(57)【要約】【課題】耐腐食性および耐エロージョン性を備えた火炉壁を備えたボイラおよびその製造方法、ならびに補修方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のボイラは、追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラであって、前記ボイラの運転中に還元雰囲気となりうる領域で、火炉壁を構成する伝熱管の素管１３の外周面上に、耐腐食層１４と耐摩耗層１５とが順に積層された保護部１６を備え、耐腐食層１４は、固溶強化型ニッケル基合金で構成され、耐摩耗層１５は、耐摩耗性材料で構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラであって、
前記ボイラの運転中に還元雰囲気となりうる領域で、火炉壁を構成する伝熱管の素管の外周面上に、耐腐食層と耐摩耗層とが積層された保護部を備え、
前記耐腐食層は、固溶強化型ニッケル基合金で構成され、
前記耐摩耗層は、耐摩耗性材料で構成されているボイラ。
【請求項２】
前記耐摩耗性材料は、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択される請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記耐腐食層は、前記固溶強化型ニッケル基合金を肉盛溶接してなる肉盛層であり、
前記耐摩耗層は、前記耐摩耗性材料を溶射してなる溶射膜で構成されている請求項１または請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記耐腐食層と前記耐摩耗層との間に、中間層を有する保護部を備え、
前記耐腐食層が、前記固溶強化型ニッケル基合金の溶射膜で構成され、
前記中間層が、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料からなる溶射膜で構成され、
前記耐摩耗層は、前記耐摩耗性材料を溶射してなる溶射膜で構成されている請求項１または請求項２に記載のボイラ。
【請求項５】
前記耐腐食層が、所定ピッチの凹凸表面を備え、
前記凹凸表面上に、前記耐摩耗層が積層されている請求項３に記載のボイラ。
【請求項６】
前記火炉壁にデスラッガが設置され、
前記保護部は、少なくとも前記デスラッガを中心とした所定範囲内にある素管の外周面上を覆うよう配置されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のボイラ。
【請求項７】
前記耐腐食層の厚さは、１ｍｍ以上４ｍｍ以下である請求項１から請求項６のいずれかに記載のボイラ。
【請求項８】
追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラの製造方法であって、
前記ボイラの運転中に火炉壁を構成する伝熱管の、還元雰囲気となりうる領域に配置される素管の外周面上に、固溶強化型ニッケル基合金で構成された耐腐食層と、耐摩耗性材料で構成された耐摩耗層とを積層させて保護部を形成するボイラの製造方法。
【請求項９】
前記耐摩耗性材料が、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択される請求項８に記載のボイラの製造方法。
【請求項１０】
前記耐腐食層を肉盛溶接により形成し、前記耐摩耗層を溶射により形成する請求項８または請求項９に記載のボイラの製造方法。
【請求項１１】
前記耐腐食層を溶射により形成し、
前記耐腐食層上に、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料を溶射して中間層を形成し、
前記中間層上に前記耐摩耗層を溶射により形成して、
前記耐腐食層、前記中間層および前記耐摩耗層が積層された保護部を形成する請求項８または請求項９に記載のボイラの製造方法。
【請求項１２】
前記固溶強化型ニッケル基合金をらせん巻で肉盛溶接して、所定ピッチの凹凸表面を備えた前記耐腐食層を形成し、
前記耐腐食層の凹凸表面上に、前記耐摩耗性材料を溶射して前記耐摩耗層を形成する請求項１０に記載のボイラの製造方法。
