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JP2008093668A - Steam turbine welding rotor - Google Patents

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JP2008093668A
JP2008093668A JP2006274581A JP2006274581A JP2008093668A JP 2008093668 A JP2008093668 A JP 2008093668A JP 2006274581 A JP2006274581 A JP 2006274581A JP 2006274581 A JP2006274581 A JP 2006274581A JP 2008093668 A JP2008093668 A JP 2008093668A
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Keiji Kawanaka
啓嗣 川中
Takeshi Kudo
健 工藤
Hideaki Ishii
秀亮 石井
Eiji Nishioka
映二 西岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a welded rotor of a steam turbine, which rotor is composed by joining different kinds of materials and has excellent welded portions. <P>SOLUTION: The welded rotor of the steam turbine is formed by welding a rotor made of a high Cr steel and a rotor made of a low Cr steel containing Cr smaller than that of the rotor made of the high Cr steel. The welding metal joining the high Cr steel and the low Cr steel contains 0.05 to 0.15 mass% C, 1 mass% or less Si, 2 mass% or less Mn, 0.03 mass% or less P, 0.03 mass% or less S, 0.5 mass% or less Cu, 0.5 mass% or less Ni, 1.0 to 3.5 mass% Cr, 0.4 to 1.2 mass% Mo, 0.05 to 0.4 mass% V, at least one of Nb, Ta, Zr, and Hf in an amount of 0.01 to 0.1 mass% in total, and the balance being Fe. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、蒸気タービン溶接ロータに関するものである。   The present invention relates to a steam turbine welded rotor.

環境問題の高まりから、蒸気タービン発電プラントには高効率化及び出力の大容量化が求められ、蒸気温度は高温高圧化が進められている。   Due to increasing environmental problems, steam turbine power plants are required to have higher efficiency and higher output capacity, and steam temperatures are being increased at higher temperatures and pressures.

従来、蒸気タービンロータは、鍛造熱処理技術の発展と共に、一体型ロータが適用されてきた。   Conventionally, an integrated rotor has been applied to a steam turbine rotor with the development of forging heat treatment technology.

また、蒸気タービンの軽量化,構造簡素化のために、特に、高圧から低圧までを同一材質で一体成形した高低圧一体型ロータが使用されている。   Further, in order to reduce the weight and simplify the structure of the steam turbine, a high-low pressure integrated rotor that is integrally formed of the same material from high pressure to low pressure is used.

しかし、これら蒸気タービンロータは、さらなる高温化,大容量化に関して限界があるといわざるを得ない。   However, it can be said that these steam turbine rotors have limitations with regard to higher temperatures and larger capacities.

蒸気タービンロータ(以下、単に「ロータ」と呼称する場合あり)を形成する材料(ロータ材料)に要求される特性(材質)は、高圧では高温クリープ破断強度であり、低圧では引張強さ,靭性である。   The properties (materials) required for the material (rotor material) forming the steam turbine rotor (hereinafter sometimes simply referred to as “rotor”) are high-temperature creep rupture strength at high pressure and tensile strength and toughness at low pressure. It is.

このようにロータは、一つの材質で、高圧,低圧の双方の特性を満足することは困難であるのはもちろんのこと、要求される特性は、蒸気タービンの段落毎に異なっている。   Thus, it is difficult for the rotor to satisfy both high and low pressure characteristics with a single material, and the required characteristics are different for each stage of the steam turbine.

段落毎または複数段落毎に最適な材料を選択して、それらを溶接する溶接構造ロータが、例えば、特許文献1及び特許文献2に示されている。   For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 show welded structure rotors in which optimum materials are selected for each paragraph or each of a plurality of paragraphs and welded to each other.

また、製造工程の再溶解時に異なる材料を接合(一体化)する方法として、特許文献3がある。   Moreover, there is Patent Document 3 as a method of joining (integrating) different materials at the time of remelting in the manufacturing process.

大型の一体ロータを製造する場合と比較して、段落毎または複数段落毎のような小鋼塊は、高品質な鋼塊が得られやすく、大規模な製造設備を必要としないという利点がある。   Compared to the case of manufacturing a large integral rotor, small steel ingots such as each paragraph or multiple paragraphs have the advantage that high-quality steel ingots can be easily obtained and large-scale production equipment is not required. .

USP6152697USP 6152697 特開2000−64805号公報JP 2000-64805 A 特公昭56−14842号公報Japanese Patent Publication No. 56-14842

従来のロータ材料は、高温化,大容量化に対応した大鋼塊の製造が困難であり、分割構造にして高品質な小鋼塊を溶接接合してロータを形成する必要がある。   Conventional rotor materials are difficult to produce large steel ingots corresponding to high temperatures and large capacities, and it is necessary to form a rotor by welding a high-quality small steel ingot in a divided structure.

特に、段落毎または複数段落毎に最適な材料を選択して、それらを溶接する溶接構造ロータの場合には、異なる材料(異材)を接合する必要がある。   In particular, in the case of a welded structure rotor in which an optimum material is selected for each paragraph or every plurality of paragraphs and they are welded, it is necessary to join different materials (different materials).

異材を溶接する場合、合金の成分濃度及び焼戻し軟化抵抗の違い等により、濃度傾斜層を形成するためのバタリング溶接が必要である。つまり、二種類の溶接金属を必要とする。バタリング溶接は、バタリング溶接前の開先加工,応力除去焼鈍,本溶接前の開先再加工が必要であり、バタリング溶接と本溶接とによる溶接体積の増加は、溶接欠陥が入る可能性を増大させる。   When welding dissimilar materials, buttering welding for forming a concentration gradient layer is required due to differences in alloy component concentrations and temper softening resistance. That is, two types of weld metal are required. Buttering welding requires groove processing before stress welding, stress relief annealing, and groove rework before main welding. The increase in weld volume due to buttering and main welding increases the possibility of weld defects. Let

そこで、本発明は、こうしたバタリング溶接を施すことなく、異材を接合してなる蒸気タービン溶接ロータを提供するものである。   Therefore, the present invention provides a steam turbine welding rotor formed by joining different materials without performing such buttering welding.

本発明の一実施形態である蒸気タービン溶接ロータは、少なくとも、高Cr鋼ロータと、高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成されたものであって、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとを接合する溶接金属が、質量%でC:
0.05〜0.15%,Si:1%以下,Mn:2%以下,P:0.03%以下,S:0.03%以下,Cu:0.5%以下,Ni:0.5%以下,Cr:1.0〜3.5%,Mo:0.4〜1.2%,V:0.05〜0.4% 、及びNb,Ta,Zr,Hfの4種類のうち少なくとも1種類が含有され、その合計が0.01〜0.1%であり、残部がFeからなることを特徴とする。
A steam turbine welded rotor according to an embodiment of the present invention is formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than a high Cr steel rotor. The weld metal joining the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor is C:
0.05 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% or less, S: 0.03% or less, Cu: 0.5% or less, Ni: 0.5 % Or less, Cr: 1.0 to 3.5%, Mo: 0.4 to 1.2%, V: 0.05 to 0.4%, and at least four of Nb, Ta, Zr, and Hf 1 type is contained, the sum total is 0.01-0.1%, and the remainder consists of Fe.

そして、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとの溶接部が、軸を横断する面の中心側を中空とし、狭開先部を形成してなることが好ましい。   And it is preferable that the welding part of a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor makes hollow the center side of the surface which crosses an axis | shaft, and forms a narrow groove part.

また、溶接金属は、2Mo+10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが、3〜7であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the segregation index | exponent P defined by 2Mo + 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) is 3-7 in a weld metal.

高Cr鋼ロータは、質量%で8〜13%のCrを含有することを特徴とし、低Cr鋼ロータは、質量%で0.8〜2.5%のCrを含有することを特徴とする。そして、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとのCrの含有量の差が、6%以上となることが好ましい。   The high Cr steel rotor is characterized by containing 8 to 13% Cr by mass, and the low Cr steel rotor is characterized by containing 0.8 to 2.5% Cr by mass. . And it is preferable that the difference in Cr content between the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor is 6% or more.

また、本発明の一実施形態である蒸気タービン溶接ロータは、少なくとも、高Cr鋼ロータと、高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成されたものであって、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとを接合する溶接金属の2Mo+
10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが、3〜7である。
The steam turbine welded rotor according to an embodiment of the present invention is formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than a high Cr steel rotor. 2Mo + of weld metal that joins high Cr steel rotor and low Cr steel rotor
The segregation index P defined by 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) is 3-7.

