(57)【要約】【課題】低圧最終段L−0段とそれより高圧側のL−1段を含む段翼のSCC感受性の低減とLCF寿命の向上の両方を実現すること。【解決手段】本発明に係る蒸気タービンロータは、低圧最終段L−0段のロータディスクと、該低圧最終段L−0段よりも高圧側に位置するL−1段を含む複数段のロータディスクとを溶接により接合して形成される蒸気タービンロータであって、前記低圧最終段L−0段のロータディスク材料および前記L−1段を含む複数段のロータディスク材料が共に12Cr鋼であり、かつ該ロータディスク材料の引張強さが900〜1200 MPaであることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧最終段L−0段のロータディスクと、該低圧最終段L−0段よりも高圧側に位置するL−1段を含む複数段のロータディスクとを溶接により接合して形成される蒸気タービンロータであって、
前記低圧最終段L−0段のロータディスク材料および前記L−1段を含む複数段のロータディスク材料が共に12Cr鋼であり、かつ該ロータディスク材料の引張強さが900〜1200 MPaであることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記低圧最終段L−0段および前記L−1段を含む複数段のロータディスクを構成する前記12Cr鋼が、8.0〜13質量％のCrを含む12Cr鋼であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記低圧最終段L−0段のロータディスク材料と、前記L−1段を含む複数段のロータディスク材料とが、同一材料であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記L−1段を含む複数段のロータディスクは、該L−1段よりも高圧側に位置するL−2段を含み、
前記蒸気タービンロータは、前記L−1段およびL−2段を含むロータディスクよりも高圧側に位置し、該L−1段およびL−2段を含むロータディスクと溶接により接合され、かつ複数段を構成するロータディスクを有し、
前記L−2段よりも高圧側に位置し複数段を構成するロータディスクの材料が、3.5％NiCrMoV鋼または1％CrMoV鋼であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項５】
請求項４に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記L−2段よりも高圧側に位置し複数段を構成するロータディスクの前記材料は、その引張強さが600〜750 MPaであることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記低圧最終段L−0段および該低圧最終段L−0段よりも高圧側に位置する少なくとも前記L−1段を含む複数段のロータディスクを構成する前記12Cr鋼が、0.10〜0.35質量％のCと、1.5〜4.0質量％のMoと、0.8〜3.2質量％のNiと、0.15〜0.3質量％のVと、0.1〜0.3質量％のNbと、0.04〜0.10質量％のNとを含むことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記低圧最終段L−0段のロータディスクと前記L−1段を含む複数段のロータディスクとの溶接は、TIG溶接、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接のいずれかにより行われていることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記蒸気タービンロータは、3600 rpm仕様の蒸気タービンロータであり、
前記低圧最終段L−0段の翼長が1250 mm以上であり、L−1段の翼長が700 mm以上であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービンロータに係り、特に、大型発電プラントやガスタービンとのコンバインド発電プラントに用いられる蒸気タービンに好適な蒸気タービンロータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、蒸気タービンにあっては、その低圧段（例えば、低圧最終段L−0段から高圧側のL−4段）は、湿り蒸気域や乾き蒸気と湿り蒸気の乾湿交番域であるために、タービンロータにとって腐食環境が厳しい条件にある。
【０００３】
一般に、蒸気タービンの低圧段ロータ材料には、機械的強度、靭性および大型鍛造性を考慮して3.5％Ni鋼や1％CrMoV鋼などの低合金鋼が採用されている。低合金鋼は必ずしも耐食性が高くないために、長期間使用したプラントでは、翼とロータ植込み部のすき間に腐食媒が堆積して、応力腐食割れ（以下、SCC（Stress Corrosion Cracking）という）が発生する場合があった。
【０００４】
