JPS62290849A - 地熱蒸気タ−ビン用ロ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、地熱蒸気タービンロータに適用されるロータ
材に関し、特にＨ！Ｓ　、　ｃｏ、等の不凝結ガスを有
する腐食性の高い蒸気？使用する蒸気タービンのロータ
に適用されるロータ材に関する。

〔従来の技術〕

地熱蒸気の温度は２５０℃以下であり、この温度範囲は
火力蒸気タービンにおいては低圧タービンの領域に入る
。

第１表にロータ材の化学成分の例を示す。

一般に、低圧ロータ材としてはｎｉＭｏｖ鋼（ＡＳＴＭ
　Ａ　４７０　ｃｌａｓｓ　　２　％５及び４）、Ｎｉ
ＣｒＭｏＶ％ｌ　（ＡＥＩＴＭ　Ａ　４７０　　ｃｌａ
ｓｓ　５．６及び７）が低圧タービンロータとして使用
されている。その理由は、Ｎ　ｉＭｏＶ鋼は２．５ｑｂ
以上、ＮｉＣｒＭｏＶ鋼については五２５〜瓜０俤とＮ
１　が高いためである。

すなわち、１１１が高いと焼入性が大巾に改善され、ロ
ータ中心部まで充分に焼きが入ることと、Ｎ１　が母地
に面落し、母地の靭性を高めるため、大型ロータの中心
まで強度を高く、靭性が高くなる。

しかじな７５ｆら、火力蒸気タービンの蒸気は、厳重な
給水処理を施した給水より発生した蒸気、すなわち清浄
な蒸気が使用されている。一方、地熱蒸気は、不凝結ガ
スとして、Ｈ，Ｓ、Ｃｏ、等を含有しておシ、また湿り
度が高く、ロータの大部分はＨＩＥＪ、Ｃｏ１が溶は込
んだｐｕの低い湿分くさらされることになり、ロータの
腐食を引起す。

右Ｓが溶けこんだ水溶液中、特に−ｐＨの低い酸性域の
場合、従来、高強度鋼は硫化物応力腐食割れが発生し易
く、特に、Ｎ１が１憾を越すと、その感受性が高くなる
ことが、酸性油井配管及びメタンガスタンクに使用され
た材料の経験及び研究により明らかにされている。

地熱蒸気中の湿分中のＨ！ｓは、酸性油井及び事故を起
したメタンガス中のＥｌ、Ｓ濃度よりも大巾に低いが、
ロータのような回転体では大きな信頼性が要求され、Ｎ
ｉ　が入った前述の火力蒸気タービン低圧ロータ用Ｎｉ
ＭｏＶ鋼及びＮｉＣｒＭｏＶ鋼の採用を控える場合が多
い。

したがって、地熱タービンロータとしてはＮ１の少ない
ＯｒＭｏＶ鋼（ムＳＴＭム４７０　　ｃｌａｓｓ　８　
）が使用されている。

このＣｊ　ｒＭｏＶ鋼はクリープ破断強度が高いので、
高圧ロータ材として使用されるが、靭性は低く２■Ｖノ
ツチシヤルピー試験における脆性−延性遷移温度［：　
５０　％　ＦＡＴＴ　（’Ｆｒａｃｔｕｒｅ　Ａ１１１
１ｐｅａｒａ−ｎｃｅ　Ｔｒａｎａｉｔｉｏｎ　Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ　）　］　は８０℃を越えており、こ
のままでは低圧ロータとしての性能を要する地熱タービ
ンロータとしては採用できない。

したがってＣｒＭｏＶ鋼は熱処理を変更し％ＦＡＴＴ全
８０℃以下とし、地熱タービンロータとしている。

すなわち、高圧ロータの焼入処理は９５０〜ｂ イト又は上部ベイナイト＋フェライトとし、次に焼戻し
処理を行ないクリープ強度を高くしているのに対して、
地熱ロータの焼入処理は８５０℃〜９５０℃×水冷とし
て１組ａｔ下部ベイナイト又は下部ベイナイト＋マルテ
ンサイトとし、次に焼戻し処理を行ない室温強度及び靭
性全確保している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、ＣｒＭＯＶ鋼は、焼入処理の変更すなわ
ち焼入温度の低下により組織の粗大化を防止し、また冷
却全水冷として冷却速度を早め、下部ベイナイト又は下
部ベイナイト＋マルテンサイトを得、しかる後焼戻しを
して組織の細かい焼戻し下部ベイナイト又は焼戻し、下
部べ・１ナイト＋マルテンサイトにすることにより、高
い靭性（ＩＰＡＴＴ　（８０ｃ　）を得、地熱タービン
ロータとして採用されている。

