JP2005220865A

JP2005220865A - 耐食性材料を用いた高温高圧マグネットカップリング式ポンプ

Info

Publication number: JP2005220865A
Application number: JP2004031831A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Ishiyama; 新太郎石山
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】
腐食重溶液輸送用として高温高圧でかつ無漏洩構造のポンプを得るためには、防食構造を有し、高温高圧仕様であり、有毒ガス・溶液に対してリークタイト構造であり、重液輸送仕様で長時間運転に耐え、輸送溶液の温度制御失敗による溶液固化に対するポンプ自身の保全が必要であった。
【解決手段】
インペラー、回転シャフト、回転シャフトを回転駆動するためのマグネット及び回転シャフトを支持するスリーブがポンプのリアケーシング中に設けられ、前記回転シャフトに結合したインペラーがポンプのフロントケーシング中に設けられており、混合重液を前記フロントケーシングの入口からインペラーにより吸引し、前記フロントケーシンの出口から放出させる高温高圧耐食性ポンプにおいて、接液部のフロント、リアケーシング、インペラー及び回転シャフトにタンタルを用い、並びにその溶接材、スリーブ、ブッシング及びスラストにセラミックスを用いたマグネットカップリング式のポンプ。
【選択図】図２

Description

本発明は、核熱を利用した水を原料とした熱化学ISプラントの濃硫酸及びヨウ素＋ヨウ化水素混合溶液の輸送に使用される、耐食性材料を用いた高温高圧マグネットカップリング式ポンプに関する。又、本発明のポンプは毒液や腐食溶液を利用する一般化学産業用ポンプとしても使用することができる。

従来、溶融ヨウ素等の強腐食重溶液輸送用として高温高圧でかつ無漏洩構造のポンプはない。

上記腐食重溶液輸送用として高温高圧でかつ無漏洩構造のポンプを得るためには、下記問題点を同時に満足できるポンプが必要である。
（ア）ヨウ素＋ヨウ化水素混合溶液等の強酸に対する防食構造を有すること
（イ）高温高圧仕様であること；120℃〜450℃×最高圧力3MPa
（ウ）有毒ガス・溶液に対してリークタイト構造であること
（エ）重液輸送仕様で長時間運転に耐えること
（オ）輸送溶液の温度制御失敗による溶液固化に対するポンプ自身の保全

本発明における、耐食性材料を用いた高温高圧マグネットカップリング式ポンプを構成するためには、次の（ア）、（イ）（ウ）（エ）及び（オ）の構成が必要である。
（ア）防食構造
HIx溶液に対する耐食性を示す材料としては、セラミックスや白金等の貴金属やタンタル、ニオビウム、チタンである。しかしながら、これらの材料をポンプ構造材料に適用するためには、下記条件を満足していなければならない。

１）安価であること
２）材料強度が十分で機械設計できること
３）無漏洩構造のための製罐構造を作るための溶接ができること
４）ヨウ化水素中の水素と反応しないこと（水素化物等の生成による脆化を起こさないこと）
５）衝撃等の力に対して十分の耐えるための延性ないし強度を有すること
６）機械加工がし易いこと
以上要件を満たす候補材料としては、第一候補として溶接のできるタンタル、ニオブ（チタンは水素吸蔵合金材料として有名で、水素化合物をつくりやすいため候補材とはなりがたい）、第二候補としてセラミックスが挙げられる。

そこで、第一候補材の（80wt.%I₂：10wt.%HI：9.9wt.%H₂O：0.1wt.%H₂SO₄）実液における120℃の腐食試験をタンタル及びニオビウムで実施した結果を図１に示す。図１では、試験片として、大小二枚の板を突き合わせてねじ止めした間隙腐食試験片とその溶接材とが使用された。これによると、ニオビウムよりタンタルの腐食速度が少ないことが分かる。また、両材料の共材溶接材についてもこれら母材との腐食速度に差異は認められなかった。さらに、機械的強度や弾性率がタンタルの方が高いので、ポンプ構造用材料としてはタンタル材を選択した。

