JP2017025781A - Geothermal steam turbine nozzle and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a geothermal steam turbine which: can be used for a long period by improving corrosion resistance of a geothermal turbine nozzle, reducing scale attaching to and accumulating on the nozzle and enhancing scale removal performance to peel attached scale; and can have a long service life.SOLUTION: A geothermal steam turbine nozzle comprises a covering layer containing a resin material with ceramic particles dispersed therein at least at a portion of a contact site between a geothermal steam turbine nozzle and geothermal fluid. The covering layer has a gradient composition of the ceramic particles with a content rate thereof gradually decreased with increasing depth from a surface section to a deep section.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明の実施形態は、地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a geothermal steam turbine nozzle and a method for manufacturing the same.

地熱蒸気タービンは、地下のマグマによって加熱された蒸気(地熱蒸気)を、井戸を掘削して地上に導き出し、この蒸気を直接タービンに導入して作動流体とし、回転力を得るようにしたものである。   A geothermal steam turbine is a system in which steam (geothermal steam) heated by underground magma is led to the ground by drilling a well, and this steam is directly introduced into the turbine to become a working fluid to obtain rotational force. is there.

図1は、代表的な地熱蒸気タービンの概要を示すものである。
図1の地熱蒸気タービン1において、蒸気入口2から地熱蒸気として地熱蒸気タービン1に導入された地熱エネルギーは、地熱蒸気がタービン静翼3(タービンノズル30)とタービン動翼4とからなるタービン段落を通って膨張することによって、速度エネルギーに変換され、この速度をもった地熱蒸気がタービン動翼4に作用して、このタービン動翼4が植設されたタービンロータ軸5を回転させる力を発生させる。その後、蒸気は、蒸気出口6から排出される。
FIG. 1 shows an outline of a typical geothermal steam turbine.
In the geothermal steam turbine 1 of FIG. 1, the geothermal energy introduced into the geothermal steam turbine 1 as geothermal steam from the steam inlet 2 is a turbine stage in which the geothermal steam is composed of the turbine stationary blade 3 (turbine nozzle 30) and the turbine rotor blade 4. Is expanded into velocity energy, and the geothermal steam having this velocity acts on the turbine blade 4 to generate a force for rotating the turbine rotor shaft 5 in which the turbine blade 4 is implanted. generate. Thereafter, the steam is discharged from the steam outlet 6.

一般的に、地熱蒸気は、地下水がマグマ等の地熱によって加熱されて発生する性質上、蒸気中に硫化水素、塩分などの腐食性成分や、シリカ、カルシウムなどのスケール成分、更には砂、泥、酸化鉄などの固体粒子を含んでいる。   In general, geothermal steam is generated when groundwater is heated by geothermal heat such as magma, so it contains corrosive components such as hydrogen sulfide and salt, scale components such as silica and calcium, and sand and mud. Contains solid particles such as iron oxide.

また、地熱蒸気は、飽和状態あるいは飽和状態に近い状態にあるため、タービン内部では蒸気の湿り度が高く、地熱蒸気タービンとしては過酷な運用を強いられる状況にある。   Further, since the geothermal steam is in a saturated state or a state close to the saturated state, the wetness of the steam is high inside the turbine, and the geothermal steam turbine is forced to be operated severely.

さらには、地熱蒸気中に含まれる化学成分の種類や濃度、地熱蒸気タービンに持ち込まれる固体粒子の大きさや量、そして地熱蒸気の蒸気状態等は、地熱蒸気タービンが設置される地熱地帯や井戸によって異なり、また、同じ井戸でも経年的に大きく変化していくこと、新設された井戸においては地熱蒸気中に含まれる化学成分の種類や濃度、地熱蒸気タービンに持ち込まれる固体粒子の大きさや量の変動は経年使用された井戸とは大きく異なって、井戸開設当初が最も顕著であることが確認されており、地熱蒸気タービンの設計を一段と複雑なものにしている。   Furthermore, the type and concentration of chemical components contained in the geothermal steam, the size and amount of solid particles brought into the geothermal steam turbine, and the steam state of the geothermal steam depend on the geothermal zone and well where the geothermal steam turbine is installed. In addition, the same well will change greatly over time, and in the newly established well, the type and concentration of chemical components contained in the geothermal steam, and the size and amount of solid particles brought into the geothermal steam turbine It is very different from wells used over time, and it has been confirmed that the wells were most prominent at the beginning of the well, making the design of geothermal steam turbines more complicated.

地熱蒸気中に硫化水素等の腐食性ガスが含まれていることは、材料の全面腐食による肌荒れによりシリカ、カルシウムなどのスケール成分が付着堆積しやすい環境を整えやすい要因を内在している。特に、地熱蒸気タービンの入口部の段落は腐食環境が活性のため腐食や孔食を受けやすく激しく肌荒れをしている例が見受けられる。   The fact that corrosive gas such as hydrogen sulfide is contained in the geothermal steam is a factor that facilitates the preparation of an environment in which scale components such as silica and calcium are easily deposited and deposited due to rough skin caused by the overall corrosion of the material. In particular, the paragraph at the inlet of the geothermal steam turbine shows an example where the corrosive environment is active and the skin is prone to corrosion and pitting corrosion, resulting in severe rough skin.

特開2004−270484号公報JP 2004-270484 A

地熱蒸気タービンノズルのスケール付着防止技術としては種々あるが、いずれも地熱タービンノズルの構造を大きく改造する必要があって、改造費用も高額になるとともに必ずしも期待どおりの効果が得られているとは言いがたかった。   There are various methods for preventing scale adhesion of geothermal steam turbine nozzles, but it is necessary to significantly modify the structure of the geothermal turbine nozzle, and the cost of remodeling is high and the expected effect is not necessarily obtained. It was hard to say.

本発明の実施形態は、地熱蒸気タービンノズルの構造を大きく変化させることなく、従来と同様の構造とし、定期点検時に地熱蒸気タービンノズルの表面に堆積したスケールを簡単に除去できる地熱蒸気タービンノズルを提供するものである。   An embodiment of the present invention is a geothermal steam turbine nozzle that has a structure similar to the conventional one without greatly changing the structure of the geothermal steam turbine nozzle, and that can easily remove scale accumulated on the surface of the geothermal steam turbine nozzle during periodic inspection. It is to provide.

さて、一般的に、地熱蒸気タービンを高効率で長期間かつ安定的に運転するためには、タービンの設置箇所にて行うことができる比較的容易な点検・保守作業と、タービン内部機構の分解や交換、更新等を伴う比較的大規模な点検・整備作業の両者が必要とされている。例えば、タービンノズルのスケール付着状況の確認や、簡単なスケール除去作業等は、前者の比較的容易な点検・保守作業としてタービンの運転事業者(例えば、発電事業者等)がタービンの設置箇所にて行なうことが多い。一方、後者の大規模な点検・整備作業は、要求される技術レベルや設備等の事情からタービン運転事業者が自ら行うことが困難であるので、例えばタービン製造メーカー等の管理の下、その工場等で行われることが多い。   In general, in order to operate a geothermal steam turbine for a long period of time with high efficiency, it is possible to carry out relatively easy inspection and maintenance work that can be performed at the place where the turbine is installed, and to disassemble the turbine internal mechanism. Both relatively large-scale inspection / maintenance work involving replacement, renewal, etc. is required. For example, confirmation of turbine nozzle scale adhesion and simple scale removal work can be performed by the turbine operator (for example, a power generation company, etc.) at the location where the turbine is installed. Often done. On the other hand, the latter large-scale inspection / maintenance work is difficult for the turbine operator to carry out on their own due to the required technical level and facilities, so the factory, for example, under the control of the turbine manufacturer, etc. Etc. are often performed.

