようにタービン翼４とＣｏ基合金５を接合した。
第１表に示すような化学成分を持つ粒状又は球状の共晶炭化物７をもつＣｏ基合金５とインサート材（融点の低いＮｉ基合金）を用いた。液相拡散接合条件は、１２Ｃｒ基合金であるタービン翼４の融点より十分低い接合温度：１１００℃，保持時間：１時間，真空度：１〜２×１０^−４Ｔｏｒｒ，加圧力：１５ｋｇ／ｃｍ^２とした。また、接合後の冷却は１１００℃から６５０℃を約１５０℃／ｈ，６５０℃から４２５℃までを約１００℃／ｈ，４２５℃以下を空冷による自然冷却とした。インサート材としては、タービン翼４の融点やＣｏ基合金５の融点よりも融点が低い材料が選択使用される。
これにより、接合後にあっても、第５図や第６図に示すようにＣｏ基合金５内部や表面に共晶炭化物７が粒状又は球状のまま存在できる。このように、Ｃｏ基合金５に共晶炭化物７が粒状又は球状のまま存在し、その共晶炭化物７の露出が限定的となり、その結果、損傷が抑制される。
即ち、第６図のように、共晶炭化物７が粒状又は球状のまま存在しているＣｏ基合金５が溶存酸素等による腐食環境にさらされると、腐食環境に接触した粒状又は球状の共晶炭化物７は腐食や摺動作用を受けて表

面から脱落して腐食環境に接触する表面には共晶炭化物７が存在しない基材部８のみの表面となる。従って、腐食と脱落が交互且つ繰り返し連続して起こる現象が防止されて損傷が抑制される。
耐蝕性能の比較のため、ストラウス試験，希硫酸中エロージョン試験を行った。結果として、粒状又は球状に組成されている共晶炭化物７を有するＣｏ基合金５（開発材）は、ストラウス試験では、第２表に示すように網目状に組成されている共晶炭化物７を有するＣｏ基合金にくらべ、３０倍以上の耐蝕性を示し、希硫酸中のエロージョン試験では、第７図に示す開発材の特性曲線のように従来のステライト＃６に比べて２０〜３０倍の耐久性能を示した。

