(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気タービン車室等において小さなガルバニック接合面で有効に環境割れを防止することができるアルカリ環境割れ防止構造を提供する。【解決手段】アルカリ環境割れを発生する環境による鋼材に白金、白金合金又は黒鉛を電気的に接合し、対象面の電位を割れ感受性のある電位領域から貴にシフトさせる。白金、白金合金又は黒鉛は、従来用いられていたニッケルやクロムを含んだ合金よりおよそ平衡電極電位で０．２Ｖ程度も貴な電位であるために、気液境界面のみといった限られた領域に対して割れ防止をする場合には、より小さいガルバニック接合面積で割れ防止を達成することが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ環境割れを発生する環境による鋼材に白金、白金合金又は黒鉛を電気的に接合したことを特徴とするアルカリ環境割れ防止構造
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン車室等の鋼材に発生するアルカリ環境割れを防止する構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼や低合金鋼等の鋼材は、アルカリ環境下、特に苛性アルカリの環境下で、特に加熱状態で、引張り応力を受けると割れを生じることが知られている。
例えば、蒸気タービン発電用の車室材においては、約３００℃、７０ｋｇ／ｃｍ２という高温高圧の蒸気に曝され、水蒸気中に不純物として含まれるナトリウムが反応して苛性ソーダに変化して車室材に付着する。これによって引き起こされる割れが大きな問題になっている。
【０００３】
炭素鋼、低合金鋼におけるアルカリ環境割れは、部材表面の電気化学状態に大きな影響を受け、アルカリ環境割れについては、割れ感受性を示す表面電位域が活性溶解状態と不働態化状態との遷移領域であることが知られている。
タービン車室の多くは、低合金鋳鋼（代表的なものとして、ＳＣＰＨ２１およびＳＣＰＨ２３など）で製造されているが、図１に、ＳＣＰＨ２１における環境割れの感受性の電位依存性を示す。
【０００４】
図１より、低合金鋳鋼は炭素鋼および低合金鋼の場合と同様に“−０．９〜―０．８Ｖ  ｖｓ．  ＨｇＯ／Ｈｇ／ＮａＯＨ”といった活性溶解状態と不働態化状態との遷移領域において割れ感受性を有することがわかる。そのため、環境割れを防止するためにはその電位域から外れた電位へシフトすることが必要となる。
この電位を遷移領域から外す手段として、外部から強制的に電流を流して分極を起こさせる外部電源方式や、鋼材と電位の異なる金属を電気的に接触させて分極を起こさせる流電方式などが知られている。この流電方式は、鋼材が陽極になる金属を用いるか、あるいは陰極となる金属を用いるかにより、流電アノード方式と流電カソード方式に分けられる。
【０００５】
ところで、外部電源方式は、対極や参照電極の設置、電極間の液絡、常時通電を行う必要があることや、適用できない部材があることなどの問題がある。また、流電方式は、所定の電位差を有する金属を電気的に接合するものであるため、上記のような外部電源方式による問題はない。しかしながら、流電カソード方式の場合には、保護すべき鋼材の表面に水素を発生して脆化を起こすことや、アノード電極部材が亜鉛やアルミニウムに限定されるため、電極部材が溶失しやすいという問題がある。
これらの問題を解決する手段として、ニッケルやクロムを含んだ合金をガルバニックにより接合する流電アノード方式が開発されている（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−６０８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、対象部材における割れを防止するために、対象面積の８０％以上の面積を有する合金を用いる必要がある。そのため、この技術をタービン車室に対して適用する場合には、車室における割れ対象面が非常に大面積となり、かなり大きなガルバニック接合面を確保する必要があった。また、この技術は、対象面の電位を割れ感受性のある電位から貴にすることにより達成されているため、割れを発生するリスクのある箇所には適用することができる。しかしながら、大面積のガルバニック接合面を確保しなければならないため、実際は割れを起こさない部材面にまで接合面が広がることになり、その部材における腐食速度を大きくするリスクがあった。
【０００８】
