JPWO2006134831A1 - 蒸気タービン用ロータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

溶接割れがなく、後熱処理も不要で、ジャーナル部の摺動特性を改善した９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータとその製造方法を提供する。９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の摺動面に、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼よりも摺動特性に優れたＣｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなり、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３〜１５％である低合金鋼被覆層を高速フレーム溶射法にて形成する。

Description

本発明は、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータとその製造方法に関する。

９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼（例えば、重量比で、１１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０．６％Ｎｉ−０．７％Ｍｎ−０．２％Ｖ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｃ−０．１％Ｎｂ−０．０６％Ｎ−残部Ｆｅ、１１％Ｃｒ−２．６％Ｗ−０．２％Ｍｏ−２．５％Ｃｏ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｎ−０．２％Ｖ−０．０５％Ｓｉ−０．１％Ｃ−０．１％Ｎｂ−０．０３％Ｎ−０．０２％Ｂ−残部Ｆｅ等の組成を有する耐熱鋼）は、高温強度と低温靱性とに優れるため、蒸気タービンの高中圧用ロータ材料として注目されており、使用が拡大されつつある。しかし、蒸気タービンでは、高速で回転するタービン用ロータをすべり軸受で支持しており、ロータ材料の摺動特性が軸受部の耐久性に大きく影響する。

９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼は、ロータ材料として優れた機械的性質を有しているが、摺動特性は劣る。このため、ジャーナル部において軸受メタルとの間に損傷事故が発生しやすいことが知られている（非特許文献１参照）。

特に、「ワイヤーウール損傷」等と称される、ジャーナル部の表面があたかも機械加工されたように細い筋状に削られ、発生した異物の中に細いつる巻き状の線が認められる損傷形態が生じやすい。

このジャーナル部の損傷は、ジャーナル部と軸受メタルとの間への異物浸入が原因と考えられている。特に、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼は、熱伝導度が小さいため、異物が混入した際に局所的な焼き付きが生じやすい。また、Ｃｒ含有量が多いため、焼き付きで温度が上昇した際に、Ｃｒ炭化物が生成し易く、これがまた異物となってジャーナル部の損傷を助長するとも考えられている。

この９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の損傷を防止するため、ジャーナル部にＣｒ含有量の少ない低合金鋼を肉盛溶接して被覆する方法が提案されている（特許文献１参照）。

さらに、肉盛溶接層を下盛と上盛との二層とし、下盛用溶接材料には、上盛用溶接材料に比べて強度が小さく、線膨張係数が大きい材料を用いることで、肉盛被覆層に生じる引張残留応力を小さくする方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開昭５７−１３７４５６号公報 特開平０６−２７２５０３号公報 金沢他 「ロータジャーナル部の損傷」 火力発電、第２３巻 第５号、昭和４７年５月発行、ｐ．５３６−５４２

しかし、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部に、母材に比べ摺動特性の良好な、Ｃｒ含有量の少ない低合金鋼を肉盛溶接で被覆する従来の方法では、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼が低合金鋼に比べ熱膨張率が小さいため、溶接肉盛被覆層の表面に引張の残留応力が生じる。

このため、溶接時，後熱処理時、あるいは使用時に、溶接肉盛部や溶接熱影響部等に割れが発生しやすいという問題があった。

また、肉盛溶接で被覆する方法では、溶接時の希釈のため、溶接肉盛被覆層に母材の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からＣｒが溶け込み、溶接肉盛被覆層のＣｒ含有量が上昇してしまう。

このため、表面が希釈の影響を受けない程度まで、厚く肉盛する必要があり、溶接割れが生じやすい要因にもなっていた。

また、この厚く肉盛が必要なこと、後熱処理が必要なことから、工程的にも不利でコストが高かった。

本発明は、このような背景からなされたものであり、溶接割れがなく、後熱処理も不要で、ジャーナル部の摺動特性を改善した９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータとその製造方法を提供するものである。

本発明は、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータであって、ロータのジャーナル部の摺動面に、Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層を設けたことを特徴とする。

本発明により、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の摺動面における摺動性を改善することができる。