以下、溶接金属の各元素の成分を限定する理由を示す。   Hereinafter, the reason for limiting the component of each element of the weld metal will be described.

溶接金属のFeに含まれる各元素の成分は、質量%でC:0.05〜0.15%,Si:1%以下,Mn:2%以下,P:0.03%以下,S:0.03%以下,Cu:0.5% 以下,Ni:0.5%以下,Cr:1.0〜3.5%,Mo:0.4〜1.2%,V:0.05〜0.4% 、及びNb,Ta,Zr,Hfの4種類のうち少なくとも1種類が含有され、その合計が0.01〜0.1%である。   The component of each element contained in Fe of the weld metal is C: 0.05 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% or less, S: 0% by mass. 0.03% or less, Cu: 0.5% or less, Ni: 0.5% or less, Cr: 1.0 to 3.5%, Mo: 0.4 to 1.2%, V: 0.05 to 0 .4% and at least one of Nb, Ta, Zr, and Hf is contained, and the total is 0.01 to 0.1%.

Cは、焼入れ性を確保し、焼鈍過程で炭化物を析出させて、高温強度を高めるのに不可欠な元素であり、0.05%以上は必要であるが、0.15%を超える添加は、溶接の割れ感受性を高めるため、0.05〜0.15%に限定される。望ましくは、0.06〜0.14%であり、特に0.06〜0.12%が好ましい。   C is an element indispensable for ensuring hardenability and precipitating carbides in the annealing process to increase the high temperature strength, and 0.05% or more is necessary, but addition exceeding 0.15% In order to raise the cracking sensitivity of welding, it is limited to 0.05 to 0.15%. Desirably, it is 0.06 to 0.14%, and 0.06 to 0.12% is particularly preferable.

Siは、脱酸材として添加するものであり、少量の添加でその効果は達成される。1%を超える添加は、凝固割れを生じやすくするため好ましくない。   Si is added as a deoxidizing material, and the effect can be achieved by adding a small amount. Addition in excess of 1% is not preferable because it tends to cause solidification cracking.

Mnは、脱硫・脱酸材として添加するものであり、少量の添加でその効果は達成される。また、後述するSは、溶接の割れ感受性を高めるが、Mnは、Sと反応して、MnS化合物を形成し、Sを固定する効果もあり、溶接の割れを抑制する。2%を超える添加は、クリープ破断強度を低下させるため好ましくない。   Mn is added as a desulfurization / deoxidation material, and the effect can be achieved by adding a small amount. Moreover, S mentioned later raises the cracking sensitivity of welding, but Mn reacts with S to form a MnS compound and also has an effect of fixing S, and suppresses cracking of welding. Addition in excess of 2% is not preferable because it reduces the creep rupture strength.

PとSとは、鋼中に不純物として含まれている。凝固の最終段階で粒界に濃縮して偏析を生ずるため、溶接の割れ感受性を高めることから低減することが望ましく、それぞれ
0.03%以下とすることが好ましい。
P and S are contained as impurities in the steel. Since it concentrates at the grain boundary at the final stage of solidification and segregation occurs, it is desirable to reduce it because it increases the cracking susceptibility of the weld, and each is preferably 0.03% or less.

Cuは、鋼中に不純物として含まれ、高温で使用される間に、靭性を低下させる。Feとの分離が難しく、現在の製鋼レベルを考慮した場合には、0.5% 以下とすることが好ましい。   Cu is contained as an impurity in steel and reduces toughness while being used at high temperatures. Separation from Fe is difficult, and considering the current steelmaking level, it is preferably 0.5% or less.

Niは、靭性を高め、かつ、δフェライトの生成を抑制する有効な元素であるが、クリープ破断強度を低下させるため、0.5%以下とすることが好ましい。   Ni is an effective element that increases toughness and suppresses the formation of δ ferrite, but is preferably 0.5% or less in order to reduce the creep rupture strength.

Crは、焼入れ性を向上させ、靭性及び高温強度の向上効果がある。また、蒸気中の耐食性も向上させる。1.0%未満ではこれらの効果が十分ではなく、3.5%を超える添加は、クリープ破断強度を低下させる。望ましくは、1.1〜3.0% であり、特に、1.2〜2.8%が好ましい。   Cr improves hardenability and has the effect of improving toughness and high-temperature strength. It also improves the corrosion resistance in steam. If less than 1.0%, these effects are not sufficient, and addition exceeding 3.5% lowers the creep rupture strength. Desirably, it is 1.1 to 3.0%, and 1.2 to 2.8% is particularly preferable.

Moは、高温強度を高めるために添加される。0.4% 未満ではこれらの効果が十分ではなく、1.2% を超える添加は、靭性を低下させる。望ましくは、0.5〜1.1%であり、特に、0.6〜1.0%が好ましい。   Mo is added to increase the high temperature strength. If less than 0.4%, these effects are not sufficient, and addition exceeding 1.2% lowers toughness. Desirably, it is 0.5 to 1.1%, and particularly preferably 0.6 to 1.0%.

Vは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度及び靭性の向上効果がある。0.05%未満ではこれらの効果が十分ではなく、0.4%を超える添加は、効果が飽和してしまう。望ましくは、0.10〜0.33%であり、特に、0.15〜0.30%が好ましい。   V precipitates fine carbides in the crystal grains during the tempering treatment, and has an effect of improving high temperature strength and toughness. If it is less than 0.05%, these effects are not sufficient, and if it exceeds 0.4%, the effect is saturated. Desirably, it is 0.10 to 0.33%, and 0.15 to 0.30% is particularly preferable.

Nb,Ta,Zr、及びHfの4種類のうち少なくとも1種類の添加は、炭化物を生成し、Cを固定し、靭性を高める効果がある。   The addition of at least one of the four types of Nb, Ta, Zr, and Hf has the effect of generating carbides, fixing C, and increasing toughness.

0.01%以上は必要であるが、0.1%を超える添加は、溶接の割れ感受性を高める。単独添加または複合添加で、0.01〜0.10%の添加で十分な効果が得られる。   0.01% or more is necessary, but addition exceeding 0.1% increases the cracking susceptibility of the weld. A sufficient effect can be obtained with addition of 0.01 to 0.10%, alone or in combination.

Cr含有量の異なる材料を溶接する際、高Cr含有の材料側へCが移動し、溶接界面にCr炭化物を形成し、溶接界面の靭性を低下させ、溶接金属部の強度を低下させる。このため、Cの移動を抑制する必要がある。   When welding materials having different Cr contents, C moves to the high Cr content material side, forms Cr carbide at the weld interface, reduces the toughness of the weld interface, and decreases the strength of the weld metal part. For this reason, it is necessary to suppress the movement of C.

溶接金属の偏析指数Pは、2Mo+10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義されるが、3以下ではCの移動を抑制する効果が十分ではなく、7を超えると溶接の割れ感受性を高めるため、偏析指数Pは3〜7にすることが好ましい。   The segregation index P of the weld metal is defined as 2Mo + 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%). The index P is preferably 3-7.

また、低Cr鋼ロータ及び高Cr鋼ロータの具体的な組成を以下に示す。   Moreover, the specific composition of a low Cr steel rotor and a high Cr steel rotor is shown below.

低Cr鋼ロータは、質量%で、C:0.15〜0.40%,Si:0.15%以下 ,Mn:0.05〜1.50%,Ni:0.2〜1.5%,Cr:0.8〜1.5%,Mo:0.8 〜1.8%,V:0.1〜0.3%,P:0.012%以下,S:0.015% 以下を含み、残部が実質的にFeよりなる。   The low Cr steel rotor is in mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si: 0.15% or less, Mn: 0.05 to 1.50%, Ni: 0.2 to 1.5% , Cr: 0.8-1.5%, Mo: 0.8-1.8%, V: 0.1-0.3%, P: 0.012% or less, S: 0.015% or less And the balance is substantially made of Fe.

高Cr鋼ロータは、質量%で、C:0.05〜0.25% ,Si:0.15%以下,Mn:1.00%以下,Ni:0.75%以下,Cr:9.0〜13.0%,Mo:0.05〜
1.50%,W:3.0%以下,V:0.05〜0.30%,Nb:0.01〜0.20%,
Co:5.0%以下,N:0.01〜0.10%,B:0.0001 〜0.030%を含み、残部が実質的にFeよりなる。
The high Cr steel rotor is, by mass%, C: 0.05 to 0.25%, Si: 0.15% or less, Mn: 1.00% or less, Ni: 0.75% or less, Cr: 9.0 -13.0%, Mo: 0.05-
1.50%, W: 3.0% or less, V: 0.05 to 0.30%, Nb: 0.01 to 0.20%,
Co: 5.0% or less, N: 0.01 to 0.10%, B: 0.0001 to 0.030%, with the balance being substantially made of Fe.

