JP5003130B2

JP5003130B2 - タービンロータ

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Publication number: JP5003130B2
Application number: JP2006326423A
Authority: JP
Inventors: 映二西岡; 将彦新井; 啓嗣川中; 秀亮石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008137042A

Description

本発明は、信頼性の高い溶接部を有するタービンロータに関する。

環境問題の高まりから、蒸気タービン発電プラントには高効率化及び出力の大容量化が求められ、蒸気温度は高温高圧化が進められている。

従来、蒸気タービンロータの如く大型の回転体は、鍛造熱処理技術の発展とも相俟って、一体型ロータが適用されてきた。蒸気温度５３８℃〜６００℃の高圧，中圧蒸気タービンには、１％ＣｒＭｏＶ系鋼（非特許文献１），１２％Ｃｒ系鋼（特許文献１）が使用され、蒸気温度４００℃以下の低圧蒸気タービンには３〜４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼
（非特許文献２）が使用されている。

また、タービンの軽量化，構造簡素化のために、５３８〜５６６℃の蒸気温度で高圧から低圧までを同一材質で一体成形した高低圧一体型ロータには２％Ｎｉ−２％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼（特許文献２）等が使用されているが、さらなる高温化，大容量化には適さない。

ロータ材に要求される特性は、高圧（高温）では高温クリープ破断強度であり、低圧では引張強度，靭性である。このように蒸気タービンロータは、一つの材質で高圧，低圧の双方の特性を満足することは困難であるのは勿論のこと、要求される特性は段落毎に異なっている。

段落毎または複数段落毎に最適な材料を選択して、ボルト締結，溶接接合等により一本のロータを構成する方法が知られており、溶接構造ロータが非特許文献３に示されている。

また、製造工程の再溶解時に異なる材質を接合する方法として、特許文献３がある。段落毎または複数段落毎のような小鋼塊は、大型ロータの製造と比べて、高品質な鋼塊が得られやすく、大規模な製造設備を必要としない。

また、従来のタービンロータ溶接方法では、開先底部に予めバックシールド注入用の穴を設けたもの（非特許文献４）、溶接部の周辺からタービンロータの中心孔に穴を設けたもの（特許文献４）などがある。

特許第１８３３１０８号公報特許第３１０６１２１号公報特公昭５６−１４８４２号公報特開２０００−６４８０５号公報ＡＳＴＭＡ４７０ Class８ＡＳＴＭＡ４７０ Class７三菱重工技報、Vol.３７、No.３（２０００−５）富士時報 Vol.７７， No.２（２００４）

プラント起動および停止時にタービンロータに掛かる負荷を低減するために、タービンロータには中心孔が設けてある。タービンロータを溶接する際には、まずタービンロータに開先加工してある突合せ部の底部を溶接する。初層は、開先底部を完全に溶融して、タービンロータ内周まで貫通させる必要がある。一般的な突合せ溶接において、初層を板の裏面まで貫通させる場合、溶接ビード表面の酸化を抑制するために、溶接する開先底部の裏側から不活性ガスを噴射する。

しかし、溶接する際にタービンロータを突合せることにより、タービンロータの中心孔は塞がれる。そのため、開先底部の裏側から不活性ガスをタービンロータの中心孔に注入することができない。そのため、初層のタービンロータ内周側は過度に酸化し、亀裂進展の起点となる表面荒れが発生する。さらに、タービンロータ内周の溶接ビードも観察できないため、亀裂進展の可能性を判定することもできない。

また、回転体であるタービンロータに設けた穴は、強度上好ましくない。それは、穴が応力集中となる可能性があるためである。これより、強度低下の起点のない、信頼性の高いタービンロータを提供する必要となる。

本発明は、バックシールドを使用できない環境下において、溶接部内に強度低下の起点となる欠陥がないタービンロータを提供することにある。

本発明のタービンロータは、少なくとも２個に分割されたタービンロータを突合せ溶接により溶接部を介して接続した中心孔を有するものであって、溶接部は、Ｃを０.１〜0.2質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを０.３〜０.７質量％、Ｎｉを０.２〜２.３質量％、Ｃｒを１.７〜４.８質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材を少なくとも有することを特徴とする。

また、タービンロータが、Ｃを０.１７〜０.３２質量％、Ｍｎを０.２０〜０.４０質量％、Ｎｉを３〜４質量％、Ｃｒを１.２５〜２.０質量％、Ｍｏを０.２４〜０.６質量％、Ｖを０.０５〜０.１５質量％、および残部としてＦｅから構成されるベーナイト組織を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼であることが好ましい。

