JP6244179B2 - タービンロータの熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータの熱処理方法に関し、特に発電用設備で用いる低圧タービンロータ材の耐ＳＣＣ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）性を向上させる熱処理方法に関する。

火力発電プラントや原子力発電プラントでは、燃料を燃やすことで流体にエネルギーを与え、これに伴って水を蒸気化し、発生した蒸気のエネルギーをタービン翼を介してタービンロータの回転運動へ変換し、タービンロータに連結されている発電機を回転させることによって発電する。蒸気はタービンを通過した後、復水器へ導かれ、復水器で冷却されることで水へ戻される。

一般に、蒸気タービンは、蒸気条件などによって高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの複数の構成で設計される。特に原子力発電プラントでは、高圧タービン１軸に対し、低圧タービン３軸で用いられるなど、低圧タービンは複数の軸から構成されることが多い。それぞれのタービンは、蒸気条件に合わせて複数のタービン翼が周方向に植えられた段落が軸方向に数段落構成される。低圧タービン入口側では、蒸気のエネルギーが大きいことからタービン翼の長さは小さく、蒸気出口に近づくにつれて蒸気のエネルギーが小さくなることからタービン翼の長さが大きくなる。低圧タービンへ導かれた蒸気は、蒸気が各段を通過する毎に徐々に圧力と温度が低下し、蒸気の性状としては、より湿った蒸気に変化していく。このような湿り蒸気環境にある低圧タービンの段において、応力腐食割れ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ，以下、「ＳＣＣ」と称す）が発生する場合がある。特に湿り蒸気環境下にあるタービン翼とタービンロータとの取付部においては大きな応力が作用するとともに、不純物が濃化しやすい環境にあり、ＳＣＣが発生しやすいと考えられる。

一般的に、ＳＣＣは応力、使用環境（温度、湿り度、タービンが接する流体の種類等）、材料の三つの要因が重畳した場合に生じることが知られている。したがって、いずれか一つ以上の要因を改善することでＳＣＣの発生を抑制できると推定される。タービンロータは３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼、２．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの低合金鋼が用いられているが、低圧タービンにおいて、ＳＣＣ発生の要因の一つである材料の観点からＳＣＣ性を改善することは、低圧タービンの信頼性向上に有用と考えられる。

材料の観点からＳＣＣ性を改善する方法として、従来、以下のような方法が提案されている。

特許文献１には、高強度が要求される最終段部分のみを個別に熱処理を行なって、それ以外の部位よりも低温で焼戻しを行なうことにより高強度化し、一方耐ＳＣＣ性が必要な最終段部以外の部位は低強度化することによってＳＣＣ発生を防止し、高信頼性を確保するロータシャフトの製造方法が開示されている。

また、特許文献２および特許文献３には、タービンロータの耐ＳＣＣ性を向上させるための方法として、タービンを構成する材料の表面をコーティングする表面処理方法が開示されている。特許文献２は白金（Ｐｔ）系元素を触媒層としてコーティングすることにより、触媒部位を表面に形成して環境中の酸素を低減し、合金の腐食電位をＳＣＣを最小化する腐食電位未満とするものである。特許文献３はタービンロータ構成部材の表面に金メッキを施すことにより、タービンロータ構成部材の表面をＳＣＣが発生する環境から遮断するものである。

また、非特許文献１には、タービンロータ材の降伏応力に上限値を設定することで、タービンロータ材の耐ＳＣＣ性を向上する技術が開示されている。非特許文献１では、ＳＣＣ感受性試験の結果、タービンロータ材の降伏応力の増加に伴ってＳＣＣ感受性が増加する傾向が認められたことが報告されている。この原因として、金属組織結晶粒界にＦｅを主成分とする炭化物が析出され、降伏応力の増加に伴ってこの種の炭化物が増加する傾向が認められたことから、耐ＳＣＣ性の低いＦｅ_２Ｏ_３の皮膜しか生成しないこの種の炭化物の析出により、ＳＣＣき裂が進展しやすくなっているものと推定している。この検討結果に基づき、Ｆｅを主とする炭化物が材料の結晶粒界に認められなくなる降伏応力がタービンロータ材の耐ＳＣＣを向上させる目標値となることを報告している。

