JPWO2008111150A1 - 弁装置 - Google Patents

Abstract

コバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接した弁装置の信頼性を向上する。弁棒１との摺動面を有する軸受けを備える弁装置であって、弁棒１との摺動面に耐熱コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛りによる溶接層１２が形成され、当該溶接層１２は、軸受けの表面に形成された、希釈率が５〜２５％の第１の溶接層１２ａと、第１の溶接層１２ａの上に形成された、希釈率が第１の溶接層１２ａの希釈率の５０％以下である第２の溶接層１２ｂとを備える。希釈率とは、母材への溶接金属の溶け込み量を示すパラメータであり、溶接した金属の全量をＡ、母材へ溶け込んでいる溶接金属の量をＢとすると、Ｂ／Ａ×１００（％）で求められる値をいう。

Description

本発明は、弁装置に関し、特に蒸気弁の弁棒とこの弁棒を支持する軸受けとの間のスティックを防止することのできる弁装置に関する。

蒸気タ―ビンの主要な蒸気弁は高温高圧下の苛酷な条件のもとで使用され、さらに高速蒸気流を制御する役目を担っている。高温下においては金属表面が活性化状態となり、雰囲気中の高温水蒸気と反応して酸化皮膜を生成する。この生成した酸化皮膜は母材の組成及び雰囲気条件によって、母材との付着強度が異なり、弁のくり返し開閉動作の度に剥離を起こし、これが弁棒の摺動により表面の凹部に局部的に堆積して軸受けとの間隙を埋め、弁棒のスティックを生じることがある。このため、蒸気タ―ビンの定期検査時に弁棒まわりを分解し、酸化皮膜を落とすための手入れが必要となり、また堆積物発生量を予め見込んで弁棒と軸受けとの間隙を大きくとるために、弁棒まわりから漏洩する蒸気量が多くなり、プラント全体の熱効率を低下させる等の問題を起こす。

従来、上記問題点を解決する方法として、弁棒の外表面に窒化による表面硬化層を設けているが、窒化層は約５００℃以上で分解し、軟化する性質を持ち、また窒化層の厚さが極めて薄いため窒化層がなくなると摩耗が急激に進展する欠点がある。

上記のように弁棒と軸受けとは酸化被膜が生成した場合においても弁の動作に支障をきたさない程度に間隙を保つ必要がある。また、これら弁棒と軸受けとは低合金鋼（Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼）、１２Ｃｒ系ステンレス鋼、オ―ステナイト系ステンレス鋼等から構成され、摩耗、スティック等の防止のため窒化による表面硬化処理を行っていた。スティック防止のために設けられる弁棒と軸受けとの間隙は余裕を見込み、大きく設定されているために弁棒が蒸気流によって振動し、軸受け端部がベルマウス状に摩耗し、さらに弁棒の振動を増大させる危険性がある。

以上の問題点について、特許文献１は、コバルト基合金で肉盛り溶接した弁装置を提案している。この弁装置は、肉盛り層の初めの少なくとも二層は、重量でＮｉ：９〜１１％、Ｃｒ：１９〜２１％、Ｗ：１４〜１６％、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｆｅおよび不純物少量、残部ＣｏからなるＣｏ基合金（ステライトＮｏ．２５）、さらにその上の層が、重量でＮｉ：３〜６％、Ｃｒ：２６〜３２％、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｗ：３〜６％、Ｆｅおよび不純物少量、残部ＣｏからなるＣｏ基合金（ステライトＮｏ．６）、または重量でＮｉ：４％以下、Ｃｒ：２５〜２９％、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｍｏ：５〜６％、Ｆｅおよび不純物少量、残部Ｃｏ（ステライトＮｏ．２１）からなるＣｏ基合金で形成される。なお、ステライトは、デロロステライト社の登録商標である。

特許文献１は、肉盛り溶接としてＴＩＧ溶接を用いることを例示しているが、特許文献２は、軸受けに接触する弁棒の外表面に、プラズマ粉体肉盛り溶接によるＣｏ基合金の溶接層を形成することを提案している。

