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KR20090019823A - 유체가 공급되는 내압력체 - Google Patents

유체가 공급되는 내압력체 Download PDF

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KR20090019823A
KR20090019823A KR1020087029911A KR20087029911A KR20090019823A KR 20090019823 A KR20090019823 A KR 20090019823A KR 1020087029911 A KR1020087029911 A KR 1020087029911A KR 20087029911 A KR20087029911 A KR 20087029911A KR 20090019823 A KR20090019823 A KR 20090019823A
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KR
South Korea
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fibers
pressure
layer
pressure resistant
resistant body
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020087029911A
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English (en)
Inventor
칼 마일레
칼 베르레트
아브람 리우토비치
롤란트 바이쓰
토르스텐 샤이벨
마르코 에베르트
마르타 하인리히
안드레아스 라우어
Original Assignee
슝크 코렌슈토프테크닉 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 슝크 코렌슈토프테크닉 게엠베하 filed Critical 슝크 코렌슈토프테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 강으로 만들어진 본체(12), 본체의 외부를 둘러싸는 세라믹 섬유 복합재의 제 1 층(14), 및 제 1 층 상에 안치되는 섬유 보강 플라스틱 및/또는 섬유 보강 세라믹의 적어도 하나의 제 2 층(16)으로 이루어진, 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 내압력체(10)에 관한 것이다.
내압력체, 고압 파이프, 고압 용기, 섬유 보강 플라스틱, 세라믹 매트릴스 복합체

Description

유체가 공급되는 내압력체{PRESSURE-RESISTANT BODY THAT IS SUPPLIED WITH FLUID}
본 발명은 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능 또는 유체 충전 내압력체에 관한 것이다.
증기 터빈 공정의 효율은 처리 온도에 좌우된다. 결과적으로, 사용자는 가능한 높은 처리 온도를 설정하도록 노력하고 있다. 이러한 증기 터빈 공정에서 채택되는 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 내압력체들은 기술의 상태에 따라서 마르텐사이트강 또는 고합금의 니켈 기반 합금으로 제조된다. 이러한 재료들을 사용하는 것은 공정 온도가 650℃ 또는 700℃까지 달성되도록 한다. 그러나, 안전성의 이유 때문에, 단지 마르텐사이트강에 대해 620℃의 온도를 초과하지 않는 것이 유용하다.
상기된 강들로 만들어진 내압력체들은 300 bar까지의 압력을 지탱할 수 있다. 보다 높은 온도 및 압력들은 금속 크리프(creep) 거동에 요구되는 안전성으로 인하여, 그리고 안전성 및 경제적인 이유 때문에 실용적이지 않다.
본 발명은, 상기의 문제에 기초하여, 강으로 이루어진 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체들에 대해 공정 온도를 증가시키는 방식으로, 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체를 더욱 발전시키는 것이다. 또한, 내압력체들은 정상적으로 채택하기 전의 것보다 높은 압력으로 충전되어야 한다.
이러한 문제들에 대한 해결 수단으로서, 본 발명은, 강으로 만들어진 본체(base body), 상기 본체의 외부를 둘러싸는 세라믹 섬유 복합재의 제 1 층, 및 상기 제 1 층 상에 배열되는 섬유 보강 세라믹 또는 섬유 보강 플라스틱의 제 2 층을 포함하는 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체를 제안한다.
본 발명에 따른 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체는 오직 강으로 이루어진 내압력체들에 대해 공정 온도에서의 증가를 허용한다. 부가하여, 현재 가능한 것보다 높은 압력 레벨이 허용된다. 본 발명에 따라서, 이러한 것은 한편으로는 강제 파이프의 긴장(tightness) 및 긴급(emergency) 특성 및 다른 한편으로는 섬유 복합재의 내고온 크리프성의 기능적 분리의 결과로서 달성된다.