特開２００２‐３４９２０６号 特開２００５‐９４９１号 特開２０１３‐１５１２３号

伊東 眸、「３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼の４０３Ｋ水中での粒界応力腐食割れ感受性の強度依存性」、材料（Ｊ．Ｓｏｃ．Ｍａｔ．Ｓｃｉ．，Ｊａｐａｎ）、２００２年５月、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．５、ｐ．５４９‐５５４

上記特許文献１〜３は、いずれもタービンロータの耐ＳＣＣ性の改善に着目したものであるが、特許文献１では複数回の熱処理が必要になること、特許文献２および特許文献３ではメッキ処理を実施する過程が生じることから、製造コスト及び製造時間の増加が懸念される。

また、火力発電プラントおよび原子力発電プラントでは、タービン翼を長くすることで発電出力を向上させることができる。一方、これに伴ってタービンロータがタービン翼から受ける応力は増加する。また、蒸気出口に近づくにつれて、タービン翼の長さは大きくなることから、タービンロータのタービン翼との取付部に発生する応力は蒸気出口側の方が大きくなる。上記応力の増加に対する対策として、より高強度な材料を用いるか、タービンロータを大型化することが考えられるが、前述の非特許文献１の手法を用いる場合は、耐ＳＣＣ性向上のためにタービンロータに用いる材料の強度に上限値を設定する必要があるため、タービンロータの溝部を大型化することによってタービンロータが受ける応力を小さくするといった対策をする必要がある。この場合、設定される上限値によってはタービンロータの軸長や外径の拡大、さらにタービンが取り付けられている車室も併せて大型化する必要があり、設備が大型化し、製造コスト及び製造時間の増加が懸念される。

したがって、本発明は上記事情に鑑み、設備の大型化や製造コスト及び製造時間を抑え、強度を低下させること無く、優れた耐ＳＣＣ性を有するタービンロータを提供することが可能なタービンロータの熱処理方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、火力発電プラントまたは原子力発電プラントで使用される低圧タービンの構成部材であるタービンロータの熱処理方法において、
上記熱処理方法は焼入れ処理工程を含み、
上記焼入れ処理工程における焼入れ処理温度での保持時間を、タービンロータの寸法やタービンロータ材料の強度によらず、上記タービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合に、８５時間以上とすることを特徴とするタービンロータの熱処理方法を提供する。

本発明によれば、設備の大型化や製造コスト及び製造時間を抑え、強度を低下させること無く、優れた耐ＳＣＣ性を有するタービンロータを提供することが可能なタービンロータの熱処理方法を提供することができる。

本発明に係るタービンロータの熱処理方法を適用可能な低圧タービンの一部の一例を示す断面模式図である。 タービンロータ材の調質熱処理工程（焼入れ・焼戻し処理工程）の温度プロファイルの一例を示す模式図である。 実施例１のタービンロータ材の焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無との関係を示すグラフである。 実施例２のタービンロータ材の焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無との関係を示すグラフである。

また、本発明に係るタービンロータの熱処理方法及びタービンロータは、以下のような態様を任意に含むことができる。
（ｉ）上記タービンロータは、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼または２．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。
（ｉｉ）上記低圧タービンが、６０Ｈｚ域で使用される火力発電プラントまたは原子力発電プラントの低圧タービンである。
（ｉｉｉ）上記低圧タービンが、新規に建設されるプラントに適用するために新規に製造されるものである。
（ｉｖ）上記低圧タービンが、既設のプラントで使用されているタービンの取替用として新規に製造されるものである。

以下、本発明に係る実施形態について、より具体的に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

上述したように、本発明に係るタービンロータの熱処理方法は、焼入れ処理工程を含み、焼入れ処理工程における焼入れ処理温度での保持時間を、タービンロータの寸法やタービンロータ材料の強度によらず、上記タービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合に、８５時間以上とすることを特徴とする。

図２は、タービンロータ材の調質熱処理工程（焼入れ・焼戻し処理工程）の温度プロファイルの一例を示す模式図である。図２に示したように、鉄（Ｆｅ）を主成分とする鍛鋼品であるタービンロータ材は、その機械的性質（強度、硬さ、靭性等）を調整することを目的として調質熱処理（焼入れ・焼戻し熱処理）が行われる。調質熱処理は、具体的には（１）タービンロータ材を焼入れ処理温度（図２では９００℃）まで昇温し、一定の時間（図２では保持時間Ｔ_１）保持した後、急冷を行って鋼を高強度化する焼入れ処理工程と、（２）（１）の焼き入れ処理工程後に、タービンロータ材を焼戻し処理温度（図２では６００℃）まで昇温し、一定の時間（図２では保持時間Ｔ_２）保持した後、徐冷を行って鋼を高靭性化する焼戻し処理工程とを含む。

