KR102116331B1 - 부식 방지 방법 및 부식 방지 방법에 의해서 획득된 구성요소 - Google Patents

부식 방지 방법 및 부식 방지 방법에 의해서 획득된 구성요소 Download PDF

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Abstract

탄소강, 저합금강 및 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판(5)을 가지는 터보 기계의 구성요소(1)에서의 부식을 방지하기 위한 방법(100)으로서, - 전기도금에 의해서 상기 기판(5) 상에 제 1 금속 층(2a)을 침착하는 제 1 침착 단계(110); - 무전해 도금에 의해서 상기 제 1 층(2a) 상에 적어도 니켈 합금의 제 2 층(2b)을 침착하는 제 2 침착 단계(120); - 상기 침착 단계들(110, 120) 이후의 적어도 한 번의 열처리 단계(140)로서, 상기 열처리(140)는 상기 층들(2a, 2b)의 전체적인 두께에 의존하는 온도(T) 및 시간(t)에서 적용되고, 상기 온도(T)의 값은 상기 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간(t)의 값은 상기 온도(T)에 반비례하는 것인 열처리 단계(140)를 포함한다.

Description

부식 방지 방법 및 부식 방지 방법에 의해서 획득된 구성요소{METHOD FOR PREVENTING CORROSION AND COMPONENT OBTAINED BY MEANS OF SUCH}
본원 발명은 해저(subsea) 또는 육상(onshore) 또는 해상(offshore) 구성요소에서 부식을 방지하기 위한 방법에 관한 것이다. 본원 발명의 방법은 해저 또는 육상 또는 해상 터보 기계의 구성요소에서의 부식을 방지하기 위해서 유리하게 이용될 수 있다.
해저 또는 육상 또는 해상 환경에서 작동하는 구성요소들을 구축할 때, 탄소강, 저합금강 및 스테인리스 강과 같은 재료들이 일반적으로 이용된다. 만약 그러한 환경이 습성(wet) 이산화탄소(CO2)를 포함한다면, 탄소강 및 저합금강은 부식 손상에 의해서 영향을 받을 것이다. 또한, 만약 그러한 환경이 염화물을 포함한다면, 스테인리스 강은 피팅(pitting) 부식 손상에 의해서 영향을 받을 것이다.
그에 따라, 본원 발명의 목적은 부식 방지를 위한 개선된 제조 방법을 제공하는 것이다. 본원 발명의 추가적인 목적은, 복잡한 형상의 해저 또는 육상 또는 해상의 구성요소, 예를 들어, 모터 압축기의 케이싱의 내부 표면 및 외부 표면 상의 부식을 방지하기 위한 개선된 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 제공하는 방법은 이하에 의해서, 즉
- 염화물, CO2, 및 황화수소(H2S)와 같은 공격적인(aggressive) 오염물질을 포함하는 대부분의 습한 환경들에서의 부식 문제를 효과적으로 해결하는 것, 그리고 동시에,
- 덜 비싼 재료들을 이용하는 것
에 의해서 전술한 불편을 피할 수 있다.
본원 발명은, 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판을 가지는 터보 기계의 구성요소에서의 부식을 방지하기 위한 방법을 제공하는 것에 의해서 전술한 목적을 달성하고, 상기 방법은,
- 전기도금에 의해서 상기 기판 상에 제 1 금속 층을 침착(depositing)하는 제 1 침착 단계;
- 무전해 도금에 의해서 상기 제 1 층 상에 적어도 니켈 합금의 제 2 층을 침착하는 제 2 침착 단계;
- 상기 침착 단계들 이후의 적어도 한 번의 열처리 단계로서, 상기 열처리는, 상기 층들의 전체적인 두께에 의존하는 시간 및 온도에서 적용되고, 상기 온도의 값은 상기 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간의 값은 상기 온도에 반비례하는 것인 열처리 단계
를 포함한다.
