JP4781767B2

JP4781767B2 - 高温用構造体の製造方法

Info

Publication number: JP4781767B2
Application number: JP2005291829A
Authority: JP
Inventors: 隆之栗村; 裕一平川; 亨治田中; 秀之戸田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: CN100408813C; CN1944960A; JP2007100168A

Description

本発明は、高温用構造体に関する。特には、本発明は、中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０ｋｇ／ｍｍ^２以下）での高いクリープ変形抵抗性を有する高温用構造体に関する。

従来、火力発電用蒸気タービン等に用いられる耐熱鋼の例としては、低合金鋼（ＣｒＭｏＶ鋼、２．２５ＣｒＭｏ鋼、ＣｒＭｏ鋼）や高Ｃｒ鋼（９Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼（特許文献１、特許文献２を参照））が専ら使用されてきた。

このうち、低合金鋼は、高温強度は炭素鋼と高Ｃｒ鋼の間にあり、さらに衝撃特性や溶接性に優れており、大型鍛鋼・鋳鋼素材の製造性やコスト競争力にも優れている。このため、特に使用温度範囲が４５０〜５５０℃程度の中温域において、タービン構造部材として好ましく使用されてきた。タービン構造部材用の低合金鋼は、従来、鍛造、圧延または鋳造にてニアネット形状の素材に成形後、所定の強度特性を満たすべく適切な調質熱処理を施している。例えば、引張強度特性が要求されるロータ素材では急冷による焼入れ＋焼戻し処理を、厚板や主要弁や鋳物部材では空冷による焼ならし＋焼戻し処理を施して製造されている。
特開昭６０−１６５３５９号公報特開昭６２−１０３３４５号公報

上記方法で製造された低合金鋼の厚板または鍛鋼品を、蒸気タービンの蒸気流を整えるための仕切り板として用いた場合に、目的としている中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０kg／mm^２以下）におけるクリープひずみ量が大きいために、経時的に軸方向のクリープたおれが発生し、その結果、仕切り板とロータとの接触の不具合が生じることがあった。

本発明は、上記課題を解決するために、中温低応力領域におけるクリープ変形が低減された高温用構造体を提供することを目的とする。

本発明は、高温用構造体の製造方法であって、０．０５〜０．１７質量％のＣと、１．００〜２．５０質量％のＣｒと、０．４５〜１．１０質量％のＭｏとを含む低合金鋼を、８００〜１０００℃に加熱した後に、４０℃／時間以下の冷却速度で少なくとも６００℃以下まで冷却してなる焼鈍処理を施すことを特徴とする工程とを含む。上記低合金鋼は、０．０５〜０．１５質量％のＣと、２．００〜２．５０質量％のＣｒと、０．９０〜１．１０質量％のＭｏと、０．３０〜０．６０質量％のＭｎと、０〜０．５０質量％のＳｉと、残部とからなり、残部がＦｅと不可避不純物元素とからなる２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼である。上記高温用構造体は、好ましくは、ベイナイト相の面積率が０〜４０％のフェライト／パーライト／ベイナイト組織を有するものである。

本発明の高温用構造体は、その金属組織を熱処理により制御しており、中温低応力域におけるクリープ変形を低減することができる。このような構造体を蒸気タービン部材に用いることで、静止部と運動部の接触・焼き付きを防止、勘合部の芯ずれを防止することができるほか、ガスタービン、ボイラー等の部材としても好ましく用いることができる。

本発明は、０．０５〜０．１７質量％のＣと、１．００〜２．５０質量％のＣｒと、０．４５〜１．１０質量％のＭｏとを含む低合金鋼を用いる。低合金鋼の残部は、実質的に、Ｆｅを基本成分とし、通常、不可避不純物元素を含む。低合金鋼としては、中温域（４５０〜５５０℃）での高温強度、靱性に優れた２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼を用いる。

２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼は、好ましくは、０．０５〜０．１５質量％のＣと、２．００〜２．５０質量％のＣｒと、０．９０〜１．１０質量％のＭｏと、０．３０〜０．６０質量％のＭｎと、０〜０．５０質量％のＳｉと、残部とからなり、残部は、通常、実質的にＦｅと不可避不純物元素とからなる。不可避不純物元素は、使用原料により異なるが、例えば、０．０３５質量％以下のＰ、０．０３５質量％以下のＳ、０．４質量％以下のＣｕ、０．４質量％以下のＮｉ、０．０３質量％以下のＶ、０．０２質量％以下のＮｂ等が挙げられる。

