三菱重工技報 VOL.43 NO.1: 2006

特集論13

地熱用タービンロータの肉盛溶接補修による再生技術

文Welding Repair Technology for Geothermal
Turbine Rotor
藤 田 明 次＊1

Akitsugu Fujita＊4

曽 我 隆 志Takashi Soga

１．はじめ

松 井 正 数＊2

Masakazu Matsui

山口亮

宮 崎 俊 彦＊3
Toshihiko Miyazaki＊5

Makoto Yamaguchi

損傷している翼植込み部を研削によりすべて除去しに（①），その除去した部分を肉盛溶接により再生した後地熱タービンロータはほとんど低合金鋼（CrMoV（②〜⑤），翼植込み部を機械加工し復旧させる（⑥）．

鋼）を使用しており，腐食性ガス成分が高い環境にお使用する溶接金属は耐食性に優れた 12 %Cr･５%Ni

いて，長時間の運転によりタービン翼植込み部に応力材で，当社が地熱タービンロータ素材として開発，実腐食割れ（SCC）などの損傷を生じる場合がある．

用化している 12Cr ロータ材 1 2 と同じ成分系である．

( )( )

これらの損傷部に補修溶接を行う場合，一般的に使補修溶接を行った場合，母材に生じる HAZ の耐用する溶接材料はその施工性の観点より低炭素系の材

SCC 性が重要なポイントとなる．HAZ の耐 SCC 性料であるため，あまり高強度は期待できない．さらには硬さに大きく影響をうけるため，適正な硬さに管理

溶接熱影響部（HAZ）は SCC に対する感受性を低くすすべきであり，溶接後の SR（Stress Relieve：応力除るために，焼鈍（SR）温度を高くすべきであり，この去焼鈍）温度はある程度高い温度を必要とする．一点においても溶接金属の強度は低くなる要因である．

方，使用した溶接金属は高い温度で SR をすると，目これに対して，当社では高耐食性および高強度を有標としている強度を満足できなくなる．溶接金属部のする肉盛溶接部の施工法を確立し，地熱ロータの再生十分な強度を得るためには低い温度での SR が必須と工事へ適用している．

なる．このように HAZ の硬さを低く抑えた上で，溶本報では損傷した地熱ロータに対して，高耐食性及接金属の強度も確保するために，溶接と SR を２段階び高強度化を可能にした補修溶接技術について紹介すで行う２段 SR 法（図１中②〜⑤）を適用した．第一る．

段階として数ミリ程度の薄い肉盛層を溶接し（②），2．高耐食性及び高強度を有する溶接肉盛技術
図１にロータ補修溶接のプロセスを示す．まず，640℃で SR を行うが（③），ここで重要なポイントは第一段階の肉盛厚みであり，第二段階の溶接熱影響が母材まで届かないような最小の厚みにすることである．次に第二段階として目標の高さまで肉盛溶接を．
行った後（④），580 ℃で２回目の SR を行う（⑤）

亀裂
溶接 1
切削加工

以上の２段 SR 法の適用により，溶接金属の強度を確保しつつ，SCC 感受性を満足するように HAZ の硬さを低く抑えることが可能になった．

3．開発した溶接肉盛技術の有効性
①②

溶接 2
1 回目
SR 640 ℃

機械加工
2 回目
SR 580 ℃

表１に通常実施しているような溶接後に SR を１回だけ実施する方法と２段 SR 法を用いて製作した肉盛溶接材の材料特性の比較を示す．
通常の溶接施工法である溶接後に１回だけ SR を行う方法では SR 温度が高い場合（640 ℃）は HAZ の③④