さらに、溶接部は、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを0.3〜０.７質量％、Ｎｉを０.３〜２.３質量％、Ｃｒを１.９〜４.８質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材を少なくとも有することが好ましい。

また、タービンロータが、Ｃを０.１７〜０.３２質量％、Ｍｎを０.２０〜０.４０質量％、Ｎｉを３〜４質量％、Ｃｒを１.２５〜２.０質量％、Ｍｏを０.２４〜０.６質量％、Ｖを０.０５〜０.１５質量％、および残部としてＦｅから構成されるベーナイト組織を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼と、Ｃを０.２５〜０.３５質量％、Ｍｎを１質量％以下、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒを０.８〜１.５質量％、Ｍｏを１.０〜１.５質量％、Ｖを0.2〜０.３質量％、および残部としてＦｅから構成されるベーナイト組織を有するＣｒ−
Ｍｏ−Ｖ系鋼と、の組み合わせであることが好ましい。

この場合の溶接部は、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを
０.４〜０.７質量％、Ｎｉを０.２〜１.３質量％、Ｃｒを１.７〜４.８質量％、Ｍｏを
０.６〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材を少なくとも有することが好ましい。

さらに、溶接部は、前述の鋼材の外周に、Ｃを０.０３〜０.３質量％、Ｓｉを０.０６〜０.３質量％、Ｍｎを０.６〜１.７質量％、Ｎｉを２.２〜３.６質量％、Ｃｒを０.４〜１.６質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される第二の鋼材を有することが好ましい。

また、本発明のタービンロータは、溶接部が、化学成分の異なる少なくとも２つの領域から構成され、溶接部の内周側に位置する第１領域の化学成分が、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを０.３〜０.７質量％、Ｎｉを０.２〜２.３質量％、Ｃｒを１.７〜４.８質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材からなり、溶接部の外周側に位置する第２領域の化学成分が、Ｃを０.０３〜０.３質量％、Ｓｉを０.０６〜０.３質量％、Ｍｎを０.６〜１.７質量％、Ｎｉを２.２〜３.６質量％、Ｃｒを０.４〜１.６質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材からなることが好ましい。

また、本発明では、少なくとも２個に分割したタービンロータを突合せ溶接により溶接部を介して接続した中心孔を有するタービンロータにおいて、溶接部はＣを０.０４〜
０.２２質量％、Ｓｉを０.０８〜０.４６質量％、Ｍｎを０.３〜１.０５質量％、Ｎｉを０.１５〜２.３質量％、Ｃｒを１.８〜５.０質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材を少なくとも含むことを特徴とする。

また、タービンロータが、Ｃを０.１７〜０.３２質量％、Ｍｎを０.２０〜０.４０質量％、Ｎｉを３〜４質量％、Ｃｒを１.２５〜２.０質量％、Ｍｏを０.２４〜０.６質量％、Ｖを０.０５〜０.１５質量％含むベーナイト組織を有する３〜４質量％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼の場合、溶接部はＣを０.０５〜０.２０質量％、Ｓｉを０.０８〜０.４６質量％、Ｍｎを０.３〜１.１質量％、Ｎｉを０.３〜２.３質量％、Ｃｒを２.０〜２.３質量％、Ｍｏを０.６〜１.０１質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材であることが望ましい。

また、タービンロータの組み合わせがＣを０.１７〜０.３２質量％、Ｍｎを０.２０〜
０.４０質量％、Ｎｉを３〜４質量％、Ｃｒを１.２５〜２.０質量％、Ｍｏを０.２４〜
０.６質量％、Ｖを０.０５〜０.１５質量％含むベーナイト組織を有する３〜４質量％
Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼とＣ０.２５〜０.３５質量％、Ｍｎを１質量％以下、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒを０.８〜１.５質量％、Ｍｏを１.０〜１.５質量％、Ｖを０.２〜０.３質量％含むベーナイト組織を有する１質量％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼である場合、溶接部はＣを０.０５〜０.２５質量％、Ｓｉを０.０８〜０.４６質量％、Ｍｎを０.４〜１.１質量％、Ｎｉを０.２〜１.３質量％、Ｃｒを１.８〜２.３質量％、Ｍｏを０.９〜１.１質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材であることが望ましい。

また、タービンロータは、Ｃを０.０５〜０.２５質量％、Ｓｉを０.０８〜０.４６質量％、Ｍｎを０.３〜１.０５質量％、Ｎｉを０.２〜２.３質量％、Ｃｒを１.８〜２.３質量％、Ｍｏを０.６〜１.１質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材で肉盛された突合せ部を有することが望ましい。

