(57)【要約】【課題】固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保することができるコーティング層、および、圧縮機を提供する。【解決手段】コーティング層１０は、母材９上に積層されるニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層１１と、耐食層１１の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで形成された耐摩耗層１２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に積層されるニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層と、
前記耐食層の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで形成された耐摩耗層と、を備えるコーティング層。
【請求項２】
請求項１のコーティング層を備える圧縮機。
【請求項３】
母材上にニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、
前記ニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金の表面にクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含むコーティング層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コーティング層、圧縮機、および、コーティング層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機にあっては、非特許文献１のような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２のような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されるものが知られている。非特許文献１の海底生産システムに使用される圧縮機は、例えば、海底に設置されて海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出す用途で用いられる。一方で、非特許文献２の浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される圧縮機は、船舶等の海上設備に設置される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】三菱重工技報  Ｖｏｌ．３４  Ｎｏ．５  Ｐ３１０−Ｐ３１３
【非特許文献２】Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２０１４  Ｐ１８−Ｐ２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に用いられる圧縮機の場合、取り扱う流体は精製されている場合が多い。しかし、非特許文献１や非特許文献２で用いる圧縮機の場合、その取り扱う流体は、フィルタ等により前処理がされているものの、十分に固形物の除去がなされていない場合がある。例えば、フィルタ等による前処理としては、１０μｍ以下の固形物を９８％程度分離できるものもあるが、残りの数％が残留してしまう。また、非特許文献１や非特許文献２で取り扱う流体の場合、１０μｍの固形物は、硬質であることが多い。
【０００５】
一方で、非特許文献１や非特許文献２で取り扱う流体には、硫黄などの腐食成分が含まれている。そのため、非特許文献１や非特許文献２で用いる圧縮機には、流体と接する部分に、腐食対策として溶射などの表面処理が施されている。
しかしながら、このような腐食対策の表面処理では、上述した流体に含まれる残留した固形物によって摩耗や剥離が生じてしまい、腐食の進行を抑制できなくなる場合がある。
【０００６】
また、一般に、溶射による表面処理は、耐摩耗性を向上させる際に、Ｍｏ，Ｗ，Ｃ等の硬化元素を多く添加するため、その硬度を上昇させる。この硬度の上昇により、上記表面処理は、延性が低下し、疲労強度が低下してしまう。そのため、ヒビ、割れ等が生じる可能性がある。
さらに、溶射による表面処理は、特に硬質の皮膜の場合には、微小なピンホールが形成されることが多く、腐食環境が非常に厳しい場合には耐食性が充分ではない場合がある。
つまり、溶射による表面処理の耐摩耗性を向上させようとすると、十分な耐腐食性を確保することができない可能性がある。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保することができるコーティング層、圧縮機、および、コーティング層の製造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】
