JP5096762B2

JP5096762B2 - 遠心式ポンプ

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Publication number: JP5096762B2
Application number: JP2007046188A
Authority: JP
Inventors: 博和高山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008208778A

Description

本発明は、遠心式ポンプ（渦巻ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ）に関し、特にポンプケーシングとインペラ入口との間のシール部にかじりが発生しない遠心式ポンプに関するものである。

ポンプケーシングとインペラを備えた遠心式ポンプにおいて、ポンプケーシングとインペラ入口のシール部に接触によるかじりが発するのを防止するため、従来下記のような対策がとられていた。
（１）ポンプケーシングとインペラ入口のクリアランスを広げる。
（２）ポンプケーシングとインペラ入口の接触部の両材料間に硬度差（ＡＰＩ６１０（ＡｍｅｒｉｃａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＰｕｍｐｓｆｏｒＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，ＨｅａｖｙＤｕｔｙＣｈｅｍｉｃａｌ，ａｎｄＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙＳｅｒｖｉｃｅｓ）によればＨＢ５０以上を規定している）をつける。

上記硬度差は、硬度の異なった材料の組み合わせにより、又はいずれか一方の表面を高硬度材による表面改質を行うことにより、更にはいずれか一方の材料に熱処理を実施して行われていた。また、上記クリアランスを広げることはポンプ効率が低下するという問題がある。

近年、大型の遠心式ポンプのシール部に高耐食性材料として同材で二相系ステンレス鋼を使用する需要が増加している。この場合シール部は下記の理由により同材質となるためクリアランスを広げ性能を犠牲にせざるを得ない。
（ａ）異種材料の組み合わせは、適正な硬度差を保てる高耐食性材料が少なく、高価で且つ少量では入手が困難であるため同材を使用せざるを得ない場合が多い。高耐食性を保つため化学成分範囲が定められるため異材でも高耐食性材料間の硬度は少なく、高耐食性材料間の硬度差を保つことが難しい場合が多い。
（ｂ）表面改質のための高硬度材料は、高耐食性の二相系ステンレス鋼と同等な耐食性を有する材料がない。また、遠心式ポンプの大型化に伴い高硬度材料による硬化処理の施工割れ等が発生し、改質処理が困難である。
（ｃ）熱処理による硬化は、４００−５００℃の熱処理により実施できるが、高耐食性の二相系ステンレス鋼が著しく脆化し、部品としてポンプへの取り付けが困難になり、本来の目的である耐食性も低下するという問題がある。
実開平６−１８６９４号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ポンプケーシングとインペラ入口の間にかじりが発生することなく、製作が容易で且つ安価にできるシール部を備えた遠心式ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ポンプケーシングとインペラを備え、該ポンプケーシングと該インペラ入口との間にシール部を具備する遠心式ポンプにおいて、前記シール部における前記インペラ側の部材と前記ポンプケーシング側の部材とのいずれかの対向面に相手面材質より軟質のＣｒ，Ｍｏを含むＮｉ合金を溶射法或いは溶接法により所定厚さに肉盛し、相対面との硬度差をＨＢ（ブリネル硬さ）＝５０以上とし、前記インペラ側の部材と前記ポンプケーシング側の部材は、同材の二相系ステンレス鋼で形成されており、前記Ｎｉ合金を肉盛した部材は、ＰＲＥＮ値が４０以上の二相系ステンレス鋼からなり、前記Ｎｉ合金は、Ｃｒ+Ｍｏ≧３０％のＮｉ合金であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心式ポンプにおいて、前記インペラ側の部材は、インペラリングであり、前記ポンプケーシング側の部材は、ケーシングリングであり、前記Ｎｉ合金の肉盛は、前記インペラリング又はケーシングリングのいずれか一方の相対面に形成することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、シール部のインペラ側の部材又はポンプケーシング側の部材のいずれかの対向面に相手面材質より軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金を溶射法或いは溶接法により所定厚さに肉盛し、相対面との硬度差をＨＢ（ブリネル硬さ）＝５０以上とするので、シール部にかじりが発生することなく、良好なシール特性を維持できる。また、軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金を肉盛するので、施工時に肉盛部に割れが発生することなく、大型の遠心式ポンプ（渦巻ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ）に適用できる。

また、請求項１に記載の発明によれば、高耐食Ｎｉ合金の肉盛は、溶射法或いは溶接法で形成するので、溶接肉盛り後の熱処理を必要としない。また、軟質材の肉盛のため溶接後の溶体化処理（高温保持後水冷）により耐食性を回復できる。また、高価な材料の使用量を少なくすることで、安価にシール部を製作できる。