また、特許文献３は、蒸気弁の駆動部を構成する弁棒の軸受け接触面に連続的にコバルト基硬質合金粉末を供給しつつ、レーザビームを該粉末に照射し順次溶融させてクラッディング硬化層を形成すること、また、蒸気弁の駆動部を構成する弁棒の軸受け接触面にコバルト基硬質合金粉末を溶射あるいは塗布して硬質合金層を形成し、その後該硬質合金層にレーザビームを照射して再溶融させてクラッディング硬化層を形成することを提案している。

特許文献１及び特許文献２ともに、Ｃｏ基合金、典型的にはステライトを用いることにより酸化被膜の発生を低減できることを開示している。

特開昭５９−１６９６９６号公報 特開昭６０−１７２０６号公報 特開平６−１７４１２６号公報

特許文献２が提案するプラズマ粉体肉盛り溶接は、母材への溶接材料の溶け込み深さが小さく、希釈率を５％未満と小さくすることができるため、溶接材料の標準化学組成の肉盛り層を効率的に得ることができる利点がある。また、特許文献３が提案するレーザビーム溶接は、ビーム周辺に冷却用アシストガスを流すので、肉盛り材料がガスで飛散し、溶接効率が低いという問題を有していた。したがって、コバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接することが、本発明が対象とする弁装置には効果的である。
しかるに、本発明者等がコバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接する実験を種々行ったところ、長時間にわたって高温高圧下の苛酷な条件下に置いた場合、コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層が剥離し、あるいは溶接層に脆性的な割れが発生することを確認した。
また、弁棒に肉盛り溶接を行うと、トリップや緊急負荷遮断が発生した時、弁棒に大きな衝撃が係ることがあり、弁棒の溶接部が脆性破壊を起こしやすくなることを確認した。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、コバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接した弁装置の信頼性を向上することを目的とする。

本発明者等は、かかる目的のもと、コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層が剥離し、あるいは溶接層に脆性的な割れが発生する原因を究明したところ、コバルト基合金の母材への希釈率が影響していることを知るに至った。上述したように、プラズマ粉体肉盛り溶接は、希釈率を５％未満と小さくできることを特徴とするものの、希釈率が５％未満と低い場合には剥離が生じやすい。一方、希釈率が高くなると、溶接層に脆性的な割れが発生する傾向が高い。そこで本発明は、希釈率を特定の範囲になるようにしてコバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層を形成することを提案するものである。
また、より安全を重視する必要がある蒸気タービンによる発電システム等の弁装置においては、安全面より、軸受け側にコバルト基合金の肉盛り溶接を提案するものである。

すなわち本発明は、弁棒との摺動面を有する軸受けを備える弁装置であって、軸受けは弁棒との摺動面に耐熱コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層が形成され、当該溶接層は、軸受けの表面に形成された、希釈率が５〜２５％の第１の溶接層と、第１の溶接層の上に形成された、希釈率が第１の溶接層の希釈率の５０％以下である第２の溶接層とを備えることを特徴とする。
第１の溶接層の希釈率は、１０〜２５％であることが好ましい。
ここで、本発明における希釈率とは、母材への溶接金属の溶け込み量を示すパラメータであり、溶接した金属の全量をＡ、母材へ溶け込んでいる溶接金属の量をＢとすると、Ｂ／Ａ×１００（％）で求められる値をいう。