また、本発明の一実施形態である蒸気タービン溶接ロータは、少なくとも、高Cr鋼ロータと、前記高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成されたものであって、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとが、一種類の溶接金属によって接合されている。   The steam turbine welded rotor according to an embodiment of the present invention is formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than the high Cr steel rotor. And the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor are joined by one kind of weld metal.

また、本発明の一実施形態である蒸気タービンは、少なくとも、高Cr鋼ロータと、高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成されたロータと、高Cr鋼ロータに形成された第1の動翼と、低Cr鋼ロータに形成された第2の動翼と、第1の動翼及び第2の動翼に蒸気を導く静翼と、第1の動翼及び第2の動翼並びに静翼を覆うケーシングと、を有するものであり、高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとが、一種類の溶接金属によって接合されている。   A steam turbine according to an embodiment of the present invention includes at least a high Cr steel rotor and a rotor formed by welding a low Cr steel rotor having a lower Cr content than a high Cr steel rotor, A first moving blade formed on a Cr steel rotor, a second moving blade formed on a low Cr steel rotor, a stationary blade for introducing steam to the first moving blade and the second moving blade, And a casing covering the stationary blade, and the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor are joined by one kind of weld metal.

そして、ロータの高Cr鋼ロータと低Cr鋼ロータとが、軸を横断する面の中心側を中空とし、突合せ溶接により接続される。   The high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor of the rotor are connected by butt welding with the center side of the surface crossing the shaft being hollow.

以下に、低Cr鋼ロータ及び高Cr鋼ロータのそれぞれの成分を限定した理由について説明する。   The reason why the respective components of the low Cr steel rotor and the high Cr steel rotor are limited will be described below.

低Cr鋼ロータは、質量%で、C:0.15〜0.40% ,Si:0.15%以下,Mn:0.05〜1.50%,Ni:0.2〜1.5%,Cr:0.8〜1.5%,Mo:0.8 〜1.8%,V:0.1〜0.3% ,P:0.012%以下,S:0.015%以下を含み、残部が実質的にFeよりなる。   The low Cr steel rotor is, by mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si: 0.15% or less, Mn: 0.05 to 1.50%, Ni: 0.2 to 1.5% , Cr: 0.8-1.5%, Mo: 0.8-1.8%, V: 0.1-0.3%, P: 0.012% or less, S: 0.015% or less And the balance is substantially made of Fe.

低Cr鋼ロータに関して示す。   It shows about a low Cr steel rotor.

Cは、焼入れ性を向上し、高温強度を確保するために必要な元素である。0.15% 以下では十分な焼入れ性が得られず、ロータ中心に軟らかいフェライト組織が生成し、十分な引張強さ及び耐力が得られない。また、0.40% を超える添加は、靭性を低下させる。したがって、Cは、0.15〜0.40%に限定される。特に0.20〜0.35%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.23〜0.32%の範囲である。   C is an element necessary for improving hardenability and ensuring high temperature strength. If it is 0.15% or less, sufficient hardenability cannot be obtained, and a soft ferrite structure is formed at the center of the rotor, so that sufficient tensile strength and yield strength cannot be obtained. Moreover, addition exceeding 0.40% reduces toughness. Therefore, C is limited to 0.15 to 0.40%. The range of 0.20 to 0.35% is particularly preferable, and the range of 0.23 to 0.32% is more preferable.

Siは、脱酸剤であり、鋼の溶解の際に添加するものであり、少量でも効果がある。カーボン真空脱酸法又はエレクトロスラグ再溶解法などを用いた場合には、Siを添加する必要がなく、Si無添加がよい。したがって、Siは、0.15% 以下が好ましく、特に0.10%以下が好ましく、より好ましくは、0.05% 以下である。   Si is a deoxidizer and is added when steel is melted, and even a small amount is effective. When a carbon vacuum deoxidation method or an electroslag remelting method is used, it is not necessary to add Si, and it is preferable to add no Si. Therefore, Si is preferably 0.15% or less, particularly preferably 0.10% or less, and more preferably 0.05% or less.

Mnは、脱硫・脱酸剤であり、鋼の溶解の際に添加するものであり、少量でも効果がある。Mnは、鋼中に不純物元素として存在し、熱間加工性を悪くするSを硫化物MnSとして固定する作用がある。このため、Mnは、蒸気タービン用ロータシャフトのような大型鍛造品の製造においては、0.05%以上にすべきである。一方、1.5%を超える添加は、クリープ脆化を生じやすくし、切欠き弱化となるため、1.5% 以下とする。特に
0.10〜1.3%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.15〜1.2%の範囲である。
Mn is a desulfurization / deoxidation agent, which is added when steel is melted, and is effective even in a small amount. Mn exists as an impurity element in steel, and has the effect of fixing S, which deteriorates hot workability, as sulfide MnS. For this reason, Mn should be 0.05% or more in the production of large forgings such as steam turbine rotor shafts. On the other hand, addition over 1.5% tends to cause creep embrittlement and weakens the notch, so it is made 1.5% or less. In particular, a range of 0.10 to 1.3% is preferable, and a range of 0.15 to 1.2% is more preferable.

Niは、焼入れ性を向上させ、靭性の向上に不可欠な元素である。0.2% 未満では、靭性の向上効果が十分ではない。また1.5% を超える添加は、クリープ破断強度を低下させてしまう。特に0.3〜1.3%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.4〜1.2%の範囲である。   Ni is an element that improves hardenability and is essential for improving toughness. If it is less than 0.2%, the effect of improving toughness is not sufficient. Addition exceeding 1.5% lowers the creep rupture strength. In particular, the range of 0.3 to 1.3% is preferable, and the range of 0.4 to 1.2% is more preferable.

Crは、焼入れ性を向上させ、靭性及び高温強度の向上効果がある。また、蒸気中の耐食性も向上させる。0.8%未満ではこれらの効果が十分ではなく、1.5%を超える添加は、クリープ破断強度を低下させる。特に0.9〜1.4%の範囲が好ましく、より好ましくは、1.0〜1.3%の範囲である。   Cr improves hardenability and has the effect of improving toughness and high-temperature strength. It also improves the corrosion resistance in steam. If less than 0.8%, these effects are not sufficient, and addition exceeding 1.5% reduces the creep rupture strength. The range of 0.9 to 1.4% is particularly preferable, and the range of 1.0 to 1.3% is more preferable.

Moは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度の向上及び焼戻し脆化の防止の効果がある。0.8%未満ではこれらの効果が十分ではなく、1.8%を超える添加は、靭性を低下させる。特に1.0〜1.6%の範囲が好ましく、より好ましくは、1.2〜1.5%の範囲である。   Mo precipitates fine carbides in crystal grains during the tempering treatment, and has the effect of improving the high-temperature strength and preventing temper embrittlement. If less than 0.8%, these effects are not sufficient, and addition exceeding 1.8% lowers toughness. In particular, a range of 1.0 to 1.6% is preferable, and a range of 1.2 to 1.5% is more preferable.

Vは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度及び靭性の向上効果がある。0.10%未満ではこれらの効果が十分ではなく、0.30%を超える添加は、効果が飽和してしまう。特に0.15〜0.28%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.20〜0.25%の範囲である。   V precipitates fine carbides in the crystal grains during the tempering treatment, and has an effect of improving high temperature strength and toughness. If it is less than 0.10%, these effects are not sufficient, and if it exceeds 0.30%, the effect is saturated. The range of 0.15 to 0.28% is particularly preferable, and the range of 0.20 to 0.25% is more preferable.

P及びSの低減は、クリープ破断強度及び低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましい。低温靭性の向上の観点から、Pは0.012% 以下が好ましく、Sは
0.015%以下が好ましい。特に、Pは0.010% 以下、Sは0.013%以下が好ましく、より好ましくは、Pは0.008%以下、Sは0.010%以下である。
Reduction of P and S has an effect of increasing creep rupture strength and low temperature toughness, and it is desirable to reduce it as much as possible. From the viewpoint of improving low temperature toughness, P is preferably 0.012% or less, and S is preferably 0.015% or less. In particular, P is preferably 0.010% or less and S is preferably 0.013% or less, more preferably P is 0.008% or less and S is 0.010% or less.

