JP2007239663A - 蒸気加減弁 - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性・耐摩耗性に加えて耐酸化性を向上させ、スリーブへの酸化スケールの生成を抑制することができる蒸気加減弁を提供する。
【解決手段】蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気加減弁において、スリーブ１０７ａと、このスリーブ１０７ａ内に挿入されてスリーブ１０７ａに対し進退して蒸気タービンへの蒸気流路２００の開度を調整する加減弁弁体１０５と、この加減弁弁体１０５と対向するスリーブ１０７ａの内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュ１０８ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸気タービンの蒸気流量を制御する蒸気加減弁に関する。

蒸気加減は蒸気タービンへの蒸気流路に配置され、蒸気流路の最小絞り部の弁座に対して加減弁弁体を進退させることで最小絞り部の間隙を変え、蒸気流路を流れる蒸気タービンへの蒸気流量を制御するものである。一般には、蒸気流路を開くとき加減弁弁体の上流側と下流側の圧力差を低減して加減弁弁体の初動負荷を軽減するため、加減弁弁体に設けたバイパス通路が子弁弁体によって開閉するように構成されている（特許文献１等参照）。

特開平１０−２９９４１３号公報

蒸気タービン用の蒸気加減弁は、例えば、蒸気圧力が２５ＭＰａ前後、温度が約５３８〜６００℃といった高温高圧下で使用され、起動から定格負荷までの弁前後の圧力比（Ｐ２／Ｐ１，Ｐ１：弁上流側圧力；Ｐ２：弁下流側圧力）は約０〜０．９５の範囲で変化する。その際、臨界圧力比（Ｐ２／Ｐ１＝０．５４６）以下では弁の最小絞り部における蒸気の流速は超音速にも達し、臨界圧力比以上でも亜音速になる。

このように加減弁はタービン要素機器の中で最も苛酷な条件下で使用されるため、高温高圧の蒸気流の中で加減弁弁体がスリーブに対して摺動することによってスリーブ内面は高温振動及び高温摩耗を受ける。また、スリーブは加減弁弁体との間に蒸気を流す流路としての間隙を確保するため、高温高圧の条件下で酸化スケールの生成を抑制しないようにする必要がある。よって、スリーブの内面には耐衝撃性・耐摩耗性に加えて耐酸化性が要求される。

これに対し、一般にはスリーブを加減弁弁体と同材質（例えば１２Ｃｒ）で形成し、スリーブ内面に窒化処理を施すことで、スリーブ内面の耐衝撃性及び耐摩耗性を改善している。しかし窒化処理では酸化スケール生成の抑制効果はなく、定期検査の度に加減弁弁体の外周面とともにスリーブ内周面の酸化スケールを除去しなければならないのが現状である。

本発明の目的は、耐衝撃性・耐摩耗性に加えて耐酸化性を向上させ、スリーブへの酸化スケールの生成を抑制することができる蒸気加減弁を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気加減弁において、スリーブと、このスリーブ内に挿入されて前記スリーブに対し進退して前記蒸気タービンへの蒸気流路の開度を調整する加減弁弁体と、この加減弁弁体と対向する前記スリーブの内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュとを備えることを特徴とする。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気加減弁において、スリーブと、このスリーブ内に挿入されて前記スリーブに対し進退して前記蒸気タービンへの蒸気流路の開度を調整するものであって、別途前記蒸気流路に連通するバイパス通路を有する加減弁弁体と、この加減弁弁体内に挿入されて前記加減弁弁体に対し進退して前記バイパス通路を開閉する子弁弁体と、前記加減弁弁体と対向する前記スリーブの内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュとを備えることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記ブッシュが前記スリーブに対して着脱可能であることを特徴とする。

（４）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記ブッシュと前記スリーブとを係止して前記ブッシュを前記スリーブに対して固定するリングを有することを特徴とする。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記リングは、前記スリーブ又は前記ブッシュに対してカシメ又はボルト締めによって固定されていることを特徴とする。

