(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２５、Ｓｉ：０．０１〜１．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２３、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１．１５〜３．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：２０〜２３、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．０１〜１．５、Ｔｉ：０．０１〜０．６、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＦｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１〜３、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｏ：１以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ｂ：０．００１〜０．００６、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ａｌ：０．０５以下、Ｔｉ：０．０５以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２５、Ｓｉ：０．０１〜１．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２３、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１．１５〜３．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項６】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：２０〜２３、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．０１〜１．５、Ｔｉ：０．０１〜０．６、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＦｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項７】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１〜３、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｏ：１以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項８】
内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、
前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、
前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管と
を備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
前記外部ケーシングが、
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、
前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、
それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ｂ：０．００１〜０．００６、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ａｌ：０．０５以下、Ｔｉ：０．０５以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、
前記放射熱遮蔽管が、
重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
前記冷却用蒸気が、蒸気タービンの排気蒸気であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記冷却用蒸気が、蒸気タービンの途中段落から抽出した蒸気であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の蒸気が作動流体として流入する蒸気タービンの蒸気入口部に係り、特に各構成部分が好適な耐熱鋼で構成された蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電システムにおいて、オイルショック以来、省エネルギ化が強力に推進されており、更に近年は、地球環境保護の観点からＣＯ２の排出量抑制技術が注目されている。これらの一環として、プラントの高効率化のニーズは高まる一方である。
【０００３】
蒸気タービンの発電効率を上げるためには、タービン蒸気温度を高温化することが非常に有効であり、近年の蒸気タービン火力発電プラントにおいて、その蒸気温度は６００℃以上にまで上昇している。将来的には、蒸気温度は６５０℃、さらには７００℃へと上昇する傾向がみられる。
【０００４】
６５０℃を超える高温蒸気を作動流体とする蒸気タービンにおいては、タービンの各部位に従来と同じ材料を使用した場合には、蒸気タービンが６５０℃を超える高温蒸気に耐えることができず、この高温蒸気が触れる部位には耐熱材料を適用したり、この部位を冷却したりする必要がある。さらに、この高温の蒸気を蒸気タービンへ導入するタービン入口部において、タービンケーシングと蒸気配管を接合する必要があるが、これらの部位においては、タービンケーシングと蒸気配管とがそれぞれ異なる材料で構成される場合がある。この場合において、タービンケーシングと蒸気配管とを構成する材料として線膨張係数の差が大きいものを選択すると、蒸気温度の上昇に伴い材料の溶接部において大きな熱応力が発生するという問題が生じる。
【０００５】
ここで、従来の６００℃級蒸気タービンでは、蒸気タービンの外部ケーシングの材料として、例えば、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼や、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下に抑制された耐熱鋳鋼などが使用されていた。また、配管材料として、例えば、Ｃ：０．０８〜０．１２、Ｓｉ：０．２〜０．５、Ｍｎ：０．３〜０．６、Ｃｒ：８．０〜９．５、Ｍｏ：０．８５〜１．０５、Ｖ：０．１８〜０．２５、Ｎｂ：０．０６〜０．１０、Ｎ：０．０３〜０．０７を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１以下、Ａｌ：０．０４以下に抑制された耐熱鋼などが使用されていた。そして、これらの外部ケーシングの材料と配管材料とを接合して、蒸気タービンの蒸気入口部が構成されていた。なお、この配管材料は、発電用火力設備の技術基準の解釈別表１に記載される火ＳＴＰＡ２８などに相当する材料である。
【０００６】
上記した溶接部における大きな熱応力の発生を抑制し、蒸気配管とタービンケーシングとの溶接部の強度確保と高温酸化防止を図るためには、それぞれの熱膨張係数の差が小さい材料をタービンケーシングと蒸気配管に適用するか、または低温蒸気により溶接部周辺を冷却して材料温度を下げることが一般的な対応である（例えば、特許文献１〜５参照。）。
【０００７】
例えば、溶接部周辺を冷却して材料温度を下げる対応を採用した従来の蒸気タービンとして、５９３℃級の蒸気が流入する蒸気タービンにおいて、蒸気入口部に冷却蒸気を流すことで低Ｃｒ鋼の採用を可能にしている（例えば、特許文献１参照。）。また、冷却蒸気をスワール流れとすることで、冷却効果を高める技術も開示されている（例えば、特許文献４−５参照。）。
【特許文献１】特開平８−２７７７０３号公報
【特許文献２】特開平６−１３７１１０号公報
【特許文献３】特開平９−３２５０６号公報
【特許文献４】特開平１１−２２９８１７号公報
【特許文献５】特開２００１−６５３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
今後、火力発電システムに設備される蒸気タービンにおいて、高い発電効率を得るために、主蒸気、再熱蒸気の温度ともにさらに上昇する傾向にあると予想される。例えば、蒸気温度が６５０℃を超える蒸気タービンを実現するためには、蒸気タービンの各部位に従来と同じ材料を使用したのでは、蒸気タービンが高温蒸気に耐えることができない。従って、蒸気タービン材料としてＮｉ基合金やオーステナイト系材料などの耐熱材料を採用することが賢明ではあるが、蒸気タービンの全ての構成部位に、これらの耐熱材料を適用すると、製作コストの増加を招く。さらに、タービンケーシングやタービンロータなどの大型品をこれらの耐熱材料で一体製作することは難しい。
【０００９】