仮に、タービン運転事業者がスケールの除去作業を丁寧に行っていたとしても、スケールを完全に除去したり、タービンノズル自体の劣化ないし損傷を完全に修復してタービンノズルの初期性能を回復することは容易ではない。そこで、これらの作業は、大規模な点検・整備作業の際に行われるのが一般的である。ここで、タービンノズルの表面に被覆層が設けられている場合、この被覆層の更新作業(即ち、劣化した被覆層の除去作業および新規の被覆層の形成作業)は、通常、大規模な点検・整備作業の際に行われることになる。   Even if the turbine operator carefully removes the scale, the scale can be completely removed, or the turbine nozzle itself can be completely repaired by degrading or damaging it to restore the initial performance of the turbine nozzle. Is not easy. Therefore, these operations are generally performed during a large-scale inspection / maintenance operation. Here, when a coating layer is provided on the surface of the turbine nozzle, the renewal operation of the coating layer (that is, the operation of removing the deteriorated coating layer and the operation of forming a new coating layer) is usually performed on a large scale.・ It will be done during maintenance work.

しかし、本発明者らが知る限りでは、従来の被覆層は、主として耐久性の向上や被覆強度の向上を主眼として開発されてきたためか、劣化した被覆層を複雑かつ精緻な表面形状をしているタービンノズルから除去することは、必ずしも容易であるとは言えなかった。   However, as far as the present inventors know, the conventional coating layer has been developed mainly for the purpose of improving durability and coating strength, or the deteriorated coating layer has a complicated and precise surface shape. Removal from existing turbine nozzles has not always been easy.

通常、地熱蒸気タービンノズルは、高温かつ高圧の湿り雰囲気中で、かつスケール原因物質にもなるケイ素等の化学物質の共存下で長時間使用されることから、その過程において被覆層の変質ないし劣化が避けがたい。従って、そのような過酷な運転状況における耐久性とともに、そのような使用後の被覆層の剥離性をも達成することは容易ではなかった。   Normally, geothermal steam turbine nozzles are used for a long time in a high-temperature, high-pressure, humid atmosphere and in the presence of chemical substances such as silicon that also cause scale. Is inevitable. Therefore, it is not easy to achieve the durability in such severe operating conditions as well as the peelability of the coating layer after use.

本発明の実施形態は、上述した事情を考慮してなされたもので、地熱蒸気タービンノズルの耐食性の向上と共に、付着堆積するスケール量の低減と付着後の剥離除去性とを高めて長期にわたって利用可能にした地熱蒸気タービンを提供するとともに、長寿命化を図った地熱蒸気タービンを提供することを目的としている。   The embodiment of the present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and has been used over a long period of time by improving the corrosion resistance of the geothermal steam turbine nozzle, reducing the amount of scale that adheres and deposits, and improving the delamination removal property after adhesion. It is an object of the present invention to provide a geothermal steam turbine that has been made possible and to provide a geothermal steam turbine that has a long life.

そして、本発明の実施形態は、タービンの運転によって劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度タービンの運転に用いられた時にも、良好なスケール付着防止性、スケールの除去性および耐久性等を有する地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法を提供することを目的としている。   In the embodiment of the present invention, the coating film deteriorated by the operation of the turbine can be easily removed, and even when the coating film is used again for the operation of the turbine, good scale adhesion prevention, scale removability and durability are achieved. It is an object of the present invention to provide a geothermal steam turbine nozzle having a property and the like and a manufacturing method thereof.

したがって、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有すること、を特徴とする。
Therefore, in the geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention, the geothermal heat is formed by forming a coating layer containing a resin material in which ceramic particles are dispersed in at least a part of a contact portion of the geothermal steam turbine nozzle with the geothermal fluid. A steam turbine nozzle,
The coating layer has a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion.

そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法は、地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、少なくとも1層形成すること、を特徴とする。
And the manufacturing method of the geothermal steam turbine nozzle by embodiment of this invention is the base material of a geothermal steam turbine nozzle,
It is characterized in that at least one coating layer having a gradient composition, which is made of a resin material in which ceramic particles are dispersed and whose content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion, is formed.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、スケール付着後の剥離除去を容易にし、地熱媒体と一緒に飛来してくる固体粒子による衝撃摩耗に耐える被覆膜を有するものであって、産業上の価値は極めて高いものといえる。   A geothermal steam turbine nozzle according to an embodiment of the present invention has a coating film that facilitates exfoliation and removal after scale adhesion and withstands impact wear caused by solid particles flying together with a geothermal medium. It can be said that the value of is extremely high.

このような本発明の実施形態では、スケールを従来のハンマリングとグラインダによる除去方法から、例えばハンマリングのみで簡単に脱落させることが可能であり、ノズル基材に損傷等の影響を無くした地熱蒸気タービンノズルを提供するものである。   In such an embodiment of the present invention, it is possible to easily remove the scale from the conventional hammering and grinder removal method, for example, by hammering alone, and the geothermal heat that has no influence on the nozzle base material such as damage. A steam turbine nozzle is provided.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層が形成されており、この被覆層と地熱蒸気タービンノズル基材との接触面にはセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されている。このことから、地熱蒸気タービンノズル基材から被覆層を剥離することが容易であり、地熱蒸気タービンノズルの基材表面に被覆層が残存することが抑制されている。よって、地熱蒸気タービンノズルの基材から劣化した被覆層を剥離することが容易であり、かつ被覆層を剥離除去した後に、再度新しい被覆層を形成することが容易である。   The geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention is formed with a coating layer having a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion. A resin layer substantially free of ceramic particles is formed on the contact surface with the turbine nozzle substrate. From this, it is easy to peel the coating layer from the geothermal steam turbine nozzle base material, and it is suppressed that the coating layer remains on the base material surface of the geothermal steam turbine nozzle. Therefore, it is easy to peel the deteriorated coating layer from the base material of the geothermal steam turbine nozzle, and it is easy to form a new coating layer again after peeling and removing the coating layer.

そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層が形成されている。このことから、熱膨張係数の相違等に基づく応力の発生が抑制され、かつ被膜内での応力緩和や外部からの衝撃等の緩和が図れて、被覆層表面および被覆層内部での破断およびクラック発生が抑制されている。特に、地熱蒸気タービンノズル基材との接触面にはセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されていることから、この樹脂層が衝撃吸収ないし応力緩和層として有効に機能して、被覆層全体の耐久性、耐エロージョン性を著しく向上させている。   And the geothermal steam turbine nozzle by embodiment of this invention is formed with the coating layer which has the gradient composition in which the content rate of the said ceramic particle is decreasing toward the deep layer part from the surface part. As a result, the occurrence of stress based on the difference in thermal expansion coefficient, etc. is suppressed, and stress relaxation within the coating and impact from the outside can be mitigated. Occurrence is suppressed. In particular, since a resin layer substantially free of ceramic particles is formed on the contact surface with the geothermal steam turbine nozzle base material, this resin layer functions effectively as a shock absorbing or stress relaxation layer and is coated. The durability and erosion resistance of the entire layer are remarkably improved.

