JPH0442521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンの高圧初段に設けるノ
ズルボツクスに関する。

〔発明の背景〕

従来のこの種のタービンノズルボツクスには、
溶接後の残留応力除去のための焼鈍時にその溶接
部に割れが生ずることがあり、このため信頼性が
低下するという問題がある。

この従来技術の問題につき、図面を参照して説
明すると次の通りである。

第１図および第２図に、この種のノズルボツク
スの代表的形状を示す。第１図はその斜視図であ
り、特にそのスチームチエスト１を示す。第２図
は第１図のＡ方向矢視図である。ボイラーで発生
した高温・高圧蒸気は、タービンケーシングに導
入された後、初めにこのノズルボツクスを通過し
て、その後ロータに組込まれたブレードを回転さ
せて仕事をする。従つてノズルボツクスは高温・
高圧蒸気条件の厳しい条件下で使用される。この
ためノズルボツクスには特に高い信頼性が要求さ
れている。この要求に対し、従来は次のような対
処がなされていた。

第２図のＢ−Ｂ断面図に対応する第３図を参照
する。第３図中、符号１はスチームチエストであ
り、これは通常鋳鋼で製作されるCr−Mo−Ｖ組
成のものである。従来ノズルボツクスを製作する
に当たつては、かかるスチームチエスト１と、
10Cr鋼のノズルリング２とを組み立てて、ノズ
ルリング２とほぼ同組成の溶接棒により溶接金属
３を形成させ、これによりスチームチエスト１と
ノズルリング２とを接合させ、その後残留応力除
去焼鈍を行つている。次いでノズルリング２に機
械加工を行い開先４を製作し、ノズル翼５を組立
てて、溶接金属６によりノズルリング２とノズル
翼５とを一体化する。この場合、スチームチエス
ト１は前述の通り通常Cr−Mo−Ｖ鋼であり、こ
れは溶接の後の残留応力除去焼鈍時に焼鈍割れが
発生し易い材料である。しかし従来より技術が確
立されていて、適正な予熱条件下で処理すること
により、焼鈍割れの発生は防止されている。

一方、最近の電力需要の低迷化に伴い、タービ
ンの運転を最大出力で行うのではなく、それ以下
の出力で運転するいわゆるタービンのミドル化の
ニーズが電力産業間で発生している。これはいわ
ゆる変圧運転の要請であり、電力需要が落ちてい
るから最大出力での運転の必要がなく、それより
低い出力にしたい、ということである。具体的な
運転法で示すと、第２図に符号７，８で示す様に
通常運転では２カ所から蒸気がノズルボツクスに
導入されているが、ミドル化に伴い、時々蒸気を
１カ所（７又は８）のみから導いて運転するもの
である。その制御は、ノズルボツクスの前段階で
ある蒸気弁（図示せず）によつて行われる。とこ
ろがこのような変圧運転の場合、スチームチエス
トに働く作用応力は高くなり、従来のCr−Mo−
Ｖ鋼では強度的に耐えられなくなる（ノズルリン
グの方は通例10Cr鋼のため、Cr−Mo−Ｖ鋼より
強度が数段高いので、問題はない）。これに対処
すべく、スチームチエストの強度を上げることが
必須なのであるが、スチームチエストをCr−Mo
−Ｖ鋼からノズルリングと同様な10Cr鋼にする
ことは材料コストが高くなり、実用的ではない。
そこでCr−Mo−Ｖ鋼に少量、例えば５−50ppm
のＢを添加したCr−Mo−Ｖ−Ｂ鋼が、スチーム
チエスト用の材料として採用されようとしてい
る。Ｂは材料の焼準後の焼入性を良くする元素で
あるから、強度を上げることができ、この目的に
好適と考えられる。しかしながら、ノズルボツク
スは第３図に示す如き構造であるから、Ｂが添加
された材料を使用すると次の用な種々の問題点が
発生する。すなわち (1) Ｂ添加Cr−Mo−Ｖ鋼は溶接後行う残留応力
除去焼鈍時に焼鈍割れが極めて発生し易すいこ
と。

