CN101548120B - 阀装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种阀装置，能够不产生电位差腐蚀，即使被给予由微小振动而引起的负载，也能够减少发生腐蚀。本发明的阀装置具备阀杆(6)和能够滑动支承阀杆(6)的轴承(7)，阀杆(6)是由Ni基超合金构成的锻造件，轴承(7)是由Ni基超合金构成的铸造件。阀杆(6)中与轴承(7)的滑动面表面粗糙度和轴承(7)中与阀杆(6)的滑动面表面粗糙度Rz是100μm以下。

Description

阀装置
技术领域
本发明涉及阀装置，特别是涉及能够防止蒸气阀的阀杆与支承该阀杆的轴承之间卡住的阀装置。
背景技术
气轮机主要的蒸气阀被在高温高压下严酷的条件中使用，且担当控制高速蒸气流的作用。在高温下的金属表面成为活化状态，与环境中的高温水蒸气反应而生成氧化膜。该氧化膜随母材的组成和环境条件的不同而与母材的附着强度不同，在每次阀的反复开闭动作时出现剥离，其随着阀杆的滑动而局部地在表面的凹部堆积并填埋与轴承的间隙，有时使阀杆产生卡住。因此，在气轮机的定期检查时需要把阀杆周围分解和为了把氧化膜除去的检修，由于预先估计堆积物产生量而增大阀杆与轴承的间隙，所以从阀杆周围泄漏的蒸气量变多，产生设备整体的热效率降低等问题。
消除卡住问题的提案被专利文献1所公开。专利文献1提案：把阀杆本体和衬套(以下叫做轴承)由线膨胀系数大致相同的材质构成，而且在阀杆的滑动部外表面堆焊Ni合金，进而对堆焊的Ni合金部实施氮化处理。
根据专利文献1的提案，由于在阀杆的滑动部外表面设置有Ni合金，所以生成氧化膜变少，能够防止出现卡住。通过把阀杆本体和轴承由线膨胀系数大致相同的材质构成，即使在高温下使用也能够确保两者之间形成的滑动部之间的间隙。
专利文献1尽管记载了阀杆本体和轴承使用奥氏体系不锈钢、12％Cr系不锈钢、低合金钢(Cr-Mo(-V)钢)，但没有关于Ni合金的具体记载。
专利文献1：特公平1-28269号公报
专利文献1的提案中特别对于Ni合金的堆焊由于仅在必要的部位设置Ni合金，所以在对难切削材料即Ni合金不需要实施加工的点上是有效的技术。然而根据电位差腐蚀观点，把不同种类的金属在高温腐蚀环境下使用并不好。特别是根据经验知道：负载给予部件以微小的变位，当它达到超过容许范围的水平时则容易产生腐蚀。因此，不优选把堆焊使用在有负载作用的部分。特别是由于蒸气流使阀杆有微小振动，而受到该振动的轴承被给予负载，所以对于控制蒸气流的阀装置应该避免使用堆焊。
发明内容
本发明是基于该技术课题而开发的，目的在于提供一种阀装置，能够不产生电位差腐蚀，即使被给予由微小振动而引起的负载，也能够减少发生腐蚀。
围绕该目的而本发明者等构思到：通过把阀杆和轴承其整体都由Ni基超合金构成来防止产生电位差腐蚀，通过由容易吸收微小振动的铸造件来构成轴承以减少产生腐蚀。即，本发明的阀装置具备阀杆和能够滑动支承阀杆的轴承，阀杆整体是由锻造件构成，该锻造件整体是由Ni基超合金构成，轴承是由铸造件构成，该铸造件是由Ni基超合金构成。
本发明的阀装置中，阀杆中的与轴承滑动的滑动面的表面粗糙度和轴承中的与阀杆滑动的滑动面的表面粗糙度Rz是100μm以下。
如以上说明的那样，根据本发明，通过把阀杆和轴承其整体都由Ni基的超合金构成来防止产生卡住，且能够防止产生电位差腐蚀。通过由容易吸收微小振动的铸造件来构成轴承以减少产生腐蚀。
附图说明