以上説明したように、本発明の弁装置によれば、希釈率を特定の範囲になるようにしてコバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層を形成することにより、長時間にわたって高温高圧下の苛酷な条件下に置いた場合でも、コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層が剥離し、あるいは溶接層に脆性的な割れが発生することを防止し、コバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接した弁装置の信頼性を向上することができる。
また、弁棒及びこの弁棒を支持する軸受けを備える本発明の弁装置によれば、摩擦係数の低いコバルト基合金同士で摺動することになるので、上記の効果に加えて、より低いトルクで弁の開閉が可能となる。したがって、本発明によれば、弁開閉のためのアクチュエータを小型化できるという効果を奏する。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における軸受け２に弁棒１が嵌合された状態を示す模式図である。
概略円柱状の弁棒１は、母材１１と、母材１１の外表面に形成された溶接層１２とを備えている。また、概略中空円筒状の軸受け２もまた、母材２１と、母材２１の内周面に形成された溶接層２２とを備えている。弁棒１の溶接層１２と軸受け２の溶接層２２とが摺動面をなす。

弁棒１の母材１１及び軸受け２の母材２１は、低合金鋼（Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼）、１２Ｃｒ系ステンレス鋼、オ―ステナイト系ステンレス鋼等から構成することができる。
弁棒１の溶接層１２及び軸受け２の溶接層２２は、コバルト基合金をプラズマ粉体肉盛り溶接して得たものである。コバルト基合金としては、ステライトを用いることができる。ステライトには表１に示すようにいくつかの種類がある。本発明はそのいずれを用いることもできる。また、Ｃｏ基合金として、トリバロイ（デロロステライト社の登録商標）を用いることもできる。トリバロイにも表１に示すようにいくつかの種類があり、本発明はそのいずれを用いることもできる。いずれの合金も、相当量のＣｒを含んでいる点で共通している。なお、表１は代表的な成分を重量％で示している。

弁棒１の溶接層１２及び軸受け２の溶接層２２は、プラズマ粉体肉盛り溶接により形成されている。プラズマ粉体肉盛り溶接は、プラズマ溶接トーチと溶接母材との間に発生させたプラズマアーク中に粉体状の溶接金属を供給、溶解して肉盛りする方法である。前述したように、プラズマ粉体肉盛り溶接は、希釈率が低い肉盛り層が得られる特徴を有しているが、本発明では、低希釈率という特徴を利用するのではなく、希釈率を通常よりも高くした溶接層を設ける。

弁棒１の溶接層１２は、図２に示すように、母材１１と接する第１の溶接層１２ａと、第１の溶接層１２ａの上に形成される第２の溶接層１２ｂとから構成される。つまり、母材１１に対してプラズマ粉体肉盛り溶接を行うことにより、第１の溶接層１２ａを形成する。第１の溶接層１２ａを形成し、その表面を研削、研磨加工した後に、第１の溶接層１２ａの上にプラズマ粉体肉盛り溶接を行うことにより、第２の溶接層１２ｂを形成する。第２の溶接層１２ｂを形成した後、その表面を研削、研磨加工して、溶接層１２を得る。第１の溶接層１２ａと第２の溶接層１２ｂとは、通常、同一の溶接金属で構成される。

本実施形態による弁棒１は、第１の溶接層１２ａの希釈率を５〜２５％にする。
第１の溶接層１２ａの希釈率が５％未満になると、弁棒１の使用環境下において、溶接層１２が母材１１と第１の溶接層１２ａとの界面で剥離しやすくなるからである。これは、希釈率が低いと、母材１１に対する第１の溶接層１２ａの間で融合不良などの溶接欠陥が入り、密着強度が低くなるためと解される。実際の溶接工程においては、希釈率の部分的な変動を考慮して、希釈率の下限を１０％として管理することが好ましい。
一方、第１の溶接層１２ａの希釈率が２５％を超えると、弁棒１の使用環境下において、第１の溶接層１２ａに割れが発生しやすくなる。好ましい希釈率は１５〜２５％、より好ましい希釈率は１７〜２３％である。希釈率が高いと割れが発生する理由は、以下の通りである。希釈率が高くなると、第１の溶接層１２ａ内に、母材１１中のＦｅ成分が多く溶け込むことになる。このＦｅと上記したＣｏ基合金に含まれるＣｒ成分とが結びつくことにより、σ相が析出しやすい状態となる。ここで、σ相とは、ＦｅとＣｒの金属間化合物であり、非常に硬く、かつ脆い特性を有している。Ｆｅ成分が多く溶け込んだ第１の溶接層１２ａが長時間高温に保持されることにより、σ相が第１の溶接層１２ａに析出して割れやすくなる。また、プラズマ粉体肉盛り溶接後に、第１の溶接層１２ａが常温まで冷却される過程で第１の溶接層１２ａに引張りの残留応力が生じる。この残留応力は、希釈率の増加に伴い高くなる傾向にある。一方、弁棒１の作動により、第１の溶接層１２ａには外力が加わる。この外力と残留応力の和が、第１の溶接層１２ａの破壊強度を超えると割れが発生する。

