低压涡轮用转子 【技术领域】
本发明涉及一种具备高压涡轮、中压涡轮及低压涡轮的蒸汽轮机设备中所使用的低压涡轮用转子，特别是涉及蒸汽入口温度为380℃以上的高温的蒸汽轮机设备中所使用的适当的低压涡轮用转子。
背景技术
现在，作为主要的发电方法，使用核能、火力、水力三种方法，从资源量及能量密度的观点出发，可以预想今后也会以上述三种发电方法作为主要的发电方法使用。其中，火力发电作为安全且应对负载变动的能力较高的发电方法而利用价值较高，可以预想其在发电领域今后也会继续发挥重要的作用。
在包括蒸汽轮机机的煤焚烧火力发电中使用的蒸汽轮机设备中，一般具备高压涡轮、中压涡轮、及低压涡轮，使用600℃级的蒸汽。在这样的蒸汽轮机设备中，从锅炉供给的600℃级的蒸汽被导入到高压涡轮而在由动叶片和静叶片构成的高压叶片级使高压涡轮旋转而膨胀做功后，从高压涡轮排出而被导入到中压涡轮，与高压涡轮同样地使中压涡轮旋转而膨胀做功，进而被导入到低压涡轮而膨胀做功，向冷凝器排气而冷凝。
这样的蒸汽轮机设备的低压涡轮用转子一般由3.5Ni钢(例如3.5NiCrMoV钢等)形成，低压涡轮入口蒸汽温度设定为3.5Ni钢可维持机械强度特性及韧性的温度即380℃以下。
在上述的蒸汽轮机设备中，近年来，为了降低CO2排出量并进而提高热效率，要求采用630℃以上的蒸汽条件的技术。
向高压涡轮导入630℃以上的蒸汽，并与以往使用600℃级的蒸汽的情况相同地使用高压涡轮及中压涡轮时，低压涡轮入口蒸汽温度为400～430℃左右，比以往上升，存在由于该温度的上升引起低压涡轮的转子不能维持机械强度特性及韧性的可能性。
特别是在两级再热的情况下，由于第二级的再热压变低，所以低压涡轮入口蒸汽温度比一级再热上升，作为设计条件变得更为严格。
为了使用630℃以上的蒸汽并维持由3.5Ni钢形成的低压涡轮的转子的机械强度特性及韧性，考虑使高压涡轮及中压涡轮的膨胀做功量比以往增加，使低压涡轮入口的蒸汽温度降低至380℃以下。但是，为此需要增加高压涡轮和中压涡轮的叶片级数，存在涡轮整体增大的问题。
因此在专利文献1中，公开了下述的低压涡轮用转子：通过使构成低压涡轮用转子的3.5Ni钢中含有的杂质含量降低并限制为微量，从而抑制诱发加热引起的杂质元素的晶界偏析等时效脆化的金属组织上的变化，即使导入380℃以上的蒸汽也可稳定运转。
在专利文献1所公开的技术中，要求比以往更严格的杂质管理。但是，特别是由于低压涡轮用的转子为大型，所以在专利文献1所公开的技术中，存在如下问题：在制造一体型的低压涡轮用转子的情况下，成本增加，制造日数增加，交货期延迟，并担心例如因偏差导致杂质含量超过基准值的可能性较高等的制造的蒸汽轮机机用转子在品质方面的可靠性。
[专利文献]
专利文献1：日本特开2006-170006号公报
【发明内容】
因此，本发明鉴于现有技术的问题，其目的在于提供一种低压涡轮用转子，其即使在向低压涡轮导入的蒸汽温度为高温的情况下，也能够维持机械强度特性，而且不增加制造成本和制造工期，且在品质方面也没有问题。
为了解决上述课题，本发明中，提供一种在具备高压涡轮、中压涡轮及低压涡轮的蒸汽轮机设备中所使用的低压涡轮用转子，其特征在于，所述低压涡轮用转子通过焊接接合如下部件而构成：配置于蒸汽入口侧的由1CrMoV钢(以下称为1Cr钢)、2.25CrMoV钢(以下称为2.25Cr钢)或10CrMoV钢(以下称为10Cr钢)形成地部件、及配置于蒸汽出口侧的由3.5Ni钢形成的部件。
由于1Cr钢、2.25Cr钢、10Cr钢以往是高压涡轮用转子、中压涡轮用转子所使用的材料，因此材料的管理方法已确定，另外也容易得到。进而，比3.5Ni钢的耐高温性优良。
