(57)【要約】【課題】熱交換器の耐食性を確保する。【解決手段】実施形態によれば、熱交換器は、内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱される伝熱管１２１と、伝熱管１２１を収納し、燃料および燃料の燃焼により生ずる燃焼ガスの流路となる中空胴とを備える。伝熱管１２１は、中空胴より熱伝導率の高い材料を用いて管状で長手方向に延びる本体材料部１２１ａと、本体材料部１２１ａのいずれかの表面に形成され、樹脂と、本体材料部１２１ａよりイオン化傾向が大きな金属材料とで形成された犠牲陽極粉末とを含む電気防食層１２１ｂとを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱される伝熱管と、
前記伝熱管を収納し、燃料および前記燃料の燃焼により生ずる燃焼ガスの流路となる中空胴と、
を備える熱交換器であって、
前記伝熱管は、
前記中空胴より熱伝導率の高い材料を用いて管状で長手方向に延びる本体材料部と、
前記本体材料部のいずれかの表面に形成され、樹脂と、前記本体材料部よりイオン化傾向が大きな金属材料とで形成された犠牲陽極粉末とを含む電気防食層と、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記電気防食層は、導電性フィラーを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記導電性フィラーは、カーボン系粉末、金属酸化物系粉末の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
カーボン系粉末は、グラファイト、カーボンナノチューブ、およびカーボンナノホーンの単体粉末またはそれらの混合粉末であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記電気防食層の前記導電性フィラーの含有割合は、０．０１〜３重量％であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記電気防食層は、前記樹脂の含有割合が、４０重量％ないし６０重量％であり、前記犠牲陽極粉末の含有割合が、４０重量％ないし６０重量％であり、合計が１００％を超えないことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記犠牲陽極粉末は、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、および、これらの合金の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記犠牲陽極粉末の組成は、アルミニウム元素の含有割合が、４０〜６０重量％であり、亜鉛元素の含有割合が、２０〜６０重量％であり、マグネシウム元素の含有割合が、０〜１０重量％であり、合計が１００％を超えないことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記犠牲陽極粉末は、粒子径が１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、前記導電性フィラーは、粒子径が１ｎｍ〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記伝熱管は、炭素鋼または低合金鋼を用いていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
樹脂と犠牲陽極粉末を混合し、塗布用混合物を準備する準備ステップと、
防食対象物の本体材料部に前記塗布用混合物を塗布する塗布ステップと、
前記塗布ステップで塗布した前記塗布用混合物を乾燥させ電気防食層を形成する乾燥ステップと、
を有し、
前記電気防食層は、樹脂と、前記本体材料部よりもイオン化傾向が大きい金属材料とで形成された犠牲陽極粉末とを含むことを特徴とする熱交換器の防食方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱交換器、および熱交換器の防食方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、発電分野等のさまざまな分野において利用されている。
【０００３】
