JP4184695B2

JP4184695B2 - 給水ポンプ

Info

Publication number: JP4184695B2
Application number: JP2002106559A
Authority: JP
Inventors: 洋明吉岡; 正弘齋藤; 貞男坂本; 達也沖原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: JP2003301792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸封部を有する給水ポンプに関し、特に軸封部の耐食・耐エロージョン性が改善された給水ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、原子炉給水ポンプは頑丈な円筒形のケーシングと円形フランジを持ったカバーの中に回転軸が収められており、主としてケーシング、ケーシングカバー、回転軸、軸受けおよび軸封部の５つの部分から構成されている。
【０００３】
軸封部は、回転軸とこれに隣接して設けられるスロットルブッシュ、およびこれらを取り囲むケーシングから構成されている。スロットルブッシュはケーシング側に設けられており、スロットルブッシュと回転軸との間には狭い間隙が設けられており、この狭い間隙により軸封部の流れを制御している。さらに、このスロットルブッシュと回転軸との間隙には、ポンプ内部の高温水が外部に流出して蒸気となるのを防ぐため、注入口より冷却水を注水して流出を抑制している。この注水された冷却水は、中間抽出口や戻り口より全て回収され再び系統に戻されている。
【０００４】
この場合、冷却水の一部がポンプ内部に入り込む場合があることから、冷却水は純粋である必要があり、復水が使用されている。この場合の復水の制御は、注入圧力を抽出圧力より２〜４ｋｇ／ｃｍ^２高く一定とする方式と復水回収温度を５０〜６０℃に保つ方式とがあり、後者の場合にも注入圧力はポンプ内部水と同等以上に昇圧し注入している。このように軸封部は高圧の純水に常に曝されており、腐食の問題があることから、Ｃｒメッキが施されている。
【０００５】
しかしながら、この皮膜のピンホール等から腐食が生じるため、定期点検毎に再度メッキ処理を施さなければならなかった。また、上記構造に起因して高圧の純水流中に曝されることから、腐食剥離がさらに加速される可能性があった。
【０００６】
このような腐食剥離の改善策として、粉体プラズマアーク法によりＣｏ：４５重量％以上、Ｍｏ：２０〜４２重量％、Ｃｒ：１７〜２５重量％、およびＳｉ：１２重量％以下の組成からなるＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉを肉盛する方法（特開昭６０−２０６５６７号「耐食・耐磨耗性肉盛層の形成方法」）、一方の摺動面に物理蒸着によりＴｉＮ膜を形成し、他方にＤＬＣ膜、ＣｒＮ、あるいはＰＥＥＫ、ＰＴＦＥのコーティングを施す方法（特開平１０−１８４６９２号「水潤滑または水潤滑シール」）、母材にＳｉ、Ｂのうち少なくとも一種を含有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を被覆した後、さらにＷＣあるいはＣｒ_３Ｃ_２を含有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を被覆する方法（特開２００１−８２４７９号「摺動部材とその製造方法」）等が検討されているが、未だ腐食剥離を十分に抑制するには到っていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような課題を解決するためになされたものであって、軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における腐食・磨耗・エロージョン等による被覆層の剥離が抑制された給水ポンプを提供することを目的としている。
【０００８】
また、本発明では、原子炉給水ポンプとしての使用も鑑み、被爆低減および機器の劣化防止への配慮から、使用水質条件下における腐食速度が小さく、材料成分の溶出が少なく、特に材料成分中における放射化しやすいＣｏの量を低減させた被覆層を有する給水ポンプを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は軸封部を有する給水ポンプにおいて、軸封部における回転軸ならびにこの回転軸に隣接するスロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）および鉄（Ｆｅ）を必須成分として含有する合金粉末、または前記合金粉末にタングステンカーバイド（ＷＣ）およびクロムカーバイド（Ｃｒ２Ｃ３）の一方あるいは両方が添加された混合粉末が高速フレーム溶射により被覆され、前記合金粉末が、クロム１４〜３０重量％、モリブデン１５〜２０重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウムおよびチタン０〜０．５重量％、炭素０．１５重量％以下、および不可避的不純物を含有し、残部がニッケルおよび鉄からなるニッケル基または鉄基合金からなることを特徴とする。
