JPS63295803A - エロ−ジョン防止方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明方法は、蒸気タービンプラント内の乾き蒸気域で
使用される部材例えばノズル翼のエロージョンを防止す
る方法（２関する。

（従来の技術） 一般に、蒸気タービンのような高速流体を作動媒体とす
る機関では、機関の運転時間の経過に伴って種々の部位
にエロージョンが発生することが知られているが、この
エロージョン発生の要因としては、以下の２種頚に大別
される。

■液体噴流の衝撃または流体中で発生したキャビティー
の圧壊作用によって機械的、疲労的に発生するもの。

■高速流体中に混入した微細な固体粒子の衝突による研
磨、切削作用によって発生するもの。

前者は、主として蒸気が凝縮して生じたドレンによって
タービン低圧段の動翼に発生するエロージョンとして問
題視され、その軽減策として水滴が衝突する部位にＣＯ
合金からなるシールド板を溶着金属を介して取り付ける
等の対策が講じられている。この部位のエロージヨン性
評価は、液体中に発生したキャビティーの圧壊時の衝撃
圧を材料表面に繰返し与えるキャビテーション試験によ
り評価することができる。

第５図はこのようなキャビテーション試験の結果の一例
を示しており、試験体に１２Ｃｒ＠笠の延性材料を使用
し、横軸に硬さ、ｗ１！ＦＩＩにキャビテーションエロ
ージョン指数を表したものである。

同図の傾向から理解されるように、延性材料の耐エロー
ジヨン性は、高硬度であるほど優れており１、具体的に
は高硬度の合金としてＣＯ合金が耐エロージヨン材とし
て前述のシールド板に用いられ、一定の効果が得られて
いる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、液体噴流の衝撃または流体中で発生したキャ
ビティーの圧壊作用によるエロージョンの場合には上述
手段により一定の効果が得られているが、前述■のよう
な固体粒子によるエロージョンの場合には、エロージョ
ンが切削、研磨によって生じるというメカニズムの相違
があるため、ＣＯ合金によるシールドではエロージョン
を低減させることができない。

第６図は硬質ＣＯ合金とそれに比して軟質Ｎ１−Ｃ「合
金に夫々一定の大きさを有する固体粒子を衝突させ、人
為的にエロージョンを生じさせる実験を行った結果を示
したものであるが、同図から理解されるように、このよ
うな条件下での両者のエロージョン量はそれほど変化せ
ず、しかも衝突する固体粒子の速度が大きくなるほどエ
ロージョン量は指数関数的に増加してしまう。

蒸気タービンにおいてこのような固体粒子によるエロー
ジョンが発生し易い部分は、ボイラから直接蒸気が流入
する高圧初段および中圧初段等の乾き蒸気域に配設され
たノズル翼である。

第７図は、この高圧タービン初段の概略構成を示す図で
、図示を省略したボイラ過熱器を経た５６６℃、２４６
ｖ／ｃシの性状を有する蒸気は、蒸気加減弁１を経てノ
ズルボックス２に流入する。

このノズルボックス２で方向を変えた蒸気は、円環状に
配設されたノズル翼３に至りここで断熱膨張し、ノズル
翼３に対向して設けられた羽根４に作用して羽根車５に
回転力を与える。このとき、ノズル翼３を通過する際の
蒸気の流速は５００１Ｂ／Ｓにも達する。

この蒸気中には、ボイラ過熱器等で発生した極めてｖ＆
細な酸化スケールが混入しており、この酸化スケールは
、第８図に示したノズル×３と側壁６で形成されたノズ
ル流路７に蒸気とほぼ同じ速度で流入し、このノズル流
路７を通過する際に、蒸気流速が最大となるノズル翼３
の蒸気出口側３ａに衝突してこの部分にエロージョンを
発生させる。

このノズル翼に発生するエロージョンを防止するために
は、前述したようなＣＯ合金等の防食シールド板を溶着
する手段では効果が期待できないため、通常はボイラ給
水の水質をＲ重に管理することにより酸化スケールの発
生を抑制したり、タービン流入以前に生じた酸化スケー
ルを捕獲する等の対策が講じられているが、いずれも十
分な成果をあげるに至っていないのが現状である。