제 1 실시예의 추가적인 유리한 특징에 따라서, 상기 방법은, 전기도금에 의해서 상기 제 2 층 상에 제 3 금속 층을 침착하는 제 3 침착 단계 및 무전해 도금에 의해서 상기 제 3 층 상에 상기 니켈 합금의 제 4 층을 침착하는 제 4 침착 단계를 더 포함한다.
제 1 실시예의 추가적인 유리한 특징에 따르면, 상기 층들의 전체적인 두께의 값이 70 ㎛ 내지 300 ㎛이다.
본원 발명의 해결책은, 니켈계 코팅으로 이루어지고 앞서 구체화된 두께를 가지는 다층 코팅을 제공하는 것에 의해서, 코어 금속 기판의 효율적인 보호를 허용한다. 상기 방법에 포함된 열처리는 최적의 연성(ductility)(□□= 1.000 % 내지 □□= 1.025%) 및 경도(HV100=600 내지 HV100=650)의 값을 가지는, 내성이 있고 구조적으로 균질한 코팅을 달성하도록 한다.
무전해 도금 니켈 도금 프로세스는, 스테인리스 강 및 보다 고가의 합금들(예를 들어, Inconel 625, Inconel 718과 같은 니켈계 합금들)보다 저렴한 부식-방지 코팅을 제공하는 것에 의해서, 그리고 코어 금속 기판 내에서 덜 비싼 재료, 예를 들어 탄소강 또는 저합금강의 이용을 허용하는 것에 의해서, 비용 절감을 제공한다.
무전해 도금 프로세서는, 임의의 형상의, 특히 복잡한 형상의 구성요소들에 대해서 용이하게 적용될 수 있다.
본원 발명은, 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 이루어진 금속 기판, 그리고 상기 기판 상의 니켈을 포함하는 코팅을 포함하는 구성요소를 포함하는, 터보 기계를 제공하는 것에 의해서 상기 목적을 또한 달성하며, 상기 코팅은 전기도금에 의해서 침착된 적어도 제 1 금속 층 및 무전해 도금에 의해서 침착된 적어도 니켈 합금의 제 2 층, 전기도금에 의해서 침착된 제 3 금속 층, 및 무전해 도금에 의해서 침착된 니켈 합금의 제 4 층을 포함하고, 상기 코팅의 두께는 70 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 상기 코팅은 600 HV100 내지 650 HV100 사이의 경도값 및 1.000 % 내지 1.025% 의 연성값을 가진다.
특히, 비록 배타적이지는 않지만, 본원 발명의 터보 기계는 본원 발명의 방법으로 획득된 내부 표면 및/또는 외부 표면 상의 코팅을 가지는 케이싱을 포함하는 모터 압축기로 구성된다.
또한, 본원 발명은, 전술한 바와 같이 웰헤드(wellhead), 파이프라인 및 터보 기계를 포함하는 액체 및/또는 기체 탄화수소 혼합물을 추출하기 위한 플랜트를 제공함으로써 상기 목적을 달성하고, 상기 파이프라인은 상기 터보 기계를 상기 웰헤드에 직접적으로 연결한다. 본원 발명에 따른 터보 기계의 부식 방지 특성은, 부식성 물질이 터보 기계에 도달하는 것을 방지하기 위해서, 터보 기계 상류에서 스크러버(scrubber) 및 필터 시스템을 이용하는 것을 피할 수 있게 한다.
이하의 도면과 함께 취해진 본 발명의 실시예들에 관한 이하의 설명으로부터, 본원 발명의 다른 목적, 특징 및 장점이 명확해질 것이다.
본원 발명에 따르면, 부식 방지를 위한 개선된 제조 방법을 얻을 수 있으며, 또한 복잡한 형상의 해저 또는 육상 또는 해상의 구성요소, 예를 들어, 모터 압축기의 케이싱의 내부 표면 및 외부 표면 상의 부식을 방지하기 위한 개선된 제조 방법을 얻을 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 본원 발명에 따른 부식 방지를 위한 방법의 제 1 실시예 및 제 2 실시예를 각각 개략적으로 도시하는 2개의 블록도들이다.