請求項２に記載の発明によれば、Ｃｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金の肉盛はインペラリング又はケーシングリングのいずれか一方の相対面に形成するので、インペラリング又はケーシングリングにＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金の肉盛を溶射或いは溶接で設けた後、インペラリング又はケーシングリングをインペラ又はケーシングに装着するので加工が容易となる。また、取り扱いが容易なリング状部品への軟質材の肉盛のため入熱が多く溶射或いは溶接後に耐食性が劣化した場合も９８０−１１５０℃での高温保持後に水冷する熱処理により耐食性を回復できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、インペラリング及びケーシングリングは高耐食性の二相系ステンレス鋼からなるので、溶接によりＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金を肉盛してもインペラリング又はケーシングリングの耐食性が劣化しない。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１及び図２は本発明に係る遠心式ポンプの一例である両吸込渦巻ポンプの構成例を示す図である。図１は正断面図（図２のＢ−Ｂ断面）、図２は側面図（図１のＡ矢視図）である。図示するようにポンプケーシング１０はその正断面が吸込ケーシング部１１の中央部に吐出ケーシング部１２が配置され、吸込ケーシング部１１の吸込口１１ａと、吐出ケーシング部１２の吐出口１２ａは互いに反対向きとなっている。ポンプケーシング１０の中央部に主軸１４が固定されたインペラ１３が配置されている。主軸１４はその両端部が軸受１５、１５で回転自在に支持され、主軸１４の一端に電動機等の駆動装置（図示せず）が連結されている。また、ポンプケーシング１０とインペラ入口１３ａ外周の間にはシール部１７が配置されている。

上記構成の両吸込渦巻ポンプにおいて、図示しない駆動装置により主軸１４と伴にインペラ１３を回転すると、インペラ１３の回転により、吸込ケーシング部１１の吸込口１１ａから吸い込まれた液は吸込ケーシング部１１内を矢印Ｃに示すように流れ、インペラ入口１３ａからインペラ１３内に流れ込み、吐出ケーシング部１２内を矢印Ｅに示すように流れ、吸込口１１ａとは反対側に配置された吸込ケーシング部１２の吐出口１２ａから吐出される。

図３はシール部１７の構成を示す図（図１のＦ部分の拡大図）である。シール部１７はインペラ１３のインペラ入口１３ａ外周に設けられたインペラリング３１と、ポンプケーシング１０のインペラリング３１に対向する内周面に設けられたケーシングリング３２と該ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に設けられた肉盛部３３から構成されている。インペラリング３１とケーシングリング３２はそれぞれ高耐食性の２相ステンレス鋼材からなる。

肉盛部３３は軟質のＣｒ、Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金からなり、粉体プラズマアーク溶接法により、ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に該インペラリング３１より硬度差をＨＢ５０以上となるようにしている。肉盛厚さは母材との希釈を避けるため２層盛で肉盛厚さを２．５ｍｍとした。なお、ここでは粉体プラズマアーク溶接法を使用したが、他の溶接方法、例えばＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法、ＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法を使用してもよい。

上記ケーシングリング３２の母材である２相ステンレス鋼は、１）耐食性の観点より４０以上のＰＲＥＮ値（孔食指標：ＰＲＥＮ値＝Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１６Ｎ％、例えばＡＳＴＭＡ８９０で耐食性の目安とされている。）と、２）肉盛材料の硬度より０．２％以上のＮを有することが望ましい。図４は２５Ｃｒ％−７Ｎｉ％−１６％の２相ステンレス鋼についてのＮの含有率（％）とＨＢの関係を示す図である。図示するように、Ｎが０．２％以上になるとＨＢが２５０以上となる。

肉盛部３３の高耐食Ｎｉ合金は、１）耐食性の観点より、６％塩化第二鉄中での臨界隙間腐食発生試験で臨界隙間腐食発生温度（ＣＣＴ）は、Ｃｒ２７％，Ｍｏ３％＝３５％、Ｃｒ２１．５％，Ｍｏ９％＝３７．８℃，Ｃｒ１５．５％，Ｍｏ１６％＝４２℃，Ｃｒ１２．５％，Ｍｏ２０％＝４０℃で実環境での使用温度を考えるとＣｒ＋Ｍｏ≧３０％，Ｃｒ≧１２％，Ｍｏ≧２．５％、２）靭性の観点より金属間化合物の析出しないオーステナイト組織の範囲であるＭｏ≦２５％、Ｃｒ≦５０％が望ましい。プラズマアーク溶接を行い１０００℃で溶体化処理後を行った後の肉盛材料の硬さ及び組成を図５に示す。

上記のようにシール部１７はケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に設けられた肉盛部３３を備えた構成であるので、シール部１７にかじりが発生することなく、良好なシール特性を維持できる。また、軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金をプラズマアーク溶接で肉盛するので、施工時に肉盛部に割れが発生することなく、大型の遠心式ポンプ（ここでは渦巻ポンプ）に適用できる。

