JP3645405B2

JP3645405B2 - Processing method of high chromium turbine rotor

Info

Publication number: JP3645405B2
Application number: JP27002197A
Authority: JP
Inventors: 丈治金子; 高芦葉; 祐一郎佐藤; 道義崎山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2017-10-02
Also published as: JPH11104880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高クロム材からなるタービンロータの軸部表面に、高温強度、耐焼き付き性、および耐摩耗性等の優れた特性を付与する高クロムタービンロータの加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電施設においては、蒸気タービンの熱効率を向上させるため、蒸気温度の高温化が進められており、蒸気タービン部品やそれらに関連する周辺部品が、高温環境下に曝されるようになっている。特に、タービンブレードは最も高温蒸気に曝され高温強度が要求され、このタービンブレードを支持しているタービンロータについても同様の特性が要求される。
【０００３】
このような事情のもとで、５００〜６５０℃という高温蒸気下で使用されるタービンロータには、高クロム材が多用されている。高クロム材はクロムを３〜１２％含有し、高温強度に優れた材料であり、タービンロータの胴部材として好適な材料と考えられる。
【０００４】
ところで従来一般に、タービンロータとして高クロム材を適用した場合、軸部を含む全体が一体的に構成されており、このタービンロータの軸部を支持する軸受としてはホワイトメタルが多用されている。しかし、この組み合わせによれば、高クロム材からなるタービンロータの軸部とホワイトメタルからなる軸受との接触により、ゴーリングと呼ばれる焼き付きによるトラブルが生じ易い。
【０００５】
そこで、焼き付きによるトラブルを解消するために、高クロム材からなるタービンロータの軸部の外層に、耐焼き付き性、耐摩耗性等に優れた材料を適用することが考えられ、例えば、タービンロータの軸部に低合金鋼を焼き嵌める焼き嵌めスリーブ形式、あるいは低合金鋼の溶接肉盛りを行う溶接肉盛り形式等が開発された。
【０００６】
焼き嵌めスリーブ形式の場合には、タービンロータの構造上、軸継手部を最後に焼き嵌める必要があって作業が面倒であり、また軸継手部ではトルクを前後の軸間で伝達することから、焼き嵌め面にキーを必要とし、構造的に複雑となる欠点がある。また、この焼き嵌めスリーブ形式によれば、焼き嵌め面圧が高いことから、タービンロータのわずかな振れ回りによって生じる焼き嵌め面の滑りにより、フレッチング疲労という現象が発生する。この現象は面圧集中部の改良などの実施により解消されつつあるが、現状ではまだ完全に解消するに至らず、定期的な検査等を必要としている。さらに、タービンロータの後軸形状によっては、焼き嵌めスリーブ形式を採用するのが難しいという問題もある。
【０００７】
一方、溶接肉盛り形式は、タービンロータの軸部の外周面に周方向に沿って開先加工を行い、この開先部分に溶接肉盛り部を形成するもので、ドイツで開発された技術であり、最近では我国等でもその採用が徐々に増加している。しかし、この形式では溶接肉盛りした低合金鋼にキャビティーなどの溶接欠陥が内在したり、また、溶接肉盛り部が溶接特有のデンドライト組織となることから、耐焼き付き性、耐摩耗性などの特性が著しく低下するという欠点もある。また、タービンロータが高クロム材製であると、タービンロータそのものが溶接により低温割れを生じ易くなったり、タービンロータの母材成分の希釈の影響を大きく受ける肉盛り層において、応力除去用の焼鈍熱処理を行う際の再熱により、割れ感受性が高くなるという問題もある。この他にも、運転使用中に割れが発生する可能性もある。
【０００８】
そこで、内部に生じている欠陥を潰すことを目的として溶接肉盛りした部分を鍛造する方法が考えられる。しかし、高クロム材の母材と低合金鋼をベースとした溶接肉盛り材は高温での変形抵抗に大きな差があり、そのまま鍛造した場合、鍛造時の加熱によって肉盛り部が塑性流動（溶接継手部での滑り）を生じやすく、溶接肉盛り部を円周方向に一定の厚さに保つのが難しく、場合によっては軸芯がずれる可能性がある
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、タービンロータの軸部に低合金鋼を溶接肉盛りし、その溶接肉盛り層の部分に加熱軽鍛造を施すことによって、溶接欠陥が無く、緻密な均一組織の異種金属層が得られることを見い出した。
【００１０】
しかし、高クロム系材料では一度タービンロータシャフトとして全体を鍛造成型した後、軸受け部に溶接肉盛りのための開先加工を施し、低合金鋼を肉盛り溶接して成型された軸受け部を何の対策なしに再度熱間鍛造成型を施す場合には次の不都合が生じる。
【００１１】
溶接肉盛りを施行する軸受け部の範囲はタービンの大きさにもよるが、５００ｍｍ程度までの長さである。このようにそれ程長さがないにもかかわらず、溶接肉盛りの後の熱間鍛造成型においてはタービンロータ全体を加熱炉に入れ全体を鍛造温度１１５０℃に加熱するため、すでに成型されているタービンロータの変形抵抗が少なくなり、自重により変形し軸芯が曲がってしまうことが１つの問題である。次に鍛造温度における高クロム材の母材と低合金鋼をベースとした溶接肉盛り材は、高温での変形抵抗に大きな差があり、高クロム材系の軸芯を中心とした同心円状に溶接肉盛りした低合金層が一様に鍛造しにくく、鍛造後の機械加工によって溶接肉盛り層の厚さが周方向に不均一になる可能性が大きい。また鍛造の程度によっては境界部で滑りを生じ、剥離現象が発生することに注意が必要である。
【００１２】
本発明は、このような課題に対処するためになされたものであり、タービンロータの軸部に、溶接欠陥がなく、耐焼き付き性、および耐摩耗性に優れた低合金鋼の材料を溶接する加工方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の高クロムタービンロータの加工方法は、高クロム材からなるタービンロータの軸部の外周面に周方向に沿って開先加工を行い、この開先部分に異種金属の溶接肉盛り部を形成した後、その溶接肉盛り部を加熱して鍛造成型を行うことにより、前記軸部の表面の対軸受摺動特性を高める高クロムタービンロータの加工方法において、前記溶接肉盛り部の加熱に際し、その溶接肉盛り部の表面側をタービンロータ母材との溶接部側よりも高温に設定し、この温度差を保持した状態で前記溶接肉盛り部の鍛造成型を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明において、溶接肉盛り部の表面側は高温に設定され、タービンロータ母材との溶接部側は低温に設定されている。このため、溶接肉盛り部の表面側は変形しやすく、またタービンロータ母材との溶接部側は変形し難い。従って、タービンロータ母材の変形を抑えながら表面側のみを変形することが可能になり、溶接部における滑りを防ぐことが可能である。
【００１５】
さらに、温度差を保持した状態で鍛造成型を行うことにより、溶接肉盛り部における溶接欠陥を無くすことが可能である。なお、高クロムタービンロータは、溶接肉盛りを行う前にすでに一度鍛造が施されているため、溶接肉盛り部の範囲以外については基本的に鍛造を施す必要はない。
【００１６】
請求項２記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１記載の高クロムタービンロータの加工方法において、溶接肉盛り部の加熱温度として、溶接肉盛り部の表面近傍を９００〜１２００℃に設定し、タービンロータ母材と溶接肉盛り部との境界部を７００℃以下に設定することを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、鍛造を行うための加熱温度を規定している。本発明で鍛造を行うための熱間変形可能な加熱温度は、９００〜１２００℃の範囲である。一方、加熱温度が７００℃以下の低温度では、変形抵抗が著しく増加して変形し難く、変形性能が高温時と比較して５％以下となるため、ほとんど変形を示さなくなる。従って、溶接肉盛りされた低合金鋼の外層部のみを９００〜１２００℃に加熱し、高クロム母材と溶接肉盛り部との境界部を７００℃以下の低温度にすることで、溶接部における滑りを防ぎ、また溶接肉盛り部内部に存在する溶接欠陥を無くすことが可能である。
【００１８】
請求項３記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１または２記載の高クロムタービンロータの加工方法において、溶接肉盛り部の加熱手段として、高周波加熱を用いることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、溶接肉盛りされた低合金鋼の外層部のみを９００〜１２００℃に加熱し、高クロム母材と溶接肉盛り部との境界部を７００℃以下の低温度として急勾配の温度差を設ける手段としては、高周波加熱方式が最適である。高周波加熱方式は、溶接肉盛り部の材質、溶接肉盛りの厚さ、軸部の直径等の違いにより高周波加熱条件を変えることができ、肉盛り溶接された低合金鋼の外層部のみを加熱することが可能である。したがって、タービンロータの軸部における局部加熱のため、タービンロータ母材が変形する等の問題も生じない。
【００２０】
また本発明においては、溶接肉盛り後に鍛造を施すため、溶接肉盛りに高度な技術を必要としない。即ち、これまで溶接肉盛り技術に関する多くの提案がなされているが、これは溶接肉盛りの方法や溶接肉盛り材料の成分などに関して、難しい条件が数多くあるためである。しかし、本発明によれば、肉盛り溶接後に鍛造を行うことにより、溶接肉盛り材料の制約がなくなり、軸受け特性、すなわち耐焼き付け性や耐摩耗性等の優れた材料を選択することができる。また、溶接時に発生する溶接欠陥に過度の注意を必要としない。すなわち、溶接欠陥が生じたとしても、鍛造過程で欠陥を潰し、溶接欠陥を無くすることが可能になるからである。
【００２１】
なお、高周波加熱条件を確立する方法としては、予め本発明の材料と異なる別の試験体でシュミレーションを行う方法、あるいは伝熱解析を行い実測することなく制御する方法のいずれを採用することもできる。