(2) スチームチエストのＢ添加Cr−Mo−Ｖ鋼と
ノズルリング10Cr鋼の溶接継手は、10Cr鋼組
成の溶接棒を使用する異材溶接継手のため、焼
鈍割れを超音波探傷検査等の非破壊検査では発
見困難であること。

という問題が出て来る。

元来、焼鈍割れは材料固有の性質として、Cr
−Mo鋼又はCr−Mo−Ｖ鋼に特有に見られるも
のであつて、これは残留応力除去鈍感中に溶接部
の熱影響部に発生する微細な粒界割れである。従
来技術にあつては、ノズルボツクスのスチームチ
エストにかかる焼鈍割れの可能性のあるCr−Mo
−Ｖ鋼が採用されているわけであるが、この場合
は焼鈍割れが発生しない溶接時の熱扱い技術が既
に確立されており、現実に発電所で事故なしに運
転されている。しかしながらＢ添加Cr−Mo−Ｖ
鋼に関しては、溶接技術がまだ確立されておら
ず、焼鈍割れの可能性があり、かかる焼鈍割れを
内在したままノズルボツクスをタービンに組み込
み運転することは、タービン全体の信頼性を著し
く低下させる危険性がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、Ｂ添加Cr−Mo−Ｖ鋼を用い
て高い強度をもたせるとともに、しかもその場合
上記した如き焼鈍割れが発生せず、従つて高信頼
性を確保できるタービンノズルボツクスを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕 本発明のタービンノズルボツクスは、スチーム
チエストをＢ添加Cr−Mo−Ｖ鋼から構成する。
このスチームチエストは、まず軟化熱処理する。
例えば焼準および焼戻処理し、その場合、少なく
ともその焼戻処理は正規の温度より高い温度で行
う。ここで正規の温度とは、最終目的の強度が得
られる温度であり、かかる温度より高い温度で焼
戻するということは、最終目的の強度より低い強
度が得られるということであつて、すなわち軟化
熱処理をすることになる。次いでCr−Mo−Ｖ鋼
組成の溶接棒にて肉盛溶接した後、最終目的の強
度が得られる温度を選択した焼準・焼戻熱処理、
すなわち正規熱処理をして、ノズルリングを組立
て、ノズルリングと該肉盛金属間を10Cr鋼組成
の溶接棒で溶接することにより、スチームチエス
トとノズルリングを一体化する。

このように最初の処理において、例えば正規の
温度より高い温度で焼戻処理をすることにより軟
化熱処理をしたので、Ｂ添加Cr−Mo−Ｖ鋼であ
るスチームチエストにあつても、その熱影響部に
発生容易な焼鈍割れを防止することができるもの
である。

本発明の実施に当たつては、最初の焼準および
焼戻処理に際し、焼戻を正規の温度より高い温度
で行うほか、焼準を正規の焼準温度より低い温度
で行う態様を採ることができる。これも軟化熱処
理であるので、これを併用することによつて上記
結果を一層確実ならしめることができる。

〔発明の実施例〕

次に本発明の一実施例について、第４図乃至第
６図を参照して説明する。第４図は本例のノズル
ボツクスにおけるスチームチエスト１を示し、第
５図はそのＣ−Ｃ線断面図であり、第６図はこの
スチームチエストとノズルリングとを一体として
得られた本例ノズルボツクスを示すものである。

第４図のスチームチエスト１は、Ｂ添加のCr
−Mo−Ｖ鋼で成る。本例では具体的にその化学
組成は、Ｃ：0.1〜0.25重量％、Mn：0.4〜1.0重
量％、Si：0.15〜0.8重量％、Cr：0.9〜1.7重量
％、Mo：0.8〜1.3重量％、Ｖ：0.15〜0.35重量％
を基本にし、Ｂが５−50ppm添加されている。こ
のＢ添加により焼入性が著しく向上する結果、材
料の高温強度はＢ無添加のCr−Mo−Ｖ鋼に比し
て、高くなる。

