JP2018179244A - Safety valve, nozzle and disc used for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、安全弁並びにそれに用いるノズル及びジスクに係り、より詳細には、水蒸気に代表される様な高温酸化性流体に使用される容器・配管などに設けられる安全弁並びにそれに用いるノズル及びジスクに関する。 The present invention relates to a safety valve and a nozzle and a disk used therefor, and more particularly to a safety valve provided in a container and piping used for high temperature oxidizing fluid such as steam, and a nozzle and a disk used therefor.
安全弁は、主にガスを貯蔵するタンクや発電ボイラ設備、化学プラントの配管など圧力がかかる箇所に設置されており、機器の爆発や破損を防ぐ役割を担っている。
安全弁は、バルブの入口側の圧力が予め設定した圧力以上になったときに自動的に弁体が開き、流体を排出するものである。代表的な安全弁の構造図を図1に示す。
The safety valve is installed at a location where pressure is applied, such as tanks for storing gas, power generation boiler equipment, piping of a chemical plant, etc., and plays a role of preventing explosion and damage of equipment.
The safety valve is one that automatically opens the valve body and discharges the fluid when the pressure on the inlet side of the valve reaches or exceeds a preset pressure. A structural diagram of a representative safety valve is shown in FIG.
通常、安全弁は圧力容器、配管等の上部に配置されている。流体を閉止する弁座は金属製のノズルとジスクによって構成されており、そのシール面はラッピングによって鏡面状態まで研磨されている。
弁座にはたらく流体閉止力は、上方に配置しているばねによって与えられている。そのばね力は、安全弁が指定された圧力(設定圧力)に対応して作動する様に調整されている。プラント運転中に圧力容器・配管等の流体圧が設定圧力まで上昇した時、流体圧によってジスクにはたらく上方向の力がばねカに打ち勝ち、安全弁が動作する。この時ジスクが上方に動作するので、流体はノズルとジスクの間を通り、二次側(横方向)に流れる。これによって圧力容器・配管の内部圧力の上昇を防止するのが本来の安全弁の機能である。
Usually, the safety valve is disposed at the top of the pressure vessel, piping, etc. The valve seat for closing the fluid is composed of a metal nozzle and a disc, and the sealing surface is polished to a mirror state by lapping.
The fluid closing force acting on the valve seat is provided by the spring located at the top. The spring force is adjusted so that the safety valve operates in response to the designated pressure (set pressure). When the fluid pressure of the pressure vessel, piping, etc. rises to the set pressure during plant operation, the upward force acting on the disc by the fluid pressure overcomes the spring force, and the safety valve operates. At this time, since the disk moves upward, fluid flows between the nozzle and the disk and flows on the secondary side (lateral direction). It is the original function of the safety valve to prevent the internal pressure of the pressure vessel and piping from rising by this.
この安全弁を水蒸気サ一ビスで使用する揚合について以下に記述する。
流体中に(ハロゲンの様な)特別に腐食性のある成分が存在しない、水蒸気に代表される様な高温酸化性サービスにおいて、直接流体に接触する部材であるノズルとジスクは、一般的に18Cr−8Ni系のオーステナイト系ステンレス鋼が使われることが多い。
水蒸気に代表される様な高温酸化性流体に使用される配管部材では、配管内部に酸化スケールが発生することはよく知られている。配管部材の主要構成部材であるステンレス鋼の場合で言えば、生成する酸化膜はFe203,Fe304を主体とする鉄系酸化物であることが幾つかの論文で報告されている(非特許文献1〜非特許文献4)
The use of this safety valve in steam service is described below.
Nozzles and disks, which are members directly in contact with the fluid in high temperature oxidizing services such as water vapor, which are free of particularly corrosive components (such as halogen) in the fluid, are generally 18Cr. -8 Ni austenitic stainless steel is often used.
It is well known that, in piping members used for high temperature oxidizing fluids such as steam, oxidation scale is generated inside the piping. In the case of stainless steel, which is a main component of piping members, it has been reported in several papers that the oxide film formed is an iron-based oxide mainly composed of
これらの論文は、流体温度、流体組成(空気酸化と水蒸気酸化)、構成材料の化学成分、表面仕上げ(結晶粒度)等により、酸化の状態が異なることも報じている。
しかし、その研究範囲は火力発電所のボイラ過熱器管からの酸化スケールの剥離による各種の弊害を対策しようとするものであり、以下に述べる本発明の様な安全弁の内部に発生する問題を解決しようとするものではない。
These papers also report that the state of oxidation varies depending on fluid temperature, fluid composition (air oxidation and water vapor oxidation), chemical composition of constituent materials, surface finish (grain size) and the like.
However, its research scope is to address various problems caused by the peeling of the oxidation scale from the boiler superheater tube of the thermal power plant, and solves the problems occurring inside the safety valve as in the present invention described below. It is not something to try.