また、低圧最終段L−0段では、翼長の長い翼（長翼）が採用されていることから、翼植込み部には、高い遠心応力が発生する。特に、コンバインド発電プラントに採用する場合には、起動停止に伴う遠心応力の変動・繰り返しにより、腐食環境中の低サイクル疲労寿命（以下、LCF（Low Cycle Fatigue）寿命という）が低下する場合があった。
【０００５】
蒸気タービンにおける低圧最終段L−0段に使用されるタービンロータの信頼性を高める技術として、例えば、特許文献１及び２に記載されたものがある。
【０００６】
特許文献１（特開2001−50002）には、低圧最終段L−0段のロータ材として、耐食性の高い12Cr鋼を採用することが記載されている。また、特許文献２（特開2006−307840）には、低圧最終段L−0段からL−2段のロータ材の降伏強さを高圧側ほど低下させることにより、SCCに対する感受性を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−５０００２号公報
【特許文献２】特開２００６−３０７８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、蒸気タービンの低圧タービンロータに関する従来の主な課題は、低圧最終段L−0段での腐食環境中のLCF寿命の向上と、低圧最終段L−0段からL−4段にかけてのSCC感受性の低減である。
【０００９】
一方、近年、低圧最終段L−0段の長翼化が進んでおり、例えば、3600 rpm回転で1250 mm以上の翼長の翼が採用される場合がある。そして、低圧最終段L−0段翼の長翼化に伴って、低圧最終段L−0段より高圧側のL−1段やL−2段においても長翼化が進展している。そのため、L−1段やL−2段では今まで余り問題にならなかった腐食環境中でのLCF寿命の向上が課題になってきている。
【００１０】
また、低圧最終段L−0段より高圧側のL−1段とL−2段では、低圧最終段L−0段よりも段温度が高いことからSCC感受性が高くなるため、SCC感受性の低減がより必要である。
【００１１】
しかしながら、上述した特許文献１及び２では、低圧最終段L−0段より高圧側のL−1段とL−2段のSCC感受性の低減とLCF寿命の向上の両方を実現するための適正な材料や機械的強度について、十分に明らかにされていない。
【００１２】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、低圧最終段L−0段とそれより高圧側のL−1段を含む段翼のSCC感受性の低減とLCF寿命の向上の両方を実現することができる蒸気タービンロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明の一つの態様によると、上記目的を達成するため、低圧最終段L−0段のロータディスクと、該低圧最終段L−0段よりも高圧側に位置するL−1段を含む複数段のロータディスクとを溶接により接合して形成される蒸気タービンロータであって、前記低圧最終段L−0段および前記L−1段を含む複数段のロータディスク材料が共に12Cr鋼であり、かつ該ロータディスク材料の引張強さが900〜1200 MPaであることを特徴とする蒸気タービンロータを提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低圧最終段L−0段とそれより高圧側のL−1段を含む段翼のSCC感受性の低減とLCF寿命の向上の両方を実現する蒸気タービンロータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気タービンロータの一例を示す概略構成図である。
【図２】12Cr鋼における引張強さと規格化LCF寿命との関係を示したグラフであり、該規格化LCF寿命は、同じひずみ範囲条件下での3.5％NiCrMoV鋼のLCF寿命で規格化したものである。
【図３】鋼材の引張強さと規格化局所応力との関係を示すグラフであり、該規格化局所応力は、弾性応力に換算した局所応力を低圧最終段L−0段に発生するタービンロータ材の局所応力で規格化したものである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る蒸気タービンロータの一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る蒸気タービンロータについて図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る蒸気タービンロータの一例を示す概略構成図である。図１に示した蒸気タービンロータは、ダブルフロー型の低圧蒸気タービンロータである。
【００１８】
該図に示す如く、本実施形態の蒸気タービンロータは、低圧最終段L−0段のロータディスク1（図１の区分B、F）と、この低圧最終段L−0段よりも１段高圧側に位置するL−1段およびL−2段を構成するロータディスク2（図１の区分C、E）と、L−1段およびL−2段よりも更に高圧側のL−3段、L−4段およびL−5段を構成するロータディスク3（図１の区分D）と、軸受部のロータディスク4（図１の区分A、G）から構成されている。これらの各ロータディスク1〜4は、TIG溶接、サブマージアーク溶接または被覆アーク溶接のいずれかの溶接により接合されている。