また、溶接部は、化学成分の異なる少なくとも２つの領域から構成され、タービンロータ内周側に位置する第１領域の化学成分はＣを０.０４〜０.２２質量％、Ｓｉを０.０８〜０.４６質量％、Ｍｎを０.３〜１.０５質量％、Ｎｉを０.１５〜２.３質量％、Ｃｒを１.８〜５.０質量％、Ｍｏを０.４〜１.１質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材であることが望ましい。

また、第１領域は、第１領域の高さが５mm以上隆起部高さ以下であることが望ましい。

また、第２領域は、第２領域の化学成分がＣを０.０３〜０.２１質量％、Ｓｉを0.05〜０.３質量％、Ｍｎを０.６〜１.５質量％、Ｎｉを２.２〜３.６質量％、Ｃｒを０.４〜
１.６質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材であることが望ましい。

本発明によれば、バックシールドを使用できない施工環境下において、欠陥のない溶接部を含むタービンロータを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明の第１の実施例を、図１から図４を用いて説明する。図１は、本発明に係る低圧複流蒸気タービン用溶接ロータの断面図である。本低圧複流蒸気タービン用溶接ロータは、左右対称に６段のタービン動翼が植え込まれる構造を有し、その中央部から左右に蒸気が流入される複流型である。本実施例では、最終段以外のタービン動翼が植え込まれる中央部の蒸気流入側ロータ３２に対してその両側に最終段タービン動翼が植え込まれるジャーナル部を有する最終段落側ロータ３１，３３が夫々溶接部３６，３７で溶接接合する構造を有するものである。

本実施例の溶接部の構造は、中空部３４，３５を設けて軽量化を図っている。又、蒸気流入側ロータ３２及び最終段落側ロータ３１，３３のいずれも表１の３〜４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を用い、溶接部３６，３７を介して接合した。本実施例の蒸気タービン用溶接ロータは、中空部３４，３５以外は中実である。

図２は本発明に係る溶接部を示す部分断面図（ａ）、溶接部を示す部分断面図（ｂ）である。２つのタービンロータ１とタービンロータ２は、溶接部を介して接合される。タービンロータの溶接される側の端部は、溶接部３を設けてある。開先部底部には、他方のタービンロータと位置合わせするために突合せ部４を設けてある。開先部中央部から外側には、溶接ワイヤを溶融することで溶接部が形成される。

図３は、タービンロータ溶接装置を示す模式図である。ここでは、タングステン・不活性ガス溶接法について図示する。タービンロータ溶接装置８は、電極９が取り付けられるトーチ１０，溶接部を形成する溶接ワイヤ１１，トーチ１０及び溶接ワイヤ１１を支持固定するアーム１２，電極９に所定値の電流を供給する溶接電源１３，溶接部の酸化を抑制するために電極９周囲から噴射する不活性ガスを供給するガスボンベ１４，タービンロータ１を支持しながら回転させるためのタービンロータ回転装置１５及び溶接ワイヤ１１を溶接部に送給する溶接ワイヤ送給装置１６を備える。電極９には、溶接電源１３から電流供給を受けるために送電線１７が取り付けてある。トーチ１０には、ガスボンベ１４から不活性ガスの供給をうけるためにガスホース１８が取り付けてある。タービンロータ１には、電極９とタービンロータ１との間で電気アークが発生するために、電気線１９が取り付けてある。タービンロータ回転装置１５には、溶接電源１３から回転速度および回転方向の制御信号を受けるために回転信号線２０が取り付けてある。溶接ワイヤ送給装置１６には、溶接ワイヤ１１の送給速度の制御信号を受けるために送給信号線２１が取り付けてある。本発明では、図示したタングステン・不活性ガス溶接法に加えて、サブマージアーク溶接法，被覆アーク溶接法，メタル・不活性ガス溶接法および、これらの組み合わせを採用することができる。

図４は本発明におけるタービンロータ溶接工程フローの一例である。まず、溶接工程を開始する指示がでると（Ｓ１０１）、溶接時の熱応力を緩和するために、タービンロータを予熱する（Ｓ１０２）。そして、溶接ワイヤを溶接装置に取り付ける（Ｓ１０３）。溶接するワイヤの種類（元素成分）により、溶接部表面の過剰酸化度合いは異なる。そこで、予備試験として、元素成分の異なる溶接ワイヤを用いて、溶接を行い、その表面形態を観察した。表２に予備試験における溶接条件を、表３に使用した溶接ワイヤの元素成分及び過剰酸化観察結果をそれぞれ示す。