本発明によるタービンロータの一例を示す模式図である。 本発明によるタービンロータの施工例を示す模式図である。 本発明による低合金鋼皮膜の断面組織の一例を示す顕微鏡写真である。 本発明における軸受試験機の構成を示す模式図である。 本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第一工程）を示す模式図である。 本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第二工程）を示す模式図である。 本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第三工程）を示す模式図である。 軸受試験における軸受メタル温度の変化を示す模式図である。 本発明による低合金鋼被覆をタービンロータシャフトに適用した高圧蒸気タービンを示す模式図である。

符号の説明

１…ロータ、２…ジャーナル部、３…ジャーナル摺動面、４…母材、５…低合金鋼被覆層、１０…溶射ガン、２１…電動機回転軸、２２…転がり軸受、２３…シャフト、２４…すべり軸受、２５…試験ジャーナル部、２６…台座、３１…軸径、３２…開先加工深さ、３３…傾斜角度、４１…第１軸受、４２…第２軸受、４３…推力軸受、４４…高圧隔板、４５…高圧動翼、４６…高圧内部車室、４７…高圧外部車室、４８…タービンロータシャフト、４９…主蒸気入口、５０…高圧蒸気排気口。

本発明は、図１に示す９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータ１のジャーナル部２の摺動面３に、９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼よりも摺動特性に優れた、Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなり、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３〜１５％である被覆層を、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ）法にて形成することを最も主要な特徴とする。

本発明の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータ１は、ジャーナル部２の摺動特性改善を目的に、低合金鋼を摺動面３に溶接肉盛被覆する従来の方法に替えて、高速フレーム溶射法による低合金鋼被覆層を設けたものである。

本発明は、従来の肉盛溶接被覆に比べ、非常に低入熱で低合金鋼被覆層を形成可能である。

また、高速フレーム溶射法では、粉末粒子を高速で対象物に衝突させて被覆を形成することから、被覆表面には圧縮の残留応力が生じる。従って、本発明の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータでは、低合金鋼被覆層の割れが生じ難く、被覆形成後の熱処理も省略できる。

さらに、希釈の影響が無いため、低合金鋼被覆層の厚さを薄くできる。

さらに、被覆内には任意断面の面積率で３〜１５％の欠陥が存在するため、これらが潤滑油の含油効果をもたらし、より摺動性に優れるという利点がある。

９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の摺動特性改善という目的を、高速フレーム溶射法という低入熱の被覆形成方法を用いることで、被覆層に割れがなく、後熱処理も不要という、従来の肉盛溶接法に比べて、高信頼かつ簡便に実現した。

本発明の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータ１は、ジャーナル部２の摺動特性改善を目的に、高速フレーム溶射法による低合金鋼被覆層を設けたものである。

本発明に用いる低合金鋼としては、Ｃｒ含有量３％以下が好ましい。その理由は、Ｃｒ含有量が３％を越えると、摺動性の低下、熱伝導率の低下を招くためである。

具体的には、重量比で０．５〜２．５％Ｃｒ−０．４〜１．１％Ｍｏ−残部Ｆｅ、２．０〜２．５％Ｃｒ−０．９〜１．１％Ｍｏ−０．３％以下Ｖ−残部Ｆｅ等の組成を有する低合金鋼が、被覆強度と摺動性とのバランスが良く、好適であるが、これらの成分に限定されるものではなく、適宜、当業者が選択することが可能である。

本発明による低合金鋼被覆層の厚さとしては、０．５〜５ｍｍが好ましい。その理由は、厚さが０．５ｍｍ未満の薄い低合金鋼被覆層では、異物の混入等により低合金鋼被覆層が摩耗を受けた際に、短時間で基材の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼が露出してしまう可能性が高く、長時間の耐久性の点で問題となるためである。

一方、厚さが５ｍｍを越えると、高速フレーム溶射法の特徴である被覆層表面の圧縮残留応力が次第に低下し、被覆層に割れや剥離が生じやすくなるため好ましくない。

また、本発明による低合金鋼被覆層では、従来の肉盛溶接のように溶接による希釈の影響がないため、被覆層の厚さがそのまま有効厚さとなるため、被覆層は肉盛溶接の１／２以下で同等の効果が得られる。不要に被覆層を厚くすることは、施工に長時間を要し、不経済でもある。