【００２２】
また、本発明の方法では、タービンロータ母材に変形が生じないため、軸心が変化せず、軸心を基準として鍛造される溶接肉盛り層に機械加工を施す際にも、均一な厚さの溶接肉盛り層を確保することが可能となる。
【００２３】
請求項４記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１または２記載の高クロムタービンロータの加工方法において、異種金属としてクロム・モリブデン・バナジウム鋼のみを使用して溶接肉盛りを初層から２層目以降まで行うことを特徴とする。
【００２４】
クロム・モリブデン・バナジウム鋼（ＣｒＭｏＶ鋼）は強度が高く、また過去におけるタービンロータ材としての使用実績から、耐焼き付き性および耐摩耗性等に全く問題がない。しかし、高クロムタービンロータの母材と溶接肉盛り材であるクロム・モリブデン・バナジウム鋼とは共に溶接性が悪いため、溶接肉盛り材であるクロム・モリブデン・バナジウム鋼を最初から溶接すると溶接欠陥が発生してしまう。そこで通常では、強度の低い材料を最初に肉盛り（初層溶接という）し、その上に強度の高いクロム・モリブデン・バナジウム鋼を溶接する方法が採用されている。
【００２５】
これに対し、本発明によれば、鍛造によって溶接欠陥の無い高クロムタービンロータを得ることができるので、初層溶接から最終層までに亘って直接クロム・モリブデン・バナジウム鋼のみを肉盛りすることが可能であり、これにより作業の簡略化が図れる。
【００２６】
また、溶接肉盛り部における溶接欠陥を潰すために通常では、タービンロータにおける鍛造比を３Ｓ以上に設定する必要がある。この３Ｓという鍛造比は、直径の大きいロータ材を鍛造する場合に、ロータの中心部近傍の溶接欠陥を潰すために必要な鍛造比とされている。ところが、本発明によれば、溶接肉盛り部の表面近傍のみを加熱して鍛造することにより、溶接欠陥を無くすることができるので、通常のタービンロータで必要とされる３Ｓ以上の鍛造比は必要なく、溶接肉盛り層の厚さが例えば１５ｍｍである場合、１０ｍｍの厚さまで鍛造すれば良い。
【００２７】
請求項５記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１または２記載の高クロムタービンロータの加工方法において、異種金属としてクロム・モリブデン鋼のみを使用して溶接肉盛りを初層から２層目以降まで行うことを特徴とする。
【００２８】
なお、クロム・モリブデン・バナジウム鋼は、強度には優れているが、溶接性は特に良好ではない。これと反対に、溶接性の優れた溶接材料を選定した場合には軸部の強度が犠牲となる問題がある。そこで、溶接性が優れ、かつ強度も優れている低合金鋼を選択することが望ましい。このような条件を満たす溶接肉盛り材料として、クロム・モリブデン鋼（ＣｒＭｏ鋼）が挙げられる。
【００２９】
本発明において、クロム・モリブデン鋼として、例えば２．２５Ｃｒ１Ｍｏ鋼を用いた場合には、強度がクロム・モリブデン・バナジウム鋼に及ばないものの、溶接性を低下させず、設計強度を満足させることができる。また、２．２５Ｃｒ１Ｍｏ鋼によれば、溶接欠陥を少なくし、鍛造成型を容易にすることが可能である。
【００３０】
請求項６記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１または２記載の高クロムタービンロータの加工方法において、溶接肉盛り部の初層を低合金鋼の下盛りにより形成した後、２層目以降の溶接肉盛り部をクロム・モリブデン・バナジウム鋼により形成することを特徴とする。
【００３１】
本発明においては、溶接肉盛り方法として、初層に強度の低い低合金鋼を用い、２層目以降に強度の高いクロム・モリブデン・バナジウム鋼の溶接を行い、その後鍛造成型を行う。初層に強度の弱い低合金鋼を用いることにより、溶接欠陥の極力低い溶接肉盛り部を形成し、また、軽鍛造を施す際に簡単に溶接欠陥を潰すことが可能となる。
【００３２】
請求項７記載の高クロムタービンロータの加工方法は、請求項１または２記載の高クロムタービンロータの加工方法において、溶接肉盛り部の鍛造成型後に、１０００〜１１００℃の加熱および油冷による焼き入れ処理と、６００〜７００℃の加熱および徐冷による焼戻し処理を施すことを特徴とする。
【００３３】
即ち、本発明においては、溶接肉盛り及び鍛造成型を行った後に、高クロムタービンロータそのものを１０００〜１１００℃に加熱して油冷を行う焼き入れ処理と、６００〜７００℃に加熱し徐冷する焼戻し処理を施す、という調質熱処理を行う。
【００３４】
溶接肉盛り部は低合金鋼の材料であり、この材料のオーステナイト化温度は高クロム材からなるタービンロータのオーステナイト化温度とほぼ同様である。このため、溶接肉盛り及び鍛造成型後にタービンロータ全体の調質熱処理を行うことにより、溶接部の組織は溶接後の脆い組織でなく、靭性のある組織へと変化させ、疲労強度の優れた組織とすることができる。また、調質熱処理以前に行われた局部加熱による組織変化は、調質熱処理により消去させることができる。なお、溶接肉盛り及び鍛造成型後に応力除去焼鈍を施すという方法を用いてもよい。
【００３５】
このように、肉盛り溶接部の鍛造成型後に調節熱処理を行うことにより、通常の鍛造材に相当する溶接肉盛り部を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高クロムタービンロータの加工方法の実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００３７】
実施例１
本実施例は、溶接肉盛り材料としてクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いる場合についてのものである。
【００３８】
まず図１に示すように、高クロム材によって、軸部２を両端に有する高クロムタービンロータ１を作成し、全体に鍛造成型を行った。
【００３９】
次に、図２に示すように、高クロムタービンロータ１の軸部２に、機械加工により開先加工を施し、これにより開先部分３を形成した。溶接材料として、強度の高いクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いて、溶接肉盛り部４を形成した。なお、開先部分３の深さを１０ｍｍとし、肉盛り厚さを１５ｍｍとして、機械加工後の最終厚さが５ｍｍとなる設計とした。
【００４０】
そして、高周波加熱装置（図示しない）により加熱条件を設定し、１５ｍｍの厚さを有する溶接肉盛り部４の外層を１１００℃に加熱し、肉盛り層と高クロム母材との境界部を６６０℃の温度に設定した。
【００４１】
加熱後に、鍛造成型を行い、５ｍｍの余盛りを高クロムタービンロータ１の表面と同様とするために、回転しながら鍛造成型を行った。
【００４２】
最終的に、１０５０℃の加熱および油冷を行う焼き入れ処理と、６５０℃の加熱および徐冷を行う焼戻し処理（調質熱処理）を施した。この調質熱処理によって、図４に示すように、高クロムタービンロータ１の軸部２を完成させた。
【００４３】
以上の方法によって得られた高クロムタービンロータについて、超音波探傷試験を行った。超音波探傷試験は、パルス反射法により行い、超音波ビームの送受信の方向および用いる超音波の種類を異ならせた垂直探傷試験及び斜角探傷試験により、欠陥を調査した。なお、垂直探傷試験においては、反射波の強さを１２ｄＢ（周波数５ＭＨｚ）とし、エコー高さは１０〜３０％とした。また、斜角探傷試験においては、反射波の強さを６ｄＢ（周波数５ＭＨｚ）とし、エコー高さは、１０〜２０％及び２０〜３０％とした。
【００４４】
上記試験結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１に示すように、本実施例では垂直探傷試験及び斜角探傷試験のいずれにおいても、欠陥個数は０個であった。これにより、本実施例の方法では溶接肉盛り部４に溶接欠陥が全くなく、優れた特性の軸部２が得られることが確認された。また、軸部２の軸心についても、偏心等の発生はないことが確認された。
【００４７】
実施例２
本実施例では、溶接材料として初層に低合金鋼を、２層以降にクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いた。
【００４８】
なお、高クロムタービンロータ１の軸部２を形成する方法は、実施例１と同様である。
【００４９】
上記のようにして得られた高クロムタービンロータについて、超音波探傷試験を行った。なお、試験条件は実施例１と同様である。
【００５０】
この結果、表１に示すように、垂直探傷試験及び斜角探傷試験においても、欠陥個数は０個であった。これにより、本実施例の方法によっても、溶接肉盛り部４に溶接欠陥が全くなく、優れた特性の軸部２が得られることが確認された。また、軸部２の軸心についても、偏心等の発生はないことが確認された。
【００５１】
実施例３
本実施例では、溶接材料としてクロム・モリブデン鋼を用いた。
【００５２】
なお、高クロムタービンロータ１の軸部５を形成する方法は、実施例１と同様である。
【００５３】
上記のようにして得られた高クロムタービンロータについて、超音波探傷試験を行った。なお、試験条件は実施例１と同様である。
【００５４】
表１に示すように、垂直探傷試験及び斜角探傷試験においても、欠陥個数は０個であった。これにより、本実施例の方法によっても、溶接肉盛り部４に溶接欠陥が全くなく、優れた特性の軸部２が得られることが確認された。また、軸部２の軸心についても、偏心等の発生はないことが確認された。
【００５５】
比較例１
本比較例では、溶接材料としてクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いた。
【００５６】
図１に示す高クロムを母材とした高クロムタービンロータ１について鍛造成型を行った。その後、図２に示すように、高クロムタービンロータ１の軸部２に、開先加工を施して溶接開先部３を機械加工によって設けた。溶接材料として、強度の高いクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いて溶接肉盛りを行い、溶接肉盛り部４を形成した。
【００５７】
次に、１０５０℃に加熱して油冷を行う焼き入れ処理と、６５０℃に加熱し徐冷を行う焼戻し処理を施し、高クロムタービンロータを形成した。
【００５８】