【請求項１３】
前記保護部を、少なくともデスラッガを中心とした所定範囲内にある素管の外周面上を覆うよう配置する請求項８から請求項１２のいずれかに記載のボイラの製造方法。
【請求項１４】
追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラの補修方法であって、
火炉壁を構成する伝熱管の、被補修部分を含む前記火炉壁の一部を取り外して、前記被補修部分に取り付ける素管の外周面上に、固溶強化型ニッケル基合金で構成された耐腐食層と、耐摩耗性材料で構成された耐摩耗層とを順に積層させて保護部を形成するボイラの補修方法。
【請求項１５】
前記耐摩耗性材料が、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択される請求項１４に記載の補修方法。
【請求項１６】
前記耐腐食層を肉盛溶接により形成し、前記耐摩耗層を溶射により形成する請求項１４または請求項１５に記載のボイラの補修方法。
【請求項１７】
前記耐腐食層を溶射により形成し、
前記耐腐食層上に、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料を溶射して中間層を形成し、
前記中間層上に前記耐摩耗層を溶射により形成して、
前記耐腐食層、前記中間層および前記耐摩耗層が積層された保護部を形成する請求項１４または請求項１５に記載のボイラの補修方法。
【請求項１８】
前記固溶強化型ニッケル基合金をらせん巻で肉盛溶接して、所定ピッチの凹凸表面を備えた前記耐腐食層を形成し、
前記耐腐食層の凹凸表面上に、前記耐摩耗性材料を溶射して前記耐摩耗層を形成する請求項１６に記載のボイラの補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラおよびその製造方法、ならびに補修方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚きボイラ等では、環境性能を高めるため炉内脱硝を行い、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減している。炉内脱硝は、火炉内において燃焼により生成されたＮＯｘを、火炉内にて炭化水素化合物により還元するものである。そのため、火炉内には、酸素分圧の低い還元雰囲気が形成される。
【０００３】
例えば、硫黄を多く含有した石炭燃料を還元燃焼させた場合、ボイラ水や蒸気が流れる複数の伝熱管で構成される火炉壁の内部で還元腐食が発生する。従来、炉内脱硝が行われる近傍では、還元腐食対策として、火炉壁表面に耐腐食性材料を溶射して溶射被膜を形成する（特許文献１）、または、肉盛溶接して肉盛層を形成する方法が適用されている(特許文献２)。特許文献１では、耐腐食性材料としてＣｒを多く含んだＣｏＮｉＣｒＡｌ合金を採用している。特許文献２では、耐腐食性材料として、Ｎｉを大量に含み耐腐食性に優れたインコネル（登録商標）などの固溶強化型ニッケル基合金を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８０９２０号公報
【特許文献２】特開２００７−１５５２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、固溶強化型ニッケル基合金等の肉盛層およびＣｏＮｉＣｒＡｌ合金等を溶射した溶射被膜は、共に耐腐食性を有するため、従来のボイラでは、択一的に施工されている場合がある。
【０００６】
しかしながら、火炉壁の一部では炉内脱硝が行われるにあたり、例えばデスラッガ近傍等では、還元腐食による損傷だけでなく、デスラッガからの噴射蒸気によるエロージョンによる損傷も同時に発生する領域が存在する場合がある。
【０００７】
固溶強化型ニッケル基合金の肉盛層は、耐エロージョン特性には特に優れてなるわけではい。そのため、特許文献２では、固溶強化型ニッケル基合金を肉盛溶接してなる肉盛層がエロージョンによって損傷する可能性がある。
【０００８】
