JPS61229481A - 高温高圧蒸気タ−ビン及び溶接方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、例えば温度６００〜６５０℃、圧力５０　Ｑ
　ヘ５５０　ｋｇ７ｃｍ”の蒸気を使用する高温高圧タ
ービン、及びその溶接部の形成に利用すると特に好適な
、新らしい溶接方法に関する。

〔発明の背景〕

蒸気タービンに、従来５３８℃の主蒸気を便用し、Ｏｒ
−ＭＱ−Ｖ鋳鋼、２−Ｃ！ｒ−ＩＭｏ鋼、又ハ２７Ｏｒ
−Ｍｏ−Ｖ鋼によシケーシング及び主蒸気管を形成して
いた。しかし、発電プラントの効率向上化の要請によシ
、主蒸気の温度が例えば６００℃以上の高温高圧発電プ
ラントが検討されている。

第１図は、蒸気温度６００〜６５０℃、圧力３００〜５
５０　ｋＬ４／ｃｍ”用蒸気タービンの断面図である。

第１図において、符号１に生蒸気管、２は伸縮管、５は
ブレード、４はロータシャフト、５は内部ケーシング、
６は外部ケーシング、７は異材溶接部、８は同材溶接部
を意味する。

第１図において、例えば６５０℃の主蒸気は、主蒸気管
１、伸縮管２を経てブレード３に当ってロータシャフト
４を回転させる。その時の外部ケーシング６ＦＸ５５０
℃でめる。

主蒸気管１の材料、内部ケーシング５及び弁ケーシング
などには高温強度及び耐酸化性の点からオーステナイト
ステンレス系鋼（例えば８Ｕ８５１６　）が使用される
。

他方、外部ケーシング６にはその温度が約５５０℃と低
い九め、クリープ強度及び経済性を考慮するとフェライ
ト系鋳鋼（又は鍛鋼）である低合金鋳鋼の適用が有望で
ある。

したがって、６５０℃、３５２ゆ／ｍ＝用蒸気タービン
の溶接としてはオーステナイト系鋳鋼同志の溶接（主蒸
気管の溶接、主塞止弁と加減弁の溶接など）とオーステ
ナイト系鋳鋼と低合金鋳鋼との溶接がある。

しかしながら、オーステナイト鋳鋼は一般に述べられて
いるごとく凝固後のオーステナイト組織が、常温に達し
ても組織変態することなく、著しく成長したデンドライ
ト組織がそのまｔ残る〔参考文献、例えは日本学術振興
会、耐熱金属材料研究第１２５委員会、研究報告　３３
１５巻、第２号、第７９〜９１頁（昭４７年）〕。

この著しい粗大組織は１０００−１２００℃の高温まで
加熱する溶体化熱処理を施しても、再結晶して微細化す
ることはない。

しかるに、結晶粒径が大きいもの程、結晶界への低融点
不純物（Ｐ及びＳなど）の偏析量が多くなる。したがっ
てこのような材料は低融点不純物の粒界偏析に起因する
溶接高温割れ感受性が著しく高い。そこで一般のオース
テナイト系ステンレス鋳鋼では高温割れを防止するため
に、デルタフェライトを１０数チ含ませるような化学成
分にしている。しかしながら、溶接過程で高温割れが防
止できても、デルタフェライトｔ−１０数チ含む材料は
６００℃以上で長時間加熱するとシグマ相が析出し、脆
化を起す。したがって高温高圧蒸気タービンには適用で
きない。

そして、高温割れに高い抵抗性を持つ溶接部を形成でき
る溶接方法は、従来開発されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、主蒸気６００〜６５０℃、圧力５００
〜ｓ　ｓ　ｏ　ｈ／ｌ−の高温高圧の蒸気の使用を可能
にすることができる蒸気タービンを提供することにある
。

また本発明の他の目的は、高温割れを発生せず強度の高
い溶接部を形成することができる溶接方法を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明上概説すれば、本発明の第１の発明は高温高圧蒸
気タービンに関する発明であって、ロータ、内部ケーシ
ング、外部ケーシング、及び主蒸気管を備え、かつ該内
部ケーシング及び主蒸気管がオーステナイトステンレス
鋳鋼にエフ構成さ九た高温高圧蒸気タービンにおいて、
その少なくとも一方がオーステナイトステンレス鋳鋼で
ある同材又は異材の継手溶接部及び／又は補修溶接部に
おける溶接熱影響部の組織が、微細な再結晶組織である
ことを特徴とする。