Sb,Sn及びAsの低減も、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましいが、現状の製鋼技術レベルの観点から、Sb0.0015%以下,Sn0.01%以下、及びAs0.02% 以下が好ましい。特に、Sb0.0010%以下,Sn0.005%及びAs0.01%以下が望ましい。   Reduction of Sb, Sn and As also has the effect of increasing low temperature toughness, and it is desirable to reduce it as much as possible. However, from the viewpoint of the current steelmaking technology level, Sb is 0.0015% or less, Sn is 0.01% or less, and As is 0.02. % Or less is preferable. In particular, Sb is 0.0010% or less, Sn 0.005% and As 0.01% or less.

低Cr鋼ロータ材の熱処理は、まず完全なオーステナイトに変態するに十分な温度、最低900℃,最高1000℃で所定時間、均一加熱保持した後、急冷する(好ましくは、油冷又は水噴霧)。900℃未満では、高い靭性は得られるものの、高いクリープ破断強度が得られず、1000℃を超える温度では、高いクリープ破断強度は得られるものの、高い靭性が得られない。   In the heat treatment of the low Cr steel rotor material, first, it is uniformly heated and held at a temperature sufficient for transformation into complete austenite, at least 900 ° C., and at maximum 1000 ° C. for a predetermined time, and then rapidly cooled (preferably oil cooling or water spray) . When the temperature is lower than 900 ° C., high toughness is obtained, but high creep rupture strength cannot be obtained. When the temperature exceeds 1000 ° C., high creep rupture strength is obtained, but high toughness cannot be obtained.

次に、630〜700℃の温度で、所定時間加熱保持後、冷却する焼戻しを行い、全焼戻しベイナイト組織とすることが好ましい。630℃未満では高い靭性が得られず、700℃を超える温度では高いクリープ破断強度が得られない。   Next, it is preferable to perform tempering by cooling after heating and holding at a temperature of 630 to 700 ° C. for a predetermined time to obtain a fully tempered bainite structure. If it is less than 630 ° C., high toughness cannot be obtained, and if it exceeds 700 ° C., high creep rupture strength cannot be obtained.

また、焼戻した後にさらに強度と靭性とを調整するため、630〜700℃の温度に加熱保持・冷却する焼戻しを必要に応じて繰り返すことができる。焼戻しを繰り返すことにより、強度は低下するが靭性は向上する。   Further, in order to further adjust the strength and toughness after tempering, tempering by heating and holding at a temperature of 630 to 700 ° C. can be repeated as necessary. By repeating tempering, the strength is reduced but the toughness is improved.

高Cr鋼ロータは、質量%で、C:0.05〜0.25% ,Si:0.15%以下,Mn:1.00%以下,Ni:0.75%以下,Cr:9.0〜13.0% ,Mo:0.05〜
1.50%,W:3.0%以下,V:0.05〜0.30%,Nb:0.01〜0.20%,
Co:5.0%以下,N:0.01〜0.10%,B:0.0001〜0.030% を含み、残部が実質的にFeよりなる。
The high Cr steel rotor is, by mass%, C: 0.05 to 0.25%, Si: 0.15% or less, Mn: 1.00% or less, Ni: 0.75% or less, Cr: 9.0 ˜13.0%, Mo: 0.05-
1.50%, W: 3.0% or less, V: 0.05 to 0.30%, Nb: 0.01 to 0.20%,
Co: 5.0% or less, N: 0.01 to 0.10%, B: 0.0001 to 0.030%, with the balance being substantially made of Fe.

高Cr鋼ロータに関して示す。   It shows about a high Cr steel rotor.

Cは、焼入れ性を向上し、焼戻し熱処理過程で炭化物を析出させて、高温強度を確保するために不可欠の元素である。また、高い引張強さを得るためにも0.05% 以上が必要であるが、0.25% を超える添加は、高温に長時間さらされた場合に金属組織が不安定になり、長時間クリープ破断強度を低下させる。したがって、0.05〜0.25%に限定される。特に、0.07〜0.20%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.09〜0.16%の範囲である。   C is an indispensable element for improving hardenability and precipitating carbides during the tempering heat treatment process to ensure high temperature strength. Moreover, in order to obtain high tensile strength, 0.05% or more is necessary. However, if it exceeds 0.25%, the metal structure becomes unstable when exposed to high temperature for a long time, so that Reduces creep rupture strength. Therefore, it is limited to 0.05 to 0.25%. In particular, a range of 0.07 to 0.20% is preferable, and a range of 0.09 to 0.16% is more preferable.

Siは、脱酸剤として添加するものであるが、カーボン真空脱酸法などを用いた場合には、Siを添加する必要がなく、Si無添加がよい。Siの添加を低くすることにより、δフェライト組織の生成と結晶粒界偏析等による靭性の低下とを防止する効果がある。添加する場合には、0.15%以下が好ましく、特に0.10%以下が好ましく、より好ましくは、0.05%以下である。   Si is added as a deoxidizer, but when a carbon vacuum deoxidation method or the like is used, it is not necessary to add Si, and it is preferable to add no Si. Lowering the addition of Si has the effect of preventing the formation of δ ferrite structure and the reduction in toughness due to segregation of grain boundaries. When it is added, it is preferably 0.15% or less, particularly preferably 0.10% or less, and more preferably 0.05% or less.

Mnは、脱硫・脱酸剤として添加するものであり、少量の添加でもその効果は達成される。1.00% を超える添加は、クリープ破断強度を低下させるので好ましくない。特に0.03%〜0.70%の範囲が好ましい。Mnの添加が少ない場合には高強度であるが、Mnの添加が多い場合には加工性が良い。   Mn is added as a desulfurization / deoxidation agent, and the effect can be achieved even when added in a small amount. Addition in excess of 1.00% is not preferable because it reduces the creep rupture strength. The range of 0.03% to 0.70% is particularly preferable. When the addition of Mn is small, the strength is high, but when the addition of Mn is large, the workability is good.

Niは、靭性を高め、δフェライト組織の生成を防止するために、有効な元素であるが、0.05%未満では、この効果が十分ではなく、0.75%を超える添加は、クリープ破断強度を低下させる。   Ni is an effective element for increasing toughness and preventing the formation of δ ferrite structure. However, if it is less than 0.05%, this effect is not sufficient, and addition exceeding 0.75% causes creep rupture. Reduce strength.

Crは、高温強度及び高温耐酸化性を高めるのに不可欠な元素であり、9.0% 以上が必要であるが、13.0% を超える添加は、δフェライト組織を生成し、高温強度及び靭性を低下させるため、9.0〜13.0%の範囲が好ましく、特に、9.5〜12.0%の範囲が好ましく、より好ましくは、10.0〜11.5%の範囲である。   Cr is an indispensable element for increasing the high temperature strength and high temperature oxidation resistance, and 9.0% or more is necessary. However, if it exceeds 13.0%, a δ ferrite structure is formed, and the high temperature strength and In order to reduce toughness, the range of 9.0 to 13.0% is preferable, particularly the range of 9.5 to 12.0% is preferable, and the range of 10.0 to 11.5% is more preferable. .

Moは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度の向上及び焼戻し脆化の防止に効果がある。0.05%未満ではこれらの効果が十分ではなく、1.50%を超える添加は、靭性を低下させる。特に、0.15〜1.30%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.2〜1.1%の範囲である。   Mo precipitates fine carbides in crystal grains during the tempering treatment, and is effective in improving high-temperature strength and preventing temper embrittlement. If it is less than 0.05%, these effects are not sufficient, and if it exceeds 1.50%, the toughness is lowered. In particular, a range of 0.15 to 1.30% is preferable, and a range of 0.2 to 1.1% is more preferable.

Wは、高温での炭化物の凝集粗大化を抑制し、また、マトリクスを固溶強化するので、620℃以上の高温強度を顕著に高める効果がある。3.0% を超える添加は、δフェライト組織を生成し、靭性を低下させるため、3.0%以下が好ましい。   W suppresses agglomeration and coarsening of carbides at high temperatures and strengthens the matrix by solid solution, so that it has an effect of remarkably increasing the high temperature strength at 620 ° C. or higher. Addition over 3.0% produces a δ ferrite structure and lowers toughness, so 3.0% or less is preferable.