セラミックス材料やその接合材については、同溶液条件での腐食速度はゼロである。
そこで、ポンプ接液部の防食構造として下記３案が考えられる。
［第１案］タンタル製ポンプ
図２に示すポンプ構造概念図において、接液部のフロント、リアケーシング、インペラー及び/又は回転シャフトにタンタルを用い、並びにその溶接材、スリーブ、ブッシング及び/又はスラストにセラミックスを用いた構造（高温高圧仕様のキャン構造となっており、稼動部の修理交換を容易にするため背面引出し方式を採用している）。

［第２案］セラミックス製ポンプ
図２に示すポンプ構造概念図において、すべて構造機器をセラミックス及びその接合材で構成する方法
［第３案］
図２に示すポンプ構造概念図において、接液部のフロント及びリアケーシング接液部側にポリシラザンを塗布し、450℃で焼結させクオーツ化した被膜をつけた構造
（イ）高温高圧仕様であること；120℃〜450℃×最高圧力3MPa
図２における圧肉キャン部(リアケーシング右端の部分)は、特に過電流ロスを低減するためマグネット間ギャップ及びこの部分のキャン部（図２中のマグネットを収容している部分）肉厚を最小にする設計を行なっている。
（ウ）有毒ガス・溶液に対してリークタイト構造であること
図２において、フロント及びリアケーシングを溶接・接合によりキャン構造とし、これらを高温耐食性Ｏリングで勘合・ネジ締め付け構造によりリークタイト構造となっている。
（エ）重液輸送仕様で長時間運転に耐えること
長時間運転のための回転シャフトとベアリング間の磨耗を無くした、タンタルないしセラミックス製シャフトとセラミックス製ベアリング（図２中のスラストリング及びブッシング部）構造
（オ）輸送溶液の温度制御失敗による溶液固化に対するポンプ自身の保全
図２に示す溶融ヨウ素の低温によるポンプ部品の固着を防ぐためのセラミックスヒータ内蔵及び溶融ヨウ素が固着する前にポンプ回転部から排出するためのタンタル製ドレイナージを有する構造

本発明のポンプの接液内部構造は、高融点金属、セラミックス等で構成されていること、ならびに重液輸送のための高トルクマグネットを採用しているメンテナンスフリーの無漏洩ポンプであることから、あらゆる輸送溶液に対応できるビーデューティ仕様である。そのため、宇宙・海洋・原子力等あらゆる分野の溶液輸送用ポンプとしての汎用性に富んでいる。

図2に示される耐食性マグネットカップリング式ポンプは、そのインペラー、その回転シャフト、フロント部、ドレイン部及びリアケーシング部をＴａで構成し、そのスラストリング、回転シャフトを支えるスリーブ、そのブッシュ及びカップリングキイをセラミック（ＳｉＣ）で構成している。上記リアケーシングに内蔵された回転シャフト、スリーブ及びカップリングキイ等を含む回転部は、インペラーを取り外すと、モーター側から引く出して修理できるビルトイン構造を採用している。

そのインペラーがマグネットにより高速回転されると、輸送重液を直径１６ｍｍの入口から吸い込み、直径１０ｍｍの出口から流出させる。重液がポンプ内部で固化した場合、その重液をセラミックヒーターで加熱し、軟化してドレインから排出させることができる。

上記カップリングキイとは、２つのブッシングをキイのバネ力を使って、ブッシング前後のスラストリングに押し付けるためのものであり、又スラストリングとは、インペラーが回転した際に回転軸方向にスラスト力が働き、回転軸を軸方向に動かそうとする力に対して、回転軸の位置ずれを防止するためのスぺーサーである。

図4のＨＩｘ循環試験装置は、主としてマグネットポンプ、内部ガラスライニングされた配管から構成されたＨＩｘ溶液循環系から構成されている。溶液がポンプにより循環され、配管内部に配置された腐食サンプルに循環接触される。その際、サンプルの腐食状態が計測用観察ポートから観測される。配管内を循環する溶液の状態は、高温耐食性圧力計、高温耐食性温度計及び超音波流量計を使用して計測される。

