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特集論

蒸気タービンの長期連続運転のための最新技術

文

Improved Technologies of Steam Turbine forLong Term Continuous Operation
野 田 寿 男＊1

山 田 義 和＊2銭

佐 々 木 公 良＊3

Sumio Noda

谷

Yoshikazu Yamada

哲＊2

Satoru Zenitani

Tomoyoshi Sasaki

エチレン及びアンモニア合成などの石油化学プラントで使用される機械駆動用蒸気タービンは近年の省エネルギー化や保守メンテナンスコスト低減の観点から長期連続運転に対する機器の信頼性向上とその効率維持に対する要求が高まってきている．本論文では高速・高負荷条件に対する高信頼性スラスト軸受，ボイラから飛来するスケール等による調速段ノズルのソリッドパーティクルエロージョン及び湿り蒸気中の水滴との衝突による低圧段ブレードのドレンエロージョン防止技術，長期連続運転中の効率低下改善に対するファウリング除去技術等の実機適用した信頼性向上技術について紹介する．

1．はじめに

2．改良型スラスト軸受

エチレン及びアンモニア合成などの石油化学プラン当社機械駆動用蒸気タービンでは，プラント効率向トで使用されている機械駆動用蒸気タービン（図１）上のためコンプレッサなどの被駆動機の特性による高は，近年の省エネルギー化と保守メンテナンスコスト速回転及び小スペース化を目的としたコンパクトな軸低減の観点から長期連続運転に対する機器の信頼性向受が要求されている．また，当所のスラスト軸受は高上とその効率維持に対する要求が高まってきている．

速・高負荷条件化での使用となり，軸受メタル温度が本報はその要求を満足すべく開発し実機適用した長期上昇し軸受の信頼性裕度の低下が懸念された．

連続運転に対する以下の信頼性向上技術について紹介

一方，エンドユーザからは運転・保守の観点から運する．

転中の各管理値に対して各計測値が十分な裕度を確保（1）改良型スラスト軸受（スラスト軸受）したいとの要求が強く，特に軸受の場合メタル温度低（2）コーティング技術（調速段ノズル，最終段ブレード）減のニーズが高い．

（3）ファウリング除去技術（中間段ノズル・ブレード）
なお，図２は蒸気タービンの断面で上記技術の（）内に示す信頼性向上技術の主要適用部位例を示す．
改良型スラスト軸受（スラスト軸受）以上を解決するために以下の項目をスラスト軸受に適用し高信頼性化を図っている．
（1）直接潤滑方式

コーティング技術（調速段ノズル）
コーティング技術（最終段ブレード）

A
浸漬方式
（従来型）

パッド

ドレン穴

ロータ

潤滑油
直接潤滑方式
（改良型）

A B

浸漬

A-A

ドレン穴

B-B

ロータ

かきまぜ損失低減

図１

＊1
＊2

当社のタービンとコン
プレッサ

広島製作所ターボ機械技術部タービン設計課
技術本部広島研究所物質工学研究室

ファウリング除去技術（中段ノズル・ブレード）

図２

新技術適用部位＊3B

図３

潤滑方式の比較

MHI ターボテクノ（株）広島支社技術担当部長

非浸漬

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（2）改良型レベラが比較的大きかった．改良型レベラでは摩擦抵抗を低（3）パッド裏金：クロム銅減させるため接触部を線接触に変更しレベリング機能（4）オフセットピボットの向上を図った（図５）．

2．1

直接潤滑方式

合成ガス駆動用蒸気タービンでは高速化のためスラ従来，軸受内部に潤滑油を充満させることにより高ストを内側に入れ，さらに軸径を大きくするため，内信頼性を保持してきたが，上流側パッドの高温潤滑油外径差が小さいスラスト軸受を採用（パッド枚数を多による軸受メタル温度高問題やスラストカラー外周面くする）している．レベリング機能改善効果は摩擦力での潤滑油の攪拌抵抗による軸受損失増加等の短所がの影響が大きい，パッド数の多い軸受で顕著である．
図６は従来型と改良型のレベリング特性をスラスト高速化に伴い顕在化するようになった．
この解決策として非浸漬化を目的とした直接潤滑方カラーの傾斜角とパッド荷重比で比較整理したもので式を採用し軸受特性の改善を図った．

ある．改良型レベラでは傾斜角の増大に対し従来型よ

図３に従来の浸漬方式と直接潤滑方式の模式図を示りも緩やかにパッド荷重比が低下しており大幅なレベす．

リング機能の向上が確認された．

図４にタービン出力，回転数の変化に伴う従来型と2．3

パッド裏金：クロム銅

直接潤滑方式のスラストパッドの温度上昇を示す．図軸受パッドの裏金には従来，鋼（STEEL）を採用

４より直接潤滑によるパッドの温度上昇低減効果は，しているが軸受温度低減策として軸受パッドの熱伝導全負荷域にわたり確認され特に高負荷領域で著しいこ率を向上させることが考えられる．とが分かる．
2．2