また、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法によれば、所定の傾斜組成を有する被覆層を、容易にかつ効率的に形成することができる。例えば、手による刷毛塗りやスプレー塗布では、地熱蒸気タービンノズルの必要箇所に所定の傾斜組成を有する被覆層を均質に形成することは容易ではなかったが、溶射処理によれは従来よりも容易にかつ効率的に所定の被覆層を形成することができる。このような製造方法によれば、刷毛塗りやスプレー塗布では得らなかったような、均質かつ強靱であり、優れた耐エロージョン性、スケールの付着防止性およびスケール除去性を有する被覆膜を容易に得ることができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the geothermal steam turbine nozzle by embodiment of this invention, the coating layer which has a predetermined gradient composition can be formed easily and efficiently. For example, in brush painting and spray coating by hand, it was not easy to form a coating layer having a predetermined gradient composition at the necessary location of the geothermal steam turbine nozzle, but the spraying process is easier than before. And a predetermined coating layer can be formed efficiently. According to such a manufacturing method, it is easy to form a coating film that is homogeneous and tough, and has excellent erosion resistance, scale adhesion prevention and scale removal properties, which could not be obtained by brush coating or spray coating. Can get to.

地熱蒸気タービンの概要を示す図。The figure which shows the outline | summary of a geothermal steam turbine. 地熱蒸気タービンの地熱流体の通路部の模式図。The schematic diagram of the passage part of the geothermal fluid of a geothermal steam turbine. 本発明の好ましい実施形態による地熱蒸気タービンノズルの断面構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross-section of the geothermal steam turbine nozzle by preferable embodiment of this invention. 被覆層のエロージョン減量を示す図。The figure which shows the erosion weight loss of a coating layer. 剥離除去性の評価に用いた蒸気タービンノズルを示す図。The figure which shows the steam turbine nozzle used for evaluation of peeling removal property. 耐固体粒子エロージョン性の評価に用いた蒸気タービンノズルを示す図。The figure which shows the steam turbine nozzle used for evaluation of solid particle erosion resistance.

<地熱蒸気タービンノズル>
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有すること、を特徴とする。
ここで、「タービンノズル」とは、「蒸気のもつエネルギーを速度エネルギーに変換するための蒸気の噴出口」をいう。
<Geothermal steam turbine nozzle>
A geothermal steam turbine nozzle according to an embodiment of the present invention is a geothermal steam turbine in which a coating layer containing a resin material in which ceramic particles are dispersed is formed at least at a part of the geothermal steam turbine nozzle in contact with a geothermal fluid. A nozzle,
The coating layer has a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion.
Here, the “turbine nozzle” means “a steam outlet for converting steam energy into velocity energy”.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、例えば図1および図2の中に示されるように、タービン静翼3を複数を保持しているものであって、隣接して配置された他のタービン静翼3との間の空間を地熱流体の通路部ないし噴出口とするものである。代表的な地熱蒸気タービンノズルは、ダイヤフラムの外輪と内輪との間にダイヤフラムの直径方向に沿って配列した多数のタービン静翼3を挟持した構造をしている。   A geothermal steam turbine nozzle according to an embodiment of the present invention holds a plurality of turbine stationary blades 3 as shown in FIGS. 1 and 2, for example. The space between the turbine stationary blades 3 is used as a geothermal fluid passage or jet outlet. A typical geothermal steam turbine nozzle has a structure in which a large number of turbine vanes 3 arranged along the diameter direction of the diaphragm are sandwiched between an outer ring and an inner ring of the diaphragm.

そして、地熱蒸気タービン1には、複数のタービンノズル(30〜36)がタービンケーシング7の内部に配設され、それぞれ固定されている。   In the geothermal steam turbine 1, a plurality of turbine nozzles (30 to 36) are disposed inside the turbine casing 7 and fixed thereto.

図2に示される1つのタービンノズル30に設けられた複数の静翼3は、地熱流体の流路の隔壁を形成しているところから、各静翼3の表面は、それぞれ地熱流体との接触部位となっている。   Since the plurality of stationary blades 3 provided in one turbine nozzle 30 shown in FIG. 2 form a partition wall of the geothermal fluid flow path, the surface of each stationary blade 3 is in contact with the geothermal fluid, respectively. It is a part.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルにおける「地熱流体との接触部位」には、地熱流体の流路、典型的には、上記のような静翼3の表面部、ならびにダイヤフラムの外輪およびダイヤフラム内輪における「地熱流体との接触部位」が包含される。   The “contact portion with the geothermal fluid” in the geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention includes a geothermal fluid flow path, typically the surface portion of the stationary blade 3 as described above, and the outer ring and diaphragm of the diaphragm. The “contact portion with the geothermal fluid” in the inner ring is included.

図2に示される静翼3においては、地熱流体の流入側(上流側)の領域Xは、地熱流体ないし地熱流体に混入した粒子等(例えば、水滴や、泥や岩石粉等の固体粒子)が衝突する頻度が高いので、一般的にエロージョンが進行しやすい領域である。一方、タービンノズルの地熱流体の流出側(下流側)の領域Yは、スケール8の堆積が進行しやすい領域である。なお、図2中の矢印9は、タービンロータの回転方向を示している。   In the stationary blade 3 shown in FIG. 2, the region X on the inflow side (upstream side) of the geothermal fluid is a geothermal fluid or particles mixed in the geothermal fluid (for example, solid particles such as water droplets, mud and rock powder). Is a region where erosion tends to proceed in general. On the other hand, the region Y on the outflow side (downstream side) of the geothermal fluid of the turbine nozzle is a region where the deposition of the scale 8 easily proceeds. In addition, the arrow 9 in FIG. 2 has shown the rotation direction of the turbine rotor.

このようなことから、タービンノズルの被覆層には、エロージョンに対する耐摩耗性と、スケールに対する付着防止性およびスケールの除去容易性が求めれることになる。   For this reason, the coating layer of the turbine nozzle is required to have wear resistance against erosion, prevention of adhesion to the scale, and ease of removal of the scale.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、例えば図1および図2のタービンノズル30〜36と同様なタービンノズルとしての機能、目的および形態をとることができるものであって、上記のようなエロージョンに対する耐浸食性と、スケールに対する付着防止性およびスケールの除去容易性とが両立したものである。   The geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention can take functions, purposes, and forms as a turbine nozzle similar to the turbine nozzles 30 to 36 of FIGS. 1 and 2, for example, as described above. Erosion resistance against erosion, adhesion prevention to scale and ease of removal of scale are compatible.

そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度被覆膜を形成した後に、再びタービンの運転が行われた時にも、良好なスケールの付着防止性および除去性ならびに耐久性等を達成するものである。   The geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention can easily remove the deteriorated coating film, and has a good scale even when the turbine is operated again after forming the coating film again. The anti-adhesion property, the removal property, the durability and the like are achieved.

<樹脂材料>
被覆層を形成する樹脂材料は、エポキシ樹脂またはポリエステル樹脂を含むものである。樹脂材料は、耐熱性が高いことが好ましく、例えば地熱蒸気温度が280℃であることから、樹脂材料の耐熱性が250℃以上の物を用いることが好ましい。
<Resin material>
The resin material that forms the coating layer contains an epoxy resin or a polyester resin. The resin material preferably has high heat resistance. For example, since the geothermal steam temperature is 280 ° C., it is preferable to use a resin material having a heat resistance of 250 ° C. or higher.