도 2는 본원 발명에 따른 해저 터보 기계의 구성요소의 부등각도이다.
도 3은 도 2의 구성요소의 단면도이다.
도 4는 본원 발명에 따른, 육상 용례 또는 해상 용례에 대한 원심형 터보 압축기의 구성요소의 단면도이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 상세 부분(V)의 확대도이다.
도 6은 본원 발명의 다른 실시예에 대응하는, 도 3 및 도 4의 상세 부분(V)의 확대도이다.
도 7a는 저장부로부터 가스를 추출하기 위해 당업계에 공지된 플랜트의 개략도이다.
도 7b는 본원 발명에 따른 터보 기계의 구성요소를 포함하는, 저장부로부터 가스를 추출하기 위한 플랜트의 개략도이다.
첨부 도면들을 참조하면, 터보 기계(201)의 구성요소(1)에서의 부식을 방지하기 위한 방법이 '100'으로서 전체적으로 표시되어 있다. 구성요소(1)는 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판(5)을 가진다.
도 2 및 도 3의 실시예에서, 해저 구성요소(1)는 해저 압축기의 케이싱이다.
도 4의 실시예들에 따르면, 본원 발명의 방법은 육상 또는 해상에서 작동하는 모터 압축기의 케이싱에 적용된다.
특히, 비록 배타적이지는 않지만, 상기 방법(100)이, 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 적어도 제 1 침착 단계(110), 제 2 침착 단계(120) 및 최종 열처리 단계(140)를 포함하기만 한다면, 본원 발명의 방법은, 특히 이산화탄소(CO2) 및/또는 황화수소(H2S) 및/또는 염화물들이 존재할 때, 해저 용례의 다른 구성요소 또는 다른 타입의 습한 환경에 대해서 작동하는 다른 구성요소에 성공적으로 적용될 수 있다.
제 1 침착 단계(110)는 전기도금에 의해서 금속 기판(5) 상에 금속 니켈의 제 1 층(2a)을 침착하는 단계를 포함한다.
제 1 층(2a)은 당업계에서 니켈 스트라이크(nickel strike)로서 공지되어 있고 1 내지 10 ㎛의 두께를 가지며, 이하의 제 2 단계(120)에 대한 활성화를 제공한다.
제 2 침착 단계(120)는 무전해 니켈 도금(ENP로서 또한 공지됨)에 의해서 제 1 층(2a) 상에 니켈 합금의 제 2 층(2b)을 침착하는 것으로 이루어진다.
본원 발명의 실시예에 따라서, 방법(100)의 제 2 침착 단계(120)에서 이용되는 니켈 합금은 니켈-인 합금으로 이루어진다.
본원 발명의 보다 구체적인 실시예에 따라서, 제 2 침착 단계(120)에서 이용되는 니켈-인 합금은 9 내지 11%의 인을 포함한다.
본원 발명의 다른 실시예들에 따라서, 상이한 니켈 합금들, 예를 들어 니켈 및 붕소 합금이 이용된다.
본원 발명의 실시예(도 1a 및 도 5)에 따라서, 제 2 침착 단계(120)는, 제 2 층(2b)의 제 1 부분(20b)을 침착하는 제 1 단계(phase) 및 제 2 층(2b)의 제 2 부분(21b)을 침착하는 제 2 단계를 포함한다. 제 2 층(2b)의 제 1 부분(20b)의 두께는 10 내지 25 ㎛이다.
제 2 층(2b)의 제 2 부분(21b)의 두께는 제 2 층의 2배 이상 즉, 20 ㎛ 이상이다.
본원 발명의 다른 실시예에 따라서, 방법(100)은 무전해 니켈 도금에 의해서 니켈 합금의 추가적인 층들을 침착하는 추가적인 단계들을 포함하고, 각각의 층은 이전의 층의 두께보다 더 두꺼운 두께를 가진다.