２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼を鍛造・圧延・鋳造にて成形後、所望の組織を得るために焼鈍処理を行う。焼鈍処理は、温度８００〜１０００℃で板厚に応じた時間（例えば２５ｍｍあたり１時間）保持する。ここで、処理温度は８００℃未満ではオーステナイト単相とならず、十分に前組織を崩すことができないので均質な所望の組織を得ることができない。また、１０００℃を超えると結晶粒の粗大化が生じ、衝撃特性に悪影響を及ぼす。比較的短時間の間にオーステナイト単相となり、かつ結晶粒の粗大化の懸念がないので、焼鈍処理温度は９２５℃近傍が特に好ましい。また、熱処理の雰囲気は、大気雰囲気とすることができる。

このような焼鈍処理は、所定の温度に設定した炉において実施することができ、使用することができる装置や手順は当業者に既知であるため、ここでは説明を省略する。

次に、焼鈍処理の冷却条件は、６００℃までの平均冷却速度が１０℃／分以下の冷却速度で少なくとも６００℃以下まで冷却する。これは、６００℃までの平均冷却速度が１０℃／分以下であればフェライトの析出ノーズと交差し、本実施形態の目的であるフェライト／パーライト組織を一部生成することができるためである。さらにフェライト／パーライト組織の生成量を増大させるためには冷却速度は遅ければ遅い方が好ましく、より好ましくは、炉冷相当の冷却速度である２００℃／時間以下、特に好ましくは、後述の実施例に示すように冷却速度を制御して４０℃／時間（０．６７℃／分）以下で徐冷とし、さらに炉の開放温度を５００℃以下にまで下げれば、ベイナイト組織の生成量を極力ゼロに近くまで低減してほぼ全量フェライト／パーライト組織とすることができる。これは、冷却速度を遅くして冷却中のベイナイト相の析出を極力抑制し、かつ工業的に量産設備で実施可能な冷却速度とできる最適な冷却速度という理由からである。なお、焼鈍処理温度から６００℃以下まで徐冷する間に、冷却速度が０℃／分となる期間があってもよい。すなわち、所定時間にわたって温度を下げることなく、一定温度に保持しておく期間があってもよい。

所定の冷却速度での徐冷を達成するためには、炉内で温度調節をしながら冷却することができる。

１０℃／分以下の冷却速度で少なくとも６００℃以下まで冷却するとは、一旦、６００℃まで１０℃／分以下の冷却速度で冷却し、６００℃以下から常温に達するまでは、季節や実施場所の緯度による気温変動などを考慮し、１０℃／分以上の冷却速度で冷却してもよいことをいう。製造効率の観点からは、６００℃以下まで１０℃／分以下の冷却速度で冷却し、その後、空冷することが好ましい。

このような焼鈍の冷却速度を制御することが重要であるのは、冷却中のベイナイト相の析出を極力抑制し、フェライト／パーライト組織の面積率を高めることができるからである。フェライト相中には微細な針状のＭ_２Ｃ型炭化物が析出し、これが本発明鋼の使用条件である中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０kg／mm^２以下）でのクリープ強化に寄与する。したがって、ベイナイト組織よりもフェライト／パーライト組織の方が高いクリープ変形抵抗を有し、ベイナイト相の面積率は極力低い方が好ましい。

本実施形態による高温用構造体は、上記のように焼鈍処理の冷却速度を制御し、本発明鋼の使用条件である中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０ｋｇ／ｍｍ^２以下）での使用に適した組織形態となるように制御することを特徴とする。

本実施形態により得られた高温用構造体は、中温低応力域で変形しにくいフェライト／パーライト組織を有する。本発明の高温構造体において、フェライト／パーライト組織を有するとは、全金属組織中の６０％以上がフェライト／パーライト組織で占められ、ベイナイト相の面積率が４０％以下であることをいう。なお、ベイナイト相の面積率の測定は、観察倍率１００倍で、画像処理により算出する。従来の、焼ならし、焼戻し処理による高温用構造体はベイナイト単相組織を呈しており、硬さや引張強度は高いものの、中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０ｋｇ／ｍｍ^２以下）でのクリープ変形が大きいことが問題であったが、本実施形態による高温用構造体はフェライト／パーライト組織を有することで、中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０ｋｇ／ｍｍ^２以下）で高いクリープ変形抵抗を有するものとなっている。