<セラミックス粒子>
被覆層を形成する樹脂材料には、セラミックス粒子が分散されている。セラミックス粒子としては、例えば、Cr、W、Ti、Nb、Alの炭化物および酸化物からなる群から選ばれるものを用いることができ、好ましくは、Cr、WC、TiC、NbC等の炭化物およびCr、A等の酸化物から選ばれる1種類以上のセラミックス粒子を用いることができる。これらのなかでも特に好ましいものは、WC、Cr、TiCである。
<Ceramic particles>
Ceramic particles are dispersed in the resin material forming the coating layer. As the ceramic particles, for example, those selected from the group consisting of carbides and oxides of Cr, W, Ti, Nb, and Al can be used. Preferably, carbides such as Cr 3 C 2 , WC, TiC, and NbC are used. One or more kinds of ceramic particles selected from oxides such as Cr 2 O 3 and A 2 O 3 can be used. Among these, WC, Cr 3 C 2 and TiC are particularly preferable.

前記のセラミックス粒子は、最大径が25μm以下であることが好ましく、特に最大径が20μm以下であることが好ましい。粒子径が25μm以下であると球状であるが、これを超えた径になると多角形粒状となることが多く、被覆層にき裂を生じさせ易くなる。したがって、セラミックス粒子のうち、粒径が25μmを超える粒子は少ない方が好ましい。従って、粒径が25μmを超える粒子の割合は10重量%以下が好ましく、特に5重量%以下であることが好ましい。
そして、セラミックス粒子の粒径は、5〜25μmであることが好ましい。
The ceramic particles preferably have a maximum diameter of 25 μm or less, particularly preferably a maximum diameter of 20 μm or less. If the particle diameter is 25 μm or less, it is spherical, but if the particle diameter exceeds this, it often becomes polygonal and tends to cause cracks in the coating layer. Therefore, it is preferable that among the ceramic particles, the number of particles having a particle size exceeding 25 μm is smaller. Accordingly, the proportion of particles having a particle size exceeding 25 μm is preferably 10% by weight or less, and particularly preferably 5% by weight or less.
And it is preferable that the particle size of ceramic particles is 5-25 micrometers.

<被覆層>
図3は、本発明の特に好ましい実施形態による地熱蒸気タービンノズル30ならびに被覆層10の一具体例の断面構造を模式的に示す図である。
<Coating layer>
FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a specific example of the geothermal steam turbine nozzle 30 and the coating layer 10 according to a particularly preferred embodiment of the present invention.

図3に断面が示される本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子Rが分散した樹脂材料からなる被覆層10が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層10は、その表面部Aから深層部Bに向けて前記のセラミックス粒子Rの含有率が減少している傾斜組成を有するものである。
The geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention whose cross section is shown in FIG. 3 has a coating layer 10 made of a resin material in which ceramic particles R are dispersed at least at a part of the geothermal steam turbine nozzle in contact with the geothermal fluid. A geothermal steam turbine nozzle formed,
The coating layer 10 has a gradient composition in which the content of the ceramic particles R decreases from the surface portion A toward the deep layer portion B.

この図3に示される被覆層10は、前記のセラミックス粒子の存在量が0〜80重量%の範囲内で、被覆層1の厚さ方向で、組成変動した傾斜組成を有するものである。この被覆層10の厚さは、好ましくは75〜100μm、特に好ましくは120〜140μm、である。   The coating layer 10 shown in FIG. 3 has a gradient composition whose composition fluctuates in the thickness direction of the coating layer 1 within the range where the abundance of the ceramic particles is 0 to 80% by weight. The thickness of the coating layer 10 is preferably 75 to 100 μm, particularly preferably 120 to 140 μm.

この図3に具体的に示される被覆層10は、セラミックス粒子の含有率が異なる6層の樹脂層(層11〜層16)からなるものであるが、本発明の被覆層10では樹脂層の数は限定されない。   The coating layer 10 specifically shown in FIG. 3 is composed of six resin layers (layers 11 to 16) having different ceramic particle content rates. In the coating layer 10 of the present invention, the resin layer The number is not limited.

なお、本発明の被覆層10は、被覆層10全体として傾斜組成を有していればよく、セラミックス粒子の配合割合が連続的に変化した傾斜組成を有しているものでも、セラミックス粒子の配合割合が段階的に変化した傾斜組成を有しているもの(即ち、各層の境界でセラミックス粒子の配合割合が階段状に変化しているもの)でもよい。   The coating layer 10 of the present invention only needs to have a gradient composition as a whole of the coating layer 10. Even if the coating layer 10 has a gradient composition in which the blending ratio of ceramic particles continuously changes, the blending of ceramic particles The composition may have a gradient composition in which the ratio changes stepwise (that is, the composition ratio of the ceramic particles changes stepwise at the boundary of each layer).

ここで、被覆層10を形成している層11〜16においては「層」と表現されているが、これらの各層の境界線は常に明瞭に区別されるものでない。特に、一般的に、各層が同種の材料の溶射処理によって形成された場合、各層の境界は明瞭に判別できないのが普通である。このことから、層11〜16は、セラミックス粒子の含有率が段階的にもしくは連続的に変化している、境界が明瞭あるいは不明瞭な「領域」と捉えることも可能である。   Here, although the layers 11 to 16 forming the covering layer 10 are expressed as “layers”, the boundary lines of these layers are not always clearly distinguished. In particular, generally, when each layer is formed by thermal spraying of the same kind of material, it is normal that the boundary between the layers cannot be clearly distinguished. From this, the layers 11 to 16 can be regarded as “regions” in which the content of ceramic particles changes stepwise or continuously and the boundary is clear or unclear.

被覆層10の最深部に形成された、地熱蒸気タービンノズルの基材17と接する層11は、セラミックス粒子の含有率が、好ましくは0〜20重量%、特に好ましくは0重量%、であるものである。すなわち、セラミックス粒子の含有率が少ないか、セラミックス粒子が存在しない樹脂層であることが好ましい。セラミックス粒子の含有率が20重量%を超えると、樹脂層11と地熱蒸気タービンノズルの基材17の界面との密着性が低下する。ここで、地熱蒸気タービンノズルの基材17としては、静翼3ならびにこの静翼3を保持しているダイヤフラムの外輪およびダイヤフラムの内輪等が対象になる。   The layer 11 formed in the deepest part of the coating layer 10 and in contact with the base material 17 of the geothermal steam turbine nozzle has a ceramic particle content of preferably 0 to 20% by weight, particularly preferably 0% by weight. It is. That is, it is preferable that the resin layer has a small content of ceramic particles or no ceramic particles. When the content of the ceramic particles exceeds 20% by weight, the adhesion between the resin layer 11 and the interface 17 of the geothermal steam turbine nozzle substrate 17 is lowered. Here, as the base material 17 of the geothermal steam turbine nozzle, the stationary blade 3, the outer ring of the diaphragm holding the stationary blade 3, the inner ring of the diaphragm, and the like are targeted.

この被覆層10の最深部に形成された樹脂層11の厚さは、好ましくは20〜50μm、特に好ましくは20〜40μm、である。この樹脂層11の厚さが20μm未満では、被膜が薄く基材との密着性が高すぎるために、剥離性に問題が生じることがある。一方、50μmを超える場合、樹脂層11の層内で破断が生じやすく、被覆層の残存が生じやすくなる傾向がある。   The thickness of the resin layer 11 formed in the deepest part of the coating layer 10 is preferably 20 to 50 μm, particularly preferably 20 to 40 μm. If the thickness of the resin layer 11 is less than 20 μm, the film is thin and the adhesiveness with the base material is too high, which may cause a problem in peelability. On the other hand, when it exceeds 50 μm, the resin layer 11 tends to break and the coating layer tends to remain.