（６）上記（４）において、好ましくは、前記リングは、前記ブッシュと前記スリーブとを係止するキーの役割を果たす爪を有していることを特徴とする。

（７）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記スリーブは、外形が前記加減弁弁体の進退方向に沿って伸びるストレート形状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高温・高圧の運転条件下での耐衝撃性・耐摩耗性・耐酸化性を十分に確保することができるので、スリーブへの酸化スケールの生成を抑制することができ、加減弁弁体との高い摺動性を確保することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る蒸気加減弁の要部構成を表す断面図である。
図１において、本実施の形態に係る蒸気加減弁は、スリーブ（スリーブ母材）１０７ａと、このスリーブ１０７ａ内に挿入されてスリーブ１０７ａに対し進退して蒸気タービン（図示せず）への蒸気流路２００の開度を調整するものであって別途蒸気流路２００に連通するバイパス通路となる開口１１０を有する加減弁弁体（親弁弁体）１０５と、この加減弁弁体１０５内に挿入されて加減弁弁体１０５に対し進退して開口１１０を開閉する子弁弁体１１１と、スリーブ１０７ａの加減弁弁体１０５と対向する内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュ１０８ａと、ブッシュ１０８ａとスリーブ１０７ａとを係止してブッシュ１０８ａをスリーブ１０７ａに対して固定するリング１０９ａとを備えている。

スリーブ１０７ａは加減弁弁体１０５の周囲を取り囲むようにして固定的に設置されており、加減弁弁体１０５はスリーブ１０７ａ内で摺動する。このスリーブ１０７ａは、上流側の主蒸気止め弁（図示せず）を通過して流入してきた蒸気が直接加減弁弁体１０５に衝突し、その蒸気の流れによって加減弁弁体１０５が振動することを防ぐ役割を担っている。

またスリーブ１０７ａの内周部には、ブッシュ１０８ａや加減弁弁体１０５よりも上部側（蒸気流路２００と反対側）に加減弁スタンド１０１が挿入されており、この加減弁スタンド１０１の中心部には弁棒１０３が通されている。スリーブ１０７ａは加減弁スタンド１０１に嵌入されており、ピン１０２によって径方向外側から加減弁スタンド１０１に固定されている。このようにスリーブ１０７ａを加減弁スタンド１０１に締り嵌めで固定しピン１０２で係止することによって運転中に加減弁弁体１０５の摺動による振動及び摩擦によってスリーブ１０７ａが加減弁スタンド１０１から抜け出ることを防止する。

なお、加減弁スタンド１０１をスリーブ１０７ａに組み付けた後、加減弁スタンド１０１の内側に挿入された弁棒ブッシュ（図示せず）とスリーブ１０７ａに組み込まれるブッシュ１０８ａの同芯度を調整加工する。また、スリーブ１０７ａの材質は、加減弁スタンド１０１の材質と同材質または線膨張係数が近い材質とすることにより、組立時に設定された加減弁スタンド１０１とスリーブ１０７ａとの締め代が運転中でも維持される。上記したブッシュ１０８ａは、スリーブ１０７ａの内側に挿入されて加減弁弁体１０５との摺動面として用いられるが、このブッシュ１０８ａの材質にはＮｉ基合金鋼等のＮｉ合金又はＣｏ基合金鋼等のＣｏ合金を用いる。

スリーブ１０７ａの内側にはブッシュ１０８ａ及びリング１０９ａを挿入するための溝１１２が設けられている。この溝１１２の先端部にはリング１０９ａを抱え込むカシメ溝１１３が設けられており、このカシメ溝１１３に嵌入されることによってリング１０９ａがスリーブ１０７ａ及びブッシュ１０８ａに対して抜けないようになっている。リング１０９ａを取外すことにより、ブッシュ１０８ａはスリーブ１０７ａに対して着脱可能である。

また、スリーブ１０７ａは、概略円筒形状をしており、加減弁弁体１０５の進退方向（図１中の上下方向）に沿って外形が伸びるストレート形状に形成されている。そのため、運転時のスリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａとの熱伸び差を軸方向（加減弁弁体１０５の進退方向）に均一化することができ、スリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａの互いの接触面間に発生する内部応力も軸方向に均一化することができる。これによって運転中のスリーブ１０７ａの変形が設計的に把握し易いものとなる。

図２は図１中のＡ部を拡大して模式的に表す分解斜視図である。
この図２に示すように、リング１０９ａはスリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａ間に作られた溝部に設置されてスリーブ１０７ａのカシメ溝１１３によって固定される構造となっており、これによりブッシュ１０８ａの抜け出し防止の役割を担っている。またリング１０９ａには、ブッシュ１０８ａとスリーブ１０７ａとを係止するキーの役割を果たす爪１０９ｂが設けられている。さらに、溝１１２とブッシュ１０８ａの互いの対向面にスリーブ溝部１０７ｂとブッシュ溝部１０８ｂが設けられており、これら両溝部１０７ｂ，１０８ｂからなる合せ溝に先の爪１０９ｂが挿入されて係合している。このように爪１０９ｂが係合してブッシュ１０８ａとスリーブ１０７ａの相対位置が固定されることが、弁棒１０３との同心度を確保するためのブッシュ１０８ａの内径の調整加工や運転中の振動によるブッシュ１０８ａの回転防止に有益に作用している。