また本発明の第２の発明な溶接方法に関する発明であっ
て、少なくとも一方がオーステナイトステンレス鋳鋼で
ある被溶接材を溶接する方法において、その溶接開先面
を冷間塑性加工する工程、及び該加工後溶接を行う工程
の各工程を包含することを特徴とする。

本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋳鋼の組織
が著しく粗大化し、しかもデルタフェライトが約５０−
以下であっても高温割れが防止できること全実験的に見
出し九。

すなわち、本発明ではオーステナイトステンレス鋳鋼の
溶接が施される溶接開先面をあらかじめ機械的な衝撃を
加え、開先面を塑性変形させるものでおる。しかるに、
開先面に塑性変形を加えることＫよシ、その後の溶接に
おいて、その塑性変形部が溶接熱によって再結晶上越し
、著しく微細組織とな夛、高温割れが防止できる。

その深さは、溶接境界ニジα０５−以上が有効でおる。

冷間塑性加工を加える方法は溶接開先面に塑性変形が残
るものであればいかなる方法でも↓い。特にエアーハン
マによるタガネピーニングなどは簡便で、効果を十分発
揮する。

第２図は、本発明のｌＷ液接部１例の金属組織の顕微伊
写真である。すなわち、第２図線、オーステナイトステ
ンレス鋳鋼（８ＵＳ　５１６　）の溶接開先面にエアー
ハンマによるピーニング処理を施した後に８Ｕ８５１６
系の被覆アーク溶接棒音用いて溶接した溶接部の金属組
織の顕微鎗写真、第３図は、従来法のピーニング処理を
施さずに溶接音節した後の溶接部の顕微鐘組織を示す。

両者を比較して明らかなごとく、溶接前にあらかじめ溶
接開先面にピーニング処理を施した第２図の本発明の溶
接熱影響部の組織は微ｌｌＢな再結晶組織を呈している
。もちろん、高温割れも認められない。それに対して、
第３図の従来法の溶接熱影響部の組織は第２図のＬ５な
微細組織は認められない。また第３図では溶接熱影響部
と溶接金属に高温割れが発生している。

次に本発明の溶接方法を適用した高温用（温度６００〜
６５０、圧力５００〜３５０時ｆ／−）蒸気タービンケ
ーシングの溶接構造と溶接施工について説明する。

主蒸気管の溶接は、オーステナイトステンレス鋳鋼であ
るため、オーステナイトステンレス鋳鋼同志の溶接構造
となる。主蒸気管は重量で０（１０５％１１％、８ｉ　
ａ　ｂ　−１，５’Ｉｎ、Ｍｎ　１〜２％、Ｎｉ１１〜
１６％、０ｒ１４〜２０％、ＭＯ２〜５％及び残部？・
、又はこれにＴ１α１〜１１４チ、Ｎｌ）α０５−ｃＬ
５％、　Ｂ　Ｉ　Ｑ　〜６０　ｐｐｍ。

ム、ＩＣＬＯ１０〜α０６％の１ｓ以上を含むことが好
ましい。この溶接施工は初めに溶接熱が加わる開先面全
面を塑性加工上節す。塑性加工は圧縮空気を用い次タガ
ネピーニング法が好ましい。ショットピーニング法も好
ましい。

次に開先面に塑性加工を施した後に、開先部を２〜５層
程度肉盛溶接を施す。あらかじめ、肉盛溶接會施すのは
溶接境界付近の割れなどの欠陥の有無を検査する際に、
検査が容易にする九めである。開先肉盛溶接後は継手溶
接上実施する。

第４図は本発明の方法による溶接継手構造の１例を示す
概要図である。ここで符号２０は被溶接材、９は肉盛溶
接部、１０は継手溶接部會意味する。

溶接棒はツボライトを数チ含む、オーステナイトステン
レス系の使用が好ましい。肉ｌ＆溶接及び継手溶接用溶
接４１Ｎは同一のものが好ましい。

予熱は施さないことが好ましい。溶接バス間温度１ｌｃ
１５０℃以下が好ましい。溶接後は６００〜６５０℃の
応力除去節なまし処理音節すのが好ましい。

次に外部ケーシングと主蒸気管との溶接について説明す
る。

第５図は、本発明の溶接方法を適用した溶接継手構造の
１例會示す概要図である。第５図において、符号１と６
仁第１図と同義であり、１１は主蒸気管１の開先面の肉
盛溶接部、１２は外部ケーシング６の開先面の肉感溶接
部、１３は継手溶接部を意味する。