【０００８】
この発明の第一態様によれば、コーティング層は、母材上に積層されるニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層と、前記耐食層の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで形成された耐摩耗層と、を備える。
このように構成することで、母材上にニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層が形成されるため、母材を、硫黄分などによる腐食から守ることができる。さらに、耐食層の表面に耐摩耗層が形成されることで、固形物の衝突による耐食層の摩耗や剥離を抑制できる。
その結果、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保することができる。
【０００９】
この発明の第二態様によれば、圧縮機は、第一態様のコーティング層を備えている。
このように構成することで、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う圧縮機の信頼性を向上できる。
【００１０】
この発明の第三態様によれば、コーティング層の製造方法は、母材上にニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、前記ニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金の表面にクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含む。
このようにすることで、耐食性と耐摩耗性に優れたコーティング層を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記コーティング層によれば、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施形態における圧縮機の概略構成図である。
【図２】この発明の実施形態におけるインペラ５の表面の拡大断面図である。
【図３】縦軸を摩耗量、横軸をクロム（Ｃｒ）含有量としたグラフである。
【図４】この発明の実施形態におけるコーティング層の製造方法の処理フローである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、この発明の実施形態に係るコーティング層、圧縮機、コーティング層の製造方法を図面に基づき説明する。
この実施形態における圧縮機１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体を圧送する。この圧縮機１は、例えば、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。この圧縮機１が取り扱う流体には、硫黄等の金属を腐食させる腐食成分が含まれるとともに、フィルタ（図示せず）により除去できなかった１０μｍ以下の固形物が数％含まれている。
【００１４】
図１は、この発明の実施形態における圧縮機の概略構成図である。
図１に示すように、圧縮機１は、ケーシング２と、回転軸３と、軸受部４と、インペラ５と、を備えている。この実施形態の説明において、圧縮機１として遠心圧縮機を例示しているが、軸流圧縮機であっても良い。
【００１５】
ケーシング２は、その内部に回転軸３、軸受部４、インペラ５をそれぞれ収容している。このケーシング２は、インペラ５とともに、圧縮する流体が流れる流路（図示せず）を形成する。
【００１６】
回転軸３は、軸受部４を介して軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。この回転軸３には、モータ等の回転動力源（図示せず）が連係される。つまり、回転動力源を駆動することで、回転軸３が回転可能となっている。
【００１７】
軸受部４は、ジャーナル軸受４１と、スラスト軸受４２と備えている。この実施形態の軸受部４は、２つのジャーナル軸受４１と、１つのスラスト軸受４２とをそれぞれ備えている。ジャーナル軸受４１は、回転軸３に対して軸線Ｏを基準とする径方向に作用する荷重を支持する。一方で、スラスト軸受４２は、回転軸３から径方向外側に突出するスラストカラー３ａを介して、回転軸３に対して軸線Ｏ方向に作用する荷重を支持する。
【００１８】
インペラ５は、回転軸３に固定され、回転軸３とともに高速回転する。これにより、インペラ５は、吸込み口（図示せず）からケーシング２の内部に流入した流体Ｇを圧縮して、吐出口（図示せず）から圧縮流体Ｇｃとして吐出する。この実施形態におけるインペラ５は、軸線Ｏ方向に複数設けられ、流体Ｇは、各インペラ５によって段階的に圧縮されて圧縮流体Ｇｃとなる。
