JP2016172890A - 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 - Google Patents

Abstract

【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しつつ、信頼性、および、製造性の低下を抑制する。【解決手段】コーティング層は、母材９上に層状に形成されたニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層１１を備えるコーティング層であって、耐食層１１は、耐食層１１を形成するニッケル基合金、又は、コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された複数の硬質粒子Ｋを層内に有する【選択図】図２

Description

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。

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。

三菱重工技報 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｐ３１０−Ｐ３１３ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ Ｐ１８−Ｐ２４

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。

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。

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。

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。

この発明の第一態様によれば、コーティング層は、母材上に層状に形成されたニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層を備えるコーティング層であって、前記耐食層が、前記耐食層を形成するニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された複数の硬質粒子を層内に有する。
このように構成することで、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金の有する耐食性によって、母材に腐食性の流体が接触することを抑制できる。さらに耐食層の層内に硬質粒子が含まれることによって、腐食性の流体に含まれる固形物が衝突した場合、耐食層の硬質粒子にはじかれる。また、層内に硬質粒子を含むことで、耐食層自体の硬度を増加させることができる。そのため、流体に含まれる固形物の衝突による耐食層の摩耗を抑制できる。
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。

この発明の第二態様によれば、コーティング層は、第一態様における耐食層が、前記ニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金に対して、５０〜９０ｖｏｌ％の前記硬質粒子を含むようにしてもよい。
このように構成することで、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金による耐食性を確保しつつ、流体に含まれる固形物が衝突することによる耐食層の摩耗を、より効果的に抑制できる。

この発明の第三態様によれば、コーティング層は、第一又は第二態様の前記硬質粒子が、タングステンカーバイト、炭化クロム、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および、立方晶窒化ホウ素のうち、少なくとも一つ、または二つ以上から形成された粒子を含むようにしても良い。
このように構成することで、硬質粒子の硬度をニッケル基合金、コバルト基合金よりも高くして流体に含まれる固形物が衝突することによる耐食層の摩耗を、より効果的に抑制できる。

この発明の第四態様によれば、圧縮機は、第一態様から第三態様の何れかのコーティング層を備える。
これにより、固形物を含む腐食性の流体を扱う圧縮機において、流体と接触する部分の腐食や摩耗を抑制できる。そのため、信頼性の向上を図ることができる。

この発明の第五態様によれば、コーティング層の製造方法は、ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末に、前記ニッケル基合金、および、前記前記コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された複数の硬質粒子を混合して溶射材を作成する溶射材作成工程と、前記溶射材を母材の表面に溶射する溶射工程と、を含む。
このようにすることで、耐食性と、耐摩耗性との両方を有するコーティング層を容易に形成することができる。

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。

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。 この発明の実施形態におけるインペラ表面の拡大断面図である。 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。

次に、この発明の実施形態に係るコーティング層、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。

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。

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Ｇが流れる流路を形成する。

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。

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。

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。

図２は、この発明の実施形態におけるインペラ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を備えている。

耐食層１１は、インペラ５の母材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、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のニッケル基合金、又は、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のコバルト基合金により層状に形成されている。耐食層１１は、この耐食層１１を形成するニッケル基合金、又は、コバルト基合金よりも硬度の高い材料により形成される複数の硬質粒子Ｋを層内に有している。この実施形態における耐食層１１は、ニッケル基合金のクロム濃度、および、コバルト基合金のクロム濃度が共に２０〜５０ｗｔ％とされている。ここで、クロム濃度が２０ｗｔ％を下回る場合は、摩耗し易くなり、クロム濃度が５０ｗｔ％を上回る場合は、硬度が上昇しすぎて、ピンホール等が形成され耐食性が低下するとともに、延性の低下により疲労強度が低下して取り扱いが難しくなる。

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。ここで、ニッケル基合金、および、コバルト基合金の硬度は、ビッカース硬さでＨＶ３００程度である。つまり、この実施形態におけるニッケル基合金、および、コバルト基合金は、それぞれ延性があり疲労強度が十分に確保される。そのため、硬度が過度に高いことによるヒビや割れ等は生じ難くなっている。

硬質粒子Ｋとしては、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、立方晶窒化ホウ素（Ｃｂｎ）、および、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などを用いることができる。硬質粒子Ｋの硬度は、例えば、ビッカース硬さで、タングステンカーバイトでＨＶ２５００程度、炭化クロムでＨＶ１３００程度である。さらに、炭化ケイ素でＨＶ２４００程度、窒化ケイ素でＨＶ１８００程度、立方晶窒化ホウ素でＨＶ５０００程度、酸化アルミニウムでＨＶ２２００程度となる。さらに、硬質粒子Ｋは、粒径が５〜５０μｍに形成されている。ここで、硬質粒子Ｋの粒径が５μｍを下回ると、摩耗に対する抵抗が低下すると共に，成膜時に凝集しやすくなり，不均一な組織となりやすい。一方で、硬質粒子Ｋの粒径が５０μｍを上回ると、耐食層１１の層内に硬質粒子Ｋを分散させることが困難になる。