一方、被覆層10の表面部に形成された層16は、被覆層10の全体において最もセラミックス粒子の含有率が多い層である。この層16におけるセラミックス粒子の含有率は、好ましくは40〜80重量%、特に好ましくは50〜80重量%、である。セラミックス粒子の含有率が40重量%未満では、セラミックス粒子による耐熱性および耐摩耗性の向上効果を十分得られないことがある。セラミックス粒子の含有率が高いほど、被覆層10の耐熱性および耐摩耗性が向上することから好ましいが、セラミックス粒子の含有率が80重量%を超える場合、樹脂被覆の接着機能が低下することがある。   On the other hand, the layer 16 formed on the surface portion of the coating layer 10 is a layer having the highest content of ceramic particles in the entire coating layer 10. The content of ceramic particles in the layer 16 is preferably 40 to 80% by weight, particularly preferably 50 to 80% by weight. When the content of the ceramic particles is less than 40% by weight, the effect of improving the heat resistance and wear resistance by the ceramic particles may not be sufficiently obtained. A higher ceramic particle content is preferable because the heat resistance and wear resistance of the coating layer 10 are improved. However, when the ceramic particle content exceeds 80% by weight, the adhesive function of the resin coating may be lowered. is there.

この層16の厚さは、任意であって、例えば被覆膜10の耐熱性、耐摩耗性、耐クラック性、寿命等を考慮して適宜定めることができる。例えば、次に予定される大規模な点検・整備作業(詳細前記)まで、十分な機能および効果が持続されるような厚さにすることが好ましい。したがって、この層16の厚さは、好ましくは20〜50μm、特に好ましくは20〜40μm、である。   The thickness of the layer 16 is arbitrary, and can be appropriately determined in consideration of, for example, the heat resistance, wear resistance, crack resistance, life and the like of the coating film 10. For example, it is preferable to set the thickness so that sufficient functions and effects are maintained until the next large-scale inspection / maintenance work (detailed above). Therefore, the thickness of this layer 16 is preferably 20 to 50 μm, particularly preferably 20 to 40 μm.

被覆層10中の層12〜15は、それぞれ、前記の層16よりもセラミックス粒子の含有率が少なく、かつ前記の層11よりもセラミックス粒子の含有率が多い層であって、「被覆層10がその表面部Aから深層部Bに向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する」という条件を満たすような層である。   Each of the layers 12 to 15 in the coating layer 10 is a layer having a smaller ceramic particle content than the layer 16 and a higher ceramic particle content than the layer 11. Has a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion A toward the deep layer portion B ”.

例えば、前記の層16のセラミックス粒子の含有率が80重量%であり、前記の層11のセラミックス粒子の含有率が0重量%であるときは、層15については70重量%程度、層14については60重量%程度、層13については50重量%程度、層12については40重量%程度というように、セラミックス粒子の含有率を定めることができる。層12〜15の各層の厚さは、それぞれ適宜定めることができる。   For example, when the content of ceramic particles in the layer 16 is 80% by weight and the content of ceramic particles in the layer 11 is 0% by weight, the layer 15 is about 70% by weight, and the layer 14 is about Is about 60% by weight, the layer 13 is about 50% by weight, and the layer 12 is about 40% by weight. The thickness of each of the layers 12 to 15 can be determined as appropriate.

なお、これらの層12〜15は、いずれも、本発明の実施形態による被覆層10において必須のものでない。従って、これらの層12〜15のいずれか一層あるいは二層以上、あるいは層12〜15の全層を省略することが可能である。   Note that none of these layers 12 to 15 is essential in the coating layer 10 according to the embodiment of the present invention. Therefore, it is possible to omit any one or more of these layers 12 to 15 or all of the layers 12 to 15.

これらの層12〜15のいずれかあるいは全層が不要な場合、被覆層10の表面部に形成された層16の厚さを、必要に応じて、前記の値よりも大きくすることができる。例えば、層12〜15が存在しない場合、層16の厚さは、好ましくは40〜80μm、特に好ましくは40〜100μm、とすることができる。   When any or all of these layers 12 to 15 are unnecessary, the thickness of the layer 16 formed on the surface portion of the coating layer 10 can be made larger than the above value as necessary. For example, when the layers 12 to 15 are not present, the thickness of the layer 16 can be preferably 40 to 80 μm, particularly preferably 40 to 100 μm.

表面部側に、厚さ40〜100μmの、前記のセラミックス粒子の存在量が40〜80重量%の範囲内で組成変動した傾斜組成層を有し、かつ、深層部側に、厚さ20〜40μmの、前記のセラミックス粒子が存在しない樹脂層を有する、被覆層が形成された、地熱蒸気タービンノズルは、本発明の特に好ましい地熱蒸気タービンノズルの一具体例に該当する。   A gradient composition layer having a composition variation within a range of 40 to 80% by weight of the ceramic particles having a thickness of 40 to 100 μm is provided on the surface portion side, and a thickness of 20 to A 40 μm geothermal steam turbine nozzle having a coating layer having a resin layer in which the ceramic particles are not present corresponds to a specific example of a particularly preferred geothermal steam turbine nozzle of the present invention.

なお、被覆層10の全体の厚さならびに被覆層10中の各層の厚さは、地熱蒸気タービンノズルの全領域で均一である必要はなく、部分的に異なることができる。例えば、エロージョンの発生や進行が局部的に速い場所があるときは、それに応じて、その部分の被覆層10の全体の厚さあるいはいずれかの層(特に好ましくは層16)の厚さを増加させることが好ましい。   The total thickness of the coating layer 10 and the thickness of each layer in the coating layer 10 do not have to be uniform in the entire region of the geothermal steam turbine nozzle, and can be partially different. For example, when there is a place where erosion occurs or progresses locally, the total thickness of the covering layer 10 or the thickness of one of the layers (particularly preferably the layer 16) is increased accordingly. It is preferable to make it.

<地熱蒸気タービンノズルの製造方法>
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法は、
地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、
少なくとも1層形成すること、を特徴とする。
<Production method of geothermal steam turbine nozzle>
A method for manufacturing a geothermal steam turbine nozzle according to an embodiment of the present invention includes:
For the base material of the geothermal steam turbine nozzle,
A coating layer comprising a resin material in which ceramic particles are dispersed and having a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion,
At least one layer is formed.

ここで、地熱蒸気タービンノズル、セラミックス粒子、樹脂材料、傾斜組成を有する被覆層等の詳細は、前記した通りである。   Here, details of the geothermal steam turbine nozzle, ceramic particles, resin material, coating layer having a gradient composition, and the like are as described above.

地熱蒸気タービンノズルの基材は、従来の地熱蒸気タービンノズルと同様に、例えば、12CrMoVのような金属材料からなる。この地熱蒸気タービンノズルの基材は、その表面の平均粗さRaが12.5μm以下であることが好ましい。   The base material of the geothermal steam turbine nozzle is made of a metal material such as 12CrMoV, for example, similarly to the conventional geothermal steam turbine nozzle. The base material of the geothermal steam turbine nozzle preferably has an average surface roughness Ra of 12.5 μm or less.

本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法では、前記の被覆層を溶射処理によって形成することが好ましい。   In the manufacturing method of the geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the coating layer is formed by thermal spraying.