【００１０】
高速フレーム溶射による被覆は、フレーム速度が１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓの範囲内で行うことが好ましく、また合金粉末または混合粉末からなる溶射粉末の粒子速度が５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓの範囲内となるように行うことが好ましい。
【００１２】
さらに、合金粉末がＮｉ基合金からなる場合には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＦｅおよびＣの含有量を、Ｃｒ１５〜１８重量％、Ｍｏ１５〜１９重量％、Ｗ４〜５重量％、Ｆｅ５〜７重量％、Ｃ０．１５重量％以下とすることが好ましく、合金粉末がＦｅ基合金からなる場合には、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＣおよびＮｉの含有量を、Ｃｒ１８〜２４重量％、Ｔｉ０．５重量％以下、Ａｌ０．５重量％以下、Ｃ０．１重量％以下、Ｎｉ３０〜３５重量％とすることが好ましい。
【００１３】
また、合金粉末とＷＣとを混合して混合粉末として用いる場合には、混合粉末における合金粉末とＷＣとの割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部ＷＣとすることが好ましく、さらに合金粉末２５重量％、ＷＣ７５重量％とすればより好ましい。
【００１４】
ＷＣの代わりにＣｒ_２Ｃ_３を合金粉末と混合して混合粉末として用いる場合には、混合粉末における合金粉末とＣｒ_２Ｃ_３との割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部Ｃｒ_２Ｃ_３とすることが好ましく、さらに合金粉末２５重量％、Ｃｒ_２Ｃ_３７５重量％とすればより好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る給水ポンプについて、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の給水ポンプの一例である原子炉給水ポンプを示した断面図である。原子炉給水ポンプ１は、頑丈な円筒形のケーシング２と円形フランジを持ったカバー３の中に回転軸４が収められており、主としてケーシング２、ケーシングカバー３、回転軸４、軸受け５および軸封部６の５つの部分から構成されている。
【００１７】
図２は、図１に示される原子炉給水ポンプ１の軸封部６の構造を拡大して示したものである。軸封部６は、回転軸４とこれに隣接して設けられるスロットルブッシュ７、さらにこれらを取り囲むようにして設けられるケーシング２とからなる。スロットルブッシュ７はケーシング２側に設けられており、スロットルブッシュ７と回転軸４との間には狭い間隙が設けられ、これらは摺動可能となっている。
【００１８】
このスロットルブッシュ７と回転軸４との狭い間隙は軸封部６の流れを制御するものであり、給水ポンプ内部の高温水が外部に流出して蒸気となるのを防ぐため、注入口８を通して外部より冷却水をスロットルブッシュ７と回転軸４との狭い間隙に注水し、流出を抑制している。この注水した冷却水は全て中間抽出口９や戻り口１０より回収され、再び系統に戻す構造となっている。
【００１９】
本発明では、このような給水ポンプの軸封部６において、回転軸４ならびにこの回転軸４に隣接するスロットルブッシュ７およびケーシング２の少なくとも一つに、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅを必須成分として含有する合金粉末、またはこの合金粉末にＷＣおよびＣｒ_２Ｃ_３のうち少なくとも一方を添加した混合粉末を高速フレーム溶射により被覆したことを特徴としている。
【００２０】
すなわち、給水ポンプのうち常に高圧の純水に曝されており、腐食剥離が発生しやすい軸封部６において、上記合金粉末あるいは混合粉末を高速フレーム溶射により被覆し、回転軸４の表面上に回転軸被覆層４ａ、またはこの回転軸４に隣接するスロットルブッシュ７あるいはケーシング２の表面上、特に回転軸４との対向面上にそれぞれスロットルブッシュ被覆層７ａ、ケーシング被覆層を設けることにより、被覆層の腐食剥離が有効に抑制された、信頼性の高い給水ポンプとすることができる。このため、従来のようなＣｒメッキを施したものに比べて、補修等の手間も大幅に省くことが可能となる。
