JP5301817B2 - 流体用部品 - Google Patents

Description

本発明は、弁、配管とその作用に関し、詳しくは火力および原子力発電所などの給水系に用いられる流体用部品に関するものである。

Ｔｉ−Ｎｉ合金は耐食耐摩耗を示す材料として良く知られている。また、等原子比近傍のＴｉ−Ｎｉ合金は、マルテンサイト変態の逆変態に伴い顕著な形状記憶効果および超弾性を示すことは良く知られている。

実用的には、Ｔｉ−Ｎｉ合金は、加熱によって形状が回復する形状記憶用途として、温水シャワーバルブ、温室窓開閉装置、コーヒーメーカ等がある。またＴｉ−Ｎｉ系合金の加熱を伴わないバネ機能の超弾性用途として、携帯電話用アンテナ、メガネフレーム、医療用ガイドワイヤーなどがある。

また、配管などへの用途として、形状記憶合金の加熱による形状回復特性を利用した配管用継ぎ手、加熱によって繰り返し使用可能なメタルパッキンなどが挙げられる。

ここで、流体に用いられる機器や材料において、避けられない問題として、キャビテーションという現象がある。このキャビテーションとは、液体が急激な圧力変化を受けて、液体の静圧が蒸気圧より低下すると、液体中に溶存する空気や液体の気化によって気泡（Ｃａｖｉｔｙ）が生じる現象である。この気泡が高圧部で急激に圧縮されて崩壊すると、その際に大きな衝撃圧を発生する。

これが材料の表面近傍で起こり、ある大きさ以上の強い衝撃が加わるとその部分が損傷（Ｅｒｏｓｉｏｎ）を受ける。

このような気泡の発生と崩壊が繰り返され、衝撃圧による攻撃での材料表面損傷が懸念される高温、高圧の水・蒸気が高速で流動する環境に設置されている調整弁、ドレン弁および蒸気タービンの翼などは、耐食性、耐摩耗性に優れたＣｏ合金（ステライト、Ｃｒ：約３０原子％、Ｃ：約１原子％、Ｗ：約４原子％、残部：Ｃｏ）が使用されている。

また、火力および原子力発電所の給水系の弁は、圧力２９．４ＭＰａ（３００ｋｇ／ｃｍ^２）以下で、温度３００℃以下で使用されるが、このような弁の弁座にはステライトの硬化肉盛溶接が適用されてきた。

ステライトを弁座に適用する作業工程は、まず、溶接開先加工、肉盛溶接、後熱処理、仕上加工、摺合わせという工程順で実施される。ステライトの肉盛溶接は、酸素−アセチレン火焔を用いるガス溶接、アーク溶接であるティグ溶接およびプラズマ溶接が適用される。

ここで、ガス溶接は、ステライトの特性を生かすことが出来るが、この溶接は高度の熟練した技能者を必要とし、かつ、その作業は高熱作業である。このため、現状では、このような技能者は少なくなる傾向にあり、ティグあるいはプラズマ・アーク溶接を採用する企業が増加している。

ところが、アーク溶接では、母材を過度に溶融してステライトの希釈を生じさせ特性を劣化させる欠点がある。

また、小型弁の弁箱側弁座の溶接では、アーク溶接のノズルが、弁の溶接孔より大きく直接、弁座に溶接出来ないので、弁箱を弁座部とパッキング部あるいは弁座部と本体部とに分離して、先ず、弁座部にステライトの肉盛を行い、その後に弁座部とパッキング部あるいは本体部とを溶接するという工程が必要となる欠点があった。

また、ステライトは、Ｃｏ−Ｃｒ基のマトリックスの中に、タングステンの炭化物（ＷＣ）あるいはクロムの炭化物（ＣｒＣ）が分布している。

このため、ステライトを玉型弁の弁座に適用すると、流体を絞る時に弁座の前後に高い差圧が生じ、炭化物隣接部が優先的にエロージョンされて弁座が損傷するという欠点があった。

また、ステライトでの肉盛では、実用性の高いアーク溶接が、特に小型弁の弁箱側弁座に対しては直接溶接が困難である、という欠点があると共に、玉型弁の弁座に適用した場合には、耐エロージョン性が劣るという欠点があった。