これらのことから、耐熱材料の適用範囲は必要最小限に抑えることが望ましく、蒸気タービン構成部位のうち６５０℃以上の高温蒸気に晒される部位のみに耐熱材料を適用し、それ以外の部分には従来材を適用して、両者を接合する方策が挙げられる。そこで、高温蒸気を蒸気タービンに導く蒸気入口部においては、蒸気配管材料にＮｉ基合金を採用し、他の部位については極力従来材料を使用する方策を採ることができる。しかしながら、この方策を採用した場合、蒸気配管材料と他の部位の材料との線膨張係数の差が大きいと、メタル温度上昇に伴ってその溶接部分に大きな熱応力が発生するという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、６５０℃級を超える蒸気タービンにおいても、蒸気入口部の強度を確保することができるとともに、高温酸化を防止することができる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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２５、Ｓｉ：０．０１〜１．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２３、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１．１５〜３．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：２０〜２３、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．０１〜１．５、Ｔｉ：０．０１〜０．６、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＦｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１〜３、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｏ：１以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ｂ：０．００１〜０．００６、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ａｌ：０．０５以下、Ｔｉ：０．０５以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２５、Ｓｉ：０．０１〜１．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２３、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１．１５〜３．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：２０〜２３、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．０１〜１．５、Ｔｉ：０．０１〜０．６、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうちＦｅ：５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｕ：０．５以下である耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１〜３、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ｃｏ：１以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の蒸気タービンは、内部ケーシングと外部ケーシングを貫通して配設され、ノズルボックスに連接された内部蒸気管と、前記外部ケーシングと溶接接合され、前記内部蒸気管の外側に所定の間隔をおいて前記内部蒸気管に沿って配設された外部蒸気管と、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間で、少なくとも前記外部蒸気管の溶接部に対向するように前記内部蒸気管に沿って配設された放射熱遮蔽管とを備え、前記内部蒸気管と前記外部蒸気管との間に冷却用蒸気を流通させる、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記外部ケーシングが、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２以下、Ｓ：０．０１２以下、Ａｌ：０．０１以下、Ｎｉ：０．５以下、Ｃｕ：０．３５以下である耐熱鋳鋼で構成され、前記内部ケーシング、前記内部蒸気管および前記外部蒸気管が、それぞれ重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ｂ：０．００１〜０．００６、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：５以下、Ｃｕ：０．５以下、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．０１５以下、Ａｌ：０．０５以下、Ｔｉ：０．０５以下であり、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼で構成され、前記放射熱遮蔽管が、重量％で、Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０４５以下、Ｓ：０．０３以下である耐熱鋼で構成されたことを特徴とする。
【００１９】
上記したこれらの蒸気タービンによれば、６５０℃以上の高温蒸気を蒸気タービンに導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。また、放射熱遮蔽管を設けることによって、内部蒸気管からの放射熱によって直接、溶接部が加熱されるのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の蒸気タービンによれば、６５０℃級を超える蒸気タービンにおいても、蒸気入口部の強度を確保することができるとともに、高温酸化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０の概要を図１〜図３を参照して説明する。
【００２３】
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０の概要を模式的に示した図である。図２は、超高圧タービン１００の上半ケーシング部における断面を示した図である。図３は、超高圧タービン１００におけるタービン蒸気入口部の断面を示した図である。図４は、図２に示した冷却用蒸気の導入方法とは異なる冷却用蒸気の導入方法を備えた超高圧タービン１００の上半ケーシング部における断面を示した図である。
【００２４】
蒸気タービン発電システム１０は、超高圧タービン１００、高圧タービン２００、中圧タービン３００、低圧タービン４００、発電機５００、復水器６００、ボイラ７００から主に構成されている。
【００２５】
続いて、蒸気タービン発電システム１０における蒸気の動作について説明する。
【００２６】
ボイラ７００で６５０℃以上の温度に加熱されて流出する蒸気は、主蒸気管２０を通り超高圧タービン１００に流入する。超高圧タービン１００の動翼を例えば７段落で構成するとすれば、この蒸気は、超高圧タービン１００で膨張仕事を行った後、第７段落出口から排気され、低温再熱管２１を通りボイラ７００に流入する。このボイラ７００は、流入した蒸気を再熱し、再熱された蒸気は、高温再熱管２２を経て高圧タービン２００に流入する。
【００２７】
高圧タービン２００の動翼を例えば７段落で構成するとすれば、この高圧タービン２００に流入した蒸気は、高圧タービン２００で膨張仕事を行った後、第７段落出口から排気され、低温再熱管２３を通りボイラ７００に流入する。ボイラ７００は、流入した蒸気を再熱し、再熱された蒸気は、高温再熱管２４を経て中圧タービン３００に流入する。
【００２８】
中圧タービン３００の動翼を例えば７段落で構成するとすれば、この中圧タービン３００に流入した蒸気は、中圧タービン３００で膨張仕事を行った後、第７段落出口から排気され、クロスオーバ管２５を通り、低圧タービン４００に供給される。
【００２９】
この低圧タービン４００に供給された蒸気は、膨張仕事をしたのち復水器６００で復水され、ボイラ給水ポンプ２６で昇圧されてボイラ７００に還流される。ボイラ７００に還流された復水は、加熱され６５０℃以上の高温蒸気となり、再び主蒸気管２０を経て、超高圧タービン１００に供給される。なお、発電機５００は、各蒸気タービンの膨張仕事によって回転駆動され発電する。また、ここでは、低圧タービン４００として、同じ構造を有する２基の低圧タービン部がタンデム結合された構成を示したがこれに限られるものではない。
【００３０】
次に、図２および図３を参照して、本発明に係る一実施の形態の蒸気タービン構造を備える超高圧タービン１００の構成について説明する。
【００３１】
図２に示すように、超高圧タービン１００は、内部ケーシング１１０とその外側に設けられた外部ケーシング１１１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング１１０内にタービンロータ１１２が貫設されている。また、内部ケーシング１１０の内側面には、例えば７段落のノズル１１３が配設され、タービンロータ１１２には、動翼１１４が植設されている。さらに、超高圧タービン１００には、内部蒸気管１２０が、外部ケーシング１１１および内部ケーシング１１０を貫通して設けられ、さらに内部蒸気管１２０の端部が、動翼１１４側に向けて蒸気を導出するノズルボックス１１５に連通して接続されている。
【００３２】
また、図３に示すように、外部蒸気管１３０は、上端が内部蒸気管１２０に溶接接合され、下端が外部ケーシング１１１に溶接接合され、内部蒸気管１２０の外側に所定の間隔をおいて内部蒸気管１２０に沿って配設されている。また、内部蒸気管１２０と外部蒸気管１３０との間には、内部蒸気管１２０に沿って放射熱遮蔽管１４０が配設されている。この放射熱遮蔽管１４０は、一端側が内部蒸気管１２０の外周面に固定され、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０に接触しないように、それぞれの蒸気管と所定の間隔をおいて配設されている。また、放射熱遮蔽管１４０は、少なくとも外部蒸気管１３０と外部ケーシング１１１との溶接部１５０に対向するように内部蒸気管１２０に沿って配設されている。
【００３３】
なお、放射熱遮蔽管１４０は、内部蒸気管１２０からの放射熱が直接、外部蒸気管１３０に伝わり、その熱によって溶接部１５０が加熱されるのを抑制するために設けられている。この放射熱遮蔽管１４０の長さは、外部蒸気管１３０の長さと同程度に構成されることが好ましい。これによって、溶接部１５０の位置によらず、内部蒸気管１２０からの放射熱が直接、溶接部１５０に伝わるのを防止することができる。また、外部蒸気管１３０の上部には、外部蒸気管１３０と内部蒸気管１２０との間に導入される冷却用蒸気１６０を排出する冷却用蒸気排出口１７０が設けられている。
【００３４】
また、この超高圧タービン１００には、膨張仕事を行った後の蒸気の一部を、冷却用蒸気１６０として、内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間に導入して外部ケーシング１１１を冷却する外部ケーシング冷却手段が設けられ、その冷却用蒸気１６０の一部が外部蒸気管１３０と内部蒸気管１２０との間に導入される。
【００３５】
続いて、超高圧タービン１００における蒸気の動作について説明する。
【００３６】