本発明にかかる高温用構造体は好ましくは蒸気タービン用部材として用いることができる。蒸気タービン用部材としては、例えば、蒸気タービン用仕切り板、蒸気タービン車室、蒸気タービン弁箱、蒸気タービン主蒸気配管が挙げられる。そして、蒸気タービン用仕切り板に適用することで、蒸気タービン用仕切り板の経時的なクリープたおれによるロータとの接触を防止
することができる。また、蒸気タービン車室に適用することにより、蒸気タービン車室のクリープ変形による回転部との接触を防止することができる。また、蒸気タービン弁箱に適用することにより、蒸気タービン弁箱の経時的なクリープ変形による摺動部の焼き付を防止することができる。さらには、蒸気タービン主蒸気配管に適用することにより、蒸気タービン主蒸気配管の経時的なクリープ変形による勘合部の芯ずれを防止することができる。

図１に、本発明にかかる構造体を適用した蒸気タービン用仕切り板１と、これを備えた蒸気タービン１０の概念図を示す。蒸気タービン１０において、仕切り板１がケーシング２に取り付けられ、動翼３がロータ４に取り付けられている。蒸気タービン用仕切り板１は、蒸気流を整えて動翼に送るための部材であり、静翼を外輪及び内輪で結合した構造体である。コンベンショナル火力用の蒸気タービンでは中温低応力域（使用温度範囲：約４５０〜５５０℃、使用応力範囲：約１０ｋｇ／ｍｍ^２以下）で使用される。そして、本発明にかかる構造体を適用した蒸気タービン用仕切り板によれば、かかる条件で約３０万時間時間以上にわたってクリープ倒れ変形を生じることなく、高いクリープ耐性を有する。

また、本発明にかかる高温用構造体は、ガスタービン用部材として用いることができ、ガスタービン用部材としては、例えば、ガスタービン外車室が挙げられる。そして、ガスタービン外車室に適用するにより、ガスタービン外車室の経時的なクリープ変形による回転部との接触を防止することができる。さらに、本発明にかかる高温用構造体はボイラー配管に適用することもできる。そして、ボイラー配管に適用することにより、ボイラー配管の経時的なクリープ変形を防止することができる。

実施例と比較例
表１に示す化学組成の２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼（ＡＳＴＭＡ３８７Ｇｒ２２鋼）の１５０ｍｍ厚板を用い、表２に示す条件の熱処理を施して、組織およびクリープ特性を調査した。従来から用いている空冷材を比較鋼とし、冷却速度を６００℃までは４０℃／時間（０．６７℃／分）以下で炉冷し、その後炉を開放して空冷したもののうち、冷却速度の早い表層部の試験材を発明鋼−１、冷却速度の遅い中心部の試験材を本発明鋼−２、冷却速度を５００℃までは４０℃／時間（０．６７℃／分）以下で炉冷し、その後炉を開放して空冷したものの表層部を本発明鋼−３とした。

表３に組織観察結果を示す。比較鋼の空冷材はベイナイト単相組織を呈し、本発明鋼ではベイナイト相の面積率は低下して、フェライト／パーライト組織の割合が増大している。６００℃で炉を開放した試験材の表層部（本発明鋼１）、中心部（本発明鋼２）、５００℃で炉を開放した試験材の表層部（本発明鋼３）の順にベイナイト相の面積率が減少しており、ベイナイト相の面積率は概ね冷却速度に依存していると考えられる。ベイナイト相を極力ゼロに近くするためには、４０℃／時間（０．６７℃／分）以下の冷却速度、かつ５００℃以下での炉開放とすることが好ましい。