【００１９】
図２は、この発明の実施形態におけるインペラ５の表面の拡大断面図である。
図２に示すように、インペラ５は、その母材９の表面にコーティング層１０を有している。母材９は、例えば、ステンレス鋼で形成される。コーティング層１０は、母材９の耐食性、および、耐摩耗性を担保する。このコーティング層１０は、耐食層１１と、耐摩耗層１２と、をそれぞれ備えている。
【００２０】
耐食層１１は、母材９の表面を覆うようにして層状に形成される。この耐食層１１は、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金、より具体的には、クロム含有量が２０ｗｔ％以上のニッケル基合金、又は、クロム含有量が２０ｗｔ％以上のコバルト基合金により形成される。耐食層１１は、例えば、ニッケル基合金、および、コバルト基合金の粉末を母材９の表面に溶射により吹き付けて形成することができる。
【００２１】
さらに、ニッケル基合金としては、例えば、Ｎｉ−２０Ｃｒ、Ｎｉ−５０Ｃｒ、ハステロイＸ（登録商標：Ｎｉ−２２Ｃｒ−１．５Ｃｏ−９Ｍｏ−０．６Ｗ−１８．５Ｆｅ）、および、インコネル６２５（登録商標：Ｎｉ−２１．５Ｃｒ−９Ｍｏ−３．６Ｎｂ−０．２Ａｌ−０．２Ｔｉ−２．５Ｆｅ）などを用いることができる。また、コバルト基合金としては、例えば、Ｈａｙｎｅｓ  ａｌｌｏｙ  １８８（登録商標：Ｃｏ−２２Ｃｒ−１４Ｗ−３Ｆｅ），ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ）や，ＣｏＣｒＡｌＹ（Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ａｌ−０．８Ｙ）等を用いることができる。耐食層１１の厚さは、例えば、２０μｍ〜１ｍｍ程度とされる。上述した溶射の方法としては、例えば、低圧プラズマ溶射、大気圧中におけるプラズマ溶射、および、超高速溶射等、種々の溶射方法を採用できる。
【００２２】
耐摩耗層１２は、耐食層１１の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで形成される。このクロム拡散浸透処理は、耐摩耗性に優れるクロムを拡散浸透させる処理である。このように耐食層１１の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで、耐食層１１よりも十分にクロム濃度の高い硬い層がコーティング層１０の表面に形成される。クロム拡散浸透処理により形成される耐摩耗層１２は、表面から遠いほど、言い換えれば母材９に近いほどクロムの濃度が減少する。この実施形態における表面のクロム濃度は、ほぼ１００％となっており、表面における硬度はＨＶ８００程度以上となる。例えば、クロム濃度が５０ｗｔ％よりも高い場合、過度に硬くなり延性が失われ、疲労強度が低下する。そのため、耐摩耗層１２は、固形物の衝突によりヒビや割れ等が生じる場合がある。一方で、クロム濃度が５０ｗｔ％以下の場合（例えば、２０ｗｔ％の場合）には、硬度はＨＶ３００程度となり、延性があり疲労強度が十分に確保されるため、耐摩耗層１２のようなヒビや割れ等はまず生じない。
【００２３】
ここで、クロム拡散浸透処理の一例としては、被浸透処理物を、例えば、クロム粉末、酸化アルミニウム粉末、および、塩化アンモニウム粉末を含有する調合剤と共に鋼製の炉内に収容し密閉する。その後、例えば、水素ガスやアルゴンガスを通しながら、炉内にて９００℃〜１１００℃で１０時間程度加熱する。すると以下の反応式で示される反応が起こる。
【００２４】
ＮＨ４Ｃｌ⇔ＮＨ３＋ＨＣｌ（２ＮＨ３⇔Ｎ２＋３Ｈ２）
Ｃｒ＋２ＨＣｌ⇔ＣｒＣｌ２＋Ｈ２
ＣｒＣｌ２＋Ｈ２⇔Ｃｒ＋２ＨＣｌ（還元反応）
ＣｒＣｌ２＋Ｍｅ⇔Ｃｒ＋ＭｅＣｌ２（置換反応）
ここで、「Ｍｅ」は、処理金属である。
【００２５】
すなわち、クロム（Ｃｒ）は、塩酸（ＨＣｌ）と反応し、塩化クロム（ＣｒＣｌ２；蒸気）となる。この塩化クロムは、処理金属の表面で水素（Ｈ２）によって還元されてクロム（Ｃｒ）が析出する。この析出したクロム（Ｃｒ）は、拡散反応、又は、置換反応によって処理金属表面に拡散浸透する。これにより、５〜１００μｍ程度の耐摩耗層１２を形成することができる。ここで、クロム拡散浸透処理は、クロムを処理金属に対して拡散浸透できればよく、上述した拡散浸透処理の方法に限られるものではない。
【００２６】
図３は、縦軸を摩耗量、横軸をクロム（Ｃｒ）含有量としたグラフである。
図３に示すように、クロム含有量が多いほど（言い換えれば、クロム濃度が高いほど）処理金属の摩耗量を低減できる。処理金属の摩耗量は、クロム含有量の増加に対して二次関数的に減少する。つまり、上述したようにコーティング層１０は、クロム拡散浸透処理によってクロムの濃度が母材９から離れるほど高くなっており、コーティング層１０の表面の耐摩耗性が最も高くなっている。また、コーティング層１０は、母材９に近づくにつれてクロム濃度が低くなるため、母材９に近づくほど緻密に形成され、ピンホール等も形成されず、母材９の近傍では十分な耐食性が確保される。