另外，3.5Ni钢比1Cr钢、2.25Cr钢的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性低。另外，10Cr钢价格比3.5Ni钢高。
因此，由1Cr钢、2.25Cr钢或10Cr钢形成的部件构成导入高温蒸汽的蒸汽入口侧，由3.5Ni钢构成的部件构成流路(叶片长度)扩宽且要求更高强度的蒸汽出口侧，从而形成对于高温及应力腐蚀开裂优良的低压涡轮用转子，即使导入高温的蒸汽也可维持机械强度特性及韧性。
进而，在脆化的观点上，3.5Ni钢与1Cr钢大致相同，但是2.25Cr钢及10Cr优于3.5Ni钢。因此，如果使用由1Cr钢构成蒸汽入口侧的部件，则低压涡轮用转子整体的脆化敏感性与由3.5Ni钢构成转子整体的以往的低压涡轮用转子大致相同，但是如果使用由2.25Cr钢或10Cr钢构成蒸汽入口侧的部件，则低压涡轮用转子整体的脆化敏感性比由3.5Ni钢构成转子整体的以往的低压涡轮用转子优良。因此，更优选蒸汽入口侧的部件由2.25Cr钢或10Cr钢形成。
另外，在具备高压涡轮、中压涡轮及低压涡轮的蒸汽轮机设备中所使用的低压涡轮用转子中，其特征在于，通过焊接接合配置于蒸汽入口侧的部件和配置于蒸汽出口侧的部件而构成，并且，由3.5Ni钢形成两部件，由低杂质的3.5Ni钢形成配置于上述蒸汽入口侧的部件。
另外，所述低压涡轮用转子的特征在于，配置于上述蒸汽入口侧的低杂质3.5Ni钢以重量％计含有：Si：0.1％以下、Mn：0.1％以下，不可避免的杂质以重量％计为P：0.02％以下、S：0.02％以下、Sn：0.02％以下、As：0.02％以下、Sb：0.02％以下、Al：0.02％以下、Cu：0.1％以下。
在导入高温蒸汽的蒸汽入口侧使用由降低杂质含量而限制为微量的3.5Ni钢构成的部件，从而抑制诱发因加热引起的杂质元素的晶界偏析等时效脆化的金属组织上的变化，即使导入380℃以上的蒸汽也能够稳定地运转。
并且，使由降低上述杂质含量的3.5Ni钢构成的部件仅构成导入高温蒸汽的蒸汽入口侧而不是构成转子整体，从而能够抑制制造成本、工期的增加，能够对品质方面的可靠性的担心也较小地制造低压涡轮用转子。
另外，所述低压涡轮用转子的特征在于，用于上述低压涡轮的入口蒸汽温度为380℃以上的蒸汽轮机设备中，由配置于上述蒸汽入口侧的部件构成在上述低压涡轮内流通的蒸汽温度为380℃以上的区域，由配置于上述蒸汽出口侧的部件构成在上述低压涡轮内流通的蒸汽温度低于380℃的区域。
通常的3.5Ni钢在蒸汽温度为380℃以上时诱发杂质元素的晶界偏析等时效脆化的可能性较高。因此，由配置在上述蒸汽入口侧的部件构成蒸汽温度为380℃以上的区域，由配置在上述蒸汽出口侧的部件构成蒸汽温度低于380℃的区域，从而使通常的3.5Ni钢不与380℃以上的蒸汽接触，可抑制配置于蒸汽出口侧的由3.5Ni钢形成的部件的脆化。
所述低压涡轮用转子的特征在于，用于上述高压涡轮及中压涡轮中至少任意一个涡轮的入口蒸汽温度为630℃以上的蒸汽轮机设备中。
由此，可不使高压涡轮及中压涡轮增大，削减从蒸汽轮机设备排出的CO2排气量，提高蒸汽轮机设备的热效率。
如上所述，根据本发明，能够提供一种低压涡轮用转子，其即使在向低压涡轮导入的蒸汽温度为高温的情况下，也可维持机械强度特性，进而不使制造成本、制造工期增加且在品质方面也没有问题。
【附图说明】
图1是表示实施例1的蒸汽轮机机发电设备的构成的图。
图2是示意性地表示实施例1的低压涡轮用转子的构成的俯视图。
图3是示意性地表示实施例2的低压涡轮用转子的构成的俯视图。