【００２１】
本発明では、特に回転軸４の表面上に高速フレーム溶射により被覆層が形成されていることが好ましい。通常、スロットルブッシュ７は回転軸４よりも磨耗しやすい材料を用いており、容易に交換可能な構造となっているが、回転軸４はスロットルブッシュ７のように容易に交換することが困難であり、回転軸４の損傷を抑制する必要性が大きいからである。一方、スロットルブッシュ７については、容易に交換可能であることから必ずしも高速フレーム溶射により被覆層を形成する必要はないが、スロットルブッシュ７やケーシング２についても、損傷を抑制し、交換時期を延ばすために、高速フレーム溶射により被覆層を形成しておくことが好ましい。
【００２２】
本発明において上記したような高速フレーム溶射を用いることとしたのは、フレーム速度を速くすることによって、被覆層の気孔率を小さくし、被覆層を緻密にすることができ、これに伴い被覆層と基材との密着力も改善することができるからである。
【００２３】
この高速フレーム溶射は、酸素と可燃ガスとの燃焼炎を用いて粉末状溶射材料を加熱し、溶融またはそれに近い状態にして素地に吹き付けて被膜を形成するフレーム溶射法のうち、燃焼室の圧力を高めることによって音速以上の高速フレームを発生させるものである。
【００２４】
フレーム速度があまりに遅いと溶射ガン中に詰まりやすくなり、一方、フレーム速度がある値以上となると溶射粉末の付着量は多くなるが、フレームによるエロージョンにより削られ、実質的に溶射効率が低下してしまうことから、フレーム速度は１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓ、さらには２０００ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。また、このようなフレーム速度の場合、本発明に用いられる合金粉末あるいは混合粉末の粒子速度は５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓとなる。
【００２５】
このような高速フレーム溶射により形成される被覆層の厚さは、１００〜１５０μｍとすることが好ましい。さらに好ましくは、１３０μｍ程度である。このような膜厚とするには、例えば高速フレーム溶射により１５０〜５００μｍ程度の被覆層を形成した後、この被覆層を上記範囲となるように削ることにより達成できる。
【００２６】
溶射、被覆に用いられる合金粉末は、Ｎｉ、ＣｒおよびＦｅを必須成分として含有するものであればよいが、Ｃｒ１４〜３０重量％、Ｍｏ１５〜２０重量％、Ｗ０〜５重量％、ＡｌおよびＴｉ０〜０．５重量％、Ｃ０．１５重量％以下、および不可避的不純物を含有し、残部がＮｉおよびＦｅからなるＮｉ基またはＦｅ基合金からなる粉末であればより好ましい。
【００２７】
上記Ｎｉ基合金からなる合金粉末の場合には、さらにＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＦｅおよびＣの含有量を、Ｃｒ１５〜１８重量％、Ｍｏ１５〜１９重量％、Ｗ４〜５重量％、Ｆｅ５〜７重量％、Ｃ０．１５重量％以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、上記Ｆｅ基合金からなる合金粉末の場合には、さらにＣｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＣおよびＮｉの含有量を、Ｃｒ１８〜２４重量％、Ｔｉ０．５重量％以下、Ａｌ０．５重量％以下、Ｃ０．１重量％以下、Ｎｉ３０〜３５重量％とすることが好ましい。
【００２９】
本発明では、上記したような合金粉末を単独で用いてもよいし、またこれにＷＣおよびＣｒ_２Ｃ_３の一方あるいは両方を添加して混合粉末として用いてもよい。
【００３０】
ＷＣを添加する場合には、混合粉末における合金粉末とＷＣとの割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部ＷＣ、さらには合金粉末２５重量％、ＷＣ７５重量％程度とすることが好ましい。
【００３１】
Ｃｒ_２Ｃ_３を添加する場合には、混合粉末における合金粉末とＣｒ_２Ｃ_３との割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部Ｃｒ_２Ｃ_３、さらには合金粉末２５重量％、Ｃｒ_２Ｃ_３７５重量％程度とすることが好ましい。
【００３２】
