(57)【要約】【課題】強度、靱性および耐食性を損なうことなく、より安価に製造できる蒸気タービンの長翼およびそれを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る蒸気タービン長翼は、質量％で、Ｃ：０．０５５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３．８％以上４．５％以下、Ｃｒ：１５％以上１６％以下、Ｎｂ：０．１５％以上０．３５％以下、Ｃｕ：３％以上３．７％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式（１）：Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋２．５Ｔａ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ−Ｃｕで定義されるＣｒ当量が−３．３以下であるステンレス鋼から構成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０５５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３．８％以上４．５％以下、Ｃｒ：１５％以上１６％以下、Ｎｂ：０．１５％以上０．３５％以下、Ｃｕ：３％以上３．７％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式（１）：Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋２．５Ｔａ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ−Ｃｕで定義されるＣｒ当量が−３．３以下であるステンレス鋼から構成される蒸気タービン長翼。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービン長翼を備えている低圧蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンの長翼およびそれを備えた蒸気タービン、特に、低圧蒸気タービンの長翼およびそれを備えた低圧蒸気タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント、原子力発電プラントは蒸気タービンを用いて発電を行っている。この蒸気タービンのうちで、最も低温側に配置されるタービンは低圧蒸気タービンと呼ばれている。
【０００３】
低圧蒸気タービンは、タービンロータと動翼とを備えている。動翼は、稼働効率を高めるために長大化されている。長翼化あるいは長大化されたタービン動翼を長翼と呼ぶ。
【０００４】
低圧蒸気タービンの構成部材の材料には、例えば、特許文献１および特許文献２に記載のようなマルテンサイト系のステンレス鋼が用いられる。ステンレス鋼は、一般的に，約１１％以上のＣｒを含み，Ｃｒ＋Ｎｉが５０％以下である鋼とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−７７６６７号公報（請求項１）
【特許文献２】特開平８−１９９３１３号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
長翼は、自ら回転する部材であるため、強度が必要となる。特に、４０インチ（１０１６ｍｍ）を超える長い長翼では、長大化に伴い翼の自重が重くなる。そのため、運転時（例えば１８００ｒｐｍ）に長翼にかかる負荷も大きくなり、翼材にはこれに耐え得る強度および靱性が必要となる。
【０００７】
低圧蒸気タービンに備えられているタービンロータは、３５０℃以下の温度の蒸気で駆動されており、その下流側の温度は１００℃を下回ることになる。したがって、下流側における水蒸気は湿ったものとなり、タービンロータをはじめとする低圧蒸気タービンの構成部材は、腐食されやすい環境に曝されることになる。そのため、低圧蒸気タービンの構成部材には、耐食性が要求される。
【０００８】
上記理由から、低圧蒸気タービンの構成部材に用いることのできる材料は、特許文献１および特許文献２に記載のようなステンレス鋼などに限定される。ステンレス鋼に含まれるＣｒおよびＮｉは、耐食性を有している。
【０００９】
ステンレス鋼に含まれるＣｒは、フェライト生成元素である。そのため、Ｃｒが多く含まれるステンレス鋼には、δ−フェライトが生成される。δ−フェライトは、フェライトであるために機械的強度が低い。また、δ−フェライトを含む組織は、劈開割れを起こしやすい。そのため、δ−フェライトが生成されたステンレス鋼は、延性および靱性が低くなるという問題がある。δ−フェライトを生成させないように、Ｃｒの含有量を減らすと、構成部材の耐食性が低下する。
【００１０】
ステンレス鋼に含まれるＮｉは、オーステナイト生成元素である。よって、Ｃｒの含有量を減らす一方でＮｉの含有量を増加させて耐食性を維持することも考えられるが、Ｎｉは高価であるため、製造コストが高くなる。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、強度、靱性および耐食性を損なうことなく、より安価に製造できる蒸気タービンの長翼およびそれを備えた低圧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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の蒸気タービン長翼およびそれを備えた低圧蒸気タービンは以下の手段を採用する。