また、一般的に、調整弁等でのエロージョン損傷は、主として「キャビテーション」および「高速せん断流」が原因となっているが、ステライトは、キャビテーションエロージョンに対しては優れた耐エロージョン性を示す材料であるが、高速せん断流に対する耐エロージョン性はＳＵＳ系材料よりも劣る欠点を有している。

更に、原子力プラントの給・復水系統の弁では、ステライトに含まれるＣｏが原子炉内に流入し、放射化され、作業被曝線量を上昇させることが懸念されており、Ｃｏフリーの代替合金が望まれている。

非特許文献１及び非特許文献２などに、Ｔｉ−Ｎｉ合金が耐エロージョン性、耐コローション性に優れることが報告されている。

また、本発明者らは、Ｔｉ−Ｎｉ合金にＡｇ、Ｂ、Ｆｅ、Ｎｂなとの第３元素を添加したＴｉ−Ｎｉ−Ｘ合金の耐エロージョン、耐摩耗特性を検討した。（非特許文献３、参照）。

その検討の中で、ＢおよびＮｂ添加合金が耐工ローション性を示し、Ａｇ添加合金が耐摩耗性を示す結果を得られたが、双方の特性を満足するものは得られていない。

Ｍａｔｅｒ． Ｔｒａｎｓ． ４３−５、８４０（２００２） Ｔｒａｎｓ．ＭＲＳＪ、２６−１、１６７（２００１） 「材料と環境」、５２、６４３−６４９（２００３）

本発明の技術的課題は、これらの問題を解決すべく、溶接を必要としない弁取付け方法および耐摩耗性、耐エロージョン性に富む合金とそれを用いた管及び弁等の流体用部品を提供することにある。

本発明者らは、耐食、耐摩耗材料として知られるＴｉ−Ｎｉ合金にＣｕを添加することで優れた耐摩耗性、耐エロージョン性を示すことを見出し、上記課題を解決した。

すなわち、本発明によれば、（１００−ａ）Ｔｉ−（ａ−ｂ−ｃ）Ｎｉ−ｂＣｕ−ｃＸ合金（但し、ａは４５〜５５原子％、ｂは８．５〜１５原子％、ｃは０〜１０原子％、ＸはＮｂ，Ｖ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｔａ，Ｗから選ばれた少なくとも一種からなる元素）のＣｕ含有のＴｉ−Ｎｉ系合金からなる耐摩耗・耐エロージョン合金を、高温或いは高圧配管接合部、弁座、弁体および蒸気タービン翼の少なくともいずれか一つの一部若しくは全体に用いたことを特徴とする流体用部品が得られる。

また、本発明によれば、前記流体用部品において、前記耐摩耗・耐エロージョン合金は、形状記憶効果を有することを特徴とする流体用部品が得られる。

本発明においては、溶接を必要としない弁取付け方法を用いる耐摩耗性、耐エロージョン性に優れた管、弁等に用いる合金とそれらの流体用部品を提供することができる。

以下、本発明について更に詳しく説明する。

本発明の耐摩耗・耐エロージョン合金は、Ｔｉ−Ｎｉ系合金もしくは形状記憶効果を有するＴｉ−Ｎｉ系合金であって、少なくとも５．０原子％を超えるＣｕを含む。また、本発明の流体用部品は、この耐摩耗・耐エロージョン合金を、高温或いは高圧配管接合部、流体調整弁、ドレン弁などの弁座、弁体および蒸気タービン翼の少なくともいずれか一つの一部若しくは全体に用い、本体部との締結・固定を容易にしたものである。

ここで、本発明において、Ｔｉ−Ｎｉ系合金とは、Ｔｉ及びＮｉを含有する合金もしくはその合金のＴｉ及びＮｉの一部を第３元素で置換したもの（Ｔｉ−Ｎｉ−Ｘ合金）である。

以下に示す本発明の実施の形態では、（１００−ｘ）Ｔｉ−（ｘ−ｙ）Ｎｉ−ｙＣｕ合金のｘを４５〜５５原子％としたＣｕ含有のＴｉ−Ｎｉ系合金のみを示したが、Ｔｉ−Ｎｉ系合金はこれらに限定されるものではなく、あらゆる組成のＣｕを含有したＴｉ−Ｎｉ系合金、例えば、Ｃｕを含有したＴｉ−Ｎｉ−Ｘ系合金（Ｘ＝Ｎｂ、Ｖ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｇ）に適用できることは勿論である。