高い熱伝導率を有するクロム銅を採用した場合，図改良型レベラ７に示すように鋼に比べ約 10 〜 15 ℃の温度低減効果

運転中に生じるスラストカラーと軸受間の相対的傾が期待できる．

斜を復元するレベリング機能はスラスト軸受の重要な2．4特性のひとつである．この機能はパッドの下に設けた軸受の負荷能力を向上させることにより軸受温度を上下レベラがパッド間の不均一荷重に対し力学的釣合低減できる．その手段として油膜のくさび効果を積極条件により姿勢を変え，その結果パッド間が上下して的に活用したオフセットピボットが考えられる．
図８にその効果を示す．

相対的傾斜を吸収する仕組みである．
従来，上下レベラの接触部は面接触であり摩擦抵抗50

05 000：N=10 000 rpm：N=8 000 rpm

10010 000

従来型

パッド

50ル等による調速段ノズルのソリッドパーティクル
エロージョン．
（2）水滴を含む湿り蒸気中で高速回転するため水滴との衝突による低圧段ブレードのドレンエロージョ

05 000

10 000ン．

出力（kW）

したがって，これらのエロージョン防止が長期連続軸受メタル温度の比較
給油ノズル

接触摩擦 大（面接触）

改良型

接触摩擦 小（線接触）

図５（1）ボイラ側から飛来する酸化鉄，シリカ等のスケー

摩擦損失低下上レベラ

下レベラ

劣化として以下の２点が考えられる．

メタル温度低下出力（kW）

図４

長期連続運転中に蒸気タービンが受ける主要な経年

レベラの比較

1.0

Pmin：パッド最小荷重
Pmax：パッド最大荷重：改良型レベラ：従来型ラベラ

0.5
機能向上

0
使用運転範囲図６0.10.2

メタル温度計算値（℃）

ΔT＝Tmet−Tin
Tmet：メタル温度
Tin：供給油温度

パッド荷重比：Pmin/Pmax1003．コーティング技術

直接潤滑方式（改良型）
メタル温度上昇 ΔT（℃）

メタル温度上昇 ΔT（℃）

浸漬方式（従来型）

オフセットピボット120

温度低減効果10010〜15℃

80
60：STEEL
P=20 k f/cm2：クロム銅 P=20 k f/cm2

40
2002 000

4 000

傾斜角 β（de ）レベリング機能の比較

6 000

8 000 10 000

回転数（rpm）

図７

裏金材質の比較

三菱重工技報 Vol.41 No.3（2004-5）

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PTA 肉盛溶接法

メタル温度（計算値）（℃）

計算条件：最大メタル温度
120
温度低下

110

銀ろう付け（従来工法）

SPEED: N=11300 rpm
LOAD: W=4 800 k f
δ
OFF SET: e=100×L

100

L/29080δ

ステライト板ステライト板L/270
600246810

オフセット率 e（％）

銀ろう12
ステライト部
パッドピボッド
溶接後

図８

象

図 10

高温度条件

い・ボロナイジング
コ−ティング・プラズマスプレー技術
適用部位

低・プラズマスプレー
・ステライト板
銀ろう付け・PTA 溶接

ノズル

図９

いブレード

エロージョン防止

完成品

ステライトの外観比較

0ソリッドパーティクル
ドレンエロージョン
エロージョン−0.5重量減（m ）現完成品

オフセット率の比較：母材のみ：銀ろう付けステライト：PTAステライト肉盛溶接−1−1.5−2−2.5−3012345678910試験時間（Hr）

図 11運転を実現し，さらにはタービンの経年劣化を防止す

耐エロージョン性

る上で極めて重要になる．図９には当社で採用しているエロージョン防止技術の一例を示す．

振幅： 25 μm）により得た PTA の耐エロージョン性

ここでは，最終段ブレードのドレンエロージョン防を銀ろう付けと比較して示すが，PTA は銀ろう付け止技術の一つとしてステライトのプラズマ粉体肉盛溶と同等の耐エロージョン特性を有している．図 12 に接法（Plasma Transfer Arc Welding）を，調速段ノは小野式回転曲げ疲労試験（環境：大気，温度：室温，ズルのパーティクルエロージョン防止技術としてボロ繰返し速度： 60 Hz）により評価した PTA の疲労強ナイジング処理を紹介する．

度を銀ろう付けと比較して示す．銀ろう付けの疲労強なお，ステライトのプラズマ粉体肉盛溶接法を以下，PTA ステライト肉盛溶接法と称する．
3．1

PTA ステライト肉盛溶接法

度が母材の約 1/2 に低下しているのに対し，PTA は優れた疲労強度特性を有する．
以上のことから従来工法では銀ろう付けによる疲労本法はプラズマ溶接トーチと母材（ブレード）の間強度の低下のため保護領域（ステライト部）は翼頂部に発生させたプラズマアーク中にステライト粉末材料のみに限定されたが，PTA では母材と同等の疲労強を供給，溶解して肉盛するもので，施工条件の適正化度を有することから翼中央部付近まで施工可能となっと多関節ロボットを用いた自動溶接化により肉厚が薄た．したがって，PTA は保護領域の拡大により厳しく溶けやすいブレード先端エッジ部分においても，母いエロージョン環境への適応拡大が図れるものと思わ