ところで、安全弁におけるシール性の向上が求められ、シール性を高めるためにノズルとジスクの接触部分であるシール面は鏡面仕上げされる。ただ、鏡面仕上げをした場合には安全弁が作動する圧力が変化する可能性があることが分った。
本発明は、高温の水蒸気雰囲気に長期間曝し続けた場合であっても安全弁が作動する設定圧力に変動が無い、安全弁並びにそれに用いるノズル及びジスクを提供することを目的とする。
By the way, in order to improve the sealability, it is required to improve the sealability of the safety valve, and the seal surface which is the contact portion between the nozzle and the disc is mirror finished. However, it was found that there is a possibility that the pressure at which the safety valve operates changes when mirror finishing.
An object of the present invention is to provide a safety valve and a nozzle and a disc used therefor, which have no fluctuation in the set pressure at which the safety valve operates even when exposed to a high temperature steam atmosphere for a long time.
請求項1に係る発明は、安全弁におけるノズル又はジスクであり、少なくともシール面は、鏡面を有するステンレス鋼上に20nm以上の鉄酸化物が予め形成されていることを特徴とするノズル又はジスクである。
請求項2に係る発明は、安全弁におけるノズル又はジスクであり、少なくともシール面は、鏡面を有するステンレス鋼上にクロム酸化物を主成分とする酸化物が予め形成されていることを特徴とするノズル又はジスクである。
請求項3に係る発明は、スチームその他の酸化雰囲気下で使用される調節弁、減圧弁その他の機器であり、酸化被膜成長によって機能低下する弁座部、ガイド部その他の部位は、鏡面を有するステンレス鋼上に20nm以上の鉄酸化物が予め形成されていることを特徴とする機器である。
請求項4に係る発明は、スチームその他の酸化雰囲気下で使用される調節弁、減圧弁その他の機器であり、酸化被膜成長によって機能低下する弁座部、ガイド部その他の部位は、鏡面を有するステンレス鋼上にクロム酸化物を主成分とする酸化物が予め形成されていることを特徴とする機器である。
請求項5に係る発明は、前記ステンレス鋼は、Cr含有量が20重量%未満のオーステナイト系ステンレス又はフェライト系ステンレスである請求項1又は2記載のノズル又はジスク又は請求項3又は4記載の機器である。
請求項6に係る発明は、安全弁におけるノズル又はジスクの少なくともシール面は、酸化雰囲気内において鉄酸化物を成長させない材料からなることを特徴とするノズル又はジスクである。
請求項7に係る発明は、スチームその他の酸化雰囲気下で使用される調節弁、減圧弁その他の機器であり、酸化被膜成長によって機能低下する弁座部、ガイド部その他の部位は、鉄酸化物を成長させない材料からなることを特徴とする機器である。
請求項8に係る発明は、前記酸化雰囲気内において鉄酸化物を成長させない材料は、Cr含入量20重量%以上のオーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン基合金又はアルミ基合金その他の非鉄系耐熱合金材料である請求項6記載のノズル又はジスク又は請求項7記載の機器である。
請求項9に係る発明は、前記ニッケル基合金は、析出硬化型合金又は固溶強化型合金である請求項8記載のノズル又はジスク又は機器である。
請求項10に係る発明は、前記析出硬化型合金はステライト(登録商標)であり、固溶強化型合金はハステロイ(登録商標)である請求項9記載のノズル又はジスク又は機器である。
請求項11に係る発明は、前記コバルト基合金はステライトである請求項8記載のノズル又はジスク又は機器である。
請求項12に係る発明は、安全弁におけるノズル又はジスクであり、少なくともシール面は、鏡面を有するステンレス鋼上Cr、Co,Ni、Al、Ti若しくは合金又はその酸化物若しくは窒化物よりなる皮膜が予め形成されていることを特徴とするノズル又はジスクである。
請求項13に係る発明は、請求項1ないし12のいずれか1項記載のノズル又はジスクのいずれか一方又は両方を用いた安全弁である。
請求項14に係る発明は、前記安全弁は、過熱水蒸気その他の高温酸化性流体である請求項13記載の安全弁である。
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
In the invention according to
The invention according to claim 9 is the nozzle or the disk or the device according to
The invention according to
The invention according to claim 11 is the nozzle or the disk or the device according to
The invention according to
The invention according to claim 13 is a safety valve using any one or both of the nozzle according to any one of
The invention according to claim 14 is the safety valve according to claim 13, wherein the safety valve is superheated steam or other high temperature oxidizing fluid.
本発明の作用・効果を、本発明をなすに際して得た知見とともに説明する。
水蒸気環境に曝される前のオーステナイト系ステンレス鋼製のシール面(弁座)は、ラッピングで鏡面状態にまで研磨され、表面には極薄い自然酸化膜しか無い状態になっている。これを高温酸化性雰囲気に所定時間暴露することにより、酸素が内部に侵入して合金成分と直接反応し、酸化膜が厚く成長する。
The actions and effects of the present invention will be described together with the findings obtained when making the present invention.
