(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁棒と、前記弁棒に形成される弁体と、前記弁棒の周囲に形成されるブッシュと、前記弁体との周囲に形成されるとスリーブと、開閉動作する弁体が着座する弁座とを有する蒸気タービン用バルブにおいて、
前記弁棒及び／又は前記ブッシュ、並びに、前記弁体及び／又は前記スリーブの摺動部にアルミナイド金属間化合物とｆｃｃ構造を有する金属材料と基材を有することを特徴とする蒸気タービン用バルブ。
【請求項２】
前記アルミナイド金属間化合物は、前記弁棒及び／又は前記ブッシュ、並びに、前記弁体及び／又は前記スリーブの基材に、ｆｃｃ構造を有する金属材料を被覆し、さらにアルミニウムを被覆することにより、前記アルミニウムとｆｃｃ構造を有する金属材料との間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項３】
前記基材は、ｂｃｃ構造を有する鉄系合金からなることを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項４】
前記弁棒及び／又は前記ブッシュ、並びに、前記弁体及び／又は前記スリーブの基材が、ｂｃｃ構造を有する合金からなり、前記基材にアルミニウムを被覆することにより、前記アルミニウムの表面にアルミニウム酸化物が形成され、前記ｆｃｃ構造を有する金属材料と前記アルミニウムとの間に、ｂｃｃ構造を有するアルミナイド金属間化合物が形成されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項５】
前記ｆｃｃ構造を有する金属材料が、ニッケルであることを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項６】
前記基材の成分が、８〜１３重量％のＣｒを含むマルテンサイト鋼であることを特徴とする請求項３に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項７】
前記ｆｃｃ構造を有する金属材料が、メッキにより形成されることを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン用バルブ。
【請求項８】
前記ｆｃｃ構造を有する金属材料が、ニッケル及びコバルト合金の溶射により形成されることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン用バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンにおける蒸気流量を調整する蒸気タービン用バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から、二酸化炭素の削減が課題となっている。火力発電分野において、石油や石炭などの化石燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素の排出量を抑制するには、発電効率の向上が有効である。
【０００３】
プラントの発電効率を向上させるためには、主蒸気温度を上昇させることが必要であり、現在では主蒸気温度が６００℃を超える蒸気タービンが実用化されている。
【０００４】
従来、蒸気タービンにおいて蒸気流量を調整する蒸気タービン用バルブ（以下「バルブ」と称する）には、１２Ｃｒ鋼あるいは耐磨耗性向上のために窒化処理を施した１２Ｃｒ鋼等が使用されていた。
【０００５】
こうしたバルブには、弁棒とブッシュとの固着や焼き付きが問題となり、こうした弁棒とブッシュとの固着や焼き付きが問題に対しては、例えば、特許文献１又は特許文献２がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１０５３０２号公報
【特許文献２】特開平６−２２１１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、６００℃を超える温度での長時間運転中の酸化スケールの生成による、バルブの摺動部のスティックに関しては、必ずしも解決されているとはいえない状況である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、長時間運転しても酸化スケールの生成を抑制し、バルブ摺動部のスティックの発生を低減したバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のバルブは、弁棒と、弁棒に形成される弁体と、弁棒の周囲に形成されるブッシュと、弁体との周囲に形成されるとスリーブと、弁体との間で開閉動作する弁座とを有するものであって、弁棒及び／又はブッシュ、並びに、弁体及び／又はスリーブの摺動部にアルミナイド金属間化合物とｆｃｃ構造を有する金属材料を有することを特徴とする。
【００１０】
アルミナイド金属間化合物は、弁棒及び／又はブッシュ、並びに、弁体及び／又はスリーブの基材に、ｆｃｃ構造を有する金属材料を被覆し、さらにアルミニウムを被覆することにより、アルミニウムとｆｃｃ構造を有する金属材料との間に形成されるものである。