表１に示すように、垂直探傷試験において、エコー高さが１０〜３０％のとき欠陥個数は５個であった。また斜角探傷試験において、エコー高さが１０〜２０％のとき欠陥個数は４０個、エコー高さが２０〜３０％のとき欠陥個数は５個であった。本発明の実施例に比し、溶接欠陥が発生することが認められた。
【００５９】
比較例２
本比較例では、溶接材料として初層に低合金鋼を、２層以降にクロム・モリブデン・バナジウム鋼を用いた。
【００６０】
なお、高クロムタービンロータ１の軸部２を形成する方法は、比較例１と同様である。
【００６１】
上記のようにして得られた高クロムタービンロータについて、超音波探傷試験を行った。なお、試験条件は実施例１と同様である。
【００６２】
表１に示すように、垂直探傷試験において、エコー高さが１０〜３０％のとき欠陥個数は５個であった。また斜角探傷試験において、エコー高さが１０〜２０％のとき欠陥個数は２８個、エコー高さが２０〜３０％のとき欠陥個数は３個であった。本発明の実施例に比し、溶接欠陥が発生することが認められた。
【００６３】
比較例３
本比較例では、溶接材料としてクロム・モリブデン鋼を用いた。
【００６４】
なお、高クロムタービンロータ１の軸部２を形成する方法は、比較例１と同様である。
【００６５】
上記のようにして得られた高クロムタービンロータについて、超音波探傷試験を行った。なお、試験条件は実施例１と同様である。
【００６６】
表１に示すように、垂直探傷試験において、エコー高さが１０〜３０％のとき欠陥個数は３個であった。また斜角探傷試験において、エコー高さが１０〜２０％のとき欠陥個数は２０個、エコー高さが２０〜３０％のとき欠陥個数は２個であった。
【００６７】
以上のように、溶接材料を異ならせた鍛造成型前後での超音波探傷試験結果より、本発明によれば、鍛造成型を行うことにより、欠陥個数が０個となり、完全に溶接欠陥を潰すことができることが確認された。
【００６８】
また、溶接肉盛り部における図示しない外層の組織検査の結果によると、鍛造成型後のデンドラント組織は分断された緻密な鍛造組織となっており、溶接肉盛り層でありながら、鍛造品と同等な組織に変化していることが確認された。
【００６９】
なお、本発明によれば、溶接性は悪いが強度の高い材料を溶接肉盛り材料として使用できることから、設計上のマージンも大きく改善され、小型タービンから大型タービンまで適用することが可能となる。さらに、本発明によれば、溶接肉盛り部に欠陥が生じないことから、定期点検時における溶接肉盛り層の検査は基本的に不必要となり、検査を簡略化することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明に係る高クロムタービンロータの加工方法によれば、高クロムタービンロータの軸部に低合金鋼を溶接肉盛り後鍛造成型することによって、溶接時に生じた欠陥を潰し、緻密な均一組織の溶接肉盛り層を得ることができ、耐焼き付き性および耐摩耗性の優れた高クロムタービンロータを得ることができ、信頼性の大幅な向上が図れる等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高クロムタービンロータの加工工程を説明する図で、溶接肉盛りを行う前の状態を示す図。
【図２】本発明の高クロムタービンロータの加工工程を説明する図で、溶接肉盛りを行った状態を示す図。
【図３】本発明の高クロムタービンロータの加工工程を説明する図で、鍛造成型を行った状態を示す図。
【図４】本発明の高クロムタービンロータの加工工程を説明する図で、機械加工終了後の状態を示す図。
【符号の説明】
１高クロムタービンロータ
２軸部
３開先部分
４溶接肉盛り部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing method of a high chromium turbine rotor that imparts excellent properties such as high temperature strength, seizure resistance, and wear resistance to the surface of a shaft portion of a turbine rotor made of a high chromium material.
[0002]
[Prior art]
In thermal power generation facilities, in order to improve the thermal efficiency of the steam turbine, the steam temperature is being increased, and the steam turbine parts and related peripheral parts are exposed to a high temperature environment. . In particular, the turbine blade is exposed to the hottest steam and requires high-temperature strength, and the turbine rotor supporting the turbine blade is also required to have similar characteristics.
[0003]
Under such circumstances, high chromium materials are frequently used for turbine rotors used under high temperature steam of 500 to 650 ° C. The high chromium material contains 3 to 12% of chromium and is excellent in high-temperature strength, and is considered to be a suitable material as a trunk member of the turbine rotor.
[0004]
By the way, generally, when a high chromium material is applied as a turbine rotor, the whole including a shaft portion is integrally formed, and white metal is frequently used as a bearing for supporting the shaft portion of the turbine rotor. However, according to this combination, trouble due to seizure called goling is likely to occur due to contact between the shaft portion of the turbine rotor made of high chromium material and the bearing made of white metal.
[0005]
Therefore, in order to eliminate problems caused by seizure, it is conceivable to apply a material excellent in seizure resistance, wear resistance, etc. to the outer layer of the shaft portion of the turbine rotor made of a high chromium material. A shrink-fitting sleeve type in which low-alloy steel is shrink-fitted on the shaft, or a weld overlay type in which low-alloy steel is welded has been developed.
[0006]
In the case of a shrink-fit sleeve type, because of the structure of the turbine rotor, it is necessary to shrink-fit the shaft joint part last, and the work is troublesome, and in the shaft joint part, torque is transmitted between the front and rear shafts. There is a drawback in that a key is required for the shrink-fitting surface and the structure is complicated. Further, according to this shrink-fitting sleeve type, since the shrink-fitting surface pressure is high, a phenomenon called fretting fatigue occurs due to slippage of the shrink-fitting surface caused by slight swing of the turbine rotor. This phenomenon is being eliminated by improving the surface pressure concentration portion, but at present, it has not been completely eliminated, and periodic inspections are required. Furthermore, depending on the rear shaft shape of the turbine rotor, there is a problem that it is difficult to adopt a shrink-fit sleeve type.
[0007]