予備試験の結果、溶接ワイヤＮo.４及びＮo.５を用いた場合に、溶接部裏面の過剰酸化が発生しないことが分かった。溶接部は、溶接ワイヤ成分と母材成分の混合相から構成される。よって、溶接部の過剰酸化発生形態は、溶接ワイヤ元素成分だけではなく、母材元素成分との混合により決定づけられる。

これらの知見を元に、過剰酸化を発生しないタービンロータ溶接部の元素成分範囲を検討した。溶接部，母材および溶接ワイヤの化学組成および体積に関する関係式（１）〜
（３）を基に、式（４）を導出した。
Ｃ_pＶ_p＝Ｃ_sＶ_s＋Ｃ_wＶ_w 式（１）
Ｖ_p＝Ｖ_s＋Ｖ_w＝１００式（２）
Ｒ＝Ｖ_s／Ｖ_p 式（３）
Ｃ_p＝Ｃ_w＋(Ｃ_s−Ｃ_w)Ｒ式（４）
ここで、Ｃは化学組成濃度、Ｖは溶接部内の体積比である。添字のｐは溶接部、ｓはタービンロータ、ｗは溶接ワイヤである。Ｒは、式（３）で定義する希釈率で、溶接部内に占めるロータ母材の体積比である。表２に記載した溶接条件で製作した溶接部の希釈率Ｒは、約１０％であった。このことから、式（４）に基づき、溶接ワイヤ４を用いた場合の溶接部の化学組成を求めると、Ｃは０.１質量％、Ｓｉを０.３質量％、Ｍｎは０.７質量％、Ｎｉは０.４質量％、Ｃｒは２.２質量％、Ｍｏは１.０質量％、および残部はＦｅとなった。Ｃは焼入れ効果、Ｓｉは脱酸効果、Ｍｎは脱硫・脱酸効果、Ｎｉは焼入れ効果、Ｃｒは酸化抑制効果、Ｍｏは焼戻し脆化防止効果がある。Ｃｒの酸化抑制効果に加えて、これらの元素の相乗効果により、溶接部の過剰酸化を抑制できた。

次に、溶接（Ｓ１０４）して、その後、溶接部周囲のみに局部的に入った熱を均一化するために、後熱処理を行う（Ｓ１０５）。さらに、溶接時の溶け込み不良やガスの排出不良に起因する欠陥の有無を確認するために、溶接部内を検査する（Ｓ１０６）。溶接部内に欠陥を検出して、その欠陥サイズを推定する（Ｓ１０８）。機械強度上許容できない場合には、欠陥部を含む溶接部を除去して（Ｓ１０９）、除去した溶接部を再度溶接しなおす（Ｓ１０４）。溶接部内で欠陥を検出しなかった場合、および検出した欠陥が許容できる場合は、溶接部に入った残留応力を除去するために応力除去焼鈍を行い（Ｓ１１０）、接合工程を終了する（Ｓ１１１）。

このように、溶接部の化学組成を限定することにより、バックシールドを使用できない施工環境下において、溶接部の過剰酸化を抑制することができる。

本発明の第２の実施例を、図５を用いて説明する。溶接装置および溶接工程の手順は、第１の実施例と同様（図３及び図４）である。また、タービンロータの構造及び鋼種は、第１の実施例と同じ（図１と表１）である。本実施例は、溶接条件のみが第１の実施例
（表２）と異なる。溶接条件により母材の溶かし込み量が異なるため、希釈率Ｒは変化する。本実施例で使用した溶接条件および希釈率測定結果例を、表４に示す。また、使用した溶接ワイヤは、第１の実施例と同じものである（表３）。

表４の溶接条件に従い表３の溶接ワイヤを使用して溶接部を作製した結果、第１の実施例と同様に溶接ワイヤＮo.４及び５を使用した場合のみ過剰酸化は生じなかった。このことから、過剰酸化を生じない溶接部の化学組成は、一つの組み合わせではなく、ある範囲内の組み合わせであることが分かった。上記の結果に基づき、溶接部内の化学組成を求めた。計算は、第１の実施例と同様の式（４）に基づいた。