The seal surface (valve seat) made of austenitic stainless steel before being exposed to the water vapor environment is polished to a mirror-like state by lapping, and is in a state where there is only an extremely thin natural oxide film on the surface. By exposing this to a high temperature oxidizing atmosphere for a predetermined time, oxygen intrudes into the inside and directly reacts with the alloy component, and the oxide film grows thick.
このノズル側の成長した酸化膜とジスク側の成長した酸化膜の接触部分を増やしながら酸化膜を共有していく。この酸化膜の共有部分があたかも接着剤の様なはたらきをすることによって、固着力という形で弁座にはたらくばね力に付加されることになってしまう。そして、この固着力分だけ設定圧力が増加するという現象になる。
これを更にもう一度作動させると、設定圧は元の値に戻る。これは、一度作動させることにより、固着状態が解除され、作動を妨げる固着力=0になるため設定圧は元に戻ることになる。
The oxide film is shared while increasing the contact portion between the oxide film grown on the nozzle side and the oxide film grown on the disk side. By acting like an adhesive, the common part of the oxide film is added to the spring force acting on the valve seat in the form of a fixing force. Then, the setting pressure is increased by the amount of the fixing force.
When this is operated again, the set pressure returns to the original value. This is because once the operation is performed, the sticking state is released, and the setting pressure becomes zero because the sticking force which prevents the operation becomes 0.
前述したとおり、安全弁は予め設定した圧力で流体を二次側に逃がす機能が必要であるが、固着現象が発生すると、設定圧力が上昇するという保安上の問題が起こることになる。
実際の運用においては、運転立ち上げ時に実流体で作動検査を行うとか、微小な異物が噛み込んで弁座の接触面積が減少する。運搬やプラントの運転時の振動で弁座が傾く、メンテナンス時の再研磨のレベルが低いことにより弁座シール面が粗い等、固着しない方向の要因が多々存在し問題を覆い隠しているケースも多く存在する。
しかし、理想的な平滑シール面を創製し、弁座が完全に密着する安全弁は、この固着問題は最大化することになる。
As described above, the safety valve needs to have a function to release the fluid to the secondary side at a preset pressure, but if a sticking phenomenon occurs, a security problem such as an increase in the set pressure will occur.
In an actual operation, an operation test is performed with an actual fluid at the time of start-up, or a minute foreign matter bites, and the contact area of the valve seat decreases. Vibration during transportation or operation of the plant causes the valve seat to tilt, and the low regrind level during maintenance causes the valve seat seal surface to be rough and there are many factors that do not stick, which may obscure the problem. There are many.
However, a safety valve that creates an ideal smooth sealing surface and the valve seat is in intimate contact will maximize this sticking problem.
(第1の形態)
請求項1に係る発明の形態では、安全弁におけるノズル又はジスクであり、少なくともシール面は、鏡面を有するステンレス鋼上に20nm以上の鉄酸化物が予め形成されている。
ここにおいてステンレス鋼としては、Cr含有量が20重量%未満のステンレスが好適である。Crが20%以上の場合には後述するように鉄酸化物を予め形成しなくとも固着力の低減効果を有している。
(First form)
In the aspect of the invention according to
Here, as stainless steel, stainless steel having a Cr content of less than 20% by weight is preferable. In the case where Cr is 20% or more, as described later, even if iron oxide is not formed in advance, it has the effect of reducing the adhesion.
本発明におけるステンレス鋼としては、以下のもろもろのステンレス鋼を用いることができる。
オーステナイト系
SUS201;:Ni(3.5-5.5%)、Cr(16-18%)、Mn(5.5-
7%)、N(0.25%以下)
SUS202::Ni(4-6%)、Cr (17-19%)、Mn(7.5-10%)、N(0.25%以下)
SUS301:Ni(6-8%)、Cr(16-18%)
SUS302:Ni(8-10%)、Cr(17-19%)
SUS303:Ni(8-10%)、Cr(17-19%)、Mo(0.60%以下の添加ができる)
SUS304:Ni(8-10.5
%)、Cr(18-20%)
SUS305:Ni(10.5-13%)、Cr(17-19%)
SUS316:Ni(10-14%)、Cr(16-18%)、Mo(2-3%)
SUS317:Ni(11-15%)、Cr(18-20%)、Mo(3-4%)
As stainless steel in the present invention, the following stainless steels can be used.