次に、第２の溶接層１２ｂは、第１の溶接層１２ａと同様の溶接金属で構成される。したがって、第１の溶接層１２ａに対して第２の溶接層１２ｂは高い密着強度を得ることができる。このように高い密着強度を得ることができるため、第２の溶接層１２ｂは比較的低い希釈率を許容し、第１の溶接層１２ａの５０％以下の希釈率とすればよい。より具体的な希釈率としては、５％未満、さらには３％未満とすることができる。なお、第２の溶接層１２ｂの希釈率は、第１の溶接層１２ａを母材として求めることになる。

第１の溶接層１２ａ（第２の溶接層１２ｂ）の希釈率は、プラズマ粉体肉盛り溶接の条件により調整することができる。例えば、上記したステライト、トリバロイを溶接金属とする場合、以下の条件とすることにより、第１の溶接層１２ａによる希釈率を５〜２５％にすることができる。
母材１１の予熱温度：２５０〜３５０℃
溶接速度：７０〜８０ｍｍ／ｍｉｎ．
アシストガス：Ａｒガス（温度；２０℃）
ガス流量：プラズマガス；２〜３ｌ／ｍｉｎ．シールドガス；１０〜１５ｌ／ｍｉｎ．
トーチと溶接部の距離：５〜１０ｍｍ
トーチ温度：９０〜１２０℃
溶接金属粒度分布：６０〜１８０μｍ

上記溶接条件には、溶接速度を遅くしているところに特徴がある。これは、５〜２５％というプラズマ粉体肉盛り溶接においては、高めの希釈率を得るためである。つまり、溶接速度を遅くすることによって、溶接金属が液相状態となる時間を長くして希釈率を高くするのである。液相状態となる時間を多くすることで、溶接面の波打ちが低減され、表面が平滑な第１の溶接層１２ａを得ることができる利点もある。

第２の溶接層１２ｂは、第１の溶接層１２ａよりも希釈率は低い。したがって、第１の溶接層１２ａと同じ装置を使用し、肉盛り溶接層の厚みが同じならば第１の溶接層１２ａを形成する場合に比べて、溶接速度を７０〜１００ｍｍ／ｍｉｎ．の範囲で速くすればよい。他の溶接条件は、第１の溶接層１２ａと同様とすればよい。

第１の溶接層１２ａ、第２の溶接層１２ｂの厚さは、使用環境によって適宜設定されるべきであるが、各々、１．５〜２．０ｍｍ程度とすることが好ましい。１層で３〜４ｍｍの厚さの溶接層１２を得ようとする場合、後に行う研削、研磨加工の負担を軽減するためにも、溶接ビードの波の高さを抑えて均一な厚さの肉盛りを行うには、熟練者による溶接が必要である。しかるに、第１の溶接層１２ａ、第２の溶接層１２ｂの厚さが１．５〜２．０ｍｍ程度と比較的薄い場合には、ロボットでの溶接によっても表面が平滑な溶接面を得ることができる。さらに、第１の溶接層１２ａの溶接金属と第２の溶接層１２ｂの溶接金属が同じであるため、各々の厚さを１．５〜２．０ｍｍ程度と薄くすることができるので、溶接中のガスの巻き込みが少なく、研削による異物滞留の原因となる空孔の発生を低減することができる。

