(57)【要約】【課題】耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を作業性良く低コストで形成することができ、耐久性の向上を図ることのできる耐腐食・耐エロージョンコーティング方法及び発電機器を提供する。【解決手段】還元剤粒子３と、酸化剤粒子４と、添加剤粒子５とを含むテルミット剤１を、対象物１０の表面に塗布してテルミット剤１からなるテルミット剤層を形成する工程と、テルミット剤層を加熱して当該テルミット剤層にテルミット反応による発熱・溶融を生じさせ、対象物１０の表面に、添加剤を含む耐腐食性・耐エロージョンコーティング１２を形成する工程とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元剤からなる粒子と、酸化剤からなる粒子と、耐腐食性及び耐エロージョン性を有する添加剤からなる粒子とを含むテルミット剤を、対象物の表面に塗布して前記テルミット剤からなるテルミット剤層を形成する工程と、
前記テルミット剤層を加熱して当該テルミット剤層にテルミット反応による発熱・溶融を生じさせ、前記対象物の表面に、前記添加剤を含むコーティング層を形成する工程と
を具備したことを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項２】
請求項１記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記添加剤からなる粒子が、ＷＣ、Ｗ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＳｉＯ2からなる粒子のうちの少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記還元剤からなる粒子がアルミニウム粉末であり、前記酸化剤からなる粒子が金属酸化物粉末であることを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記添加剤からなる粒子が、ＳｉＯ2粉末を含み、前記対象物の表面にＳｉを含むコーティング層を形成することを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記テルミット剤は、前記還元剤の割合が１０〜４５mass％、前記酸化剤の割合が９０〜５５mass％の範囲とされていることを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記テルミット剤に有機溶剤を添加し、当該テルミット剤の粘性、濡れ性、流動性、付着性の少なくともいずれか１つを調整することを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記コーティング層の厚みを、５μｍ〜１０ｍｍとすることを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項８】
請求項１〜７いずれか１項記載の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法であって、
前記対象物が、
蒸気タービンの動翼、蒸気タービンのノズル、蒸気タービンのロータ、蒸気タービンのケーシング、ガスタービンの動翼、ガスタービンの静翼、ガスタービンの燃焼器、水車のランナー、発電プラントの配管、熱交換器の中の管板のいずれかであることを特徴とする耐腐食・耐エロージョンコーティング方法。
【請求項９】
発電プラントを構成する発電機器であって、腐食又はエロージョンが発生する可能性のある部位の少なくとも一部に、
還元剤からなる粒子と、酸化剤からなる粒子と、耐腐食性及び耐エロージョン性を有する添加剤からなる粒子とを含むテルミット剤を塗布して前記テルミット剤からなるテルミット剤層を形成する工程と、
前記テルミット剤層を加熱して当該テルミット剤層にテルミット反応による発熱・溶融を生じさせ、前記添加剤を含むコーティング層を形成する工程と
によって耐腐食・耐エロージョンコーティングが施されていることを特徴とする発電機器。
【請求項１０】
請求項９記載の発電機器であって、
前記腐食又はエロージョンが発生する可能性のある部位が、
蒸気タービンの動翼、蒸気タービンのノズル、蒸気タービンのロータ、蒸気タービンのケーシング、ガスタービンの動翼、ガスタービンの静翼、ガスタービン圧縮機の動翼、ガスタービン圧縮機の静翼、ガスタービンの燃焼器、水車のランナー、発電プラントの配管、熱交換器の中の管板のいずれかの部位であることを特徴とする発電機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐腐食・耐エロージョンコーティング方法及び発電機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、腐食やエロージョンが発生し易い環境下で使用される機器、例えば、発電プラントの蒸気タービン翼、ガスタービン翼、配管、熱交換器、タービンケーシング、バルブ等の発電機器等においては、腐食性の向上やエロージョンの発生を抑制することが求められていた。