Vは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度及び靭性の向上効果がある。0.05%未満ではこれらの効果が十分ではなく、0.30%を超える添加は、効果が飽和してしまう。特に、0.10〜0.28%の範囲が好ましく、より好ましくは、
0.15〜0.25%の範囲である。
V precipitates fine carbides in the crystal grains during the tempering treatment, and has an effect of improving high temperature strength and toughness. If it is less than 0.05%, these effects are not sufficient, and if it exceeds 0.30%, the effect is saturated. In particular, a range of 0.10 to 0.28% is preferable, and more preferably,
It is in the range of 0.15 to 0.25%.

Nbは、NbC炭化物を析出し、高温強度を高めるために効果的な元素であるが、0.2%を超える添加は、特に、大型鋼塊では粗大な共晶NbC炭化物を生じ、疲労強度を低下させるδフェライト組織を析出させる原因になるため、0.20% 以下が好ましい。また、0.01% 未満では、これらの効果が十分ではない。特に0.02〜0.15%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.04〜0.10%の範囲である。   Nb is an effective element for precipitating NbC carbide and increasing the high-temperature strength, but the addition exceeding 0.2% produces coarse eutectic NbC carbide, particularly in large steel ingots, and lowers fatigue strength. Since it causes precipitation of δ ferrite structure, 0.20% or less is preferable. Further, if it is less than 0.01%, these effects are not sufficient. The range of 0.02 to 0.15% is particularly preferable, and the range of 0.04 to 0.10% is more preferable.

Coは、高温強度を著しく改善するとともに、靭性も高める。5.0% を超える添加は、延性が低下する。このため、5.0% 以下が好ましい。特に0.1〜4.0%の範囲が好ましく、より好ましくは、1.0〜3.0%の範囲である。   Co significantly improves high-temperature strength and increases toughness. Addition exceeding 5.0% decreases ductility. For this reason, 5.0% or less is preferable. In particular, a range of 0.1 to 4.0% is preferable, and a range of 1.0 to 3.0% is more preferable.

Nは、クリープ破断強度の向上及びδフェライト組織の生成防止に効果があるが、0.01%未満ではこの効果が十分ではなく、0.10% を超える添加は、靭性を低下させると共に、クリープ破断強度も低下させる。特に0.01〜0.06%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.015〜0.050%である。   N is effective in improving the creep rupture strength and preventing the formation of δ ferrite structure, but if less than 0.01%, this effect is not sufficient, and the addition exceeding 0.10% reduces the toughness and creep rupture strength. Also reduce. In particular, the range of 0.01 to 0.06% is preferable, and more preferably 0.015 to 0.050%.

Bは、粒界を強化する作用がある。また、Bは、M23C6型炭化物中に固溶し、
M23C6型炭化物の凝集粗大化を防止する作用があり、高温強度を高める効果がある。0.0001%以上が有効であるが、0.03%を超える添加は、溶接性や鍛造性を害するので、0.0001〜0.03%が好ましい。特に、0.0001〜0.018%の範囲が好ましく、より好ましくは、0.001〜0.013%の範囲である。
B has an effect of strengthening the grain boundary. B is solid-dissolved in the M23C6 type carbide,
There exists an effect | action which prevents the aggregation coarsening of M23C6 type carbide, and there exists an effect which raises high temperature strength. Although 0.0001% or more is effective, addition exceeding 0.03% harms weldability and forgeability, so 0.0001 to 0.03% is preferable. In particular, the range of 0.0001 to 0.018% is preferable, and the range of 0.001 to 0.013% is more preferable.

P及びSの低減は、クリープ破断強度及び低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましい。低温靭性の向上の観点から、Pは0.012% 以下が好ましく、Sは
0.015%以下が好ましい。特に、Pは0.010%以下、Sは0.013% 以下が好ましく、より好ましくは、Pは0.008%以下、Sは0.010%以下である。
Reduction of P and S has an effect of increasing creep rupture strength and low temperature toughness, and it is desirable to reduce it as much as possible. From the viewpoint of improving low temperature toughness, P is preferably 0.012% or less, and S is preferably 0.015% or less. In particular, P is preferably 0.010% or less and S is preferably 0.013% or less, more preferably P is 0.008% or less and S is 0.010% or less.

Sb,Sn及びAsの低減も、低温靭性を高める効果があり、極力低減することが望ましいが、現状の製鋼技術レベルの観点から、Sb0.0015%以下,Sn0.01%以下、及びAs0.02%以下が好ましい。特に、Sb0.0010% 以下,Sn0.005%及びAs0.01%以下が望ましい。   Reduction of Sb, Sn and As also has the effect of increasing low temperature toughness, and it is desirable to reduce it as much as possible. However, from the viewpoint of the current steelmaking technology level, Sb is 0.0015% or less, Sn is 0.01% or less, and As is 0.02. % Or less is preferable. In particular, Sb is 0.0010% or less, Sn 0.005% and As 0.01% or less.

高Cr鋼ロータ材の熱処理は、まず完全なオーステナイトに変態するに十分な温度、最低1000℃、最高1125℃で所定時間、均一加熱保持した後、急冷する(好ましくは、油冷又は水噴霧)。1000℃未満では、高い靭性は得られるものの、高いクリープ破断強度が得られず、1125℃を超える温度では、高いクリープ破断強度は得られるものの、高い靭性が得られない。   In the heat treatment of the high Cr steel rotor material, first, it is uniformly heated and held at a temperature sufficient for transformation into complete austenite, a minimum of 1000 ° C. and a maximum of 1125 ° C. for a predetermined time, and then rapidly cooled (preferably oil cooling or water spray). . When the temperature is lower than 1000 ° C., high toughness can be obtained, but high creep rupture strength cannot be obtained. When the temperature exceeds 1125 ° C., high creep rupture strength can be obtained, but high toughness cannot be obtained.

次に、630〜750℃の温度で、所定時間加熱保持後、冷却する焼戻しを行い、全焼戻しマルテンサイト組織とすることが好ましい。630℃未満では高い靭性が得られず、750℃を超える温度では高いクリープ破断強度が得られない。   Next, it is preferable to perform tempering by cooling after heating and holding at a temperature of 630 to 750 ° C. for a predetermined time to obtain a fully tempered martensite structure. If it is less than 630 ° C., high toughness cannot be obtained, and if it exceeds 750 ° C., high creep rupture strength cannot be obtained.

また、焼戻した後にさらに強度と靭性とを調整するため、630〜750℃の温度に加熱保持・冷却する焼戻しを必要に応じて繰り返すことができる。焼戻しを繰り返すことにより、強度は低下するが靭性は向上する。   Further, in order to further adjust the strength and toughness after tempering, tempering by heating and holding at a temperature of 630 to 750 ° C. can be repeated as necessary. By repeating tempering, the strength is reduced but the toughness is improved.

本発明は、バタリング溶接を施すことなく、異材を接合してなる蒸気タービン溶接ロータを提供することができる。   The present invention can provide a steam turbine welding rotor formed by joining different materials without performing buttering welding.

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail by way of specific examples, but the present invention is not limited to these examples.

図1は、本形態に係る蒸気タービン溶接ロータの継手部の構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram of a joint portion of a steam turbine welding rotor according to the present embodiment.

高Cr鋼ロータ1と低Cr鋼ロータ2とが突合されている。   The high Cr steel rotor 1 and the low Cr steel rotor 2 are abutted.

開先6は、溶接表面が軸面と同一面にならないようR(曲面部)5を有しながら、ロータの内周側に隆起部3を、ロータの外周側に隆起部4を、それぞれ形成し、溶接部における強度を確保する。そして、狭開先7をティグ溶接等にて溶接接合する。   The groove 6 has an R (curved surface) 5 so that the welding surface is not flush with the shaft surface, and forms a raised portion 3 on the inner peripheral side of the rotor and a raised portion 4 on the outer peripheral side of the rotor. And ensuring the strength at the weld. The narrow groove 7 is welded by TIG welding or the like.

図2は、図1で示した蒸気タービン溶接ロータの継手部の拡大図である。   FIG. 2 is an enlarged view of a joint portion of the steam turbine welding rotor shown in FIG.

隆起部3の高さb及び隆起部4の高さaはそれぞれ10mm、開先深さdは100mm、狭開先7の間隔wは12mm、ルートフェースeは2mm、ルートフェースにおける間隔は0mmとする。   The height b of the raised portion 3 and the height a of the raised portion 4 are 10 mm, the groove depth d is 100 mm, the distance w between the narrow grooves 7 is 12 mm, the root face e is 2 mm, and the distance at the root face is 0 mm. To do.