图4是表示1Cr钢、2.25Cr钢、10Cr钢及3.5Ni钢的脆化系数的曲线图。
【具体实施方式】
以下，参照附图例示性地对本发明的优选实施例进行详细的说明。但只要该实施例所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、及其相对配置等没有特别特定的记载，本发明的范围就不限于此，仅是说明例。
[实施例1]
图1是表示实施例1的蒸汽轮机机发电设备的构成的图。
参照图1，对由使用了本发明的低压涡轮用转子的蒸汽轮机设备所构成的发电设备进行说明。此外，图1是一级再热的一例，本发明也适用于二级再热、仅再热高温化(630℃以上)的情况的实施中，没有特别的限定。
图1所示的蒸汽轮机机发电设备10主要由高压涡轮14、中压涡轮12、低压涡轮16、发电机18、冷凝器20、及锅炉24构成。蒸汽按照锅炉24、主蒸汽管26、高压涡轮14、低温再热管28、锅炉24、高温再热管30、中压涡轮12、架空管32、低压涡轮16、冷凝器20、给水泵22、锅炉24的顺序循环。
在锅炉24中过热为630℃以上的蒸汽经过主蒸汽管26而被导入到高压涡轮14。被导入到高压涡轮14的蒸汽在进行膨胀做功后被排出，经过低温再热管28而返回到锅炉24。返回到该锅炉24的蒸汽在锅炉24被再热而变为630℃以上的蒸汽，经过高温再热管30而被送到中压涡轮12。被导入到中压涡轮12的蒸汽在进行膨胀做功后被排出，变为400～430℃左右的蒸汽，并经过架空管32被送到低压涡轮16。被导入到低压涡轮16的蒸汽在进行膨胀做功后被排出，被送到冷凝器20。被送到冷凝器20的蒸汽由冷凝器20冷凝，由给水泵22升压而返回锅炉24。发电机18通过各涡轮的膨胀做功而被驱动旋转，进行发电。
图2是示意性地表示实施例1的低压涡轮16所使用的转子的构成的俯视图。
参照图2对上述蒸汽轮机机发电设备所使用的低压涡轮用转子进行说明。
(构成)
首先，使用图2对本实施例的导入400～430℃左右的蒸汽的低压涡轮16所使用的转子的构成进行说明。
如图2所示，低压涡轮用转子16A由下述部件构成：由1Cr钢、2.25Cr钢或10Cr钢构成的一个部件(以下称为铬钢部)16a、及由3.5Ni钢构成的两个部件(以下称为通常3.5Ni钢部)16b、16c。
铬钢部16a在其两端分别通过焊接接合通常3.5Ni钢部16b、16c，从一端部按照通常3.5Ni钢部16b、铬钢部16a、Ni钢部16c的顺序形成一体化的低压涡轮用转子16A。
另外，铬钢部16a配置在暴露于380℃以上的蒸汽中的位置，通常3.5Ni钢部16b、16c配置在暴露于低于380℃的蒸汽中的位置。
(材料)
接着，对构成低压涡轮用转子16A的铬钢部16a、3.5Ni钢部16b、16c的材料进行说明。
(A)铬钢部
铬钢部耐高温性优良，通过容易获得的1Cr钢、2.25Cr或10Cr钢形成。
作为1Cr钢，可以举出如下组成的材料作为一例：以重量％计为C：0.2～0.4％、Si：0.35％以下、Mn：1.5％以下、Ni：2.0％以下、Cr：0.5～1.5％、Mo：0.5～1.5％、V：0.2～0.3％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
作为2.25Cr钢，可以举出如下组成的材料作为一例：以重量％计为C：0.2～0.35％、Si：0.35％以下、Mn：1.5％以下、Ni：0.2％～2.0％、Cr：1.5～3.0％、Mo：0.9～1.5％、V：0.2～0.3％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