本発明は、タービンロータ材の製造過程のうち、図２に示す焼入れ処理温度での保持時間Ｔ_１に着目したものである。本発明者らは、タービンロータの熱処理工程の条件と、タービンロータのＳＣＣ発生有無の関係について鋭意研究を重ねた。その結果、焼入れ処理温度での保持時間を、タービンロータの寸法やタービンロータ材料の強度によらず、上記タービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合に、８５時間以上とすることによって、タービンロータのＳＣＣ発生を抑制できることを見出した。本発明は該知見に基づくものである。

焼入れ処理時の焼入れ処理温度（仕様温度）における保持には、材料組織を所定の組織（オーステナイト）にするとともに、材料中の元素を固溶させる目的があることから、焼入れ処理時の保持時間を長くすることによって、オーステナイト化および元素の固溶がより促進され、このため材料の耐ＳＣＣ性が向上するものと考えられる。したがって、焼入れ処理時の保持時間を使用環境（温度、湿り度）に対応して十分に長く（３０時間以上）設定することで、材料の強度によらず、耐ＳＣＣ性を向上させることができると考えられる。具体的には、タービンロータを使用する環境の温度が高いほど、湿り度が高いほど、焼入れ処理時の保持時間を長くすることで、材料の強度を維持しつつ、耐ＳＣＣ性を向上させることができる。

従来技術では、上述した非特許文献１のように、タービンロータ材の耐ＳＣＣ性及び強度をバランスさせるために焼戻し処理工程の条件の最適化が行われている。本発明は、タービンロータ材の強度に直接影響する焼戻し処理工程の条件を変更しないため、強度への影響（低下）を最小限として耐ＳＣＣ性を向上させることができる。このため、上述した非特許文献１のように、材料の強度に上限値を設定し、一方でタービンロータ等にかかる応力を低減するために、タービンロータ等のサイズ（寸法）を大型化する必要がない。このことにより、設備の大型化や製造コスト及び製造時間を抑えて強度を従来と同等以上に保ちつつ、耐ＳＣＣ性に優れた高出力のタービンロータを製造することができる。

焼入れ処理温度としては、特に限定されるものではないが、タービンロータ材の一般的な調質熱処理条件を適用することが好ましい。具体的には、８００℃以上、９００℃以下であることが好ましい。

焼入れ処理温度での保持時間は、タービンロータの寸法やタービンロータ材料の強度によらず、タービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合に、８５時間以上とする。焼入れ処理温度での保持時間をこのように設定することで、上記環境下でタービンロータのＳＣＣ発生を防ぐことができる。

焼入れ処理温度での保持時間を長くしても、材料の強度に顕著な違いはない。したがって、本発明は材料の強度を低下させること無く、優れた耐ＳＣＣ性を有するタービンロータを提供することが可能である。

なお、焼戻し処理工程における焼戻し処理温度での保持時間については、焼入れ処理温度での保持時間のような傾向は見られない。すなわち、焼戻し処理温度での保持時間を長くするだけでは、ＳＣＣ発生を抑制することはできない。

また、焼入れ処理工程における「急冷」及び焼戻し処理工程における「徐冷」の条件は、タービンロータを製造する際の一般的な条件を用いることができる。本発明の主眼とするところは、焼入れ処理温度での保持時間であり、それ以外の熱処理条件について限定されるものではないので、ここでは詳細な説明を省略する。

図１は本発明に係るタービンロータの熱処理方法を適用可能な低圧タービンの一部の一例を示す模式図である。図１に示したように、本発明が適用されるタービンロータ１は、タービン翼２が周方向に植えられた段落が軸方向に数段落構成されたものである。タービンロータの材料としては特に限定は無いが、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼または２．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなるものであることが好ましい。また、前記タービンとしては、火力発電プラントまたは原子力発電プラントで使用される低圧タービンであることが好ましい。本発明は、高圧、中圧または低圧のいずれのタービンにも適用可能であるが、特に使用環境中の湿り度が高い低圧タービンに好適である。