溶接部である継手部の特性を調査するため、模擬的に高Cr鋼ロータ1と低Cr鋼ロータ2とをティグ溶接で接合し、断面の組織を観察し、破壊調査を行った。   In order to investigate the characteristics of the joint, which is a welded portion, the high Cr steel rotor 1 and the low Cr steel rotor 2 were joined by TIG welding in a simulated manner, the cross-sectional structure was observed, and a fracture investigation was performed.

表1にそれぞれのロータの化学組成を、表2に溶接ワイヤとしての溶接金属の化学組成を示す。   Table 1 shows the chemical composition of each rotor, and Table 2 shows the chemical composition of the weld metal as a welding wire.

表1における母材Aは低Cr鋼ロータ2を模擬したものであり、表1における母材Bは高Cr鋼ロータ1を模擬したものである。   Base material A in Table 1 simulates a low Cr steel rotor 2, and base material B in Table 1 simulates a high Cr steel rotor 1.

また、表2における溶接金属No.1〜No.2,No.7〜No.10、及びNo.12は、本形態に対する比較例として示した化学組成であり、表2における溶接金属No.3〜No.6、及びNo.11は、本形態における化学組成である。   Moreover, weld metal No.1-No.2, No.7-No.10, and No.12 in Table 2 are the chemical compositions shown as a comparative example with respect to this form, and weld metal No.3 in Table 2 is shown. ~ No.6 and No.11 are chemical compositions in this embodiment.

Figure 2008093668
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Figure 2008093668
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溶接は、継手部を250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下で実施した。溶接後、400℃に保持して、脱水素処理を行い、残留応力除去のため、630℃に昇温して保持した。   Welding was performed at a temperature between passes of 400 ° C. or less after preheating the joint to 250 ° C. to 300 ° C. After welding, the temperature was kept at 400 ° C., dehydrogenation treatment was performed, and the temperature was raised to 630 ° C. to remove residual stress.

図3は、溶接金属No.7,No.10、及びNo.11を用いた場合の継手部の硬さ分布を示すものである。   FIG. 3 shows the hardness distribution of the joint when weld metals No. 7, No. 10, and No. 11 are used.

図3が示すように、No.7,No.10及びNo.11のいずれの溶接金属もHAZ部の硬さはほとんど変わらなかった。なおHAZ部とは、溶接部近傍の母材部分であり、溶接の影響によって母材の温度が上昇する部分である。本形態の場合は、狭開先7の間隔wが
12mmであるため、−6〜−6.5mm及び+6〜+6.5mmがHAZ部に相当する。
As shown in FIG. 3, the hardness of the HAZ portion hardly changed in any of the weld metals of No. 7, No. 10 and No. 11. The HAZ portion is a base material portion in the vicinity of the welded portion, and is a portion where the temperature of the base material rises due to the influence of welding. In the case of this embodiment, since the interval w of the narrow groove 7 is 12 mm, −6 to −6.5 mm and +6 to +6.5 mm correspond to the HAZ portion.

図4は、表2で示した溶接金属について、温度550℃,負荷応力196MPaで行ったクリープ試験の結果を示す。   FIG. 4 shows the results of a creep test performed on the weld metal shown in Table 2 at a temperature of 550 ° C. and a load stress of 196 MPa.

本形態に対する比較例として示した化学組成の溶接金属No.1〜No.2、及びNo.7〜No.10は、破断位置が高Cr鋼側のHAZ部であり、破断時間が短いことがわかった。これに対して、本形態における化学組成である溶接金属No.3〜No.6、及びNo.11は、破断位置が低Cr鋼側のHAZ部であり、破断時間が長いことがわかった。   The weld metals No. 1 to No. 2 and No. 7 to No. 10 having chemical compositions shown as comparative examples for this embodiment have a fracture position of the HAZ part on the high Cr steel side and a short fracture time. all right. On the other hand, it was found that weld metals No. 3 to No. 6 and No. 11 which are chemical compositions in this embodiment have a fracture position of the HAZ portion on the low Cr steel side and a long fracture time.

なお、溶接部の浸透探傷試験の結果、溶接金属No.1〜No.11は、溶接部における欠陥はほとんど観察されなかった。しかし、溶接金属No.12は、溶接割れが発生し、溶接部にける欠陥が観察された。   As a result of the penetration test for the welded portion, almost no defects in the welded portion were observed in the weld metals No.1 to No.11. However, in weld metal No. 12, weld cracking occurred, and defects in the weld were observed.

溶接金属の2Mo+10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが3〜7である溶接金属No.3〜No.6、及びNo.11は、破断時間が1100時間前後と長いことがわかった。これに対して、偏析指数が3より低い溶接金属No.1〜No.2、及びNo.7〜No.10は、破断時間が800時間以下と短いことがわかった。また、偏析指数が7より高い溶接材料No.12は、溶接割れが発生し、破断時間の測定ができなかった。このため、溶接金属No.12は、図4に図示していない。   The weld metals No. 3 to No. 6 and No. 11 in which the segregation index P defined by 2Mo + 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) of the weld metal is 3 to 7 have a long fracture time of about 1100 hours. all right. In contrast, the weld metals No. 1 to No. 2 and No. 7 to No. 10 having a segregation index lower than 3 were found to have a short fracture time of 800 hours or less. Further, in the welding material No. 12 having a segregation index higher than 7, a weld crack occurred and the fracture time could not be measured. For this reason, the weld metal No. 12 is not shown in FIG.

図5は、本形態に係る、高圧タービン用分割構造ロータ、図6は、高中圧タービン用分割構造ロータの一例を示すものである。   FIG. 5 shows an example of a divided structure rotor for a high-pressure turbine according to the present embodiment, and FIG. 6 shows an example of a divided structure rotor for a high-medium pressure turbine.

図5に示す高圧タービン用分割構造ロータは、高圧部である前側段落61,後側段落
62,シャフト部63に分割されている。そして、溶接部66にて前側段落61と後側段落62とを、溶接部67にて後側段落62とシャフト部63とを接合している。
The divided structure rotor for a high-pressure turbine shown in FIG. 5 is divided into a front side paragraph 61, a rear side paragraph 62, and a shaft portion 63, which are high pressure parts. Then, the front paragraph 61 and the rear paragraph 62 are joined at the welded portion 66, and the rear paragraph 62 and the shaft portion 63 are joined at the welded portion 67.

前側段落61と後側段落62との継手部には中空部64が、後側段落62とシャフト部63との継手部には中空部65が形成され、軽量化が図られている。   A hollow portion 64 is formed at a joint portion between the front paragraph 61 and the rear paragraph 62, and a hollow portion 65 is formed at a joint portion between the rear paragraph 62 and the shaft portion 63, so that weight reduction is achieved.

こうしたロータの場合、蒸気は、前側段落61に流入した後、後側段落62に流入する。   In the case of such a rotor, the steam flows into the front paragraph 61 and then into the rear paragraph 62.

前側段落61は、表1に記載される高Cr鋼材料を、後側段落62及びシャフト63は、表1に記載される低Cr鋼材料を使用する。   The front paragraph 61 uses the high Cr steel material described in Table 1, and the rear paragraph 62 and the shaft 63 use the low Cr steel material shown in Table 1.

また、溶接金属は、表2のNo.11を用いた。   Moreover, No. 11 of Table 2 was used for the weld metal.

つまり、使用する溶接金属の化学組成は、質量%でC:0.10%,Si:0.14%,Mn:0.42%,P:0.005%,S:0.008%,Cu:0.3% ,Ni:0.24%,Cr:2.3%,Mo:1.04%,V:0.28%,Nb:0.03%、及びTa:
0.01%であり、残部がFeからなるものである。
That is, the chemical composition of the weld metal used is as follows: C: 0.10%, Si: 0.14%, Mn: 0.42%, P: 0.005%, S: 0.008%, Cu : 0.3%, Ni: 0.24%, Cr: 2.3%, Mo: 1.04%, V: 0.28%, Nb: 0.03%, and Ta:
It is 0.01%, and the balance is made of Fe.

溶接は、継手部を250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下で実施した。溶接後、400℃に保持して、脱水素処理を行い、残留応力除去のため、630℃に昇温して保持した。   Welding was performed at a temperature between passes of 400 ° C. or less after preheating the joint to 250 ° C. to 300 ° C. After welding, the temperature was kept at 400 ° C., dehydrogenation treatment was performed, and the temperature was raised to 630 ° C. to remove residual stress.

溶接部の非破壊検査(磁紛探傷試験,浸透探傷試験,超音波探傷試験)の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。   As a result of nondestructive inspection of the weld (magnetic particle inspection test, penetration inspection test, ultrasonic inspection test), no defects were detected and the welding result was good.

