JP2023518656A - 融着被覆されたボール弁トリム - Google Patents
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Abstract
ボール弁の弁座の弁座面として作用する表面改質部分を有する金属の基板を備えているボール弁用のボールと、ボール弁のボールの弁座面として作用する表面改質部分を有する金属の基板を備えているボール弁用の弁座リングと、を提供する。【選択図】図１
Description
[0001] 本発明は、ボール及び弁座など、ボール弁の融着被覆されたトリムコンポーネントに関する。
[0002] 鉱石の加圧酸浸出などの過酷使用用途で用いられるボール弁は、高温、高圧、研磨固体、及び酸腐食に曝される。ボール及び弁座など、ボール弁のトリムコンポーネントは、磨耗、浸食、及び腐食といった劣化又は摩耗に対する信頼性及び耐性を向上させるために、熱溶射被覆されることが多い。例えば、チタンで作製されたボール及び弁座は、炭化クロムなどの被覆によって熱溶射被覆される。
[0003] 従来の熱溶射被覆されたボール及び弁座は、いくつかの欠点に悩まされている。使用時、熱溶射被覆は、トリムコンポーネントから思いがけず剥離したり破砕したりして、ボール弁のシール効率を低減させる。この剥離及び破砕は、下にある金属基板への研磨固体及び腐食性酸のアクセスの増加をもたらし、激化した劣化、摩耗、及び腐食のサイクルを引き起こす。また、剥離又は破砕した被覆は、ボール弁の下流のプラント及びプロセス機器に汚染及び損害の危険を生じる。
[0004] こうした背景に鑑みて、摩耗及び腐食に対しては増大された耐性を有するが、剥離及び破砕が減少された（又は付着強度が増加された）、過酷使用ボール弁のための改良された被覆ボール及び弁座の需要が存在する。
[0005] 本発明によれば、ボール弁のためのボールが提供され、ボールは、ボール弁の弁座の弁座面として作用する表面改質部分（surface modified portion）を有する金属の基板を備えている。
[0006] 基板及び表面改質部分は、各々がチタン又はチタン合金を備え得る。
[0007] 表面改質部分は、窒化によって形成され得る。
[0008] 表面改質部分は、基板の表面部分を窒化して硬質窒化チタン相を形成すること、及び、窒化された表面部分をベータスタビライザと合金化して硬質チタン相を包囲する強靭なベータチタン相を形成すること、によって形成され得る。
[0009] 表面改質部分は、クラック又はボイドを充填するように高密度化され得る。
[0010] 表面改質部分は、***環状帯（raised annular band）を備え得る。
[0011] ***環状帯は、融接によって基板に冶金的に融着され得る。
[0012] 本発明はボール弁のための弁座リングも提供し、弁座リングは、ボール弁のボールの弁座面として作用する表面改質部分を有する金属の基板を備えている。
[0013] 基板及び表面改質部分は、各々がチタン又はチタン合金を備え得る。
[0014] 表面改質部分は、窒化によって形成され得る。
[0015] 表面改質部分は、基板の表面部分を窒化して硬質窒化チタン相を形成すること、及び、窒化された表面部分をベータスタビライザと合金化して硬質チタン相を包囲する強靭なベータチタン相を形成すること、によって形成され得る。
[0016] 表面改質部分は、クラック又はボイドを充填するように高密度化され得る。
[0017] 表面改質部分は、***環状帯を備え得る。
[0018] ***環状帯は、融接によって基板に冶金的に融着され得る。
[0019] 表面改質部分は、軸方向に離間した２つの***環状帯を備え得る。
[0020] 弁座リングは更に、軸方向に離間した２つの***環状帯の間に、低摩擦材料の帯を備え得る。
[0021] 本発明は更に、上述したボールと弁座リング２つとを備えるボール弁の部品の一式を提供する。
[0022] 次に、本発明の実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。
[0023] 図１から図３を参照すると、本発明の一実施形態によるボール弁１０の融着被覆されたトリムコンポーネントは、概して、２つの弁座リング１４の間にボール１２を備え得る。ボール弁１０の組み立ての前に、新しい又は修理可能なボール１２と弁座リング１４とが用意され、以下の手順で被覆され得る。