ＣｏＮｉＣｒＡｌ合金を溶射した溶射被膜は、固溶強化型ニッケル基合金の肉盛層に比べて耐エロージョン特性を有する。しかしながら、この溶射被膜は、ボイラ運転中の火炉壁の変形等によって損傷（熱割れ等）が発生し、損傷した部位から硫化腐食や溝状腐食が発生する場合がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、耐腐食性および耐エロージョン性を備えた火炉壁を備えたボイラおよびその製造方法、ならびに補修方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のボイラおよびその製造方法ならびに補修方法は以下の手段を採用する。
【００１１】
本発明は、追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラであって、前記ボイラの運転中に還元雰囲気となりうる領域で、火炉壁を構成する伝熱管の素管の外周面上に、耐腐食層と耐摩耗層とが積層された保護部を備え、前記耐腐食層は、固溶強化型ニッケル基合金で構成され、前記耐摩耗層は、耐摩耗性材料で構成されているボイラを提供する。耐摩耗性材料は、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択され得る。
【００１２】
固溶強化型ニッケル基合金は、耐腐食性に優れた材料である。固溶強化型ニッケル基合金で構成された耐腐食層を素管上に設けることで、還元腐食等の腐食進行を防止できる。耐摩耗性材料は、固溶強化型ニッケル基合金と比べて耐エロージョン性に優れている。耐腐食層上に、耐摩耗性材料で構成された耐摩耗層を設けることで、耐腐食層をデスラッガ噴射蒸気等によるエロージョンの両方から保護できる。
【００１３】
保護部を、耐腐食層および耐摩耗層の複数構成とし、耐腐食層と耐摩耗層とを異なる材料で構成することで、耐摩耗層に熱割れ等の損傷が生じた場合でも、下地である耐腐食層が割れを生じさせずに保護するので、素管への腐食成分の接触を抑制して、素管の腐食を抑制する。
【００１４】
素管上に保護部を備えることで、耐摩耗性（耐エロージョン性）と耐腐食性の両方に優れた伝熱管となり、ボイラ火炉壁の損傷対策として有効である。
【００１５】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層は、前記固溶強化型ニッケル基合金を肉盛溶接してなる肉盛層であり、前記耐摩耗層は、前記耐摩耗性材料を溶射してなる溶射膜で構成され得る。
【００１６】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層と前記耐摩耗層との間に、中間層を有する保護部備え、前記耐腐食層が、前記固溶強化型ニッケル基合金の溶射膜で構成され、前記中間層が、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料からなる溶射膜で構成され、前記耐摩耗層は、前記耐摩耗性材料を溶射してなる溶射膜で構成され得る。
【００１７】
耐腐食層および耐摩耗層を溶射により形成し、更に耐摩耗性材料を含む混合材料を溶射して中間層を形成することで、耐腐食層と耐摩耗層との密着性を向上させられる。これにより、耐摩耗層の剥離やクラック発生を抑制できる。
【００１８】
固溶強化型ニッケル基合金を肉盛溶接した場合、溶射施工した場合と比較して、耐腐食性に対して十分な肉厚を確保できる。
【００１９】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層が、所定ピッチの凹凸表面を備え、前記凹凸表面上に、前記耐摩耗層が積層されているのが好ましい。
【００２０】
耐腐食層の表面に所定ピッチの凹凸を設けて、耐摩耗層の接触面積を増やすことで、耐腐食層と耐摩耗層との接着をより強くできる。これにより、耐摩耗層の剥離やクラック発生を抑制できる。
【００２１】
上記発明の一態様では、前記火炉壁にデスラッガが設置され、前記保護部は、少なくとも前記デスラッガを中心とした所定範囲内にある素管の外周面上を覆うよう配置されているのが好ましい。
【００２２】