したがって、ブッシュ１０８ａをスリーブ１０７ａに対して締り嵌め構造にしなくても爪１０９ｂによってブッシュ１０８ａをスリーブ１０７ａに対して固定できるので、組立時にはブッシュ１０８ａとスリーブ１０７ａとの間隙を設定しながらブッシュ１０８ａをスリーブ１０７ａに固定することが可能となり、運転時のスリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａの接触面間に生じる内部応力が軽減される。リング１０９ａはスリーブ１０７ａとカシメ構造により固定されているため、リング材質はスリーブ１０７ａと同材質にして部品間の熱伸び差を抑えることが好ましい。

図１に戻り、前述した子弁弁体１１１は弁棒１０３の先端部を構成するものである。また、加減弁弁体１０５、加減弁スタンド１０１、スリーブ１０７ａで囲われた空間はバランスチャンバー１０４を構成する。バランスチャンバー１０４には加減弁弁体１０５とブッシュ１０８ａの間の間隙を介してスリーブ１０７ａ外の蒸気が導かれるが、バランスチャンバー１０４内の蒸気は加減弁スタンド１０１に設けられた抽気流路である弁棒リーク（図示せず）によって図示しない高温再熱管やグランド蒸気系統に抽気され、これによりバランスチャンバー１０４内の圧力は減圧される。よって、スリーブ１０７ａ（厳密にはブッシュ１０８ａ）と加減弁弁体１０５間の間隙を設定することにより、蒸気加減弁全閉時に加減弁弁体１０５に生じる加減弁上流と加減弁下流との圧力差がバランスチャンバー１０４内で緩和される。

なお、弁棒１０３の外周部と加減弁弁体１０５の内周部には突起部１１５，１１６がそれぞれ設けられており、弁棒１０３が引き上げられた場合にこれら突起部１１５，１１６が係止して加減弁弁体１０５が弁棒１０３とともに上昇する。このとき、開口１１０が開放された場合にバランスチャンバー１０４が蒸気流路２００に連通するように、突起部１１５，１１６の少なくともいずれかにバランスチャンバー１０４の蒸気を子弁弁体１１１側に流通させる流路（図示せず）が設けられている。

次に上記構成の蒸気加減弁の動作及び作用を説明する。
加減弁弁体１０５が蒸気流路２００の弁座２０１に着座しているとき、蒸気流の圧力差に起因する力が加減弁弁体１０５に対して閉方向に作用するが、図示しない駆動装置によって弁棒１０３が開口１１０の弁座１１４から離間すると、開口１１０を介してバランスチャンバー１０４が蒸気流路２００に連通し加減弁弁体１０５の上流側と下流側の圧力差が減少する。この状態でさらに弁棒１０３を引き上げると突起部１１５，１１６が係止し、加減弁弁体１０５が弁棒１０３とともに上昇する。加減弁弁体１０５が蒸気流路２００の弁座２０１から離間すると、蒸気流路２００が開放されその開度によって蒸気タービンへの蒸気流量が調整される。このような構成を採ることにより、加減弁弁体１０５に対して閉方向にかかる力が軽減され、加減弁弁体１０５の開放動作の初動負荷が軽減される。

ここで、図３は一般的な蒸気加減弁の要部構成を比較例として表す断面図である。
この図において、図１に示した各部と同様の役割を果たす部分には同符号を付して説明を省略する。
図３に示した蒸気加減弁は、加減弁弁体１０５の周りを取り囲むようにスリーブ１０６が設置され、加減弁弁体１０５はこのスリーブ１０６内で摺動する。スリーブ１０６は、外形が先端に近付くに連れて細くなるように形成されている。また、スリーブ１０６の内周面にはブッシュが配されておらず、ブッシュを取り付けるための溝もスリーブ１０６の内側には設けられていない。

このような蒸気加減弁では、高温・高圧の蒸気流れの中で加減弁弁体１０５が摺動することにより、スリーブ１０６の内面は高温振動及び高温摩耗を受ける。そこで、スリーブ１０６の材質に１２Ｃｒ鋼等を用いて内面を窒化処理することで表面硬さを向上させ、スリーブ１０６の内面の耐衝撃性及び耐摩耗性を改善してある。

