JP2013185220A - 蒸気用配管 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴衝撃エロージョンによる減肉を抑制でき、施工性にも優れた蒸気用配管を提供する。
【解決手段】本発明の蒸気用配管は、配管１１の内面にアルミ拡散浸透層を介して形成されたアルミナ層を有する保護層１２が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気用配管に関するものである。

蒸気系の配管では、ドレン配管や蒸気輸送配管のオリフィス下流部において高速な液滴が形成される。発生した液滴は高速で管壁に衝突するため、衝撃により配管にエロージョン（液滴衝撃エロージョン）が生じる。このようなエロージョンに対する対策としては、従来用いられてきた炭素鋼の配管を、耐エロージョン性の高い合金鋼やステンレス鋼の配管に取り替えることがなされている。また、タービンブレードなどの耐エロージョン性を高めるために、アルミナ溶射によるコーティングを施すことも知られている（特許文献１，２参照）。

特開平７−１１４１６号公報 特開平９−２７９３６４号公報

しかし、蒸気系の配管において液滴衝撃エロージョンが生じやすい部位は、流速が大きくなる小径の配管が使用されている部位や、蒸気流が衝突する曲がり部である。これらの小径の配管や、配管の曲がり部には、特許文献１，２記載のアルミナ溶射による施工が極めて困難であった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、液滴衝撃エロージョンによる減肉を抑制でき、施工性にも優れた蒸気用配管を提供することを目的としている。

本発明の蒸気用配管は、配管内面にアルミ拡散浸透層を介して形成されたアルミナ層を有する保護層が設けられていることを特徴とする。
本発明の蒸気用配管は、配管内面に、クロム拡散浸透層を介して形成されたクロム化合物層を有する保護層が設けられていることを特徴とする。
本発明の蒸気用配管は、配管内面に、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき層を有する保護層が設けられていることを特徴とする。
本発明の蒸気用配管は、配管内面に、窒素拡散層を介して形成された窒化物層を有する保護層が設けられていることを特徴とする。

上記構成の蒸気用配管によれば、配管内面に上記材質の保護層を形成したことで、液滴衝撃エロージョンに対する優れた耐久性が得られる。また上記の保護層は、粉末に埋没した状態での加熱処理や、液相処理によって形成することができる。したがって、従来溶射処理では被膜形成が不可能であった小径の配管や、エルボ継手などの屈曲形状の配管であっても容易に保護層を施工することができる。

前記配管の内径が６０ｍｍ以下である構成としてもよい。
前記保護層が、配管屈曲部に設けられている構成としてもよい。
前記保護層が、オリフィスから下流側１００ｍｍ以内の範囲に設けられている構成としてもよい。

本発明によれば、液滴衝撃エロージョンによる減肉を抑制でき、施工性にも優れた蒸気用配管が提供される。

実施形態の蒸気用配管の部分断面図。 実施形態の蒸気用配管を適用できる蒸気配管構造を示す断面図。 耐エロージョン性評価に用いたウォータージェット装置を示す図。 実施例において試験時間に対する損傷深さをプロットしたグラフ。

以下、蒸気用配管の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態の蒸気用配管の部分断面図である。
蒸気用配管１０は、図１に示すように、配管１１と、配管１１の内面に形成された保護層１２とを備えている。蒸気用配管１０は、蒸気ボイラーなどで生成した蒸気を需要部へ搬送するための蒸気配管構造を構成する配管や継手に用いられる。

配管１１は、例えば炭素鋼や合金鋼、ステンレス鋼からなる。配管１１の材質は、蒸気用配管１０の用途などに応じて選択することができる。配管１１の形状は特に限定されないが、液滴衝撃エロージョンが生じやすい小口径の配管や、エルボ継手、曲げ管などに好ましく適用することができる。

保護層１２は、アルミニウム拡散浸透処理により形成されたアルミナ層、クロム拡散浸透処理により形成されたクロム化合物層、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき層、及び窒化処理により形成された窒化物層のいずれかからなる。本実施形態において、保護層１２は、配管１１と別体の被膜として形成されていてもよく、配管１１の表面に物質を拡散させて形成した層であってもよい。なお、保護層１２としては上記に挙げた４種類のそれぞれを単独で用いてもよいし、必要に応じて上記以外の層を積層してもよい。