作为10Cr钢，可以举出如下组成的材料作为一例：以重量％计，含有C：0.05～0.4％、Si：0.35％以下、Mn：2.0％以下、Ni：3.0％以下、Cr：7～13％、Mo：0.1～3.0％、V：0.01～0.5％、N：0.01～0.1％、Nb：0.01～0.2％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
作为另外的例子的10Cr钢，可以举出如下组成的材料作为一例：以重量％计，含有C：0.05～0.4％、Si：0.35％以下、Mn：2.0％以下、Ni：7.0％以下、Cr：8～15％、Mo：0.1～3.0％、V：0.01～0.5％、N：0.01～0.1％、Nb：0.2％以下，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
图4是表示1Cr钢、2.25Cr钢、10Cr钢及3.5Ni钢的脆化系数的曲线图。纵轴是脆化系数(ΔFATT)，是作为易脆化的指标的值，该数值越高则脆化敏感性越高而越易脆化。横轴是J-Factor，是作为杂质浓度的指标的值。从图4可知，各材料均为杂质浓度越高越易脆化。而且，1Cr钢和3.5Ni钢为大致相同的脆化系数，2.25Cr钢的脆化系数比它们低，10Cr钢的脆化系数更低。
因此，如果使用由1Cr钢构成铬钢部16a而成的部件，则可以说低压涡轮用转子整体的脆化敏感性与由3.5Ni钢构成转子整体的以往的低压涡轮用转子大致相同。但是，如果使用由2.25Cr钢或10Cr钢构成铬钢部16b、16c而成的部件，则可以说低压涡轮用转子整体的脆化敏感性比由3.5Ni钢构成转子整体而成的以往的低压涡轮用转子低，即难以脆化。因此，更优选铬钢部16a由2.25Cr钢或10Cr钢形成。
(B)通常3.5Ni钢部
作为3.5Ni钢，可以举出下述材料作为一例：以重量％计，含有C：0.4％以下、Si：0.35％以下、Mn：1.0％以下、Cr：1.0～2.5％、V：0.01～0.3％、Mo：0.1～1.5％、Ni：3.0～4.5％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
(制造方法)
通过焊接在铬钢部16a和通常3.5Ni钢部16b、16c之间的焊接部进行接合。
对于焊接方法，只要是焊接部可忍耐低压涡轮的运转状态的状态即可，没有特别的限定，但是作为一例，一般可以举出向焊矩所产生的电弧供给焊条作为填充剂的熔融法。
例如，作为焊接部的形状，采用窄间隙焊接接头等，在焊接时，在每一个焊道利用电弧产生的熔融而使作为焊条供给的填充剂层积，利用填充剂填满上述窄间隙焊接接头内，将铬钢部16a和通常3.5Ni钢部16b、16c接合。作为上述填充剂，使用与通常3.5Ni钢部相同的材料的3.5Ni钢。
通过使用以上的低压涡轮用转子，可获得下述效果。
由于1Cr钢、2.25Cr钢、10Cr钢是以往用于高压涡轮用转子、中压涡轮用转子的材料，因此材料的管理方法已确定，另外也容易得到。而且，比3.5Ni钢的耐高温性优良。另外，3.5Ni钢比1Cr钢、2.25Cr钢、10Cr钢的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性低。因此，通过由1Cr钢、2.25Cr钢或10Cr钢形成的部件构成导入高温蒸汽的蒸汽入口侧，通过由3.5Ni钢构成的部件构成流路路径(叶片直径)扩宽且要求更高强度的蒸汽出口侧，从而形成对于高温及应力腐蚀开裂优良的低压涡轮用转子，即使导入高温的蒸汽也可维持机械强度特性。