主蒸気管１は前述し九化学成分である。外部ケーシング
６は重量でＯα０８Ｓ１１１６％、８１１、１１　％以
下、Ｍｎ　（１５〜１．５％、Ｎ１１５％以下ｃｒα８
〜１．８％、ＭＯ１８〜１．５％、７１１〜１３％、そ
の他Ａｊα０１％以下、Ｔ１α００１〜α０２％及び１
５〜１０ｐｐｍ’（１−含み、残部Ｆ′ｅからなるもの
が好ましい。不純物としてＯｕが入って来るがα４％以
下が好ましい。

更に、本発明の溶接継手構造は外部ケーシング６の開先
面にニッケル基系肉盛溶接部１２を有し、主蒸気管１の
開先面にニッケル基果肉盛溶接部１１を有し、更に肉盛
溶接部１２と１１の間にＮ１基系継手溶接部１３を有す
る。

外部ケーシングの開先面にＮ１基系肉盛溶接１２七施す
のは、オーステナイト系ステンレス溶接棒の中でも特に
炭化物の安定性に優れているためであり、フェライト系
鋼に溶接してもその溶接境界部には脱炭層や浸炭層は形
成しない。

次に本発明の溶接継手構造における溶接施工法について
以下に説明する。

最初に生蒸気管１及び外部ケーシング６の開先面に肉盛
溶接１１及び１２を施す。生蒸気管１の開先部の肉盛溶
接１１に際しては、先に述べたごとく、溶接割れ防止の
ために、あらかじめ、開先面全面に塑性加工を施す。塑
性加工はタガネピーニングが好ましい。ピーニング加工
後ｒｚニッケル基系溶接棒會用いて、肉感溶接１１をす
る。他方、外部ケーシング側の肉盛溶接１２に対しては
、予熱及びバス間温度は１００〜２００℃が好ましい。

上記溶接後は残留応力除去及び溶接熱影響部の靭性向上
のために応力除去部なまし処理を施す。なお、応力除去
部なまし処理前の温度は１００℃以上が好ましい。また
、応力除去部なまし処理前に４００℃、３０分間保保持
度の脱水素処理金施しても工い。応力除去部なまし処理
は６５０〜７００℃、１時間以上の条件であることが好
ましい。以上の肉盛溶接１１及び１２が終了後は継手溶
接１３を実施する。継手溶接な肉盛溶接１１及び１２で
用いた溶接棒と同じものが好ましい。予熱は必要とせず
、バス間温度は１５０℃以下が好ましい。

次に、主蒸気管の鋳造欠陥の溶接補修について説明する
。鋳造欠陥は実機稼動中にき裂へ進展する恐れがあるの
で、検査を十分行い除去する必要がある。第６図は欠陥
部の本発明の溶接方法による補修溶接構造の１例を示す
概要図でるる。

Ｉ！６図において、符号１は主蒸気管、１−４は補修溶
接部を意味する。

本発明の補修溶接に際しては初めに、溶接熱実験に用い
た試験片形状は板厚１００１１１ｍ、板幅１５０ｍｍ、
長さ４００ｍである。溶接は試験片全面を全気圧による
タガネピーニング処理後２層肉盛溶接で行った。なお、
予熱はせず、パス間温度は１００℃以下である。

第７図はピーニング時間（秒／−１横軸）及び圧力（Ｉ
Ｑ／３”　、縦軸）と溶接高温割れとの関係を示すグラ
フである。ピーニング時間が５ＩＱ／ｃｍ”と高くても
ピーニング時間がＣＬ５秒７５ｍ”では高温割れが発生
していた。割れは第３図に示し次ごとく、溶接金属と母
材にま危がった高温割れであった。他方、ピーニング時
間がα５秒乙ザ以上であれば高温割れは認められなかっ
た。溶接部のミクロ組織は第２図に示したが、溶接熱影
響部はピーニング処理により塑性変形を受け、その後の
溶接熱によって再結晶していることが明らかである。

以上の結果、本発明によれば＃接棒が８ＵＢ３１６Ｌ及
びＮ１基系共にピーニング時間を（Ｌ５秒／ｃｍ”以上
施せば溶接割れは防止できることが明らかである。

ｌ！８図はピーニング加工に伴って生じる再結晶深さく
一１縦軸）及びピーニング時間（秒／３８、横軸）と割
れとの関係を示すグラフである。

この結果、割れは再結晶深さが１０５■以上であれば発
生しない。すなわち、本発明の溶接割れを防止するため
には、溶接熱影響部の再結晶深さｙａｏｓ−以上にさせ
るよう被溶接材開先面を塑性加工すればよいことが明ら
かである。