内部蒸気管１２０を経て、超高圧タービン１００内のノズルボックス１１５内に流入した温度が６５０℃以上の蒸気は、内部ケーシング１１０に固定されたノズル１１３とタービンロータ１１２に植設された動翼１１４との間の蒸気通路を通り、タービンロータ１１２を回転させる。タービンロータ１１２には、回転による強大な遠心力の影響で各部に大きな力がかかる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、低温再熱管２１を通りボイラ７００に流入する。
【００３７】
一方、膨張仕事をした蒸気の一部は、冷却用蒸気１６０として内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間に導かれ、外部ケーシング１１１を冷却し、グランド部または膨張仕事をした蒸気の大部分が排気される排気経路から排気される。また、温度が５００℃前後の冷却用蒸気１６０の一部は、外部蒸気管１３０と内部蒸気管１２０との間に導入され、放射熱遮蔽管１４０からの熱を熱伝達により受熱して放射熱遮蔽管１４０を冷却するとともに、外部ケーシング１１１や溶接部１５０も冷却する。放射熱遮蔽管１４０を冷却した冷却用蒸気１６０は、冷却用蒸気排出口１７０から排出される。上記した放射熱遮蔽管１４０や冷却用蒸気１６０によって、外部ケーシング１１１や外部蒸気管１３０の表面温度が６００℃以下に維持される。ここで、冷却用蒸気１６０を内部蒸気管１２０と放射熱遮蔽管１４０と間に流入可能とし、放射熱遮蔽管１４０を冷却するとともに、内部蒸気管１２０を冷却するように構成してもよい。
【００３８】
また、上記した超高圧タービン１００では、冷却用蒸気１６０を膨張仕事をした排気される蒸気の一部を使用する一例を示したが、冷却用蒸気１６０の導入方法はこれに限られるものではない。例えば、図４に示すように、超高圧タービン１００の途中段落１８０から抽出した蒸気を冷却用蒸気１６０として使用してもよい。
【００３９】
例えば、超高圧タービン１００の場合、超高圧タービン１００から排気される蒸気の温度を５００℃前後に想定しているが、この排気される蒸気の温度が４００℃程度まで低くなった場合には、冷却過多が起こり材料の寿命に影響する恐れがある。しかしながら、上記したような超高圧タービン１００の途中段落１８０から冷却用蒸気１６０を抽出する構成を備えることで、適切な温度の冷却用蒸気１６０を使用することが可能になる。
【００４０】
ここで、冷却用蒸気１６０による冷却手段を設けずに、６５０℃〜７００℃程度の高温蒸気に、外部ケーシング１１１、外部蒸気管１３０が晒されたとすると、それらを構成する後述する材料の線膨張係数がそれぞれ、約１２．７×１０−６／℃、約１８．５×１０−６／℃となり、それらの接合部の線膨張係数は、その中間程度の数値になる。これを外部ケーシング冷却手段により外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０を６００℃程度まで冷却すれば、外部ケーシング１１１を構成する材料の線膨張係数は、約１２．５×１０−６／℃、外部蒸気管１３０を構成する材料の線膨張係数は、約１４．５×１０−６／℃となり、それぞれの材料および接合箇所において設計上十分な溶接継手強度を確保することができる。
【００４１】
なお、従来の蒸気タービンにおいては、蒸気温度は６００℃以下であったため、蒸気配管には、例えば９Ｃｒ配管が用いられ、この蒸気配管は、１２Ｃｒなどによって構成されたケーシングに接合されていた。しかしながら、蒸気温度が６５０℃〜７００℃では、蒸気配管として９Ｃｒ配管を用いることはできないので、本発明では、蒸気入口部を後述する耐熱鋼を用いた内部蒸気管１２０と外部蒸気管１３０との二重構造にし、放射熱遮蔽管１４０や冷却用蒸気１６０による冷却手段を備えた、従来の蒸気タービンの蒸気入口部の構成とは異なる構成を採用して、外部蒸気管１３０と外部ケーシング１１１との接合部の溶接継手強度を確保している。
【００４２】
次に、超高圧タービン１００を構成する、内部ケーシング１１０、外部ケーシング１１１、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０、外部蒸気管１３０および放射熱遮蔽管１４０の構成材料について説明する。なお、以下に示す化学組成の割合は、重量％である。
【００４３】
（１）内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０
内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料は、次の（Ｍ１）の化学組成範囲の耐熱鋼が用いられる。
（Ｍ１）Ｃ：０．０３〜０．２５、Ｓｉ：０．０１〜１．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２３、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１．１５〜３．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｆｅが５以下、Ｐが０．０１５以下、Ｓが０．０１５以下、Ｃｕが０．５以下に抑制された耐熱鋼。
【００４４】
次に、（Ｍ１）の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【００４５】
（Ｍ１−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として有用であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることが、耐熱鋼のクリープ強度を維持する要因の一つである。また、内部ケーシング１１０などは、大型鋳造品として製作されるため、鋳造時の溶湯の流動性が要求され、Ｃは、この溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。Ｃの含有率が０．０３％未満の場合、炭化物の十分な析出量を確保することができないとともに、鋳造時の溶湯の流動性が著しく低下する。一方、Ｃの含有率が０．２５％を超えると、大型鋳塊製作時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｃの含有率を０．０３〜０．２５％とした。
【００４６】
（Ｍ１−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸効果を有するとともに、溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。大型の鋳造品製作は、大気中で溶解した溶湯を大気中で鋳造するため、脱酸は、真空中での鋳造で鋳塊を製作する場合より重要度が増し、また、溶湯の流動性は、大型鋳造品の製作時には特に重要となる。しかしながら、Ｓｉの含有率が１．０％を超えると、耐熱鋼の靭性が低下し、６５０℃以上の高温環境下での脆化が著しく促進される。また、Ｓｉの含有率が０．０１％未満では、脱酸効果が認められず、鋳塊製作時の溶湯の流動性が低下する。そのため、Ｓｉの含有率を０．０１〜１．０％とした。
【００４７】
（Ｍ１−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫効果と溶湯の流動性を増加させる効果を有する。これらは、大気中で溶解した溶湯を大気中で鋳造する大型鋳造品の製作における重要な効果である。しかしながら、Ｍｎの含有率が１．０％を超えると、耐熱鋼の靭性が低下し、６５０℃以上での高温環境下での脆化が著しく促進される。また、Ｍｎの含有率が０．０１％未満では、脱硫効果が認められない。そのため、Ｍｎの含有率を０．０１〜１．０％とした。
【００４８】
（Ｍ１−ｄ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、耐熱鋼のクリープ強度が維持される。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が２０％未満の場合、耐酸化性が低下し、２３％を超えると、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。そのため、Ｃｒの含有率を２０〜２３％とした。
【００４９】
（Ｍ１−ｅ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の強度を高める効果を有し、また、Ｍ２３Ｃ６型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Ｍｏの含有率が８％未満では、上記した効果が発揮されず、１０％を超えると、大型鋳塊製作時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１０％とした。
【００５０】
（Ｍ１−ｆ）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、主として析出強化に寄与するγ”相とδ相の構成元素として添加される。Ｎｂの含有率が１．１５％未満では、γ”相とδ相の析出量が不十分にあり、特にクリープ強度が低下する。一方、Ｎｂの含有率が３．０％を超えると、６５０℃以上の高温環境下におけるγ”相とδ相の析出量が急激に増加して短時間で著しい脆化を生じ、さらに大型鋳造品の製作時の成分偏析傾向が著しくなる。そのため、Ｎｂの含有率を１．１５〜３．０％とした。
【００５１】
（Ｍ１−ｇ）Ｆｅ（鉄）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）およびＣｕ（銅）
耐熱鋼においては、多種類の不可避的不純物が混入し、残存する。そのうち特にＦｅ、Ｐ、ＳおよびＣｕの４元素については、その上限を設定した。ＰおよびＳについては、高温環境下での粒界偏析に起因した脆化が抑制可能な上限として０．０１５％、Ｃｕについては、製鋼上不可避的に混入するため、特性上影響を及ぼさない上限として０．５％とした。また、通常Ｆｅを主構成元素とする鋼を溶製するに当たっては、溶解時のＦｅの混入は不可避であり、特性上影響を及ぼさない上限として５％とした。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【００５２】
（２）外部ケーシング１１１
外部ケーシング１１１を構成する材料は、次の（Ｍ２）の化学組成範囲の鋳鋼が用いられる。
（Ｍ２）Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：９以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼。