熱交換器は、たとえば、ボイラであり、化石燃料（重油、石炭、液化天然ガスなど）を燃焼させて生じた燃焼ガスと、被加熱媒体である水との間において熱交換が行われることによって、蒸気を生成する。具体的には、ボイラは、中空胴の内部にチューブが収容されており、チューブの内部を流れる水が、チューブの外部を流れる燃焼ガスで加熱されて蒸気になる。ボイラで生成された蒸気は、たとえば、蒸気タービンに作動媒体として供給され、発電が行われる。
【０００４】
上記のボイラにおいては、チューブに腐食（エロージョン）が発生する場合がある。特に、チューブの外周面のうち、温度が低い低温部分においては、いわゆる硫酸露点腐食が著しく生じる場合がある。硫酸露点腐食は、燃焼ガス中に微量含有する亜硫酸ガス（ＳＯ３）および水がチューブの鋼材表面で硫酸露点以下の温度になって凝縮して硫酸が生成されるために発生する。ＳＯ３の濃度上昇に伴って硫酸露点腐食が激しく発生することから、チューブの管厚が薄くなって破損する場合がある。
【０００５】
上記のボイラのうち、チューブは、安全性などの観点から予め定められた規格に基いて、炭素鋼や低合金鋼を用いて製造される。このため、チューブ自身の材料を変更することによって、腐食の発生を防止することが容易でない。そこで、チューブの腐食を防止するために、さまざまな技術が提案されている。たとえば、チューブの外周面に耐食性の被膜層を形成すること等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３２４９７６号公報
【特許文献２】特開平０８−２８５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記においては、耐食性が十分でなく、チューブの腐食を効果的に防止することが困難な場合がある。また、耐熱性などの特性が不十分である場合がある。この他に、施工が容易でなく、施工コストが高くなる場合がある。
【０００８】
ボイラなどの熱交換器以外の機器においても、腐食を効果的に防止すること等が求められている。
【０００９】
したがって、本発明の実施形態は、熱交換器の耐食性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、内部を流れる被加熱媒体が外部を流れる燃焼ガスによって加熱される伝熱管と、前記伝熱管を収納し、燃料および前記燃料の燃焼により生ずる燃焼ガスの流路となる中空胴と、を備える熱交換器であって、前記伝熱管は、前記中空胴より熱伝導率の高い材料を用いて管状で長手方向に延びる本体材料部と、前記本体材料部のいずれかの表面に形成され、樹脂と、前記本体材料部よりイオン化傾向が大きな金属材料とで形成された犠牲陽極粉末とを含む電気防食層と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本実施形態に係る熱交換器の防食方法は、樹脂と犠牲陽極粉末を混合し、塗布用混合物を準備する準備ステップと、防食対象物の本体材料部に前記塗布用混合物を塗布する塗布ステップと、前記塗布ステップで塗布した前記塗布用混合物を乾燥させ電気防食層を形成する乾燥ステップと、を有し、前記電気防食層は、樹脂と、前記本体材料部よりもイオン化傾向が大きい金属材料とで形成された犠牲陽極粉末とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、熱交換器の耐食性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る熱交換器を示す図２のＩ−Ｉ矢視平断面図である。
【図２】実施形態に係る熱交換器を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視平断面図である。
【図３】実施形態に係る熱交換器の伝熱管の構成を示す横断面図である。
【図４】実施形態に係る金属部材の防食方法の手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器、および熱交換器の防食方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１５】
図１は、実施形態に係る熱交換器を示す図２のＩ−Ｉ矢視平断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視平断面図である。
【００１６】