また、本発明による低合金鋼被覆層は、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３〜１５％であることが好ましい。

図３に本発明による低合金鋼被覆層の断面組織写真の一例を示す。９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼母材４の上に本発明による低合金鋼被覆層５が厚さ約１．５ｍｍで形成されている。断面組織写真で低合金鋼被覆層５には、黒い網目状の模様が認められる。これは、主に低合金鋼被覆層５を高速フレーム溶射法にて形成する際に、低合金鋼溶射粉末が高速フレーム（火炎）中を飛行中に加熱され、粉末表面に生じた酸化物（主にＦｅ酸化物、微料のＦｅ以外の合金構成元素の酸化物を含む）、が低合金鋼被覆層５に取り込まれた結果生じた、気孔または酸化物からなる溶射皮膜中の欠陥である。画像解析により、この欠陥（網目状の黒い領域）の被覆層断面内における面積率を求めたところ約１０％であった。

これら欠陥は、気孔は当然ながら、酸化物も多孔質であるため、被覆層内で微細な空隙として機能し、潤滑油を含浸保持する。このため油膜切れが生じ難く、焼つきを防止する効果をもたらす。

しかし、欠陥率が増加すると、潤滑油の含浸保持効果は高まる反面、被覆層の強度が低下するため、高面圧・高周速の摺動条件下では被覆層の剥離、あるいは被覆層内での層間破壊が生じやすくなってしまう。

従って、欠陥率が３％未満では、含油保持効果が不十分であり、逆に１５％を越えると被覆層の強度低下を招くため好ましくない。

一方、被覆層の強度は欠陥の状態・分布によって異なる。すなわち、欠陥率が同一でも、粗大な欠陥が偏在する場合と、微細な欠陥が均一に分布している場合では、後者の方が被覆層の強度は高い。このため、被覆層の密着強さは、４０ＭＰａ以上であることが好ましい。被覆層の密着強さが４０ＭＰａ未満では、被覆層の剥離、あるいは被覆層内での層間破壊が生じやすい。

以上のように、本発明の９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータにおいて、好適に用いられる低合金鋼被覆層としては、Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層で、被覆層の厚さが、０．５〜５ｍｍの範囲、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３〜１５％、かつ、被覆層の密着強さが、４０ＭＰａ以上であることが最も好ましい。

このような被覆層の形成には、高速フレーム溶射法が最も好適に用いることができる。これは、他の溶射法、例えば、プラズマ溶射，フレーム溶射，アーク溶射等が、材料（粉末，線材）を高温で溶融して吹きつけ、主に基材上で急冷凝固させ、皮膜を形成するのに対し、高速フレーム溶射法では、粉末を高速で吹き付け、主にその運動エネルギーによる基材衝突時の塑性変形を利用して、皮膜を形成する点に特徴がある。

この成膜原理の違いにより、高速フレーム溶射法では、粉末の酸化を低く抑えることが可能である。

また、材料を溶融し、基材上で急冷凝固する他の方法では、凝固固着した皮膜には、引張残留応力が生じる。一方、高速フレーム溶射法では、材料を高速で基材に衝突させた際の塑性変形を利用するため、皮膜には圧縮残留応力が生じる。このため、高速フレーム溶射による皮膜は、密着強さや皮膜強度に優れ、皮膜の割れや剥離が生じにくいという利点も有する。

図４に本発明による低合金鋼被覆の軸受特性を評価するために用いた軸受試験機の構成を模式的に示す。本装置は、２箇所の転がり軸受２２で回転自在に支承されたシャフト２３の一端に試験ジャーナル部２５が設けられており、すべり軸受２４と組合せて、試験軸受部を構成する。

すべり軸受２４には潤滑油供給機構（図示せず）から給油がなされる。すべり軸受２４は油圧により昇降可能な台座２６上に取り付けられている。シャフト２３のもう一方の端部は、電動回転機（図示せず）の回転軸２１と連結されており、電動回転機の回転によりシャフト２３が回転する。軸受試験は、シャフト２３を電動回転機によって回転させながら、台座２６を上昇させることで試験ジャーナル部２５とすべり軸受２４との摺動面に適当な面圧を与えて行う。

