(57)【要約】【課題】560℃以上でも耐酸化性に優れ、かつ、減圧雰囲気での施工を要さない蒸気タービンケーシングと、このケーシングを備えた560℃以上で運転可能な蒸気タービンを提供すること。【解決手段】蒸気タービンケーシングの表面層に50％以上のCrを含む一層又は二層からなる耐酸化性のコーティング層を有すること。コーティング層の厚さは、全体で100μm以下であること。コーティング層の気孔率は、0.05〜0.9％であること。コーティング層は、クロムCrの他にアルミニウムAlを含むこと。コーティング層は、クロムCrの他にニッケルNiを含むこと。ケーシングの基材は、鉄Feを主成分とし、少なくともクロムCr及びモリブデンMo及びバナジウムVを含有すること。【選択図】図１
2011001943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンケーシングの表面層に50％以上のクロムCrを含む一層又は二層からなる耐酸化性のコーティング層を有することを特徴とする蒸気タービンケーシング。
【請求項２】
請求項１に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記コーティング層の厚さは、全体で100μm以下である蒸気タービンケーシング。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記コーティング層の気孔率は、0.05〜0.9％である蒸気タービンケーシング。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかの請求項に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記コーティング層は、クロムCrの他にアルミニウムAlを含む蒸気タービンケーシング。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかの請求項に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記コーティング層は、クロムCrの他にニッケルNiを含む蒸気タービンケーシング。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかの請求項に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記ケーシングの基材は、鉄Feを主成分とし、少なくともクロムCr及びモリブデンMo及びバナジウムVを含有する蒸気タービンケーシング。
【請求項７】
請求項５に記載された蒸気タービンケーシングにおいて、
前記ケーシングの基材は、鉄Feを主成分とし、少なくともクロムCr及びモリブデンMo及びバナジウムVの他にホウ素Ｂを含有する蒸気タービンケーシング。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかの請求項に記載された蒸気タービンケーシングを備える蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐酸化性の表面処理を施した火力発電用の蒸気タービンケーシングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から、二酸化炭素の削減が課題となっている。火力発電分野において、石油や石炭などの化石燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素の排出量を抑制するには、発電効率の向上が有効である。プラントの発電効率を向上させるためには、主蒸気温度を上昇させることが必要であり、現在では主蒸気温度が600℃を超える蒸気タービンが実用化されている。
【０００３】
一般的に、蒸気温度が538℃〜566℃の場合には、ケーシングの材料としてCr−Mo−V鋼が使用されており、566℃〜600℃の場合には、12％Cr系の耐熱鋼が使用されている。また、熱伝導度が低く、熱膨張率が大きいオーステナイト鋼は、大型部材であるケーシングには適さない。これらの材料は、主に高温における強度と耐酸化性により使用温度範囲が決まるが、例えば550℃以上の温度でCr−Mo−V鋼を表面処理せずに使用した場合、耐酸化性が不足しているため、酸化スケールが生成し、運転・停止の熱サイクルによってスケールが剥離する。
【０００４】
耐酸化性は、鋼中に含まれるCr量に依存し、一般に高温水蒸気環境で耐酸化性の保護皮膜を形成するのに必要なCrの含有量は、25重量％以上であるといわれている。そこで鋼表面にCrのコーティングを施すことが耐酸化性の向上に有効であり、これまでに様々な施工方法が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、クロムメッキ後に真空又は非酸化雰囲気中で拡散処理を施すことにより、ボイラチューブ等の表面に耐高温酸化性の表面層を形成する方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、ニッケル溶射した後にクロムを拡散浸透処理することにより、ボイラチューブ等の表面にニッケル、クロム富化層を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−１９４１７０号公報
【特許文献２】特開昭５８−１７７４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