另外，通常的3.5Ni钢在蒸汽温度为380℃以上时诱发杂质元素的晶界偏析等时效脆化的可能性较高。因此，由配置于上述蒸汽入口侧的部件构成蒸汽温度为380℃以上的区域，由配置于上述蒸汽出口侧的部件构成蒸汽温度低于380℃的区域，从而使通常的3.5Ni钢不与380℃以上的蒸汽接触，可抑制配置于蒸汽出口侧的由3.5Ni钢形成的部件的脆化。
进而，即使使低压涡轮的入口蒸汽温度比以往高，也能够维持低压涡轮用转子的机械强度特性，因此，能够不使高压涡轮及中压涡轮增大而使用630℃以上的蒸汽，能够削减从蒸汽轮机设备排出的CO2排气量，提高蒸汽轮机设备的热效率。
[实施例2]
(构成)
实施例2中对其他形态的低压涡轮用转子16B进行说明。
在实施例2中，如图3所示，低压涡轮用转子16B由下述部件构成：由杂质含量较少的低杂质3.5Ni钢构成的一个部件(以下称为低杂质3.5Ni钢部)16d、及通常3.5Ni钢部16b、16c。
即，实施例2是代替图2所示的实施例1的方式的低压涡轮用转子的铬钢部16a而采用低杂质3.5Ni钢部16d的方式。以下，由于除了低杂质3.5Ni钢部16d以外均与实施例1相同，因此省略说明。
另外，低杂质3.5Ni钢部16d配置在暴露于380℃以上的蒸汽中的位置，通常3.5Ni钢部16b、16c配置在暴露于低于380℃的蒸汽中的位置。
(材料)
对低杂质3.5Ni钢部16d的材料进行说明。
低杂质3.5Ni钢部16d由杂质含量较小的3.5Ni钢部形成。作为低杂质3.5Ni钢部16d，可以举出如下组成的材料作为一例：以重量％计，含有C：0.4％以下、Si：0.1％以下、Mn：0.1％以下、Cr：1.0～2.5％、V：0.01～0.3％、Mo：0.1～1.5％、Ni：3.0～4.5％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质以重量％计为P：0.02％以下、S：0.02％以下、Sn：0.02％以下、As：0.02％以下、Sb：0.02％以下、Al：0.02％以下、Cu：0.1％以下。
(制造方法)
通过焊接在低杂质3.5Ni钢部16d和通常3.5Ni钢部16b、16c之间的焊接部进行接合。
如图4所示，对于3.5Ni钢，杂质浓度越低，则脆性敏感性越低而越难以脆化。
因此，在导入高温蒸汽的蒸汽入口侧使用由降低杂质含量而限制为微量的低杂质3.5Ni钢构成的部件16d，从而抑制诱发因加热引起的杂质元素的晶界偏析等时效脆化的金属组织上的变化，即使导入380℃以上的蒸汽也能够稳定地运转。
并且，使由降低上述杂质含量的3.5Ni钢构成的部件仅构成导入高温蒸汽的蒸汽入口侧而不是构成转子整体，从而能够抑制制造成本、工期的增加，能够对品质方面的可靠性的担心也较小地制造低压涡轮用转子。
另外，通常的3.5Ni钢在蒸汽温度为380℃以上时，诱发杂质元素的晶界偏析等时效脆化的可能性较高。因此，由配置在上述蒸汽入口侧的部件构成蒸汽温度为380℃以上的区域，由配置在上述蒸汽出口侧的部件构成蒸汽温度低于380℃的区域，从而使通常的3.5Ni钢不与380℃以上的蒸汽接触，可抑制配置于蒸汽出口侧的由3.5Ni钢形成的部件的脆化。
进而，即使低压涡轮的入口蒸汽温度比以往高，也可维持低压涡轮用转子的机械强度特性，因此可不使高压涡轮及中压涡轮增大而使用630℃以上的蒸汽，能够削减从蒸汽轮机设备排出的CO2排气量，并提高蒸汽轮机设备的热效率。
本发明能够作为下述低压涡轮用转子进行利用：其即使在向低压涡轮导入的蒸汽温度为高温的情况下，也能够维持机械强度特性，进而不使制造成本、制造工期增加且在品质方面也没有问题。