また、この粒状又は球状の共晶炭化物を含むＣｏ基合金５の流体接触部の全て又は一部にレーザーを照射して所望する厚さの表層部を再溶解し、そのＣｏ基合金５の表面の再溶解部に網目状または線状の共晶炭化物を形成し、タービン翼の一部と成すように必要な形に加工後にタービン翼４とＣｏ基合金５の間の接合面にインサート材を挿入し、両者を既述と同様に液相拡散接合する。このようなことにより、タービン翼４の外周面となるＣｏ基合金５の表面に硬度を持たせたものに出来る。この様にしてＣｏ基合金５の表層部に網目状または線状の共晶炭化物を形成し前述の表層部よりも深層部は粒状又は球状の共晶炭化物が残存する状態にする。
この様にして、Ｃｏ基合金５をタービン翼４に接合して適用することにより、タービン翼４の表面硬度増大と高耐蝕化，高耐エロージョン性を実現する。タービン翼４の高耐蝕化，高耐エロージョン性が向上することによって、タービン翼４の耐久性向上，損傷低減が図れ、蒸気タービンの耐久力向上を図ることが出来る。
第１表に示すような化学成分を持つＮｉ基合金やＦｅ基合金を鍛造して球状又は粒状の共晶炭化物を有するＮｉ基合金やＦｅ基合金を作って前述の球状又は粒状の共晶炭化物７を有するＣｏ基合金５に置き換えて採用しても、前述の球状又は粒状の共晶炭化物７を有するＣｏ基合金５と同様な特性によって蒸気タービンの耐久力向上を図ることが出来る。
この場合も、タービン翼４への流体接触部にＮｉ基合金やＦｅ基合金を接合するに際して、接合後もＮｉ基合金やＦｅ基合金に共晶炭化物が球状又は粒状に存在出来るように接合手段や接合条件を選択する。選択すべき接合手段は、液相拡散接合が好ましい。その液相拡散接合で用いられるインサート材としてＮｉ基合金とＦｅ基合金の内の用いる合金の融点やタービン翼４の融点よりも融点が低い材料が選択使用され、タービン翼４の融点やその用いる合金の融点よりも低い温度で接合されることが好ましい。
このようにして、タービン翼４の流体接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金又はＦｅ基合金を用いたタービン翼４を採用することで、流体接触部に肉盛による線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金を採用したものに比べて、同等以上に高い硬度を維持しながら、強靭かつ耐蝕性に富むタービン翼４を提供できる。
そのため、蒸気タービン内の流体に含まれる溶存酸素等に起因する腐食と腐食部を起点とする割れの進行，エロージョンによる損傷・劣化を防止することで、蒸気タービンの耐久性を向上させることが出来る。
タービン翼４に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金、Ｎｉ基合金及びＦｅ基合金のいずれかを接合する際には、既述のように接合されるタービン翼といずれかの合金の両者よりも低融点のインサート材を両者の接合界面に挿入し、融点降下元素をその両者の母材中に拡散させ、凝固，接合を進行させる液相拡散接合とした。
そのために、Ｃｏ基合金を単に肉盛する場合と比べ、母材接合域と硬化肉盛材の温度を一様とすることが出来るため、残留応力を低減でき、硬化盛金部の溶着割れを防止すると共に応力除去に必要な焼もどし，焼なまし，焼ならし作業を省くこともその素材の特性によっては可能となり、タービン翼の加工に必要なエネルギーを低減でき、かつ製品の信頼性が向上する。
又、このような液相拡散接合をタービン翼への合金の接合に用いれば、タービン翼４の外周面を成す合金の表面は接合前の状態が保持できるため、硬化肉盛部は、切削加工を必要とせず、そのまま仕上げのための研削を行うことが出来る為、作業工数を低減する事が出来る。
このように、本発明の実施例によれば、蒸気タービンの耐久性向上により蒸気タービンの稼動率向上，耐久力向上をはかることが出来る。特に、タービン翼の駆動流体である蒸気中に硫化水素，塩素他の腐蝕性成分の多い地熱発電用タービンに対しては、駆動流体に含まれる腐蝕性成分が多いことから、そのタービン翼のエロージョン・コロージョンに対する効果は大きい。
以上のように、本発明によれば、タービン翼の腐食抑制と耐久性の向上とに優れた効果が発揮出来、そのタービン翼を用いたタービン発電設備によれば、タービン発電設備の信頼性向上のほかに、タービン翼の保守・交換時期が延長されてタービン発電設備の稼動効率が向上する。
産業上の利用可能性
本発明は、火力発電用又は原子力発電用又は地熱発電用の蒸気タービンのタービン翼に適用して、そのタービン翼の耐久性を増す技術として適用される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を適用するタービンの一部ケーシングを取り除いた状態での全体斜視図である。
第２図は、本発明によるタービン翼を示しており、（ａ）図はタービン翼の全体図であり、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ矢視による一部分のタービン翼断面図である。
第３図の（ａ）図は網目状の共晶炭化物の組成を有する従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、同じく（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を拡大して模式化して図示した模式図である。
第４図は、従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の網目状の共晶炭化物のエロージョン・コロージョン現象を現象の進行状況にあわせて（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に分けて表した模式図である。
第５図の（ａ）図は粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、同じく（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を模式化して図示した模式図である。
第６図は、粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金のエロージョン・コロージョン抑止現象を現象の進行状況にあわせて（ａ）（ｂ）（ｃ）に分けて表した模式図である。
第７図は、本発明の粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（開発材）と線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）のエロージョン試験での質量減量の特性曲線を表したグラフ図である。

Claims (6)

1. タービン翼の駆動流体接触部に共晶炭化物が不連続分布とされた金属を装着して有るタービン翼。
2. 請求項１において、前記タービン翼に前記金属を液相拡散接合で装着してあるタービン翼。
3. 請求項１又は請求項２において、前記駆動流体に接する前記金属の表面に網目状又は線状の共晶炭化物を生成させてあるタービン翼。
4. 請求項１又は請求項２又は請求項３において、前記金属はＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金であるタービン翼。
5. 駆動流体のエネルギーを回転力に変換するタービンと、前記タービンの回転力を電力に変換する発電機とを備え、前記タービンのタービン翼が請求項１から請求項４までのいずれかのタービン翼であるタービン発電設備。
6. Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金の一合金を鍛造して前記一合金に粒状の共晶炭化物を生成し、しかる後に前記一合金の表面を再溶融して前記表面に網目状又は線状の共晶炭化物を生成させ前記表面よりも深層部に前記粒状の共晶炭化物を残留させたタービン翼のエロージョンシールド材の製造方法。

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