Austenitic
SUS201; Ni (3.5-5.5%), Cr (16-18%), Mn (5.5-
7%), N (0.25% or less)
SUS202 :: Ni (4-6%), Cr (17-19%), Mn (7.5-10%), N (0.25% or less)
SUS301: Ni (6-8%), Cr (16-18%)
SUS302: Ni (8-10%), Cr (17-19%)
SUS303: Ni (8-10%), Cr (17-19%), Mo (0.60% or less can be added)
SUS304: Ni (8-10.5)
%), Cr (18-20%)
SUS305: Ni (10.5-13%), Cr (17-19%)
SUS316: Ni (10-14%), Cr (16-18%), Mo (2-3%)
SUS 317: Ni (11-15%), Cr (18-20%), Mo (3-4%)
マルテンサイト系
SUS403:Cr(11.5-13%)
SUS420:Cr(12-14%)
SUS630:Ni(3-5%)、Cr(15-17.5%)、Cu(3-5%)、Nb(0.15-0.45%)
フェライト系
SUS405:Cr(11.5-14.5%)、Al(0.1-0.3%)
SUS430:Cr(16-18%)
SUS430LX:Cr(16-19%)、TiまたはNb(0.1-1.0%)
Martensite
SUS403: Cr (11.5-13%)
SUS420: Cr (12-14%)
SUS630: Ni (3-5%), Cr (15-17.5%), Cu (3-5%), Nb (0.15-0.45%)
Ferrite
SUS405: Cr (11.5-14.5%), Al (0.1-0.3%)
SUS430: Cr (16-18%)
SUS430LX: Cr (16-19%), Ti or Nb (0.1-1.0%)
本発明においては、鉄酸化物の厚さは20nm以上とする。20nm以上とすることにより固着力の軽減効果が生じる。鉄酸化物の形成は、ステンレス鋼を大気雰囲気中で安全弁の使用流体温度以上の温度で所定時間加熱することにより行うことが好ましい。加熱温度は200℃〜500℃が好ましい。250℃から450℃がより好ましい。図2に示すように250℃以上において鉄酸化物固着面圧が急激に上昇し、この上昇は前述した通り鉄酸化物の形成に基づくものと考えられるため250℃以上で加熱することが好ましい。加熱時間は、厚さを考慮して適宜選択すればよい。たとえば5〜6時間が好ましい。 In the present invention, the thickness of iron oxide is 20 nm or more. By setting the thickness to 20 nm or more, the effect of reducing the sticking strength is generated. The formation of the iron oxide is preferably performed by heating the stainless steel in an air atmosphere at a temperature above the working fluid temperature of the safety valve for a predetermined time. The heating temperature is preferably 200 ° C to 500 ° C. 250 ° C. to 450 ° C. are more preferred. As shown in FIG. 2, the iron oxide adhering surface pressure rapidly rises at 250 ° C. or more, and this rise is considered to be based on the formation of iron oxide as described above, so heating at 250 ° C. or more is preferable. The heating time may be appropriately selected in consideration of the thickness. For example, 5 to 6 hours are preferable.
(第2の形態)
請求項5に係る発明は、前記酸化雰囲気内において鉄酸化物を成長させない材料を用いる。かかる材料としてCr含入量20重量%以上のオーステナイト系ステンレスが用いられる。
Cr含入量20重量%以上のオーステナイト系ステンレスを高温水蒸気に暴露しても鉄酸化物が形成されないことを確認した。すなわち、この材料を250℃以上の水蒸気に暴露した場合、FeリッチではなくCrリッチの酸化物が形成され、かつ、Crリッチな酸化物の育成によっては固着力の上昇を招かないことを確認した。
(Second form)
The invention according to
It was confirmed that no iron oxide was formed even when the austenitic stainless steel containing 20 wt% or more of Cr was exposed to high temperature steam. That is, when this material was exposed to water vapor at 250 ° C. or higher, it was confirmed that Cr-rich and not Fe-rich oxides were formed, and the growth of Cr-rich oxides did not cause an increase in adhesion. .
20重量%以上のCr含有ステンレスとしては、例えば、次の材料が列挙される。
SUS309S:Ni(12.00~15.00),Cr(22.00~24.00)
SUS310S:Ni(19.00~22.00),Cr(24.00~26.00)
SUS317J2:Ni(12.00~16.00),Cr(23.00~26.00)
SUS329J1:Ni(3-6)、Cr(23-28)、Mo(1-3)
As 20 wt% or more of the Cr-containing stainless steel, for example, the following materials are listed.
SUS309S: Ni (12.00 to 15.00), Cr (22.00 to 24.00)
SUS310S: Ni (19.00 to 22.00), Cr (24.00 to 26.00)
SUS317J2: Ni (12.00 to 16.00), Cr (23.00 to 26.00)
SUS329J1: Ni (3-6), Cr (23-28), Mo (1-3)
(第3の形態)
本形態は、Cr含有量20重量%未満のオーステナイト系ステンレスにおいて少なくともシール面に鉄酸化物ではなくクロム酸化物を形成する形態である。
クロム酸化物を主成分とする酸化物の形成は、例えば、特許文献1あるいは非特許文献5に記載の方法により行えばよい。
(Third form)
This embodiment is a mode in which chromium oxide instead of iron oxide is formed at least on the seal surface in austenitic stainless steel having a Cr content of less than 20% by weight.