また、高耐食Ｎｉ合金の肉盛は、プラズマアーク溶接法で形成するので、溶接肉盛り後の熱処理を必要としない。また、軟質材の肉盛のため溶接後の溶体化処理（高温保持後水冷）により耐食性を回復できる。また、高価な材料である軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金の使用量を少なくすることで、安価にシール部１７を製作できる。また、インペラリング３１及びケーシングリング３２は２相ステンレス鋼材からなるので、プラズマアーク溶接によりＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金を肉盛してもケーシングリング３２の耐食性が劣化しない。

なお、上記例ではケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面に軟質のＣｒ、Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金からなる肉盛部３３を形成したが、インペラリング３１のケーシングリング３２に対向する面にプラズマアーク溶接法で肉盛部を形成してもよい。また、インペラリング３１又はケーシングリング３２にプラズマアーク溶接によりＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金の肉盛部３３を形成した後、インペラリング３１又はケーシングリング３２に装着するので、施工が容易となる。

また、上記例では２相ステンレス鋼材からなるケーシングリング３２及びインペラリング３１を設けている両吸込渦巻ポンプを例に説明したが、ケーシングリング３２及びインペラリング３１を設けることなく、例えばインペラ入口１３ａ外周に対向するポンプケーシング１０内周面、又はポンプケーシング１０のインペラ入口１３ａ外周に対向する面に相手面の材質より軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金を肉盛することで、相対面の材質との間に硬度差をＨＢ５０以上としてもよい。

図６は本発明に係る遠心式ポンプの一例である斜流ポンプの側面構成を示す図である。図示するように、本斜流ポンプは吸込ベル２０及び吐出しボウル２１から構成されるポンプケーシングを備え、吐出しボウル２１の吐出口に吐出管２２が接続されている。２３はポンプ羽根車（インペラ）であり、該ポンプ羽根車２３は主軸２４の先端にハブ２５を介して固定され、該ポンプ羽根車２３はその先端がポンプケーシングを構成する吸込ベル２０の後端内周面に接近して位置する。吸込ベル２０内周面とポンプ羽根車２３の外周面の間にシール部１７が設けられている。

図７はシール部１７の構成を示す図（図６のＡ部分の拡大図）である。図示するように、シール部１７はポンプ羽根車２３の外先端に取付けられたインペラリング３１と吸込ベル２０の内周面にインペラリング３１と対向して取付けられたケーシングリング３２を備えている。ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に肉盛部３３が構成されている。インペラリング３１とケーシングリング３２はそれぞれ高耐食性の２相ステンレス鋼材からなる。

肉盛部３３は図１乃至図３に示す構成の両吸込渦巻ポンプと同様、軟質のＣｒ、Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金からなり、粉体プラズマアーク溶接により、ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に、該インペラリング３１より硬度差をＨＢ５０以上となるようにしている。肉盛部３３の厚さは母材との希釈を避けるため２層盛で肉盛厚さを２．５ｍｍとしている。なお、ここでは粉体プラズマアーク溶接法を使用したが、他の溶接方法、例えばＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法、ＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法を使用してもよい。

上記ケーシングリング３２の母材である２相ステンレス鋼材は、上記と同様、１）耐食性の観点より４０以上のＰＲＥＮ値と、２）肉盛材料の硬度より０．２％以上のＮを有することが望ましい。また、肉盛部３３の高耐食Ｎｉ合金は、１）耐食性の観点より、Ｃｒ＋Ｍｏ≧３０％，Ｃｒ≧１２％，Ｍｏ≧２．５％、２）靭性の観点よりオーステナイト組織の範囲であるＭｏ≦２５％、Ｃｒ≦５０％が望ましい。

上記のようにシール部１７のケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に肉盛部３３が構成されているので、シール部１７にかじりが発生することなく、良好なシール特性を維持できる。また、軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金をプラズマアーク溶接で肉盛するので、施工時に肉盛部に割れが発生することなく、大型の遠心式ポンプ（ここでは斜流ポンプ）に適用できる。

なお、軟質のＣｒ、Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金からなる肉盛部３３は、インペラリング３１のケーシングリング３２に対向する面にプラズマアーク溶接法で形成してもよい。

図８は本発明に係る遠心式ポンプの一例である軸流ポンプの側断面構成を示す図である。図示するように、本軸流ポンプはポンプケーシング２７を具備し、その先端に吸込ケーシング２６が接続され、後端に吐出ケーシング２８が接続されている。２９はポンプ羽根車（インペラ）であり、該ポンプ羽根車２９は主軸２４の先端にハブ３０を介して固定され、該ポンプ羽根車２９はその先端がポンプケーシング２７の内周面近傍に位置する。ポンプケーシング２７の内周面とポンプ羽根車２９の外周面の間にシール部１７が設けられている。