しかしながら、加減弁弁体１０５との間隙を確保するため、高温・高圧の条件下においてスリーブ１０６の内面に酸化スケールが生成することを抑制する必要がある。窒化処理では酸化スケール生成の抑制効果はなく、図３のような蒸気加減弁では、加減弁弁体１０５とスリーブ１０６との間隙を確保するため、定期検査毎に加減弁弁体１０５の外面とともにスリーブ１０６の内面の酸化スケールを除去しなければならない。

今後の発電プラントでは運転温度及び圧力の上昇、定期検査周期の延長が要求される。そのため、加減弁弁体の摺動面には、耐衝撃性・耐摩耗性に加えて耐酸化性を十分に備えていることが求められる。

それに対し、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施の形態では、スリーブ１０７ａの内側にブッシュ１０８ａを挿入し、このブッシュ１０８ａを加減弁弁体１０５との摺動面としている。そして、ブッシュ１０８ａの材質にＣｏ合金やＮｉ合金など耐衝撃性・耐摩耗性・耐酸化性の高い特性を持った材料を使用することにより、運転時の高温・高圧条件下における加減弁弁体１０５との摺動特性を向上させることが可能となる。

また、スリーブ１０７ａと別部品にすることにより、加減弁弁体１０５の摺動によってブッシュ１０８ａが摩耗し減肉した場合でも、定期検査時にブッシュ１０８ａのみを交換すれば足り、コスト低減及び工期短縮の効果が得られる。

また、リング１０９ａに爪１０９ｂを設けたことにより、運転時にスリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａの熱伸び差に起因して発生する内部発生応力を軽減することができる。すなわち、ブッシュ１０８ａの材質であるＮｉ合金やＣｏ合金は、現在一般にスリーブ材質に使用されている１２Ｃｒ鋼や今後高温条件でスリーブに使用されことが予想される９Ｃｒ鋼に比べて線膨張係数大きいため、高温条件下ではブッシュ１０８ａとスリーブ１０７ａの接触面に作用する内部応力が増大する。これは、ブッシュ１０８ａの外径を予め調整加工しておきスリーブ１０７ａとの締め代または間隙を設定することで軽減することが可能である。その際、最高温時をピークに熱伸び差によって締め代が減少しスリーブ１０７ａに対するブッシュ１０８ａの固定力が低下しても、スリーブ１０７ａとブッシュ１０８ａとが爪１０９ｂによって確実に係止されるので、ブッシュ１０８ａの内径調整加工時等においてもブッシュ１０８ａの回転を確実に防止することができる。

ここで、先に図３に示した比較例においてスリーブ１０６の耐酸化性を向上させる方策を考えると、例えば、スリーブ１０６全体をＮｉ合金やＣｏ合金等の耐酸化特性の高い材質に変更する方法、或いは加減弁弁体１０５の摺動面となるスリーブ１０６の内面のみにＮｉ合金やＣｏ合金等の耐酸化特性の高い材質をコーティングする方法がある。しかしながら、これらの方法には次のような技術的課題が存在する。

まず、スリーブ１０６そのものをＮｉ合金又はＣｏ合金に材質変更する場合について考える。
蒸気加減弁では、組立時及び運転時の加減弁弁体１０５との間隙寸法、及び加減弁スタンド１０１との締代寸法の両方を同時に確保しなければならない。しかし、Ｎｉ合金やＣｏ合金は加減弁スタンド１０１や加減弁弁体１０５の材質に比べて線膨張係数が大きく、加減弁スタンド１０１や加減弁弁体１０５との組立時及び運転時の熱伸びに対する取合寸法の設計が困難である。また、この取合い寸法に対する問題を解決するため、加減弁弁体１０５や加減弁スタンド１０１もＮｉ合金やＣｏ合金に材質変更した場合、これら材質が高級材であることから材料コストが高騰し、同時に難削材でもあることから製作コストの高騰にも繋がる。

次に、スリーブ１０６の内面のみをＮｉ合金やＣｏ合金でをコーティングする場合、施工方法としては、Ｎｉ合金やＣｏ合金の溶接・溶射・メッキ等が挙げられる。

溶接の場合、施工時の温度が材料の溶融点にまで上昇するため、スリーブ１０６及び耐酸化材（Ｎｉ合金又はＣｏ合金）に溶接による残留応力が発生する。この残留応力は運転時の温度上昇によって徐々に緩和されるため、加減弁弁体１０５とスリーブ１０６の内面との間隙に変化が生じ易く間隙値の寸法管理が困難である。