图1是表示本实施例蒸气阀结构的剖视图；
图2是表示实施例所使用的试验部件结构的剖视图；
图3是表示实施例中表面粗糙度Rz与动作扭矩关系的曲线。
符号说明
1阀壳体  2a、2b蒸气入口  3蒸气出口  4阀座
5阀体  6阀杆  7轴承  8阀盖  10试验部件
11模拟阀杆  12模拟轴承
具体实施方式
以下一边参照附图一边详细说明本发明。
图1是表示适用本发明的阀装置(高温蒸气阀，专利文献2)一结构例的剖视图。图1中，1是阀壳体，在其两侧部具有蒸气入口2a、2b，在下部具有单一的蒸气出口3，在该蒸气出口3内侧的阀壳体1内部形成有阀座4。阀体5被安装成相对该阀座4能够自由地接触或离开，利用阀体5的移动来进行使蒸气遮断或流出。阀杆6使其一端与阀体5的下端中央部连结，使其另一端通过被阀体5的周壁所限定的内部空间延伸并能够自由滑动地贯通细长圆筒状轴承7内部并且被支承。该轴承7贯通安装在阀壳体1上部开口部的阀盖8中央部分，且被该阀盖8所支承。阀盖8成一体地具有向下延伸开口的圆筒形部分9，阀体5能够自由滑动地被嵌入该圆筒形部分9。
专利文献2：特开平6-101769号公报
具有以上结构的蒸气阀在全关闭时，阀体5的前端面与阀座4抵接，从阀壳体1两侧部的蒸气入口2a、2b进入到阀壳体1内部的蒸气流被阀体5与阀座4的抵接部分遮断，不能通过蒸气出口3流动。当利用阀杆6使阀体5向上方运动而成为打开状态，则蒸气通过阀体5与阀座4之间形成的间隙被从蒸气出口3排出。阀杆6经由未图示的驱动器和把驱动器的输出向阀杆6传递的机械元件来动作。
在此，例示了图1所示形式的蒸气阀，但当然本发明所适用的阀装置并不限定于图1所示的形式。
本实施例的阀杆6和轴承7是由Ni基超合金构成。Ni基超合金的代表性材质被表示在表1(JIS G4901)。都把Ni作为主结构元素，且包含Cr在14～25wt％的范围。本实施例中能够使用表1所示的任何Ni基超合金，但其中优选使用NCF718。
wt％
Figure G2008800008260D00041
阀杆6和轴承7都由Ni基超合金构成。在此，所说的由Ni基超合金构成就意味着阀杆6和轴承7整体是由Ni基超合金构成。因此，本发明排除以下的形态：母材由低合金钢(Cr-Mo(-V)钢)、12Cr系不锈钢、奥氏体系不锈钢等构成并且把其一部分由Ni基超合金的堆焊构成的形态。这是由于把阀杆6或轴承7由不同材质构成时产生电位差腐蚀的缘故。按照该观点，阀杆6和轴承7优选由同一种类的Ni基超合金构成。例如以表1所示的Ni基超合金为例则优选把阀杆6和轴承7都由NCF718构成。
而且把阀杆6由锻造件构成，把轴承7由铸造件构成。即使是相同的Ni基超合金，锻造件和铸造件的若干机械性质也不同。即，机械强度方面，是锻造件比铸造件优良。在振动衰减性能方面，铸造件比锻造件优良。
在此，若比较阀杆6和轴承7，则要求利用驱动器进行动作的阀杆6具有高的机械强度。于是本发明把阀杆6由机械强度高的锻造件构成。
如前所述，由蒸气流而使阀杆6产生微小振动。由于受到该微小振动的轴承7被给予负载，所以容易被腐蚀。于是轴承7使用衰减受到阀杆6振动的能力高的铸造件。如前所述，铸造件的机械强度比锻造件差，但与阀杆6相比由于轴承7所被要求的机械强度水平低，所以即使把轴承7由铸造件构成，也能够具备足够的耐久性。