火炉内において、デスラッガの周囲、特に還元雰囲気となりうる領域に配置されたデスラッガ近傍は、還元腐食およびエロージョンによる損傷が生じやすい。耐腐食層の材料である固溶強化型ニッケル基合金は、他の材料に比較して高価な材料であるが、上記発明の一態様では、耐腐食性および耐摩耗性が必要とされる部分を特定することで、製造コストを抑えつつ、有効に損傷を抑制できる。
【００２３】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層の厚さは、１ｍｍ以上４ｍｍ以下であってよい。
【００２４】
上記発明の一態様によれば、耐腐食層は耐摩耗層で保護されているため、減肉分を考慮する必要がなくなる。すなわち、耐腐食層の厚さを従来よりも薄くできる。これにより、他の材料に比較して高価な材料である固溶強化型ニッケル基合金の使用量を低減でき、製造コストを抑制できる。
【００２５】
また、本発明は、追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラの製造方法であって、前記ボイラの運転中に火炉壁を構成する伝熱管の、還元雰囲気となりうる領域に配置される素管の外周面上に、固溶強化型ニッケル基合金で構成された耐腐食層と、耐摩耗性材料で構成された耐摩耗層とを積層させて保護部を形成するボイラの製造方法を提供する。耐摩耗性材料は、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択され得る。
【００２６】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層を肉盛溶接により形成し、前記耐摩耗層を溶射により形成できる。
【００２７】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層を溶射により形成し、前記耐腐食層上に、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料を溶射して中間層を形成し、前記中間層上に前記耐摩耗層を溶射により形成して、前記耐腐食層、前記中間層および前記耐摩耗層が積層された保護部を形成できる。
【００２８】
上記発明の一態様では、前記固溶強化型ニッケル基合金をらせん巻で肉盛溶接して、所定ピッチの凹凸表面を備えた前記耐腐食層を形成し、前記耐腐食層の凹凸表面上に、前記耐摩耗性材料を溶射して前記耐摩耗層を形成できる。
【００２９】
上記発明の一態様では、前記保護部を、少なくともデスラッガを中心とした所定範囲内にある素管の外周面上を覆うよう配置するとよい。
【００３０】
また、本発明は、追加空気供給部から燃焼用空気を投入して炉内脱硝を行うボイラの補修方法であって、火炉壁を構成する伝熱管の、被補修部分を含む火炉壁の一部を取り外して、被補修部分に取り付ける素管の外周面上に、固溶強化型ニッケル基合金で構成された耐腐食層と、耐摩耗性材料で構成された耐摩耗層とを順に積層させて保護部を形成するボイラの補修方法を提供する。耐摩耗性材料は、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ合金、クロムカーバイトおよび１３Ｃｒ系ステンレス鋼のいずれかから選択され得る。
【００３１】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層を肉盛溶接により形成し、前記耐摩耗層を溶射により形成できる。
【００３２】
上記発明の一態様では、前記耐腐食層を溶射により形成し、前記耐腐食層上に、前記固溶強化型ニッケル基合金と前記耐摩耗性材料との混合材料を溶射して中間層を形成し、前記中間層上に前記耐摩耗層を溶射により形成して、前記耐腐食層、前記中間層および前記耐摩耗層が積層された保護部を形成できる。
【００３３】
上記発明の一態様では、前記固溶強化型ニッケル基合金をらせん巻で肉盛溶接して、所定ピッチの凹凸表面を備えた前記耐腐食層を形成し、前記耐腐食層の凹凸表面上に、前記耐摩耗性材料を溶射して前記耐摩耗層を形成できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、伝熱管の素管上に、耐腐食層および耐摩耗層を備えた保護部を設けることで、耐腐食性および耐腐食性（耐エロージョン性）を兼ね備えたボイラとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態に係るボイラの概略構成図である。