본원 발명의 다른 실시예(도 1b 및 도 6)에 따라서, 방법(100)은, 제 2 침착 단계(120) 후에, 전기도금에 의해서 제 2 층(2b) 위에 제 3 니켈 층(2c)을 침착하는 제 3 침착 단계(130) 및 무전해 도금에 의해서 상기 제 3 층(2c) 상에 니켈 합금의 제 4 층(2d)을 침착하는 제 4 침착 단계(135)를 포함한다. 제 3 층(2c)은 임펄스 전기도금(impulse electroplating)에 의해서 획득되고 제 2 ENP 층(2b)과 제 4 ENP 층(2d) 사이의 접착을 제공한다. 또한, 제 3 층(2c)은, 100 ㎛ 초과의 두께를 가지는 ENP 층들에서 종종 발생하는 핀홀 기공(pinholes porosity)의 형성을 방지한다.
본원 발명의 다른 실시예(그 결과들은 제시하지 않음)에 따라서, 각각의 무전해-도금 층이 각각의 전기도금 니켈 층 위에 침착된 다층 구조를 획득하기 위해서, 제 3 침착 단계(130) 및 제 4 침착 단계(135)를 한 차례 넘게 반복할 수 있다.
무전해 니켈 도금의 종료 시에, 금속 기판(5) 상의 니켈계 코팅(2)이 얻어진다.
전술한 바와 같이, 본원 발명의 상이한 실시예들에 따라서, 코팅(2)이 하나 이상의 ENP 층들을 포함할 수 있을 것이다.
도 5의 실시예에서, 코팅(2)은 제 1 층(2a) 및 제 2 층(2b)으로 구성되고, 상기 제 2 층(2b)은 제 1 부분(20b) 및 제 2 부분(21b)을 포함하고, 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분 모두는 무전해 니켈 도금에 의해서 얻어진다.
도 6의 실시예에서, 코팅(2)은 제 1 층(2a), 제 2 층(2b), 제 3 층(2c) 및 제 4 층(2d)으로 이루어진다.
모든 경우들에서, 코팅(2)의 전체적인 두께가 70 ㎛ 내지 300 ㎛이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 코팅(2)이 해저 모터 압축기의 케이싱의 내측 측부에 도포된다. 도 4를 참조하면, 코팅(2)이 육상 용례 또는 해상 용례를 위한 모터 압축기의 케이싱의 내측 측부에 도포된다.
본원 발명의 다른 실시예들에 따라서, 코팅(2)이 또한 외측 측부 상에 또는 내측 측부 및 외측 측부 모두에 도포된다.
침착 단계들(110, 120, 130, 135) 이후에, 방법(100)은, 코팅(2)을 가열 환경에 대해서 노출시키는 것에 의해서, 예를 들어 온도(T)에서 그리고 시간(t) 동안 열처리 오븐 내에서 노출시키는 것에 의해서 적용되는 최종 열처리 단계(140)를 포함한다. 열처리 단계(140)의 실행은 전기도금 프로세싱 중에 코팅 내에 포함된 수소가 탈착되게 한다. 또한, 열처리 단계(140)를 통해서, 코팅(2)의 층들이 보다 더 내성을 가지게 되고, 서로 부착되며, 그리고 구조적으로 균일화된다.
온도 데이터(T) 및 시간 데이터(t)의 값은 각각 100 ℃ 내지 300 ℃ 및 2시간 내지 6시간을 포함한다. 온도 및 시간의 값들은 코팅(2)의 전체 두께에 의존하고, 상기 온도(T)의 값은 니켈 코팅(2)의 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간(t)의 값은 온도에 반비례한다.