【０００３】
このような腐食性の向上やエロージョンの発生を抑制するためには、耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を機器の表面に形成することが考えられる。したがって、このような耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を作業性良く低コストで形成することのできる方法の開発が望まれていた。
【０００４】
ところで、金属材料の製造方法及び溶接方法としては、酸化金属とアルミニウムによるテルミット反応を利用した方法が知られている。また、金属材料の形状が欠損若しくは磨耗等により変化した際、金属材料に対して溶接により肉盛りを施し、元の形状に戻すために行われる補修溶接作業にテルミット反応を適用する補修溶接方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）
【０００５】
上記のテルミット反応を適用した補修溶接方法では、補修必要部分に対応する溶接予定形状の外殻を作製して金属材料に装着することで金属材料側面に溶接空間を形成し、金属材料および外殻の周囲を耐火材料で覆い、外殻内に酸化金属とアルミニウムの化学反応で生成させた高温の溶融金属をその直下に配置した溶融金属受けで受け止めた後に流動させながら溶接空間に充填させ、補修溶接する。この方法では、金属材料および外殻の周囲を耐火材料で覆うなどの煩雑な作業を必要とし、またこの方法はコーティング層を形成するものではない。
【特許文献１】特開２００４−９８１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したとおり、従来から腐食やエロージョンが発生し易い環境下で使用される発電機器等においては、耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を作業性良く低コストで形成することのできる方法の開発が望まれていた。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を作業性良く低コストで形成することができ、耐久性の向上を図ることのできる耐腐食・耐エロージョンコーティング方法及び発電機器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】
本発明に係る耐腐食・耐エロージョンコーティング方法は、還元剤からなる粒子と、酸化剤からなる粒子と、耐腐食性及び耐エロージョン性を有する添加剤からなる粒子とを含むテルミット剤を、対象物の表面に塗布して前記テルミット剤からなるテルミット剤層を形成する工程と、前記テルミット剤層を加熱して当該テルミット剤層にテルミット反応による発熱・溶融を生じさせ、前記対象物の表面に、前記添加剤を含むコーティング層を形成する工程とを具備したことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る発電機器は、発電プラントを構成する発電機器であって、腐食又はエロージョンが発生する可能性のある部位の少なくとも一部に、還元剤からなる粒子と、酸化剤からなる粒子と、耐腐食性及び耐エロージョン性を有する添加剤からなる粒子とを含むテルミット剤を塗布して前記テルミット剤からなるテルミット剤層を形成する工程と、前記テルミット剤層を加熱して当該テルミット剤層にテルミット反応による発熱・溶融を生じさせ、前記添加剤を含むコーティング層を形成する工程とによって耐腐食・耐エロージョンコーティングが施されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、耐腐食性及び耐エロージョン性の高いコーティング層を作業性良く低コストで形成することができ、また、このコーティング層を発電機器に使用することによって、耐久性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の耐腐食・耐エロージョンコーティング方法及び発電機器の詳細を図面を参照して実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係るテルミット剤１の基本構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態のテルミット剤１は、酸化剤からなる酸化剤粒子４と、還元剤からなる還元剤粒子３と、耐腐食性及び耐エロージョン性を有する添加剤からなる添加剤粒子５と、有機溶剤６とから構成されている。図１に示すように、本実施形態では、還元剤粒子３が酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、酸化剤粒子４がアルミニウム（Ａｌ）、添加剤粒子５がタングステンカーバイド（ＷＣ）から構成されている。
【００１３】