図５に、溶接部内の化学組成に及ぼす溶接ワイヤの材料成分の影響を示す。ここでは、元素の代表例としてＣｒに関する図を示すが、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ及びＭｏについても、同様に計算することが出来る。溶接ワイヤ４及び５を使用して作製した過剰酸化を生じない溶接部において、その溶接部内のＣｒ含有量は１.９から４.８質量％であることが分かった。Ｃｒは、元々酸化しやすい元素である。溶接部はＣｒを含むことで、溶接部表面に酸化クロム層が形成する。酸化クロム層は安定な不動態なので、さらに酸化しない。これにより、溶接部自体は、酸化は進行しない。溶接部内のＣｒ含有量が１.８質量％より少ない場合、Ｃｒによる溶接部の酸化抑制は十分でない。そのため、溶接部は酸化するので、その結果として過剰酸化が発生する。また、溶接部は、液相から固相へ凝固する過程を得て形成される。液相状態の溶接部は、アークの揺らぎおよび電極の走査に伴い、内部攪拌している。そのため、溶接部の表面に形成した酸化クロム層は、溶接部内に攪拌される。これにより、液相状態の溶接部表面では、酸化クロム層を形成し続けて、溶接部内部に酸化クロムを含むことになる。そのため、溶接部内のＣｒ含有量が５.０質量％より多い場合、溶接部内部の酸化クロム量は過剰酸化に対して無視できないほど多くなり、過剰酸化が発生する。他の元素についても、過剰酸化に対する作用はそれぞれ異なるものの、それぞれに上限値と下限値が存在する。Ｃｒと同様に過剰酸化を発生しない溶接部の組成を計算した結果、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを０.３〜０.７質量％、Ｎｉを０.３〜２.３質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％となった。Ｃは焼入れ性を向上させる元素である。その量が０.１質量％以下では十分な焼入れ性が得られない。

また０.２質量％以上になると靭性を低下させるので、Ｃの範囲は０.１〜０.２質量％に限定される。Ｓｉは脱酸剤、Ｍｎは脱硫・脱酸剤で、鋼の溶解の際に添加するものであり、少量でも効果がある。そのため、十分な脱酸効果を得るためには、Ｓｉは０.１質量％以上とする必要である。

しかし、ＳｉはＦｅよりＯと結びつき易い性質を有するため、ＳｉＯ₂ を形成して溶接性を低下させる。そのため、Ｓｉは０.３質量％以下とする。適量のＭｎ添加は、鋼中に不純物元素として存在し、熱間加工性を悪くする有害なＳを硫化物ＭｎＳとして固定する作用がある。このため、Ｍｎの適量添加は前述のＳの害を減少させる効果があるので、蒸気タービン用ロータシャフトのような大型鍛造品の製造においては、０.３質量％以上にすべきである。

一方、多量に添加するとクリープ脆化を生じやすくなり、切欠き弱化となるので０.７質量％以下とする。Ｎｉは焼入れ性を向上させ、靭性向上に不可欠の元素である。Ｎｉが０.３質量％未満では、靭性向上効果は十分ではない。また２.３質量％を超える多量の添加はクリープ破断強度を低下させてしまう。Ｍｏは焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度向上及び焼戻し脆化防止効果がある。０.４質量％未満ではこれらの効果が十分ではなく、１.０質量％を超える多量の添加は靭性を低下させる。

このような理由により、溶接部の化学組成が上記範囲内に入るように、溶接ワイヤを選定することで、過剰酸化を生じない溶接部を形成することができる。

本発明の第３の実施例について、図６から図８を用いて説明する。タービンロータ１とタービンロータ２の鋼種組み合わせは、タービンロータの用途により、実施例１及び２で示した同種類の鋼種を溶接する場合と異なる種類の鋼種を溶接する場合がある。前者は、大型鋼塊を製造しにくい鋼種に対して、小型鋼塊を溶接して大型鋼塊として使用する場合に用いる。後者は、圧力や温度など蒸気条件が異なる部位に応じた鋼種を使い分ける場合に用いる。第３の実施例では、後者の異材を溶接する場合について説明する。表５に、これらの鋼種の化学組成を示す。図６は、本発明に係る高低圧一体型タービン用溶接ロータの断面図である。高温側ロータ３８と低温側ロータ３９の２つに分割され、中空部３４で接合した。溶接部の構造は実施例１と同様の構造を有し、継手部は最終段落側ロータ３３を形成し、軽量化を図っている。高温側ロータ３８は表５の１％ＣｒＭｏＶ系鋼、低温側ロータ３９は表５の３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼より構成される。本実施例における使用する溶接装置および溶接工程の手順は、第１の実施例と同様（図３及び図４）であり、使用する溶接ワイヤ及び溶接により形成した溶接部の化学成分のみが異なる。