【図２】火炉壁の部分分解斜視図である。
【図３】火炉壁のデスラッガ部分の縦断面図である。
【図４】還元雰囲気にある伝熱管の横断面図である。
【図５】第２実施形態に係る還元雰囲気にある伝熱管の部分横断面図である。
【図６】第３実施形態に係る還元雰囲気にある伝熱管の部分横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、本発明に係るボイラおよびその製造方法、ならびに補修方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３７】
〔第１実施形態〕
図１は、本実施形態に係るボイラの概略構成図である。本実施形態においてボイラ１は石炭焚きボイラとし、火炉２および煙路３を備えている。
【００３８】
火炉２は、内部が中空とされた略四角柱状のものである。火炉２の壁面（火炉壁）には、バーナ部４、追加空気供給部５およびデスラッガ６が設置されている。煙路３には、過熱器７、再熱器８および節炭器９が設置されている。
【００３９】
バーナ部４は、火炉壁の鉛直下部側（紙面下側）にある。バーナ部４は、燃料として石炭を微粉炭へ粉砕したものを投入して燃焼させる複数の微粉炭バーナ（不図示）を備えている。バーナ部４は、燃料と空気との十分な混合を図りながら、火炉２内へ燃料と空気とを噴射して燃焼させ、燃焼ガスを生成させるものである。
【００４０】
追加空気供給部５は、バーナ部４の鉛直上部（紙面上側）にある。追加空気供給部５は、空気供給用ノズル（不図示）を備え、火炉２内に空気を供給できる。
【００４１】
バーナ部４では、燃料が燃焼するのに必要な空気量の約７０％を火炉内２に供給する。追加空気供給部５から供給される空気量は、火炉２内で燃料が燃焼するのに必要な空気量の３０％程度である。すなわち、バーナ部４から追加空気供給部５までの間が空気の不足した状態である還元雰囲気となり、追加空気供給部５で完全燃焼となる。ここでは、還元雰囲気となる領域を還元領域（Ｘ）と称す。追加空気供給部５から燃焼用空気を例えば多段に投入することで炉内脱硝を行うよう構成されている。
【００４２】
ボイラ１において、バーナ部４により生成させた燃焼ガスは、還元領域（Ｘ）を通って、煙路３へと流れる。還元領域（Ｘ）では、燃焼ガス中のＮＯｘが、燃焼ガス中に残存する炭化水素化合物と反応し還元され、燃焼ガス中のＮＯｘ量が低減される。
【００４３】
還元領域（Ｘ）を通過した燃焼ガス中の未燃分の燃料は、追加空気供給部５から供給された空気により完全燃焼される。煙路へ入った燃焼ガスは、過熱器７、再熱器８および節炭器９で熱交換された後、後段にある脱硝装置等（不図示）に流れる。
【００４４】
図２に火炉壁１０の部分分解斜視図を示す。
火炉壁１０は、フィン１１を介して複数の伝熱管（１２ａまたは１２ｂ）同士の間が接続されたパネル状の構造を有する。バーナ部４またはデスラッガ６が配置されるべき位置では、バーナ部４またはデスラッガ６を迂回するよう各伝熱管（１２ａまたは１２ｂ）が曲げ加工されている。
【００４５】
ここで、図２はデスラッガ６が配置される周囲部分の火炉壁１０は、伝熱管１２ａとフィン１１で構成されている。伝熱管１２ａの紙面上側と下側に切断面が見えるように記載されているが、これは実際に切断分割されているわけではなく、伝熱管１２ａの紙面上側と下側に伝熱管１２ｂがあり、伝熱管１２ｂと伝熱管１２ａと伝熱管１２ｂとが溶接接合されて構成されるものを、分解斜視図としたものである。
【００４６】
火炉壁１０の伝熱管（１２ａまたは１２ｂ）は、給水ポンプ（不図示）により供給された水や蒸気が循環され、水や蒸気と燃焼ガスとで熱交換が行われるように構成されている。
【００４７】
デスラッガ６は、スラグ（付着物）が付着した火炉壁１０に向けて、放射状に、蒸気または空気などを噴霧させることができるように構成されたものである。デスラッガ６は、蒸気または空気などを高速度で衝突させてスラグを吹き飛ばし、火炉壁１０を清掃できる。
【００４８】