１２％Ｃｒ系耐熱鋼（１１％Ｃｒ−２．６％Ｗ−０．２％Ｍｏ−２．５％Ｃｏ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｎ−０．２％Ｖ−０．０５％Ｓｉ−０．１％Ｃ−０．１％Ｎｂ−０．０３％Ｎ−０．０２％Ｂ−残部Ｆｅ）製のシャフト２３の試験ジャーナル部２５に、以下に示す手順で低合金鋼被覆層５を形成した。

先ず、試験ジャーナル部２５に、図５に示すように、深さ３２が２ｍｍの開先加工を施した。開先加工の両端は傾斜角度３３が３０°の傾斜面とした。

これは、開先加工の端部で溶射被覆層と母材との間に欠陥が生じ、密着性が低下することを防止するためである。傾斜角度（傾斜面の勾配）３３は１５〜４５°が好ましい。なお、符号３１は軸径である。

次に、開先加工面を含む施工範囲の表面を脱脂洗浄後、アルミナグリッドを用いたブラスト処理によって粗面化した。その後、溶射粉末として低合金鋼粉末（１．３％Ｃｒ−０．５％Ｍｏ−残部Ｆｅ，粉末粒径：２５〜６３μｍ）を用い、ＴＡＦＡ社製ＪＰ５０００型ＨＶＯＦ装置にて、図６に示すように、開先加工の深さ３２よりも約１ｍｍ厚く、低合金鋼被覆層５を形成した。ここで、符号３１は軸径であり、符号３３は傾斜角度である。

溶射条件は、燃料（灯油）流量２３Ｌ／ｈｒ，酸素流量８７３Ｌ／ｈｒ，燃焼圧力０．７ＭＰａ，粉末供給量６０ｇ／分，バレル長１００ｍｍ（４インチ），溶射距離３８０ｍｍとした。これを、図２に示すように、ロータ１を回転させながら、摺動面３に対してほぼ平行に溶射ガン１０を移動させ、溶射ガン１０と施工面との相対速度が２００〜７５０ｍｍ／秒で溶射した。

なお、同様の溶射条件で、１２％Ｃｒ系耐熱鋼試験片に施工した低合金鋼被覆の断面組織を観察し、画像解析により欠陥率を求めたところ、約１０％であった。

また、ＪＩＳ Ｈ８４０２：２００４「溶射被膜の引張密着強さ試験方法」に準じて、引張密着強さを測定したところ、接着剤で破断したため測定値は得られなかったが、接着剤破断時の密着強さが約７０ＭＰａであったので、被覆層の密着強さは７０ＭＰａ以上であった。

溶射施工後、図７に示すように、被覆層施工部を所定の軸径３１となるように機械加工，研磨加工によって仕上げた。ここで、符号５は加工された低合金鋼被覆層であり、符号３２は開先加工の深さであり、符号３３は傾斜角度である。

このようにして、試験ジャーナル部２５に低合金鋼被覆層５を設けた１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフト２３を、図４に示した装置に組込み軸受試験を行った。

なお、比較のために、低合金鋼被覆層５を設けない１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフト、及び、従来の肉盛溶接シャフトについても試験を行った。

試験条件は、周速５０ｍ／秒，軸受荷重３０ｋｇ／ｃｍ^２の定常回転中に、軸受に給油している潤滑油中に１２５〜３００μｍの鉄粉を約１ｇ／分の割合で約１０分間投入し、強制的に軸受部に異物を混入させて、シャフト，軸受メタルの損傷を調べた。また、試験中の軸受メタル温度を測定した。異物投入により、シャフトと軸受メタル間で油膜切れが生じて潤滑が損なわれると、金属同士の摩擦熱で温度が上昇する。従って、軸受メタル温度の上昇が低いほど摺動性が良い。

試験中の軸受メタル温度変化を図８に示す。本発明の低合金鋼被覆層を設けた１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフトを用いた試験では、異物投入後、突発的な温度上昇が認められたが短時間で低下し、安定状態の温度は約８０℃であった。一方、低合金鋼被覆層を設けない１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフトを用いた試験では、異物投入後、連続的に温度が上昇し約２００℃で一定となった。また、従来の肉盛溶接シャフトを用いた試験では、異物投入後、しばらくは本発明の低合金鋼被覆層を設けた１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフトと同様に、突発的に温度上昇して短時間で低下するという挙動を示したが、試験後半で、低合金鋼被覆層を設けない１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフトと同様に連続的に温度上昇し、最終的には約２００℃に達した。