本発明は、蒸気タービン車室等において小さなガルバニック接合面で有効に環境割れを防止することができるアルカリ環境割れ防止構造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】
【０００９】
本発明者らは、蒸気タービン車室に生じるアルカリ環境割れの電気化学挙動を研究することにより、蒸気タービン車室においてアルカリ環境割れを起こす可能性のある対象面のみを限定的に防止する方法を明らかにした。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明者らは、蒸気タービン車室において環境割れが生じるリスクのある部位に白金、白金合金あるいは黒鉛をガルバニック接合させることによりアルカリ環境割れを防止できることを見出した。
すなわち、本発明は、アルカリ環境割れを発生する環境による鋼材に白金、白金合金又は黒鉛を電気的に接合したことを特徴とするアルカリ環境割れ防止構造に関するものである。
【００１１】
蒸気タービン車室における環境は、基本的には酸素のない還元雰囲気であるが、環境割れが発生するためには、酸素濃度が１００ｐｐｂを越える必要がある。この酸素濃度の小さい准還元雰囲気では、ガルバニック接合による電気防食の効果が比較的小さくなるため、従来技術にあるニッケル合金やクロム−ニッケル合金では、反応面を確保するために十分な面積を必要とする。しかしながら、白金、白金合金あるいは黒鉛を用いるとそれらの金属よりおよそ平衡電極電位で０．２Ｖ程度も貴な電位であるために、気液境界面のみといった限られた領域に対して割れ防止をする場合には、より小さいガルバニック接合面積で割れ防止を達成することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、アルカリ環境割れを生じる部位のみを局所的に割れ防止することができるため、施工が容易である。さらに、付加的な施工を与える面積が小さいため、割れのリスクの低い部分まで施工面が広がることがなく、その部分に対する腐食促進などの影響も小さいというメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明において用いられる鋼材は、アルカリ環境割れを起こすものであり、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼等である。アルカリ環境割れを起こすアルカリ成分としては、蒸気の清缶剤として、投入されている水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、燐酸ナトリウム、燐酸水素ナトリウムに起因した遊離ナトリウム、カリウムといったタービン蒸気中の不純物である。これらがタービンにおける温度、圧力低下により蒸気が凝縮し水滴化する気液界面で析出、加水分解し、アルカリ水溶液になる。割れの進展は、特にこのアルカリ濃度が１重量％以上４０重量％未満の範囲で顕著になる。アルカリ環境割れが問題となる機材の一つとして蒸気タービン車室がある。蒸気タービン車室には、一般にＳＣＰＨ２１やＳＣＰＨ２３といった低合金鋳鋼が用いられている。蒸気タービン車室において、特にアルカリ環境割れが問題となる部材は、車室ケーシングである。
【００１４】
蒸気タービンの車室に発生するアルカリ環境割れは、車室における蒸気の温度、圧力変動により蒸気が結露し始める気液面のみに発生するため、この気液面領域における割れを防止することができれば、車室におけるアルカリ環境割れ防止を達成できることになる。
【００１５】
本発明においては、鋼材、例えば、蒸気タービン車室に用いられるＳＣＰＨ２１やＳＣＰＨ２３といった低合金鋳鋼にそれより電位が貴な金属である白金、白金合金あるいは黒鉛をガルバニックに接合すると接合箇所近傍の表面電位をアルカリ環境割れの割れ感受性のある領域から外れた貴な領域にシフトすることが可能である。白金合金は、白金含量が８０重量％以上であり、例えば、白金−２０重量％ニッケル合金や白金−８重量％タングステン合金である。白金、白金合金、黒鉛の厚みは、例えば、ケーシングについては、最大はタービン車室とタービンブレードのすき間のクリアランスにより決定され、最小はガルバニックの効果に影響を及ぼさない単位結晶以上の厚み（５μｍ以上）が必要である。白金、白金合金については、特に適用範囲の限定はないが、黒鉛については、黒鉛の形状を形成する結合剤が耐ｐＨ特性により限定されるため、結合剤が耐え得るｐＨ領域においてのみ適用されることになる。
