KR102100280B1 - 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림에 관한 것으로서, 그 목적은, 밸브 트림의 밀봉부에 PVD 코팅층을 형성하되, PVD 코팅층이 용이하게 이루어지도록 모재의 표면에 경화용접층과 질화층을 순차적으로 형성하여 코팅층의 박리를 방지하도록 하여 내구성을 형상시키도록 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림을 제공함에 있다. 이는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와, 상기 플러그가 접촉되어지는 시트링를 포함하며, 상기 플러그와 시트링이 접촉되어 형성되는 각각의 밀봉부는, 모재의 표면에 코발트 계열 합금 용접봉인 스텔라이트(Stellite)를 이용하여 표면경화용접을 실시하여 형성된 경화용접층과, 상기 경화용접층의 위에 형성된 질화층과, 상기 질화층으로 형성된 PVD 코팅층으로 구성되어진 것이다.
또한, 본 발명에 따른 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와 시트링에 각각 형성된 밀봉부를 열처리하는 열처리단계; 상기 열처리된 밀봉부를 1차 황삭하여 표면을 정리하는 황삭단계; 상기 황삭단계에서 표면이 정리된 밀봉부에 경화육성 용접을 하는 경화용접층 형성단계; 상기 경화용접층 형성단계에 용접후에 응력제거를 하기 위한 용접 후 열처리단계; 상기 용접 후 열처리단계 후에 밀봉부를 정삭 및 연마하는 정삭 및 연마단계; 상기 정삭 및 연마단계 후에 상기 경화용접층의 위를 질화처리하는 질화층 형성단계; 상기 질화층이 형성된 밀봉부를 버핑 및 세정하는 버핑 및 세정단계; 및 상기 버핑 및 세정단계 후 상기 질화층의 위에 PVD 코팅처리하는 PVD 코팅층 형성단계; 를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와 시트링에 각각 형성된 밀봉부를 열처리하는 열처리단계; 상기 열처리된 밀봉부를 1차 황삭하여 표면을 정리하는 황삭단계; 상기 황삭단계에서 표면이 정리된 밀봉부에 경화육성 용접을 하는 경화용접층 형성단계; 상기 경화용접층 형성단계에 용접후에 응력제거를 하기 위한 용접 후 열처리단계; 상기 용접 후 열처리단계 후에 밀봉부를 정삭 및 연마하는 정삭 및 연마단계; 상기 정삭 및 연마단계 후에 상기 경화용접층의 위를 질화처리하는 질화층 형성단계; 상기 질화층이 형성된 밀봉부를 버핑 및 세정하는 버핑 및 세정단계; 및 상기 버핑 및 세정단계 후 상기 질화층의 위에 PVD 코팅처리하는 PVD 코팅층 형성단계; 를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸브 트림의 밀봉부에 PVD 코팅층을 형성하되, PVD 코팅층이 용이하게 이루어지도록 모재의 표면에 경화용접층과 질화층을 순차적으로 형성하여 코팅층의 박리를 방지하도록 하여 내구성을 형상시키도록 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림에 관한 것이다.
일반적으로, 밸브는, 배관시스템에서 유체의 유량을 제어 및 개폐 등을 목적으로 사용하는 배관구성품 중 하나이고, 다양한 구조와 형태가 존재하며, 그 구조는 크게 압력유지부분(Pressure Retaining Part), 유체와 직접 접촉하면서 밸브의 기능을 수행하는 밸브트림 및 상기 밸브트림을 조작하는 구동부로 나뉜다.
상기 밸브트림은 유체흐름에 직접 접촉하기 때문에 마모되거나 손상될 수 있으며, 특히, 고온, 고압의 유체를 제어하는 밸브에서는 그 중요성이 더욱 크다.
또한, 상기 밸브트림(Trim)의 밀봉부는 플러그 밀봉면(Plug Sealing Face)과 시트링 밀봉면(Seatring Sealing Face)으로 구성되며, 밀봉면의 고경도를 얻기 위해, 모재에 경화 열처리 (Hardening Heat Treatment) 방법, 모재 표면에 질화 경화(Nitrading Hardening)방법, 모재표면에 고경도 물질 코팅(Coating) 방법, 모재에 경화용접(Hard Welding ) 등이 사용되며, 경화층은 단층으로 구성되어 밸브 밀봉을 한다.