본 발명은, 특히 증기 터빈에서 현재 재료들을 채택하는 공정들과 비교하여 적어도 200℃까지 공정 온도를 증가시킬 가능성을 제공하여 발전소(power plants)의 열효율에서의 대략 7% 증가시키는 다층체를 제공한다. 대응하는 복합 파이프는 축선 방향 및 반경 방향으로의 양호한 압축 및 신장 부하 반응과 900℃ 내지 1000℃의 영역까지의 온도 안정성을 보인다. 섬유 복합재로 구성되는 제 1 층은 단열 효과를 가지며, 즉 강제 파이프와 외부측 사이의 열구배를 생성하여서, 강제 파이프가 산화하지 않는다. 부가하여, 경제적인 제조가 가능하다.
고온 상태 하에서의 세라믹 섬유 복합재(세라믹 매트릭스 복합, Ceramic Matrix Composites, CMC))의 사용은 공지되었다. CMC 재료는 고온 가스를 구비한 영역에서 가스 터빈에서 채택되며, 즉 터빈 연소기, 가스 흐름을 안내하는 고정 가이드 베인, 및 가스 터비의 압축기를 구동하는 터빈 블레이드에 채택된다. 그러나, 대응하는 부분은 오직 CMC 재료로 이루어지며, 본 발명에 따른 층 구조를 가지지 않는다. 그러나, 이러한 층 구조는 1000℃까지의 고온 및 300 bar의 압력에서 사용하는 것을 보장하며 보다 확실하게 채택될 수 있으며 동시에 적어도 30년 동안 내압력체의 크리프 안정성을 보장한다.
열 섬유 복합재들은 세라믹 섬유들, 특히 긴 섬유들 사이에 매립되어 이러한 세라믹 섬유에 의해 보강되는 세라믹 매트릭스에 의해 특징된다. 결과적으로, 섬유 보강 세라믹, 복합 세라믹, 또는 간단하게 섬유 세라믹과 같은 명칭을 사용한다. 원칙적으로, 매트릭스와 섬유들은 또한 세라믹 재료로서 본 명세서에 고려되는 공지된 세라믹 재료, 탄소 중 임의의 것으로 이루어질 수 있다.
특히, 세라믹 복합재의 섬유들이 산화 알루미늄 섬유, 멀라이트, 탄화 실리콘 섬유, 산화 지르콘 섬유, 및/또는 탄소 섬유인 것이 의도된다. 멀라이트는 산화 알루미늄 및 이산화 실리콘의 혼합된 결정들로 이루어진다.
세라믹 매트릭스 복합재로서, 바람직하게, SiC/SiC, C/C, C/SiC, Al2O3/Al2O3, 및/또는 멀라이트/멀라이트를 채택한다. 본 발명에서, 사선의 앞에 있는 재료는 섬유 형태를 지정하는 한편, 사선 뒤의 재료는 매트릭스 형태를 지정한다. 세라믹 섬유 복합재 구조에 대한 매트릭스 시스템으로서, 실록산, Si 전구체, 및 예를 들어 산화 지르콘과 같은 다양한 산화물들을 채택할 수 있다.
바람직하게, 제 1 층은 1mm ≤ D1 ≤ 20㎜의 두께(D1)를 가지며 및/또는 제 2 층 또는 제 2 층들은 함께 0㎜ < D2 ≤ 50㎜의 두께(D2)를 가진다.
적어도 하나의 제 2 층의 수단에 의하여 필요한 아머링(armouring)을 달성하는 목적을 위하여, 섬유 보강 탄소로 만들어진 섬유들은 반경 방향 회전(radially revolving) 및/또는 십자 형태(criss-crossing pattern)로 제 1 층의 상부에 배열될 수 있다. 마찬 가지로, 제 1 층의 섬유들은 반경 방향 회전 및/또는 십자 형태로 본체 상에 침착될(deposited) 수 있다.
본체는 바람직하게 마르텐사이트 강 또는 고합금의 니켈 기반 합금을 포함한다. 벽 두께(D3)의 바람직한 값은 본 발명의 기술적 교시의 범위에서 벗어남이 없이 2㎜ ≤ D3 ≤ 50㎜이다.