軸の長さ,分割数,胴部径は、蒸気タービンの出力及び回転数により変化するが、種々のロータ形状に対して、同様な溶接接合が可能である。   The length of the shaft, the number of divisions, and the body diameter vary depending on the output and the rotational speed of the steam turbine, but similar welding joints are possible for various rotor shapes.

図6は、高圧部,中圧部である前側段落71,後側段落72,後側段落73に分割されている。こうしたロータにおける蒸気は、前側段落71に流入した後、後側段落72に流入する。その後、再熱器等にて再度加熱された蒸気は、前側段落71に流入した後、後側段落73に流入する。   FIG. 6 is divided into a front paragraph 71, a rear paragraph 72, and a rear paragraph 73, which are a high-pressure portion and an intermediate-pressure portion. The steam in such a rotor flows into the front paragraph 71 and then into the rear paragraph 72. Thereafter, the steam heated again by the reheater or the like flows into the front paragraph 71 and then into the rear paragraph 73.

溶接部76にて、前側段落71と後側段落72とを接合し、溶接部77にて前側段落
71と後側段落73とを接合している。
The front paragraph 71 and the rear paragraph 72 are joined at the weld portion 76, and the front paragraph 71 and the rear paragraph 73 are joined at the weld portion 77.

前側段落71と後側段落72との継手部には中空部74が、前側段落71と後側段落
73との継手部には中空部75が形成され、軽量化を図られている。
A hollow portion 74 is formed at a joint portion between the front paragraph 71 and the rear paragraph 72, and a hollow portion 75 is formed at a joint portion between the front paragraph 71 and the rear paragraph 73, thereby reducing the weight.

前側段落71は、表1に記載される高Cr鋼材料を、後側段落72及び後側段落73は、表1に記載される低Cr鋼材料を使用する。   The front paragraph 71 uses the high Cr steel material described in Table 1, and the rear paragraph 72 and the rear paragraph 73 use the low Cr steel material shown in Table 1.

また、溶接金属は、表2のNo.11を用いた。   Moreover, No. 11 of Table 2 was used for the weld metal.

溶接は、継手部を250℃〜300℃に予熱後、パス間温度を400℃以下で実施した。溶接後、400℃に保持して、脱水素処理を行い、残留応力除去のため、630℃に昇温して保持した。   Welding was performed at a temperature between passes of 400 ° C. or less after preheating the joint to 250 ° C. to 300 ° C. After welding, the temperature was kept at 400 ° C., dehydrogenation treatment was performed, and the temperature was raised to 630 ° C. to remove residual stress.

溶接部の非破壊検査(磁紛探傷試験,浸透探傷試験,超音波探傷試験)の結果、欠陥は検出されずに溶接結果は良好であった。   As a result of nondestructive inspection of the weld (magnetic particle inspection test, penetration inspection test, ultrasonic inspection test), no defects were detected and the welding result was good.

軸の長さ,分割数,胴部径は、蒸気タービンの出力及び回転数により変化するが、種々のロータ形状に対して、同様な溶接接合が可能である。   The length of the shaft, the number of divisions, and the body diameter vary depending on the output and the rotational speed of the steam turbine, but similar welding joints are possible for various rotor shapes.

本形態によれば、新規な溶接金属を提供することにより、良好な溶接部の特性を有した分割構造型の蒸気タービン溶接ロータを提供することができ、蒸気温度は高温高圧,蒸気タービン発電プラントの高効率化及び出力の大容量化に対応したタービン溶接ロータを作製することができる。   According to the present embodiment, by providing a new weld metal, it is possible to provide a split structure type steam turbine welding rotor having good weld characteristics, and the steam temperature is a high temperature and high pressure, steam turbine power plant. Thus, a turbine welded rotor corresponding to higher efficiency and higher output capacity can be produced.

なお、本形態で説明した分割構造型の蒸気タービンロータは、溶接構造とすることで突合面を中空化することができるため、中空構造を用いることができ、中実構造を用いた一体構造型の蒸気タービンロータと比較して、重量を軽減できると共に、起動停止時の熱応力が小さく疲労損傷を受けにくい。   Note that the split structure type steam turbine rotor described in the present embodiment can be hollowed by making it a welded structure, so that a hollow structure can be used, and an integral structure type using a solid structure Compared with the steam turbine rotor of, the weight can be reduced, and the thermal stress at the time of starting and stopping is small, so that it is not easily damaged by fatigue.

蒸気タービンロータの軽量化と共に、熱応力を低減でき、起動停止に要する時間を短縮して運用性を向上することもできる。   Along with the weight reduction of the steam turbine rotor, thermal stress can be reduced, and the time required for starting and stopping can be shortened to improve operability.

また、高Cr鋼ロータの軸受部は、摺動特性確保の観点から、摺動特性に優れる低Cr鋼材料を肉盛溶接し、又は低Cr鋼材料のリングを焼バメしている。   Moreover, the bearing part of a high Cr steel rotor carries out overlay welding of the low Cr steel material which is excellent in sliding characteristics from the viewpoint of ensuring sliding characteristics, or shrinks the ring of low Cr steel materials.

本形態によれば、ロータの翼植え込み部を高Cr鋼材料で構成せざるを得ない場合であっても、軸受部を低Cr鋼材料で構成することが可能となり、肉盛溶接等は不要である。   According to this embodiment, even if the rotor blade implantation part must be made of a high Cr steel material, the bearing part can be made of a low Cr steel material, and no overlay welding or the like is required. It is.

図7は、出力600MWの蒸気タービンの一例を示すものである。ロータ30は、高圧部,中圧部の前側段落31と、後側段落33及び後側段落35とに分割されている。   FIG. 7 shows an example of a steam turbine with an output of 600 MW. The rotor 30 is divided into a front paragraph 31, a rear paragraph 33, and a rear paragraph 35 of the high pressure portion and the intermediate pressure portion.

前側段落31と後側段落33とは溶接部32で接合され、前側段落31と後側段落35とは溶接部34で接合されている。   The front paragraph 31 and the rear paragraph 33 are joined at the welded portion 32, and the front paragraph 31 and the rear paragraph 35 are joined at the welded portion 34.

また、溶接金属は、表2のNo.11を用いる。   Moreover, No. 11 of Table 2 is used for a weld metal.

前側段落31は表1の高Cr鋼材料を、後側段落33及び後側段落35は表1の低Cr鋼材料を使用する。   The front paragraph 31 uses the high Cr steel material of Table 1, and the rear paragraph 33 and the rear paragraph 35 use the low Cr steel material of Table 1.

軸受部37は、低Cr鋼材料で構成されるため、摺動特性を確保するための低Cr鋼材料の肉盛溶接等は不要である。   Since the bearing portion 37 is made of a low Cr steel material, build-up welding or the like of the low Cr steel material for ensuring sliding characteristics is unnecessary.

図7で示した蒸気タービンは、ボイラより供給された蒸気温度600℃、蒸気圧力25MPaの蒸気が、主蒸気配管28を通して、高圧車室18に導かれる。高圧車室18に導かれた蒸気は、ノズル38を通り、高圧動翼群16に導かれる。高圧動翼群16によって、蒸気エネルギが回転エネルギに変換され、ロータ30が回転する。   In the steam turbine shown in FIG. 7, steam having a steam temperature of 600 ° C. and a steam pressure of 25 MPa supplied from the boiler is guided to the high-pressure casing 18 through the main steam pipe 28. The steam guided to the high pressure casing 18 passes through the nozzle 38 and is guided to the high pressure blade group 16. Steam energy is converted into rotational energy by the high-pressure blade group 16, and the rotor 30 rotates.

さらに、高圧車室18から排出された蒸気は、再度、中圧動翼群17に導かれ、ロータ30の回転に寄与する。   Further, the steam discharged from the high-pressure casing 18 is guided again to the intermediate pressure blade group 17 and contributes to the rotation of the rotor 30.

そして、ロータ30が回転することにより、ロータ30に結合された発電機において発電が可能となる。   As the rotor 30 rotates, power can be generated in the generator coupled to the rotor 30.

本発明は、蒸気タービン溶接ロータに関するものであり、蒸気タービンを用いた発電プラントに利用可能である。   The present invention relates to a steam turbine welding rotor and can be used in a power plant using a steam turbine.