この結果、発電の際にミドル化運転にして、変
圧運転する場合でも、スチームチエスト１は十分
それに耐えられる強度を保有することになる。

このスチームチエスト１を焼準・焼戻しする場
合、次のように行う。すなわち、最終目的の強度
より低い強度が得られる温度を選択して、熱処理
をする。具体的には、最終目的の強度が得られる
焼戻温度（1715℃）より高い焼戻温度を選んで、
強度を低下させる。本実施例にあつては、焼準に
おいても、最終目的の強度が得られる焼準温度
（約1050℃）より低い焼準温度を選んで、これに
よつても最終目的の強度より低強度とさせてい
る。このような軟化熱処理を行うことにより、焼
鈍割れが防止される。基準としては、従来のＢ無
添加のCr−Mo−Ｖ鋼の強度まで低下させる。こ
の強度まで低下させれば、従来のＢ無添加Cr−
Mo−Ｖ鋼では焼鈍割れが生じないので、本例の
場合でもスチームチエストの溶接に際し焼鈍割れ
が発生しない。

次に、第４図に現れている開先面９に、肉盛溶
接を行う。この開先面９は、第４図のＣ−Ｃ断面
を示す第５図には上縁として見えている（すなわ
ち第５図のＤ方向矢視図が第４図に相当する）。
この開先面９に、第５図の如く、Cr−Mo−Ｖ鋼
組成の溶接棒で肉盛１０して肉盛溶接を行う。本
例では溶接棒として、Ｃ：0.04〜0.22重量％、
Si：0.2〜1.0重量％、Mn：0.3〜0.7重量％、Cr：
0.4〜0.7重量％、Mo：0.9〜1.25重量％、Ｖ：0.15
〜0.35重量％の組成のCr−Mo−Ｖ系鋼を用いた。
肉盛１０を行つた後、応力除去焼鈍を施行する
が、スチームチエスト１自体の強度は前記熱処理
により強度低下しているため、焼鈍割れは発生し
ない。

その後、スチームチエスト１を、最終目的の強
度が得られる温度で、焼準および焼戻する。これ
によりＢ添加Cr−Mo−Ｖ鋼の本来の高温強度が
得られる。なおここで、肉盛１０用の金属として
Cr−Mo系組成の溶接棒を使用すると後工程の焼
準・焼戻作業により肉盛金属の強度が低下するの
で、Cr−Mo系溶接棒は使用に適切でない。しか
し本例で用いるCr−Mo−Ｖ系組成の溶接棒は、
溶接後焼準・焼戻を行つて初めて強度が得られる
ものであるから、有効に使用できる。

また、肉盛り１０の厚さは、次に述べる後工程
における該肉盛金属１０とノズルリング２との溶
接の際の熱影響がスチームチエスト１まで達しな
い様に、ある程度の厚みをもたせた方がよい。こ
の場合の熱影響で割れが発生し易いのは、肉盛金
属１０が２〜３mm程度のときであるから、10mm程
厚さをとつておけば、割れの生ずるおそれはまず
ないと考えられる。本実施例では、熱影響をなく
すべく、10mm程度以上必要として、施行した。な
お万一、この熱影響により肉盛金属１０とスチー
ムチエスト１との境界近辺で割れが生じたとして
も、両者の材質が近似していることから、超音波
探傷による検出が容易である（これについては更
に後述する）。

次に、10Cr鋼組成のノズルリング２を組み立
て、ノズルリング２と肉盛金属１０間を10Cr鋼
の溶接棒を用いて溶接する。これによりノズルリ
ング２とスチームチエスト１とを一体化して、第
６図に示す如き構造にする。第６図中、符号３に
てこの溶接棒を示す。この溶接棒３は、Ｂを含ま
ないCr−Mo−Ｖ系の溶接金属と、10Cr鋼のノズ
ルリング２との間で溶接を行つて形成されるの
で、溶接後の残留応力除去焼鈍時に焼鈍割れは発
生しない。Ｂ添加鋼を用いる場合の如き特別の手
当ては、ここでは不必要である。