熱交換器１００は、中空胴１１０と、被加熱側すなわち２次側流体流路１２０を構成する複数の伝熱管１２１を有する。本実施形態では、熱交換器１００がボイラの場合は、中空胴１１０は、ボイラにおいては、燃料を燃焼させて、給水を加熱し、蒸気を発生させるための１次側すなわち加熱側の火炉であり、燃料および前記燃料の燃焼により生ずる燃焼ガスの流路となる。また、熱交換器１００が、コンバインドサイクル発電システムにおける蒸気タービン用のボイラの場合は、ガスタービンの排気を受け入れて、給水を加熱し、蒸気タービンに供給される蒸気を発生させるボイラである。以下、コンバインドサイクル発電システムの場合を例にとって説明する。
【００１７】
中空胴１１０は、外形が直方体形状であり、流入口１１０ａが形成されている入口側胴１１２、入口側胴１１２に対向するように配された出口側胴１１３、入口側胴１１２および出口側胴１１３間を接続し、互いに対向する２枚の側胴１１１、これらの上端に接続し排気口１１０ｂが形成されている上板１１４、およびこれらの下端に接続する底板１１５を有し、閉空間１１０ｓを形成する。
【００１８】
流入口１１０ａは、ガスタービンの排気ガスが、閉空間１１０ｓに流入する部分であり、入口側胴１１２の高さ位置の低い部分に形成されている。また、流出口１１０ｂは、閉空間１１０ｓ内で伝熱管１２１内の被加熱流体を加熱した排気ガスが閉空間１１０ｓから流出する部分であり、上板１１４の入口側胴１１２から離れた部分に形成されている。排気口１１０ｂは、たとえば、図示しない排気筒に接続されている。
【００１９】
閉空間１１０ｓ内に配された複数の伝熱管１２１は、互いに平行に配され上下方向に延びている。それぞれの伝熱管１２１は、下端が下部ヘッダ１２２に接続し、上端が上部ヘッダ１２３に接続している。下部ヘッダ１２２および上部ヘッダ１２３は、それぞれ、水平面内を蛇行しており、平面的に透過すると、上部ヘッダ１２３および下部ヘッダ１２２は互いに重なりあるように引き回されている。
【００２０】
下部ヘッダ１２２の端部には、入口管１２４が接続されている。入口管１２４から下部ヘッダ１２２には、被熱流体であるボイラの給水が供給される。上部ヘッダ１２３の端部には、出口管１２５が接続されている。出口管１２５からは、ボイラの給水が加熱されて生成された蒸気が流出する。入口管１２４が接続される下部ヘッダ１２２の端部と、出口管１２５が接続されている上部ヘッダ１２３の端部は、それぞれの２つの端部のうち、平面的に互いに反対側に配された側にそれぞれ配されている。出口管１２５は、図示しない蒸気タービンに接続されている。
【００２１】
図３は、実施形態に係る熱交換器の伝熱管の構成を示す横断面図である。伝熱管１２１は、本体材料部１２１ａ、および電気防食層１２１ｂを有する。この伝熱管１２１の例では、防食対象物１、すなわち防食の処置を施すべき対象物は、本体材料部１２１ａである。
【００２２】
本体材料部１２１ａは、材料として炭素鋼、あるいは低合金鋼や中合金鋼等を用いている。低合金鋼および中合金鋼は、合金金属（Ａｌ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｚｒの少なくとも１つ）の合計量が、それぞれ５重量％以下、５から１０重量％である鋼である。
【００２３】
電気防食層１２１ｂは、本体材料部１２１ａの径方向の外側に形成されている。電気防食層１２１ｂは、樹脂と犠牲陽極粉末とを含む。また、電気防食層１２１ｂは、導電性フィラーを更に含んでもよい。電気防食層１２１ｂは、犠牲陽極（流動陽極）として機能し、本体材料部１２１ａを防食するように構成されている。また、電気防食層１２１ｂは、耐熱温度が室温（通常２０℃）から５００℃の範囲になるように形成されている。
【００２４】
電気防食層１２１ｂにおいて、樹脂は、シリコーン樹脂あるいはエポキシ樹脂である。２００℃程度を超える温度で使用する場合は、耐熱性に優れるシリコーン樹脂を用いる。シリコーン樹脂は、オルガノポリシロキサンを主鎖として構成されるケイ素樹脂であって、バインダーとして機能する。シリコーン樹脂は、たとえば、熱安定性のために、ストレートシリコーン、変性シリコーンなどを用いることが好ましい。
【００２５】
電気防食層１２１ｂにおいて、犠牲陽極粉末は、被防食体である本体材料部１２１ａよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成されており、犠牲陽極（流動陽極）として機能する。
【００２６】