緻密なコーティングを得るためには、酸化剤粒子４、還元剤粒子３、添加剤粒子５を微細化することが好ましく、例えば、最小直径が５ｎｍ程度のものを使用する。また、コーティングの目的に応じて、酸化剤粒子４、還元剤粒子３、添加剤粒子５は、その直径が５ｎｍから２００μｍ程度の粒子を使用することができる。また、対象機器の表面に塗布し易くするため、テルミット剤１に有溶溶剤６を添加することによって、その粘性、濡れ性、流動性、付着性を調整することが可能である。
【００１４】
図２は、本実施形態に係る耐腐食・耐エロージョンコーティング方法の工程を示すものである。以下の工程では、引火と酸化還元反応により、添加剤をコーティングする。まず、図２（ａ）に示すように、上記した酸化剤粒子４と、還元剤粒子３と、添加剤粒子５と、有機溶剤６とを混合してテルミット剤１を調製する。
【００１５】
次に、図２（ｂ）に示すように、対象物１０の表面に、所定厚さとなるようにテルミット剤１を塗布して、対象物１０の表面に、所定の厚さでかつ均一な厚さのテルミット剤１の層を形成する。
【００１６】
次に、図２（ｃ）に示すように、引火装置１１（例えばバーナー）によって、テルミット剤１を加熱して引火させる。これによって、テルミット剤１自身が激しい酸化還元反応により発熱・溶融し、図２（ｄ）に示すように、対象物１０の表面に、添加剤粒子５であるＷＣが含まれた耐腐食性・耐エロージョンコーティング１２の層が形成される。
【００１７】
テルミット反応の代表的な例は、以下の式（１）に示すアルミニウム粉末と酸化鉄粉末による酸化還元反応である。
Ｆｅ2Ｏ3 ＋２Ａｌ＝Ａｌ2Ｏ3＋２Ｆｅ        （１）
【００１８】
この反応によると、生成酸化アルミニウム 1モルあたり８３６ｋＪの発熱があり、反応の断熱温度は２８００℃になると計算される。このように、テルミット反応により約２８００℃の高温溶融剤が得られることを利用し、テルミット剤１に、耐腐食、耐エロージョンに優れるＷＣ又は、Ｗ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＳｉＯ2等の少なくともいずれか１種を含む粉末を添加し、主成分と共に高温で溶融することによって対象物の表面に耐腐食・耐エロージョンコーティング１２の層を施工する。また、テルミット剤１の発熱を誘起するために、引火装置１１はバーナーや高周波加熱装置を使用する。
【００１９】
次に、図３を参照して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２の層にＳｉを入れる例について説明する。図３（ａ）に示すように、酸化剤粒子４として酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）粉末、還元剤粒子３としてアルミニウム（またはマグネシウム）粉末、添加剤粒子５ａとして前述したＷＣに換えて珪砂（ＳｉＯ2）粉末を使用して、テルミット剤１ａを調製する。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、対象物１０の表面に、所定厚さとなるようにテルミット剤１ａを塗布して、対象物１０の表面に、所定の厚さでかつ均一な厚さのテルミット剤１ａの層を形成する。
【００２１】
次に、図３（ｃ）に示すように、引火装置１１（例えばバーナー）によって、テルミット剤１ａを加熱して引火させる。これによって、テルミット剤１ａ自身が激しい酸化還元反応により発熱、溶融し、図３（ｄ）に示すように、対象物１０の表面に、耐腐食性・耐エロージョンコーティング１２ａの層が形成される。
【００２２】
このテルミット反応の中で、以下の式（２）に示すアルミニウム粉末と珪砂粉末による酸化還元反応によりＳｉが還元され、対象物１０の表面にＳｉを含む耐腐食性・耐エロージョンコーティング１２ａの層がコーティングされる。
３ＳｉＯ2＋４Ａｌ＝３Ｓｉ＋２Ａｌ2Ｏ3        （２）
【００２３】
この場合、コークス（Ｃ）と石英や珪砂の粉末を混ぜ、熱し、テルミット反応の中でＳｉを還元し、対象物の表面にＳｉを含む耐腐食・耐エロージョンコーティング１２ａの層を形成してもよい。
【００２４】
上記のテルミット剤１，１ａにおいて、還元剤の割合は例えば１０〜４５mass％、酸化剤の割合は例えば９０〜５５mass％とし、必要なテルミット反応温度や速度に対応して調合する。また、耐腐食、耐エロージョンに優れるＷＣ、Ｗ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＳｉＯ2等の粉末は、一定の比率で添加することによってテルミット反応温度や速度を制御する。
【００２５】
図４に示すように、上記した耐腐食・耐エロージョンコーティング１２，１２ａの最小厚みは、付着性を鑑み対象物の必要に応じて５μｍ〜１０ｍｍ程度に調整することが好ましい。
【００２６】
以上説明したとおり、上記の実施形態では、テルミット反応により約2800℃の高温溶融剤が得られることを利用し、テルミット剤１に、耐腐食、耐エロージョンが優れるＷＣ、Ｗ、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＳｉＯ2等の粉末を添加し、主成分と共に高温で溶融することによって対象物の表面に耐腐食・耐エロージョンコーティングを施工する。