実Ａ伺２ 次に本発明の継手溶接部の継手強度試験１ｒ実施した。

供試材としては第１我に示した化学成分の＋３Ｕ８５１
６鋳鋼と第５懺に示す化学成分のａｒ−Ｍ□−ｖ鋳鋼を
用いた。

溶接継手試験片の形状は板厚５０ｍ、板幅１００■、長
さ５００−である。開先形状は４５−とじた。

溶接方法はまず第３我に示したｃｒ−ｕ□−ｖ鋳鋼の開
先部罠第２樅で示したＮ１基溶接棒を用いて、Ｓ／Ｉの
肉感溶接を行った。その時の予熱及びパス藺温度な１５
０℃でらる。溶接径線６９０℃、８時間保持の応力除去
焼なまし処理を実施した。

他方、第１表のＲＵＢ　５１６鋳鋼の開先面の肉感溶接
施工法は、まず初めに溶接開先面全面をタガネピーニン
グを施した後に、Ｎ１基溶接棒を用いて、５層肉盛溶接
を行った。ピーニングは圧カニ　５　Ｋ９／ａｎ”及び
ピーニング時間３秒／薗２の条件で実施した。肉盛溶接
は予熱は施さず、パス間温度１００℃以下で実施した。

次に両者の肉盛溶接後、継手溶接を行つ九。継手溶接に
用いた溶接棒は上記肉盛溶接に適用したものと同じＮ１
　茶系溶接棒である。溶接施工は予熱を施さず、バス間
温度１５０℃以下で実施した。

以上の溶接試験片より、継手溶接断面検査用の試験片を
採取し、顕微鏡にＬり割れの有無を検査した。その結果
、本発明の溶接継手には割れは認められなかつ良。

次に、継手溶接部の継手溶接クリープ試験を実施した。

試験片の形状な平行部直径１０φ及び長さ５０■で７ｂ
〕、平行部内Ｋ　Ｏｒ−Ｍｏ−７鋳鋼、溶接金属及び８
ｔＪ８５１６鋳鋼が入る工うにした。

クリープ破断試験の結果、破断位置は全てＯｒ−ＭＯ−
Ｖ鋳鋼母材であった。５ｓｏｃ、１０分９Ｊａクリープ
破断応力は１α５暗／−であった。

実機のＯｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼の溶接継手付近の温度は５５
０℃であり、その所の設計クリープ破断応力は５５０℃
、１０万時間で１ｏ騙／霞工である。

本結果は設計応力を満足している。

以上の結果、本発明の異材溶接構造及び接合方法１；Ｊ
ＢＵＢ５１６系鋼王蒸気管材トＯｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼外部
ケーシングの溶接に適していることが明らかである。ｔ
た、本発明によれば蒸気タービンの作動源として温度６
００〜６５０　Ｃ１圧カ５５２　ｑ／ｃｍ”の高温蒸気
タービン罠適していることが明らかである。

なお、高温部材にピーニング処理を施す方法は既に特開
昭５６−１４８６０２号で開示されている。しかし、そ
の方法はＯｒ−Ｍｏ−Ｖ銅系ロータ材のキー溝内にピー
ニングを施して異面に圧縮残留応力を発生させて応力腐
食割れを防止する方法で、１）、本発明のステンレス鋳
鋼の溶接開先面をピーニング処理を施し、溶接熱影響部
を再結晶組織にさせて、高温割れを防止する方法とは根
本的（異なる。

実施例３ 次に本発明の主蒸気管の継手溶接構造の実験を実施した
。継手溶接母材は第１表の８０８５１６系鋼の継手でＩ
Ｓシ、溶接棒には市販の８１１８３１６Ｌ溶接棒を用い
友。試験片の形状は、前記の実施例と同一である。溶接
方法として、１つは一般に行われている溶接のごとく、
直接８０Ｂ！１１６鋳鋼を８ｔｒ８５１６　Ｌ溶接棒で
溶接するものである。もう１つは本発明の溶接構造であ
り、実施例１の溶接割れの防止できる発明条件で実施し
たものである。すなわち、本発明の実施例に、溶接熱が
加わる溶接開先面に塑性変形を加えるためにタガネピー
ニングを施し、その後両溶接開先面に５層の肉盛溶接を
施してから継手溶接を行つ九。ピーニング条件は圧カニ
　３　Ｋ９７ｃｍ”、時間＝３秒／ｃｍ”である。肉盛
溶接及び継手溶接は予熱を施さず、パス間温度１５０℃
以下で行った。　　゛ 以上の溶接試験片ニジ、継手溶接継面検査用の試験片を
採取し、顕微鐘にエフ割れの有無を検査した。その結果
、本発明の溶接部には全く溶接割れ法認められなかった
。しかし、本発明との比較溶接材には溶接境界部に割れ
が認められた。