本実施形態では、犠牲陽極粉末は、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、および、これらの合金の少なくとも１つで形成された粉末であることが、樹脂に対して均一に分散することができるので好ましい。犠牲陽極粉末で使用する合金としては、たとえば、アルミニウム・亜鉛合金（ＡｌＺｎ合金）またはアルミニウム・亜鉛・マグネシウム合金（ＡｌＺｎＭｇ合金）などが好ましい。犠牲陽極粉末がＡｌＺｎ合金またはＡｌＺｎＭｇ合金などの合金である場合には、ＭｇやＺｎなどの単体である場合よりも、被防食体に対して電気防食に必要最小限の電流を流すことが可能であり、合金自身が適切な速度で犠牲電極として溶解するので、防食期間を最大限にすることができる。
【００２７】
犠牲陽極粉末の組成において、合計重量１００％に対して、アルミニウム元素の含有割合は、４０〜６０重量％、亜鉛元素の含有割合は、２０〜６０重量％であることが好ましい。さらに、マグネシウム元素の含有割合は、０〜１０重量％であることが好ましい。
【００２８】
導電性フィラーは、導電材料で形成された粉末であって、電気防食層１２１ｂの導電性を向上するために添加されている。導電性フィラーは、カーボン系粉末あるいは金属酸化物系粉末を用いることができる。バインダーとする樹脂の導電性を上げて、犠牲陽極粉末を効率よく犠牲陽極として機能させるために、導電性フィラーは、カーボン系粉末であることが好ましい。カーボン系粉末は、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ−ｎａｎｏｔｕｂｅ）、およびカーボンナノホーン（ｃａｒｂｏｎ−ｎａｎｏｈｏｒｎ）の単体粉末またはそれらの混合粉末であることが好ましい。
【００２９】
電気防食層１２１ｂのうち、犠牲陽極粉末は、粒子径が１０ｎｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。犠牲陽極粉末の粒子径が上記の下限値よりも小さいときには、電気防食に必要な防食電流が十分流れなくなる場合がある。また、上記の上限値よりも大きいときは、犠牲陽極粉末が樹脂中に均一に分散しない場合がある。
【００３０】
また、導電性フィラーは、粒子径が１ｎｍ〜２０μｍの範囲であることが好ましい。導電性フィラーの粒子径が上記の下限値よりも小さいときには、導電性が十分でなくなる場合がある。また、上記の上限値よりも大きいときは、導電性フィラーが樹脂中に均一に分散しない場合がある。なお、上記において、粒子径は、ナノ粒子径分布測定装置（例えば、ＳＡＬＤ−７５００ｎａｎｏ（島津製作所製））を用いて測定された値である。
【００３１】
電気防食層１２１ｂは、樹脂の含有割合が４０〜６０重量％、犠牲陽極粉末の含有割合が４０〜６０重量％、導電性フィラーの含有割合が０．０１〜３重量％であることが、好ましい。ただし、樹脂、犠牲陽極粉末、および導電性フィラーの合計は１００重量％であるとする。
【００３２】
樹脂の含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、電気防食層１２１ｂの塗布性が悪化し、電気防食層１２１ｂが剥離しやすくなる場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、導電性が十分でなく、犠牲陽極粉末が効果的に電気防食機能を発揮できない場合がある。
【００３３】
犠牲陽極粉末の含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、効果的に電気防食機能が発揮しない場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、電気防食層１２１ｂの塗布性が悪化し、電気防食層１２１ｂが剥離しやすくなる場合がある。
【００３４】
導電性フィラーの含有割合が上記の下限値よりも小さいときには、導電性が十分でなくなる場合がある。そして、上記の上限値よりも大きいときは、電気防食層１２１ｂの塗布性が悪化し、電気防食層１２１ｂが剥離しやすくなる場合がある。
【００３５】
電気防食層１２１ｂは、膜厚が５０から５００μｍであることが好ましい。電気防食層１２１ｂの膜厚がこの下限値よりも小さいときには、電気防食層の防食寿命が短くなる場合があり、この上限値よりも大きいときは、電気防食層１２１ｂが剥離しやすくなる場合がある。また、電気防食層１２１ｂは、膜厚が２００μｍないし３００μｍであることがより好ましい。
【００３６】
図４は、実施形態に係る金属部材の防食方法の手順を示すフロー図である。
【００３７】