保護層１２がアルミナ層である場合、アルミニウム拡散浸透処理を用いて形成される。本実施形態におけるアルミニウム拡散浸透処理は、アルミニウムを鋼材表面に拡散浸透させながら表面にアルミナ層を形成する処理である。例えば、被処理物である配管１１を、容器内でアルミナ粉末と塩化アンモニウム粉末（処理剤）を含む混合粉末に埋没させ、９００℃〜１１００℃程度の温度条件で、所定時間（例えば２４時間）加熱する。これにより、配管１１の表面にアルミニウムが拡散してアルミニウム拡散浸透層が形成される。また、アルミニウム拡散浸透層の表層部分のアルミニウムが酸化されることにより、アルミニウム拡散浸透層上にアルミナ層（保護層１２）が形成される。

保護層１２がクロム化合物層である場合、クロム拡散浸透処理を用いて形成される。クロム拡散浸透処理では、例えば、被処理物である配管１１を、容器内でクロム粉末と塩化アンモニウム粉末（処理剤）を含む混合粉末に埋没させるとともに容器内を水素ガス雰囲気とし、９００℃〜１１００℃程度の温度条件で、所定時間（例えば２４時間）加熱する。これにより、配管１１の表面にクロムが拡散してクロム拡散浸透層が形成される。また、クロム拡散浸透層上に、例えば鉄クロム炭化物からなるクロム化合物層（保護層１２）が形成される。形成されるクロム化合物層の組成は、配管１１の組成に応じたものとなる。

保護層１２がＮｉ−Ｐ−Ｂめっき層である場合、公知のめっき処理により形成することができる。すなわち、ニッケルイオンを含む次亜リン酸及びジメチルアミンボランの水溶液に被処理物である配管１１を浸漬する。上記の水溶液中の還元剤の酸化によって放出される電子により、ニッケルイオン、次亜リン酸、ジメチルアミンボランが還元される。これにより、配管１１の表面にリンとホウ素を含むＮｉ被膜が析出し、保護層１２としてのＮｉ−Ｐ−Ｂめっき層が形成される。

保護層１２が窒化物層である場合、公知の鋼材の窒化処理により形成することができる。すなわち、アルカリ金属のシアン酸化物及び炭酸塩を主成分とした塩浴中に被処理物である配管１１を浸漬し、６００℃前後の温度に保持する。これにより、配管１１の表面に窒化鉄層（窒化物層、保護層１２）が形成されるとともに、配管１１の表層部にも窒素が拡散して窒素拡散層が形成される。窒化処理としては、窒素ガスやアンモニアガスを用いた気相処理を用いてもよい。

図２は、本実施形態の蒸気用配管１０を適用できる蒸気配管構造を示す断面図である。
図２（ａ）に示す蒸気配管構造１００は、２本の蒸気用配管１０１、１０２の間に、オリフィス１０３が介挿された構造である。図２（ｂ）に示す蒸気配管構造１１０は、２本の蒸気用配管１０４、１０５を、９０°エルボ継手１０６を介して接続した構造である。

まず、図２（ａ）に示す蒸気配管構造１００のように、配管構造中にオリフィス１０３が設けられている場合、オリフィス１０３の縮径された流路から蒸気用配管１０２へ流入するときに圧力が低下する。これにより、蒸気用配管１０２に流入する蒸気中に高速で移動する液滴が形成される。形成された液滴は、蒸気用配管１０２の入口で管の径方向に広がる蒸気流によって蒸気用配管１０２の内壁に衝突する。この液滴の衝突により蒸気用配管１０２に減肉（液滴衝撃エロージョン）が生じる。

また、オリフィス１０３の下流部における液滴衝撃エロージョンは、図２（ａ）に示すように、オリフィス１０３から若干離れた位置の蒸気用配管１０２の内壁面Ｅ１において生じやすい。液滴衝撃エロージョンが生じる位置は、配管内径や蒸気の流速、オリフィスの形状によって異なるが、通常の蒸気配管構造であれば、オリフィス下流端から１００ｍｍ以下の範囲に形成される。

