JP3598977B2

JP3598977B2 - 耐食・耐摩耗合金を接合した弁

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Publication number: JP3598977B2
Application number: JP2001026230A
Authority: JP
Inventors: 充夫近崎; 静雄松下; 治郎国谷; 芳久清時; 隆彦加藤; 良照千葉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2001288521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食・耐摩耗性に優れた弁とその製造方法に関する。本発明の弁は、発電プラント特に原子力発電プラントに用いるのに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、タービン発電設備等では、循環水の水質調整のために循環水系統に過酸化水素水やヒドラジン等の薬剤が注入されるようになり、該薬剤の注入点よりも下流の溶存酸素量が増加し、その結果、弁の弁座面等にエロージョン，かじりによる損傷が発生している。
【０００３】
このため、グローブバルブ，ゲートバルブ，バタフライバルブ等の弁類は、実運転中の弁座付近での流体によるエロージョン防止或いは弁作動時のかじり防止を目的として、耐食・耐摩耗性に優れた高硬度のコバルト（Ｃｏ）基合金，ニッケル（Ｎｉ）基合金或いは鉄（Ｆｅ）基合金を弁座に溶接肉盛して用いている。
【０００４】
しかし、弁座部に肉盛りされているコバルト基合金，ニッケル基合金又は鉄基合金は、鋳造組織の基地中に連続的に分布している網目状の共晶炭化物が選択的に腐食損傷する。循環水系統の流体は、高温，高速であり、前記腐食損傷に続いて鋳造組織の基地部（マトリックス）が脱落し、エロージョンが発生する場合がある。これについては、たとえば「火力原子力発電」：３０巻，Ｎｏ．５，第６７頁及び「機械の損害」：１９８２年，Ｎｏ．２，第９０頁にも記載されている。
【０００５】
この結果、弁の耐漏洩性能が低下したり、弁の制御特性や作動特性が変化する等の不具合を生じ、弁の分解点検頻度が増加し、プラントの保守性が低下する。
【０００６】
特に原子力発電設備において、炉水と接する部分或いは炉内に冷却水を供給する系統設備の弁類に上記事象が発生すると、これらの部位に肉盛りされている高硬度のＣｏ基，Ｎｉ基或いはＦｅ基合金は、腐食・エロージョンによって脱落して系統中に混入する恐れがある。
【０００７】
特開昭５９−１７９２８３号公報では、Ｃｒ３０〜４５重量％，Ｔｉ３．０〜８．０重量％，Ｍｏ０〜１０重量％及び残部がＮｉからなる弁座を弁体及び弁箱に拡散接合することを提案している。また、特開昭６０−８６２３９号公報では、Ｃｒ３０〜４５重量％，Ａｌ及びＴｉのうちの少なくともいずれか１種１．５〜６重量％，Ｍｏ２０重量％以下及び残部がＮｉからなる弁座を弁体及び弁箱に拡散接合することを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の鋳造組織基地部に網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基，Ｎｉ基及びＦｅ基合金は、耐食性，耐エロージョン性が十分ではない。本発明の目的は、これらのＣｏ基，Ｎｉ基及びＦｅ基合金の耐食性を高め、弁の腐食損傷を抑制することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、網目状の共晶炭化物が分断され、不連続分布となったＣｏ基，