しかし、　ＣｒＭｏＶ鋼は、Ｎｉ　の入った低圧ロータ
材と異なシ、焼入性が悪く、さらに大型化した場合、及
びさらに高強度が要求される場合、靭性が低下するため
、地熱タービンロータとして信頼性が低下する。

また、現状のロータにおいても、さらに靭性の高い材料
が得られればさらに信頼性の高い地熱タービンロータが
得られる。

したがって本発明は、現有のＣｒＭｏＶ　＠地熱タービ
ンロータ：りも靭性が優れ、さらに大型化高強度化した
場合にも十分な靭性を有する地熱タービンロータ材を提
供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

ＣｒＭｏＶ鋼（Ａ８ＴＭ　Ａ　４７０−　ｃｌａｓｓ　
８　）　　は高圧ロータすなわちクリープ破断強度を主
体に成分設計された材料であり、室温強度、靭性が要求
される地熱タービンロータは現状のＣｒＭＯＶ鋼とは異
なった成分設計にすべきである。例えば、現状のＣｒＭ
ｏＶ鋼は、クリープ破断強度を出すためのＣは（Ｌ３９
６程度を目標としているが、靭性の点では低下すべきで
あり、またＯｒは低合金鋼では１％前後でクリープ破断
強度は高くなるため１％前後を目標としているが、靭性
の点ではより高めにすることも望ましい。また、高圧ロ
ータのクリープ破断強度が高いのけＶが添加されている
ためで、Ｖ〜１２５優目標とされているが、室温強度、
靭性のためにはさらに低下すべきである。

本発明は、上記事項を踏まえてなされたものであり、化
学組成は重量パーセントで、炭素　（Ｃ）　：α１５〜
α３％ シリコン（ｓｌ）：α３優以下 マンガン（Ｍｎ）：ｔ２壬以下 ニッケル（Ｎｔ）：α１〜１壬 クロム　（ｃｒ）：ｔＯ〜五５％ モリブデン（ＭＯ）：α５〜１．５％ バナジウム（Ｖ）：１０３〜α１５％ 残部鉄および付随的不純物よりなる低合金鋼で、列えば
８５０°〜９５０１：の温度から焼入し、６００℃〜７
００℃の温度で焼戻し処理を行なった地熱タービンロー
タ材である。

本発明において、化学成分範囲を上記の通りに限定した
理由は次の通りである。

（リ　　Ｃ Ｃは、焼入時の組織を下部ベイナイト又は下部ベイナイ
ト組織＋マルテンサイト組織とし、またＯｒ％Ｍｏ、ｖ
等炭化物生成元素と炭化物を形成し、強度、靭性を確保
するのく必要である。地熱ロータの焼入後の冷却速度で
上記組織を確保するＫは、少くとも［１１５％は必要で
ある。

一方、Ｃが１５憾を越すと、母地の靭性が低下してくる
。

したがって、Ｃの範囲はｃＬｌ　５１〜１３俤とした。

（２）　　Ｅｌｉ Ｓｌ　は、脱酸剤として溶湯中の酸素を除外し、均質な
鋼塊？溶製するのに有効な元素であるが、現在の製鋼法
においては最大０．３％あれば十分である。