このような溶射処理によれば、前記の所定の傾斜組成を有する被覆層を容易にかつ効率的に形成することができる。例えば、手による刷毛塗りやスプレー塗布では、地熱蒸気タービンノズルの必要箇所に所定の傾斜組成を有する被覆層を均質に形成することは容易ではなかったが、溶射処理によれば従来よりも容易にかつ効率的に所定の被覆層形成することができる。また、溶射処理によれば、刷毛塗りやスプレー塗布では得らなかったような、均質かつ強靱であり、優れた耐エロージョン性、スケールの付着防止性や除去性を有する被覆膜を容易に得ることができる。   According to such a thermal spraying process, the coating layer having the predetermined gradient composition can be easily and efficiently formed. For example, by brushing or spraying by hand, it has not been easy to form a coating layer having a predetermined gradient composition at the necessary location of the geothermal steam turbine nozzle, but it is easier than before by spraying. And a predetermined coating layer can be efficiently formed. In addition, according to the thermal spraying treatment, it is possible to easily obtain a coating film that is homogeneous and tough and has excellent erosion resistance, scale adhesion prevention and removability, which could not be obtained by brush coating or spray coating. be able to.

被覆層を溶射処理によって形成する方法は、任意である。本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法では、前記の被覆層を、好ましくは、例えば、樹脂材料中のセラミックス粒子の存在量が異なる複数の溶射材料によりそれぞれ形成される複数の溶射層の累積によって形成することができる。特に好ましくは、樹脂材料中のセラミックス粒子の含有率が異なる複数の溶射材料を用意し、セラミックス粒子の含有率が低い溶射材料から高い溶射材料へと順番に溶射材料を使用して、形成される各溶射層を重ね合わせるように複数回の溶射処理を行うことによって、傾斜組成を有する被覆層を得ることができる。   The method for forming the coating layer by thermal spraying is arbitrary. In the method for manufacturing a geothermal steam turbine nozzle according to an embodiment of the present invention, the coating layer is preferably formed of a plurality of sprayed layers, each formed by a plurality of sprayed materials having different amounts of ceramic particles in the resin material, for example. It can be formed by accumulation. Particularly preferably, a plurality of thermal spray materials having different ceramic particle content rates in the resin material are prepared, and the thermal spray materials are formed in order from the thermal spray material having the lower ceramic particle content rate to the higher thermal spray material. A coating layer having a gradient composition can be obtained by performing thermal spraying a plurality of times so as to overlap each thermal spray layer.

<被覆層の除去>
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの被覆層は、傾斜組成を有するものであって、この被覆層と地熱蒸気タービンノズル基材とは接触界面はセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されていることから、地熱蒸気タービンノズル基材から被覆層を剥離することが容易であって、地熱蒸気タービンノズルの基材表面に被覆層が残存することが抑制されている。
<Removal of coating layer>
The coating layer of the geothermal steam turbine nozzle according to the embodiment of the present invention has a gradient composition, and the contact interface between the coating layer and the geothermal steam turbine nozzle base material is a resin layer substantially free of ceramic particles. Since it is formed, it is easy to peel the coating layer from the geothermal steam turbine nozzle base material, and it is suppressed that the coating layer remains on the base material surface of the geothermal steam turbine nozzle.

したがって、本発明の実施形態では、例えば、タガネ、ハンマ等によって、その被覆層を容易かつ短時間で剥離除去することができる。   Therefore, in the embodiment of the present invention, the covering layer can be peeled and removed easily and in a short time by using, for example, a chisel, a hammer or the like.

<実施例1>(剥離除去性の評価)
基材の表面をブラスト処理した後、エポキシ樹脂を溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された「試料1」を作成した。これについて、270℃の地熱蒸気温度を模擬した電気炉にて長時間加熱時効を行い、コーティング層の剥離除去性を確認した。
<Example 1> (Evaluation of peelability)
After the surface of the substrate was blasted, an epoxy resin was sprayed to create “Sample 1” in which a resin layer was formed on the surface of the substrate. About this, heating aging was performed for a long time in the electric furnace which simulated the geothermal steam temperature of 270 degreeC, and the peeling removal property of the coating layer was confirmed.

エポキシ樹脂の代わりにポリエステル樹脂を用いた以外は上記と同様にして「試料2」を作成した。そして、エポキシ樹脂の代わりに炭化物セラミックスあるいは酸化物セラミックス用いた以外は上記と同様にして「試料3」および「試料4」を作成した。   “Sample 2” was prepared in the same manner as described above except that a polyester resin was used instead of the epoxy resin. “Sample 3” and “Sample 4” were prepared in the same manner as described above except that carbide ceramics or oxide ceramics were used instead of the epoxy resin.

これらの「試料2」〜「試料4」についても、上記と同じように、コーティング層の剥離除去性を確認した。
結果は、表1に記載される通りである。

Figure 2017025781
For these “Sample 2” to “Sample 4”, the peelability of the coating layer was confirmed in the same manner as described above.
The results are as described in Table 1.
Figure 2017025781

セラミックスコーティング層は、機械的結合による密着強度が高く、基材から容易に剥離することは不可能であったが、樹脂コーティング層は、10000時間加熱後でも、コーティング層の劣化もなく、基材からの剥離が容易に行うことができた。   The ceramic coating layer has high adhesion strength due to mechanical bonding and cannot be easily peeled off from the substrate. However, the resin coating layer does not deteriorate the coating layer even after heating for 10,000 hours, It was easy to peel off from.

<実施例2>(密着性の評価(その1))
機械的結合力が被膜剥離性に大きく影響することから、上記の「試料1」〜「試料4」のコーティング層の密着力と耐剥離性を接着剤を用いた試験によって評価した。
結果は、表2に記載される通りである。

Figure 2017025781
<Example 2> (Evaluation of adhesion (part 1))
Since the mechanical bonding force greatly affects the film peelability, the adhesion strength and peel resistance of the coating layers of the above “Sample 1” to “Sample 4” were evaluated by a test using an adhesive.
The results are as described in Table 2.
Figure 2017025781

密着強度が70MPa以上では機械的結合力が高く、基材から容易に剥離することができない。これに対して、樹脂コーティング層の密着強度は40MPa以下であり、この密着性強度が低いことにより基材から容易に剥離除去できる。   When the adhesion strength is 70 MPa or more, the mechanical bonding force is high and cannot be easily peeled off from the substrate. On the other hand, the adhesive strength of the resin coating layer is 40 MPa or less, and it can be easily peeled and removed from the substrate due to the low adhesive strength.

<実施例3>(密着性の評価(その2))
基材の表面をブラスト処理した後、エポキシ樹脂を溶射施工を行って、基材表面に厚さ10μm、20μm、40μmあるいは70μmの樹脂層が形成された試料を作成した。
<Example 3> (Evaluation of adhesion (part 2))
After the surface of the base material was blasted, an epoxy resin was sprayed to prepare a sample in which a resin layer having a thickness of 10 μm, 20 μm, 40 μm or 70 μm was formed on the surface of the base material.

また、基材の表面をブラスト処理した後、ポリエステル樹脂を溶射施工を行って、表面に厚さ10μm、20μm、40μmあるいは70μmの樹脂層が形成された試料を作成した。
なお、樹脂層の形成は、溶射による1パス当たりの被膜厚さを10μmに設定し、目的の厚さになるまで溶射を繰り返すことにより行った。
コーティング層の密着力と耐剥離性を接着剤を用いた剥離試験によって評価した。
結果は、表3に記載される通りである。

Figure 2017025781
Moreover, after blasting the surface of the base material, a polyester resin was sprayed to prepare a sample having a resin layer having a thickness of 10 μm, 20 μm, 40 μm or 70 μm formed on the surface.
The resin layer was formed by setting the film thickness per pass by thermal spraying to 10 μm and repeating thermal spraying until the target thickness was reached.
The adhesion and peel resistance of the coating layer were evaluated by a peel test using an adhesive.
The results are as described in Table 3.
Figure 2017025781

被膜厚さが10μmでは、被膜が薄く基材との密着性が良いために、剥離性に問題がある。被膜厚さが20〜40μmでは基材の影響を受けず、剥離を容易に行うことができるが、70μmと厚くした場合では被膜の中央部で剥離を生じ、被膜が残存するため、厚さとしては20〜40μmが剥離除去性としては最も良いことが確認された。   When the film thickness is 10 μm, there is a problem in peelability because the film is thin and the adhesion to the substrate is good. When the film thickness is 20 to 40 μm, it is not affected by the base material and can be easily peeled off. However, when the film thickness is increased to 70 μm, peeling occurs at the center of the film, and the film remains. It was confirmed that 20 to 40 μm is the best as a strippability.

