JP5249924B2 - 流体負荷可能な耐圧体 - Google Patents

Description

本発明は、流体負荷可能な又は流体が負荷された圧力管又は圧力容器等の形態をなす耐圧体に関する。

蒸気タービンプロセスで効率はプロセス温度に依存する。従ってプロセス温度をなるべく高く調整しようと努める。先行技術によれば、蒸気タービンプロセスに必要な耐圧体、例えば圧力管又は圧力容器はマルテンサイト鋼又は高合金ニッケルベース合金で製造される。これらの材料で６５０℃又は７００℃に及ぶプロセス温度が得られる。ところがマルテンサイト鋼では安全上の理由から６２０℃以上の温度を超えないのが普通である。

使用される上記の鋼の耐圧体は３００バールまでの圧力に耐える。それ以上の温度及び圧力は実現不能であり、これは材料のクリープ挙動に対する必要な耐性、安全性及び経済性の関係上実現不能である。
金属スリーブの形の内側接触層を包含し、その上にエポキシ樹脂結合ガラス、アラミド及びカーボン繊維の複数の層が巻きつけられ、個々の層が内側から外側へと変化する弾性係数を有する食品工業用の高圧容器は、ドイツ特許公開DE-A-19952611により周知である。ここにおいては、耐圧体を巻いた後に容器の焼入れと可塑化が行われる。
ドイツ特許公開DE-A-3907087の高圧容器、例えば内側被覆、金属・セラミックス粉末混合物層、タングステン化合物層、これに続く繊維複合材料層及び高力鋼管の外層からなる砲身を開示している。

本発明の課題は、鋼だけからなる耐圧体と比較してプロセス温度の上昇が得られるように、流体負荷可能な又は流体が負荷された耐圧体、例えば圧力管又は圧力容器を改良することにある。また従来常用された圧力より大きな圧力を耐圧体に負荷できるようすることも本発明の課題である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

この課題の解決のために、本発明は、おおむね鋼製の本体と、本体の外側を直接取り囲むセラミック複合材料の第１の層と、該第１の層の上に配置された繊維強化セラミックス及び／又は繊維強化プラスチックの少なくとも１つの第２の層とからなる流体負荷可能な又は流体が負荷された圧力管又は圧力容器の形態をなす耐圧体を提案する。

本発明に基づく流体負荷可能な又は流体が負荷された耐圧体、例えば圧力管又は圧力容器は、鋼だけからなる耐圧体と比較してプロセス温度を高めることが可能である。また従来慣用のものより大きな圧力負荷が可能になる。これは本発明に基づき、一方では鋼管の密封性と非常時特性、他方では繊維複合材料の耐高温クリープ性という機能分離によって行われる。

本発明に基づき、特に蒸気タービンプロセスで、従来使用される材料と比較してプロセス温度を少なくとも２００℃高める可能性をもたらし、それによって発電所の熱効率を約７％増大することができる多層体が利用可能になる。これに係わる複合管は軸方向及び半径方向に優れた圧縮及び引張負荷と、９００℃ないし１０００℃の範囲に至るまで温度安定性を示す。繊維複合材料からなる第１の層はその点で熱絶縁効果があり、即ち鋼管から外層へ温度勾配を生じるから、鋼管は酸化しない。また経済的な製造も可能である。

セラミック繊維複合材料（Ceramic Matrix Composites(CMC)）を高温で使用することは周知である。ガスタービン用CMC材料は熱ガス区域、即ちタービン燃焼室、ガス流を案内する静止ガイドベーン及びガスタービンの圧縮機を駆動する本来のタービンベーンで使用される。ところが、これに係わる部品はCMC材料だけからなり、本発明に基づく層構造を持たない。しかし、この層構造は、１０００℃に及ぶ高温及び３００バール以上の圧力で問題なく使用できることを保証し、同時に耐圧体の少なくとも３０年の耐クリープ性を保証する。

耐熱繊維複合材料は、セラミック繊維、特に長繊維の間に埋め込んだセラミック基質が特徴である。基質はセラミック繊維によって強化される。そこで繊維強化セラミックス、複合セラミック又は単に繊維セラミックスともいわれる。ここにおいて、基質と繊維は原則としてあらゆる既知のセラミック材料からなることができ、この点に関連して炭素もセラミック材料として扱われる。

特に、セラミック複合材料の繊維は酸化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム及び／又は炭素繊維である。なおムライトは酸化アルミニウムと酸化ケイ素の混晶からなる。

セラミック繊維複合材料としてSiC／SiC、C／C、C／C、C／SiC、Al₂O₃／Al₂O₃及び／又はムライト／ムライトを使用することが好ましい。なおスラッシュ（斜線）の前の材料は繊維の種類、スラッシュの後の材料は基質の種類を表す。セラミック繊維複合材料のための基質系としてシロキサン、Si前駆物質及び種々の酸化物、例えば酸化ジルコニウムも使用することができる。