Ｎｉ基或いはＦｅ基合金により、弁座の表面を形成し、耐食，耐エロージョン性を高めた。具体的には、弁座の表面を、コバルト基合金又はニッケル基合金又は鉄基合金からなり、金属ミクロ組織の基地部に粒径が３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散する合金によって形成したことにある。
【００１０】
共晶炭化物を連続した網目状から、不連続の粒状或いは塊状にすることにより、耐食性を著しく高める事ができる。共晶炭化物の粒径は３０μｍ以下、特に
１０μｍ以下が好ましく、このように共晶炭化物を微細に分断する事により、連続した網目状の共晶炭化物を有する場合に比べて、ＪＩＳＧ０５７５のストラウス試験における耐食性を約３００倍も高めることができる。
【００１１】
粒径３０μｍ以下の微細な共晶炭化物を有するコバルト基合金又はニッケル基合金又は鉄基合金は、炭素鋼又は低合金鋼又はステンレス鋼からなる弁座基材に拡散接合によって接合されることが望ましい。特に液相拡散接合によって接合されることが望ましい。又、液相拡散接合を行なう場合には、Ｓｉ及びＢを含有するニッケル基合金からなるインサート材を、弁座基材と粒状又は塊状の共晶炭化物を有するＣｏ基，Ｎｉ基或いはＦｅ基合金との間に挟んで接合を行なうことが望ましい。
【００１２】
拡散接合以外の接合方法たとえばアーク溶接のように溶融させて接合する方法は、溶融によって共晶炭化物が網目状の連続した状態に戻ってしまうので不適当である。ろう付けによる方法は、接合材料の溶融を伴わないが、接合部の強度が低いので不適当である。
【００１３】
コバルト基合金は、重量でＣ０．６〜３％，Ｓｉ２％以下，Ｃｒ２５〜３２％，Ｗ１５％以下，Ｆｅ０〜３％，Ｎｉ０〜３％，Ｍｏ０〜６％を含み、残部が
Ｃｏ及び不可避不純物からなることが望ましい。
【００１４】
ニッケル基合金は、重量でＣ１％以下，Ｓｉ７％以下，Ｃｒ７〜２０％，Ｗ５％以下，Ｂ３．５％以下を含み、残部がＮｉ及び不可避不純物からなることが望ましい。
【００１５】
鉄基合金は、重量でＣ１．５％以下，Ｓｉ４％以下，Ｃｒ１５〜２７％，Ｍｏ８％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることが望ましい。
【００１６】
本発明は、弁座シートの表面に、コバルト基合金とニッケル基合金及び鉄基合金から選ばれた１種よりなり、金属ミクロ組織の基地部に粒径が３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散する合金からなる板を押し当て、前記板を前記弁座表面に拡散接合するようにした弁製造方法を提供する。
【００１７】
また、弁座シートの表面に、コバルト基合金とニッケル基合金及び鉄基合金から選ばれた１種よりなり、金属ミクロ組織の基地部に粒径が３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散する合金からなる板を、前記弁座及び該板よりも低融点のインサート材を介して押し当て、この状態で液相拡散接合を行なって該板を該弁座に金属的に接合し、前記インサート材に含まれる成分を該板及び該弁座基材中に拡散させるようにした弁製造方法を提供する。
【００１８】
インサート材には、ホウ素（Ｂ），シリコン（Ｓｉ）或いはリン（Ｐ）等の融点降下元素を含むものを使用するのが望ましい。Ｂ，Ｓｉ，Ｐ等の融点降下元素を非接合材中に拡散させることで、固相拡散接合に比較して接合時の加圧力を小さくでき、接合による変形を少なく抑えることができる。また、接合面の機械仕上げ精度もＲｍａｘ２０μｍ程度にでき、良好な接合面を得ることができる。
【００１９】