これらＷＣ、Ｃｒ_２Ｃ_３は溶射条件、使用環境等により種類および割合を適宜選択することが好ましく、例えば溶射の温度が低い場合にはＷＣを用い、高い場合にはＣｒ_２Ｃ_３を用いることが好ましい。
【００３３】
以上、本発明の給水ポンプについて、一例として原子炉給水ポンプを挙げて説明したが、本発明はこのような原子炉給水ポンプに限られるものではなく、軸封部を有する給水ポンプであれば種々のものに対して適用が可能であり、例えば復水ポンプや再循環ポンプ等にも適用することが可能である。また軸封部だけでなく、給水ポンプの羽根車等にも高速フレーム溶射により被覆層を形成しておけばより好ましい。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明を実施例によって詳細に説明する。
まず、表１に記載された実施例１の組成の合金を用い、被覆方法を変えて被覆を行い、被覆方法の違いが気孔率および腐食量に及ぼす影響を調べた。図３は、被覆方法と被覆層の気孔率との関係を、図４は、１３Ｃｒ鋼に各種被覆方法により被覆層を形成し、腐食試験を行ったときの結果を示したものである。
【００３５】
なお、図３および図４における超高速フレーム溶射とは、フレーム溶射の際のフレーム速度を２０００ｍ／ｓとしたものであり、高速フレーム溶射とは、フレーム溶射の際のフレーム速度を１０００ｍ／ｓとしたものである。また、図４における腐食量は、超高速フレーム溶射により被覆した試料の腐食量を１として、これに対してメタライジング法、大気プラズマ溶射または高速フレーム溶射により被覆を行った試料の腐食量を相対的に示したものである。
【００３６】
腐食試験は、JIS Z２３７１に規定された塩水噴霧試験方法のキャス試験で、１０時間の加速評価試験を行った。他の施工法に比較して、高速フレーム溶射、超高速フレーム溶射により被覆を行ったものは、気孔率が低く、耐食性にも優れていることが認められた。
【００３７】
次に、表１に示されるような各種合金粉末または混合粉末を用いて、高速フレーム溶射または超高速フレーム溶射により１３Ｃｒ鋼に被覆を行い本発明の実施例の試料を作製した。なお、表１における超高速フレーム溶射とは、フレーム溶射の際のフレーム速度を２０００ｍ／ｓとしたものであり、高速フレーム溶射とは、フレーム溶射の際のフレーム速度を１０００ｍ／ｓとしたものである。実施例１〜３、８〜１２は、実質的にＷＣおよびＣｒ_２Ｏ_３を含まないものであり、実施例４〜７、１３および１４は、実施例１または３で用いた合金と、ＷＣまたはＣｒ_２Ｏ_３とを混合したものである。
【００３８】
これら実施例１〜１４について、ビッカース硬さ、耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性の評価試験を行った。
【００３９】
なお、耐食性評価の為の腐食試験は、上記キャス試験と同じく１０時間の試験結果をもって評価した。耐磨耗性は、往復摺動試験にて、面圧１００ｋｇ／ｍｍ^２、速度６ｍ／ｍｉｎ、ストローク７５ｍｍ、空気中、無潤滑で１０時間行った。また、キャビテーション試験は、ＡＳＴＭＧ３２−７７に従い、磁歪振動法にて１８．５ｋＨｚ、振幅４５μｍ、水温２５℃で２時間行った。
【００４０】
結果を表１に示す。また、図５にビッカース硬さの測定結果を、図６に耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性の測定結果をグラフにして示す。なお、耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性の評価結果は、本発明の実施例１の評価結果を１として、他の実施例の評価結果を相対的に示したものである。
【００４１】
また、比較のためにフレーム溶射を行わないもの、すなわち基材である１３Ｃｒ鋼のみのもの（比較例１）、同鋼にＣｒメッキを施したもの（比較例２）、メタライジング法により被覆を行ったもの（比較例３）、大気プラズマ法により被覆を行ったもの（比較例４）について、それぞれビッカース硬さ、耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性の評価試験を行った。結果を表１、図５および図６にあわせて示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
実施例１、２および３は、超高速フレーム溶射あるいは高速フレーム溶射機で被覆することにより緻密で気孔率の低い被覆層を形成することができ、被覆されていない比較例１および従来法であるＣｒメッキを施した比較例２と比較しても優れた耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性を示した。また、低Ｃｒの実施例８は耐食性が、高Ｃｒの実施例９は脆性になり耐キャビテーション性が、また、低Ｍｏのものは、耐磨耗性と耐キャビテーション性の低下が認められた。