【００５３】
次に、（Ｍ２）の鋳鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【００５４】
（Ｍ２−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する炭化物の構成元素としても有用な元素であるが、Ｃの含有率が０.０５％未満では上記した効果が小さく、０.１５％を超えると溶接性を低下させる。そのため、Ｃの含有率を０.０５〜０.１５％とした。
【００５５】
（Ｍ２−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤および湯流れ性改善元素として有用であるが、その含有量が高い場合は靭性の低下および脆化を促進するため、この点からは含有量は可能な限り抑制することが望ましい。Ｓｉの含有率が０.３％を超えると上記した特性が著しく低下する。そのため、Ｓｉの含有率を０.３％以下とした。また、Ｓｉは、少なくとも０.０５％以上含有していることが好ましい。
【００５６】
（Ｍ２−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であるが、Ｍｎの含有率が０．１％未満では脱硫効果が認められず、１.５％を超えて含有するとクリープ抵抗を低下させる。そのため、Ｍｎの含有率を０．１〜１.５％とした。
【００５７】
（Ｍ２−ｄ）Ｎｉ（ニッケル）
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる。しかしながら、Ｎｉの含有率が１.０％を超えるとクリープ抵抗を低下させる。そのため、Ｎｉの含有率を１.０％以下とした。また、Ｎｉは、少なくとも０.０５％以上含有していることが好ましい。
【００５８】
（Ｍ２−ｅ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、析出強化に寄与する析出物の構成元素として有効であるとともに耐酸化性、耐食性の確保にも不可欠であるが、Ｃｒの含有率が９.０％未満では上記した効果が小さく、１０％以上ではフェライトの生成を促進するとともに、特に長時間におけるクリープ強度の低下を促進する。そのため、Ｃｒの含有率を９.０％以上１０％未満とした。
【００５９】
（Ｍ２−ｆ）Ｖ（バナジウム）
Ｖは、固溶強化および微細な炭窒化物の形成に寄与する。Ｖの含有率が０．１％以上でこれらの微細析出物が十分に析出し回復を抑制する。しかしながら、Ｖの含有率が０.３％を超えると炭窒化物の凝集が促進される。そのため、Ｖの含有率を０．１〜０.３％とした。
【００６０】
（Ｍ２−ｇ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、固溶強化元素および炭化物の構成元素として有用であり、Ｍｏの含有率が０．６％以上の添加によりその効果が発揮される。しかしながら、Ｍｏの含有率が１.０％を超えると、靭性の低下およびフェライトの生成を促進する。そのため、Ｍｏの含有率を０．６〜１.０％とした。
【００６１】
（Ｍ２−ｈ）Ｗ（タングステン）
Ｗは、固溶強化とともに、炭化物中および金属間化合物中へ置換し析出強化にも寄与する。これらの効果を発揮させるためには、Ｗの含有率が１.５％以上であることが必要であるが、２.０％を超えると靭性の低下およびフェライトの生成を促進する。そのため、Ｗの含有率を１.５〜２.０％とした。
【００６２】
（Ｍ２−ｉ）Ｎ（窒素）
Ｎは、窒化物あるいは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。さらに、母相中に残存するＮは、固溶強化にも寄与するが、Ｎの含有率が０．００５％未満ではこれらの効果が認められない。一方、Ｎの含有率が０．１％以上では、窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進しクリープ抵抗が低下するとともに粗大生成物の生成を促進する。そのため、Ｎの含有率を０．００５〜０．１％とした。
【００６３】
（Ｍ２−ｊ）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、固溶強化に寄与するとともにフェライトの生成傾向を抑制する効果を有する。これらの効果を発揮させるには、Ｃｏの含有率が１.０％以上であることが必要であるが、４.０％％以上ではこれらの効果は飽和するとともに、大型鋼塊としては経済性を著しく損なう。そのため、Ｃｏの含有率を１.０〜４.０％とした。
【００６４】
（Ｍ２−ｋ）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。Ｎｂの含有率が０．０２％未満ではこの効果が認められない。一方、Ｎｂの含有率が０.０８％を超えると鋼塊製造時に未固溶の粗大なＮｂ炭窒化物が多量に生成する。そのため、Ｎｂの含有率０．０２〜０.０８％とした。
【００６５】
（Ｍ２−ｌ）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、脱酸材として有用であるとともに、炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。Ｔｉの含有率が０.００３％未満ではこの効果が認められない。一方、Ｔｉの含有率が０.０３％を超えると鋼塊製造時に未固溶の粗大なＴｉ炭窒化物が多量に生成する。そのため、Ｔｉの含有率を０．００１〜０.０３％とした。
【００６６】
（Ｍ２−ｍ）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、微量の添加で焼入れ性を高めるとともに、炭窒化物の高温長時間での安定化を可能にする。この効果は、Ｂの含有率が０．００１％以上で認められ、結晶粒界およびその近傍に析出する炭化物の粗大化抑制効果を発揮するが、０.００８％を超えると著しい鋳造性の低下と粗大生成物の形成を促進する。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０.００８％とした。
【００６７】
なお、上記した成分ならびに主成分であるＦｅを含有する際に付随的に混入する不純物、すなわち不可避的不純物は極力低減することが望ましく、工業的に可能な限り不可避的不純物の残存含有率を０％に近づけることが好ましい。
【００６８】
外部ケーシング１１１は、外部ケーシング冷却手段によって冷却されているため、鋳造等の製造性に優れた、上記したフェライト系の鋳鋼を用いることができる。基本的な成分がこの範囲にある鋳鋼として、例えば、特開２００５−６０８２６号公報に記載された「Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｓｉ：０．３以下（０を含まず）、Ｍｎ：０．１〜１．５、Ｎｉ：１．０以下（０を含まず）、Ｃｒ：９．０以上１０未満、Ｖ：０．１〜０．３、Ｍｏ：０．６〜１．０、Ｗ：１．５〜２．０、Ｃｏ：１．０〜４．０、Ｎｂ：０．０２〜０．０８、Ｂ：０．００１〜０．００８、Ｎ：０．００５〜０．１、Ｔｉ：０．００１〜０．０３を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物で構成され、焼戻し熱処理によって、Ｍ２３Ｃ６型炭化物を主として結晶粒界およびマルテンサイトラス境界に析出させ、該マルテンサイトラス内部にはＭ２Ｘ型炭窒化物およびＭＸ型炭窒化物を析出させ、Ｍ２Ｘ型炭窒化物の構成元素中のＶとＭｏに間にＶ＞Ｍｏの関係を有し、該Ｍ２３Ｃ６型炭化物、Ｍ２Ｘ型炭窒化物およびＭＸ型炭窒化物の析出物合計が２．０〜４．０重量％である合金鋼」などが挙げられる。また、外部ケーシング１１１を構成する材料としては、例えば、１％ＣｒＭｏＶ鋳鋼などのより安価な低合金鋳鋼を採用してもよい。
【００６９】
（３）放射熱遮蔽管１４０
放射熱遮蔽管１４０を構成する材料は、次の（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼が用いられる。
（Ｍ３）Ｃ：０．２５以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：１９〜２２、Ｃｒ：２４〜２６を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｐが０．０４５以下、Ｓが０．０３以下に抑制された耐熱鋼。
【００７０】
次に、（Ｍ３）の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【００７１】
（Ｍ３−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として有用であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることが、耐熱鋼のクリープ強度を維持される要因の一つである。また、Ｃの含有率が小さい場合は、溶接性および高温長時間加熱にともなう脆化は抑制されるが、炭化物の析出量が低減するため、少なくとも０.０３％以上含有していることが好ましい。一方、Ｃの含有率が０．２５％を超えると、溶接性が低下するとともに、運転中の脆化傾向が著しくなる。そのため、Ｃの含有率を０.２５％以下とした。
【００７２】
（Ｍ３−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸効果を有するとともに、本発明に係る耐熱鋼においては、水蒸気酸化特性を向上させる。Ｓｉの含有率が小さい場合は、靭性は向上するが、耐水蒸気酸化特性が低下するため、少なくとも０.０５％以上含有していることが好ましい。一方、Ｓｉの含有率が１．５％を超えると、靭性の低下や６５０℃以上での高温環境下での脆化が著しく促進される。そのため、Ｓｉの含有率を１.５％以下とした。
【００７３】
（Ｍ３−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫効果を有する。しかしながら、Ｍｎの含有率が２．０％を超えると、非金属介在物の鋼中への残存量が著しく増加する。そのため、そのため、Ｍｎの含有率を２.０％以下とした。また、Ｍｎは、少なくとも０.０５％以上含有していることが好ましい。
【００７４】
（Ｍ３−ｄ）Ｎｉ（ニッケル）
Ｎｉは、本発明に係る耐熱鋼において、母相の安定性を高める効果を有し、かつ高温での耐酸化性を高める。Ｎｉの含有率が１９％未満あるいは２２％を超える場合、相安定性が崩れ所望の強度特性を発揮できなくなる。そのため、Ｎｉの含有率を１９〜２２％とした。
【００７５】