好適なインサート材は、重量でＳｉ１〜８％，Ｂ１〜５％を含むニッケル基合金からなるもの、或いは重量でＳｉ１〜８％，Ｂ１〜５％及びＣｒ５〜２０％を含むニッケル基合金からなるものである。
【００２０】
弁座の基材には、炭素鋼，低合金鋼またはステンレス鋼を用いることができる。
【００２１】
本発明によれば、たとえば炭素鋼，低合金鋼又はステンレス鋼からなる前記弁座基材の表面に、重量でＳｉ１〜８％，Ｂ１〜５％を含むニッケル基合金からなるインサート材を介して、重量でＣ０．６〜３％，Ｃｒ２５〜３２％，Ｗ１５％以下を含むコバルト基合金からなる板を押し当て、この状態で液相拡散接合を行なって前記コバルト基合金からなる板を前記弁座基材に接合し、かつ前記インサート材に含まれるＳｉとＢを前記コバルト基合金及び弁座基材中に拡散させるようにした弁製造方法が提供される。
【００２２】
又、本発明によれば、水蒸気又は高温水が循環する循環系統内に本発明の弁を備えた発電プラント、或いは原子炉の一次冷却材が循環する循環系統内に本発明の弁を備えた原子力発電プラントが提供される。
【００２３】
網目状に連続して分布する共晶炭化物を粒状又は塊状に変えて不連続化するには、たとえば鋳造によって得られた合金に、熱間鍛造，熱間圧延等の塑性加工を施すか、更にはこれに加えて加熱処理（焼鈍）を行なうことが望ましいが、これに限定されるものではない。
【００２４】
本発明によれば、弁の摺動部の摩擦抵抗増加を抑制する事ができる。また、弁座面の荒れによる耐漏洩性能の低下を抑制することができる。
【００２５】
粒径が３０μｍ以下の粒状又は塊状の共晶炭化物を有するＣｏ基，Ｎｉ基或いはＦｅ基合金によって弁座の表面が形成されることにより、循環水系統に過酸化水素水やヒドラジン等の薬剤が注入され溶存酸素量が増加しても、腐食損傷が生じにくくなる。また、弁体と弁箱との摺動部の摩擦抵抗増加が抑制され、弁座面の荒れによる耐漏洩性能低下も抑制される。これらの効果により保守性も向上する。
【００２６】
本発明が適用される弁の種類は、特に限定されるものではなく、各種の安全弁，仕切り弁，玉型弁等に適用可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本実施例では、溶存酸素雰囲気下で使用される仕切り弁を以下に述べる方法によって製造した。仕切り弁の構造を図１〜図３に示す。図１は本実施例による仕切り弁の断面図を示している。図２は弁体の拡大図を示し、図３は弁箱の拡大図を示している。鋳造組織の基地部に網目状の共晶炭化物を有する１．１重量％Ｃ，２９．７重量％Ｃｒ，４．５重量％Ｗを含むＣｏ基合金に対して、１０５０〜
１１００℃の温度で熱間圧延を施し、共晶炭化物を粒径３０μｍ以下の粒状又は塊状に微細化した。このＣｏ基合金から削り出した厚さ５ｍｍのＣｏ基合金リング１００ａを弁体側の弁座シート５０１にインサート材を間に挟んで押し付けた。また、Ｃｏ基合金から削り出した厚さ５ｍｍのＣｏ基合金リング１００ｂを弁箱側の弁座シート５１１にインサート材を間に挟んで押し付けた。そして、下記に示す条件で液相拡散接合を行なった。
【００２８】
仕切り弁２は、弁体５０と弁箱５１を有し、両者の摺動面に弁座を有する。弁体側の弁座１ａは、弁座シート５０１とＣｏ基合金リング１００ａとから構成されている。弁箱側の弁座１ｂは、弁座シート５１１とＣｏ基合金リング１００ｂとから構成されている。弁座シート（基材）５０１及び５１１はいずれも、
ＳＣＰＨ２（Ｓ２５Ｃ相当）の鋳物である。インサート材は、４．５重量％Ｓｉと３．２重量％Ｂを含み、残部がＮｉからなるニッケル基合金よりなり、厚さは４μｍである。インサート材の固相線温度は約９８０℃、液相線温度は約１０４０℃である。液相拡散接合は、接合温度：１１００℃，保持時間：１時間，真空度：２×１０^−４Ｔｏｒｒ，加圧力：８０ｇ／ｃｍ^２の条件で行なった。インサート材には、融点降下元素であるＳｉ，Ｂが含有されているため、その融点は非接合材よりも低い。しかし、接合温度での保持中にＳｉやＢは非接合材中に拡散してインサート材の融点が上昇するために、接合中にインサート材の凝固が進行する。