蒸気タービンケーシングは大型部材であるため、メッキや化成処理による表面処理は適さない。また、Crの拡散浸透処理は、1000℃程度での熱処理が必要であり、基材の応力除去焼鈍温度である680℃よりも高温であるため、強度が低下する。このため、強度の低下を防ぐための後熱処理が必要となり、高コストとなる。
【０００９】
溶射によりCr又は合金コーティングを形成する場合、大気中での溶射では、形成中にコーティング層中の約5％以上のCrが酸化し、高速フレーム溶射でも約3％以上のCrが酸化してしまうため、コーティング層に酸化物を含有する結果となって、耐酸化性が十分な状態には達しない。
【００１０】
減圧下、すなわち酸素分圧が低い状態下での溶射では、成膜中のCrの酸化は約1％以下とすることができるが、蒸気タービンケーシングは大型部材であるために、減圧雰囲気での施工には非常にコストがかかる。
【００１１】
上記のように、従来の技術には、耐酸化性の向上とコストカットの要請の両方を同時に満足することができないという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記の問題点の解決を図ってなされたものであり、560℃以上でも耐酸化性に優れ、かつ、減圧雰囲気での施工を要さない蒸気タービンケーシングと、このケーシングを備えた560℃以上で運転可能な蒸気タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明の蒸気タービンケーシングは、その表面層に50％以上のクロムCrを含む一層又は二層からなる耐酸化性のコーティング層を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の蒸気タービンケーシングは、更に、コーティング層の厚さは、全体で100μm以下であること、コーティング層の気孔率は、0.05〜0.9％であること、コーティング層は、クロムCrの他にアルミニウムAlを含むこと、コーティング層は、クロムCrの他にニッケルNiを含むこと、ケーシングの基材は、鉄Feを主成分とし、少なくともクロムCr及びモリブデンMo及びバナジウムVを含有することを備える。
本発明の蒸気タービンは、上記の蒸気タービンケーシングを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、560℃以上でも耐酸化性に優れ、かつ、減圧雰囲気での施工を要さない蒸気タービンケーシングを提供すると共に、560℃以上で運転可能な蒸気タービンを提供するので、蒸気発電プラントの主蒸気温度を上昇させることが可能となり、発電効率の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】表１に示す基材及び本発明におけるコーティング層を有するケーシング材の酸化試験後の重量変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
蒸気タービンプラントにおける作動媒体である蒸気の高温高圧化に伴って、ケーシング材料の耐酸化性が一層重要になっており、この観点からケーシングの基材はCr−Mo−V鋼が、必要な強度、延性、靭性、加工性も備える上で好ましい。
【００１８】
合金の耐酸化性は、Crの含有量に依存するが、Cr−Mo−V鋼等の低合金鋼におけるCr含有量は、0.5〜2.0重量％程度である。この下限値は、耐酸化性を維持する見地から決まり、この上限値は強度を維持する見地から決まる。また、Cr−Mo−V鋼は、蒸気温度の上昇に伴って、高強度化の改良が行われきており、従来、566℃の蒸気温度が使用限界であったところ、Ｂを添加することにより、580℃での使用が可能となるまでに高強度化されてきている。
【００１９】
そこで、本発明に係る蒸気タービンケーシングの基材として、Cr−Mo−V鋼を用いることが好ましい。このCr−Mo−V鋼は、0.5〜2.0重量％のCrと、0.8〜1.5重量％のMoと、0.1〜0.4重量％のVと、0.0005〜0.01重量％のＢを含み、その他の元素として、0.05〜0.25重量％のC、0.15〜1.1重量％のMn、0.1〜0.8重量％のSi、0.5重量％以下のNi、0.02〜0.15重量％のTi、0.4重量％以下のCu、0.1重量％以下のAlを含んでいてもよい。
【００２０】
上記の蒸気タービンケーシングの表面に、Crを含む耐酸化性のコーティング層を設けるが、0.5〜2.0重量％のCr含有量では、550℃であっても酸化スケールが生成し、運転・停止の熱サイクルによって、このスケールが剥離する。12Cr鋼の基材を用いると耐用温度は600℃まで上昇するが、蒸気タービンケーシングは大型部材であるのでコストがかかる。
そこで、本発明では、ケーシングの内側表面の高温蒸気と直接接触する部分の近傍のみに、Crを含むコーティング層を設けて耐酸化性を向上させることにより、580℃以上でも使用可能なケーシングを提供する。高温蒸気に曝される表面層（最外層）には、Crが50％以上含まれるものであれば、一層でも二層でもよい。また、コーティング層にはその他Al、Niが含まれてもよい。一例として、基材の表面上の下部層としてNiをコールドスプレーにより成膜した後、表面層としてCrをさらにコールドスプレーにより成膜してもよい。ただし、コーティング層の厚さは、剥離を起こしにくくする見地から、全体で100μm以下であり、また、コーティング層の気孔率は、耐酸化性の観点から、0.05〜0.9％であることが好ましい。
【００２１】