溶接部の化学組成は、第１の実施例で説明したように、母材および溶接ワイヤの化学組成と希釈率により決まる。２つの母材の化学組成は異なるため、関係式（５）〜（７）から、溶接部の化学組成は式（８）で求まる。
Ｃ_pＶ_p＝Ｃ_s1Ｖ_s1＋Ｃ_s2Ｖ_s2＋Ｃ_wＶ_w 式（５）
Ｖ_p＝Ｖ_s1＋Ｖ_s2＋Ｖ_w＝１００式（６）
Ｒ＝（Ｖ_s＋Ｖ_s2）／Ｖ_p 式（７）
Ｃ_p＝Ｃ_w＋（Ｃ_s−Ｃ_w）Ｒ式（８）
ここで、添字のｓ１はタービンロータ１、ｓ２はタービンロータ２である。図８に、溶接部内の化学組成に及ぼす溶接ワイヤの材料成分の影響を示す。ここでは、元素の代表例としてＣｒに関する図を示すが、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ及びＭｏについても、同様に計算することが出来る。ここでは、溶接時の母材溶け込み量が同じ（Ｖ₁＝Ｖ₂）と仮定した。過剰酸化を生じない溶接部のＣｒ含有量は１.７から４.８質量％であることが分かった。Ｃｒと同様に過剰酸化を発生しない溶接部の組成を計算した結果、Ｃは０.１〜０.２質量％、Ｓｉは０.１〜０.３質量％、Ｍｎは０.４〜０.７質量％、Ｎｉは０.２〜１.３質量％、Ｍｏは０.６〜１.１質量％、および残部としてＦｅとなった。この化学組成範囲は、第２の実施例で示したものと異なる。第２の実施例では、第１の実施例に比べて溶接部内のＮｉ含有量が少ない。そのため、溶接部の靭性が比較的低いので、溶接部は割れ易い。この影響をカバーするために、他の元素の化学組成が第１の実施例と異なる。

このように、タービンロータ鋼種の組み合わせにより、溶接部の化学組成範囲を調整することにより、バックシールドを使用できない施工環境下において、溶接部の過剰酸化を抑制することができる。

本発明の第４の実施例を、図９から図１２を用いて説明する。使用する溶接装置は、第１の実施例と同じ（図３）である。また、タービンロータの構造及び鋼種は、第１〜３の実施例と同じ（図１と表１及び図６と表５）である。本実施例では、溶接部の化学組成が溶接部の高さ方向に少なくとも２段階に分類される。この点は、第１及び第２の実施例とは異なる。本実施例では、溶接部底部側を第１領域、溶接部上部側を第２領域と定義する。

図９は本発明におけるタービンロータ溶接工程フローの一例、図１０はタービンロータ溶接工程におけるタービンロータ溶接部の概略図の一例である。まず、溶接工程を開始する指示がでると（Ｓ２０１）、溶接時の熱応力を緩和するために、タービンロータを予熱する（Ｓ２０２）。そして、第１領域を形成するのに適した溶接ワイヤを溶接装置に取り付ける（Ｓ２０３）。Ｓ２０３終了時点におけるタービンロータは、図１０の（１）のように固定されている。ここで、第１領域用の溶接ワイヤとしては、第１から第３の実施例で説明した手順に従い選定する。つまり、過剰酸化を発生しない溶接部を化学組成を満たすように、溶接ワイヤを選定する。

次に、第１領域を溶接する（Ｓ２０４）。Ｓ２０４終了時点におけるタービンロータは、図１０の（２）のようになる。第１領域溶接後、第１領域用溶接ワイヤを取り外し
（Ｓ２０５）、第２領域用の溶接ワイヤを取り付ける（Ｓ２０６）。第１領域用溶接ワイヤは過剰酸化を抑制するのには適するが、実機運転に必要な機械強度を有さない。

図１１に、溶接ワイヤＮo.と溶接金属の引張強度を示す。溶接ワイヤＮo.は、表３で示した化学組成を有するものである。引張強度は、実機運転時にタービンロータに必要な引張強度との相対値で示した。図１１より、過剰酸化を抑制するのに適した溶接ワイヤＮo.４及び５を使用した場合、溶接部は、実機運転に必要な強度を確保できない。

一方、溶接ワイヤＮo.６〜９を使用した場合、溶接部は過剰酸化するものの、実機運転に必要な強度を確保することが出来る。よって、第２領域は、元々バックシールドを使用しないで溶接する部位を対象として、溶接部の強度を重視した溶接ワイヤを使用して溶接する（Ｓ２０７）。

図１２に、図１０の（２）について詳細に示す。図１２中のｈ₁は、第１領域厚さ、ｈ₀は隆起部の高さである。隆起部は、溶接部への応力集中を緩和するためにロータ内周側に設けた部位である。予備実験として、第１領域の厚さを変化させた溶接部を形成した。

その結果、図１２の（１）に示すように、第１領域の厚さが５mm以下の場合、第１領域に引き続き積層する第２領域溶接時に発生する溶融池は第１領域を貫通した。これにより、第１領域の溶接ロータ内周側は、過剰酸化を生じた。