（Ｍ３−ｅ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中に、Ｍ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、耐熱鋼のクリープ強度が維持される。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が２４％未満の場合、耐酸化性および炭化物の析出量が低下し、２６％を超えると、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高めるとともに、脆化相の析出を促進する。そのため、Ｃｒの含有率を２４〜２６％とした。
【００７６】
（Ｍ３−ｆ）Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）
耐熱鋼においては、多種類の不可避的不純物が混入し、残存する。そのうち特にＰおよびＳの２元素については、その上限を設定した。Ｐについては、高温環境下での粒界偏析に起因した脆化が抑制可能な上限として０．０４５％、Ｓについては、製鋼上不可避的に混入するため、特性上影響を及ぼさない上限として０．０３％とした。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【００７７】
放射熱遮蔽管１４０は、放射熱を防ぐことを目的としているため、溶接接合などが不要で加工性や材料の熱膨張係数に留意することなく、耐熱性に優れた上記したオーステナイト系材料を用いることができる。具体的には、例えば、ＡＳＴＭ Ａ１６７−７７、Ａ２４０−７８、ＡＭＳ ５５２１Ｄなどに規定されるＴＹＰＥ３１０に相当する材料などを用いることができる。
【００７８】
上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービンによれば、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を（Ｍ１）の化学組成範囲の耐熱鋼、外部ケーシング冷却手段によって冷却される外部ケーシング１１１を（Ｍ２）の化学組成範囲の鋳鋼、冷却用蒸気１６０によって冷却される放射熱遮蔽管１４０を（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼で構成することにより、６５０℃以上の高温蒸気を超高圧タービン１００に導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。
【００７９】
また、放射熱遮蔽管１４０を設けることによって、内部蒸気管１２０からの放射熱によって直接、溶接部１５０が加熱されるのを防止することができる。また、冷却用蒸気１６０による冷却効果と放射熱遮蔽管１４０による放射熱の遮蔽効果によって、６５０℃以上の高温蒸気を導入しても、外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０の表面温度を従来プラント並みの６００℃以下にすることができる。これによって、外部ケーシング１１１とそれに溶接接合される外部蒸気管１３０との熱延び差から発生する熱応力を低減させることができる。また、外部ケーシング１１１を、従来プラントなどで実績豊富な材料と同じ材料であるフェライト系合金鋼で構成し、Ｎｉ基耐熱鋼を限られた部位に使用することで、信頼性、運用性、経済性を確保することができる。
【００８０】
（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０は、第１の実施の形態の超高圧タービン１００における内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料を変更したこと以外は第１の実施の形態の超高圧タービン１００における構成と同じである。ここでは、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料について説明する。なお、以下に示す化学組成の割合は、重量％である。
【００８１】
（１）内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０
内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料は、次の（Ｍ４）の化学組成範囲の耐熱鋼が用いられる。
（Ｍ４）Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：２０〜２３、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．０１〜１．５、Ｔｉ：０．０１〜０．６、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＦｅが５以下、Ｐが０．０１５以下、Ｓが０．０１５以下、Ｃｕが０．５以下に抑制された耐熱鋼。
【００８２】
次に、（Ｍ４）の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【００８３】
（Ｍ４−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として有用であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、耐熱鋼のクリープ強度が維持される。Ｃの含有率が０．１０％未満の場合、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出量が十分でないため、所望のクリープ強度を確保できず、０．２０％を超えると、大型鋳塊製作時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｃの含有率を０．１０〜０．２０％とした。
【００８４】
（Ｍ４−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸効果を有し、鋳塊の清浄度を高める。しかしながら、Ｓｉの含有率が０．５％を超えると、耐熱鋼の靭性を低下させ、かつ６５０℃以上の高温環境下での脆化を促進する。また、Ｓｉの含有率が０．０１％未満では、脱硫効果が認められず、鋳塊製作時の溶湯の流動性が低下する。そのため、Ｓｉの含有率を０．０１〜０．５％とした。
【００８５】
（Ｍ４−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫効果を有し、鋳塊の清浄度を高める。しかしながら、Ｍｎの含有率が０．５％を超えると、硫化物として鋳塊中に残存するＭｎが著しく増加する。また、Ｍｎの含有率が０．０１％未満では、脱硫効果が認められない。そのため、Ｍｎの含有率を０．０１〜０．５％とした。
【００８６】
（Ｍ４−ｄ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、耐熱鋼のクリープ強度が維持される。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が２０％未満の場合、耐酸化性が低下し、２３％を超えると、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。そのため、Ｃｒの含有率を２０〜２３％とした。
【００８７】
（Ｍ４−ｅ）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の高温における安定性を高める効果を有し、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の粗大化を抑制する。Ｃｏの含有率が１０％未満のでは、所望の特性を発揮できず、１５％を超えると、大型鋳塊の成形性を低下させるとともに、経済性を損なう。そのため、Ｃｏの含有率を１０〜１５％とした。
【００８８】
（Ｍ４−ｆ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の強度を高める効果を有し、また、Ｍ２３Ｃ６型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Ｍｏの含有率が８％未満では、上記した効果が発揮されず、１０％を超えると、大型鋳塊製作時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１０％とした。
【００８９】
（Ｍ４−ｇ）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、主として脱酸を目的として添加される。Ａｌは、Ｎｉ中ではγ’相を構成して析出強化に寄与する場合もあるが、本発明に係る耐熱鋼におけるγ’相の析出量は、有効な析出強化を期待できるほど多くはなく、むしろ活性な金属元素であることから、溶解工程や鋳塊製作時の製造性を低下させる。比較的大型の鋳塊を製作する場合は、Ａｌの含有率が１．５％を超えるときに、この点が顕著になる。また、Ａｌの含有率が０．０１％未満の場合には、脱酸効果が認められなくなる。そのため、Ａｌの含有率を０．０１〜１．５％とした。
【００９０】
（Ｍ４−ｈ）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、主として脱酸を目的として添加される。Ｔｉは、Ｎｉ中ではγ’相を構成して析出強化に寄与する場合もあるが、本発明に係る耐熱鋼におけるγ’相の析出量は、有効な析出強化を期待できるほど多くはなく、むしろ活性な金属元素であることから、溶解工程や鋳塊製作時の製造性を低下させる。比較的大型の鋳塊を製作する場合は、Ｔｉの含有率が０．６％を超えるときに、この点が顕著になる。また、Ｔｉの含有率が０．０１％未満の場合には、脱酸効果が認められなくなる。そのため、Ｔｉの含有率を０．０１〜０．６％とした。
【００９１】
（Ｍ４−ｉ）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、一部が強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物中に置換し、炭化物の高温での安定性を高めるとともに、特に高温における母相の結晶粒界近傍の延性を高める効果を有する。これらの効果は、Ｂの含有率が０．００１％以上の極微量の添加で発揮されるが、０．００６％を超えると、大型鋳塊における成分偏析傾向が増加するとともに、鍛造時の変形抵抗が高くなり、鍛造割れが生じ易くなる。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．００６％とした。
【００９２】