제 1 층의 섬유 체적(Fv, fibre volume)은 30% ≤ Fv ≤ 70%의 범위에 있어야 한다. 제 1 층의 다공도(P)는 바람직하게 5% ≤ P ≤ 50%의 범위에 있다.
세라믹 매트릭스 복합재는 화학 증기 침투(Chemical Vapour Infiltration, CVI) 공정, 열분해, 특히 액체 폴리머 침투(Liquid Polymer Infiltration, LPI) 공정을 통해, 또는 액체 규소 침투(Liquid Silicon Infiltration, LSI) 공정과 같은 화학 반응으로 제조될 수 있다.
바람직하게, 매트릭스 물질로서 열분해를 통해 SiC로 변환되는 Si 기반의 전구체를 채택한다. Si 기반의 전구체는 경화 및 열분해중합(pyrolyse)을 용이하게 하는 이점을 제공하고, 문제 없이 제조될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 강으로 만들어진 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체, 및 본체를 둘러싸고 T ≥ 500℃의 온도(T)에서 크리프를 보이지 않거나 단지 최소의 크리프를 보이는 섬유로 구성 또는 함유하는 층을 특징으로 한다.
크리프 도메인(creep domain)에서(550℃ 이상의 온도 영역에서) 소성변형을 보이지 않거나 또는 최소 증가 오버타임(minimal increase over time)을 보여서, 내부 강 파이프의 크리프를 방지하는 내크리프성 섬유들, 즉 섬유들을 채택한다. 화학적으로, 섬유들은 고 크리프 강도를 특징으로 하여서, 강도는 특히 높은 동작 온도의 대기 공기에서 보장된다.
문제가 되는 섬유들은 산화 섬유, 탄화 섬유, 및 질화 섬유 또는 C 섬유 및 SiBCN 섬유들의 그룹의 것들인 보강 섬유들이다. PAN 섬유 또는 폴리아크릴로니트릴 섬유와 같은 플라스틱 섬유들은 보강 섬유로서 지칭될 수 있다.
본 발명의 추가의 상세, 이점, 및 특징들은 특허청구범위 및 그 자체 및/또는 조합으로 본 명세서에서 열거된 특징들에서 뿐만 아니라 도면에 예시된 바람직한 실시예들의 다음의 설명에서 볼 수 있다.
도 1은 압력 파이프의 개략도.
도 2는 용기의 개략도.
도 1은 특히 증기 터빈 공정을 위하여 발전소에서 사용되는 압력 파이프(10)의 개략도이다. 300 bar 이상의 압력 및 800℃, 특히 850℃ 이상의 온도에서 유체가 압력 파이프(10)를 통과하는 것을 허용하기 위하여, 파이프(10)는 복합 파이프로서 구현된다. 파이프(10)는 2개의 층(14, 16)들이 적용되는 강으로 만들어진 본체(12)로 이루어진다. 본체(12)에 적용되고 제 1 층으로서 지칭되는 층(14)은 세라믹 매트릭스 복합재로 이루어지는 한편, 제 1 층(14)을 덮는 제 2 층(16)은 섬유 보강 플라스틱 및/또는 섬유 보강 세라믹으로 이루어진다. 플라스틱 성분은 팽창 융화성(expansion compatibility)을 증가시키도록 작용한다.
제 1 층(14)의 세라믹 매트릭스 복합재는 공지된 세라믹 재료로 이루어질 수 있으며, 이에 의해, 바람직하게 SiC/SiC, Al2O3/Al2O3, 멀라이트/멀라이트가 지칭될 수 있다. 세라믹 매트릭스 복합재의 제 1 층(14)은 본체(12)와 섬유 보강 플라스틱의 제 2 층(16) 사이에 단열의 생성을 보장하고, 섬유 보강 플라스틱은 적어도 하나의 제 2 층(16)의 산화가 발생하지 않도록 탄소-섬유 보강 플라스틱 또는 유리 섬유 보강 플라스틱이다. 이러한 것은 복합 파이프(10)가 필요한 고압 레벨을 받을 수 있도록 적어도 하나의 제 2 층(16)이 필요한 아머링을 제공하는 것을 보장한다. 제 2 층은 또한 압력 파이프 또는 압력 용기의 사전 응력의 발생을 초래하고, 사전 응력은 적용된 온도가 증가함으로써 증가한다.