図３に、任意のデスラッガ６が火炉壁１０に向けて蒸気を噴霧する様子を示す。デスラッガ６は、デスラッガ６周りの一定の範囲（Ｙ）にある火炉壁１０に向けて、蒸気Ｓを噴射する。
【００４９】
伝熱管（１２ａ，１２ｂ）は、素管１３を基材とする。素管１３の材料は、炭素鋼や１Ｃｒまたは２Ｃｒなどの低Ｃｒ合金鋼である。低Ｃｒ合金鋼の線膨張率は、およそ９×１０−６／℃以上１２×１０−６／℃以下である。フィン１１は、素管１３と同様の材質である。
【００５０】
伝熱管１２ａは、素管１３の外周面上に、耐腐食層１４と耐摩耗層１５とを順に備えた保護部１６を有する（図４参照）。耐腐食層１４および耐摩耗層１５は、少なくとも各デスラッガ６から噴射される蒸気（または空気）の影響を受ける範囲（Ｚ）にある素管１３の外周面上の全周を覆うよう配置されているとよい（図１に一例として、１つのデスラッガに対して２点鎖線で示した範囲を参照）。範囲（Ｚ）は、各デスラッガ６を中心とした所定範囲内、例えば、各デスラッガ６に対して周囲１ｍ〜２ｍ程度内、各デスラッガ６を中心として２ｍから５ｍ四方程度とする。
【００５１】
範囲（Ｚ）の火炉壁１０は、伝熱管１２ａを用いて構成される。本実施形態での範囲（Ｚ）の火炉壁１０を製造する一例として、まず範囲（Ｚ）に相当するサイズの素管１３の外周面上の全周に、耐腐食層１４を溶接で形成する。次に、耐腐食層１４を形成した複数の素管１３と複数のフィン１１とを溶接接合して、範囲（Ｚ）の火炉壁形状とする。その後、耐摩耗層１５を全周に溶射で形成して、範囲（Ｚ）の火炉壁１０とする。この際に、フィン１１も併せて耐摩耗層１５を設けてもよい。なお、耐摩耗層１５は火炉内側のみ溶射して施工してもよい。また、耐腐食層１４を形成後に耐腐食層１４にブラスト処理を実施し凹凸を設け、そこに溶融した溶射材を吹き付けて耐摩耗層１５を形成するようにしてもよい。
【００５２】
伝熱管１２ｂは、還元領域（図１に一例として、Ｘで示した高さ範囲を参照）から外れたところにある火炉壁１０の伝熱管や、還元領域（Ｘ）であってもデスラッガ６から噴射される蒸気（または空気）の影響を受けないところにある火炉壁１０の伝熱管を想定したものであり、必ずしも図２に記載された位置関係にある必要はない。伝熱管１２ｂは、素管１３の外周面上の火炉側または全周に必要に応じて耐腐食層１４または耐摩耗層１５を設けてもよいが、伝熱管１２ａのように素管１３の外周面上に耐腐食層１４および耐摩耗層１５の両方を備えていない。伝熱管１２ａと伝熱管１２ｂとは溶接接合され、また伝熱管（１２ａ，１２ｂ）の間はフィン１１が溶接接合されていて火炉壁１０を構成している。フィン１１は、素地のまま、または素地上に特に火炉側に耐摩耗層１５が積層されていてもよい。
【００５３】
伝熱管（１２ａ，１２ｂ）は内部に高圧の水や蒸気が流通するので、伝熱管（１２ａ，１２ｂ）の肉厚が薄くなると耐圧強度が低下するので好ましくない。一方、フィン１１は火炉内外の圧力差が印加される程度であり、仮にフィン１１が腐食や摩耗で肉厚が薄くなっても、フィンとしての伝熱特性の低下影響があるものの、火炉壁１０の構成そのものには支障がないため、フィン１１は、素地のままでも使用が可能である。
【００５４】
耐腐食層１４の材料（耐腐食性材料）は、固溶強化型ニッケル基合金である。固溶強化型ニッケル基合金はインコネル系材料、例えばインコネル（登録商標）６２２などである。固溶強化型ニッケル基合金の線膨張率は、およそ１１×１０−６／℃以上１２×１０−６／℃以下である。耐腐食層１４の厚さは、１ｍｍ以上４ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以上３ｍｍ以下、更に好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。
【００５５】
耐腐食層１４としての固溶強化型ニッケル基合金の線膨張率は、素管１３としての炭素鋼や低Ｃｒ合金鋼の線膨張率よりも若干大きい。このため、耐腐食層１４が薄い層であるほど素管１３から剥離し易くなるため、管表面全周を覆うことで熱膨張差に耐え易くする。また、耐腐食層１４は耐摩耗層１５の下層となるために、耐腐食性から厚みを選定できるので、耐腐食層１４の厚さを薄くすることで、他材料より高価な固溶強化型ニッケル基合金の使用量を低減できるので好ましい。