（Ｍ４−ｊ）Ｆｅ（鉄）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）およびＣｕ（銅）
耐熱鋼においては、多種類の不可避的不純物が混入し、残存する。そのうち特にＦｅ、Ｐ、ＳおよびＣｕの４元素については、その上限を設定した。ＰおよびＳについては、高温環境下での粒界偏析に起因した脆化が抑制可能な上限として０．０１５％、ＦｅおよびＣｕについては、製鋼上不可避的に混入するため、特性上影響を及ぼさない上限として、それぞれ５％、０．５％とした。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【００９３】
上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービンによれば、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を（Ｍ４）の化学組成範囲の耐熱鋼、外部ケーシング冷却手段によって冷却される外部ケーシング１１１を前述した（Ｍ２）の化学組成範囲の鋳鋼、冷却用蒸気１６０によって冷却される放射熱遮蔽管１４０を前述した（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼で構成することにより、６５０℃以上の高温蒸気を超高圧タービン１００に導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。
【００９４】
また、放射熱遮蔽管１４０を設けることによって、内部蒸気管１２０からの放射熱によって直接、溶接部１５０が加熱されるのを防止することができる。また、冷却用蒸気１６０による冷却効果と放射熱遮蔽管１４０による放射熱の遮蔽効果によって、６５０℃以上の高温蒸気を導入しても、外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０の表面温度を従来プラント並みの６００℃以下にすることができる。これによって、外部ケーシング１１１とそれに溶接接合される外部蒸気管１３０との熱延び差から発生する熱応力を低減させることができる。また、外部ケーシング１１１を、従来プラントなどで実績豊富な材料と同じ材料であるフェライト系合金鋼で構成し、Ｎｉ基耐熱鋼を限られた部位に使用することで、信頼性、運用性、経済性を確保することができる。
【００９５】
ここで、上記した実施の形態では、本発明に係る蒸気タービンとして超高圧タービン１００について説明したが、この本発明に係る蒸気タービンの構成は、６５０℃以上の高温蒸気を導入する高圧タービンや中圧タービンなどの構成に採用することができる。
【００９６】
（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０は、第１の実施の形態の超高圧タービン１００における内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料を変更したこと以外は第１の実施の形態の超高圧タービン１００における構成と同じである。ここでは、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料について説明する。なお、以下に示す化学組成の割合は、重量％である。
【００９７】
（１）内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０
内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料は、次の（Ｍ５）の化学組成範囲の耐熱鋼が用いられる。
（Ｍ５）Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ｎｂ：１〜３、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｆｅが５以下、Ｃｕが０．５以下、Ｐが０．０１５以下、Ｓが０．０１５以下、Ｃｏが１以下に抑制され、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼。
【００９８】
ここで、応力除去熱処理は、７００〜１０００℃で、例えば肉厚２５.４ｍｍ当り１時間加熱することで実施された。なお、肉厚当りの加熱時間はこれに限られるものではなく、適宜に設定することができる。
【００９９】
次に、（Ｍ５）の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【０１００】
（Ｍ５−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、炭化物の構成元素として有用な元素であり、特にＮｉ基の鋳造合金においては、溶湯の流動性を確保する上でも効果を発揮する。本発明に係る耐熱鋼においては、使用前における応力除去熱処理による炭化物の析出は極力抑制し、７００℃近傍での長期間の運用中に、炭化物を微細に析出させて強度特性を維持する。しかしながら、Ｃの含有率が０．２５％を超えると、鋳造時に形成される粗大な未固溶炭化物や共晶炭化物の生成量が急激に増加し、運用中に析出する微細炭化物の析出量を低減する。また、Ｃの含有率が０．０５％未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Ｃの含有率を０．０５〜０．２５％とした。
【０１０１】
（Ｍ５−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、溶湯の流動性を確保する効果も発揮する。また、Ｓｉは、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかしながら、その含有量が多い場合は、靭性の低下および脆化を促進するため、この観点からは、その含有量を可能な限り抑制することが望ましい。また、Ｓｉの含有率が１．０％を超えると、上記した特性が著しく低下し、０．１％未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Ｓｉの含有率を０．１〜１．０％とした。
【０１０２】
（Ｍ５−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、少なくともＭｎの含有率が０．１％であることが必要であるが、１．０％を超えると、非金属介在物の生成量が増加する。そのため、Ｍｎの含有率を０．１〜１．０％とした。
【０１０３】
（Ｍ５−ｄ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する微細なＣｒ炭化物の構成元素としても有用である。しかしながら、Ｃｒの含有率が２０％未満では、７００℃近傍での高温水蒸気環境下における耐食性が十分でなく、２４％を超えると、鋳造時の共晶炭化物の生成量が著しくなり、十分な強度特性を発揮できなくなる。そのため、Ｃｒの含有率を２０〜２４％とした。
【０１０４】
（Ｍ５−ｅ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、母相の固溶強化に寄与して高温強度を高めるとともに、高温での熱膨張量を低減する効果を有するが、Ｍｏの含有率が８％未満では、これらの効果が認められない。一方、Ｍｏの含有率が１０％を超えると、高温加熱により脆化相が経時的に析出し、また、合金の比重も増加して偏析傾向が高まる。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１０％とした。
【０１０５】
（Ｍ５−ｆ）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、高温での加熱によりＮｉ３Ｎｂを基本構造とするγ”相を形成し、これが析出強化作用を有して優れた高温特性を発揮するための一因となる。一方で、γ”相やこの安定相であるδ相は、耐熱鋼の靭性や延性を低下させる要因ともなり、経年的な脆化を促進する。Ｎｂの含有率が１％未満では、γ”相の析出量が十分確保できないため所望の強度が発揮できず、３％を超えると、γ”相の析出量が過大となり経年的な脆化が著しくなる。これらのことから、７００℃程度の温度において、高温強度を発揮させ、かつ、経年的な脆化を抑制するため、Ｎｂの含有率を１〜３％とした。また、より好適なＮｂの含有率は、１．５〜２．５％である。なお、本発明に係る耐熱鋼におけるＮｂの添加の要否は、耐熱鋼の適用部品ごとに判断される。
【０１０６】
（Ｍ５−ｇ）Ｆｅ（鉄）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）およびＣｕ（銅）
通常、鉄鋼材料を溶解する溶解炉を流用して製作される本耐熱鋼においては、炉壁からのＦｅの混入は避けられず、機械的性質に影響を及ぼさない上限として、Ｆｅの含有率の上限を５％とした。また、Ｃｕ、Ｐ、Ｓについては、原料などから混入する場合が過半である。そこで、Ｃｕの含有率を０．５％以下、Ｐの含有率を０．０１５％以下、Ｓの含有率を０．０１５％以下に抑制した。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【０１０７】
（Ｍ５−ｈ）ＲＥＭ（レアアースメタル：希土類金属）
本発明に係る耐熱鋼は、大気溶解および大気鋳造で製作されるため、ＡｌやＴｉなどの活性元素の脱酸剤としての効果を期待できないこともある。また、非金属介在物の生成量を抑制する観点からＭｎの添加量に制限を設けているため、脱硫効果が最大限に発揮されない場合もある。また、脱酸あるいは脱硫が不足して、比重が大きい酸化物や硫化物が生成すると、溶湯からの分離が困難なため、それらの生成物が鋳塊中に残存して耐熱鋼の清浄度を低下させる。本発明に係る耐熱鋼においては、微量のＲＥＭを添加することで、脱酸および脱硫の効果を発揮し、清浄度を高めるとともに、Ｓの含有量を低減させた結果、耐熱鋼の溶接性を改善する効果も併せ持つ。本発明に係る耐熱鋼に適したＲＥＭは、Ｃｅ（セリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｒ（プラセオジム）の４種の希土類元素を少なくとも含有して構成されることが好ましい。これらＲＥＭの総含有率が０．０１％未満では、脱酸効果および脱硫効果がともに認められず、一方、１．０％以上では、鋳塊中におけるこれらの残存量が増加し、機械的性質を低下させる。そのため、ＲＥＭの総含有率を０．０１〜１．０％とした。
【０１０８】