【００４４】
また、実施例１または３の合金粉末にＷＣあるいはＣｒ_２Ｃ_３を添加した混合粉末を用いた実施例４〜７では、ビッカース硬さで１２００を超える硬さが得られており、超高速フレーム溶射にて被覆することにより緻密で気孔率の低い被覆層も得られており、耐食性、耐キャビテーション性、特に耐磨耗性に優れた被覆層を得ることができた。
【００４５】
しかし、このＷＣの添加も１５重量％以下では実施例１とほぼ同等の特性しか得られず、添加の効果は認められず、また、過度の添加は、逆に粒子の密着度を低下させ、耐キャビテーション性の極端な低下を来した。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軸封部における回転軸ならびにこの回転軸に隣接するスロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性に優れた緻密で気孔率の高い被覆層を形成することが可能となり、定期点検毎に軸封部の再被覆の必要のない給水ポンプを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の給水ポンプの一例である原子炉給水ポンプを示した断面図
【図２】軸封部を拡大して示した断面図
【図３】被覆方法と気孔率との関係を示したグラフ
【図４】被覆方法と耐食性との関係を示したグラフ
【図５】実施例および比較例のビッカース硬さを示したグラフ
【図６】実施例および比較例の耐食性、耐磨耗性および耐キャビテーション性を示したグラフ
【符号の説明】
１…原子炉給水ポンプ２…ケーシング３…ケーシングカバー４…回転軸（４ａ…回転軸被覆層）５…軸受け部６…軸封部７…スロットルブッシュ（７ａ…スロットルブッシュ被覆層）

Claims

軸封部を有する給水ポンプにおいて、前記軸封部における回転軸ならびにこの回転軸に隣接するスロットルブッシュおよびケーシングの少なくとも一つに、ニッケル、クロムおよび鉄を必須成分として含有する合金粉末、または前記合金粉末にタングステンカーバイドおよびクロムカーバイドの一方あるいは両方が添加された混合粉末が高速フレーム溶射により被覆され、前記合金粉末が、クロム１４〜３０重量％、モリブデン１５〜２０重量％、タングステン０〜５重量％、アルミニウムおよびチタン０〜０．５重量％、炭素０．１５重量％以下、および不可避的不純物を含有し、残部がニッケルおよび鉄からなるニッケル基または鉄基合金からなることを特徴とする給水ポンプ。
前記高速フレーム溶射による被覆において、フレーム速度を１０００ｍ／ｓ〜３０００ｍ／ｓとして、溶射、被覆を行うことを特徴とする請求項１記載の給水ポンプ。
前記高速フレーム溶射による被覆において、前記合金粉末または混合粉末からなる溶射粉末の粒子速度を５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓとして、溶射、被覆を行うことを特徴とする請求項１または２記載の給水ポンプ。
前記ニッケル基合金からなる合金粉末において、前記クロム、モリブデン、タングステン、鉄および炭素の含有量を、クロム１５〜１８重量％、モリブデン１５〜１９重量％、タングステン４〜５重量％、鉄５〜７重量％、炭素０．１５重量％以下としたことを特徴とする請求項１記載の給水ポンプ。
前記鉄基合金からなる合金粉末において、前記クロム、チタン、アルミニウム、炭素およびニッケルの含有量を、クロム１８〜２４重量％、チタン０．５重量％以下、アルミニウム０．５重量％以下、炭素０．１重量％以下、ニッケル３０〜３５重量％としたことを特徴とする請求項１記載の給水ポンプ。
前記混合粉末における合金粉末とタングステンカーバイドとの割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部をタングステンカーバイドとしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の給水ポンプ。
前記混合粉末における合金粉末とタングステンカーバイドとの割合を、合金粉末２５重量％、タングステンカーバイド７５重量％としたことを特徴とする請求項６記載の給水ポンプ。
前記混合粉末における合金粉末とクロムカーバイドとの割合を、合金粉末１５〜５０重量％、残部をクロムカーバイドとしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の給水ポンプ。
前記混合粉末における合金粉末とクロムカーバイドとの割合を、合金粉末２５重量％、クロムカーバイド７５重量％としたことを特徴とする請求項８記載の給水ポンプ。