【００５６】
耐摩耗層１５の材料（耐摩耗性材料）は、５０Ｎｉ−５０Ｃｒ、クロムカーバイト（Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）および１３Ｃｒなどから選択する。５０Ｎｉ−５０Ｃｒやクロムカーバイトは、耐摩耗性が高く、かつ、同一の主要元素としてニッケルを含むことから固溶強化型ニッケル基合金とのなじみがよいので好ましい。
【００５７】
耐摩耗性材料の線膨張率は、およそ１０×１０−６／℃以上１１×１０−６／℃以下である。耐摩耗性材料は、線膨張率が下層に形成されている耐腐食性材料に近いものを選定するとよい。耐摩耗層１５の厚さは、１００μｍ以上５００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以上３００μｍ以下である。
【００５８】
耐摩耗性材料の線膨張率は、下層にある耐腐食層１４としての固溶強化型ニッケル基合金の線膨張率よりも若干小さい。このため、耐摩耗層１５の厚さが薄い場合には下層から引張応力が発生してクラックを生じ易くなるため、管表面全周を覆うことで熱膨張差に耐え易くする。
【００５９】
以下で、火炉壁１０の製造方法について説明する。
本実施形態では、まず、耐腐食性材料を、素管１３の外周面上に肉盛溶接して耐腐食層１４を形成する。より好ましい厚さ（ｔ）とするため、例えば、管理値をｔ１ｍｍ以上４ｍｍ以下とし、目標値をｔ１ｍｍ以上３ｍｍ以下として溶接を実施する。肉盛の余盛厚さ、溶け込み深さおよびＣｒ量等の観点から、肉盛溶接で形成する耐腐食層１４の厚さは、１．５ｍｍ以上が好ましい。肉盛溶接は、例えばＴＩＧ溶接で施工される。
【００６０】
次に、耐腐食層１４の上に、耐摩耗性材料を溶射により耐摩耗層１５を形成する。溶射は、例えば高速ガス炎溶射（ＨＶＯＣ法）またはプラズマ溶射等により実施する。例えば、ＨＶＯＣ法では、高圧の酸素と燃料の燃焼による超高速ショット燃焼ガス流により粒子を溶射して、緻密で高硬度、高密着の被膜を形成できる。
【００６１】
上記に従い製造した火炉壁１０では、最表層にある耐摩耗層１５が、デスラッガ６の噴射蒸気によるエロージョン等の損傷を防止する。また、ボイラ１運転中の火炉壁１０の変形や熱応力等によって、耐摩耗層１５に割れが生じた場合であっても、下地である耐腐食層１４が防壁となり、素管１３への腐食成分の接触を防止できる。これにより、火炉壁１０を耐摩耗と耐腐食の両方から延命化させられる。
【００６２】
上記に従い製造した火炉壁１０は、耐摩耗層１５により耐摩耗性が確保される。そのため、耐腐食層１４は、耐腐食性重視の厚さにすることができる。すわなち、エロージョンによる減肉分を考慮せずに、耐腐食性が発揮されうる厚さにすればよいため、耐腐食層１４のみの場合と比較して、耐腐食層１４を薄く施工できる。固溶強化型ニッケル基合金は他の材料に比較して高価であるため、耐腐食層１４を薄くすることで製造コストを低減できる。
【００６３】
〔第２実施形態〕
本実施形態は、耐腐食層１４と耐摩耗層１５との間に中間層１７を備えており、かつ、耐腐食層１４の形成方法が第１実施形態と異なる。それ以外の構成は第１実施形態と同じである。
【００６４】
図５に、本実施形態に係る伝熱管１２ａの部分横断面図を示す。伝熱管１２ａは、素管１３の外周面上に、耐腐食層１４、中間層１７および耐摩耗層１５を順に備えた保護部１８を有する。
【００６５】
素管１３の材料は、第１実施形態と同じである。
耐腐食層１４の材料および厚さは、第１実施形態と同じである。本実施形態において耐腐食層１４は、溶射により素管１３の外周面上に形成された層である。溶射は、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＣ法）またはプラズマ溶射により実施する。溶射は、固溶強化型ニッケル基合金のμｍオーダの微粒子を高温ガスとともに噴き付けることを、複数回繰り返し行うことで形成する。
【００６６】