また、近年の製鋼技術で真空カーボン脱酸が増り入れら
れ、Ｓｌ　による脱酸は最少限でよく、最少［１０２４
程度でもよい。

（３）　　Ｍｎ Ｍｎ　　も、脱酸剤として溶湯中の酸素を除外し、均質
な鋼塊を溶製するのに有効な元素である。

また、ＭｎはＮ１と同系の材料で、焼入性を改善し、靭
性を高くするのに有効である。このため、ＭｎはＱ、１
％以上とすることが好ましい。

但し、Ｍｎが高すぎると焼戻し脆化を促進する効果もあ
り、靭性全書する。このため、Ｍｎ　は１．２係以下と
した。

（４）　Ｎ１ Ｎ１　は焼入性を改善し、大型材の室温における強度、
靭性を確保すると同時に母地自体の靭性を改善する作用
もあり、非常に有効な元素である。

但し、地熱蒸気中すなわちｕｌｓ、ｃｏ、等の不凝結ガ
ス？含む湿りを有する蒸気中では、Ｎ１　が１優越すと
応力腐食割れ発生の可能性がある。

このため、Ｎ１　はＩ１１壬〜１係とした。

（５）　　０ｒ Ｏｒは、焼入性の改善を行なうために低合金鋼としては
ぜひとも必要な元素である。

一般に％　１壬を越すと焼入性の改善は顕著になシ、２
％を越すとさらに改善される。

但し％　五５憾を越すと大巾な改善ｌ″ｉ、難しく、多
量の添加は必要ない。

したがって、Ｃｒの含有量は１〜五５壬とした。

なお、Ｏｒは耐食性を改善するのに有効で、腐食性のあ
る地熱蒸気中ではぜひとも必要な元素である。

＜６）　　　Ｍ。

ＭＯは、Ｃｒを添加した低合金鋼において、焼入性を大
巾に改善し、ロータの室温強度及び靭性確保にはぜひと
も必要な元素である。

まだ、ＭＯはＣｒ鋼における焼戻し脆化の防止のために
も有効な元素であシ、（Ｌ５５壬上は必要である。

しかしながら、多量に添加すると、焼戻し脆化防止の効
裸はなくなり、また、靭性も低下するため好ましくない
。

このため、ＭＯの含有量ばα５〜１．５％とした。

（７）■ ■はバナジウム炭化物（ＶＣ）を焼入温度で十分に固溶
し、焼戻しで安定で細いＶＣを析出することにより、ク
リープ破断強度？高める作用があり、この場合は（Ｌ２
〜α３９６７の範囲が最も優れているといわれている。

このとき、焼入温度は、９５０℃以上と高くし、十分に
固溶できる熱処理としている。

一方、本発明材は、室温の強度、靭性が要求されるため
、細粒化のため焼入温度は８５０℃〜９５０℃と低目に
することが好ましい。

したがって、高温強度を目的とするＶの０．２〜１３％
範囲では未固溶のＶＣが残り、母地中の炭素？固定する
ため、焼入性の低下につながると同時１′ｃ、未固溶の
ＶＣは室温強度の上昇には全く寄与せず、逆に靭性の低
下に寄与する。