本発明は、質量％で、Ｃ：０．０５５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３．８％以上４．５％以下、Ｃｒ：１５％以上１６％以下、Ｎｂ：０．１５％以上０．３５％以下、Ｃｕ：３％以上３．７％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式（１）：Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋２．５Ｔａ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ−Ｃｕで定義されるＣｒ当量が−３．３以下であるステンレス鋼から構成される蒸気タービン長翼、およびそれを備えた低圧蒸気タービンを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
上記組成を満たし、且つ、式（１）のＣｒ当量が−３．３以下、好ましくは−４以下のステンレス鋼を用いることで、強度、靱性および耐食性を損なうことなく、より安価に製造できる蒸気タービンの長翼となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】低圧蒸気タービンの一例を示す側面図である。
【図２】各試験片に析出したδ−フェライト量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る蒸気タービン長翼の一実施形態について、図面を参照して説明する。
蒸気タービンは、ボイラから送られる蒸気を膨張させて速度エネルギーを生成する。該速度エネルギーを吸収することで、動翼が回転する。該動翼の回転によりタービンロータが回転し、該回転がコンプレッサーに伝達されて発電に利用される。
【００１６】
本発明は、低圧蒸気タービンに適用される。低圧蒸気タービンの一例を図１に示す。低圧蒸気タービン１は、タービンロータ２と動翼３とを備えている。動翼３は、タービンロータ２に設けられた翼溝部４に係合されている。
【００１７】
低圧蒸気タービン１は、３５０℃以下の温度の蒸気で駆動される。低圧蒸気タービン１の回転速度範囲は、１５００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下とされる。低圧蒸気タービン１において、下流側の蒸気温度は１００℃を下回る。
【００１８】
動翼３は、多段構成とされている。動翼３は、最終段で、蒸気の体積が最も大きくなる。そのため、最終段の動翼３は、特に長さの長いものとなる。本実施形態では、根元から先端までの翼長が１０１６ｍｍ以上（４０インチ以上）の動翼３を長翼と呼ぶ。長翼では、蒸気の相対流入角が、根元から先端にかけて大きく変化する。そのため、長翼はこの変化に対応するように大きなねじれが設けられていることが好ましい。
【００１９】
本実施形態に係る蒸気タービン長翼は、質量％で、Ｃ（炭素）：０．０５５％以下、Ｓｉ（ケイ素）：１％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．５％以下、Ｎｉ（ニッケル）：３．８％以上４．５％以下、Ｃｒ（クロム）：１５％以上１６％以下、Ｎｂ（ニオブ）：０．１５％以上０．３５％以下、Ｃｕ（銅）：３％以上３．７％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．０５％以下、Ｎ（窒素）：０．０５％以下、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物からなるステンレス鋼から構成される。本実施形態において、ステンレス鋼の組織は、マルテンサイトを呈する。
【００２０】
また、本実施形態に係る蒸気タービン長翼は、式（１）で定義されるＣｒ当量が−３．３以下、好ましくは−４以下、更に好ましくは−５以下とされる。
式（１）：Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋２．５Ｔａ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ−Ｃｕ
【００２１】
以下に、長翼を構成するステンレス鋼の各成分の含有量の設定根拠について説明する。
Ｃの機械的強度は、ＣｕとＮｉとの金属間化合物で得られるものである。そのため、長翼において、Ｃの含有量を多くする必要はない。長翼は耐食性が必要であることから、Ｃの含有量は低いほど良い。ただし、Ｃは、Ｃｒ当量を低く下げる作用があり、機械的強度向上にも寄与する。そのため、Ｃは、可能な範囲で長翼に含まれていることが好ましい。また、Ｃの含有量を下げることは、製造コストを引き上げることになるため、Ｃの含有量は、コストとのバランスを考慮する。
上記理由から、Ｃの含有量は、０．０５５質量％以下、好ましくは０．０４質量％以下とされる。
【００２２】
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素である。例えば、真空処理法を用いて脱酸する場合、Ｓｉがある程度含有されていないと、十分な脱酸効果が得られない。一方、Ｓｉは、フェライト生成元素であることから、式（１）のＣｒ当量を高める。Ｓｉが１質量％を超えて含有されると、著しくステンレス鋼を脆化させる要因となる。
上記理由から、Ｓｉの含有量は、１質量％以下、好ましくは０．５質量％以下とされる。