On the other hand, the weld overlay type is a technology developed in Germany that forms a groove on the outer peripheral surface of the shaft portion of the turbine rotor along the circumferential direction and forms a weld overlay on this groove portion. Yes, the number of hires is increasing gradually in our country recently. However, in this type, weld defects such as cavities are inherent in the welded low alloy steel, and because the weld overlay is a dendrite structure unique to welding, seizure resistance, wear resistance, etc. There is also the disadvantage that the properties are significantly reduced. In addition, if the turbine rotor is made of a high chromium material, annealing for stress relief will occur in the build-up layer where the turbine rotor itself is susceptible to cold cracking due to welding or is greatly affected by dilution of the base material components of the turbine rotor. There is also a problem that cracking sensitivity increases due to reheating during the heat treatment. In addition, cracks may occur during operation and use.
[0008]
Then, the method of forging the part which piled up welding for the purpose of crushing the defect which has arisen inside is considered. However, there is a large difference in deformation resistance at high temperatures between the high chromium base metal and low alloy steel-based weld overlay, and when it is forged as it is, the overlay is plastically flowed by heating during forging (welding) (Slips at the joints) are likely to occur, and it is difficult to keep the weld overlay at a constant thickness in the circumferential direction.
[Problems to be solved by the invention]
The inventors have welded a low alloy steel on the shaft portion of the turbine rotor, and applied a light forging to the welded overlay layer to form a dissimilar metal layer having a dense uniform structure without welding defects. I found out that I could get it.
[0010]
However, with high-chromium materials, once the whole is forged as a turbine rotor shaft, groove processing is applied to the bearings to build up the weld, and low-alloy steel is built up and welded. The following inconvenience arises when hot forging is performed again without this measure.
[0011]
Although the range of the bearing part which enforces welding buildup is based on the magnitude | size of a turbine, it is the length to about 500 mm. In this way, in the hot forging molding after welding build-up, the entire turbine rotor is put in a heating furnace and the whole is heated to a forging temperature of 1150 ° C. One problem is that the deformation resistance of the rotor is reduced and the shaft is bent due to its own weight. Next, there is a large difference in the deformation resistance at high temperatures between the high chromium base metal and the low alloy steel base at the forging temperature, and it has a concentric shape centering around the high chromium core axis. The welded low alloy layer is difficult to forge uniformly, and the thickness of the welded built-up layer is likely to be uneven in the circumferential direction by machining after forging. Also, depending on the degree of forging, care must be taken that slipping occurs at the boundary and a peeling phenomenon occurs.
[0012]
The present invention has been made to cope with such problems, and welds a low alloy steel material having no welding defect, excellent seizure resistance, and wear resistance to the shaft portion of the turbine rotor. An object is to provide a processing method.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a machining method for a high chromium turbine rotor, wherein groove processing is performed along a circumferential direction on an outer peripheral surface of a shaft portion of a turbine rotor made of a high chromium material, In the method of processing a high chromium turbine rotor for improving the sliding characteristics against bearings on the surface of the shaft portion by heating the weld overlay portion and performing forging molding after forming the weld portion, the weld overlay portion When heating, the surface side of the weld overlay is set at a higher temperature than the weld zone side with the turbine rotor base material, and the weld overlay is forged and molded while maintaining this temperature difference. To do.
[0014]
In the present invention, the surface side of the weld overlay is set to a high temperature, and the weld side with the turbine rotor base material is set to a low temperature. For this reason, the surface side of the weld overlay is easily deformed, and the weld side with the turbine rotor base material is difficult to deform. Accordingly, it is possible to deform only the surface side while suppressing deformation of the turbine rotor base material, and it is possible to prevent slippage at the welded portion.