分割構造ロータ継手部の構成図。The block diagram of a division structure rotor joint part. 分割構造ロータ継手部の拡大構成図。The expansion block diagram of a division structure rotor joint part. 溶接された継手部の硬さ分布を示す図。The figure which shows the hardness distribution of the welded joint part. クリープ試験結果に基づいた破断時間を表す図。The figure showing the fracture | rupture time based on a creep test result. 高圧タービン用分割構造ロータの一例を示す図。The figure which shows an example of the division structure rotor for high pressure turbines. 高中圧タービン用分割構造ロータの一例を示す図。The figure which shows an example of the division structure rotor for high intermediate pressure turbines. 蒸気タービンの一例を示す図。The figure which shows an example of a steam turbine.

符号の説明Explanation of symbols

1 高Cr鋼ロータ
2 低Cr鋼ロータ
3 ロータの内周側の隆起部
4 ロータの外周側の隆起部
5 R(曲面部)
6 開先
7 狭開先



DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High Cr steel rotor 2 Low Cr steel rotor 3 Raised part on the inner peripheral side of the rotor 4 Raised part 5 R (curved part) on the outer peripheral side of the rotor
6 groove 7 narrow groove



Claims (14)

少なくとも、高Cr鋼ロータと、前記高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成された蒸気タービン溶接ロータであって、
前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとを接合する溶接金属が、質量%でC:0.05〜0.15%,Si:1%以下,Mn:2%以下,P:0.03%以下,S:0.03%以下,Cu:0.5%以下,Ni:0.5%以下,Cr:1.0〜3.5%,Mo:0.4〜1.2%,V:0.05〜0.4%、及びNb,Ta,Zr,Hfの4種類のうち少なくとも1種類が含有され、その合計が0.01〜0.1%であり、残部がFeからなることを特徴とする蒸気タービン溶接ロータ。
A steam turbine welded rotor formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than the high Cr steel rotor,
The weld metal joining the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor is C: 0.05 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% or less in mass%. , S: 0.03% or less, Cu: 0.5% or less, Ni: 0.5% or less, Cr: 1.0 to 3.5%, Mo: 0.4 to 1.2%, V: 0 0.05 to 0.4% and at least one of four types of Nb, Ta, Zr, and Hf is contained, the total is 0.01 to 0.1%, and the balance is Fe Steam turbine welding rotor.
前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとの溶接部が、軸を横断する面の中心側を中空とし、狭開先部を形成してなることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   2. The steam according to claim 1, wherein a welded portion between the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor is formed with a hollow at the center side of a surface crossing the shaft to form a narrow groove portion. Turbine welding rotor. 前記溶接金属の2Mo+10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが、3〜7であることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   2. The steam turbine welded rotor according to claim 1, wherein a segregation index P defined by 2Mo + 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) of the weld metal is 3 to 7. 3. 前記高Cr鋼ロータが、質量%で8〜13%のCrを含有することを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   The steam turbine welded rotor according to claim 1, wherein the high Cr steel rotor contains 8 to 13% Cr by mass. 前記低Cr鋼ロータが、質量%で0.8〜2.5%のCrを含有することを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   The steam turbine welded rotor according to claim 1, wherein the low Cr steel rotor contains 0.8 to 2.5% Cr by mass. 前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとのCrの含有量の差が、6%以上となることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   The steam turbine welding rotor according to claim 1, wherein a difference in Cr content between the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor is 6% or more. 少なくとも、高Cr鋼ロータと、前記高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成された蒸気タービン溶接ロータであって、
前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとを接合する溶接金属の2Mo+10V+
7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが、3〜7であることを特徴とする蒸気タービン溶接ロータ。
A steam turbine welded rotor formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than the high Cr steel rotor,
2Mo + 10V + of weld metal that joins the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor
7. A steam turbine welded rotor having a segregation index P defined by 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) of 3 to 7.
前記低Cr鋼ロータが、質量%で、C:0.15〜0.40%,Si:0.15%以下,Mn:0.05〜1.50%,Ni:0.2〜1.5%,Cr:0.8〜1.5%,Mo:0.8〜1.8%,V:0.1〜0.3%,P:0.012%以下,S:0.015%以下を含み、残部が実質的にFeよりなることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   The low Cr steel rotor is, by mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si: 0.15% or less, Mn: 0.05 to 1.50%, Ni: 0.2 to 1.5. %, Cr: 0.8-1.5%, Mo: 0.8-1.8%, V: 0.1-0.3%, P: 0.012% or less, S: 0.015% or less The steam turbine welded rotor according to claim 1, wherein the balance is substantially made of Fe. 前記高Cr鋼ロータが、質量%で、C:0.05〜0.25%,Si:0.15%以下,Mn:1.00%以下,Ni:0.75%以下,Cr:9.0〜13.0%,Mo:0.05〜1.50%,W:3.0%以下,V:0.05〜0.30%,Nb:0.01〜0.20%,Co:5.0%以下,N:0.01〜0.10%,B:0.0001〜0.030%を含み、残部が実質的にFeよりなることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン溶接ロータ。   The high Cr steel rotor is, by mass%, C: 0.05 to 0.25%, Si: 0.15% or less, Mn: 1.00% or less, Ni: 0.75% or less, Cr: 9. 0 to 13.0%, Mo: 0.05 to 1.50%, W: 3.0% or less, V: 0.05 to 0.30%, Nb: 0.01 to 0.20%, Co: The steam according to claim 1, comprising 5.0% or less, N: 0.01 to 0.10%, B: 0.0001 to 0.030%, and the balance being substantially made of Fe. Turbine welding rotor. 少なくとも、高Cr鋼ロータと、前記高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成されたロータと、
前記高Cr鋼ロータに形成された第1の動翼と、前記低Cr鋼ロータに形成された第2の動翼と、
前記第1の動翼及び前記第2の動翼に蒸気を導く静翼と、
前記第1の動翼及び前記第2の動翼並びに前記静翼を覆うケーシングと、
を有する蒸気タービンであって、
前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとが、一種類の溶接金属によって接合されていることを特徴とする蒸気タービン。
A rotor formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than the high Cr steel rotor;
A first rotor blade formed on the high Cr steel rotor; a second rotor blade formed on the low Cr steel rotor;
A stationary blade for directing steam to the first moving blade and the second moving blade;
A casing covering the first moving blade, the second moving blade, and the stationary blade;
A steam turbine having
The steam turbine, wherein the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor are joined together by one kind of weld metal.
前記溶接金属の2Mo+10V+7(Nb+Ta+Zr+Hf)(質量%)で定義される偏析指数Pが、3〜7であることを特徴とする請求項10に記載の蒸気タービン。   11. The steam turbine according to claim 10, wherein a segregation index P defined by 2Mo + 10V + 7 (Nb + Ta + Zr + Hf) (mass%) of the weld metal is 3 to 7. 11. 前記ロータの前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとが、軸を横断する面の中心側を中空とし、突合せ溶接により接続されることを特徴とする請求項10に記載の蒸気タービン。   The steam turbine according to claim 10, wherein the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor of the rotor are connected by butt welding with a center side of a surface crossing the shaft being hollow. 前記溶接金属が、質量%でC:0.05〜0.15%,Si:1%以下,Mn:2%以下,P:0.03%以下,S:0.03%以下,Cu:0.5%以下,Ni:0.5%以下,
Cr:1.0〜3.5%,Mo:0.4〜1.2%,V:0.05〜0.4%、及びNb,Ta,Zr,Hfの4種類のうち少なくとも1種類が含有され、その合計が0.01〜0.1%であり、残部がFeからなることを特徴とする請求項10に記載の蒸気タービン。
The weld metal is, by mass%, C: 0.05 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% or less, S: 0.03% or less, Cu: 0 0.5% or less, Ni: 0.5% or less,
Cr: 1.0 to 3.5%, Mo: 0.4 to 1.2%, V: 0.05 to 0.4%, and at least one of four types of Nb, Ta, Zr, and Hf The steam turbine according to claim 10, wherein the steam turbine is contained in an amount of 0.01 to 0.1%, and the balance is Fe.
少なくとも、高Cr鋼ロータと、前記高Cr鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr鋼ロータと、を溶接して形成された蒸気タービン溶接ロータであって、
前記高Cr鋼ロータと前記低Cr鋼ロータとが、一種類の溶接金属によって接合されていることを特徴とする蒸気タービン溶接ロータ。

A steam turbine welded rotor formed by welding at least a high Cr steel rotor and a low Cr steel rotor having a lower Cr content than the high Cr steel rotor,
The steam turbine welded rotor, wherein the high Cr steel rotor and the low Cr steel rotor are joined by one kind of weld metal.

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