The formation of the oxide containing chromium oxide as a main component may be performed, for example, by the method described in
例えば、ステンレス鋼を電解研磨後、ベーキングを行うことにより母材表面から水分を除去し、次いで、不純物の含有量が1ppb以下の酸化性ガス雰囲気中において、400℃以上の温度で加熱することにより母材表面にクロム酸化物を主成分とする酸化物を形成することができる。
また、ステンレス鋼表面にスパッタリング、溶射その他の方法によりCr膜を形成し、次いでベーキング後酸化性ガス雰囲気中例えば、400℃以上の温度で加熱をすることにより皮膜としてクロム酸化物を主成分とする酸化物を形成してもよい。
クロム酸化物を主成分とする酸化物の厚さは、特に限定しないが、シール性及び固着力の発生抑制効果の観点から5nm以上が好ましく10nm以上がより好ましい。
For example, after electropolishing stainless steel, baking is performed to remove water from the surface of the base material, and then heating is performed at a temperature of 400 ° C. or more in an oxidizing gas atmosphere having an impurity content of 1 ppb or less. An oxide containing chromium oxide as a main component can be formed on the surface of the base material.
In addition, a Cr film is formed on the stainless steel surface by sputtering, thermal spraying, and other methods, and then, after baking, it is heated at a temperature of 400 ° C. or more in an oxidizing gas atmosphere, for example, and chromium oxide is mainly contained as a film. An oxide may be formed.
The thickness of the oxide containing chromium oxide as a main component is not particularly limited, but is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, from the viewpoint of the sealing property and the effect of suppressing the generation of adhesion.
(第4の形態)
鉄酸化物を形成しない材料として非鉄系耐熱合金を用いる。例えば、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン合金又はアルミ合金が上げられる。
ニッケル基合金としては、Nb,Taなどの化合物の析出により硬化する析出硬化型合金(例えばインコネル718)やMoを含むことにより固溶強化がなされる固溶型合金(例えばハステロイC)などが好ましい。
これら合金は、高温腐食性環境下においても酸化されにくくまた酸化物が生じても固着力の上昇をもたらす酸化物ではない。
コバルト基合金としえは、例えばステライトが好ましい。この材料も酸化されにくいとともにその酸化物は固着力の上昇をもたらす酸化物ではない。
(Fourth form)
A non-ferrous heat-resistant alloy is used as a material that does not form iron oxide. For example, nickel base alloys, cobalt base alloys, titanium alloys or aluminum alloys are mentioned.
As a nickel base alloy, a precipitation hardening alloy (eg, Inconel 718) which is hardened by precipitation of a compound such as Nb or Ta, a solid solution type alloy (eg, Hastelloy C) or the like which is solid solution strengthened by containing Mo is preferable. .
These alloys are not easily oxidized even in a high temperature corrosive environment, and are not oxides that cause an increase in adhesion even if oxides are formed.
The cobalt-based alloy is preferably, for example, stellite. This material is also resistant to oxidation and the oxide is not an oxide that leads to an increase in adhesion.
(第5の形態)
上述の形態は、酸化物の形成であり、また、熱処理による母材との反応により形成する例である。
一方、本形態は、少なくともシール面を酸化物以外の皮膜により被覆する形態である。また、母材との反応による方法以外の方法により表面に皮膜を形成してもよい。
例えば、ステンレス鋼の少なくともシール面を、鏡面に仕上げ、Cr、Co,Ni、Al、Ti若しくは合金又はその酸化物若しくは窒化物をスパッタリング、溶射、めっきなどにより形成してもよい。Al(Al203,AIN)、Ti(TiO、TiN)、Ti−Al−N等の皮膜についても同様の効果が期待できる。
(Fifth embodiment)
The above-mentioned form is formation of an oxide, and is an example formed by reaction with a base material by heat treatment.
On the other hand, in the present embodiment, at least the seal surface is covered with a film other than the oxide. Moreover, you may form a film on the surface by methods other than the method by reaction with a base material.
For example, at least the sealing surface of stainless steel may be mirror-finished, and Cr, Co, Ni, Al, Ti or an alloy or an oxide or a nitride thereof may be formed by sputtering, spraying, plating or the like. Similar effects can be expected for films such as Al (Al 2 O 3 , AIN), Ti (TiO, TiN), and Ti—Al—N.
(鏡面)
弁体及び弁座のシール面は、シール性を高めるために鏡面に仕上げる。表面租度としては、Rmax(JIS B 0601:2001におけるRz)で10nm以下が好ましい。本発明の固着力の発生防止効果は、3nm〜10nmの範囲にある場合に特に有効である。
(Mirror surface)
The sealing surfaces of the valve body and the valve seat are mirror-finished to enhance the sealing performance. The surface roughness is preferably 10 nm or less in Rmax (Rz in JIS B 0601: 2001). The effect of preventing adhesion of the present invention is particularly effective when it is in the range of 3 nm to 10 nm.