以上では、弁棒１の溶接層１２について説明したが、軸受け２の溶接層２２についても、同様の形態を有する第１の溶接層、第２の溶接層を設ける。

コバルト基合金は乾燥摩擦係数が小さく、スケールが発生しないため摩擦係数は安定している。特に、コバルト基合金同士の乾燥摩擦係数は０．５６と、コバルト基合金とＦｅ基合金との摩擦係数が０．４１であるのに比べて高いが、スケールの発生が皆無であること及び高温蒸気の介在により、実質的に摩擦係数は乾燥時よりも低く安定している。したがって、弁棒１と軸受け２の摺動面にコバルト基合金を配設することにより、より低いトルクで弁の開閉が可能となる。したがって、本発明によれば、弁開閉のためのアクチュエータを小型化できるという効果をも奏する。

１．２％Ｃｒ−０．３％Ｍｏ鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ３）を用意した。板状のこの鋼材（母材）に対して、以下の要領でプラズマ粉体肉盛り溶接を行った。なお、プラズマ粉体肉盛り溶接は、図２に示すように、２層とし、かつ希釈率を変えた。希釈率は、図２に示すように、溶接速度を変えることにより調節した。なお、図２において、第１の溶接層とは母材表面に形成したものであり、第２の溶接層とは第１の溶接層の表面に形成したものである。第１の溶接層を形成した後に、その表面を研削、研磨加工することにより図２に示す厚さとした。その後、第２の溶接層を形成した後に、その表面を研削、研磨加工することにより図２に示す厚さとした。

鋼材の予熱温度：３００℃
溶接速度：６０〜８０ｍｍ／ｍｉｎ．
アシストガス：Ａｒガス（温度；２０℃）
ガス流量：プラズマガス；２．５ｌ／ｍｉｎ．シールドガス；１２ｌ／ｍｉｎ．
トーチと溶接部の距離：６ｍｍ
トーチ温度：９０〜１２０℃
溶接金属材質：５５％Ｃｏ−３０％Ｃｒ−１５％Ｗ（重量％）
溶接金属粒度分布：１２０μｍ（平均粒径）

以上の要領で作製された、試料を用いて溶接層の剥離、割れの評価を行った。
剥離の評価は、超音波探傷検査により行った。また、割れの評価は、蛍光浸透探傷検査により行った。
その結果を表２に示すが、第１の溶接層の希釈率が５％未満の場合には、母材から第１の溶接層の剥離が観察された。ただし、第２の溶接層の希釈率が５％未満の場合には、第１の溶接層から第２の溶接層が剥離する事例はなかった。
第１の溶接層の希釈率が２５％を超えると、第１の溶接層に割れが観察された。同様に、第２の溶接層の希釈率が２５％を超えると、第２の溶接層に割れが観察された。

以上の結果より、母材に接するプラズマ粉体肉盛り溶接による第１の溶接層の希釈率は、５〜２５％の範囲とすることが好ましい。また、第１の溶接層上に形成する第２の溶接層の希釈率は、第２の溶接層を構成するコバルト基合金の本来の特性を引き出すために、５％以下、好ましくは３％以下とする。

本実施の形態における弁棒及び軸受けを示す断面図である。 弁棒表面の溶接層の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１…弁棒、１１…母材、１２…溶接層、１２ａ…第１の溶接層、１２ｂ…第２の溶接層
２…軸受け、２１…母材、２２…溶接層

Claims (2)

1. 弁棒との摺動面を有する軸受けを備える弁装置であって、
   前記軸受けは前記弁棒との摺動面に耐熱コバルト基合金からなるプラズマ粉体肉盛り溶接層が形成され、
   当該溶接層は、
   前記軸受けの表面に形成された、希釈率が５〜２５％の第１の溶接層と、
   前記第１の溶接層の上に形成された、希釈率が前記第１の溶接層の希釈率の５０％以下である第２の溶接層とを備えることを特徴とする弁装置。
2. 前記第１の溶接層の希釈率が、１０〜２５％であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。

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