【００２７】
次に、上述したコーティング層１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図４は、この発明の実施形態におけるコーティング層の製造方法の処理フローである。
図４に示すように、まず、母材９の表面に、例えば、クロムを２０ｗｔ％以上含有するニッケル基合金、又は、コバルト基合金の粉末を、低温プラズマ溶射等により吹き付ける。これにより、母材９の表面に２０μｍから１ｍｍ程度のクロムを含有するニッケル基合金、又は、クロムを含有するコバルト基合金からなる耐食層１１が形成される（ステップＳ０１；耐食層形成工程）。
【００２８】
次いで、耐食層１１に対して上述したクロム拡散浸透処理を実施する（ステップＳ０２；耐摩耗層形成工程）。つまり、耐食層１１の表面にクロムの濃度が高い耐摩耗層１２が形成される。このクロム拡散浸透処理を行う際に、容器内で９００℃〜１１００℃程度に加熱しながら処理を行うことで、酸化を伴わない環境下で耐食層１１と母材９との間で原子の拡散が起こるため、耐食層１１と母材９との密着力を高めることができる。そのため、耐食層１１が母材９から剥離し難くなり耐食層１１の信頼性が向上するという副次的な効果も生じる。ここで、クロム拡散浸透処理を行う前の下処理として、耐食層１１の表面を研磨するようにしても良い。このようにすることで、耐食層１１の表面の凹凸を均したり、酸化膜を除去したりすることができる。そのため、耐食層１１に対してクロムをより安定的に、且つ、均一な厚さで拡散浸透させることができる。更に、クロム拡散処理は、金属クロムを析出させるプロセスであり、溶射皮膜に元々存在していたピンホールを封孔でき、耐食性の一層の向上効果を発揮する。
【００２９】
したがって、上述した実施形態によれば、母材９上にニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層１１が形成されるため、母材９を、硫黄分などによる腐食から守ることができる。さらに、耐食層１１の表面に耐摩耗層１２が形成されることで、固形物の衝突による耐食層１１の摩耗や剥離を抑制できる。
【００３０】
また例えば、硬い耐摩耗層１２にヒビ等が生じても、このヒビ等の進行を耐食層１１で止めることができる。そのため、耐摩耗層１２に生じたヒビ等に腐食性の流体が入り込んだとしても、この流体が母材９への到達することを抑制できる。その結果、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保することができる。
【００３１】
さらに、母材９の腐食や摩耗を低減できるため、圧縮機１の信頼性を向上することができる。
また、耐食層１１を形成した後にクロム拡散浸透処理を行えばよいため、容易に耐食性と耐摩耗性に優れたコーティング層１０を形成することができる。
【００３２】
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
【００３３】
例えば、上述した実施形態においては、コーティング層１０がインペラ５の表面に形成される場合について説明した。しかし、コーティング層１０を形成する箇所は、流体が流れる箇所であれば良く、インペラ５の表面に限られない。例えば、コーティング層１０を、流体が流れる流路の内壁に形成するようにしても良い。また、コーティング層１０は、圧縮機１が軸流圧縮機の場合には、動翼、および、静翼等の表面に形成される。
【００３４】
さらに、上述した実施形態においては、インペラ５が３つ並んで設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、インペラ５を２つ以下備える圧縮機や４つ以上備える圧縮機にも適用できる。
【００３５】
さらに、上述した実施形態における圧縮機１は、海底生産システム、浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される場合を例示した。しかし、この発明は、これら海底生産システム、浮体式海洋石油貯蔵設備で用いられる圧縮機に限られない。
【符号の説明】
【００３６】
１  圧縮機
２  ケーシング
３  回転軸
３ａ  スラストカラー
４  軸受部
５  インペラ
９  母材
１０  コーティング層
１１  耐食層
１２  耐摩耗層
４１  ジャーナル軸受
４２  スラスト軸受
Ｇ  流体
Ｇｃ  圧縮流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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