阀杆6和轴承7能够按照Ni基超合金部件的一般制造方法来制作。由锻造件构成的阀杆6通过从规定组成的熔融合金制作钢锭，把该钢锭进行锻造、压延后通过实施规定的热处理就能够得到。由铸造件构成的轴承7通过把规定组成的熔融合金向具有规定形状型腔的铸造模型中浇铸，在冷却后通过实施规定的热处理就能够得到。当然，为了得到规定形状的阀杆6和轴承7，能够适当地进行切削、磨削等机械加工。
阀杆6和轴承7的相互滑动面的表面粗糙度Rz(JIS B0601)优选100μm以下。这是由于减小该滑动面的表面粗糙度就能够减小阀杆6的动作扭矩的缘故。该滑动面的表面粗糙度Rz优选100μm以下，更优选50μm以下，特别优选30μm以下左右。通过减小阀杆6的动作扭矩而能够把使阀杆6动作的驱动器小型化，且能够精密控制阀的开度。
能够对阀杆6和轴承7的其表面实施氮化处理、渗碳处理、渗碳氮化处理等的表面处理。通过实施这种表面处理而能够提高阀杆6和轴承7的滑动面硬度而降低磨损量。氮化处理例如能够如下进行。把氨气(NH3)加 热到500～520℃，使气体的一部分分解成氮(N)和氢(H)，随着其中的氮与氮化对象部件中的元素结合而成为硬的氮化物。作为与氮结合的元素能够举出钛(Ti)、铝(Al)、铬(Cr)、钼(Mo)，如表1所示，多种Ni基超合金含有这些元素。
渗碳处理是使部件表面层的碳量增加，仅对表面层进行淬火硬化的处理。渗碳氮化处理是以800℃以上的温度使碳和氮同时浸入的处理。
本实施例中的阀杆6和轴承7都是由Ni基超合金构成，且Ni基合金之间的摩擦系数(干燥摩擦)是0.50左右。在此，能够把阀杆6和轴承7由能够防止产生氧化膜的Co基超合金(例如钨铬钴合金(帝罗罗钨铬钴合金(デロロステライト)公司登录商标))来构成。但Co基合金之间的摩擦系数高到0.66，所以阀杆6的动作扭矩变大。且Co基超合金与Ni基超合金相比是难切削材料。而且Co基超合金的主要结构元素Co的价格比Ni高，且有大幅度波动的问题。按照以上的观点也是从超合金中优选使用Ni基超合金。
本实施例的蒸气阀中除了阀杆6和轴承7以外部分的材质是任意的，能够与阀杆6和轴承7同样地由Ni基超合金构成，也可以由低合金钢(Cr-Mo(-V)钢)、12Cr系不锈钢、奥氏体系不锈钢等构成。
实施例
制作图2所示的试验部件10，把该试验部件10放置在高温蒸气(593℃级)流环境下进行高温腐蚀试验。该试验部件10包括：与图1所示的阀杆6对应的模拟阀杆11和与同轴承7对应的模拟轴承12。图2中，φa＝20mm、L1＝90mm、L2＝100mm，模拟阀杆11的外径与模拟轴承12之间的间隙设定为是0.02mm。
试验部件10按照模拟阀杆11和模拟轴承12的材质而被制作了以下的四种。
№1模拟阀杆11：NCF718(组成如下，以下相同)的锻造件
模拟轴承12：NCF718的铸造件
№2模拟阀杆11：NCF718的锻造件
模拟轴承12：NCF718的锻造件
№3模拟阀杆11：SCM435(组成如下，以下相同)的锻造件
模拟轴承12：SCM435的锻造件
№4模拟阀杆11：在SCM435锻造件的滑动面堆焊NCF718
模拟轴承12：在SCM435锻造件的滑动面堆焊NCF718
NCF718：
52wt％Ni-18wt％Cr-3wt％Mo-5wt％Nb-0.8wt％Ti-0.5wt％Al-Bal.Fe
SCM435：
1.05wt％Cr-0.22wt％Mo-0.35wt％C-0.25wt％Si-0.72wt％Mn-0.03wt％以下P-0.03wt％以下S-0.03wt％以下Cu-Bal.Fe