(安全弁)
ノズル又はジスクのいずれか一方のみに本発明の弁座、弁体を用いれば固着力の抑制効果は生じる。従って、交換が困難な弁座は従来のままのものを用い、交換が容易な弁体のみを本発明に係る弁体に交換することも可能である。
(他の機器)
本発明は、スチーム(過熱蒸気)その他の酸化雰囲気下で使用される機器についても適用される。弁としては安全弁以外に例えば、調節弁、減圧弁であっても適用される。
また、弁以外の機器であっても適用される。部材同士が接触状態で酸化雰囲気下に保持され、適宜接触面が離反ないし移動するような部位を有する部材を組合わせて構成される機器についても適用される。かかる部材としては例えば、弁座部、ガイド部などがあげられる。
(safety valve)
If the valve seat and the valve body of the present invention are used for only one of the nozzle and the disc, the effect of suppressing the sticking force is produced. Therefore, it is also possible to use conventional valve seats that are difficult to replace, and replace only the easily replaceable valve body with the valve body according to the present invention.
(Other equipment)
The invention also applies to equipment used under steam (superheated steam) or other oxidizing atmospheres. As a valve, for example, a control valve and a pressure reducing valve can be applied other than the safety valve.
Moreover, it is applied even if it is apparatuses other than a valve. The present invention is also applicable to an apparatus configured by combining members having portions in which members are kept in contact with each other in an oxidizing atmosphere and the contact surfaces are separated or moved as appropriate. Such members include, for example, a valve seat portion, a guide portion and the like.
(参考例)
鏡面に仕上げたオーステナイト系ステンレス鋼SUS304製の弁座・弁体からなる安全弁を飽和水蒸気に曝した。暴露温度は140℃〜300℃の範囲で変化させて行った。暴露時間は19時間である。
水蒸気温度と固着面圧(単位面積当たりの固着荷重)を調査した結果を図2に示す。図2において横軸の試験温度は、流体である水蒸気温度である。すなわち、安全弁の弁体と弁座が暴露された温度である。一定の温度以上では固着が発生していることが判る。
(Reference example)
A safety valve consisting of austenitic stainless steel SUS304 valve seat and valve body finished in mirror surface was exposed to saturated water vapor. The exposure temperature was changed in the range of 140 ° C. to 300 ° C. The exposure time is 19 hours.
The result of having investigated water vapor temperature and adhering surface pressure (adhesion load per unit area) is shown in FIG. The test temperature on the horizontal axis in FIG. 2 is the temperature of the water vapor that is the fluid. That is, the temperature at which the valve body and the valve seat of the safety valve are exposed. It can be seen that sticking occurs above a certain temperature.
図3に研磨直後と水蒸気暴露試験後の深さ方向分布を示す。横軸のスパッタ時間は、スパッタ速度6nm/minの速度で表面からスパッタを行った時間である。従って、横軸の時間に6を掛けた値が深さ(nm)となる(以下同様である。)。研磨直後は6nmであった酸化膜が60nm以上に成長していることが判る。
図3に示す通り、水蒸気暴露試験後のオーステナイト系ステンレス鋼弁座表面は鉄主体の酸化膜になっており、弁座に固着力が発生している。
(実施例1)
FIG. 3 shows the distribution in the depth direction immediately after polishing and after the water vapor exposure test. The sputtering time on the horizontal axis is the time when sputtering was performed from the surface at a sputtering speed of 6 nm / min. Therefore, the value obtained by multiplying the time on the horizontal axis by 6 becomes the depth (nm) (the same applies hereinafter). It can be seen that the oxide film, which was 6 nm immediately after polishing, has grown to 60 nm or more.
As shown in FIG. 3, the surface of the austenitic stainless steel valve seat after the water vapor exposure test is an oxide film mainly composed of iron, and adhesion is generated in the valve seat.
Example 1
これと異なる各種材質で水蒸気暴露試験を行った結果を図4に示す。
なお、図面において、304はSUS304、310はSUS310、IN718はインコネル718(登録商標)、HC276はハステロイC276(登録商標)、ST6はステライト6(登録)、ST12はステライト12(登録商標)である。これらの材料は、オーステナイト系ステンレス鋼で固着した条件で固着は発生していない。
The results of the water vapor exposure test with various materials different from this are shown in FIG.