その後のノズル翼５の組み立て、およびノズル
リング２との溶接（溶接部を符号６で示す）は、
従来構造におけると同一の方法で行うことができ
る。

以上説明した様に、本実施例のノズルボツクス
は、そのスチームチエスト１の材質として焼鈍割
れ発生容易なＢ添加Cr−Mo−Ｖ鋼を採用したの
であるが、まずスチームチエスト１を正規の温度
より低い温度での焼準や、正規の温度より高い温
度での焼戻処理により軟化熱処理し、その後肉盛
溶接し、その後で正規の温度での焼準および焼戻
処理を行つたので、残留応力除去のための焼鈍時
に溶接部３に焼鈍割れが発生することが確実に防
止される。又、スチームチエスト１の材質はＢ添
加のCr−Mo−Ｖ鋼で、肉盛金属１０の材質はＢ
無添加であるがCr−Mo−Ｖ鋼であるため、この
境界付近で万一割れが生じたとしても、両者の組
成はほぼ同じであるので、通常の超音波探傷法で
容易に発見できる。一方、肉盛金属１１と溶接部
３とは、溶接部１０Cr鋼であるので両者は異材
であり、この溶接棒３又は近辺に割れが生じると
超音波探傷が難しい場合が出て来るが、上述した
理由でここには焼鈍割れのおそれはなく、従つて
探傷がやりにくくても実用上問題はない。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明のタービンノズルボツクス
は、そのスチームチエストをＢ添加Cr−Mo−Ｖ
鋼で形成し、これを軟化熱処理し、その後Cr−
Mo−Ｖ組成の溶接棒で肉盛溶接し正規の温度で
の焼準および焼戻処理をして、ノズルリングを組
立て該肉盛金属とノズルリング間を溶接すること
により、ノズルリングとスチームチエストを一体
化して構成したものであるので、焼鈍割れの可能
性のあるＢ添加Cr−Mo−Ｖ鋼のスチームチエス
トを用いながら、それにより焼鈍割れが発生する
ことが避けられる。よつて、信頼性の高いノズル
ボツクスを得ることができる。かつ、Ｂ添加Cr
−Mo−Ｖ鋼は強度が大きいので、ミドル化運転
（変速運転）を要する場合でも、十分にこれに耐
えることができる。従つて、このノズルボツクス
を用いると、いずれの場合でも、タービンの信頼
性を著しく向上させることができるという効果が
ある。

なお当然のことではあるが、本発明は前記説明
した実施例にのみ限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の一般的なノズルボツクスの外観
図である。第２図は第１図におけるＡ矢視図であ
る。第３図は従来の溶接構造を示すもので、第２
図のＢ−Ｂ断面図である。第４図乃至第６図は本
発明の一実施例を示し、第４図はそのノズルボツ
クスチエストの外観図である。第５図はそれに肉
盛をした場合を示す図で、第４図のＣ−Ｃ線断面
図に対応するものである。第６図は本実施例のノ
ズルボツクスの断面図である。 １……スチームチエスト、２……ノズルリン
グ、３……溶接部、４……開先面、５……ノズル
翼、６……溶接部、７，８……蒸気、９……肉盛
溶接開先面、１０……肉盛金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸気タービンの高圧初段に設けるノズルボツ
   クスにおいて、Ｂ添加Cr−Mo−Ｖ鋼から成るス
   チームチエストを軟化熱処理し、その後Cr−Mo
   −Ｖ組成の溶接棒で肉盛溶接し正規の温度での焼
   準および焼戻処理をして、ノズルリングを組立て
   該肉盛金属とノズルリング間を溶接することによ
   り、ノズルリングとスチームチエストを一体化し
   て構成したことを特徴とするタービンノズルボツ
   クス。 ２ 前記軟化熱処理は、スチームチエストを焼準
   および焼戻処理し、その場合焼戻の温度を正規の
   温度より高い温度で行なうものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のタービンノ
   ズルボツクス。 ３ 前記軟化熱処理は、スチームチエストを焼準
   および焼戻処理し、その場合焼準の温度を正規の
   温度より低い温度で行うとともに、焼戻の温度を
   正規の温度より高い温度で行なうものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のター
   ビンノズルボツクス。