材溶け込みの少ない（希釈の少ない）高品質な肉盛層れる．さらにステライト板は成形困難，手作業などのが安定して得られる．また，溶接変形も少なく施工後問題点があったが PTA では機械による施工を行ったの矯正等は不要である．

ため品質及び歩留りも格段に改善が図られた．

図 10 に PTA ステライト肉盛法を適用したブレード3．2 ボロナイジング処理の外観を，従来のステライト板銀ろう付けのものと比調速段ノズルのスケールによるパーティクルエロー較して示す．PTA ステライト肉盛法ではステライトジョン防止技術として実機に適用しているボロナイジ板銀ろう付けとは異なり，ブレード母材との区別がつング処理は，表面硬化処理技術であり以下のような処かないほど滑らかな連続一体化形状が得られている．

理方法及び特性を有している．

図 11 に ASTM G32-77 にしたがって実施したキャビ処理方法テーション・エロージョン試験（環境：イオン交換水，（1）高硬度のボロン合金層［Fe2B］を形成

温度：室温，試験周波数： 18.3 KHz，試験片先端の（2）浸透拡散処理

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無次元応力振幅1.0

母材の疲労限ダメージ

0.80.6改善

0.4

銀ろう付け
（従来工法）

0.200

ノズルプロファイル

無次元重量減：母材：銀ろう付け
：PTA

1.2

105

106

減肉量低減
ボロナイジング処理−1
母材のみ−1.5107010：蒸気の流れ

繰り返し数

図 12−0.5：スケール

疲労強度
図 1330

図 14 耐ソリッドパーティクルエロージ
ョン試験比較

ノズルの磨耗損傷メカニズム

特性

摩耗パターンイメージ
摩耗度合（1）ボロン合金層の硬度 Hv 1 200 〜 1 800 を確保（2）高温での硬度が高く耐高温摩耗性が高い（3）母材へ針状に侵入するため耐剥離性が高い（4）ボロン合金層の厚さが約 80 μm と薄い20

試験時間（Hr）：母材のみ：ボロナイジング処理

エロージョン
運転時間

図 13 にノズルの摩耗損傷メカニズムを示す．
スケールはボイラチューブ内表面に水蒸気酸化により生成成長し，その後肥大化したスケールはプラントの起動発停時にチューブ母材との固着力が弱くなり剥母材のみ（処理なし）

図 15

離しタービンに流入する．

ボロナイジング処理

調速段ノズルの外観状況比較

ノズルプロファイルを通過する際流れの方向が急激に変化するため，比重が大きいスケールは慣性効果によって蒸気の流れに追従できずノズルプロファイルに衝突し摩耗損傷を引き起こす．これをソリッドパーティクルエロージョンと呼ぶ．特にタービン入口に配置される調速段ノズルの損傷が大きい．
図 14 にボロナイジング処理有無による耐ソリッドパーティクルエロージョンの試験結果を示す．同図よりボロナイジング処理は未処理ノズルに比べ摩耗量が極めて少ないことが分かる．例えば試験時間 10 hr 時で比較するとボロナイジング処理ノズルの摩耗量は未処理ノズルの約 1/10 である．

り，現在，実機での効果確認段階である．

5．まとめ

近年の省エネルギー化と保守メンテナンスコスト低減の動向の中で長期連続運転に対する機器の信頼性向上とファウリング除去技術の実現による効率維持は今後の重要課題となる．
当社ではこれらの要求（ニーズ）を満足すべく技術を開発し実機適用を図っている．
今後も長期連続運転に対するエンドユーザからの要求を敏感に受け止め，要望に答えるには更なる高信頼

図 15 にボロナイジング処理した実機調速段ノズル

性技術の研究・開発が不可欠であり，関係研究所等との外観状況を未処理と比較して示す．未処理ノズルは連携してタイムリーな実機適用を図っていきたい．

ノズル出口端に損傷が見られるがボロナイジング処理では見られず表面硬化処理が有効に働いている．

4．ファウリング除去技術
蒸気タービンを長期間連続運転させているとブレードやノズルに汚れが蓄積し性能や効率低下となるファウリング問題が発生する．問題の解消策として，プラ野田寿男

山田義和

銭谷哲

ントの負荷低減あるいは，タービンを停止することなく，通常運転中に抽気調圧弁の弁室から水を注入し蒸気温度を下げるとともに湿り度を上げオンラインウォ
ッシングする方法を特許申請済みである．既に実機相当試験にて実機適用のめどが図れることを確認してお佐々木公良
三菱重工技報 Vol.41 No.3（2004-5）