上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービンによれば、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を（Ｍ５）の化学組成範囲の耐熱鋼、外部ケーシング冷却手段によって冷却される外部ケーシング１１１を前述した（Ｍ２）の化学組成範囲の鋳鋼、冷却用蒸気１６０によって冷却される放射熱遮蔽管１４０を前述した（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼で構成することにより、６５０℃以上の高温蒸気を超高圧タービン１００に導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。また、（Ｍ５）の化学組成範囲の耐熱鋼は、熱処理として、７００〜１０００℃で応力除去熱鈍が施されるのみで、溶体化処理や時効熱処理などは必要がない。これによって、十分な機械的特性を確保するとともに、製造工程を簡略化でき、製作コストなどを削減することができる。
【０１０９】
また、放射熱遮蔽管１４０を設けることによって、内部蒸気管１２０からの放射熱によって直接、溶接部１５０が加熱されるのを防止することができる。また、冷却用蒸気１６０による冷却効果と放射熱遮蔽管１４０による放射熱の遮蔽効果によって、６５０℃以上の高温蒸気を導入しても、外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０の表面温度を従来プラント並みの６００℃以下にすることができる。これによって、外部ケーシング１１１とそれに溶接接合される外部蒸気管１３０との熱延び差から発生する熱応力を低減させることができる。また、外部ケーシング１１１を、従来プラントなどで実績豊富な材料と同じ材料であるフェライト系合金鋼で構成し、Ｎｉ基耐熱鋼を限られた部位に使用することで、信頼性、運用性、経済性を確保することができる。
【０１１０】
（第４の実施の形態）
本発明に係る第４の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０は、第１の実施の形態の超高圧タービン１００における内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料を変更したこと以外は第１の実施の形態の超高圧タービン１００における構成と同じである。ここでは、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料について説明する。なお、以下に示す化学組成の割合は、重量％である。
【０１１１】
（１）内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０
内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を構成する材料は、次の（Ｍ６）の化学組成範囲の耐熱鋼が用いられる。
（Ｍ６）Ｃ：０．０５〜０．２５、Ｓｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｃｒ：２０〜２４、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１０、Ｂ：０．００１〜０．００６、ＲＥＭ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｆｅが５以下、Ｃｕが０．５以下、Ｐが０．０１５以下、Ｓが０．０１５以下、Ａｌが０．０５以下、Ｔｉが０．０５以下に抑制され、７００〜１０００℃で応力除去熱処理が施された耐熱鋼。
【０１１２】
ここで、応力除去熱処理は、７００〜１０００℃で、例えば肉厚２５.４ｍｍ当り１時間加熱することで実施された。なお、肉厚当りの加熱時間はこれに限られるものではなく、適宜に設定することができる。
【０１１３】
次に、（Ｍ６）の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【０１１４】
（Ｍ６−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、炭化物の構成元素として有用な元素であり、特にＮｉ基の鋳造合金においては、溶湯の流動性を確保する上でも効果を発揮する。本耐熱鋼においては、使用前における応力除去熱処理による炭化物の析出は極力抑制し、７００℃近傍での長期間の運用中に、炭化物を微細に析出させて強度特性を維持する。しかしながら、Ｃの含有率が０．２５％を超えると、鋳造時に形成される粗大な未固溶炭化物や共晶炭化物の生成量が急激に増加し、運用中に析出する微細炭化物の析出量を低減する。また、Ｃの含有率が０．０５％未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Ｃの含有率を０．０５〜０．２５％とした。
【０１１５】
（Ｍ６−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、溶湯の流動性を確保する効果も発揮する。また、Ｓｉは、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかしながら、Ｓｉの含有量が多い場合は、靭性の低下および脆化を促進するため、この観点からは、Ｓｉの含有量を可能な限り抑制することが望ましい。また、Ｓｉの含有率が１．０％を超えると、上記した特性が著しく低下し、０．１％未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Ｓｉの含有率を０．１〜１．０％とした。
【０１１６】
（Ｍ６−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、少なくともＭｎの含有率が０．１％であることが必要であるが、１．０％を超えると、非金属介在物の生成量が増加する。そのため、Ｍｎの含有率を０．１〜１．０％とした。
【０１１７】
（Ｍ６−ｄ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する微細なＣｒ炭化物の構成元素としても有用である。しかしながら、Ｃｒの含有率が２０％未満では、７００℃近傍での高温水蒸気環境下における耐食性が十分でなく、２４％を超えると、鋳造時の共晶炭化物の生成量が著しくなり、十分な強度特性を発揮できなくなる。そのため、Ｃｒの含有率を２０〜２４％とした。
【０１１８】
（Ｍ６−ｅ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、母相の固溶強化に寄与して高温強度を高めるとともに、高温での熱膨張量を低減する効果を有するが、Ｍｏの含有率が８％未満では、これらの効果が認められない。一方、Ｍｏの含有率が１０％を超えると、高温加熱により脆化相が経時的に析出し、また、合金の比重も増加して偏析傾向が高まる。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１０％とした。
【０１１９】
（Ｍ６−ｆ）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、母相の固溶強化に寄与して高温強度とともに、高温での長時間加熱後の析出物の安定性を高める。Ｃｏ含有率が１０％以上で、これらの効果が発揮される。一方、Ｃｏ含有率が１５％を超えると、加工性や経済性を著しく損なう。そのため、Ｃｏの含有率を１０〜１５％とした。なお、本発明に係る耐熱鋼におけるＣｏの添加の要否は、耐熱鋼の適用部品ごとに判断される。
【０１２０】
（Ｍ６−ｇ）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、析出物の高温安定性を高めるとともに、結晶粒界の強化に寄与する。これらの効果は、Ｂ含有率が０．００１％以上で認められるが、０．００６％を超えると偏析を助長させるとともに、大気中のＮ（窒素）と結合して粗大化合物を生成する。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．００６％とした。なお、本耐熱鋼におけるＢの添加の要否は、耐熱鋼の適用部品ごとに判断される。
【０１２１】
（Ｍ６−ｈ）Ａｌ（アルミニウム）およびＴｉ（チタン）
ＡｌおよびＴｉは、Ｎｉ基の耐熱鋳造合金における主強化相であるγ’相の構成元素として通常は不可欠な元素である。しかしながら、大気溶解や大気鋳造が不可避となる大型鋳造部品の製造においては、溶解時の含有量制御や鋳造品中の均一な濃度分布を得ることが難しく、また、溶湯の流動性の低下や非金属介在物の多量発生による機械的性質の低下を生じさせる。したがって、本耐熱鋼においては、ＡｌおよびＴｉの意図的な添加は行わない。不可避的不純物として最終的なＡｌおよびＴｉの残存含有率は、それぞれ０．０５％以下に抑制し、可能な限りこれらの残存含有率を０％に近づけることが望ましい。
【０１２２】
（Ｍ６−ｉ）Ｆｅ（鉄）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）およびＣｕ（銅）
通常、鉄鋼材料を溶解する溶解炉を流用して製作される本耐熱鋼においては、炉壁からのＦｅの混入は避けられず、機械的性質に影響を及ぼさない上限として、Ｆｅの含有率の上限を５％とした。また、Ｃｕ、Ｐ、Ｓについては、原料などから混入する場合が過半である。そこで、Ｃｕの含有率を０．５％以下、Ｐの含有率を０．０１５％以下、Ｓの含有率を０．０１５％以下に抑制した。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【０１２３】
（Ｍ６−ｊ）ＲＥＭ（レアアースメタル：希土類金属）
本発明に係る耐熱鋼は、大気溶解および大気鋳造で製作されるため、ＡｌやＴｉなどの活性元素の脱酸剤としての効果を期待できないこともある。また、非金属介在物の生成量を抑制する観点からＭｎの添加量に制限を設けているため、脱硫効果が最大限に発揮されない場合もある。また、脱酸あるいは脱硫が不足して、比重が大きい酸化物や硫化物が生成すると、溶湯からの分離が困難なため、それらの生成物が鋳塊中に残存して耐熱鋼の清浄度を低下させる。本発明に係る耐熱鋼においては、微量のＲＥＭを添加することで、脱酸および脱硫の効果を発揮し、清浄度を高めるとともに、Ｓの含有量を低減させた結果、耐熱鋼の溶接性を改善する効果も併せ持つ。本発明に係る耐熱鋼に適したＲＥＭは、Ｃｅ（セリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｒ（プラセオジム）の４種の希土類元素を少なくとも含有して構成されることが好ましい。これらＲＥＭの総含有率が０．０１％未満では、脱酸効果および脱硫効果がともに認められず、一方、１．０％以上では、鋳塊中におけるこれらの残存量が増加し、機械的性質を低下させる。そのため、ＲＥＭの総含有率を０．０１〜１．０％とした。