【００１１】
なお、基材は、ｂｃｃ構造を有する鉄系合金からなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明のバルブは、弁棒及び／又はブッシュ、並びに、弁体及び／又はスリーブの基材が、ｂｃｃ構造を有する合金からなり、基材にｆｃｃ構造を有する金属材料を被覆し、さらにアルミニウムを被覆することにより、アルミニウムの表面にアルミニウム酸化物が形成され、ｆｃｃ構造を有する金属材料とアルミニウムとの間に、ｂｃｃ構造を有するアルミナイド金属間化合物が形成されることを特徴とする。
【００１３】
このｆｃｃ構造を有する金属材料は、ニッケルであることが好ましい。
【００１４】
また、基材の成分は、８〜１３重量％のＣｒを含むマルテンサイト鋼であることが好ましい。
【００１５】
さらに、ｆｃｃ構造を有する金属材料は、メッキにより形成されることが好ましく、または、ニッケル及びコバルト合金の溶射により形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって、長時間運転しても酸化スケールの生成を抑制し、バルブ摺動部のスティックの発生を低減したバルブを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
高温での耐酸化性は、例えば、８〜１３重量％のクロム（Ｃｒ）を含むマルテンサイト鋼ような鉄（Ｆｅ）が含まれる基材の表面に、アルミニウム（Ａｌ）の拡散処理を施すことにより改善される。
【００１８】
この場合、Ａｌ層はｆｃｃ構造であり、基材はｂｃｃ構造である。Ａｌ層と基材との間に形成されるＦｅ−Ａｌ合金層の結晶構造は、基材と同じｂｃｃ構造となるため、タービンの運転中に、バルブの摺動部の表面に形成されるＡｌが基材中に拡散し、Ａｌ層が減少し、剥離する。
【００１９】
そして、表面のＡｌ層が剥離すると耐酸化性が減少するため、酸化スケールの膜厚が増加し、バルブのスティックが発生する。
【００２０】
本発明はこうした現象に着目し、以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
耐酸化性は、ｆｃｃ構造を有するニッケル（Ｎｉ）あるいはコバルト（Ｃｏ）の超合金に基材を変えることにより改善され、Ｃｏ基合金にすることによって耐摩耗性も向上するが、本実施形態では、コストの点も考慮して、基材はｂｃｃ構造を有する８〜１３重量％のＣｒを含むマルテンサイト鋼を用い、高い耐酸化性を有するものを実現するものである。
【００２２】
本実施形態で説明するバルブは、Ａｌ被覆されたｂｃｃ構造を有する金属材料を基材とし、Ａｌ層と基材との間にｆｃｃ構造を有する金属材料を配するものである。
【００２３】
そして、Ａｌ層と基材との間のｆｃｃ構造を有する金属材料はＮｉであり、ｂｃｃ構造を有する基材の成分は、８〜１３重量％のＣｒを含むマルテンサイト鋼である。
【００２４】
また、Ａｌ層と基材との間の金属材料は、Ｎｉがメッキにより形成されるもの、または、Ｎｉ及びＣｏ合金の溶射により形成されるものである。
【００２５】
ｂｃｃ構造を有する基材の表面に、ｆｃｃ構造を有する金属材料を配した場合、Ａｌ被覆とｆｃｃ構造を有する金属材料の間に形成されるアルミナイド金属間化合物がｂｃｃ構造であるため、運転中にＡｌ被覆中のＡｌの基材中への拡散が防止され、アルミナイド金属間化合物の劣化を防止することができ、耐酸化性を向上させた状態を維持することが可能となる。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態の一例として、蒸気タービン用バルブの断面図を示す。図１に示すように、蒸気タービン用バルブは、弁棒１，ブッシュ２，スリーブ３，弁体４，弁座５より構成され、弁棒１とブッシュ２，弁体４とスリーブ３が摺動する。
【００２７】
図２は、本発明の実施形態による蒸気タービン用バルブの摺動部の一部断面図である。図２に示すように、Ａｌ層２１とｂｃｃ構造を有する金属材料からなる基材２３との間に、ｆｃｃ構造を有する金属材料２２を形成する。
【００２８】
また、図２は、９Ｃｒマルテンサイト（９Ｃｒ−１Ｍｏ）鋼及び１２Ｃｒマルテンサイト（１２Ｃｒ）鋼にＮｉメッキを施した後、６７０℃の溶融アルミニウムに漬け、低温拡散させて作成した試験片の断面図である。
【００２９】
また、供試材として、基材２３に、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼および１２Ｃｒ鋼を使用した。表１は、供試材の化学成分を示す。
【００３０】
【表１】
0004622918.tif 000002
【００３１】
また、表２は、供試材一覧を示す。表２は、基材２３と中間層材料としてのｆｃｃ構造を有する金属材料２２及び中間層の形成方法を示し、以降、試験片を試料名のように命名する。
【００３２】