図９はシール部１７の構成を示す図（図８のＡ部分の拡大図）である。図示するように、シール部１７はポンプ羽根車２３の外周先端に取付けられたインペラリング３１とポンプケーシング２７の内周面にインペラリング３１と対向して取付けられたケーシングリング３２を備えている。ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に肉盛部３３が形成されている。インペラリング３１とケーシングリング３２はそれぞれ高耐食性の２相ステンレス鋼材からなる。

肉盛部３３は図１乃至図３に示す構成の両吸込渦巻ポンプと同様、軟質のＣｒ、Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金からなり、粉体プラズマアーク溶接により、ケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に該インペラリング３１より硬度差をＨＢ５０以上となるようにしている。肉盛部３３の厚さは母材との希釈を避けるため２層盛で肉盛厚さを２．５ｍｍとしている。なお、ここでは粉体プラズマアーク溶接法を使用したが、他の溶接方法、例えばＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法、ＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法を使用してもよい。

上記ケーシングリング３２の母材である２相ステンレス鋼は、上記と同様、１）耐食性の観点より４０以上のＰＲＥＮ値と、２）肉盛材料の硬度より０．２％以上のＮを有することが望ましい。また、肉盛部３３の高耐食Ｎｉ合金は、１）耐食性の観点より、Ｃｒ＋Ｍｏ≧３０％，Ｃｒ≧１２％，Ｍｏ≧２．５％、２）靭性の観点よりオーステナイト組織の範囲であるＭｏ≦２５％、Ｃｒ≦５０％が望ましい。

上記のようにシール部１７のケーシングリング３２のインペラリング３１に対向する面（相対面）に肉盛部３３が構成されているので、シール部１７にかじりが発生することなく、良好なシール特性を維持できる。また、軟質のＣｒ，Ｍｏを含む高耐食Ｎｉ合金をプラズマアーク溶接で肉盛するので、施工時に肉盛部に割れが発生することなく、大型の遠心式ポンプ（ここでは軸流ポンプ）に適用できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係る両吸込渦巻ポンプの構成例を示す正断面図（図２のＢ−Ｂ断面）である。本発明に係る両吸込渦巻ポンプの構成例を示す側面図（図１のＡ矢視図）である。本発明に係る両吸込渦巻ポンプのシール部の構成を示す図（図１のＦ部分の拡大）である。Ｆｅ基２５Ｃｒ−７Ｎｉ−３Ｍｏ含有合金（二相ステンレス鋼）についてのＮの含有率とＨＢの関係を示す図である。肉盛部のプラズマアーク溶接後１０００℃溶体化処理後の肉盛材料の硬さ及び組成を示す図である。本発明に係る斜流ポンプの構成例を示す側断面図である。本発明に係る斜流ポンプのシール部の構成を示す図（図６のＡ部分の拡大）である。本発明に係る軸流ポンプの構成例を示す側断面図である。本発明に係る軸流ポンプのシール部の構成を示す図（図８のＡ部分の拡大）である。

符号の説明

１０ポンプケーシング
１１吸込ケーシング部
１２吐出ケーシング部
１３インペラ
１４主軸
１５軸受
１６軸封部
１７シール部
２０吸込ベル
２１吐出しボウル
２２吐出管
２３ポンプ羽根車（インペラ）
２４主軸
２５ハブ
２６吸込ケーシング
２７ポンプケーシング
２８吐出ケーシング
２９ポンプ羽根車（インペラ）
３０ハブ
３１インペラリング
３２ケーシングリング
３３肉盛部

Claims

ポンプケーシングとインペラを備え、該ポンプケーシングと該インペラ入口との間にシール部を具備する遠心式ポンプにおいて、
前記シール部における前記インペラ側の部材と前記ポンプケーシング側の部材とのいずれかの対向面に相手面材質より軟質のＣｒ，Ｍｏを含むＮｉ合金を溶射法或いは溶接法により所定厚さに肉盛し、相対面との硬度差をＨＢ（ブリネル硬さ）＝５０以上とし、
前記インペラ側の部材と前記ポンプケーシング側の部材は、同材の二相系ステンレス鋼で形成されており、前記Ｎｉ合金を肉盛した部材は、ＰＲＥＮ値が４０以上の二相系ステンレス鋼からなり、
前記Ｎｉ合金は、Ｃｒ+Ｍｏ≧３０％のＮｉ合金である
ことを特徴とする遠心式ポンプ。
請求項１に記載の遠心式ポンプにおいて、
前記インペラ側の部材は、インペラリングであり、前記ポンプケーシング側の部材は、ケーシングリングであり、
前記Ｎｉ合金の肉盛は、前記インペラリング又はケーシングリングのいずれか一方の相対面に形成することを特徴とする遠心式ポンプ。