図３に示すタンタル製マグネットポンプ（タンタルを構造材料に用いた場合の表１の設計仕様に基づいたポンプ構造）を設計・試作し、図４（ポンプ性能を確認するためのHIx循環試験装置外観）に示すHIx循環試験装置により120℃のHIx（80wt.%I₂：10wt.%HI：10wt.%H₂O）溶液の循環試験に供した。その結果、循環装置内のHIx溶液の流速が図５に示すようにポンプ設定体積流量（設計値）に近い値を示した。図5は、ポンプを取り付け運転した際のHIx循環試験装置内直線配管部内のHIx循環溶液体積流速の計測データ（HIx溶液中のI2濃度を３レベルに変えた場合）を示す。

また、同じ性能仕様でポンプ内部構造を全てセラミックスにした場合の設計構造図を図6に示す。即ち、図６はセラミックス製マグネットカップリング式ポンプの構造概念図である。図６中のセラミックス接合の箇所は、０７，０９，１０及び１１のＯリング箇所である。

タンタル及びニオビウムの（80Wt.%I₂-10wt.%HI-9.9wt.%H₂O-0.1wt.%H₂SO₄）実液による120℃の腐食試験結果を示す図である。高温高圧仕様の耐食性マグネットカップリング式ポンプの構造概念図である。タンタル製マグネットカップリング式ポンプの設計書である。 HIx循環試験装置のレイアウトを示す図である。超音波流量計により計測した装置内HIx体積流量を示す図である。セラミックス製マグネットカップリング式ポンプの構造概念図である。

符号の説明

Ｇ：マグネットカップリング間ギャップ、ｔ１：リアーケーシング中マグネットカップリング間タンタル材厚み、ｔ２：リアーケーシングタンタル最大厚み
1：インペラー、２：ケーシング、３：ケーシングカバー、４：リアーカバー、４A：ヘキサゴンソケットヘッドキャップスクリュー、7: インペラーナット、７A:O-リング、7B:O−リング、８：シャフト、８A: カップリングキイ、8B：ドライブピン、8C：スリーブ、8D：O-リング、8E：O-リング、8F：O-リング、９：スリーブ、１５：フレイムアダプター、２０：マグネット、２１：マグネット、２９：スラストリング、３３：O-リング、３４：O-リング、４０：ピン、４０A：スリーブ、４５：ブッシュ、５１：プラグ、６１：セットスクリュー、６２：ヘキサゴンソケットヘッドキャップスクリュウー、６３：ヘッドボルト、６９：ネームプレート、１００：モーター、１０１：カップリングキイ、１０５：フランジ、５１A:O-リング
０1：ケーシング（ＳｉＮ：窒化珪素製部品）、０２：ケーシングカバー（ＳｉＮ）、０３：インペラー（ＳｉＮ）、０４：マグネットカバー（ＳｉＮ）、０５：スラスト軸受（ＳｉＮ）、０６: インナマグネット、０７:O-リング、０８：ガスケット、０９：O-リング、１０：O-リング、１１：O-リング、１２：スラスト軸受ボルト、１３：吐出しアダプタ、１４：０リング、１５：吐出しフランジ、１６：ケーシングリング、１７：吸込みアダプタ、１８：O-リング、１９：ケーシングボルト、２０：フランジ取付ボルト、２１：吸込フランジボルト、２２：吐出しフランジボルト、２３：電動機ユニット