【００１９】
本実施形態における低圧最終段L−0段翼の翼長6は、回転数が3600 rpm仕様で1250 mm以上（好ましくは1270 mm）であり、L−1段翼の翼長は700 mm以上（好ましくは780 mm）、L−2段翼の翼長は300 mm以上（好ましくは360 mm）である。
【００２０】
そして、本実施形態では、低圧最終段L−0段のロータディスク1（図１の区分B、F）と、低圧最終段L−0段よりも高圧側に位置するL−1段およびL−2段を構成するロータディスク2（図１の区分C、E）のロータディスク材料として12Cr鋼を採用し、その引張強さを900 MPa以上1200 MPa以下としたものである。
【００２１】
本実施形態では、図１の区分BとF（低圧最終段L−0段のロータディスク1）および区分CとE（L−1段とL−2段を構成するロータディスク2）における引張強さを意図的に異ならせる必要はなく、引張強さが900〜1200 MPaの範囲にあれば、腐食LCFの長寿命化とSCC感受性を低減する効果が得られる。言い換えると、ロータディスク1とロータディスク2とを同一の材料で構成してもよい。
【００２２】
一方、本実施形態では、L−1段とL−2段を構成するロータディスク2（図１の区分C、E）よりも高圧側に位置するL−3段、L−4およびL−5段を構成するロータディスク3（図１の区分D）には、低合金鋼である3.5％NiCrMoV鋼を採用し、その引張強さは600〜750 MPaが好ましい。
【００２３】
また、軸受部のロータディスク4（区分A、G）には、1％CrMoV鋼を採用している。軸受部のロータディスク4に低合金鋼を採用しているのは、軸受との焼きつきやゴーリング損傷を低減するためである。
【００２４】
このような本実施形態の蒸気タービンロータ材の構成とすることにより、低圧最終段L−0段の翼長が1250 mm以上の厳しい遠心力の条件であっても、低圧最終段L−0段からL−5段までの全てに要求されるSCC感受性の低減を実現することができ、さらに、低圧最終段L−0段からL−2段において腐食環境中でのLCF寿命の向上を実現できる。
【００２５】
次に、本発明の効果を確認するために本発明者等が実施した試験を説明しながら、本発明の効果についてより具体的に説明する。
【００２６】
先ず、実機環境を模擬した腐食環境（純水、溶存酸素濃度150 ppb、pH＝8、温度50℃）中で、切欠き試験片を用いた低サイクル疲労試験を実施した。起動停止による遠心力の負荷除荷を模擬して、片振り波形（負荷周波数0.01 Hz）で試験を行った。試験片の材料としては、3.5％NiCrMoV鋼と引張強さが異なる３種類の12Cr鋼とを用いた。その試験結果を図２に示す。図２は、12Cr鋼における引張強さと規格化LCF寿命との関係を示したグラフであり、該規格化LCF寿命は、同じひずみ範囲条件下での3.5％NiCrMoV鋼のLCF寿命で規格化したものである。
【００２７】
図２に示すように、12Cr鋼は、その引張強さが約1100 MPaのときに、3.5％NiCrMoV鋼に対して最もLCF寿命の向上効果が現れることが分かった。また、引張強さが約800 MPaの12Cr鋼では、そのLCF寿命が3.5％NiCrMoV鋼のそれとほとんど変わらなかった。これは、引張強さが低いと切欠き底での塑性ひずみが増加して、その塑性ひずみによる寿命低下が支配的になり、12Cr鋼の耐食性向上効果が相殺されたためと考えられる。
【００２８】
一方、引張強さが約1400 MPaの12Cr鋼では、引張強さが1100 MPaのそれと比較してLCF寿命の向上効果が低下した。これは、高強度になるほど平均応力効果（切欠き材の片振り試験では、平均応力が正の値になる）が大きく現れることや、切欠き感受性が高いことが理由と推定される。
【００２９】
図３は、鋼材の引張強さと規格化局所応力との関係を示すグラフであり、該規格化局所応力は、弾性応力に換算した局所応力を低圧最終段L−0段に発生するタービンロータ材の局所応力で規格化したものである。図３は、12Cr鋼および3.5％NiCrMoV鋼における引張強さとSCCに対する限界応力との関係を示している。
【００３０】
図３に示すように、12Cr鋼および3.5％NiCrMoV鋼は、共に、引張強さが増加するとSCCに対する限界応力が低下することが分かる。12Cr鋼のSCC限界線の方が、3.5％NiCrMoV鋼のそれよりも横軸の高応力側に位置しており、SCC感受性が高いことが分かる。
【００３１】
また、図３に示すように、3.5％NiCrMoV鋼において、引張強さが約750 MPa以下となるように調整することにより、SCC限界線に対して十分な裕度を確保することができる。同様に12Cr鋼については、引張強さが1200 MPa以下となるように調整することにより、SCC限界線に対して十分な裕度を確保することができる。
【００３２】