<実施例4>(耐固体粒子エロージョン性の評価(その1))
ノズル板基材の表面に、セラミックス含有量が40%であるエポキシ樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成した。これについて、粒子を衝突させることによって、耐エロージョン性の評価を行った。
<Example 4> (Evaluation of solid particle erosion resistance (part 1))
Thermal spraying was performed on the surface of the nozzle plate base material using an epoxy resin having a ceramic content of 40% to prepare a sample in which a resin layer was formed on the surface of the base material. About this, the erosion resistance was evaluated by colliding particle | grains.

また、セラミックス含有量が60%あるいは75%であるエポキシ樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。   Further, thermal spraying was performed using an epoxy resin having a ceramic content of 60% or 75% to prepare a sample in which a resin layer was formed on the substrate surface, and the erosion resistance was similarly evaluated.

また、エポキシ樹脂の代わりにポリエステル樹脂を用いて溶射施工を行って、表面にセラミックス含有量が40%、60%あるいは75%である、樹脂層が形成された「試料」を作成し、上記と同様に、耐固体粒子エロージョン性を評価した。   In addition, by performing thermal spraying using a polyester resin instead of an epoxy resin, a “sample” having a ceramic content of 40%, 60% or 75% on the surface and having a resin layer formed thereon is prepared. Similarly, the solid particle erosion resistance was evaluated.

表4は、外層にセラミックスを添加した場合の耐固体粒子エロージョン性を示したもので、樹脂コーティングをバインダとして適用確認したものである。

Figure 2017025781
Table 4 shows the solid particle erosion resistance when ceramics are added to the outer layer. The application of the resin coating as a binder is confirmed.
Figure 2017025781

上記表の耐固体粒子エロージョン性の数値は、ノズル板基材のエロージョン減量を1として表したときのものである。コーティング層の耐固体粒子エロージョン特性は、樹脂コーティングのみでは耐エロージョン性は全く認められないが、セラミックスを添加することにより耐エロージョン性が飛躍的に向上することが確認された。   The numerical values of the solid particle erosion resistance in the above table are those when the erosion loss of the nozzle plate substrate is represented as 1. As for the solid particle erosion characteristics of the coating layer, erosion resistance was not recognized at all with the resin coating alone, but it was confirmed that the erosion resistance was drastically improved by adding ceramics.

<実施例5>(耐固体粒子エロージョン性の評価(その2))
ノズル板基材の表面に、セラミックス(WC)含有量が75%である樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成した。この試料にFe粒子を衝突させることによって、耐エロージョン性の評価を行った。
<Example 5> (Evaluation of solid particle erosion resistance (part 2))
Thermal spraying was performed on the surface of the nozzle plate base material using a resin having a ceramic (WC) content of 75% to prepare a sample in which a resin layer was formed on the surface of the base material. The erosion resistance was evaluated by causing Fe 3 O 4 particles to collide with this sample.

セラミックス(WC)含有量が80%あるいは91%である樹脂を用いて溶射施工を行って試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。   A sample was prepared by performing thermal spraying using a resin having a ceramic (WC) content of 80% or 91%, and the erosion resistance was similarly evaluated.

また、セラミックス(CrC)含有量75%、80%あるいは93%である樹脂を用いて溶射施工を行って試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。結果は、図4に記載される通りである。   Further, thermal spraying was performed using a resin having a ceramic (CrC) content of 75%, 80% or 93%, and the erosion resistance was similarly evaluated. The results are as described in FIG.

WCとCrC含有量を変化させ、地熱蒸気タービン運用条件よりも厳しい条件にて試験を行った結果、WCは含有量に関係なく耐エロージョン性はほぼ一定であり、CrCは93%と多量に含有させたものは靭性が劣るため80%CrC、75%CrCよりも耐エロージョン性は劣るが、12Cr鋼基材に比べると優れた耐食性を示した。   As a result of changing the WC and CrC contents and conducting tests under conditions stricter than the geothermal steam turbine operating conditions, WC has almost the same erosion resistance regardless of the contents, and CrC is contained in a large amount of 93%. Since the toughness was inferior in toughness, the erosion resistance was inferior to that of 80% CrC and 75% CrC, but it showed excellent corrosion resistance compared to the 12Cr steel substrate.

<実施例6>(剥離除去性の評価)
長期間使用した蒸気タービンノズルから耐食・耐摩耗コーティングが剥離除去できることを確認するために、蒸気タービンノズルへのコーティング施工部位を、図5のように、4区画に分け、各区画に
(1)ポリエステル樹脂+WC
(2)エポキシ樹脂+WC
(3)WC単独
(4)CrC単独
にて溶射施工を行い、実機地熱蒸気タービン(蒸気温度270℃)にて2年間の実機試験を行った結果、ノズル板からの剥離性は樹脂コーティングを施工したものは簡単に剥離除去できたが、WC、CrCを単独で溶射施工を行ったノズルではコーティング層の除去はブラスト処理との併用で行っても多大な時間を要した。

Figure 2017025781
<Example 6> (Evaluation of peelability)
In order to confirm that the anti-corrosion and wear-resistant coating can be peeled and removed from the steam turbine nozzle that has been used for a long period of time, the coating site for the steam turbine nozzle is divided into four sections as shown in FIG. Polyester resin + WC
(2) Epoxy resin + WC
(3) WC alone (4) Thermal spraying with CrC alone and actual machine test for 2 years with actual geothermal steam turbine (steam temperature 270 ° C). However, it took a long time to remove the coating layer in combination with the blast treatment in the case of spraying WC and CrC independently.
Figure 2017025781

<実施例7>(耐食性の評価)
実施例6と同様に、蒸気タービンノズル上に形成された四種類の被覆層について、それらの耐食性の評価を行った。耐食性の評価としてはコーティング層の気孔を介して腐食生成物が侵入し、基材との界面剥離とともに腐食にともなう重量増減も合わせて確認した。
<Example 7> (Evaluation of corrosion resistance)
As in Example 6, the corrosion resistance of the four types of coating layers formed on the steam turbine nozzle was evaluated. For the evaluation of corrosion resistance, corrosion products invaded through the pores of the coating layer, and the increase / decrease in weight due to corrosion was confirmed together with the interface peeling with the base material.