ただ、合金の摩耗性、加工性を考慮するとｘ＝４５〜５５が好適である。また、Ｃｕ含有量ｙは５原子％以上であれば、充分な耐エロージョン性と耐摩耗性を示すが、繰り返しによる焼付きかじりを考慮すると５原子％を超えることが好ましい。Ｃｕ含有は多いほど本発明に対し好適と言えるが、その上限は加工性を考慮すると１０％程度が好ましい。

また、上記Ｔｉ−Ｎｉ−Ｘ合金として、本発明の例では、Ｘ＝Ｎｂ、Ｖ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｇのみを示したがＴａ、Ｗなどの元素を含むことに問題はない。また、本発明を形状記憶合金とした場合は、その添加元素、含有量が形状記憶効果を喪失しない範囲に限定することが出来る、その範囲は、上限が１０％程度であることが好ましい。

次に本発明の合金の適用例として弁装置を例として説明する。

まず、第１の実施の形態について述べる。

図１は本発明の第１の実施の形態による耐摩耗性・耐エロージョン合金を用いた弁装置への適用例を示す断面図である。図１を参照すると、円錐形弁座を有する玉型弁の弁座への適用例が示されている。口径２５ｍｍの円錐形弁座を有する玉型弁の断面図である。玉型弁１には、弁箱２に３６°の角度を有する弁箱側弁座３があり、３５°の角度を有する弁体側弁座４を引き上げることによって流体を流し、また、押し込むことによって流量や圧力の調節を行い、締め切ることによって流体を遮断する。これらの弁座はＴｉ−Ｎｉ−Ｃｕ合金で製造されている。

次に第２の実施の形態について述べる。

第２の実施の形態による玉型弁は、弁箱側弁座の形状及び取り付け方が異なる他は第１の実施の形態と同様であるので、弁箱側弁座についてのみ説明する。

図２は本発明の第２の実施の形態による弁箱側弁座を示す断面図である。図２に示す第２の実施の形態による弁箱側弁座５は、後に述べるＮｏ．９合金で製作されている。弁箱の炭素鋼母材６に弁座取付け用の円周状溝７を加工した。弁箱側弁座５の取付けは、別途に用意した弁箱側弁座５を、予め弁座外径が溝径より小さくなるように、温度５００℃で形状記憶させた後、室温で変形させて弁箱側弁座５の内径を弁座取付け溝７の外径より大きくした。この弁箱側弁座５を取付け溝６にはめ込み、１００℃の温度に加熱して、形状回復させ弁箱６と弁箱側弁座５とを締結した。

このようにして製作した弁座を有する口径２５ｍｍの玉型弁を発電所の給水系配管に取付け、圧力８．６２４ＭＰａ（８８ｋｇ／ｃｍ^２）、温度２８８℃で使用したが、良好な弁の締切り特性と耐エロージョン性、耐摩耗性を示した。

以下に、本発明の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではないことは勿論である。

（例）
（ｉ）合金および試験材作製
下記表１に示す種々の合金をアルゴンアーク溶解によって作製し、１０００℃、１時間の溶体化処理後急冷し、それぞれの試験片を切り出した。エロージョン試験片は、表面を鏡面加工し、摩耗試験片は＃６００のペーパー仕上げとした。

（ｉｉ）形状記憶特性評価
各短冊状試験片の曲げ変形を行い、加工性評価を行った。その結果、Ｎｏ．１、３のように、Ｔｉ _５０ Ｎｉ _５０ の化学量論から大きく外れる合金およびＡｇを含むＮｏ．１６、Ｎｏ．１９合金は、脆く曲げることが出来なかった。

曲げ可能な試験片は形状記憶特性有無評価の為に、示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって変態温度を測定した。その結果、いずれも明確な変態温度を示し、形状記憶特性の存在を確認した。

（ｉｉｉ）耐エロージョン性の評価
エロージョン試験は、ＪＩＳ Ｒ １６４５に準拠した高温・高圧の圧縮水を微小孔径のノズルから大気中に噴射して得られる噴流を試験片表面に衝突させる方法で行った。具体的には、温度＝１５０℃、圧力＝１４．７ＭＰａの圧縮水を孔径＝０．３ｍｍ、厚さ＝１ｍｍのノズル（ＳＵＳ３０４）より大気中に噴出させ、ノズルから１０ｍｍの位置に設置された試験片に衝突させた。噴流の流量は８×１０^−６ｍ^３／ｓである。試験片の寸法は、直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍである。噴流は、ノズルからの距離が長くなるに伴い空気との摩擦により液滴に分散する液滴噴流となるが、本試験片条件では液滴に分散しない連続噴流となっている。