그러나, 단층으로된 경화층은 최소유량제어(Minimum Flow Control)시 유체의 속도와 밸브 열림과 닫힘의 연속에 의해 가해지는 충격으로 밀봉부 망실이 빨라지고, 잦은 누설이 발생되며, 특히, 단층의 경화층이 망실되면 모재는 빠르게 침식되고 밸브 누설은 더욱더 많이 발생되어 결국 밸브의 수명을 다하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 선행문헌으로는, 본 출원인의 선출원한 공개번호 10-2019-0075527호의 "밸브 트림 밀봉부 보강구조 및 보강방법"에서 찾아 볼 수 있다.
상기 선행문헌은, 밸브 트림 밀봉부 보강구조로서, 유체가 흐르는 통로와 상기 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그 또는 시트링에 형성되는 밀봉면에 용접층이 형성되되, 상기 용접층은 충격흡수 성능을 가진 금속으로 형성되는 충격흡수층과 상기 충격흡수층위에 충격흡수층을 형성하는 금속보다 강성이 큰 금속으로 형성되는 강도보강층을 포함하며, 상기 강도보강층 위에 금속이 증착되어 형성되는 증착코팅층이 더 포함되는 것이다.
또한, 상기 충격흡수층은, 니켈합금강(인코넬, inconel)으로 형성되고, 상기 강도보강층은 코발트합금(스텔라이트, stellite)으로 형성되며, 상기 증착코팅층은, 물리증착법(PVD:Physical Vapor Deposition Process)에 의해 형성된다.
그러나, 종래의 밸브 트림의 밀봉부는, 용접층 위에 바로 증착코팅층 수행하게 되어 증착코팅이 용이하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
그 이유는, 증착코팅은, 모재의 변형이 없어야 하고, 모재 표면의 경도가 높아야 하며, 모재의 고온사용에 의한 열팽창계수가 적어야 하고, 용접 등 잔류 응력을 제거해야 되는데, 종래의 밸브트림의 밀봉부는 그 조건을 만족하지 못해 밸브 밀봉부의 빠른 유속과 충격에 의한 손상으로 얇은 PVD 코팅이 유지되지 못하고 소멸되어 모재에 영향을 줌으로 손상이 빠르게 발생되고 밀봉부의 기밀유지를 할 수 없게 된다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 밸브 트림의 밀봉부에 PVD 코팅층을 형성하되, PVD 코팅층이 용이하게 이루어지도록 모재의 표면에 경화용접층과 질화층을 순차적으로 형성하여 코팅층의 박리를 방지하도록 하여 내구성을 형상시키도록 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림을 제공함에 있다.
본 발명을 달성하기 위한 기술적 사상으로 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와, 상기 플러그가 접촉되어지는 시트링를 포함하며, 상기 플러그와 시트링이 접촉되어 형성되는 각각의 밀봉부는, 모재의 표면에 코발트 계열 합금 용접봉인 스텔라이트(Stellite)를 이용하여 표면경화용접을 실시하여 형성된 경화용접층과, 상기 경화용접층의 위에 형성된 질화층과, 상기 질화층으로 형성된 PVD 코팅층으로 구성되어진 것이다.
또한, 상기 경화용접층의 융착두께는 1.6mm ~ 6.4mm, 경도는 HRc 38 ~ 49로 이루어진 것이다.
또한, 상기 질화층의 두께는 30 ~ 40㎛이고, 경도는 Hv 750 ~950 로 이루어진 것이다.
또한, 상기 PVD 코팅층의 코팅 두께는 2.5㎛ 이상, 경도는 Hv 2500이상으로 이루어진 것이다.
또한, 본 발명에 따른 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와 시트링에 각각 형성된 밀봉부를 열처리하는 열처리단계; 상기 열처리된 밀봉부를 1차 황삭하여 표면을 정리하는 황삭단계; 상기 황삭단계에서 표면이 정리된 밀봉부에 경화육성 용접을 하는 경화용접층 형성단계; 상기 경화용접층 형성단계에 용접후에 응력제거를 하기 위한 용접 후 열처리단계; 상기 용접 후 열처리단계 후에 밀봉부를 정삭 및 연마하는 정삭 및 연마단계; 상기 정삭 및 연마단계 후에 상기 경화용접층의 위를 질화처리하는 질화층 형성단계; 상기 질화층이 형성된 밀봉부를 버핑 및 세정하는 버핑 및 세정단계; 및 상기 버핑 및 세정단계 후 상기 질화층의 위에 PVD 코팅처리하는 PVD 코팅층 형성단계; 를 포함하는 것이다.
또한, 상기 용접 후 열처리단계에서 열처리 온도는 760 ~ 800℃에서 유지시간(Holding Time)은 최소 30분이상 유지하고, 노냉하는 것이다.