由于各部件的残留应力对腐蚀有影响，所以利用与各部件加工对应的热处理来进行把残留应力除去。
NCF718的粉末堆焊由等离子粉末堆焊进行，形成厚度1.5mm的堆焊层。
模拟阀杆11的外周面(滑动面)和模拟轴承12的内周面(滑动面)分别被磨削加工而使其表面粗糙度Rz是200μm。
高温腐蚀试验是在高温蒸气(593℃级)流环境下把上述试验部件10放置36个月。这时每6小时使模拟阀杆11相对模拟轴承12在其长度方向上往复运动。该往复运动的行程是50mm。在高温腐蚀试验后，把模拟轴承12固定在该状态下，使模拟阀杆11旋转，测定旋转所需要的扭矩(动作扭矩)。在动作扭矩测定后把模拟阀杆11从模拟轴承12拔出，测定模拟阀杆11表面的磨损量。把其结果表示在表2。动作扭矩和磨损量都按把№3作为100的指数来表示。
Figure G2008800008260D00071
如表2所示，虽然№2的动作扭矩小，但磨损量比№1大。这被解释为№2的试验部件10中模拟轴承12是由锻造件构成，所以容易受到高温蒸气 流引起的模拟阀杆11振动负载的影响。
№3由于在模拟阀杆11与模拟轴承12之间产生氧化膜，所以动作扭矩变大。且由于模拟轴承12是由锻造件构成，所以容易受到高温蒸气流引起的模拟阀杆11振动负载的影响，磨损量变多。
№4由于母材是SCM435且表面设置了NCF718的堆焊层，所以能够防止在模拟阀杆11与模拟轴承12之间的接触部位产生氧化膜，能够减小动作扭矩。但由于模拟阀杆11(模拟轴承12)是由各个不同的材质构成，所以产生电位差腐蚀，磨损量变大。
与以上相对，本发明的№1中模拟阀杆11和模拟轴承12都由氧化膜产生少的Ni基超合金即NCF718构成，所以动作扭矩小。且№1中模拟阀杆11和模拟轴承12都由NCF718来构成一体，所以不受电位差腐蚀的影响，磨损量也少。
然后，除了把模拟阀杆11和模拟轴承12各自滑动面的表面粗糙度按表3所示那样变化以外，制作与表2的№1同样的试验部件10。对于该试验部件10进行了与上述同样的高温腐蚀试验后，测定各自的动作扭矩。把其结果表示在表3和图3。表3和图3的动作扭矩的值是按把表面粗糙度Rz200的试验部件10的动作扭矩作为100的指数来表示。
 表面粗糙度Rz(μm)   动作扭矩
 200   100
 120   95
 80   80
 40   60
 20   50
 10   45
如表3和图3所示，当表面粗糙度Rz变小则动作扭矩就变小。特别是大致以100μm为边界而动作扭矩降低的程度变大。根据该结果了解到把阀杆和轴承各自滑动面的表面粗糙度Rz设定在100μm以下为理想。

Claims (3)

1.一种阀装置，其特征在于，具备阀杆和能够滑动支承所述阀杆的轴承，
所述阀杆整体是由锻造件构成，该锻造件是由Ni基超合金构成，
所述轴承整体是由铸造件构成，该铸造件是由Ni基超合金构成，
并且，所述阀杆中的与所述轴承滑动的滑动面的表面粗糙度和所述轴承中的与所述阀杆滑动的滑动面的表面粗糙度Rz是100μm以下。
2.如权利要求1所述的阀装置，其特征在于，所述阀杆中的与所述轴承滑动的滑动面的表面粗糙度和所述轴承中的与所述阀杆滑动的滑动面的表面粗糙度Rz是50μm以下。
3.如权利要求1所述的阀装置，其特征在于，所述阀杆和所述轴承由同一种类的Ni基超合金构成。
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