【００２３】
Ｍｎは、脱酸剤として作用する。Ｍｎは、不純物のＳと結合してＭｎＳとなり、Ｓの有害な影響を軽減できる。Ｍｎは、式（１）のクロム当量を低く下げる作用がある。ただし、Ｍｎを多く含有させすぎると、脆化の要因になる。
上記理由から、他の元素との関係もあるが、Ｍｎの含有量は、０．５質量％以下、好ましくは０．４質量％以下とされる。
【００２４】
Ｎｉは、本実施形態に係るステンレス鋼の主要な構成元素の１つである。Ｎｉは、Ｃｕとともにε相といわれる金属間化合物を形成する。該金属間化合物は、長翼の機械的強度を高める作用がある。Ｎｉを含有させることは、式（１）のＣｒ当量を低く下げて、δ−フェライトの生成を抑制できる。ただし、Ｎｉは高価であるため、必要以上に含有させることは、コストアップの要因となる。Ｎｉの含有量が３．８質量％未満では、長翼の十分な機械的強度が得られない。Ｎｉの含有量を４．５質量％より多くしても、コストアップに見合った効果が得られにくい。
上記理由から、Ｎｉの含有量は、３．８質量％以上４．５質量％以下、好ましくは４質量％以上４．４質量％以下とされる。
【００２５】
Ｃｕは、Ｎｉとともに金属間化合物（ε相）を形成する。該金属間化合物は、長翼の機械的強度向上に寄与する。Ｃｕは、オーステナイト生成元素であるため、δ−フェライトの生成を抑制できる。一方、Ｃｕを多く含有させすぎると、熱間鍛造性を低下させる。ただし、熱間鍛造性の低下は、Ｎｉを含有させることで防止できる。
上記理由から、Ｎｉの含有量との関係を考慮し、Ｃｕの含有量は、３質量％以上３．７質量％以下、好ましくは３．２質量％以上３．６質量％以下とされる。
【００２６】
Ｃｒは、本実施形態に係るステンレス鋼の主要な構成元素の１つである。Ｃｒは、長翼の耐食性向上に大きく寄与する。ただし、Ｃｒは、フェライト生成元素の代表元素であり、Ｃｒを多く含有させると、δ−フェライトの生成を助長する。このため、Ｃｒは、必要以上に含有させないことが好ましい。Ｃｒの含有量が１５質量％未満では、長翼の耐食性を十分に向上させることができない。Ｃｒの含有量が１６質量％を超えると、δ−フェライトの生成量が多くなる。
上記理由から、Ｃｒの含有量は、１５質量％以上１６質量％以下、好ましくは１５．１質量％以上１５．８質量％以下とされる。
【００２７】
Ｎｂは、Ｃと結合して微細なＮｂＣを形成する。微細なＮｂＣは、結晶粒の粗大化を防ぎ、長翼の機械的強度の向上に寄与できる。ただし、Ｎｂを含有させすぎると、初晶の粗大なＮｂＣが生成される。粗大なＮｂＣは、長翼の延性や靱性の低下の原因となる。
上記理由から、Ｎｂの含有量は、０．１５質量％以上０．３５質量％以下、好ましくは０．１６質量％以上０．２５質量％以下とされる。
【００２８】
Ｎは、Ｃとともにδ−フェライトの生成を抑制する効果がある。Ｎの含有量は、他の元素との兼ね合いで決まるが、Ｎの含有量が０．０５質量％を超えると、ガス欠陥の原因となりうる。
上記理由から、Ｎの含有量は、０．０５質量％以下、好ましくは０．０４５質量％以下とされる。
【００２９】
Ａｌは、脱酸剤として有効な元素であるが、アルミナとして鋼中に残る場合、欠陥として作用するため、残存するＡｌ量は少ないほど良い。
上記理由から、Ａｌの含有量は、０．０５質量％以下、好ましくは０．０２質量％以下とされる。
【００３０】
Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、およびＣｏ（コバルト）は、不可避的不純物である。
【００３１】
不可避的不純物は、意図せず混入した元素であり、０．１質量％以下程度で含有されるものを意味する。不可避的不純物は、上記に示した元素以外にＰ、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、およびＳ（硫黄）などがある。
【００３２】
次に、式（１）のＣｒ当量の設定根拠について説明する。
表１に示す組成の鋼（試験片１〜１０）をそれぞれ熱処理し、熱処理後の各試験片の組織を光学顕微鏡により観察した。各試験片には不可避的不純物が含まれているが、表１では省略する。
【００３３】
【表１】
2015113514.tif 000002
【００３４】
図２に、各試験片に析出したδ−フェライト量を示す。同図において、縦軸が試験片表面に析出したδ−フェライト量（面積％）、横軸が試験片のＣｒ当量である。
図２によれば、δ−フェライト量は、式（１）で定義されたＣｒ当量の減少に応じて、漸減した。Ｃｒ当量が−８程度で、限りなく０に近づくことが分かった。δ−フェライトの析出量は、０に近い方が望ましいが、工業的には１％以下、好ましくは０．７％以下を許容範囲とする。「工業的」とは、実務上無理のない範囲を意味する。
【００３５】
図２によれば、Ｃｒ当量を−３．３以下にすると、δ−フェライト量は１％以下となる。Ｃｒ当量が−４以下の試験片（試験片Ｎｏ．１〜８）で、δ−フェライト量は０．７％以下となった。
【００３６】
上記実施形態によれば、上記組成比を満たし、且つ、式（１）のＣｒ当量が−３．３以下、好ましくは−４以下、更に好ましくは−５以下のステンレス鋼を用いることで、高強度、高靱性および高耐食性を有し、かつ、従来よりも安価に製造できる蒸気タービンの長翼となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  低圧蒸気タービン
２  タービンロータ
３  動翼
４  翼溝部
【図１】
2015113514.tif 000003
【図２】
2015113514.tif 000004