まず、樹脂、犠牲陽極粉末、および導電性フィラーを混合し、塗布用混合物を準備する（ステップＳ０１）。塗布用混合物において、電気防食層１２１ｂを構成する材料を溶解または分散させる溶媒としては、たとえば、アルコール類、ケトン類、エステル類などを用いる。
【００３８】
また、防食対象物１の養生を行う（ステップＳ０２）。すなわち、防食対象物１の表面のうち、塗布すべきではない、あるいは塗布しない領域に誤って塗布しないようにカバーする等の処置を行う。
【００３９】
ここで、ステップＳ０１とステップＳ０２の前後関係は問わない。
【００４０】
次に、塗布用混合物の塗布前に、塗布用混合物が均一となるように、塗布用混合物を撹拌する（ステップＳ０３）。次に、防食対象物１に塗布用混合物を塗布する（ステップＳ０４）。ここで、塗布用混合物の塗布は、刷毛またはエアスプレーを用いて行う。その後、自然乾燥を行う（ステップＳ０５）。自然乾燥時の乾燥温度は、たとえば、室温から１５０℃の範囲のいずれでもよい。
【００４１】
次に、防食対象物１に塗布され塗布用混合物が乾燥することにより形成された電気防食層１２１ｂの厚さが所定の厚さ以上か否かを判定する（ステップＳ０６）。
【００４２】
電気防食層１２１ｂの厚さが所定の厚さ以上であると判定されない場合（ステップＳ０６  ＮＯ）には、ステップＳ０４ないしステップＳ０６を繰り返す。
【００４３】
電気防食層１２１ｂの厚さが所定の厚さ以上であると判定された場合（ステップＳ０６  ＹＥＳ）には、防食対象物の状況の点検を行う（ステップＳ０７）。すなわち、防食対象物に施された電気防食層１２１ｂの状況および作業により他の部分に影響が生じていないことを確認する。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係る熱交換器１００は、内部を流れる被加熱媒体が、外部を流れる燃焼ガスによって加熱される伝熱管１２１を有する。伝熱管１２１においては、本体材料部１２１ａの外周面に、犠牲陽極として機能して本体材料部１２１ａを防食する電気防食層１２１ｂが設けられている。ここでは、電気防食層１２１ｂは、樹脂と、本体材料部１２１ａよりもイオン化傾向が大きい金属材料で形成された犠牲陽極粉末とを含む。
【００４５】
このため、本実施形態では、たとえば３００℃ないし５００℃程度の高温で使用する場合は、シリコーン樹脂によって高い耐熱性を実現することができる。さらに、本実施形態では、犠牲陽極粉末によって電気防食層１２１ｂが犠牲陽極として機能し、本体材料部１２１ａを防食するので、本体材料部１２１ａの腐食を効果的に防止することが可能である。
【００４６】
また、本実施形態では、電気防食層１２１ｂは、導電性フィラーを更に含む。このため、本実施形態では、電気防食層１２１ｂの導電性が高くなるので、本体材料部１２１ａの電気防食を更に効果的に実現することができる。
【００４７】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、熱交換器として貫流ボイラの場合を例にとって示したが、これに限定されず、たとえば循環ボイラ等でもよい。あるいはボイラ以外の熱交換器であってもよい。また、実施形態では、本体材料部の外側に腐食性のガス等が存在する場合を想定して、本体材料部の外側に電気防食層を形成した場合を例にとって示したが、これに限定されない。すなわち、伝熱管の内側に対策が必要な場合には、本体材料部の内側に電気防食層を形成してもよい。この場合、手塗りは難しいため、いわゆる、どぶ漬け、すなわち塗布用混合物中に本体材料部を浸漬させる方法も可能である。また、必要に応じて、本体材料部の外側および内側の両方に電気防食層を形成することでもよい。
【００４８】
また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１…防食対象物、１００…熱交換器、１１０…中空胴、１１０ａ…流入口、１１０ｂ…排気口、１１０ｓ…閉空間、１１１…側胴、１１２…入口側胴、１１３…出口側胴、１１４…上板、１１５…底板、１２０…２次側流体流路、１２１…伝熱管、１２１ａ…本体材料部、１２１ｂ…電気防食層、１２２…下部ヘッダ、１２３…上部ヘッダ、１２４…入口管、１２５…出口管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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