【００２７】
図５は、本発明の実施形態に係る発電機器の要部概略構成を示すものであり、図５（ａ）は、蒸気タービン２０の全体構成を示している。図５（ａ）に示すように、蒸気タービン２０は、高圧部２１、中圧部２２および低圧部２３を具備している。図５（ｂ）は、蒸気タービン２０の低圧部２３の要部を拡大して示すもので、図５（ｂ）において、２４は動翼、２５はノズル、２６はケーシング、２７はタービンロータを示しており、図中に矢印で示すように、蒸気は同図の左から右に向けて流れる構成となっている。そして、本実施形態では、同図に示される低圧部２３の最終段動翼２４ａのエロージョン部（例えば蒸気流れ方向における上流側前面）に耐腐食・耐エロージョンコーティング１２が施されている。なお、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２は、低圧部２３の最終段動翼２４ａに限らず、他の部位、例えば、高圧部２１、中圧部２２の動翼２４、ノズル２５のエロージョン部位等に施すことも可能である。
【００２８】
図６は、本発明の他の実施形態に係る発電機器の要部概略構成を示すものであり、図５と対応する部位には、同一の符号が付してある。図６（ａ）は、図５（ｂ）に対応するものであり、図５（ａ）に示した蒸気タービン２０の低圧部２３の要部構成を示している。また、図６（ｂ）〜（ｄ）は、図６（ａ）の一部の構成を拡大して示している。
【００２９】
図６（ｂ）に示すように、ケーシング２６に損傷が生じた場合、このケーシング２６の損傷部位に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、損傷部位を補修することができる。
【００３０】
また、図６（ｃ）に示すように、ノズル２５のシール部に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施してシールし、蒸気の漏れを低減することもできる。
【００３１】
さらに、図６（ｄ）に示すように、蒸気タービンロータ２７に損傷が生じた場合、このタービンロータ２７の損傷部位に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、損傷部位を補修することができる。
【００３２】
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る発電機器の要部概略構成を示すもので、図７（ａ）は、ガスタービン３０及びガスタービン圧縮機４０の概略構成を示し、図７（ｂ）は、ガスタービン３０の一部を拡大して示し、図７（ｃ）は、ガスタービン３０のガスタービン燃焼器３３を拡大して示し、図７（ｄ）は、ガスタービン圧縮機４０の一部を拡大して示している。
【００３３】
図７（ｂ）に示すように、ガスタービン３０の動翼３１、静翼３２等に対して、腐食・エロージョン部（例えば流体流れ方向における上流側前面）に耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、コーティングおよび補修を行うことができる。また、図７（ｃ）に示すように、ガスタービン燃焼器３３に対しても同様に、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、コーティングおよび補修を行うことができる。
【００３４】
図７（ｂ）に示すガスタービン３０の動翼３１、静翼３２は、１０００℃以上の高温燃焼ガスに曝され、高温腐食や高温酸化エロージョンが起きる。このため、このような温度における高温腐食や高温酸化エロージョンを低減するために、耐高温腐食および高温酸化エロージョン特性を発揮し得るテルミット剤１を使用することが好ましい。この場合、例えば、テルミット剤１にＺｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3のうちの少なくともいずれか1種を添加することによって遮熱性、緻密性の向上を図ることができる。
【００３５】
また、図７（ｄ）に示すように、ガスタービン圧縮機４０の動翼４１と静翼４２に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、コーティングおよび補修を行うことができる。ガスタービン圧縮機４０の動翼４１と静翼４２は、大気中のＮＯｘ、ＳＯｘおよび海塩粒子、湿り空気に曝され、腐食、孔食および飛来物の衝突による打孔が起きる。このため、このような腐食、孔食および飛来物の衝突による打孔による損傷を低減するため、耐孔食性、耐衝撃性、耐海水腐食性を発揮し得るテルミット剤１を使用することが好ましい。例えば、テルミット剤１に、ＷＣ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉのうちの少なくともいずれか1種を添加することによって、耐腐食性、硬度の向上を図ることができる。
【００３６】