溶射の場合、溶射皮膜とスリーブ１０６との密着性が溶接に比べて劣るため耐衝撃性や耐摩耗性が低下する。また、溶射するための装置の制限により内径の小さなスリーブの内面への施工は、それ自体が困難である。

メッキの場合、施工に伴って対象物の形状に制限がなく比較的安価に施工することができるが、溶接や溶射に比べ密着性が更に劣るため、耐衝撃性や耐摩耗性がより低下する。

それに対し本発明では、Ｎｉ合金又はＣｏ合金等の酸化スケール生成を抑制する材質を用いたブッシュを別部材としてスリーブの摺動部に組み込むことにより、上記のような溶射やメッキ等の密着性や溶接による残留応力等の技術的課題を解決している。各部品の寸法管理に際し、ブッシュ及びスリーブ、並びにブッシュ及び加減弁弁体のみの取合寸法に対して運転時の熱伸びを考慮すれば足りることも設計上の大きなメリットである。また、単にスリーブの内側にＮｉ合金やＣｏ合金のブッシュを設けるだけの簡素な構成であるため、既存の加減弁弁体及び加減弁スタンドをそのまま使用しながら、耐衝撃性、耐摩耗性及び耐酸化性を向上させることが可能である。

なお、以上において、リング１０９ａの固定方法をカシメ構造とした場合を例に挙げて説明したが、カシメ構造では交換時にカシメ溝を追い込み加工することが必要となるため、スリーブ１０７ａ及びブッシュ１０８ａの軸方向長さがブッシュ交換の度にカシメ溝加工分短縮される。これを解消するため、リング１０９ａとスリーブ１０７ａとの固定方法をボルト締め方式又はピン止め方式に変更することも考えられる。この場合、ボルトやピンにカシメや溶接等を施工して、抜け止め防止対策を実施する必要がある。

本発明の一実施の形態に係る蒸気加減弁の要部構成を表す断面図である。 図１中のＡ部を拡大して模式的に表す分解斜視図である。 一般的な蒸気加減弁の要部構成を比較例として表す断面図である。

符号の説明

１０５ 加減弁弁体
１０７ａ スリーブ
１０８ａ ブッシュ
１０９ａ リング
１０９ｂ 爪
１１０ 開口
１１１ 子弁弁体
２００ 蒸気流路

Claims (7)

1. 蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気加減弁において、
   スリーブと、
   このスリーブ内に挿入されて前記スリーブに対し進退して前記蒸気タービンへの蒸気流路の開度を調整する加減弁弁体と、
   この加減弁弁体と対向する前記スリーブの内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュと
   を備えたことを特徴とする蒸気加減弁。
2. 蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気加減弁において、
   スリーブと、
   このスリーブ内に挿入されて前記スリーブに対し進退して前記蒸気タービンへの蒸気流路の開度を調整するものであって、別途前記蒸気流路に連通するバイパス通路を有する加減弁弁体と、
   この加減弁弁体内に挿入されて前記加減弁弁体に対し進退して前記バイパス通路を開閉する子弁弁体と、
   前記加減弁弁体と対向する前記スリーブの内周面に取り付けられ、ニッケル合金又はコバルト合金で形成されたブッシュと
   を備えたことを特徴とする蒸気加減弁。
3. 請求項１又は２の蒸気加減弁において、前記ブッシュが前記スリーブに対して着脱可能であることを特徴とする蒸気加減弁。
4. 請求項１又は２の蒸気加減弁において、前記ブッシュと前記スリーブとを係止して前記ブッシュを前記スリーブに対して固定するリングを有することを特徴とする蒸気加減弁。
5. 請求項４の蒸気加減弁において、前記リングは、前記スリーブ又は前記ブッシュに対してカシメ又はボルト締めによって固定されていることを特徴とする蒸気加減弁。
6. 請求項４の蒸気加減弁において、前記リングは、前記ブッシュと前記スリーブとを係止するキーの役割を果たす爪を有していることを特徴とする蒸気加減弁。
7. 請求項１又は２の蒸気加減弁において、前記スリーブは、外形が前記加減弁弁体の進退方向に沿って伸びるストレート形状に形成されていることを特徴とする蒸気加減弁。

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