上述の試験結果から、低圧最終段L−0段、L−1段およびL−2段のタービンロータ材料として、引張強さが900〜1200 MPaの12Cr鋼を採用することにより、図２で示したように、腐食環境中のLCF寿命を向上させることができ、図３に示すように、SCC限界応力に対して十分な裕度を確保できることが確認された。
【００３３】
言い換えると、タービンロータ材において、3.5％NiCrMoV鋼よりも腐食環境中のLCF寿命を向上させるには、単に12Cr鋼を採用するだけでは不十分であり、引張強さを900〜1200 MPaの範囲に調整した12Cr鋼を採用する必要があり、引張強さを約1100 MPaとすることが最も有効であることが分かった。
【００３４】
また、翼長が短いために遠心応力による腐食LCF寿命が余り問題にならないL−3段、L−4段およびL−5段では、主要な損傷要因であるSCCの感受性を低減するために、引張強さが600〜750 MPaの3.5％NiCrMoV鋼を採用するのが信頼性と経済性の観点から望ましい。
【００３５】
さらに、12Cr鋼は3.5％NiCrMoV鋼よりも高価であることから、このような材料構成として高価な12Cr鋼の採用を必要最小限にすることにより、タービンロータの特性を向上させながらコストへの影響を最小限に抑えることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、区分CとEにおいて、L−1段とL−2段とを具備する構成のロータディスクについて説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、区分C，Eのロータディスクが、L−1段のみからなるロータディスク、又はL−1段からL−3段やL−4段を含めた複数段の一体ロータディスクであっても、上記と同様の効果が得られるのは明らかである。
【００３７】
次に、本実施形態の低圧最終段L−0段〜L−2段に採用する12Cr鋼の適正な化学成分について説明する。
【００３８】
本実施形態の低圧最終段L−0段〜L−2段に採用する12Cr鋼の適正な化学成分は、質量比で、0.10％以上0.35%以下のC（炭素）と、1.5％以上4.0％以下のMo（モリブデン）と、0.8％以上3.2％以下のNi（ニッケル）と、0.15％以上0.3％以下のV（バナジウム）と、0.1％以上0.3％以下のNb（ニオブ）と、0.04％以上0.10％以下のN（窒素）とを含む。残部は、Fe（鉄）と不可避不純物とからなる。
【００３９】
C成分の含有率は、高い引張強さを得るために0.10質量％以上が必要である。C成分が過剰になると靭性および溶接性を低下させるので、C成分の含有率は0.35質量％以下にする。
【００４０】
Mo成分は、固溶強化および炭化物・窒化物析出強化作用によって機械的強度を高める作用がある。Mo成分の含有率は、1.5質量％未満では機械的強度の向上効果が不十分であり、4.0質量％超になるとδフェライト相生成の原因になるので1.5〜4.0質量％が好ましい。
【００４１】
なお、W（タングステン）およびCo（コバルト）もMoと同じ様な効果がある。そのため、より高強度化するために、合計含有率（MoとWとCoとの合計）が4.0質量％までは、それらを含有させることができる。
【００４２】
Ni成分は、低温靭性を高めると共に、δフェライト相生成の防止作用がある。この効果は、Ni成分の含有率が0.8質量％未満では不十分で、3.2質量％を越えると効果が飽和する。したがって、Ni成分の含有率は、0.8〜3.2％が好ましく、1.0〜3.0％がより好ましい。
【００４３】
V成分およびNb成分は、炭化物を析出して引張強さを高めると同時に靭性を向上させる効果がある。V成分の含有率が0.15質量％未満、Nb成分の含有率が0.1質量％未満であると、その効果が不十分である。一方、δフェライト相の生成を抑制する観点から、V成分の含有率は0.3質量％以下、Nb成分の含有率は0.3質量％以下が好ましい。したがって、V成分の含有率は、0.15〜0.3質量％が好ましく、0.20〜0.3質量％がより好ましい。また、Nb成分の含有率は、0.1〜0.3質量％が好ましく、0.12〜0.22質量％がより好ましい。
【００４４】
なお、Nb成分の代わりにTa（タンタル）成分を全く同様に添加できる。また、NbとTaとを複合添加する場合も、合計含有率（NbとTaとの合計）はNb単独添加の場合とで同様である。
【００４５】
N成分は、機械的強度の向上およびδフェライト相生成の防止作用がある。N成分の含有率が、0.04質量％未満ではその効果が十分でなく、0.10質量％を越えると靭性、溶接性を低下させる。したがって、N成分の含有率は、0.04〜0.10質量％が好ましい。
【００４６】
Cr成分は、耐食性と引張強さとを高める作用がある。Cr成分の含有率は、13質量％超になるとδフェライト相生成の原因になるが、8質量％未満になると耐食性が不十分になる。したがって、Cr成分の含有率は、8.0〜13質量％が好ましい。また、機械的強度の観点からCr成分の含有率は、10.5〜12.8質量％がより好ましい。
【００４７】