또한, 상기 질화층 형성단계에서 진공질화처리는 NH3+N2+Co2+RX 가스화 상태에서 온도는 380~550℃로 가열하고, 유지시간(Holding Time)은 10 ~ 36시간 유지하도록 하는 것이다.
본 발명을 달성하기 위한 기술적 사상으로 본 발명에 따른 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법 및 이를 적용한 밸브트림은, 밸브 트림의 밀봉부에 PVD 코팅층을 형성하되, PVD 코팅층이 용이하게 이루어지도록 모재의 표면에 경화용접층과 질화층을 순차적으로 형성하여 코팅층의 박리를 방지하도록 하여 내구성을 형상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브트림의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 밸브트림의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부를 발췌하여 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부 형성단계를 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 밸브트림의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부를 발췌하여 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부 형성단계를 보여주는 예시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브트림의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 밸브트림의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부를 발췌하여 보여주는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림은, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그(100)와, 상기 플러그(100)가 접촉되어지는 시트링(200)를 포함한다.
상기 플러그(100)와 시트링(200)이 접촉되어 형성되는 각각의 밀봉부(300)는, 모재의 표면에 코발트 계열 합금 용접봉인 스텔라이트(Stellite)를 이용하여 표면경화용접을 실시하여 형성된 경화용접층(310)과, 상기 경화용접층(310)의 위에 형성된 질화층(320)과, 상기 질화층(320)이 위에 형성된 PVD 코팅층(330)으로 구성되어진다.
또한, 상기 밀봉부(300)의 최대수축단면적(V : Vena Contracta)에서 유속이 가장 빠르게 작용하여 밸브 밀봉부에 미치는 유체에 의한 손상이 크게 발생 되고, 또한 최대수축단면적((Vena Contracta)에서 유체 증기압 이하로 떨어지면 케비테이션 손상(Cavitation Erosion)이 발생되어 기포 발생과 붕괴에 의해 유기된 높은 충격력이 밸브 밀봉부에 손상을 주기도 하는데, 본 발명의 밀봉부에 강화시키도록 경화용접층(310), 질화층(320) 및 PVD 코팅층(330)을 형성한 것이다.
상기 경화용접층(310)의 융착두께는 1.6mm ~ 6.4mm, 경도는 HRc 38 ~ 49로 이루어진다.
상기에서 경화용접층(310)의 융착두께가 1.6mm 이하 시 융착층이 모재와 희석으로 인해 코팅층의 경도가 저하되고, 6.4mm 이상 시 제조경비가 많이 들며 발전소 설비 사용수명기준인 40년을 기준으로 경화용접층(310)의 마모도 계산을 하면 6.4mm의 두께까지가 최대 경화용접층(310)으로 볼 수 있다.
상기 경화용접층(310)에 사용되는 용접봉은 코발트계열중 내마모성,내열성,내식성 및 적정 경도를 얻을 수있는 Stellite를 사용하며, Stellite는 코발트(Co)를 주성분으로하여 크롬(Cr),텅스텐(W)등을 첨가한 합금강이며, 경도가 높고, 내마모성과 아울러 내식성,내열성이 우수하며, 특히 고온에서도 경도가 그다지 떨어지지 않은 장점을 가지고, 있으므로, 고온,고압 밸브 Trim에 많이 적용하고 있으나 밸브 밀봉부에 가혹한 조건에 요구되는 고경도에는 미치지 못함으로 질화처리를 수행하여 고경도를 얻어 밸브 수명연장에 도움을 주고, PVD 코팅의 효과(접합성,코팅층의 밀착력 향상)를 증대하여, 코팅 박리를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
상기 질화층(320)의 두께는 30 ~ 40㎛이고, 경도는 Hv 750 ~950 로 이루어진 것이다.
상기 PVD 코팅층(330)의 코팅 두께는 2.5㎛ 이상, 경도는 Hv 2500이상으로 이루어진 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 밸브트림의 밀봉부 형성단계를 보여주는 예시도이다.
도 4을 참고하여, 본 발명의 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 살펴본다.
제1단계: 열처리단계
제1단계는 열처리단계로서, 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그(100)와 시트링(200)에 각각 형성된 밀봉부(300)를 열처리하는 것이다.
이때 모재는 11Cr ~ 20Cr 스테인레스강으로 열처는 담금질(Qunching) 및 뜨임(Tempering)을 하여 경도는 HRc 22 ~ 35을 얻는다.
제2단계: 황삭단계
제2단계는 황삭단계로서, 상기 열처리된 밀봉부(300)를 1차 황삭하여 표면을 정리하게 된다.