第１の層は１mm≦D₁≦２０mmの厚さD₁及び／又は単数又は複数の、すなわち少なくとも１つの第２の層は全体として０mm＜D₂≦５０mmの厚さD₂を有することが好ましい。

少なくとも１つの第２の層により所望の補強を得るために、繊維強化炭素の繊維を半径方向に周回して及び／又は交差して第１の層の上に配置することができる。第１の層の繊維も同様に半径方向に周回して及び／又は交差して本体の上に配列することができる。

鋼製の本体は、マルテンサイト鋼又は高合金ニッケルベース合金よりなることが好ましい。その場合２mm≦D₃≦５０mmの肉厚D₃が好ましい値として挙げられるが、これによって本発明に基づく特徴を限定するものではない。

第１の層の繊維体積F_Vは３０％≦F_V＜７０％でなければならない。第１の層の気孔率Pは５％≦P≦５０％であることが好ましい。

セラミック繊維複合材料はCVI（Chemical
Vapour Infiltration（化学蒸気浸透））法、熱分解、特にLPI（Liquid Polymer Infiltration（液状ポリマー浸透））法で製造することができる。

基質材料としてSiベースの前駆物質を利用し、その上で熱分解によりSiCに変換することが好ましい。Siベースの前駆物質は焼入れ及び熱分解が容易であるから、問題なく製造できる利点がある。

また、本発明は、マルテンサイト鋼、オーステナイト鋼、又は高ニッケルベース合金よりなる鋼製の本体と、該本体を取り囲み、T≧５００℃の温度Tでクリープを全く又は極めて僅かしか示さない繊維からなり又は該繊維を含む層とからなる流体負荷可能な又は流体が負荷された圧力管又は圧力容器等の形態をなす耐圧体を特徴とする。

耐クリープ性繊維、即ちクリープ領域−５５０℃以上の温度域−で永久変形、すなわちクリープの時間的増加がまったくないか又は極めて少ない繊維が使用され、それによって内側の鋼管のクリープが阻止される。化学的にこの繊維は、特に大気下で高い使用温度で強度が保証されるという高いクリープ強度を特徴とする。

繊維として酸化物、炭化物、窒化物繊維又はC繊維及びSiBCN繊維の部類に含まれる強化繊維が考えられる。プラスチック繊維、例えばPAN繊維又はポリアクリルニトリル繊維も強化繊維と呼ばれる。

本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴−単独で又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施例の下記の説明でも明かである。

図１に特に発電所分野で蒸気タービンプロセスのために使用される本発明に係る耐圧体の例としての圧力管１０の断面図を示す。圧力管１０に３００バール以上に及ぶ圧力と８００℃、特に８５０℃以上の温度で流体を貫流させるために、管１０は複合管として形成されている。以下において、圧力間１０は、単に管又は複合管とも称する。管１０は少なくとも２つの層１４、１６を被着した鋼製の本体１２からなる。ここにおいて、本体１２の上に配置されるとともに該本体１２を直接取り囲む第１の層をなす層１４はセラミック繊維複合材料からなり、該第１の層１４を覆う少なくとも１つの第２の層１６は繊維強化プラスチック及び／又は繊維強化セラミックスからなる。プラスチック分は伸び耐容性を高めるのに役立つ。

第１の層１４のセラミック繊維複合材料は周知のセラミック材料からなることができ、とりわけSiC／SiC、Al₂O₃／Al₂O₃又はムライト／ムライトが挙げられる。セラミック繊維複合材料の第１の層１４は、本体１２と、炭素繊維強化プラスチックであれ、ガラス繊維強化プラスチックであれ、繊維強化プラスチックからなる少なくとも１つの第２の層１６との間に、少なくとも１つの第２の層１６の酸化を抑制するような熱絶縁が形成されることを保証する。これによって少なくとも１つの第２の層１６が所望の補強をもたらすから、複合管１０に所望の高い圧力を負荷することが保証される。第２の層は圧力管又は圧力容器にプレストレスを生じる役割も果たし、その場合使用温度の増加とともにプレストレスが上昇する。

プレストレスについては、始動時に圧力及び温度の上昇とともに繊維外被にプレストレスが発生し、やがて一部が内側の鋼管のクリープ挙動によって時間に応じて解消されることが認められる。

第１の層１４は、効率の増加のために複合管１０に少なくとも８００℃ないし８５０℃、場合によっては１０００℃に及ぶ所要の高い温度を働かせることを可能にする。

第１の層１４の繊維は必要に応じて配列することができる。例えば繊維は交差して及び／又は半径方向に周回して本体１２を取り囲むことができる。少なくとも１つの第２の層１６の繊維についても、同じことが当てはまる。

図２に、同じく鋼製の本体２２と該本体２２の上に配置された第１及び／又は第２の層２４、２６で構成された本発明に係る耐圧体の他の例としての圧力容器２０の原理図を示す。なお、圧力容器２０は、以下では複合容器とも称する。第１の層２４はセラミック繊維複合材料で本体２２を直接取り囲む。第２の層２６は繊維強化プラスチック及び／又は繊維強化セラミックスからなる。ここにおいて、図１に示した前述の製造方法及び材料を使用することができる。単なる一例として、第１の層２４の繊維２８、３０が半径方向に長繊維２８で示すごとく周回して又は長繊維３０で示すごとく交差して、本体２２の上に配列される。先行技術で周知の別の繊維配列も同じく可能である。