耐食層１１は、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金に対して、５０〜９０ｖｏｌ％の硬質粒子Ｋを含んでいる。言い換えれば、耐食層１１は、１０〜５０ｖｏｌ％のニッケル基合金、又は、コバルト基合金を含んでいる。耐食層１１の層内において、複数の硬質粒子Ｋは、均一に分散するようにして配置されている。ここで、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金に対する硬質粒子Ｋの割合が５０ｖｏｌ％を下回ると、流体Ｇに含まれる固形物が硬質粒子Ｋに衝突する確率が低下して耐食層１１の摩耗を十分に低減できない。一方で、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金に対する硬質粒子Ｋの割合が９０ｖｏｌ％を上回ると、耐食層１１の殆んどが硬質粒子Ｋとなるため、耐食層１１の緻密さが低下し過ぎて、腐食性の流体Ｇに対して十分な耐食性能を発揮できなくなる。

耐食層１１は、溶射によって形成することができる。この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。この溶射で用いる溶射材は、ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末に対して、硬質粒子Ｋを予め混合したものを用いることができる。このように硬質粒子Ｋを、ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末に対して上述した割合（ｖｏｌ％）で混合する。

次に、この実施形態におけるコーティング層の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図３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３に示すように、まず、溶射材を作成する（ステップＳ０１；溶射材作成工程）。より具体的には、ニッケル基合金の粉末（例えば、平均粒径５０μｍ程度）、又は、コバルト基合金の粉末（例えば、平均粒径５０μｍ程度）に、これらニッケル基合金、および、コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された硬質粒子Ｋを５０〜９０ｖｏｌ％（例えば、７５ｖｏｌ％）混合する。

次いで、作成した溶射材を、母材９の表面に溶射する（ステップＳ０２；溶射工程）。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。この溶射によって、母材９の表面を覆うようにして、例えば、２０μｍ〜１ｍｍ程度の耐食層１１を形成する。これにより、層内に硬質粒子Ｋが一様に分散された耐食層１１が形成される。

したがって、上述した実施形態によれば、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金の有する耐食性によって、母材９に腐食性の流体Ｇが接触することを抑制できる。さらに耐食層１１の層内に硬質粒子Ｋが含まれることによって、腐食性の流体Ｇに含まれる固形物Ｓが耐食層１１の表面に衝突した場合に、耐食層１１の硬質粒子Ｋにはじかれる。また、層内に硬質粒子Ｋを含むことで、耐食層１１自体の硬度を増加させることができる。そのため、流体Ｇに含まれる固形物Ｓの衝突による耐食層１１の摩耗を抑制できる。その結果、固形物Ｓを含む腐食性の流体Ｇ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。

さらに、耐食層１１が、５０〜９０ｖｏｌ％の硬質粒子Ｋを含むので、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金による耐食性を確保しつつ、流体Ｇに含まれる固形物Ｓが衝突することによる耐食層１１の摩耗を、より効果的に抑制できる。
さらに、硬質粒子Ｋが、タングステンカーバイト、炭化クロム、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および、立方晶窒化ホウ素のうち、少なくとも一つから形成されているため、硬質粒子Ｋの硬度をニッケル基合金、コバルト基合金よりも高くして流体Ｇに含まれる固形物Ｓが衝突することによる耐食層１１の摩耗を、より効果的に抑制できる。

さらに、ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末に、硬質粒子Ｋを混合して溶射材を作成し、この溶射材を母材９に吹き付けるだけで耐食層１１を形成することができる。そのため、耐食性、および、耐摩耗性に優れた耐食層１１を容易に形成することができる。

さらに、上述した実施形態の圧縮機１によれば、流体Ｇと接触する部分の腐食や摩耗を抑制できる。そのため、信頼性の向上を図ることができる。

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。

例えば、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。

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。

さらに、上述した実施形態においては、硬質粒子Ｋが、タングステンカーバイト、炭化クロム、アルミナ、および、立方晶窒化ホウ素のうち、単一の粒子を用いる場合を例示した。しかし、硬質粒子Ｋは、タングステンカーバイト、炭化クロム、アルミナ、窒化ケイ素，炭化ケイ素，および、立方晶窒化ホウ素の各粒子のうち、複数種類の粒子を混ぜて使用し各硬質粒子単体特性の相乗効果による、更なる耐食性も期待出来る。

さらに、上述した実施形態においては、母材９の表面に耐食層１１が直接形成される場合を例示した。しかし、耐食層１１は、最外層に形成されていればよく、例えば、耐食層１１と、母材９との間に他の層を設けるようにしても良い。

１ 圧縮機
２ ケーシング
３ 回転軸
４ 軸受部
５ インペラ（インペラ本体）
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
Ｋ 硬質粒子
Ｓ 固形物

Claims (5)

1. 母材上に層状に形成されたニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層を備えるコーティング層であって、
   前記耐食層は、前記耐食層を形成するニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された複数の硬質粒子を層内に有するコーティング層。
2. 前記耐食層は、
   前記ニッケル基合金、又は、前記コバルト基合金に対して、５０〜９０ｖｏｌ％の前記硬質粒子を含む請求項１に記載のコーティング層。
3. 前記硬質粒子は、タングステンカーバイト、炭化クロム、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および、立方晶窒化ホウ素のうち、少なくとも一つ、または二つ以上から形成された粒子を含む請求項１又は２に記載のコーティング層。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のコーティング層を備える圧縮機。
5. ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末に、前記ニッケル基合金、および、前記前記コバルト基合金よりも硬度の高い材料から形成された複数の硬質粒子を混合して溶射材を作成する溶射材作成工程と、
   前記溶射材を母材の表面に溶射する溶射工程と、を含むコーティング層の製造方法。

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