ここで、コーティング層の気孔率は、コーティングの断面における気孔の面積率のことであり、次式で表される。気孔率は、小さい方が耐酸化性が向上する。
気孔率（％）＝（気孔の面積／コーティング層の面積）×100  ・・・・（１）
【００２２】
このコーティング層の形成は、コールドスプレーにより可能となる。コールドスプレーは、材料粉末の融点よりも低い温度の超音速流のガスを用いて、材料粒子を加速させ、固相状態で衝突させることにより成膜する方法である。コールドスプレーによる成膜では、溶射によるものよりも気孔率が低く（緻密で）、かつ数十μｍ程度のコーティング層を得ることができる。本発明では、Crの粉末を用いることにより、前記のコーティング層が得られ、実機運転中にはコーティング層の表面に緻密なCr２O３を形成することにより基材の酸化が防止できる。
【００２３】
本発明により、560℃以上で使用可能な耐酸化性に優れた蒸気タービンケーシング及び前記ケーシングを備えた560℃以上で運転する蒸気タービンを提供することが可能となった。
【００２４】
本発明の実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
図１は、本発明の蒸気タービンケーシングを高圧内部ケーシング18として適用した蒸気タービンプラントの一例を示す。ボイラより供給された566℃の蒸気は、主蒸気配管28を通過して、高圧内部ケーシング18内に導かれる。蒸気はノズル38を通過した後、高圧静翼15により蒸気の流れる方向が変えられると同時に圧力差により蒸気の流れる速度が増加する。複数の高圧静翼が置かれた間に、それぞれ置かれた高圧動翼16は、蒸気エネルギーを受けて、ロータ33を回転させる回転エネルギーに変換し、ロータ33に結合された発電機により電力に変換する。
【００２５】
［実施例１］
実施例１に係る蒸気タービンケーシングに用いられるCr−Mo−V鋼の化学組成を、表１に示す。
【表１】
2011001943.tif 000003
【００２６】
上記組成の板材を100×100×5mmの試験片に加工し、コールドスプレーによりコーティング層を施した。粉末は平均粒径約10μmの粉砕Crを用い、成膜条件として、基材−ノズル間距離は5mm、圧力は3MPa、移動速度50mm/s、動作ガスには窒素ガスN２を使用した。また、動作ガスにはヘリウムHeを使用することもできる。
【００２７】
成膜後のコーティング層の断面を観察した結果、コーティング層の厚さは、80μm、気孔率は0.4％であり、非常に緻密な組織であった。
【００２８】
コーティング層を施した試験片を用いて、600℃の大気中で1000時間までの酸化試験を実施した。試験結果を図２に示す。
図２は、コーティング層を施した試験片の時間に対する重量変化を示す。比較のため、表１のCr−Mo−V鋼の試験片を用いた結果も図２に示す。Cr−Mo−V鋼については、100時間後には酸化スケールが全面剥離したが、この剥離したスケールも重量に含めて図２に示した。一方、コーティングを施した試験片については、両者ともほぼ重量変化が見られず、本発明のコーティング層を施すことにより、高い耐酸化性を有することが確認された。
【００２９】
［実施例２］
実施例２においても、実施例１が用いた表１に示した組成の100×100×5mmの試験片を用いた。この試験片に対して、アンダーコートにNi、トップコートにCrからなる二層コーティングをコールドスプレーにより施工した。
【００３０】
下部層であるアンダーコートのNi粉末は、化学還元法により製造した平均粒径が約15μmの純Niを使用した。主な成膜条件として、基材−ノズル間距離は10mm、移動速度は50mm/s、動作ガスにはHeを使用し、圧力は2MPaで施工した。その後、トップコートであるCrを実施例１と同じ条件で施工した。
【００３１】
NiとCrの二層コーティングを施した試験片の結果についても図２に示す。二層コーティングを施工した試験片についても、ほぼ重量変化が見られず、本発明のコーティング層を施すことにより、高い耐酸化性を有することが確認された。
【００３２】
以上の試験より、実施例１におけるCrのコーティングが一層であっても十分な耐酸化性を有することが示されたが、例えば起動・停止に伴う熱履歴により、また、飛散物の衝突によりコーティングが部分的に剥離するような場合には、基材のCrでは耐酸化性が不足し、剥離部分から基材が酸化することになる。そこで、アンダーコートを用いて二層構造にした実施例２のものが、耐酸化性を長時間維持する上で有効である。
【００３３】
アンダーコート（ボンドコート）としては、基材の強度を損なわず、かつトップコートと基材の両者との密着性が高いことが好ましい。すなわち、基材とトップコートのそれぞれの熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する材料がよく、実施例２では、Niがこれに相当する。
【００３４】
また、例えば50%Ni-50%Crのコーティングをトップコートとして施工した場合にも、剥離しないようにアンダーコートを施工することは有効である。
【符号の説明】
【００３５】
14  中圧静翼、15  高圧静翼、16  高圧動翼、17  中圧動翼、18  高圧内部ケーシング、19  高圧外部ケーシング、20,21  中圧内部車室、22  中圧外部車室、25  フランジ及びエルボ、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
【図１】
2011001943.tif 000004
【図２】
2011001943.tif 000005