図１の実施例では本体１２は、例えば５００mmの内径と４０mmの肉厚を有する。セラミック繊維複合材料からなる第１の層１４の厚さD₁ は、約１０mm 、繊維強化炭素からなる第２の層１６の厚さD₂ は、約１０mmを有する。

図２の圧力容器２０では本体２２は３００mmの直径と５００mmの長さ及び３０mmの肉厚を有する。単なる一例として数字を挙げれば、第１の層２４の厚さD₁はD₁ は約１５mmであり、第２の層２６の厚さD₂は約１０mmである。

本発明によれば、繊維外被の厚さDと圧力管２０の肉厚dの比率は０．４d≦D ≦０．６d、特にd／２=Dとする。

当該の複合管１０又は複合容器２０に温度約８５０℃の流体を負荷することができるから、特に蒸気タービンプロセスで高温を使用することができる。それによって慣用の構造の圧力管又は圧力容器と比較して熱効率を大幅に高めることができる。同時にこの複合体をなす複合管１０及び複合容器２０は損傷に耐えるソフトな破損挙動と耐クリープ性を示す。軸方向にも半径方向にも圧縮及び引張荷重が、耐圧体を損傷することなく可能である。また経済的な製造が可能である。

上記の実施例は本体及び本体の上に被着した第１及び第２の層に基づいて説明したが、５５０℃以上の温度域で、永久変形、即ちクリープの時間的増加を全く又は極めて僅かしか示さず、それによって内側の本体のクリープを阻止する強化繊維のただ１つの層を本体の上に被着する場合でも、本発明を逸脱しない。また当該の繊維は高いクリープ強度を有し、特に大気下で高い使用温度で強度が保証される。当該の繊維は酸化物、炭化物、窒化物繊維又はC繊維又はSiBCN繊維の部類に分類することができる。プラスチック繊維、例えばPAN又はポリアクリルニトリル繊維も考えられる。

特に下記の繊維が挙げられる。C繊維、ネクステル（Nextel）繊維、３M繊維、Hi−ニカロン（Nicalon）繊維、酸化物繊維、SiO₂−、Al₂O₃−、SiC−、SiBCN−、PAN−及びSi₃N₄繊維。

以上説明した当該の耐圧体の応用例として、例えば約４２mmの外径と約６mmの肉厚を有するオーステナイト鋼又はマルテンサイト鋼（９％クロム鋼）からなるボイラ管が挙げられる。所望の性質を得るために、この管を３mmないし４mmの範囲の厚さの前記の強化繊維の層で巻くことができる。

本発明に係る耐圧体の実施例の圧力管の原理図である。 本発明に係る耐圧体の他の実施例の圧力容器の原理図である。

Claims (6)

1. 鋼製の本体（１２、２２）と、該本体の外側を直接取り囲むセラミック繊維複合材料の第１の層（１４、２４）と、該第１の層の上に配置された繊維強化プラスチック及び／又は繊維強化セラミックスの少なくとも１つの第２の層（１６、２６）とを具備した流体負荷可能な又は流体が負荷された、圧力管又は圧力容器の形態をなす耐圧体（１０、２０）であって、
   前記本体（１２，２２）を形成する鋼は、マルテンサイト鋼、オーステナイト鋼、及び高合金ニッケルベース合金よりなる群から選択されることと、
   該本体（１２、２２）が１mm≦D≦５０mmの肉厚Dを有することと、
   該セラミック繊維複合材料の繊維が、酸化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム及び炭素繊維の群から選択されることと、
   前記第１の層（１４）が１mm≦D ₁ ≦２０mmの厚さD ₁ を有することと、
   よりなることを特徴とする耐圧体。
2. 該セラミック繊維複合材料がSiC／SiC、C／C、C／SiC、Al₂O₃／Al₂O₃、C／シロキサン、SiC／シロキサン及び／又はムライト／ムライトからなることを特徴とする請求項１に記載の耐圧体。
3. 少なくとも１つ又は複数の前記第２の層（１６、２６）が全体として０mm＜D₂≦５０mmの厚さD₂を有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐圧体。
4. 前記第１の層（１４、２４）の繊維（２８、３０）が半径方向に周回して及び／又は交差して該本体（１２、２２）の上に配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の耐圧体。
5. 少なくとも１つの前記第２の層（１６、２６）の繊維が該本体（１２、２２）に対して半径方向に周回して及び／又は交差して、前記第１の層の上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の耐圧体。
6. 該セラミック繊維複合材料が、T≧５００℃の温度Tでクリープを全く又は極めて僅かしか示さない繊維、又は、該繊維を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の耐圧体。

Images