試験後のシャフトと軸受メタルの損傷状況を目視で観察した。その結果、本発明による低合金鋼被覆層を設けた１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフトでは、シャフトの摺動面に僅かに擦り傷が認められる程度で、ほとんど損傷は生じなかったが、軸受メタルは損傷した。

一方、低合金鋼被覆層を設けない１２％Ｃｒ系耐熱鋼シャフト、従来の肉盛溶接シャフトでは、シャフトの摺動面に細い筋状に削られた傷が幾筋も生じた。ワイヤーウール状の異物の発生も認められた。軸受メタルも激しく損傷した。

このように、本発明による低合金鋼被覆層を設けた１２％Ｃｒ系耐熱鋼ロータでは、低合金鋼被覆層を設けない場合に比べ、軸受特性を大幅に改善できることがわかった。さらに、従来の肉盛溶接シャフトに比べても、軸受特性に優れることがわかった。

図９に示す、１２％Ｃｒ系耐熱鋼（１１％Ｃｒ−２．６％Ｗ−０．２％Ｍｏ−２．５％Ｃｏ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｎ−０．２％Ｖ−０．０５％Ｓｉ−０．１％Ｃ−０．１％Ｎｂ−０．０３％Ｎ−０．０２％Ｂ−残部Ｆｅ）製タービンロータシャフト４８、高圧隔板４４、高圧動翼４５、高圧内部車室４６、高圧外部車室４７、主蒸気入口４９、蒸気排気口５０等から構成される高圧蒸気タービンの、タービンロータシャフト４８に設けられた第１軸受４１、第２軸受４２、推力軸受４３の摺動部に本発明の低合金鋼被覆を施した。

施工方法は実施例１と同様に、先ず、施工部に深さが３ｍｍの開先加工を施した。開先加工の両端は傾斜角度３３が３０°の傾斜面とした。次に、開先加工面を含む施工範囲の表面を脱脂洗浄後、アルミナグリッドを用いたブラスト処理によって粗面化した。その後、溶射粉末として低合金鋼粉末（１．３％Ｃｒ−０．５％Ｍｏ−残部Ｆｅ，粉末粒径：２５〜６３μｍ）を用い、ＴＡＦＡ社製ＪＰ５０００型ＨＶＯＦ装置にて、開先加工の深さよりも約１ｍｍ厚く、低合金鋼被覆層を形成した。

溶射条件は、燃料（灯油）流量２３Ｌ／ｈｒ，酸素流量８７３Ｌ／ｈｒ，燃焼圧力０．７ＭＰａ，粉末供給量６０ｇ／分，バレル長１００ｍｍ（４インチ），溶射距離３８０ｍｍとした。これを、タービンロータシャフト４８を回転させながら、施工面に対してほぼ平行に溶射ガンを移動させ、溶射ガンと施工面との相対速度が２００〜７５０ｍｍ／秒で溶射した。溶射施工後、被覆層施工部を所定の軸径となるように機械加工、研磨加工によって仕上げた。

このようにして、軸受摺動部に本発明の低合金鋼被覆層を形成したタービンロータシャフト４８を用いた高圧蒸気タービンを１年間運転後に点検したところ、タービンロータシャフト４８の軸受摺動部、および、軸受メタルともに健全であった。

本発明により、蒸気タービン用ロータを支持する軸受部の耐久性を向上させることができる。

Claims (4)

1. ９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータにおいて、前記ロータのジャーナル部の摺動面に、Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層を設けたことを特徴とする蒸気タービン用ロータ。
2. 前記Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層の厚さが０．５〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用ロータ。
3. 前記Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層は、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３〜１５％であり、かつ、前記Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層の密着強さが４０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至２記載の蒸気タービン用ロータ。
4. ９〜１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータの製造方法において、前記ロータのジャーナル部の摺動面に、Ｃｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなる被覆層を、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ）法にて形成し、その後、前記被覆層の表面を機械加工あるいは研磨加工して、所定の寸法及び表面粗さに加工することを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。

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