【０１２４】
上記したように、第４の実施の形態の蒸気タービンによれば、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を（Ｍ６）の化学組成範囲の耐熱鋼、外部ケーシング冷却手段によって冷却される外部ケーシング１１１を前述した（Ｍ２）の化学組成範囲の鋳鋼、冷却用蒸気１６０によって冷却される放射熱遮蔽管１４０を前述した（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼で構成することにより、６５０℃以上の高温蒸気を超高圧タービン１００に導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。また、（Ｍ６）の化学組成範囲の耐熱鋼は、熱処理として、７００〜１０００℃で応力除去熱鈍が施されるのみで、溶体化処理や時効熱処理などは必要がない。これによって、十分な機械的特性を確保するとともに、製造工程を簡略化でき、製作コストなどを削減することができる。
【０１２５】
また、放射熱遮蔽管１４０を設けることによって、内部蒸気管１２０からの放射熱によって直接、溶接部１５０が加熱されるのを防止することができる。また、冷却用蒸気１６０による冷却効果と放射熱遮蔽管１４０による放射熱の遮蔽効果によって、６５０℃以上の高温蒸気を導入しても、外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０の表面温度を従来プラント並みの６００℃以下にすることができる。これによって、外部ケーシング１１１とそれに溶接接合される外部蒸気管１３０との熱延び差から発生する熱応力を低減させることができる。また、外部ケーシング１１１を、従来プラントなどで実績豊富な材料と同じ材料であるフェライト系合金鋼で構成し、Ｎｉ基耐熱鋼を限られた部位に使用することで、信頼性、運用性、経済性を確保することができる。
【０１２６】
（第５の実施の形態）
本発明に係る第５の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システム１０は、第１〜第４の実施の形態の超高圧タービン１００における外部ケーシング１１１を構成する材料を変更したこと以外は第１〜第４の各実施の形態の超高圧タービン１００における構成と同じである。ここでは、外部ケーシング１１１を構成する材料について説明する。なお、以下に示す化学組成の割合は、重量％である。
【０１２７】
（１）外部ケーシング１１１
（Ｍ７）Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｃｒ：１.０〜１.５、Ｖ：０．２〜０．３５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｔｉ：０．０１〜０．０４を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうち、Ｐが０．０２以下、Ｓが０．０１２以下、Ａｌが０．０１以下、Ｎｉが０．５以下、Ｃｕが０．３５以下に抑制された耐熱鋳鋼。
【０１２８】
次に、（Ｍ７）の耐熱鋳鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
【０１２９】
（Ｍ７−ａ）Ｃ（炭素）
Ｃは、炭化物の構成元素として有用な元素である。本発明に係る耐熱鋳鋼においては、Ｃの含有率が０．１２％以上で十分な炭化物の析出量が確保できる。一方、Ｃの含有率が０．１８％を超えると溶接性を阻害するとともに、高温長時間加熱にともなう炭化物の凝集粗大化が促進される。そのため、Ｃの含有率を０．１２〜０．１８％とした。
【０１３０】
（Ｍ７−ｂ）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、溶湯の流動性を確保する効果も発揮する。また、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかしながら、Ｓｉの含有量が多い場合は、靭性の低下および脆化を促進するため、この観点からは、Ｓｉの含有量を可能な限り抑制することが望ましい。また、Ｓｉの含有率が０．６％を超えると、上記した特性が著しく低下し、０．２％未満では、溶湯の流動性が悪く、複雑形状の大型鋳造品を製作することが困難になる。そのため、Ｓｉの含有率を０．２〜０．６％とした。
【０１３１】
（Ｍ７−ｃ）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、少なくともその含有率が０．５％は必要であるが、０．９％を超えて含有すると非金属介在物の生成量が増加する。そのため、Ｍｎの含有率を０．５〜０．９％とした。
【０１３２】
（Ｍ７−ｄ）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する微細なＣｒ炭化物の構成元素としても有用である。しかしながら、これらの効果は、Ｃｒの含有率が１．０％未満では発揮されず、１．５％を超えると、高温長時間加熱にともなう炭化物の凝集粗大化を加速する。そのため、Ｃｒの含有率を１．０〜１．５％とした。
【０１３３】
（Ｍ７−ｅ）Ｖ（バナジウム）
Ｖは、微細炭窒化物を形成して析出強化に寄与する。本発明に係る耐熱鋳鋼においては、Ｖの含有率が０．２％以上で、これらの効果が発揮される。一方、Ｖの含有率が０．３５％を超えると、靭性が低下するとともに高温加熱による脆化が促進される。そのため、Ｖの含有率を０．２〜０．３５％とした。
【０１３４】
（Ｍ７−ｆ）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、母相の固溶強化に寄与して高温強度を高めるとともに、炭化物の安定性を高める効果を有するが、本発明に係る耐熱鋳鋼においては、その含有率が０．９％未満ではこれらの効果が認められない。一方、Ｍｏの含有率が１．２％を超えると、靭性が低下するとともに高温加熱による脆化相の析出が促進される。そのため、Ｍｏの含有率を０．９〜１．２％とした。
【０１３５】
（Ｍ７−ｇ）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、大気鋳造が不可避となる大型鋳造部品の製造においては、脱酸剤として有用である。しかしながら、Ｔｉの含有率が０．０１％未満では、この効果は認められず、一方、０．０４％を超えると、粗大なＴｉ炭窒化物や介在物の生成量が増加する。そのため、Ｔｉの含有率を０．０１〜０．０４％とした。
【０１３６】
（Ｍ７−ｈ）Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｕ（銅）
耐熱鋳鋼においては、多種類の不可避的不純物が混入し、残存する。そのうち特にＰ、Ｓ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕの５元素において、これらの不可避的不純物は、微量の含有量であれば、耐熱鋳鋼の特性に影響を及ぼさないことは確認できている。そこで、耐熱鋳鋼の特性に影響を及ぼさない範囲で、これらの不可避的不純物の上限を設定し、Ｐの含有率を０．０２％以下、Ｓの含有率を０．０１２％以下、Ａｌの含有率を０．０１％以下、Ｎｉの含有率を０．５％以下、Ｃｕの含有率を０．３５％以下とした。また、これらの不可避的不純物の残存含有率は、工業的に可能な限り０％に近づけることが好ましい。
【０１３７】
上記したように、第５の実施の形態の蒸気タービンによれば、内部ケーシング１１０、ノズルボックス１１５、内部蒸気管１２０および外部蒸気管１３０を前述した（Ｍ１）、（Ｍ４）〜（Ｍ６）のいずれかの化学組成範囲の耐熱鋼、外部ケーシング冷却手段によって冷却される外部ケーシング１１１を（Ｍ７）の化学組成範囲の耐熱鋳鋼、冷却用蒸気１６０によって冷却される放射熱遮蔽管１４０を前述した（Ｍ３）の化学組成範囲の耐熱鋼で構成することにより、６５０℃以上の高温蒸気を超高圧タービン１００に導入することができ、熱効率の向上を図ることができる。
【０１３８】
また、放射熱遮蔽管１４０を設けることによって、内部蒸気管１２０からの放射熱によって直接、溶接部１５０が加熱されるのを防止することができる。また、冷却用蒸気１６０による冷却効果と放射熱遮蔽管１４０による放射熱の遮蔽効果によって、６５０℃以上の高温蒸気を導入しても、外部ケーシング１１１および外部蒸気管１３０の表面温度を従来プラント並みの６００℃以下にすることができる。これによって、外部ケーシング１１１とそれに溶接接合される外部蒸気管１３０との熱延び差から発生する熱応力を低減させることができる。また、外部ケーシング１１１を、従来プラントなどで実績豊富な材料と同じ材料であるフェライト系合金鋼で構成し、Ｎｉ基耐熱鋼を限られた部位に使用することで、信頼性、運用性、経済性を確保することができる。
【０１３９】
ここで、上記した各実施の形態では、本発明に係る蒸気タービンとして超高圧タービン１００について説明したが、この本発明に係る蒸気タービンの構成は、６５０℃以上の高温蒸気を導入する高圧タービンや中圧タービンなどの構成に採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システムの概要を模式的に示した図。
【図２】超高圧タービンの上半ケーシング部における断面を示した図。
【図３】超高圧タービンにおけるタービン蒸気入口部の断面を示した図。
【図４】図２に示した冷却用蒸気の導入方法とは異なる冷却用蒸気の導入方法を備えた超高圧タービンの上半ケーシング部における断面を示した図。
【符号の説明】
【０１４１】
１０…蒸気タービン発電システム、２０…主蒸気管、２１，２３…低温再熱管、２２，２４…高温再熱管、２５…クロスオーバ管、２６…ボイラ給水ポンプ、１００…超高圧タービン、１１０…内部ケーシング、１１１…外部ケーシング、１１２…タービンロータ、１１３…ノズル、１１４…動翼、１１５…ノズルボックス、１２０…内部蒸気管、１３０…外部蒸気管、１４０…放射熱遮蔽管、１５０…溶接部、１６０…冷却用蒸気、１７０…冷却用蒸気排出口、２００…高圧タービン、３００…中圧タービン、４００…低圧タービン、５００…発電機、６００…復水器、７００…ボイラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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