一方、図１２の（３）に示すように、第１領域の厚さが隆起部の高さ以上の場合、溶接部全体の強度が低下した。これは、第１領域と溶接部全体との体積比の増加により、強度の低い第１領域が溶接部の強度を低下させたためである。

よって、第１領域の厚さは、図１２の（２）に示すように５mm〜隆起部の高さの範囲にすることが望ましい。本実施例では、溶接部を２つの領域に分類した例を説明したが、溶接部を３つ以上の領域に分類しても構わない。

また、第２領域の化学成分は、Ｃを０.０３〜０.２１質量％、Ｓｉを０.０５〜０.３質量％、Ｍｎを０.６〜１.５質量％、Ｎｉを２.２〜３.６質量％、Ｃｒを０.４〜１.６質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％および残部としてＦｅであることが望ましい。

Ｓ２０７終了時点におけるタービンロータは、図１０の（３）のようになる。その後、溶接部周囲のみに局部的に入った熱を均一化するために、後熱処理を行う（Ｓ２０８）。さらに、溶接時の溶け込み不良やガスの排出不良に起因する欠陥の有無を確認するために、溶接部内を検査する（Ｓ２０９）。溶接部内に欠陥を検出して（Ｓ２１０）、その欠陥サイズが機械強度上許容できない場合（Ｓ２１１）には、欠陥部を含む溶接部を除去して（Ｓ２１２）、除去した溶接部を再度溶接しなおす（Ｓ２０４，Ｓ２０７）。溶接部内で欠陥を検出しなかった場合、および検出した欠陥が許容できる場合は、溶接部に入った残留応力を除去するために応力除去焼鈍を行い(Ｓ２１３)、接合工程を終了する(Ｓ１１４)。

このように、溶接部の化学組成を２つ以上の領域に分類して、それぞれの領域に応じた化学組成にすることにより、タービンロータの信頼性を向上させることができる。

本発明の第５の実施例を図１３及び図１４を用いて、説明する。実施例１〜４では、ロータ表面を所定形状に研削して、突合せ部を製作している。それに対して、本実施例は、突出し部を、予め過剰酸化を生じない材料組成で肉盛して製作するものである。使用する装置は、第１〜３の実施例と同じ（図３）である。また、タービンロータの構造及び鋼種は、第１及び第２の実施例と同じ（図１と表１及び図６と表５）である。

図１３は本発明におけるタービンロータ溶接工程フローの一例、図１４は各作業ステップにおけるタービンロータ突合せ部断面の模式図の一例である。

まず、図１４（１）のような突合せ部がない状態の開先底部に対して肉盛を行い
（Ｓ３０１）、図１４（２）のような突合せ部を製作する。肉盛は、タングステン・不活性ガス溶接法に加えて、サブマージドアーク溶接法，被覆アーク溶接法，メタル・不活性ガス溶接法，プラズマ粉末肉盛法およびプラズマ溶射法を使用する。

その後、突合せ部を所定形状に開先加工を施す（Ｓ３０２）ことにより、図１４（３）のようになる。溶接工程を開始する指示が出ると（Ｓ３０３）、溶接時の熱応力を緩和するために、タービンロータを予熱する（Ｓ３０４）。そして、第１領域を溶接する。本実施例では、第１領域は突合せ部に相当する。第１領域の溶接は、溶接ワイヤを使用せずに、アーク熱で突合せ部を溶融させる。これは、溶接ワイヤの希釈により、第１領域の化学組成が過剰酸化抑制範囲から逸脱するのを防止するためである。

Ｓ３０５終了時のタービンロータは、図１４（４）のようになる。第１領域の溶接を終えた後、第２領域用の溶接ワイヤを溶接装置に取り付けて（Ｓ３０６）、第２領域を溶接する（Ｓ３０７）。Ｓ３０５終了時点におけるタービンロータは、図１４（５）のようになる。その後、溶接部周囲のみに局部的に入った熱を均一化するために、後熱処理を行う（Ｓ３０８）。さらに、溶接時の溶け込み不良やガスの排出不良に起因する欠陥の有無を確認するために、溶接部内を検査する(Ｓ３０９)。溶接部内に欠陥を検出して(Ｓ３１０)、その欠陥サイズが機械強度上許容できない場合（Ｓ３１１）には、欠陥部を含む溶接部を除去して（Ｓ３１２１）、除去した溶接部を再度溶接しなおす（Ｓ３０６）。溶接部内で欠陥を検出しなかった場合、および検出した欠陥が許容できる場合は、溶接部に入った残留応力を除去するために応力除去焼鈍を行い（Ｓ３１３）、接合工程を終了する
（Ｓ３１４）。