基材とコーティング層との界面剥離については、いずれのコーティング層にも界面剥離は生じていなかった。

Figure 2017025781
Figure 2017025781
Regarding the interfacial peeling between the substrate and the coating layer, no interfacial peeling occurred in any of the coating layers.
Figure 2017025781
Figure 2017025781

腐食試験において重量の増減はほとんど認められず、CrC溶射材において腐食生成物の付着にともなう重量が若干増加していた。
その結果、上記の被覆層が形成された地熱蒸気タービンノズルは樹脂コーティング層を形成することによりノズル板からの剥離除去が簡単に行えることが確認されるとともに、耐食性、耐エロージョン性も有していることが確認された。
Almost no increase or decrease in weight was observed in the corrosion test, and the weight due to adhesion of corrosion products slightly increased in the CrC sprayed material.
As a result, it was confirmed that the geothermal steam turbine nozzle formed with the coating layer can be easily removed from the nozzle plate by forming the resin coating layer, and also has corrosion resistance and erosion resistance. It was confirmed that

<実施例8>(耐固体粒子エロージョン性の評価(その3))
実機条件下で試験を行ったコーティングの耐摩耗性について新たに試験を実施し、確認を行った。地熱蒸気タービンノズルへのコーティング施工部位を6分割し、図6のように、図6のように、6区画に分け、各区画に
(1)ポリエステル樹脂
(2)エポキシ樹脂
(3)ポリエステル樹脂+WC
(4)エポキシ樹脂+WC
(5)WC単独
(6)CrC単独
にて溶射施工を行い、実機地熱蒸気タービン(蒸気温度270℃)にて4992時間の実機試験を行った。
<Example 8> (Evaluation of solid particle erosion resistance (part 3))
A new test was conducted to confirm the wear resistance of the coatings tested under actual machine conditions. As shown in FIG. 6, the site for coating the geothermal steam turbine nozzle is divided into 6 sections, as shown in FIG. 6. Each section is divided into (1) polyester resin (2) epoxy resin (3) polyester resin + WC
(4) Epoxy resin + WC
(5) WC alone (6) Thermal spraying was carried out with CrC alone, and an actual machine test for 4992 hours was conducted with an actual machine geothermal steam turbine (steam temperature 270 ° C.).

地熱蒸気中への岩石等の固体粒子の流入量が比較的少ないこともあり、コーティング厚さならびにコーティングの損傷等の異常は認められなかったが、樹脂コーティングを単独で施工したものはノズル板より固体粒子エロージョンにより侵食されていた。

Figure 2017025781
Since the inflow of solid particles such as rocks into the geothermal steam was relatively small, there were no abnormalities such as coating thickness and damage to the coating. It was eroded by solid particle erosion.
Figure 2017025781

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の実施形態よる地熱蒸気タービンノズルによれば、耐食性の向上と共に、付着堆積するスケール量の低減と付着後の剥離除去性とを高めて長期にわたって利用可能にした地熱蒸気タービンを提供するとともに、長寿命化を図った地熱蒸気タービンが提供される。   Although several embodiments of the present invention have been described, according to the geothermal steam turbine nozzle according to the embodiments of the present invention, the corrosion resistance is improved, and the amount of scale that adheres and accumulates and the peelability after adhesion is increased. Provided is a geothermal steam turbine that can be used for a long period of time, and a geothermal steam turbine that has a long life.

そして、本発明の実施形態によれば、タービンの運転によって劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度タービンの運転に用いられた時にも、良好なスケール付着防止性、スケールの除去性および耐久性等を有する地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法が提供される。   According to the embodiment of the present invention, it is easy to remove the coating film deteriorated by the operation of the turbine, and when it is used again for the operation of the turbine, it has good scale adhesion prevention and scale removability. Further, a geothermal steam turbine nozzle having durability and the like and a manufacturing method thereof are provided.

1 地熱蒸気タービン
2 蒸気入口
3 タービン静翼
30〜36 タービンノズル
4 タービン動翼
5 タービンロータ軸
6 蒸気出口
7 タービンケーシング
8 スケール
9 タービンロータの回転方向
10 傾斜組成を有する被覆層
A 傾斜組成を有する被覆層の表面部
B 傾斜組成を有する被覆層の深層部
R セラミックス粒子
12〜16 セラミックス粒子が分散した樹脂層
17 地熱蒸気タービンノズルの基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Geothermal steam turbine 2 Steam inlet 3 Turbine stationary blade 30-36 Turbine nozzle 4 Turbine rotor blade 5 Turbine rotor shaft 6 Steam outlet 7 Turbine casing 8 Scale 9 Rotation direction of turbine rotor 10 Coating layer having gradient composition A A gradient composition Surface portion of coating layer B Deep layer portion of coating layer having gradient composition R Ceramic particles 12-16 Resin layer in which ceramic particles are dispersed 17 Base material of geothermal steam turbine nozzle

Claims (10)

地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有することを特徴とする、地熱蒸気タービンノズル。
A geothermal steam turbine nozzle in which a coating layer comprising a resin material in which ceramic particles are dispersed is formed in at least a part of a contact portion of the geothermal steam turbine nozzle with a geothermal fluid,
The geothermal steam turbine nozzle according to claim 1, wherein the coating layer has a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion.
前記の被覆層は、前記のセラミックス粒子の含有率が0〜80重量%の範囲内で厚さ方向で組成変動した傾斜組成を有するものである、請求項1に記載の地熱蒸気タービンノズル。   2. The geothermal steam turbine nozzle according to claim 1, wherein the coating layer has a gradient composition in which the content of the ceramic particles is varied in the thickness direction within a range of 0 to 80 wt%. 前記の樹脂材料は、エポキシ樹脂またはポリエステル樹脂を含むものである、請求項1または2に記載の地熱蒸気タービンノズル。   The geothermal steam turbine nozzle according to claim 1, wherein the resin material includes an epoxy resin or a polyester resin. 前記のセラミックス粒子は、Cr、W、Ti、Nb、Alの炭化物および酸化物からなる群から選ばれるものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の地熱蒸気タービンノズル。   The geothermal steam turbine nozzle according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic particles are selected from the group consisting of carbides and oxides of Cr, W, Ti, Nb, and Al. 前記のセラミックス粒子のうち、粒径が20μmを超える粒子の割合が10重量%以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の地熱蒸気タービンノズル。   The geothermal steam turbine nozzle of any one of Claims 1-4 whose ratio of the particle | grains to which a particle size exceeds 20 micrometers among the said ceramic particles is 10 weight% or less. 前記被覆層は、その表面部側に、厚さ50〜100μmの、前記セラミックス粒子の含有率が40〜80重量%の樹脂層を有するものである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の地熱蒸気タービンノズル。   The coating layer according to any one of claims 1 to 5, wherein the coating layer has a resin layer having a thickness of 50 to 100 µm and a ceramic particle content of 40 to 80% by weight. The described geothermal steam turbine nozzle. 前記被覆層は、その深層部側に、厚さ20〜40μmの、前記セラミックス粒子を含まない樹脂層を有するものである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の地熱蒸気タービンノズル。   The geothermal steam turbine nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein the coating layer has a resin layer having a thickness of 20 to 40 µm and not containing the ceramic particles on the deep layer side. 地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、少なくとも1層形成することを特徴とする、地熱蒸気タービンノズルの製造方法。
For the base material of the geothermal steam turbine nozzle,
It is made of a resin material in which ceramic particles are dispersed, and at least one coating layer having a gradient composition in which the content of the ceramic particles decreases from the surface portion toward the deep layer portion is formed. A method of manufacturing a steam turbine nozzle.
前記の被覆層を、溶射処理によって形成する、請求項8に記載の地熱蒸気タービンノズルの製造方法。   The method for manufacturing a geothermal steam turbine nozzle according to claim 8, wherein the coating layer is formed by a thermal spraying process. 前記の被覆層を、樹脂材料中のセラミックス粒子の含有率が異なる複数の溶射材料によりそれぞれ形成される複数の溶射層の累積によって形成する、請求項9に記載の地熱蒸気タービンノズルの製造方法。   The method for manufacturing a geothermal steam turbine nozzle according to claim 9, wherein the coating layer is formed by accumulating a plurality of sprayed layers each formed by a plurality of sprayed materials having different ceramic particle contents in the resin material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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