図８は、本発明の他の実施形態に係る発電機器の要部概略構成を示すものである。図８において、５０は水車を示しており、５１は水車５０のランナーを示している。この図８に示すように、水車５０のランナー５１に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、コーティングおよび肉盛溶接や補修を行うことができる。
【００３７】
水車５０のランナー５１は土砂磨耗による損傷が起きる。このような、水車５０のランナー５１は土砂磨耗による損傷を低減するために、耐磨耗性および耐腐食性を発揮し得るテルミット剤１を使用することが好ましい。例えば、テルミット剤１に、Ｗ、Ｃ、ＷＣ、Ｃｒ、Ｓｉ、ＳｉＯ2のうちの少なくともいずれか1種を添加することによって、耐腐食性、硬度の向上を図ることができる。
【００３８】
図９は、本発明の他の実施形態に係る発電機器の要部概略構成を示すものである。図９（ａ）は、発電プラントの熱交換器６０（本実施形態では復水器）の概略構成を示し、図９（ｂ）、（ｃ）は、熱交換器６０の一部を拡大して示している。この図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、熱交換器６０の管板６１に対して、耐腐食・耐エロージョンコーティング１２を施し、コーティングおよび補修を行うことができる。
【００３９】
熱交換器６０の管板６１には、海水腐食による損傷が起きる。このような海水腐食による損傷を低減するために、耐磨耗性、耐腐食性を発揮し得るテルミット剤１を使用することが好ましい。例えば、テルミット剤１に、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉのうちの少なくともいずれか1種を添加することによって、耐腐食性の向上を図ることができる。
【００４０】
以上説明したとおり、本発明によれば、常温で対象物の表面にテルミット剤をコーティングし、テルミット剤自身が発熱・溶融することにより、複雑な装置等を用いることなく、作業性良く、低コストで、多種の耐腐食、耐エロージョン性の優れた成分を添加した耐腐食・耐エロージョンコーティングを施すことができる。また、コーティング層を薄くすることができるため、発熱による対象物への熱影響を少なくすることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記した発電機器以外の発電機器にも適用することができ、さらに、発電機器以外であっても、腐食、エロージョンが発生する環境にて使用する他の機器にも適用することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係るテルミット剤の構成を模式的に示す概略図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る耐腐食・耐エロージョンコーティング方法の工程を模式的に示す概略図。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施形態に係る耐腐食・耐エロージョンコーティング方法の工程を模式的に示す概略図。
【図４】本発明の一実施形態に係る耐腐食・耐エロージョンコーティングの最小厚みを説明するための断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係る発電機器である蒸気タービンの概略構成を示す図であり、（ａ）は、全体構成を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係る発電機器である蒸気タービンの要部概略構成を示す図であり、（ａ）は、全体構成を示す断面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、（ａ）の一部を拡大して示す断面図。
【図７】本発明の一実施形態に係る発電機器であるガスタービンの概略構成を示す図であり、（ａ）は、要部構成を示す断面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、（ａ）の一部を拡大して示す断面図。
【図８】本発明の一実施形態に係る発電機器である水車の概略構成を示す斜視図。
【図９】本発明の一実施形態に係る発電機器である熱交換器の概略構成を示す図であり、（ａ）は、全体構成を示す断面図、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）の一部を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ａ……テルミット剤、３……還元剤粒子、４……酸化剤粒子、５，５ａ……添加剤粒子、６……有機溶剤、１０……対象物、１１……引火装置、１２，１２ａ……耐腐食性・耐エロージョンコーティング。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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