このように、本発明によれば、溶接ワイヤを交換する作業を削除すると共に、バックシールドを使用できない施工環境下において、第１領域を過剰酸化させることなく溶接することができる。

本発明に係る低圧複流タービン用溶接ロータの断面図である。本発明の第１の実施例に係るタービンロータの全体構造を示す部分断面図（ａ）、継手部を示す部分断面図（ｂ）である。本発明の第１の実施例に係るタービンロータ溶接装置を示す模式図である。本発明の第１の実施例に係るタービンロータ溶接工程を示すフローである。本発明の第２の実施例に係る溶接ない化学組成計算結果例を示す図である。本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用溶接ロータの断面図である。本発明の第３の実施例に係るタービンロータの模式図である。本発明の第３の実施例に係る溶接ない化学組成計算結果例を示す図である。本発明の第４の実施例に係るタービンロータ溶接工程を示すフローである。本発明の第４の実施例に係るタービンロータ突合せ部断面の模式図の一例である。本発明の第４の実施例に係る溶接部の引張強度例を示す図である。本発明の第４の実施例に係る第１領域の高さを示す模式図の一例である。本発明の第５の実施例に係るタービンロータ溶接工程フロー例である。本発明の第５の実施例に係るタービンロータ突合せ部断面の模式図の一例である。

符号の説明

１，２タービンロータ
３，３６，３７溶接部
４突合せ部
５第１領域
６第２領域
７肉盛部
８タービンロータ溶接装置
９電極
１０トーチ
１１，２２溶接ワイヤ
１２アーム
１３溶接電源
１４ガスボンベ
１５タービンロータ回転装置
１６溶接ワイヤ送給装置
１７送電線
１８ガスホース
１９電気線
２０回転信号線
２１送給信号線
３１，３３最終段落側ロータ
３２蒸気流入側ロータ
３４，３５中空部
３８高温側ロータ
３９低温側ロータ

Claims

少なくとも２個に分割されたタービンロータを突合せ溶接により溶接部を介して接続した中心孔を有するタービンロータにおいて、
前記溶接部は、化学成分の異なる少なくとも２つの領域から構成され、
前記溶接部の内周側に位置する第１領域の化学成分が、
Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｓｉを０.１〜０.３質量％、Ｍｎを０.３〜０.７質量％、Ｎｉを０.３〜２.３質量％、Ｃｒを１.９〜４.８質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材（但し、前記タービンロータが３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼の場合）、または、
Ｃは０.１〜０.２質量％、Ｓｉは０.１〜０.３質量％、Ｍｎは０.４〜０.７質量％、Ｎｉは０.２〜１.３質量％、Ｃｒは１.７〜４.８質量％、Ｍｏは０.６〜１.１質量％、および残部としてＦｅから構成される鋼材（但し、前記タービンロータが３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼と１％ＣｒＭｏＶ鋼の場合）であり、
前記溶接部の外周側に位置する第２領域の化学成分が、Ｃを０.０３〜０.２１質量％、Ｓｉを０.０５〜０.３質量％、Ｍｎを０.６〜１.５質量％、Ｎｉを２.２〜３.６質量％、Ｃｒを０.４〜１.６質量％、Ｍｏを０.４〜１.０質量％および残部としてＦｅから構成される鋼材からなることを特徴とするタービンロータ。
請求項１において、前記３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼のタービンロータは、Ｃが０.２４質量％、Ｓｉが０.０４質量％、Ｍｎが０.２７質量％、Ｎｉが３.７１質量％、Ｃｒが１.８３質量％、Ｍｏが０.３６質量％、Ｖが０.０８質量％および残部がＦｅであることを特徴とするタービンロータ。
請求項１において、前記３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼と１％ＣｒＭｏＶ鋼のタービンロータは、
３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼のタービンロータが、Ｃが０.２４質量％、Ｓｉが０.０４質量％、Ｍｎが０.２７質量％、Ｎｉが３.７１質量％、Ｃｒが１.８３質量％、Ｍｏが０.３６質量％、Ｖが０.０８質量％および残部がＦｅであり、
１％ＣｒＭｏＶ鋼が、Ｃが０.２９質量％、Ｓｉが０.０４質量％、Ｍｎが０.７７質量％、Ｎｉが０.５２質量％、Ｃｒが１.１３質量％、Ｍｏが１.３５３質量％、Ｖが０.２７質量％および残部がＦｅであることを特徴とするタービンロータ。