また、このような問題は、再熱器を経た再熱蒸気が流入
する中圧タービンにおける初段ノズル翼にも発生してい
る。

本発明方法は、上述した問題点を解決するためになされ
たもので、蒸気中に混在した酸化スケール等の微細な固
体粒子による部材のエロージョン低減が図れるエロージ
ョン防止方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のエロージョン防止方法は、蒸気タ−ビンプラン
トの乾き蒸気域で使用される部材のエロージョンを防止
する方法において、前記部材の表面に炭化物を高温下で
均一拡散して前記部材表面に炭化物拡散層を形成するこ
とを特徴とする。

本発明に使用する高エネルギー線ビームとしては、レー
ザビームが好適で、また炭化物としてはＷＣまたはＴｉ
Ｃ等が適している。

（作　用） 一般に高速固体粒子の衝突によるエロージョンは、固体
粒子自体が、対象となる物体を切削、研磨する結果生じ
るものであるが、蒸気タービンにおける酸化スケールの
ように極めて高速で、しかもｍ細な粒子よるものでは、
どのようにエロージョンが生じ、進行していくのか、そ
のメカニズムは未だ解明されていない。

そこで本願発明者らは、蒸気タービンのノズル翼材料で
ある１２Ｃ「鋼のエロージョン防止を目的として、固体
粒子によるエロージョンを再現する装置を使用し、固体
粒子エロージョンのメカニズムを解析するとともに、種
々の表面処理を施した１２Ｃｒ鋼の評価試験を行った結
果、本発明をなすに至った。

即ち、固体粒子によるエロージョンを低減するには、 ■粒子が衝突する部材表面の硬さがＨｖ　１５００以上
の十分な硬さであること。

■この硬さを有する硬化層の厚さが３０μｍ以上必要で
あること。

■上記■■の性質が６００℃程度の高温環境下で保持で
きること。

以上３点を満足するようにノズル翼を改良する必要があ
ることが判明した。また、そのための表面処理として浸
炭処理、窒化処理、クロマイズ処理、ホウ化処理を施し
、一方表面肉盛処理として種々の金属を用いな溶射、溶
接肉盛、レーザ肉盛を行ったところ、ノズル翼の材質、
形状に最も優れた整合性を示し、また前記■〜■の項目
を満足する方法は、レーザ肉盛であること見出した。そ
の結果なされた本発明方法は、レーザ肉盛等により部材
表面に炭化物拡散層を形成したことを特徴としている。

１２０「鋼からなるノズル翼にＴｉＣ，ＷＣ等の粉末を
用いたレーザ肉盛を行うと、これらＴｉＣ１ＷＣ等が母
材中に拡散された層が形成され、この拡散層の硬さは常
温でＨｖ　２０００〜２５００程度となり、高温環境下
においても軟化が少なく、さらに高温環境下における長
時間の使用でも拡散が進行することがなく、ノズル翼の
エロージョンを防止する上で極めて良好な結果が得られ
る。即ち、ノズル翼のレーザ肉盛を施した部位に酸化ス
ケール等の固体粒子が衝突しても、その粒子を有する運
動エネルギーはノズル翼に吸収されることがなく、粒子
は散乱され、ノズル翼のエロージョンは有効に防止され
る。

なお、このような効果を得るためには、拡散層の厚さは
約３０μｍ程度必要であるが、レーザ肉盛においては比
較的容易にこの程度の厚さの拡散層を得ることができ、
またさらに好都合なことに、拡散層は厚さ方向に硬さ勾
配が少なく、従って、衝突した固体粒子を散乱させる上
で有効に作用する。

（実施例） 以下、本発明方法の一実施例について図を参照しながら
説明する。

第１図は実施例の高圧初段ノズルの概略構造を示すもの
で、図示を省略したノズルボックスに組込む以前のリン
グ状の組立体を示している。

各々のノズル翼３は、その側面を内側の側壁８および外
側の側壁９に固着されており、さらにこのノズル翼３の
蒸気出口側３ａにレーザ肉盛による拡散ＪＩＩＯが形成
され、この部位の表面が硬化された構成となっている。

通常、このような構成のノズル組立体は、第２図に示し
たように両側端に溶接開先が形成された側板１１．１２
を有するノズル素体１３を溶接によってリング状に連結
することにより組立てられる。

このようなノズル素体１３は、１２Ｃｒａ等の耐熱鋼を
鍛造もしくは精密鋳造することによって製作されるが、
レーザ肉盛を行う際には、このノズル素体１３を単体の
状態で行うのが望ましい。