In the drawings, 304 is
その中のCo−Cr合金であるステライトの研磨直後と水蒸気暴露試験後の深さ方向分布を図5に示す。研磨直後に3nmであった酸化膜が水蒸気暴露試験後は30nm以上に成長していることが判る。オーステナイト系ステンレス鋼と同様に酸化膜の成長は認められるが、固着は発生していない。すなわち、注目すべきは、同じ酸化物であってもCo酸化物やクロム酸化物の場合は鉄酸化物とは全く異なることである。固着力以上の結果から弁座シール面の最表面にFe系酸化膜を生成、成長させないことが固着防止対策として有効であると言える。
(実施例2)
The distribution in the depth direction immediately after polishing and after the steam exposure test of Stellite, which is a Co-Cr alloy among them, is shown in FIG. It can be seen that the oxide film, which was 3 nm immediately after polishing, has grown to 30 nm or more after the water vapor exposure test. Similar to austenitic stainless steel, oxide film growth is observed, but no sticking has occurred. That is, it should be noted that, in the case of the same oxide but Co oxide or chromium oxide, it is completely different from iron oxide. It can be said that it is effective as a sticking prevention measure not to form and grow an Fe-based oxide film on the outermost surface of the valve seat sealing surface from the result more than the sticking power.
(Example 2)
飽和水蒸気環境下で大きな固着力が発生するCr18%.Ni8%オーステナイト系ステンレス鋼SUS304に対して425℃×6時間の加熱処理を行い、予め酸化物膜を成長させた。酸化物の成長は、ノズル及びジスクの両方共行った。予め酸化膜を成長させておいたノズルとジスクを組み合わせた安全弁について、285℃の高温水蒸気暴露試験を行った。その結果は図7に示す。
図7において、「304_G/304_G」で表記する試料が本実施例に係る試料である。
本例では固着は発生しない結果が得られた。
(実施例3)
Cr 18%, which produces large adhesion in a saturated water vapor environment. Heat treatment was performed on
In FIG. 7, the sample represented by “304_G / 304_G” is a sample according to the present embodiment.
In this example, the result that no sticking occurred was obtained.
(Example 3)
固着防止効果のある金属材料をCVD、スパッタリング等により弁座シール面に保護膜として形成する。有効な金属成分としては、Cr,Ti,Alが挙げられる。ここでは片側に窒化クロムをオーステナイト系ステンレス側表面に形成した場合の265℃水蒸気暴露試験を行った。
ただ、本例では、ノズルにのみ保護膜を形成した。ジスクについては未処理である。
その結果を図7に示す。図7における「304_CrN/304」が、本例に係る試料である。保護膜を形成しない場合に比べて固着力が1/3以下に抑制された結果が得られている。
(実施例4−1)
A metal material having an anti-sticking effect is formed as a protective film on the valve seat sealing surface by CVD, sputtering or the like. Useful metal components include Cr, Ti and Al. In this case, a 265 ° C. water vapor exposure test was performed when chromium nitride was formed on the austenitic stainless steel side surface on one side.
However, in the present example, the protective film was formed only on the nozzle. The disc is untreated.
The results are shown in FIG. “304_CrN / 304” in FIG. 7 is a sample according to this example. As compared with the case where the protective film is not formed, the result is obtained that the adhesion is suppressed to 1/3 or less.
Example 4-1
本実施例では、Cr20重量%以上のオーステナイト系ステンレスを用いた。
Cr20%以上のオーステナイト系ステンレス鋼をそのまま用いることにより水蒸気暴露状態での酸化膜の組成が変わり、Fe系酸化膜の最表面での成長を抑制することができた。図6にCr20%以上のオーステナイト系ステンレス鋼の研磨直後と水蒸気暴露試験後の深さ方向分布を示す。図3のCrl8%オーステナイト系ステンレス鋼の深さ方向分布と比較して、最表面付近がCrリッチになっており、酸化膜の成長が抑制されていることが判る。
本例の評価試験結果は図7に示す。図7における「310S/310S」が本実施例に係る試料である。250℃の高温水蒸気暴露試験では固着しない結果を生んでいる。
(実施例4−2)
In the present embodiment, austenitic stainless steel of 20% by weight or more of Cr was used.
By using an austenitic stainless steel with 20% or more of Cr as it is, the composition of the oxide film in the state of water vapor exposure changes, and the growth of the outermost surface of the Fe-based oxide film can be suppressed. FIG. 6 shows the distribution in the depth direction of the austenitic stainless steel of
The evaluation test results of this example are shown in FIG. “310S / 310S” in FIG. 7 is a sample according to this example. In the high temperature steam exposure test at 250 ° C., the result of not sticking is produced.
(Example 4-2)
本例では、Cr20重量%以上のオーステナイト系ステンレスとしてSUS310Sを用いた。本例では、組宛前にステンレス表面にクロム酸化物の膜を形成する処理を行った。
すなわち、電解研磨後、ベーキングを行うことにより母材表面から水分を除去し、次いで、不純物の含有量が1ppb以下の酸化性ガス雰囲気中において、400℃以上の温度で加熱した。これにより母材表面にクロム酸化物を主成分とする酸化物を形成した。なお、この酸化物は不動態膜であり、本明細書、図面においては「G+F」で表している。
この試料につき高温水蒸気暴露試験を行った。その結果を図7に示す。図7において「310S_G+F/304」が本実施例に係る試料である。本試料は、ノズルに処理を行った材料を用い、ジスクは未処理のSUS304オーステナイト系ステンレスを用いた。
(実施例5)
In this example, SUS310S was used as austenitic stainless steel of 20 wt% or more of Cr. In this example, a process of forming a chromium oxide film on the stainless steel surface was performed prior to the group address.