図２に示すように作成した本発明Ａについて、６００℃で１０００時間の大気酸化試験を行い、走査電子顕微鏡を用いて断面組織の観察を行った。その結果、１０００時間後にもＡｌ層２１が減少することなく、図２に示した状態を維持した。
【００３３】
【表２】
0004622918.tif 000003
【００３４】
なお、本発明の比較として、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼に中間層としてのＮｉをメッキせず、直接、６７０℃の溶融アルミニウムに漬け、低温拡散させ、従来法Ａを作製した。
【００３５】
また、本発明の比較として、１２Ｃｒ鋼に中間層としてのＮｉをメッキせず、直接、
６７０℃の溶融アルミに漬け、低温拡散させ、従来法Ｂを作製した。
【００３６】
従来法Ａ及び従来法Ｂについて、本発明Ａと同様に６００℃で１０００時間の大気酸化試験を行い、走査電子顕微鏡を用いて断面組織の観察を行った。
【００３７】
その結果、図３に示すように、基材２３上にＦｅのアルミナイド金属間化合物２７が形成され、酸化試験後のＡｌ層２１の厚さが試験前よりも薄くなり、Ａｌ層２１の剥離が生じた。
【００３８】
これは９Ｃｒマルテンサイト鋼または１２Ｃｒマルテンサイト鋼に、直接、Ａｌ層２１を施すと、Ａｌが基材２３中に拡散し、表層のＡｌが欠乏するためであると考えられる。Ａｌ層２１の剥離が発生すると、その後の酸化は、Ａｌ層２１がある場合に比べて加速的に進行することもわかった。
【００３９】
また、本発明Ｂは、９Ｃｒマルテンサイト鋼にＮｉ−Ｃｏ系合金をプラズマ溶射した後、６７０℃の溶融アルミニウムに漬け、低温拡散させたものである。このように、プラズマ溶射であっても、ｆｃｃ構造を有する金属材料を形成することができる。
【００４０】
図４は、本発明Ａと本発明Ｂと従来法Ａと従来法Ｂとについて、１０００時間酸化試験のＡｌ層２１の厚さを測定した結果である。試験前のＡｌ層２１の厚さを１００として、酸化試験後に本発明Ａと本発明Ｂでは９０以上残っていた。一方、従来法Ａと従来法Ｂでは半分近くに減少したことがわかった。
【００４１】
本発明の実施形態の一例として、本発明Ａ，本発明Ｂ，従来法Ａを施した蒸気タービンバルブについて、７００ＭＷ蒸気タービンに設置し、１０００時間の運転を実施した後、走査電子顕微鏡を用いて断面組織の観察を行った。
【００４２】
図５は、従来法Ａを施した蒸気タービンの実機１０００時間運転後の断面を示す。図５に示すように、従来法Ａを施した蒸気タービンでは、Ａｌ層２１の厚さが減少し、Ａｌ層２１の剥離が発生した。
【００４３】
図６は、本発明Ａを施した蒸気タービンの実機１０００時間運転後の断面を示す。図６に示すように、本発明Ａを施した蒸気タービンでは、Ａｌ層２１の剥離は見られず、ｆcc構造を有する金属材料２２として用いたＮｉ層及びＡｌ層２１ともに健全であった。
【００４４】
また、本発明Ｂを施した蒸気タービンの実機１０００時間運転後の断面を観察した結果、本発明Ｂを施した蒸気タービンにおいても、Ａｌ層２１の剥離は見られず、ｆｃｃ構造を有する金属材料２２として用いたＮｉ層及びＡｌ層２１ともに健全であった。さらに
Ｎｉ層はＣｏを含むため、耐酸化性だけでなく耐摩耗性の向上も確認された。
【００４５】
以上の結果から、本発明の実施形態による蒸気タービン用バルブにおいては、表面の
Ａｌ層２１の厚さが薄くなることなく、耐酸化性が長時間維持できることが確認された。
【００４６】
本実施形態により、Ａｌの拡散を防止し、アルミナイド金属間化合物の劣化を防止することにより、従来よりも長時間，耐酸化性を向上させた状態を維持することが可能な蒸気タービン用バルブを提供することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、プラントの発電効率を向上させるためには、主蒸気温度を上昇させた、例えば、主蒸気温度が６００℃を超えるような蒸気タービンにおける蒸気流量を調整する蒸気タービン用バルブに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】蒸気タービン用バルブの断面図である。
【図２】本発明の実施形態による蒸気タービン用バルブの摺動部の一部断面図である。
【図３】実施形態の比較としての従来法の酸化試験結果を示す断面図である。
【図４】酸化試験後のＡｌ層２１の厚さを示す図である。
【図５】従来法Ａを施した蒸気タービンバルブの摺動部一部断面図である。
【図６】本発明Ａを施した蒸気タービンバルブの摺動部一部断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…弁棒、２…ブッシュ、３…スリーブ、４…弁体、５…弁座、２１…Ａｌ層。
【図１】
0004622918.tif 000004
【図２】
0004622918.tif 000005
【図３】
0004622918.tif 000006
【図４】
0004622918.tif 000007
【図５】
0004622918.tif 000008
【図６】
0004622918.tif 000009