방법(100)의 일 실시예에서, 온도(T) 및 시간(t)의 값들은, 이하의 표에 따라서, 니켈 코팅(2)의 전체 두께의 값에 의존한다:
Figure 112014104542117-pct00001
상기 열처리는, 니켈계 코팅(2)에서 600 HV100 내지 650 HV100 의 경도 값 및 1.000 % 내지 1.025%의 연성 값에 도달할 수 있게 한다. 코팅(2)의 경도는, 코팅(2)과 접촉하는, 터보 기계(201) 내에서 유동할 수 있는 고체 미립자들로부터의 침식 또는 마모에 대한 내성을 개선한다.
최적의 경도 및 연성에 관한 결과는, 코팅(2)의 두께가 150 ㎛ 내지 300 ㎛일 때 얻어진다.
본원 발명의 다른 실시예들에 따라서, 전술한 특성들이 코팅(2)에서 얻어질 수 있기만 한다면, 하나 초과의 최종 열처리 단계가 적용될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 천연 저장부(205)로부터 액체 및/또는 기체인 탄화수소 혼합물을 추출하기 위한 통상적인 플랜트(200a)는 웰헤드(202), 상기 웰헤드(202) 하류의 건식 스크러버 또는 습식 스크러버(207), 상기 스크러버(207) 하류의 필터(208), 및 통상적인 터보 기계(201a), 예를 들어 통상적인 원심형 압축기 또는 해저 모터 압축기를 포함한다. 스크러버(207)는 오염물들 및 특히 부식성 물질들, 예를 들어, 이산화탄소(CO2) 및/또는 황화수소(H2S) 및/또는 염화물이 터보 기계(201a)에 도달하는 것을 방지한다. 필터(208)는 고체 미립자가 터보 기계(201a)에 도달하는 것을 방지한다. 도 7b를 참조하면, 천연 저장부(205)로부터 동일한 탄화수소 혼합물을 추출하기 위한 본원 발명에 따른 플랜트(200)는 파이프라인(203) 및 터보 기계(201)를 포함한다. 파이프라인(203)은 본원 발명의 터보 기계(201)를 웰헤드(202)에 직접적으로 연결한다. 이는, 본원 발명에 따른 터보 기계의 부식 방지 성질로 인해, 터보 기계의 상류에서 스크러버 및 필터 시스템을 이용하는 것을 피할 수 있게 한다는 것을 의미한다.
본원 발명의 모든 실시예들은 전술한 목적 및 장점의 달성을 가능하게 한다.
또한, 본원 발명은 추가적인 장점들을 가능하게 한다. 특히, 전술한 방법은 코팅 내의 관통 기공의 존재를 방지할 수 있게 한다.
이러한 기술된 설명은, 최적의 모드를 포함한 발명을 개시하기 위해서, 그리고 또한 임의의 장치들 또는 시스템들을 제조 및 이용하는 것 그리고 임의의 포함된 방법들을 실시하는 것을 비롯하여, 본 발명의 실시를 당업자가 할 수 있게 하기 위해서, 예들을 이용하였다. 발명의 특허받을 수 있는 범위는 청구항들에 의해서 규정되고, 당업자들이 생각할 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들이 청구항들의 문헌적 언어와 상이하지 않다면, 또는 그러한 다른 예들이 청구항들의 문헌적 언어들과 사소한 차이를 가지는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 그러한 다른 예들은 청구항들의 범위 내에 포함될 것이다.