【００２９】
接合後に、接合界面の断面観察を実施したところ、ボイド等の接合欠陥は認められず、良好な接合状態を示していた。本実施例による仕切り弁は、弁座の表面が微細な粒状又は塊状の共晶炭化物によって構成されているため、溶存酸素による腐食発生を受け難い。また鋳造組織の基地部の脱落が抑制されるために、弁座の腐食，エロージョンの進行が抑止され、耐漏洩性能の低下が防止される。
【００３０】
（実施例２）
本実施例では、鋳造組織の基地部に網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金に対して、１０５０〜１１００℃での熱間鍛造を施して、共晶炭化物を粒径３０
μｍ以下の粒状または塊状に分断した高硬度の１．１重量％Ｃ，２９．７重量％
Ｃｒ，４．５重量％Ｗを含み、残部がＣｏよりなるＣｏ基合金からなる厚さ５ｍｍのリングを、図４に示す構造の逆止弁３の弁座表面に液相拡散接合した場合について説明する。逆止弁３の構造は図４に示すとおりである。弁箱５１側の弁座シート及び弁体５０側の弁座シートに、前記Ｃｏ基合金リングを、インサート材を間に介在させて押し当て、接合温度：１０９０℃，保持時間：１時間，真空度：２×１０^−４Ｔｏｒｒ，加圧力：５０ｇ／ｃｍ^２の条件で拡散接合を行なった。インサート材には、７重量％Ｃｒ，３重量％Ｆｅ，４．５重量％Ｓｉ，３．２重量％Ｂを含み、残部がＮｉからなるＮｉ基合金を用いた。インサート材の固相線温度は約
９７０℃であり、液相線温度は約１０９０℃である。
【００３１】
接合後、接合界面の断面観察を実施したところ、ボイド等の接合欠陥は認められず、良好な接合状態を示した。また、本実施例による逆止弁も、弁座表面の共晶炭化物が微細になっているので、溶存酸素による共晶炭化物の腐食発生が抑制され、鋳造組織の基地部の脱落が抑制される。このため、弁座の腐食が抑止され、耐漏洩性能の低下が抑えられる。また、本実施例では、インサート材に耐食性の良好なＣｒが含む合金を使用しているので、接合部の耐食性、特に溶存酸素の多い高温高圧の水或いは水蒸気雰囲気下での接合部の耐食性を保持できる。
【００３２】
図５は、原子炉の一次冷却材が循環する配管系統を有する原子力発電プラントの概略図である。一次冷却材が循環する配管系統には、図示を省略したが多くの弁が使用されており、これらの弁に本発明が適用される。図５の原子力発電プラントにおいて、一次冷却材は、原子炉圧力容器１４で熱せられ、高温高圧蒸気となって主蒸気管１５を通って、高圧タービン１８へ導入される。次いで、高圧タービン１８からの排出蒸気は低圧タービン１９に導入され発電機２０を駆動する。高圧タービン１８及び低圧タービン１９からの排出蒸気は、主蒸気復水器２６を経た後、本発明の弁を多数有する給水系６により給水ポンプ３０，高圧給水加熱器３１を経て給水管９を通って原子炉圧力容器１４に復水する。図５中の他の符合は、５が冷却材浄化系熱交換器、７が給水加熱器、８が再循環系配管、１０が主復水器、１１がほう酸スプレ系のＳＬＣタンク、１２がＳＬＣポンプ、１３が燃料格納容器、１６が給水管、１７が湿分分析器、２１が主変圧器、２２が排気筒、２３がオフガス処理系、２４が空気抽出器、２５が低圧復水ポンプ、２７が復水貯蔵槽、２８が復水ろ過装置、２９が復水脱塩装置、３２が制御棒駆動系、３３と３６が熱交換器、３４がろ過脱塩器、３５が原子炉隔離時冷却系、３６が高圧復水ポンプを示している。
【００３３】