次に継手溶接部のクリープ破断試験を実施した。なお、
本発明との比較溶接材においては溶接割れのない位置よ
り、継手クリープ試験片を採取した。第４表にそのクリ
ープ破断試験結果を示す。

第　　４　　表 その結果、本発明の６５０℃、１０５時間クリープ破断
強度は１（Ｌ８騙／鴫冨である。本溶接継手部の６５０
℃、１０８時間クリープ破断強度の設計要求値は１０　
ｋｇ／’ｓ＋＋”以上である。本発明の溶接継手構造は
それを満足している。他方、本発明の比軟材は７．５ゆ
／−で、設計要求値を満足しない。なお、試験片の破断
位置は本発明材が溶接金属であ〕るのに対して、比較材
は溶接境界部からであつ九。本発明材の破断位置が溶接
境界部からでなかった要因は、あらかじめ溶接開先部に
ピーニングによる塑性加工を加えたことにより、その後
の溶接熱により熱影響部が微細な再結晶組織となるため
、溶接境界部が強化されたものと推定される。

以上のように、本発明の溶接継手は溶接割れがなく、ク
リープ破断強度が著しく高いため信頼性が高く、実機へ
の適用に対して好適であることが明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶接割れが発生せず、蒸気温度６００
〜６５０℃、圧力５００−５５２ｋｌ／／ｃＩｎ”の高
温高圧下にさらされる蒸気タービンにおいて溶接部の組
織が安定で強度が高い優れた効果が発揮される。

更に本発明のオーステナイトステンレス鋳鋼の溶接割れ
を防止するための、ららかしめ開先部に塑性加工を施す
方法においては、蒸気タービンの溶接構造物はかシでな
く、必要であれば原子力、水力、化学機器の溶接構造に
使用してもなんら問題ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気温度６００〜６５０℃、圧力５００−５５
０　ＩＣ９／ｃｍ”用蒸気タービンの断面図、第２図は
本発明の、第３図は従来法の各溶接部０１例の各金属組
織の顕微鐘写真、第４図及び第５図は本発明の溶接方法
を適用した溶接継手構造の１例を示す概要図、第６図は
欠陥部に本発明の溶接方法を適用した補修溶接構造の１
例を示す概要図、第７図及び第８図に本発明及び比較例
の溶接部の高温割れ試験の結果を示すグラフである。 １：生蒸気管、２：伸縮管、３ニブレード、４：ロータ
シャフト、５：内部ケーシング、６：外部ケーシング、
７：異材溶接部、８：同材溶接部、９．１１及び１２：
肉盛溶接部、１０及び１３：継手溶接部、１４：補修溶
接部、２０：被溶接材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロータ、内部ケーシング、外部ケーシング、及び主
   蒸気管を備え、かつ該内部ケーシング及び主気管がオー
   ステナイトステンレス鋳鋼により構成された高温高圧蒸
   気タービンにおいて、その少なくとも一方がオーステナ
   イトステンレス鋳鋼である同材又は異材の継手溶接部及
   び／又は補修溶接部における溶接熱影響部の組織が、微
   細な再結晶組織であることを特徴とする高温高圧蒸気タ
   ービン。 ２、少なくとも一方がオーステナイトステンレス鋳鋼で
   ある被溶接材を溶接する方法において、その溶接開先面
   を冷間塑性加工する工程、及び該加工後溶接を行う工程
   の各工程を包含することを特徴とする溶接方法。 ３、該溶接を行う工程が、該塑性加工を施した溶接開先
   面に肉盛溶接層を設ける工程、次いで溶接材により溶接
   する工程を含むものである特許請求の範囲第２項記載の
   溶接方法。４、該塑性加工が、ピーニング加工である特
   許請求の範囲第２項又は第３項記載の溶接方法。 ５、該ピーニング加工が、溶接開先面の単位面積当り０
   ．５秒／ｃｍ＾２でピーニングを施すものである特許請
   求の範囲第４項記載の溶接方法。