사전 응력에 관하여, 사전 응력이 섬유 외피(wrap)에서 압력과 온도가 상승함으로써 개시동안 전개하고, 오버 타임이 내부 강 파이프의 크리프 거동의 함수로서 부분적으로 감소되는 것을 유념하여야 한다.
제 1 층(14)은 복합 파이프(10)가(증가된 효율의 목적을 위하여) 적어도 800℃ 내지 850℃, 가능하게 1000℃의 필요한 고온에 견딜 수 있게 한다.
제 1 층(14)의 섬유는 요구사항 반영 방식으로 침착될 수 있다. 그러므로, 섬유들은 십자 형태 및/또는 반경 방향 회전 방식으로 본체(12)를 둘러쌀 수 있다. 동일한 것이 적어도 하나의 제 2 층(16)의 섬유들에 대해 적용된다.
도 2는 압력 용기(18)의 개략적인 도면을 도시하고, 압력 용기는 또한 강으로 만들어진 본체(20)와, 본체(20) 상에 배열되는 제 1 및 제 2 층(24, 26)으로 구성되며, 제 1 층(24)은 세라믹 매트릭스 복합재로 이루어지고, 적어도 하나의 제 2 층(26)은 섬유 보강 플라스틱 및/또는 섬유 보강 세라믹으로 이루어진다. 상기된 제조 공정 및 재료들은 또한 이 경우에 채택될 수 있다. 순수하게 예로서, 도 2는 반경 방향 회전(긴 섬유(28)) 또는 십자(긴 섬유(30)) 형태로 본체(22) 상에 침착된 제 1 층(24)의 섬유(28, 30)들을 도시한다. 또한, 종래에 공지된 다른 섬유도 가능하다.
도 1의 실시예에서, 본체(12)는 예를 들어 500㎜의 내경과 40㎜의 벽 두께를 가질 수 있다. 세라믹 매트릭스 복합재로 이루어진 제 1 층(14)은 D1
Figure 112008084318455-PCT00001
10㎜의 두 께를 가지는 한편, 섬유 보강 탄소로 이루어진 제 2 층(16)은 D2
Figure 112008084318455-PCT00002
10㎜의 두께를 가진다.
도 2의 압력 용기(20)에서, 본체(22)는 300㎜의 지름, 500㎜의 길이 뿐만 아니라 30㎜의 벽 두께를 가질 수 있다. 순수하게 예로서의 도면들을 제공하도록, 제 1 층(24)은 D1
Figure 112008084318455-PCT00003
15㎜의 두께를 가지며, 제 2 층(26)은 D2
Figure 112008084318455-PCT00004
10㎜의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따라서, 둘러싸는 섬유의 두께(D)는 0.4d ≤D ≤0.6, 특히 d/2 = D와 같이 압력 용기(20)의 벽 두께(d)에 관련한다.
이러한 복합 파이프(10) 또는 복합 용기(20)는 대략 850℃의 온도인 유체가 충전될 수 있어서, 고온, 특히 증기 터빈 공정에서의 이용을 허용하며, 이에 의해, 종래의 디자인의 압력 파이프 또는 압력 용기와 관련하여, 열 효율이 상당히 증가될 수 있다. 동시에, 이러한 복합체들은 손상에 견디는 거동의 파손 오류 거동(damage-enduring well-behaved breaking failure behaviour) 및 내크리프성을 보인다. 축선 및 반경 방향에서의 압축 및 신장 응력은 본체를 손상시킴이 없이 가능하다. 또한, 경제적인 제조도 가능하다.