原子力発電プラント内に配備される弁を、本発明の弁で構成することにより、弁の寿命を延ばすことができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、共晶炭化物が微細に分断されているので、流体中の溶存酸素による共晶炭化物の腐食損傷が生じにくくなる。このため、弁座面での摩擦抵抗の増加や漏洩を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による仕切り弁の断面図である。
【図２】図１における弁体の拡大図である。
【図３】図１における弁箱の拡大図である。
【図４】本発明の他の実施例による逆止弁の断面図である。
【図５】本発明の弁が配備される原子力発電プラントの概略図である。
【符号の説明】
１ａ…弁体側の弁座、１ｂ…弁箱側の弁座、２…仕切り弁、３…逆止弁、５０…弁体、５１…弁箱、１００ａ，１００ｂ…Ｃｏ基合金リング、５０１，５１１…弁座シート。

Claims

弁体と弁箱を備え、両者が摺動又は接触する面にそれぞれ弁座を有する弁において、それぞれの前記弁座の表面が、重量でＣ０.６〜３％，Ｓｉ２％以下，Ｃｒ２５〜３２％，Ｗ１５％以下，Ｆｅ０〜３％，Ｎｉ０〜３％，Ｍｏ０〜６％を含み、残部がＣｏ及び不可避不純物からなる合金であり、かつ塑性加工を施すことにより金属ミクロ組織の基地部に粒径３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散したコバルト基合金によって形成されていることを特徴とする弁。
前記コバルト基合金よりなる板材が、炭素鋼又は低合金鋼又はステンレス鋼からなる前記弁座の基材に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の弁。
弁体と弁箱を備え、両者が摺動又は接触する面にそれぞれ弁座を有する弁の製造方法において、それぞれの前記弁座の表面に、重量でＣ０.６〜３％，Ｓｉ２％以下，Ｃｒ２５〜３２％，Ｗ１５％以下，Ｆｅ０〜３％，Ｎｉ０〜３％，Ｍｏ０〜６％を含み、残部がＣｏ及び不可避不純物からなる合金であり、かつ塑性加工を施すことにより金属ミクロ組織の基地部に粒径３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散したコバルト基合金からなる板を当て、該板を該弁座に拡散接合によって金属的に接合することを特徴とする弁の製造方法。
前記拡散接合は液相拡散接合であることを特徴とする請求項３記載の弁の製造方法。
弁体と弁箱を備え、両者が摺動又は接触する面にそれぞれ弁座を有する弁の製造方法において、それぞれの前記弁座の表面に、重量でＣ０.６〜３％，Ｓｉ２％以下，Ｃｒ２５〜３２％，Ｗ１５％以下，Ｆｅ０〜３％，Ｎｉ０〜３％，Ｍｏ０〜６％を含み、残部がＣｏ及び不可避不純物からなる合金であり、かつ塑性加工を施すことにより金属ミクロ組織の基地部に粒径３０μｍ以下の粒状又は塊状をした共晶炭化物が分散したコバルト基合金からなる板を前記弁座及び該板よりも低融点のインサート材を間に介して押し当て、この状態で液相拡散接合を行って該板を該弁座に金属的に接合し、前記インサート材に含まれる成分を該板及び該弁座の基材中に拡散させることを特徴とする弁の製造方法。
前記インサート材が重量でＳｉ１〜８％，Ｂ１〜５％を含むニッケル基合金からなることを特徴とする請求項５に記載の弁の製造方法。
水蒸気又は高温水が循環する循環系統を有する発電プラントにおいて、前記循環系統内に配置された弁が、請求項１，２のいずれかに記載の弁によって構成されていることを特徴とする発電プラント。
原子力発電プラントにおいて、原子炉の冷却材が循環する循環系統内に配置された弁が請求項１，２のいずれかに記載の弁によって構成されていることを特徴とする原子力発電プラント。