Claims

インペラー、回転シャフト、回転シャフトを回転駆動するためのマグネット及び回転シャフトを支持するスリーブがポンプのリアケーシング中に設けられ、前記回転シャフトに結合したインペラーがポンプのフロントケーシング中に設けられており、濃硫酸、溶融ヨウ素及びヨウ化水素の混合重液（以下HIxと標記）を前記フロントケーシングの入口からインペラーにより吸引し、前記フロントケーシンの出口から放出させる高温高圧耐食性ポンプにおいて、
運転温度及び圧力が120℃〜450℃、常圧〜3MPaで、濃硫酸、溶融ヨウ素及びヨウ化水素の混合溶液を輸送できる前記ポンプ。
前記混合重液（密度4.0）の輸送のできる高出力マグネットカップリング式の請求項１記載のポンプ。
硫酸、溶融ヨウ素及びヨウ化水素の毒性混合重液の輸送時、この重液をポンプ外に漏らさない無漏洩構造として溶接によるビルトイン構造を有するマグネットカップリング式の請求項１又は請求項２記載のポンプ。
120℃以上の高温において高出力マグネットカップリングを実現させるためにマグネット材にNd₂Fe₁₄B（最高使用温度150℃）及びSmCo（最高使用温度450℃）を用いるマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のポンプ。
高温耐食性を確保するため、接液部のフロント、リアケーシング、インペラー及び回転シャフトにタンタルを用い、並びにその溶接材、スリーブ、ブッシング及びスラストにセラミックスを用いたマグネットカップリング式の請求項1乃至請求項４のいずれかに記載のポンプ。
溶融ヨウ素の低温によるポンプ部品への固着を防ぐためのセラミックスヒータを内蔵した請求項1乃至請求項５のいずれかに記載のポンプ。
溶融ヨウ素が固着する前にポンプのインペラー回転部から排出するためのタンタル製ドレイナージを備えた請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のポンプ。
長時間運転のための回転シャフトとべアリング間の磨耗を無くした、タンタル製シャフトとセラミックス製ベアリング構造を有するマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のポンプ。
水素脆化を防止するためタンタル材表面にプラチナをスポットで取り付けた（面積比1：1500以上）マグネットカップリング式の請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のポンプ。
ケーシングはフートサポート、背面引出し方、主配管を取り外すことなくポンプの分解・点検の行なえるイージーメンテナンスを保持する請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のポンプ。
リアケーシングのキャンロス（渦電流損）低減に、耐圧部に比電気抵抗の大きなHASC-C276（炭素鋼又はステンレス鋼）を採用し、接液部にはタンタルライニングを施したマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項１０記載のポンプ。
フロントケーシング（鋳造品SCS1：炭素鋼）、ケーシングカバー（鍛造品SUS-F410：ステンレス鋼）、リアケーシング（HASC-C276：炭素鋼又はステンレス鋼）にそれぞれタンタルライニングを施した安価なマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項１１記載のポンプ。
マグネットを収容しているリアケーシングキャン部の過電流による発熱メタル部の摺動摩擦による発熱、リアケーシング内でのカップリングによる液の攪拌熱によるポンプ各部の加熱及び液温上昇を防ぐための、内部セルフ循環方式を備えることにより、液を、インペラーの側面を通って回転シャフト側面、キャン部裏側を回ってポンプ出口液に再び合流させる請求項１乃至請求項12のいずれかに記載のポンプ。
高温耐食性を確保するため、接液部のフロントケーシング、リアケーシング、インペラー及び回転シャフトに反応焼結できる高強度セラミックスを用い、スリーブ、ブッシング及びスラストにセラミックスを用いたマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項13のいずれかに記載のポンプ。
反応焼結法により、SiCナノ粒子とナノ粉末で成形した構造体に1400℃真空中で溶融Siを流し込み焼結させた高強度セラミックスを使用する請求項１４に記載のポンプ。
焼結したセラミックス材接合面を接合するため、接合面にSiCナノ粒子とナノ粉末を塗布し、そこに1400℃真空中で溶融Siを流し込み焼結させた高強度セラミックスを用いる請求項１乃至請求項15のいずれかに記載のポンプ。
構造嵌め合い部に、テフロン（登録商標）製又はSUS304(ステンレス鋼)製リング表面に白金や金をコーティングしたＯ−リングを用いた高温仕様のマグネットカップリング式の請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載のポンプ。
ポンプ内部接液構造表面にポリシラザン（SiH₂NH）を塗布し、450℃でクオーツ化させ被覆した構造の請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載のポンプ。