中間層１７の材料は、耐腐食性材料と耐摩耗性材料とを混合したものである。耐腐食性材料と耐摩耗性材料とを混合することで、耐摩耗層１５よりもＮｉを多く含む層を形成できる。耐腐食性材料の含有率は、混合材料を１００体積％とした場合に、２０体積％以上６０体積％以下、好ましくは２５体積％以上５０体積％以下にするとよい。例えば、耐腐食性材料４０体積％／耐摩耗性材料６０体積％で混合する。
【００６７】
中間層１７の厚さは、膜厚が不均一にならないよう５０μｍ以上を設けてあり、５０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは、５０μｍ以上１００μｍ以下である。
【００６８】
中間層１７は、溶射により形成する。溶射は、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＣ法）またはプラズマ溶射とする。
【００６９】
耐摩耗層１５は、中間層１７上に、第１実施形態と同様に溶射により形成される。
【００７０】
耐腐食層１４を肉盛溶接ではなく溶射施工することで、耐腐食層１４上に溶射により中間層１７を形成できる。耐腐食性材料および耐摩耗性材料を共に含む中間層１７を介することで、耐腐食層１４と耐摩耗層１５との間のなじみが向上し、耐摩耗層１５が剥離やクラックの発生がしにくくなる。
【００７１】
〔第３実施形態〕
本実施形態は、耐腐食層１４をらせん巻溶接で形成する点が第１実施形態と異なる。それ以外の構成は第１実施形態と同じである。
【００７２】
図６に、本実施形態に係る伝熱管１２ａの部分横断面図を示す。耐腐食層１４の材料および厚さは、第１実施形態と同じである。本実施形態では、耐腐食性材料を用いて、らせん巻溶接により耐腐食層１４を素管１３の全周囲に形成する。らせん巻溶接は、素管１３を回転させながらＴＩＧ溶接トーチを送ることで施工される。
【００７３】
らせん巻溶接のピッチ（Ｐ）は２ｍｍ以上８ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上４ｍｍ以下とする。ピッチ（Ｐ）を狭めすぎると、肉盛溶接時に発生する「溶接／冷却」の熱サイクルにより境界層が脆くなる可能性が高くなる。従い、ピッチ（Ｐ）は、耐腐食層１４の厚さの２倍程度とするとよい。なお、ピッチ（Ｐ）とは、耐腐食層１４の外周表面に形成された凹凸の山と山の距離、もしくは谷と谷の距離で規定する。
【００７４】
通常、インコネル系材料の肉盛溶接では直線的に肉盛りを行う。本実施形態では、らせん巻溶接を用いることで、耐腐食層１４の外周表面に凹凸が形成される。凹凸により表面粗度を得た耐腐食層１４上に、第１実施形態と同様に耐摩耗層１５を溶射施工する。
また、耐腐食層１４の表面を凹凸が形成された場合の耐腐食層１４の厚さは、外周表面に形成された凹凸の山と谷との中間もしくは山と谷との平均に対して、下地となる素管１３の表面との距離で評価するものとする。
【００７５】
耐腐食層１４の表面を凹凸にすることで、耐摩耗層１５の接着面積が大きくなる。これにより、耐腐食層１４への接着性が高くなり、耐摩耗層１５の剥離やクラック発生を抑制できる。
【００７６】
第１実施形態から第３実施形態は、火炉壁１０の製造時だけでなく、補修時に適用されてもよい。例えば、ボイラ点検の際に、被補修部分（特に減肉の激しい部分）を含む火炉壁１０の一部を火炉壁１０から切り取るなどして取り外す。被補修部分に取り付ける伝熱管１２ａとして素管１３の外周面上に、耐腐食層１４／耐摩耗層１５、または耐腐食層１４／中間層１７／耐摩耗層１５を形成したものを、炉壁１０へ溶接接合する。それにより、伝熱管１２ａの被補修部分（特に減肉の激しい部分）に対して、寿命を延長させることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１  ボイラ
２  火炉
３  煙路
４  バーナ部
５  追加空気供給部
６  デスラッガ
７  過熱器
８  再熱器
９  節炭器
１０  火炉壁
１１  フィン
１２ａ，１２ｂ  伝熱管
１３  素管
１４  耐腐食層
１５  耐摩耗層
１６，１８  保護部
１７  中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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