一方、図２（ｂ）に示す蒸気配管構造１１０のように、エルボ継手（配管屈曲部）１０６を用いて蒸気流を折り曲げる場合には、蒸気用配管１０４からエルボ継手１０６に流入する蒸気流の正面方向となるエルボ継手１０６の内壁面Ｅ２において液滴衝撃エロージョンが生じやすい。

エルボ継手１０６における液滴衝撃エロージョンは、内壁面Ｅ２に対して蒸気流に含まれる液滴がほぼ正面から衝突することと、蒸気流の曲がり角においてオリフィスと同様の蒸気流の縮径が生じ、エルボ継手１０６の径方向外周部において圧力が低下することにより液滴が生じやすいことに起因すると考えられる。なお、上記現象はエルボ継手１０６を用いない曲げ管においても同様である。

また、図２に例示した構造において、配管内径が小さい場合には液滴衝撃エロージョンが生じやすい。配管内径が大きい場合と比較して蒸気の速度が大きくなりやすいためであると考えられる。また小径の配管の場合には、溶射処理による保護層の施工がしにくく、特に配管内径が６０ｍｍ以下のものでは、ほとんど施工が不可能である。

本実施形態の蒸気用配管１０は、図２に示した蒸気配管構造１００、１１０を構成する蒸気用配管１０１、１０２、１０４、１０５、オリフィス１０３、及びエルボ継手１０６に適用することができる。そして、本実施形態の蒸気用配管１０では、配管１１の内面に保護層１２が形成されていることで、配管内を高速で飛翔する液滴が内壁面に衝突したときにも配管１１（蒸気用配管１０１、１０２、１０４、１０５、オリフィス１０３、及びエルボ継手１０６）を効果的に保護することができる。

本実施形態の蒸気用配管１０が良好な耐エロージョン性を備えているのは、保護層１２を構成するアルミナ層、クロム化合物層、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき層、及び窒化物層が、硬度に優れるとともに靱性にも優れた被膜であることによると考えられる。すなわち、本実施形態の保護層１２は、高速で繰り返し入射する液滴の衝撃によるクラックの発生や進展を抑制することができる。これにより、液滴衝撃エロージョンの発生を抑え、信頼性に優れた蒸気配管構造を構成することができる。

また本実施形態の蒸気用配管１０において用いられる保護層１２は、粉末に埋没した状態での加熱処理や、液相処理によって形成することができる。したがって、従来溶射処理では被膜形成が不可能であった小径の配管（φ６０ｍｍ以下の配管）や、エルボ継手などの屈曲形状の配管であっても容易に保護層１２を施工することができる。

本実施形態において、保護層１２は、配管１１内面の全体に形成してもよく、一部にのみ形成してもよい。例えば、液滴衝撃エロージョンが特に生じやすいエルボ継手１０６の内面にのみ形成してもよく、オリフィス１０３の下流側の蒸気用配管１０２の内面にのみ形成してもよい。さらに、オリフィス下流端から１００ｍｍ以下の範囲にのみ保護層１２を形成してもよい。

以下、実施例により本実施形態の蒸気用配管についてさらに詳細に説明する。

本実施例では、呼び径５０ＡのＳＴＰＡ２３配管（クロムモリブデン鋼鋼管）の内面に、複数種類の保護層を形成し、それらについて液滴衝撃エロージョンに対する耐久性を評価した。本実施例では、以下に示す５種類の試験片を用意し、試験及び評価に供した。

試料１のアルミナ層は、アルミナ粉末と塩化アンモニウム粉末の混合粉末中に試験片を埋没させた状態で９００℃、２４時間の加熱を行うことにより形成した。なお、当該試験片をＥＤＸ分析したところ、アルミナ層と基材（ＳＴＰＡ２３）との界面に、Ａｌ−Ｆｅ−Ｃ金属間化合物層（アルミニウム拡散浸透層）が形成されていることが確認された。