[0015]
Furthermore, it is possible to eliminate welding defects in the weld overlay by performing forging while maintaining the temperature difference. Note that the high chromium turbine rotor has already been forged once before the welding build-up, and therefore it is basically unnecessary to perform forging except for the range of the weld build-up portion.
[0016]
The processing method of the high chromium turbine rotor according to claim 2 is the processing method of the high chromium turbine rotor according to claim 1, wherein the vicinity of the surface of the weld overlay is set to 900 to 1200 ° C. as the heating temperature of the weld overlay. The boundary between the turbine rotor base material and the weld overlay is set to 700 ° C. or lower.
[0017]
In the present invention, the heating temperature for forging is specified. The heating temperature at which hot deformation is possible for forging in the present invention is in the range of 900 to 1200 ° C. On the other hand, when the heating temperature is lower than 700 ° C., the deformation resistance is remarkably increased and is hardly deformed, and the deformation performance is 5% or less as compared with the high temperature, so that almost no deformation is exhibited. Therefore, only the outer layer portion of the welded low-alloy steel is heated to 900 to 1200 ° C., and the boundary portion between the high chromium base material and the weld build-up portion is set to a low temperature of 700 ° C. or less, so that the welded portion is obtained. It is possible to prevent slippage in the welding and to eliminate weld defects existing inside the weld overlay.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for processing a high chromium turbine rotor according to the first or second aspect, wherein high frequency heating is used as a heating means for the weld overlay.
[0019]
In the present invention, only the outer layer portion of the welded low alloy steel is heated to 900-1200 ° C., and the boundary portion between the high chromium base material and the weld build-up portion is set to a low temperature of 700 ° C. or less, so that the temperature is steep. As a means for providing the difference, a high-frequency heating method is optimal. The high-frequency heating method can change the high-frequency heating conditions depending on the material of the weld overlay, the thickness of the weld overlay, the diameter of the shaft, etc., and only heats the outer layer of the welded low alloy steel Is possible. Therefore, problems such as deformation of the turbine rotor base material due to local heating in the shaft portion of the turbine rotor do not occur.
[0020]
Further, in the present invention, since forging is performed after welding build-up, advanced technology is not required for welding build-up. That is, many proposals related to the welding overlay technology have been made so far because there are many difficult conditions regarding the welding overlay method and the components of the weld overlay material. However, according to the present invention, by performing forging after build-up welding, there is no restriction on the weld build-up material, and it is possible to select a material having excellent bearing characteristics, that is, seizure resistance and wear resistance. Moreover, it is not necessary to pay excessive attention to welding defects that occur during welding. That is, even if a weld defect occurs, the defect can be crushed during the forging process and the weld defect can be eliminated.
[0021]
As a method for establishing the high-frequency heating conditions, either a method of performing simulation with a different test body different from the material of the present invention in advance or a method of performing a heat transfer analysis and controlling the actual measurement can be employed. .
[0022]
Further, in the method of the present invention, since the turbine rotor base material is not deformed, the shaft center does not change, and even when machining the weld overlay layer that is forged based on the shaft center, a uniform thickness is obtained. It is possible to secure a weld overlay layer.
[0023]
The high chromium turbine rotor processing method according to claim 4 is the high chromium turbine rotor processing method according to