That is, after electrolytic polishing, baking was performed to remove water from the surface of the base material, and then heating was performed at a temperature of 400 ° C. or more in an oxidizing gas atmosphere having an impurity content of 1 ppb or less. Thereby, an oxide mainly composed of chromium oxide was formed on the surface of the base material. In addition, this oxide is a passivity film | membrane, and is represented by "G + F" in this specification and drawing.
A high temperature steam exposure test was conducted on this sample. The results are shown in FIG. In FIG. 7, “310S_G + F / 304” is a sample according to this example. This sample used the material which processed to the nozzle, and the disc used untreated SUS304 austenitic stainless steel.
(Example 5)
本例は、Cr20重量%未満であるSUS304を用いた。本例では、実施例4−2と同様の手法により不動態膜を形成した。
すなわち、表面に、鉄酸化物を含まないクロム酸化物層を形成した。
この試料につき高温水蒸気暴露試験を行った。その結果を図7に示す。図7において「304_G+F/304_G+F」が本実施例に係る試料である。なお、本試料は、ノズル及びジスクに処理を行った。
本例では、280℃〜290℃℃の暴露試験でも固着力はほとんど発生しなかった。
通常のCr18%オーステナイト系ステンレス鋼であっても、熱処理によって最表面にCr203膜を析出させることができる。Al含有ステンレス鋼においては、Al203を析出させることも有効である。
(実施例6)
In this example, SUS304, which is less than 20% by weight of Cr, was used. In this example, a passive film was formed in the same manner as in Example 4-2.
That is, a chromium oxide layer not containing iron oxide was formed on the surface.
A high temperature steam exposure test was conducted on this sample. The results are shown in FIG. In FIG. 7, “304_G + F / 304_G + F” is a sample according to this example. In addition, this sample processed the nozzle and the disk.
In this example, even in the exposure test at 280 ° C. to 290 ° C., almost no sticking force was generated.
Even in a normal Cr18% austenitic stainless steel, a Cr203 film can be deposited on the outermost surface by heat treatment. In Al-containing stainless steel, it is also effective to precipitate Al203.
(Example 6)
Ni合金Ni−Mo合金,Co−Cr系合金等のFe含有量の少ない耐酸化材料を用いた例を図7に示す。この場合でも固着力が発生しないという結果を生んでいる。これらの材料でも酸化膜は成長しているが、膜間の接着力は発生していない。(Fe酸化膜の場合とは異なっている。)
以上の実施例の水蒸気暴露試験における固着評価結果を図7に集約した。
Crl8%オーステナイト系ステンレス鋼研磨品は200℃以上の飽和水蒸気環境で固着が発生する。
高級耐酸化材料、およびオーステナイト系ステンレス鋼であっても予め鉄酸化物を形成したものは弁座固着の温度範囲を拡大することができた。
(実施例7)
An example using an oxidation resistant material with small Fe content such as Ni alloy Ni-Mo alloy, Co-Cr alloy, etc. is shown in FIG. Even in this case, the result is that adhesion does not occur. Even with these materials, oxide films are grown, but adhesion between the films is not generated. (It differs from the case of Fe oxide film.)
The adhesion evaluation results in the water vapor exposure test of the above example are summarized in FIG.
In a
Even in the case of high-grade oxidation resistant materials and austenitic stainless steels in which iron oxide is formed in advance, the temperature range of valve seat fixation can be expanded.
(Example 7)
図8の左側の8個の試料は、本発明の固着防止処理を安全弁構成部材であるノズルとジクスの片側にだけ施工した場合の水蒸気暴露試験結果である。
図8の左8個の結果に示される様に片側だけの対策であっても一定の効果が得られている。
これは、ある一定期間使用した安全弁に弁座固着防止を施そうとする場合に、部品交換が困難なノズルを再利用して、ジスク側だけを交換するという行為で処置できることになり、実際のメンテナンス上、非常に有益な結果となる。
The eight samples on the left side of FIG. 8 are the results of the water vapor exposure test in the case where the antisticking treatment of the present invention is applied to only one side of the nozzle, which is a safety valve component, and a jig.
As shown in the left eight results in FIG. 8, even if it is a countermeasure on only one side, a certain effect is obtained.
In this case, when it is intended to prevent sticking of a valve seat to a safety valve used for a certain period of time, it becomes possible to treat by re-using a nozzle which is difficult to replace parts and replacing only the disc side. The result is very useful for maintenance.
1 流入口
2 ノズル
3 ジスク
4 流出口
5 ホディー
6 バネ
7 弁棒
8 シール面(弁座)
10 安全弁
10 Safety valve
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