また、Ｖ優が多いと、大型鋼塊における偏析部に安定な
ＶＣが晶出し、後工程に二ってｉｏ−夕の延性、靭性を
そこなう場合がある。

すなわち、本発明材でもＶが低いほうが有利である。

もちろん、ＶＣの強化作用の利用及び固溶したＶによる
焼入性の改善？利用するにばα０３％は必要である。

したがってＶの含有！、には０．０３〜１１５壬とした
。

（８）その他 その他の不純物Ｐ、日、Ｃｕ％Ａｔ等は、少ないほうが
清浄性の確保、焼戻し脆化の防止等の点で有利である。

〔実施例〕

ｓｏ′Ｋｇ真空溶解炉で、５０に９の鋼塊を製作し。

この鋼塊を１２００℃の温度範囲で鍛伸し、６０■角棒
？得た。この場合の鍛造比ば３であり、大型ロータの場
合の鍛造比とほぼ一致する。

木材’！１１２００℃で２時間加熱し、試験に供した。

この角棒の化学分析結果を第２表に示す。

第２表に示す実施例のうち一１〜翫４までが本発明材の
実施例であり、−５，へ６は比較材である。

これらの角棒から切り出した試験片に、ロータ０．５５
０φ）中心部に相当する熱処理？実施した。

なお、焼戻し処理により、地熱タービンロータの設計に
必要な強度すなわちＣＬ２％耐力が６５〜７３　ｋｌｉ
ｌ／’＋ｊ”になるように調整した。

上記のロータ（’１５５０φ）中心部に相当する熱処理
は、次の通りである。

予備熱処理：溶体化処理１０１０℃Ｘ　２５　ｈｒ徐冷
０．５００φロ一タ空冷時の 中心部相当冷却速度） 焼戻し　７２０℃Ｘ　２５　ｈｒ炉冷 最終熱処理：焼入処理　９１０℃Ｘ　１０　ｈｒ冷却速
度　８０℃／ｈｒ　　（８００ ℃〜３００℃間） 焼戻し処理　ｚｔｌ：Ｘ２５ｈｒ炉冷 但し、ｘｃばへ１で６３４℃、 ｌＩ＆１２で６３４℃、へ３で６４０ ℃、−４で６４２℃、陽５で ６５５℃、へ６で６４５℃とし た。

地熱タービンロータにおいて要求される特性は靭性であ
り、５０′ｋｇ溶解材と大型ロータとの差が問題となる
が、上記の処理、すなわち１）鍛造比を大型ロータ相当
にした。

ｊ）１ｚｏｏ℃に２　ｈｒ加熱し、現実のロータ熱扱い
を再現した。この処理で結晶粒は粗大化する。

１ｉｉ）　　熱処理は大型ロータ中心部相当とした。

を実施し、大型ロータの中心部相当の組１唆を得て、靭
性を比較した。

第３表に上記大型ロータ中心部相当材の機械的性質を示
す。

各行ともにα２係耐力け６５ｋｇ／■ヱ〜７３ゆＡ１の
間に入っており、地熱タービンロータとして十分な強度
を有している。

なお、伸び・絞りも一般の低圧ロータで要求される伸び
１６％以上、絞り４５％以上を十分に満足している。

一方、衝撃特性であるが、低圧ロータの５０％ＦＡＴＴ
￥ｉ８０℃以下であ夛、大型になる程より低いＦＡＴＴ
が要求される。

比較行先５は、現状のＣｒＭｏＶ鋼地熱タービンロータ
であるが、ＩＰＡＴＴは７９℃とぎりぎりであり、地熱
タービンロータが大型化した場合、若干信頼性の点で問
題があり、改善が必斐である。

一方、本発明材は、へ１が４１℃、翫２が２４℃、ＩＩ
＆１！Ｉが５１℃、−４が３０℃と、ＩＰＡＴＴは低下
し、靭性は大巾に改善されている。

−１と−２は、０％が１１９係であり、　　Ｃｒ係が１
．４７　％と２．２７４と異なるが、Ｏｒ　の高いへ２
がＦＡＴＴ　ｚり低下している。

一方、−３と庵４は、Ｃ俤が１２５優となっているが、
この場合もＯｒ　の高い−４がＦＡＴＴは低下している
。

したがって、本発明材の中では、Ｃｒ　の高いほうが望
ましいといえる。また、同一のＯｒ　％の場合、Ｃの低
いほうが若干ＩＰＡＴＴは低くなっている。これは、α
２４耐力（６５〜７３ゆ／瓢２　）の範囲内で０％低目
のほうが強度が低くなったためと考えられる。

なお、本発明材の−３のｖを、従来の高圧ロータなみに
０．２５％と高くした材料が比較材−６であるが、ＦＡ
ＴＴは６７℃と高くなっており、Ｖは本発明材の如く低
目にするほうが、地熱タービンロータとしては望ましい
ことが分かる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明は、室温強度及び靭性に優れ、
従来のものよりも信頼性が高く、またより大型の地熱タ
ービンロータに適したロータ材を得ることができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 化学成分が重量パーセントで、炭素０．１５〜０．３％
   、シリコン０．３％以下、マンガン１．２％以下、ニツ
   ケル０．１〜１％、クロム１〜３．５％モリブデン０．
   ５〜１．５％、バナジウム０．０３〜０．１５％、残部
   鉄および付随的不純物より成る低合金鋼で、焼入焼戻し
   処理をしたことを特徴とする地熱蒸気タービン用ロータ
   材。