claim

1 or 2, wherein only the chromium, molybdenum, vanadium steel is used as the dissimilar metal, and the weld overlay is formed as the first layer. To the second and subsequent layers.
[0024]
Chromium / molybdenum / vanadium steel (CrMoV steel) has high strength and has no problem in seizure resistance, wear resistance, etc. due to its past use as a turbine rotor material. However, because the weldability of both the high chromium turbine rotor base metal and the weld overlay material chromium, molybdenum, and vanadium steel is poor, welding defects occur when the weld overlay material chromium, molybdenum, vanadium steel is welded from the beginning. Will occur. Therefore, generally, a method is adopted in which a low-strength material is first built up (referred to as first layer welding), and then a high-strength chromium, molybdenum, or vanadium steel is welded thereon.
[0025]
In contrast, according to the present invention, a high chromium turbine rotor free from welding defects can be obtained by forging, so that only chromium, molybdenum, and vanadium steel are directly built up from the first layer welding to the last layer. This can simplify the work.
[0026]
Moreover, in order to crush the weld defect in the weld overlay, it is usually necessary to set the forging ratio in the turbine rotor to 3S or more. This forging ratio of 3S is a forging ratio necessary for crushing a weld defect near the center of the rotor when forging a rotor material having a large diameter. However, according to the present invention, only the vicinity of the surface of the weld overlay is heated and forged, so that welding defects can be eliminated. Therefore, the forging ratio of 3S or more required for a normal turbine rotor is When the thickness of the weld overlay layer is 15 mm, for example, it may be forged to a thickness of 10 mm.
[0027]
The processing method of the high chromium turbine rotor according to claim 5 is the processing method of the high chromium turbine rotor according to

claim

1 or 2, wherein only the chromium-molybdenum steel is used as the dissimilar metal and the weld build-up is performed from the first layer. It is characterized by carrying out up to the layer.
[0028]
Chromium / molybdenum / vanadium steel is excellent in strength but not particularly good in weldability. On the other hand, when a welding material with excellent weldability is selected, the strength of the shaft portion is sacrificed. Therefore, it is desirable to select a low alloy steel having excellent weldability and excellent strength. An example of a weld overlay material that satisfies such conditions is chromium-molybdenum steel (CrMo steel).
[0029]
In the present invention, when 2.25Cr1Mo steel, for example, is used as the chromium / molybdenum steel, the strength does not reach that of the chromium / molybdenum / vanadium steel, but the design strength can be satisfied without degrading the weldability. . Moreover, according to 2.25Cr1Mo steel, it is possible to reduce welding defects and facilitate forging.
[0030]
The high chromium turbine rotor processing method according to claim 6 is the high chromium turbine rotor processing method according to

claim

1 or 2, wherein the first layer of the weld overlay is formed by a low alloy steel underlay. The weld overlay after the first layer is formed of chromium, molybdenum, vanadium steel.
[0031]
In the present invention, as a welding build-up method, low alloy steel with low strength is used for the first layer, chromium, molybdenum and vanadium steel with high strength are welded for the second and subsequent layers, and then forging is performed. By using a low alloy steel with low strength for the first layer, it is possible to form a weld overlay with as low a weld defect as possible, and to easily crush the weld defect when performing light forging.
[0032]
The high chrome turbine rotor processing method according to claim 7 is the high chrome turbine rotor processing method according to