下記表２に各試験片への２時間噴射後損傷度をステライトと比較した結果を示したが、本発明例は、いずれもステライトと同等以上の耐エロージョン性を示すことが判った。なお、表中、丸印（○）はステライトと比較し損傷が少ない、三角印（△）は同等、バツ印（×）は劣る、ことを夫々示している。

図３は、ステライト、Ｎｏ．５（Ｔｉ−Ｎｉ）、Ｎｏ．１９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ）、Ｎｏ．９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ）各試験片の受けた浸食深さと噴射時間の関係を示したが、本発明例が耐エロージョン性に優れることが判る。

（ｉｖ）耐摩耗性評価
摩耗試験は、往復摺動方法で行った。一定荷重下の条件で、供試材を固定試験片とし、ＳＵＳ４４０Ｃを可動試験片として室温の純水中で試験を行った。固定試験片は、直径１１．３ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒形、可動試験片はＳＵＳ４４０Ｃであり１５×１０×１２０ｍｍの矩形とした。試験は摺動速度１６７ｍｍ／ｓ、ストローク５０ｍｍの条件で行った。荷重を９８Ｎから開始し、摺動回数が５０回毎に荷重を９８Ｎずつ増加させ、焼付きかじりが発生するまで行った。各固定片の比摩耗量をステライトと比較した結果を下記表３に示したが、本発明例が耐摩耗性に優れることが判る。ここで、摩耗量＝試験前重量−試験後重量、比摩耗量＝摩耗量／（摺動距離×最終荷重）であり、表中、丸印（○）はステライトと比較し摩耗が少ない、三角印（△）は同等、バツ印（×）は多い、を意味する。

図４にＮｏ．７（Ｔｉ−Ｎｉ−５Ｃｕ）、ステライト、Ｎｏ．１９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ）および本発明例Ｎｏ．９（Ｔｉ−Ｎｉ−８．５Ｃｕ）合金の摺動繰り返しによる摩擦係数の変化結果を示した。Ｎｏ．７は１０００回未満で焼付きかじりを起こし、ステライトは繰り返しによる押付け荷重の増加に伴い上昇する傾向を示したが、本発明品およびＮｏ．１９は、その変化がほとんど見られなかった。

以上の説明の通り、本発明に係る耐摩耗・耐エロージョン合金は、高圧配管接合部、流体調整弁、ドレン弁などの弁座、弁体および蒸気タービン翼の少なくともいずれか一つの一部若しくは全体に用い、本体部との締結・固定を容易にすることができるので、火力および原子力発電所などの給水系に用いられる流体用部品に最適である。

本発明の実施の形態による玉型弁を示す断面図である。 図１の玉型弁の弁箱側弁座を示す断面図である。 本発明の例におけるステライト、Ｎｏ．５（Ｔｉ−Ｎｉ）、Ｎｏ．１９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ）、Ｎｏ．９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ）各試験片の浸食深さと噴射時間の関係を示す図である。 本発明の例におけるＮｏ．７（Ｔｉ−Ｎｉ−５Ａｇ）、ステライト、Ｎｏ．１９（Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ）および本発明例のＮｏ．９の摩擦係数の変化結果を示した図である。

符号の説明

１ 玉型弁
２ 弁箱
３ 弁箱側弁座
４ 弁体側弁座
５ 弁箱側弁座
６ 炭素鋼母材
７ 円周状溝

Claims (2)

1. （１００−ａ）Ｔｉ−（ａ−ｂ−ｃ）Ｎｉ−ｂＣｕ−ｃＸ合金（但し、ａは４５〜５５原子％、ｂは８．５〜１５原子％、ｃは０〜１０原子％、ＸはＮｂ，Ｖ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｔａ，Ｗから選ばれた少なくとも一種からなる元素）のＣｕ含有のＴｉ−Ｎｉ系合金からなる耐摩耗・耐エロージョン合金を、高温或いは高圧配管接合部、弁座、弁体および蒸気タービン翼の少なくともいずれか一つの一部若しくは全体に用いたことを特徴とする流体用部品。
2. 請求項１に記載の流体用部品において、前記耐摩耗・耐エロージョン合金は、形状記憶効果を有することを特徴とする流体用部品。

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