図２にクリープ試験結果のうち、最小クリープ速度のラーソンミラーパラメータ(Larson Miller Parameter：ＬＭＰ)で整理した結果を示す。ラーソンミラーパラメータは、下記式で表される。
ＬＭＰ＝（２７３＋Ｔ）×（２０−ｌｏｇＡ）／１０００
（式中、Ｔは温度（単位：℃）であり、Ａは最小クリープ速度（単位：mm/mm/Hr）を表す。）
上式より、最小クリープ速度が小さいほどＬＭＰは大きくなることから、図２では右側ほどクリープ変形速度が小さい（クリープひずみが小さい）ことを表している。応力２０ｋｇ／ｍｍ^２以上の高応力域では比較鋼のクリープ変形速度が小さいが、それ以下の低応力域、特に１０ｋｇ／ｍｍ^２以下では順序が逆転して本発明鋼の方がクリープ変形速度が小さい。すなわち、ベイナイト組織よりもフェライト／パーライト組織の方が１０ｋｇ／ｍｍ^２以下の低応力域ではクリープ変形速度が小さく有利であることを示している。本発明鋼の中でも、ベイナイト相の面積率に対応してクリープ速度が変化しており、ベイナイト相の面積率の小さいものほどクリープ変形速度が小さい傾向が認められる。

図３に上記クリープデータを用いた３次元クリープ解析による仕切り板の倒れ量の比較を示す。ここで、縦軸にとった相対倒れ量とは、比較鋼の運転３０００００時間後の倒れ量を１としたときの、相対的な倒れ量を示すものである。
仕切り板の倒れ量（クリープ倒れ量）を図４に示す。仕切り板は外輪が車室に固定された構造であり、蒸気流れ方向に対して下流側にクリープ変形を生じる。この仕切り板の内輪が下流方向に変形した量がクリープ倒れ量である。実機の測定では、下流側の付け根部を変形前の基準点として、内輪内周端後流側の倒れ量を計測した。
本発明鋼は、比較鋼と比べてクリープ倒れ量が小さく、特に経時変化が少ないことがわかった。そして、運転３０００００時間後の本発明鋼の相対倒れ量は、比較鋼の相対倒れ量の約１５％〜４６％と大幅に低減されており、この程度にまで低減されておれば、プラント設計寿命内にロータと仕切り板との接触を確実に回避でき、実際の蒸気タービンの連続運転に支障がなくなる。従って、本発明の仕切り板を適用した蒸気タービンは非常に信頼性の高いものとなる。

図５に、運転３０００００時間後の相対倒れ量とベイナイト相の析出量との関係を示す。ベイナイト相の面積率が多いほど相対倒れ量が増大する傾向にあり、目安である比較鋼の半分の相対倒れ量を達成するためには、ベイナイト相の面積率を４０％以下（零を含む）に制御すればよいことが分かった。なお、目安である比較鋼の半分の相対倒れ量を達成できれば、プラント設計寿命内のロータと仕切り板との接触を回避でき、安定した蒸気タービンの稼動が可能となる。

以上より、２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼の焼鈍処理の冷却速度を制御し、ベイナイト相の面積率を４０％以下に制御すれば、相対倒れ量を大幅に低減可能となることが実証された。

本発明にかかる構造体を適用した蒸気タービン用仕切り板の概念図である。比較鋼と本発明鋼の最小クリープ速度のラーソンミラーパラメータによる整理結果である。クリープデータを用いた３次元クリープ解析による比較鋼と本発明鋼の仕切り板の相対的な倒れ量比較を示す図である。仕切り板のクリープ倒れ量を示す図である。相対的な倒れ量とベイナイト相の面積率との相関を示す図である。

符号の説明

１仕切り板
２ケーシング
３動翼
４ロータ
１０蒸気タービン

Claims

０．０５〜０．１５質量％のＣと、２．００〜２．５０質量％のＣｒと、０．９０〜１．１０質量％のＭｏと、０．３０〜０．６０質量％のＭｎと、０〜０．５０質量％のＳｉと、残部とからなり、該残部が、Ｆｅと不可避不純物元素とからなる２．２５％Ｃｒ１％Ｍｏ鋼を、８００〜１０００℃に加熱した後に、４０℃／時間以下の冷却速度で少なくとも６００℃以下まで冷却してなる焼鈍処理を施すことを特徴とする工程を含む高温用構造体の製造方法。
上記高温用構造体が、ベイナイト相の面積率４０％以下のフェライト及びパーライト組織を有する請求項１に記載の高温用構造体の製造方法。