실시예들이 본체에 적용되는 제 1 및 제 2 층을 구비한 본체를 사용하여 설명되었을지라도, 본체 상에 보강 섬유들의 단지 하나의 층이 침착되면 본 발명의 범위 내에 여전히 포함되며, 보강 섬유층은 550℃ 이상의 온도에서, 소성 변형, 즉 크리프를 보이지 않거나 또는 최소 증가 오버타임만을 보이며, 이는 내부 본체의 크리프를 억지한다. 대응하는 섬유들은 또한 높은 크리프 강도를 보이며, 이러한 강도는 고온에서, 특히 대기 조건에서 보장된다. 대응하는 섬유들은 산화 섬유, 탄화 섬유, 또는 질화 섬유, 또는 C 섬유 또는 SiBCN 섬유들로 그룹화될 수 있다. PAN과 또는 폴리아크릴니트릴과 같은 플라스틱 섬유들이 마찬가지로 가능하다.
특히, 다음의 섬유들이 지칭될 수 있다: C 섬유, 넥스텔(Nextel) 섬유, 3M 섬유, Hi-Nicalon 섬유, 산화 섬유, SiO2, Al2O3, SiC, SiBCN, PAN, 및 Si3N4 섬유.
이러한 본체의 사용의 예는 예를 들어 오오스테나이트 또는 마르텐사이트 강(9% 크롬 강)으로 이루어질 수 있는 보일러 튜브이며, 이는 예를 들어 대략 42㎜의 외경 및 대략 6㎜의 벽 두께를 가진다. 필요한 특성들을 달성하기 위하여, 이러한 것은 3㎜ 내지 4㎜의 범위에 있는 벽 두께를 구비한 상기된 보강 섬유들의 층에 의해 덮여진다.

Claims (14)

  1. 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 또는 유체 충전 가능한 내압력체(10, 20)로서,
    강으로 만들어진 본체(12, 22), 상기 본체의 외측을 둘러싸는 세라믹 매트릭스 복합재의 제 1 층(14, 24), 및 상기 제 1 층 상에 배열되는 섬유 보강 플라스틱의 적어도 하나의 제 2 층(16, 26)을 포함하는 내압력체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 매트릭스 복합재의 섬유들은 산화 알루미늄 섬유, 멀라이트, 탄화 실리콘 섬유, 산화 지르콘 섬유, 및/또는 탄소의 섬유인 것을 특징으로 하는 내압력체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 매트릭스 복합재는 SiC/SiC, C/C, C/SiC, Al2O3/ Al2O3, C/실록산, SiC/실록산, 및/또는 멀라이트/멀라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 층(14)은 1㎜ ≤ D1 ≤ 20㎜의 두께(D1)를 가지는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제 2 층(16, 26) 또는 모든 제 2 층들은 함께 0㎜ < D2 ≤ 50㎜의 두께(D2)를 보이는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 층(14, 24)의 섬유(28, 30)들은 반경 방향 회전 및/또는 십자 형태로 상기 본체(12, 22) 상에 침착되는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 2 층(16, 26)의 섬유들은 상기 본체(12, 22)에 대하여 반경 방향 회전 및/또는 십자 형태로 상기 제 1 층 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체(12, 22)는 마르텐사이트 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체(12, 22)는 고합금의 니켈 기반 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체(12, 22)는 1㎜ ≤ D ≤ 50㎜의 벽 두께(D)를 가지는 것을 특징으로 하는 내압력체.
  11. 압력 파이프 또는 압력 용기와 같은 유체 충전 가능한 또는 유체 충전 내압력체로서,
    강으로 만들어진 본체, 상기 본체를 둘러싸고 온도(T, T ≥ 500℃)에서 크리프를 보이지 않거나 또는 최소로 보이는 섬유들로 구성되거나 또는 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 내압력체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 섬유들은 보강 섬유들인 것을 특징으로 하는 내압력체.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 보강 섬유들은 산화 섬유, 탄화 섬유, 질화 섬유, C 섬유, SiBCN 섬유, PAN 섬유, 및/또는 폴리아크릴니트릴 섬유인 것을 특징으로 하는 내압력체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 0.4d ≤ D ≤ 0.6d, 바람직하게 d/2 = D의 관계로, 상기 섬유층 또는 섬유층들은 두께(D)를 가지며, 상기 용기는 벽 두께(d)를 가지는 것을 특징으로 하는 내압력체.
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