具体的な方法としては、ノズル素体１３出口側の表面を
パワー密度１０’〜１０’Ｗ／ｃ／のレーザにて溶融さ
せ、その溶融部にＴｉＣ，ＷＣ等の粉末をヘリウムガス
等の不活性ガスで吹き込むことによってＴｉＣ，ＷＣ等
の炭化物を分散させる。このように高硬度のＴｉ　Ｃ，
ＷＣ等を基材表面に直接注入することにより、密着強度
に優れた硬化層を形成することができる。

第３図はこうしてレーザ肉盛を施したノズル翼３の断面
を示す図で、ノズルＸ３表面の蒸気出口側の腹側および
背側に拡散層ＬＯａ、１０ｂが形成されている。

第４図は、本実施例によるレーザ肉盛を施したノズル翼
１００と何ら表面処理を施していない従来のノズル翼２
００の耐エロージヨン性を比較した線図で、ノズル×１
００．２００に一定の大きさを有する固体粒子（例えば
Ｆｅ５０＊の粉末）を一定時間、種々の速度で衝突させ
たときのエロージョン量を示したものであるが、同図か
ら明らかなように、本実施例によるノズル翼１００では
衝突する粒子の速度が増加してもエロージョン量は少な
く、極めて良好な耐エロージヨン性を示していることが
判明した。

また実施例に対し、レーザ肉盛を施していない従来のノ
ズルＸ　２００では、エロージョン量は粒子の速度が速
くなると指数関数的に増加している。

従って、特に高速の酸化スケールが衝突することにより
エロージョンが発生する蒸気タービンのノズル×には、
耐エロージヨン性を確保する上でレーザ肉盛が極めて有
効な手段であるということが判明した。

ところで、上述実施例ではノズル翼表面をレーザ溶融さ
せた後、炭化物を吹付けて炭化物法＠層を形成したが、
本発明方法における拡散層形成方法はこれに限定される
ものではなく、例えば、ノズル翼等の部材表面に炭化物
の粉末を溶射させた後、レーザを照射して溶融させても
よい。

し発明の効果］ 以上説明したように本発明方法は、蒸気タービンプ′ラ
ンドの乾き蒸気域で使用される部材１例えばノズル翼の
表面にレーザ肉盛を施すことによって、その表面を硬化
させるものであるから、高速流体中に混入した固体粒子
によるエロージョンを大幅に低減できる。

また、本発明方法の適用はノズル翼に限定されるもので
はなく、例えば蒸気の流れを制御する蒸気弁の弁体、弁
棒等にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のノズル組立体の斜視図、第
２図はノズル素体の斜視図、第３図は第２図のＡ−Ａ矢
視断面図、第４図は実施例の効果を示すエロージョン特
性図、第５図は延性材料の硬さとキャビテーションエロ
ージョン指数の関係を示す図、第６図はＣＯ金合金Ｎｉ
−Ｃｒ合金のエロージョン特性を示す線図、第７図は蒸
気タービンの高圧初段の構成を示す断面図、第８図はノ
ズル流路を示す断面図である。 ３・・・・・・・・・ノズル翼 １０・・・・・・・・・炭化物法＠層 １３・・・・・・・・・ノズル素体 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佑　− ｂ 第１図 第２図 第３図 第４図 材料のｆ）またさ 第５図 第６図 第７図 ａ 第８図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸気タービンプラントの乾き蒸気域で使用される
   部材のエロージョンを防止する方法において、前記部材
   の表面に炭化物を高温下で均一拡散して前記部材表面に
   炭化物拡散層を形成することを特徴とするエロージョン
   防止方法。
2. （２）炭化物拡散層の形成は、部材表面に高エネルギー
   線ビームを照射して前記部材表面を溶融した後、この表
   面溶融層に炭化物を注入拡散させて形成することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のエロージョン防止方
   法。
3. （３）炭化物拡散層の形成は、部材表面に炭化物を溶射
   した後、この炭化物溶射面を高エネルギー線ビームで照
   射して形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のエロージョン防止方法。
4. （４）炭化物拡散層の厚さが３０μｍ以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエロージョン防
   止方法。
5. （５）炭化物が、ＷＣまたはＴｉＣを含有していること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエロージョン
   防止方法。
6. （６）高エネルギー線ビームがレーザビームであること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項および第３項記載の
   エロージョン防止方法。