低圧蒸気タービン最終段ブレードの損傷と処理

1. タービンブレードの作業環境の特性

蒸気タービンの羽根の作業環境は非常に複雑で厳しいです。具体的には、これらは高圧部、中圧部、低圧部の3つに分けられます。高圧部と中圧部の羽根と比較すると、低圧蒸気タービンの低圧部の最終羽根の作業条件には次の特徴があります：低圧部の最終段階での蒸気圧力は大気圧より低く、蒸気の体積流量は大幅に増加し、流れが複雑です；低圧部の最終段階での蒸気の湿度は高く、蒸気中の水滴が羽根に大きな影響を与えます；変動条件下で蒸気タービンが動作する際、低圧部の最終羽根の作業状態は最も大きく変化し、その強度や振動に深刻な影響を与えます；低圧部の最終羽根は他の羽根よりも長く、強度に関する条件はより厳格です。

これらの特性は、低圧蒸気タービンの設計および製造プロセスにおいて、低圧セクションの最終段ブレードの設計をより包括的かつ慎重に考慮する必要があることを意味します。一般的に、低圧セクションの最終段ブレードの設計には、他のブレードの設計よりも高度な解析プログラム、より多くの計算、そしてより複雑な構造設計が必要です。製造もより困難であり、例えば：電気火花加工や Flam hardening、高周波焼入れによるブレードの強化、熱スプレー、レーザー溶接、局所的なレーザー表面焼入れ、周辺部へのインレイ加工などがあります。それでもなお、最終段ブレードの損傷が時折発生します。

2 低圧セクションの最終段ブレードの損傷形態と原因

低圧セクションの最終段ブレードに発生する損傷には多くの形態と原因があり、主なものは以下の通りです：機械的損傷の形態と原因；非機械的損傷の形態と原因。

機械的損傷とその原因：例えば、タービン内に外部の硬い粒子が入りブレードを損傷したり、タービン内の固定部品が脱落してブレードを損傷したり、ロータとシリンダーが正しくアラインされていないかシリンダーが変形し、ブレードが蒸気シールと接触して摩耗したり、ブレードシャウドに溝が削られたりします。しかし、ほとんどの損傷は最終段ブレードの設計要因以外の理由による機械的損傷です。この種の損傷は、その深刻さや運転への影響に応じてさまざまな措置で対処できます。

非機械的損傷およびその原因：蒸気の品質が悪いことによるブレードの腐食で引き起こされる損傷；湿った蒸気中の液状水の衝撃によって引き起こされる水浸食による損傷。本記事では、主に低圧セクションのブレードにおける2つの非機械的損傷の原因と対処方法について議論します：蒸気の品質が悪いことによるブレードの腐食の原因分析とその対処方法。

原因分析：通常、低圧タービンの羽根は耐熱ステンレス鋼で作られています。この材料はその表面に密で安定した酸化物の保護膜が形成されるため、優れた腐食抵抗性を持っています。しかし、蒸気中にCO2やSO2、特に塩素イオンが含まれている場合、羽根表面の保護膜が腐食し、急速に深部へ進行し、羽根の腐食を引き起こし、羽根の強度が大幅に低下します。例えば、2Cr13ステンレス鋼の場合、室温での空気中の曲げ疲労強度は390 N/mm2（ノッチのない試験片、応力サイクル数n=5×10^7、以下同様）ですが、清浄な凝縮水では依然として275～315 N/mm2の曲げ疲労強度があります。しかし、NaCl含有量が1%を超える酸化溶液中では、曲げ疲労強度が急激に低下し、115～135 N/mm2まで落ちます。疲労強度の低下は、耐用年数の短縮を意味します。最終羽根の検査では、湿った蒸気ゾーンの各段階で低圧最終羽根の腐食が主に発生することがわかりました。また、スケール層の下の羽根表面で局所的な腐食が発生し、その後拡大して亀裂が形成されます。継続運転すると、腐食疲労により羽根が破断する可能性があります。破断した羽根の検査と分析の結果、断面の沈殿層には塩化物が含まれることが判明しました。