【００１６】
白金、白金合金、黒鉛は、鋼材のアルカリ環境割れが発生するリスクがある部位にガルバニックに接合される。ここで、ガルバニック接合とは、異なる表面電位を有する２種類の金属を電気的に接合することをいう。接合手段は、電気的接合を達成し得る手段であればよく、例えば、蒸着、メッキ、溶射、溶接、螺着などが適用できる。タービン車室の場合は、付加的な施工における寸法許容があまり無いため、板状などで適用することは難しい。そのため、メッキや溶射皮膜などの薄膜状被覆での適用が好ましい。
【００１７】
本発明のアルカリ環境割れ防止構造は、対象鋼材に直接適用されるか、あるいは当該鋼材をそのまま組立てた状態においても適用することが可能である。
【００１８】
実施例１
図２に、低合金鋳鋼であるＳＣＰＨ２１をＵベンド形状に加工して試験片とした形状を示す。ボルトナットにより降伏応力以上の応力を負荷した状態において、９０℃に保った濃度５〜４０重量％の水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬した。ポテンシオスタットで対極に白金を用いて、試験片の表面電位を所定のカソード電位に制御した状態で７日間浸漬した。表１に、各電位における割れの発生状況を調査した結果を示す。ここで、○は割れ無し、△は全面腐食、×は割れ有りの状態を表す。
【００１９】
表１より、ＮａＯＨ濃度が４０重量％の条件を除くいずれの条件においてもアルカリ環境割れは、−０．９５〜−０．８５Ｖの電位域でのみ発生し、それ以外の電位域では割れが発生しなかった。
また、ＮａＯＨ濃度が４０重量％の条件では、多くの電位域において全面溶解する腐食が観察されたが、−０．９５Ｖの電位においてのみ環境割れが確認された。ＮａＯＨ濃度が４０重量％以上の濃度においては、不働態皮膜が溶解する電位領域が広くなり、ほとんどの電位において全面腐食性が高くなるものと考えられる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
実施例２
Ｕベンドに白金板又は黒鉛棒をガルバニック接合させて、濃度１〜２０重量％の水酸化ナトリウム水溶液に１０００時間浸漬し、割れ発生の状況を調査した。図３に調査に用いた試験片の形状を示す。なお、白金板又は黒鉛棒の表面積とＵベンドの表面積との比率を変化させて種々の条件で実施した。
表２に各条件における割れ発生の状況を示す。ここで、表１と同様に、○は割れ無し、△は全面腐食の状態を表す。
【００２２】
表２より、白金板とＵベンドの表面積比が０．４以下の接合条件では、すべてのＮａＯＨ濃度において環境割れの発生がなく、防止効果を確認することができた。黒鉛棒についても白金板と同様に防止効果を確認した。
しかしながら、ＮａＯＨ濃度が高く、かつ、白金板とＵベンドの表面積比が０．６以上の条件においては全面腐食を示すことがあり、この条件では、実施例１で得られた結果に示す全面腐食の電位域へとシフトすることになり、腐食性を促進する可能性があるものと考えられる。ＮａＯＨ濃度が２０重量％の条件において全面腐食を示す電位としては、白金板とＵベンドの表面積比が０．８の場合、−０．２Ｖにまでシフトすることを確認した。
したがって、対象面が限られる場合においては、対象面と接合する白金、白金合金あるいは黒鉛の表面積比は、０．５以下にすることが好ましい。
【００２３】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明のアルカリ環境割れ防止構造は、各鋼材に適用が容易であり、特にアルカリ環境割れが問題になっている蒸気タービン車室等の機材に適用しうる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】低合金鋳鋼（ＳＣＰＨ２１）の割れ感受性を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例で用いたＵベント試験片の形状を示す図である。
【図３】本発明の実施例で用いた、白金線又は黒鉛棒をガルバニック接合で取り付けたＵベント試験片の形状を示す図である。
【図４】本発明の適用例である低圧タービンの車室ケーシングである。
【図５】本発明を低圧タービンの車室ケーシングに適用した白金溶射による割れ防止構造例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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