claim

1 or 2, wherein the weld overlay is forged and formed by heating at 1000 to 1100 ° C and oil cooling. It is characterized in that it is subjected to a tempering treatment by heating and annealing at 600 to 700 ° C. and annealing.
[0033]
That is, in the present invention, after performing weld overlaying and forging, the high chromium turbine rotor itself is heated to 1000 to 1100 ° C. to perform oil cooling, and heated to 600 to 700 ° C. and gradually cooled. A tempering heat treatment is performed to perform a tempering treatment.
[0034]
The weld overlay is a low alloy steel material, and the austenitizing temperature of this material is substantially the same as the austenitizing temperature of a turbine rotor made of a high chromium material. For this reason, by performing tempering heat treatment of the entire turbine rotor after welding buildup and forging, the structure of the welded part is changed to a tough structure instead of a brittle structure after welding, and a structure with excellent fatigue strength It can be. Moreover, the structure change by the local heating performed before the tempering heat treatment can be erased by the tempering heat treatment. In addition, you may use the method of giving stress relief annealing after welding build-up and forge molding.
[0035]
In this way, a weld build-up portion corresponding to a normal forging material can be obtained by performing the adjustment heat treatment after the forging molding of the build-up weld portion.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a processing method of a high chromium turbine rotor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0037]
Example 1
In this example, chromium, molybdenum, and vanadium steel are used as the weld overlay material.
[0038]
First, as shown in FIG. 1, the high chromium turbine rotor 1 which has the axial part 2 at both ends was created with the high chromium material, and the forge molding was performed to the whole.
[0039]
Next, as shown in FIG. 2, the shaft portion 2 of the high chromium turbine rotor 1 was subjected to groove processing by machining, thereby forming the groove portion 3. The weld overlay 4 was formed using high-strength chromium / molybdenum / vanadium steel as the welding material. The depth of the groove portion 3 was set to 10 mm, the build-up thickness was set to 15 mm, and the final thickness after machining was set to 5 mm.
[0040]
Then, heating conditions are set by a high-frequency heating device (not shown), the outer layer of the weld buildup portion 4 having a thickness of 15 mm is heated to 1100 ° C., and a boundary portion between the buildup layer and the high chromium base material is 660. The temperature was set to ° C.
[0041]
After heating, forging was performed, and forging was performed while rotating in order to make the surplus of 5 mm the same as the surface of the high chromium turbine rotor 1.
[0042]
Finally, a quenching process in which heating at 1050 ° C. and oil cooling was performed, and a tempering process (tempering heat treatment) in which heating at 650 ° C. and slow cooling were performed. By this tempering heat treatment, the shaft portion 2 of the high chromium turbine rotor 1 was completed as shown in FIG.
[0043]
An ultrasonic flaw detection test was performed on the high chromium turbine rotor obtained by the above method. The ultrasonic flaw detection test was performed by a pulse reflection method, and defects were investigated by a vertical flaw detection test and an oblique flaw detection test in which the direction of transmission / reception of the ultrasonic beam and the type of ultrasonic wave used were different. In the vertical flaw detection test, the intensity of the reflected wave was 12 dB (frequency 5 MHz), and the echo height was 10 to 30%. In the oblique flaw detection test, the intensity of the reflected wave was 6 dB (frequency 5 MHz), and the echo height was 10 to 20% and 20 to 30%.
[0044]
The test results are shown in Table 1.
[0045]
[Table 1]