100 : 부식 방지 방법
110 : 제 1 침착 단계
120 : 제 2 침착 단계
140 : 최종 열처리 단계

Claims (12)

  1. 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판(5)을 가지는 터보 기계의 구성요소(1)에서의 부식을 방지하기 위한 방법(100)으로서,
    - 전기도금에 의해서 상기 기판(5) 상에 제 1 니켈 층(2a)을 침착하는 제 1 침착 단계(110);
    - 무전해 도금에 의해서 상기 제 1 니켈 층(2a) 상에 적어도 니켈 합금의 제 2 층(2b)을 침착하는 제 2 침착 단계(120);
    - 상기 침착 단계(110, 120)들 이후의 적어도 한 번의 열처리 단계(140)로서, 상기 열처리 단계(140)는 상기 층(2a, 2b)들의 전체적인 두께에 의존하는 온도(T) 및 시간(t)에서 적용되고, 상기 온도(T)의 값은 상기 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간(t)의 값은 상기 온도(T)에 반비례하는 것인 열처리 단계(140)
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전기도금에 의해서 상기 제 2 층(2b) 상에 제 3 금속 층(2c)을 침착하는 제 3 침착 단계(130);
    무전해 도금에 의해서 상기 제 3 금속 층(2c) 상에 상기 니켈 합금의 제 4 층(2d)을 침착하는 제 4 침착 단계(135)
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 층(2a, 2b, 2c, 2d)들의 전체적인 두께의 값이 70 ㎛ 내지 300 ㎛인 것인 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 니켈 합금의 상기 층(2b, 2d)들이 9 내지 11%의 인을 포함하는 것인 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 150 ℃ 내지 300 ℃의 온도(T)로 그리고 2시간 내지 5시간의 시간(t) 동안 적용되는 것인 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 온도(T) 및 상기 시간(t)의 값들이 이하의 표
    Figure 112018018091024-pct00002

    에 따라 상기 층(2a, 2b, 2c, 2d)들의 전체적인 두께의 값에 의존하는 것인 방법.
  7. 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판(5) 및 상기 기판(5) 상의 니켈을 포함하는 코팅(2)을 포함하는 구성요소(1)를 포함하는 터보 기계(201)로서, 상기 코팅(2)은 전기도금에 의해서 침착된 적어도 제 1 금속 층(2a) 및 무전해 도금에 의해서 침착된 적어도 니켈 합금의 제 2 층(2b)을 포함하고, 상기 코팅(2)의 두께가 70 ㎛ 내지 300 ㎛이며,
    열처리 단계(140)가 상기 층(2a, 2b)들의 전체적인 두께에 의존하는 온도(T) 및 시간(t)에서 적용되고, 상기 온도(T)의 값은 상기 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간(t)의 값은 상기 온도(T)에 반비례하는 것인 터보 기계.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 코팅은, 전기도금에 의해서 침착된 제 3 금속 층(2c) 및 무전해 도금에 의해서 침착된 니켈 합금의 제 4 층(2d)을 더 포함하는 것인 터보 기계.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 코팅(2)이 600 HV100 내지 650 HV100 의 경도 값 및 1.000 % 내지 1.025% 의 연성 값을 가지는 것인 터보 기계.
  10. 탄소강, 저합금강 또는 스테인리스 강으로 제조된 금속 기판(5) 및 상기 기판(5) 상의 니켈을 포함하는 코팅(2)을 포함하는 모터 압축기 케이싱(1)으로서, 상기 코팅(2)이, 전기도금에 의해서 침착된 적어도 제 1 금속 층(2a) 및 무전해 도금에 의해서 침착된 적어도 니켈 합금의 제 2 층(2b)을 포함하고, 상기 코팅(2)의 두께가 70 ㎛ 내지 300 ㎛이며,
    열처리 단계(140)가 상기 층(2a, 2b)들의 전체적인 두께에 의존하는 온도(T) 및 시간(t)에서 적용되고, 상기 온도(T)의 값은 상기 두께에 직접적으로 비례하고, 상기 시간(t)의 값은 상기 온도(T)에 반비례하는 것인 모터 압축기 케이싱.
  11. 웰헤드(wellhead; 202), 파이프라인(203) 및 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 터보 기계(201)를 포함하는, 액체 또는 기체인 탄화수소 혼합물을 추출하기 위한 플랜트(200)로서, 상기 파이프라인(203)이 상기 터보 기계(201)를 상기 웰헤드(202)에 연결하는 것인 플랜트.
  12. 삭제
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