試料２のクロム化合物層は、クロム粉末と塩化アンモニウム粉末の混合粉末中に試験片を埋没させた状態でＨ_２雰囲気に保持し、９００℃、２４時間の加熱を行うことにより形成した。基材（ＳＴＰＡ２３）の表層部にクロムが拡散して形成されたクロム拡散浸透層が形成されており、このクロム拡散浸透層上に鉄クロム炭化物層（クロム化合物層）が形成されていることが確認された。

試料３の窒化物層は、アルカリ金属のシアン酸化物及び炭酸塩を主成分とした塩浴中に試験片を浸漬し、６００℃に保持することで形成した。形成された窒化物層は、基材（ＳＴＰＡ２３）の鉄が窒化された窒化鉄層であった。また、表面の窒化鉄層の下層側に、基材中に窒素が拡散した窒素拡散層が形成されていた。

試料４のＮｉ−Ｐ−Ｂめっき層は、試験片をめっき液（ニッケルイオンを含む次亜リン酸及びジメチルアミンボランの水溶液）に浸漬することで形成した。

図３は、耐エロージョン性評価に用いたウォータージェット装置２００を示す図である。ウォータージェット装置２００は、ノズル２０１と、ノズル２０１を支持するノズル支持部２０２と、試験片Ｓを支持するステージ部２０３とを備えている。ノズル２０１には、図示略のポンプから水Ｗが圧送される。ノズル２０１の図示下面には、直径０．４ｍｍのノズル開口部が形成されている。ノズル２０１内に圧送された水Ｗは、ノズル開口部からウォータージェットＷＪとして噴射される。ウォータージェットＷＪは、試験片Ｓの表面に所定角度（例えば９０°）で入射するように噴射される。

本実施例では、ウォータージェット装置２００における噴射圧力を３０ＭＰａ、試験時間を１秒〜５４００秒、ノズル２０１から試験片Ｓの表面までの試験距離Ｄを２００ｍｍ、ウォータージェットＷＪの試験片Ｓの表面に対する角度は９０°とした。試験片Ｓに対する液滴衝突速度は１４８ｍ／ｓであった。

各試料の評価は、ウォータージェット装置２００による試験片Ｓの表面損傷試験の後、金属顕微鏡の焦点深度により損傷深さを測定し、試験時間に対する損傷深さを求めることにより行った。

図４は、試料１〜４及び対照試料について、試験時間に対する損傷深さをプロットしたグラフである。
図４に示すように、保護層を形成した試料１〜４の試験片では、試験時間に対する損傷深さの上昇度（損傷深さ速度）の傾きが小さくなっている。すなわち、保護層を形成していない対照試料のＳＴＰＡ２３に対して、ウォータージェットによる損傷の進行が遅くなっていることが確認された。

特に、試料１のアルミニウム拡散浸透処理によりアルミナ層を形成した試験片における損傷深さ速度は０．２２μｍ／ｓであり、対照試料の損傷深さ速度９．７μｍ／ｓの４４分の１程度にまで低下した。また、試料３の窒化処理により窒化物層を形成した試験片では損傷深さ速度は０．８９μｍ／ｓであり、対照試料に対して損傷深さ速度が１０分の１程度にまで低下した。これらの材質を保護層として用いることで液滴衝撃エロージョンに対する耐久性が著しく向上することが確認された。

１０，１０１，１０２，１０４，１０５…蒸気用配管、１１…配管、１２…保護層、１０３…オリフィス、１０６…エルボ継手（配管屈曲部）

Claims (7)

1. 配管内面にアルミ拡散浸透層を介して形成されたアルミナ層を有する保護層が設けられていることを特徴とする蒸気用配管。
2. 配管内面に、クロム拡散浸透層を介して形成されたクロム化合物層を有する保護層が設けられていることを特徴とする蒸気用配管。
3. 配管内面に、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき層を有する保護層が設けられていることを特徴とする蒸気用配管。
4. 配管内面に、窒素拡散層を介して形成された窒化物層を有する保護層が設けられていることを特徴とする蒸気用配管。
5. 前記配管の内径が６０ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸気用配管。
6. 前記保護層が、配管屈曲部に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の蒸気用配管。
7. 前記保護層が、オリフィスから下流側１００ｍｍ以内の範囲に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の蒸気用配管。

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