[0046]
As shown in Table 1, in this example, the number of defects was 0 in both the vertical flaw detection test and the oblique flaw detection test. Thus, it was confirmed that the method of the present embodiment has no weld defects in the weld overlay portion 4 and the shaft portion 2 having excellent characteristics can be obtained. Further, it was confirmed that no eccentricity or the like occurred in the axial center of the shaft portion 2.
[0047]
Example 2
In this example, low alloy steel was used for the first layer as the welding material, and chromium, molybdenum, and vanadium steel were used for the second and subsequent layers.
[0048]
The method for forming the shaft portion 2 of the high chromium turbine rotor 1 is the same as that in the first embodiment.
[0049]
An ultrasonic flaw detection test was performed on the high chromium turbine rotor obtained as described above. The test conditions are the same as in Example 1.
[0050]
As a result, as shown in Table 1, the number of defects was 0 in the vertical flaw detection test and the oblique flaw detection test. Thereby, it was confirmed that the welding portion 4 has no welding defects and the shaft portion 2 having excellent characteristics can be obtained even by the method of the present embodiment. Further, it was confirmed that no eccentricity or the like occurred in the axial center of the shaft portion 2.
[0051]
Example 3
In this example, chromium-molybdenum steel was used as the welding material.
[0052]
The method for forming the shaft portion 5 of the high chromium turbine rotor 1 is the same as that in the first embodiment.
[0053]
An ultrasonic flaw detection test was performed on the high chromium turbine rotor obtained as described above. The test conditions are the same as in Example 1.
[0054]
As shown in Table 1, the number of defects was 0 in the vertical flaw detection test and the oblique flaw detection test. Thereby, it was confirmed that the welding portion 4 has no welding defects and the shaft portion 2 having excellent characteristics can be obtained even by the method of the present embodiment. Further, it was confirmed that no eccentricity or the like occurred in the axial center of the shaft portion 2.
[0055]
Comparative Example 1
In this comparative example, chromium / molybdenum / vanadium steel was used as the welding material.
[0056]
Forging was performed on the high chromium turbine rotor 1 using high chromium as a base material shown in FIG. Then, as shown in FIG. 2, the groove part was given to the axial part 2 of the high chromium turbine rotor 1, and the welding groove part 3 was provided by machining. As a welding material, high-strength chromium / molybdenum / vanadium steel was used to perform welding buildup to form a weld buildup portion 4.
[0057]
Next, a quenching process in which oil cooling was performed by heating to 1050 ° C. and a tempering process in which cooling was performed by heating to 650 ° C. were performed to form a high chromium turbine rotor.
[0058]
As shown in Table 1, in the vertical flaw detection test, the number of defects was 5 when the echo height was 10 to 30%. In the oblique flaw detection test, the number of defects was 40 when the echo height was 10 to 20%, and the number of defects was 5 when the echo height was 20 to 30%. It was recognized that welding defects occurred as compared with the examples of the present invention.
[0059]
Comparative Example 2
In this comparative example, low alloy steel was used for the first layer as the welding material, and chromium, molybdenum, and vanadium steel were used for the second and subsequent layers.
[0060]
The method for forming the shaft portion 2 of the high chromium turbine rotor 1 is the same as that of the comparative example 1.
[0061]
An ultrasonic flaw detection test was performed on the high chromium turbine rotor obtained as described above. The test conditions are the same as in Example 1.
[0062]
As shown in Table 1, in the vertical flaw detection test, the number of defects was 5 when the echo height was 10 to 30%. In the oblique flaw detection test, the number of defects was 28 when the echo height was 10 to 20%, and the number of defects was 3 when the echo height was 20 to 30%. It was recognized that welding defects occurred as compared with the examples of the present invention.
[0063]
Comparative Example 3
In this comparative example, chromium-molybdenum steel was used as the welding material.
[0064]
The method for forming the shaft portion 2 of the high chromium turbine rotor 1 is the same as that of the comparative example 1.
[0065]
An ultrasonic flaw detection test was performed on the high chromium turbine rotor obtained as described above. The test conditions are the same as in Example 1.
[0066]
As shown in Table 1, in the vertical flaw detection test, the number of defects was 3 when the echo height was 10 to 30%. In the oblique flaw detection test, the number of defects was 20 when the echo height was 10 to 20%, and the number of defects was 2 when the echo height was 20 to 30%.
[0067]
As described above, from the ultrasonic flaw detection test results before and after forging molding with different welding materials, according to the present invention, by performing forging molding, the number of defects becomes zero, and the welding defects are completely crushed. It was confirmed that
[0068]
Moreover, according to the result of the structure inspection of the outer layer (not shown) in the weld overlay, the dendrant structure after forging is a dense forged structure that is divided, and is equivalent to a forged product while being a weld overlay. It was confirmed that the organization had changed.
[0069]
According to the present invention, since a material having poor weldability but high strength can be used as the weld overlay material, the design margin is greatly improved, and it is possible to apply from a small turbine to a large turbine. Furthermore, according to the present invention, since no defect occurs in the weld overlay, the inspection of the weld overlay layer during the periodic inspection is basically unnecessary, and the inspection can be simplified.
[0070]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the method for processing a high chromium turbine rotor according to the present invention, defects caused during welding by forming a low alloy steel on the shaft portion of the high chromium turbine rotor after forging after welding. Can be obtained by crushing and obtaining a weld overlay layer with a dense uniform structure, and a high chrome turbine rotor with excellent seizure resistance and wear resistance can be obtained, and the reliability can be greatly improved. Played.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining a processing step of a high chromium turbine rotor according to the present invention, and showing a state before welding build-up.
FIG. 2 is a view for explaining the processing steps of the high chromium turbine rotor according to the present invention, and showing a state in which welding is performed.
FIG. 3 is a diagram for explaining the processing steps of the high chromium turbine rotor of the present invention, and shows a state in which forging is performed.
FIG. 4 is a diagram for explaining a machining process of the high chromium turbine rotor according to the present invention, and showing a state after machining.
[Explanation of symbols]
1 High Chrome Turbine Rotor 2 Shaft 3 Groove 4 Weld Overlay

Claims

Groove processing is performed along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the shaft portion of the turbine rotor made of high chromium material, and after forming a weld overlay of dissimilar metal on this groove, the weld overlay is heated. In the processing method of the high chromium turbine rotor that improves the sliding characteristics with respect to the bearing on the surface of the shaft portion by forging, the surface side of the weld build-up portion is the turbine rotor when the weld build-up portion is heated. A processing method for a high chromium turbine rotor, characterized in that it is set at a higher temperature than the welded portion side with the base material, and the weld overlay is forged and molded while maintaining this temperature difference.

In the processing method of the high chromium turbine rotor of Claim 1, as the heating temperature of a weld buildup part, the surface vicinity of a weld buildup part is set to 900-1200 degreeC, and a turbine rotor base material and a weld buildup part are A method for processing a high chromium turbine rotor, wherein the boundary portion is set to 700 ° C. or lower.

3. The processing method for a high chromium turbine rotor according to claim 1, wherein high frequency heating is used as a heating means for the weld overlay.

The high chromium turbine rotor processing method according to claim 1 or 2, wherein welding build-up is performed from the first layer to the second and subsequent layers by using only chromium, molybdenum and vanadium steel as different metals. Turbine rotor processing method.

3. The high chrome turbine rotor processing method according to claim 1 or 2, wherein the welding build-up is performed from the first layer to the second and subsequent layers using only chromium-molybdenum steel as the dissimilar metal. Processing method.

3. The processing method for a high chromium turbine rotor according to claim 1 or 2, wherein the first layer of the weld overlay is formed of a low alloy steel, and the weld overlay of the second and subsequent layers is made of chromium, molybdenum and vanadium. A processing method of a high chromium turbine rotor, characterized by being formed of steel.

In the processing method of the high chromium turbine rotor of Claim 1 or 2, after forging shaping | molding of a weld buildup part, it is a quenching process by 1000-1100 degreeC heating and oil cooling, and 600-700 degreeC heating and slow cooling. A processing method of a high chromium turbine rotor, characterized by performing a tempering treatment.