上記に加え、本発明で用いる12Cr鋼は、Si（ケイ素）、Mn（マンガン）が添加されていても良い。Si成分は脱酸剤として、Mn成分は脱硫・脱酸剤として、鋼の溶解の際にしばしば添加されるものであり、少量でも効果がある。
【００４８】
ただし、Si成分の過剰の添加は、疲労および靭性を低下させる有害なδフェライト相生成の原因になるので、Si成分の含有率は0.5質量％以下である必要があり、0.1質量％以下がより望ましい。なお、鋼の溶解をカーボン真空脱酸法やエレクトロスラグ再溶解法などによって行う場合、Si添加の必要がなく、Si無添加がよい。
【００４９】
Mn成分は、脱硫剤として有効であることに加えて、靭性を向上させる作用があるが、過剰添加すると靭性を低下させる。したがって、Mn成分の含有率は、0.33質量％以下が好ましい。また、靭性向上の観点から、Mn成分を添加した上で、0.30質量％以下がより好ましく、0.25質量％以下が更に好ましく、0.20質量％以下が最も好ましい。
【００５０】
さらに、次のような点を考慮することも重要である。P（リン）成分およびS（硫黄）成分の低減は、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましい。低温靭性向上の観点から、P成分の含有率は0.015質量％以下が好ましく、S成分の含有率も0.015質量％以下が好ましい。
【００５１】
同様に、Sb（アンチモン）成分、Sn（錫）成分およびAs（砒素）成分の低減も、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましい。現状製鋼技術レベルの観点から、Sb成分の含有率は0.0015質量％以下、Sn成分の含有率は0.01質量％以下、As成分の含有率は0.02質量％以下がそれぞれ好ましい。
【００５２】
なお、本実施形態において、タービンロータ部材同士の接合は、TIG溶接、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接のいずれかで行うことが好ましい。また、溶接後に、560〜580℃の熱処理を行って、タービンロータ全体の残留応力を十分に除去すると共に、逆変態オーステナイト相の生成を抑制しながら、ロータディスクは完全な焼戻しマルテンサイト相とし、低合金鋼ロータは焼戻しベイナイト相とすることが好ましい。
【００５３】
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る蒸気タービンロータの一例を示す概略構成図である。図４に示した蒸気タービンロータは、高圧段と低圧段とを一体化した高低圧一体ロータ構造の蒸気タービンロータである。このような高低圧一体ロータ構造の蒸気タービンロータは、コンバインド発電プラントで採用される場合が多い。
【００５４】
該図に示す如く、本実施形態の蒸気タービンロータは、低圧最終段L−0段のロータディスク10（図４の区分B）と、この低圧最終段L−0段よりも高圧側のL−1段およびL−2段のロータディスク11（図４の区分C）とに、900〜1200 MPaの引張強さを有する12Cr鋼が採用されている。また、L−3段および該L−3段より高圧段のロータディスク12（図４の区分D）は、材料として、低合金鋼である1％CrMoV鋼が採用され、その引張強度が600〜750 MPaに調整されている。
【００５５】
本実施形態では、区分Dを高低圧一体ロータで構成しているが、高圧段部分を12Cr鋼の耐熱鋼で形成すると、高温クリープ強度が向上する効果が得られる。また、軸受部のタービンロータ13（図４の区分A）には、軸受との焼付きやゴーリング損傷を低減するために低合金鋼の1％CrMoV鋼を採用することが好ましい。
【００５６】
このような本実施例のタービンロータの構成とすることにより、第１実施形態と同様に、低圧最終段L−0段からL−9段までの全てに要求されるSCC感受性の低減を実現することができ、さらに、低圧最終段L−0段からL−2段において腐食環境中でのLCF寿命の向上を実現できる。
【００５７】
なお、本実施形態では、区分Cにおいて、L−1段とL−2段とを具備する構成のロータディスクについて説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、区分Cのロータディスクが、L−1段のみからなるロータディスク、又はL−1段からL−3段やL−4段を含めた複数段のロータディスクであっても、上記と同様の効果が得られるのは明らかである。
【００５８】
上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
1，10…低圧最終段L−0段のロータディスク、
2，11…L−1段とL−2段のロータディスク、
3…L−3段、L−4段及びL−5段のロータディスク、
4，13…軸受部のロータディスク、
6…低圧最終段L−0段の翼長、
12…L−3段から高圧段のロータディスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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