図１⑥

硬さは目標以下となるが，溶接金属の耐力が目標よ

補修溶接のプロセスり低くなり強度的に満足することができない．また，⑤＊1＊4＊2＊5

技術本部長崎研究所材料・溶接研究室長 工博
技術本部長崎研究所材料・溶接研究室＊3
長崎造船所第二工作部生産技術課

長崎造船所火力プラント設計部陸用タービン設計課
長菱エンジニアリング（株）
材料実験グループ

三菱重工技報 VOL.43 NO.1: 2006

14SR 温度が低い場合（580 ℃），溶接金属部の強度は満足できるが，HAZ の硬さは目標より高くなり，SCC感受性が上昇する．一方，２段 SR 法では溶接金属の強度及び HAZ の硬さともに目標を十分満足している．
表２に２段 SR 法で施工した溶接材について地熱蒸気環境下での SCC 試験結果を示す．本試験は短時間で耐 SCC 特性を把握するため，耐力相当の応力を試験片に負荷している．タービンロータの母材である
CrMoV 鋼の場合，試験開始後６ヶ月で割れが発生している．一方，溶接金属は 12 ヶ月（１年）が経過した時点でも割れ発生はなく，母材に比べ地熱蒸気環境

図２中での耐 SCC 特性が優れていることを示している．

実機地熱ロータの補修溶接作業状況

また，母材に生じた HAZ は６ヶ月で割れが発生しており，硬さを制御したことで母材と同等の SCC 感受る技術を確立した．これまで腐食環境下で使用する性になっていると考える．

タービンロータの補修溶接には高強度の溶接材料を適用することはできなかったが，耐食性に優れた溶接材

表１

各種肉盛方法の比較（母材：CrMoV 鋼）料（12 %Cr･５%Ni 材）を使用し，２段 SR 法を適用することにより，高強度で高耐食性を要求されるターSR 温度（℃）

溶接金属部耐力の許容下限値との差（MPa）

HAZ 部硬さの目標上限値との差（HV）

一般的な SR（ 1 回のみ）

640

−107 ×− 6 ○580＋157 ○＋65 ×

熱影響部の SCC 感受性を母材並にすることも可能と2 段 SR 法

640 + 580+ 154 ○− 8 ○

なった．

施工方法

○：可, ×：不可

ビンロータの補修溶接が可能となった．
また，溶接熱影響部の硬さを低く抑えることにより，本補修溶接法は実機へ適用し，施工性を確認ずみである．

表２SCC 試験結果（負荷応力：σy 相当）
位

試

置

験

期

今後は，本溶接技術の火力発電用低圧タービンロータへの展開，施工コスト低減のためのサブマージアー

間

3 ヶ月

6 ヶ月

12 ヶ月

溶接金属
12 ％ Cr・5 ％ Ni 材

○○

○

母 材
（CrMoV 鋼）○××

母材 HAZ 部（CrMoV 鋼）○××○：亀裂発生なし，×：亀裂発生

4．実機地熱タービンロータへの施工
図２に長時間の使用により翼植込み部に損傷を生じ

ク溶接の適用などを進めていく予定である．
参 考 文 献（1）M.Kamada et. al., Development of a 12%Crsteel rotor forging for geothermal power
plants，Proceeding of the 23rd NZ geothermal
Workshop 2001. p.137（2）M.Kamada et. al., Development of a 12%Cr steel
for geothermal turbine rotor ( Ⅰ )-Fundamental
studies and veriﬁcation test. Proceeding of the
15th International Forgemasters Meeting 2003
Japan. p.187

たタービンロータの補修溶接の状況を示す．
施工終了後に超音波検査法（UT）により，溶接欠陥等の検査を実施した結果，問題となるような欠陥を含まない良好な肉盛溶接部であることが明らかとなった．その後，翼植込み部を機械加工し，翼の植え込みを行い，ロータ再生工事は完了した．

5．まと

藤田明次

松井正数

曽我隆志

山口亮

め

地熱タービンロータは過酷な腐食性蒸気環境中での長時間使用により，翼植込み部に応力腐食割れなどが生じる．この損傷した部位を補修溶接により，再生す宮崎俊彦