제3단계: 경화용접층 형성단계
제3단계는 경화용접층 형성단계로서, 상기 황삭단계에서 표면이 정리된 밀봉부에 경화육성 용접을 하는 것이다.
제4단계: 용접 후 열처리단계
제4단계는 용접 후 열처리단계로서, 상기 경화용접층(310) 형성단계에 용접후에 응력제거를 하기 위한 것이다.
상기 용접 후 열처리단계에서 열처리 온도는 760 ~ 800℃에서 유지시간(Holding Time)은 30분이상 유지하고, 노냉하는 것이다.
상기 용접봉은 코발트계열중 내마모성,내열성,내식성 및 적정 경도를 얻을 수있는 Stellite를 사용한다.
제5단계: 정삭 및 연마단계
제5단계는 정삭 및 연마단계로서, 상기 용접 후 열처리단계 후에 밀봉부(300)를 정삭 및 연마하는 것이다.
제6단계: 질화층 형성단계
제6단계는 질화층 형성단계로서, 상기 정삭 및 연마단계 후에 상기 경화용접층(310)의 위를 질화층(320)을 형성하는 것이다.
상기 질화층(320) 형성단계에서 진공질화처리는 NH3+N2+Co2+RX 가스화 상태에서 온도는 380~550℃로 가열하고 유지시간(Holding Time)은 10 ~ 36시간 유지하도록 하는 것이다.
제7단계: 버핑 및 세정단계
제7단계는 버핑 및 세정단계로서, 상기 질화층(320)이 형성된 밀봉부(300)를 버핑 및 세정하는 것이다.
제8단계: PVD 코팅층 형성단계
제8단계는 PVD 코팅층 형성단계로서, 상기 버핑 및 세정단계 후 상기 질화층(320)의 위에 PVD 코팅층(330)을 형성하는 것이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다.
100: 플러그
200: 시트링
300: 밀봉부
310: 경화용접층
320: 질화층
330: PVD 코팅층
200: 시트링
300: 밀봉부
310: 경화용접층
320: 질화층
330: PVD 코팅층
Claims (7)
- 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와,
상기 플러그가 접촉되어지는 시트링를 포함하며,
상기 플러그와 시트링이 접촉되어 형성되는 각각의 밀봉부는,
모재의 표면에 코발트 계열 합금 용접봉인 스텔라이트(Stellite)를 이용하여 표면경화용접을 실시하여 형성된 경화용접층과,
상기 경화용접층의 위에 형성된 질화층과,
상기 질화층이 위에 형성된 PVD 코팅층으로 구성되며,
상기 경화용접층의 융착두께는 1.6mm ~ 6.4 mm, 경도는 HRc 38 ~ 49로 이루어지진 것을 특징으로 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 질화층의 두께는 30 ~ 40㎛이고, 경도는 Hv 750 ~950 로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림.
- 제1항에 있어서,
상기 PVD 코팅층의 코팅 두께는 2.5㎛ 이상, 경도는 Hv 2500이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법을 적용한 밸브트림.
- 유체가 흐르는 통로를 개방하거나 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 제어하는 플러그와 시트링에 각각 형성된 밀봉부를 열처리하는 열처리단계;
상기 열처리된 밀봉부를 1차 황삭하여 표면을 정리하는 황삭단계;
상기 황삭단계에서 표면이 정리된 밀봉부에 경화육성 용접을 하는 경화용접층 형성단계;
상기 경화용접층 형성단계에 용접후에 응력제거를 하기 위한 용접 후 열처리단계;
상기 용접 후 열처리단계 후에 밀봉부를 정삭 및 연마하는 정삭 및 연마단계;
상기 정삭 및 연마단계 후에 상기 경화용접층의 위를 질화처리하는 질화층 형성단계;
상기 질화층이 형성된 밀봉부를 버핑 및 세정하는 버핑 및 세정단계; 및
상기 버핑 및 세정단계 후 상기 질화층의 위에 PVD 코팅처리하는 PVD 코팅층 형성단계; 를 포함하며,
상기 질화층 형성단계에서 진공질화처리는 NH3+N2+Co2+RX 가스화 상태에서 온도는 380~550℃로 가열하고, 유지시간(Holding Time)은 10 ~ 36시간 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 용접 후 열처리단계에서 열처리 온도는 760 ~ 800℃에서 유지시간(Holding Time)은 최소 30분이상 유지하고, 노냉하는 것을 특징으로 하는 발전소 가혹조건에서 밸브트림의 기밀 내구성 향상을 위한 제조방법.
- 삭제
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