一般的に、焼入れ処理温度での保持時間は部品の寸法に応じて設定されていることが多い。タービンロータの寸法は、基本的にプラントの出力に応じて設定されるが、これに加えて、適用される地域の周波数帯の影響も受ける。具体的には、５０Ｈｚ域で使用されるものと６０Ｈｚ域で使用されるものでは回転数の違いにより発生応力が異なるため、６０Ｈｚ域で使用されるものよりも５０Ｈｚ域で使用されるものの方が寸法が大きくなる傾向にある。したがって、これまでの熱処理方法を用いると必然的に６０Ｈｚ域で使用されるタービンロータは５０Ｈｚ域で使用されるものと比べて焼入れ処理温度の保持時間は短くなる傾向にあった。本発明は、焼入れ処理温度での保持時間をタービンロータの材料や強度によらずに３０時間以上とする。このため、従来は６０Ｈｚ域で使用されるタービンロータに対して８５時間以上の熱処理を施すことは考えられなかったが、本発明ではタービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合には、６０Ｈｚ域で使用されるタービンロータに８５時間以上の熱処理を施す。

また、本発明に係るタービンロータの熱処理方法は、新規に建設されるプラントに適用するために新規に製造されるものに適用可能であり、既設のプラントで使用されているタービンの取替用として新規に製造されるものにも適用可能である。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（参考例１）
タービンロータの本発明の範囲外の使用環境である使用環境条件１（温度５０℃以上、１５０℃以下で、湿り度が０％超、１２％以下）における、焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無について調査した。タービンロータ材には３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼を用い、サイズは発電プラントで使用される実機と同様のものとした。各タービンロータ材のＳＣＣの有無は、非破壊試験を行って評価した。また、タービンロータ材の強度を引張試験を行って評価した。

図３は、本実施例におけるタービンロータ材の焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無との関係を示すグラフである。図３に示したように、使用環境条件１では、焼入れ処理温度での保持時間が３０時間未満である場合ＳＣＣが発生することがあったが、保持時間を３０時間以上とすることで、ＳＣＣの発生を抑制できることがわかった。また、引張試験の評価結果から、各タービンロータ材の強度はほぼ同程度であることを確認した。

（実施例１）
タービンロータの本発明の範囲の使用環境である使用環境条件２（温度２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下）における、焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無について調査した。タービンロータ材には３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼を用い、サイズは発電プラントで使用される実機と同様のものとした。各タービンロータ材のＳＣＣの有無は、非破壊試験を行って評価した。また、タービンロータ材の強度を引張試験を行って評価した。

図４は、本実施例におけるタービンロータ材の焼入れ処理温度での保持時間とＳＣＣ発生の有無との関係を示すグラフである。図４に示したように、使用環境条件２では、焼入れ処理温度での保持時間を８５時間以上とすることで、ＳＣＣの発生を抑制できることがわかった。また、引張試験の評価結果から、各タービンロータ材の強度はほぼ同程度であることを確認した。

以上説明したように、本発明によれば、設備の大型化や製造コスト及び製造時間を抑え、強度を低下させること無く、優れた耐ＳＣＣ性を有するタービンロータを提供することが可能なタービンロータの熱処理方法を提供することができることが示された。

なお、上述した実施形態や実施例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

１…タービンロータ、２…タービン翼、３…タービンロータ中心軸。

Claims (5)

1. 火力発電プラントまたは原子力発電プラントで使用される低圧タービンの構成部材であるタービンロータの熱処理方法において、
   前記熱処理方法は焼入れ処理工程を含み、
   前記焼入れ処理工程における焼入れ処理温度での保持時間を、タービンロータの寸法やタービンロータ材料の強度によらず、前記タービンロータを使用する環境の温度が２０℃超、２５０℃以下で、湿り度が０％超、１８％以下である場合に、８５時間以上とすることを特徴とするタービンロータの熱処理方法。
2. 前記タービンロータは、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼または２．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなることを特徴とする請求項１記載のタービンロータの熱処理方法。
3. 前記低圧タービンが、６０Ｈｚ域で使用される火力発電プラントまたは原子力発電プラントの低圧タービンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンロータの熱処理方法。
4. 前記低圧タービンが、新規に建設されるプラントに適用するために新規に製造されるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のタービンロータの熱処理方法。
5. 前記低圧タービンが、既設のプラントで使用されているタービンの取替用として新規に製造されるものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のタービンロータの熱処理方法。

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