[0024] ボール１２は、ボール弁１０の弁座リング１４の弁座面として作用する表面改質部分１６を有する金属の基板を備え得る。基板と表面改質部分とは、各々がチタン又はチタン合金、例えばチタングレード１２を備え得る。
[0025] 表面改質部分１６は窒化によって形成され得る。窒化は単独で実施されてもよいし、又は、追加的な表面改質技術、例えばＣａｌｌｉｄｕｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｐｔｙ Ｌｔｄによる国際公開第２０２０／２１２８８３号明細書に記載されているものと組み合わせて実施されてもよい。同文献は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。国際公開第２０２０／２１２８８３号明細書には、とりわけ、基板の表面部分を窒化して硬質窒化チタン相を形成すること、及び、基板の窒化された表面部分をベータスタビライザと合金化して硬質チタン相を包囲する強靭なベータチタン相を形成すること、によって表面改質部分を形成することが記載されている。
[0026] 表面改質部分１６は、例えば１つ以上の金属酸化物又は１つ以上の金属炭化物の熱溶射被覆を用いて、クラック又はボイドを充填するように高密度化され得る。更に又は代替的には、表面改質部分１６は、Ｆｉｒｅｓｉｄｅ Ｃｏａｔｉｎｇｓによって製造される「ＸＰ６１」セラミック被覆のような適当な封止材又は充填材を用いて高密度化されてもよい。高密度化された表面改質部分は、その後、弁座面から余分な高密度化材料を除去するように機械加工され得る。
[0027] 図４及び図５を参照すると、ボール１２の表面改質部分１６は***環状帯を備え得る。***環状帯１６は、例えばガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）などの融接によって、基板に冶金的に融着され得る。図４に示されるように、***環状帯１６は、当初は環状に隣接する溶接ビードとしてボール１２上に形成され、後で、例えば研磨、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工、ラッピング、マッチラッピング等によって、図５に示されるように必要な寸法及び表面仕上げに機械加工されてもよい。
[0028] 図３を参照すると、弁座リング１４は、ボール弁１０のボール１２の弁座面として作用する表面改質部分１６を有する金属の基板を備え得る。２つの弁座リング１４の各々は、融着被覆されたボール１２の***環状帯１６について上述したのと同じ又は同様の材料及び技術を用いて、形成され、機械加工され、及び高密度化され得る。
[0029] いくつかの実施形態においては、各弁座リング１４は、ボール１２の２つ以上の離間した弁座面として作用する２つ以上の軸方向に離間した***環状帯１６を備え得る。各弁座リング１４は更に、隣接する軸方向に離間した***環状帯１６の各対の間に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような低摩擦材料の帯１８を備え得る。
[0030] ボール１２は２つの弁座リング１４にマッチラッピングされてもよく、完成した融着被覆されたトリムコンポーネントは、ボール弁の部品の一式としてエンドユーザに供給されてもよい。
[0031] 以下の実施例は本発明を説明することを意図されたものである。本発明の範囲を限定することは意図されていない。
実施例
[0032] １０インチのクラス６００ボール弁のチタン合金の融着被覆されたボール及び２つの弁座リングの例が用意され、上述の手法で被覆された。ボール及び弁座リング上の表面改質された***環状帯は、およそ１．５ｍｍの仕上げ厚さを有する冶金的に融着された被覆を残すように、ＴｉＯｘＣｒＯｘの熱溶射被覆を用いて高密度化された。これに対し、従来の熱溶射被覆されたボールは、およそ０．５ｍｍの被覆厚さを有する。
[0032] １０インチのクラス６００ボール弁のチタン合金の融着被覆されたボール及び２つの弁座リングの例が用意され、上述の手法で被覆された。ボール及び弁座リング上の表面改質された***環状帯は、およそ１．５ｍｍの仕上げ厚さを有する冶金的に融着された被覆を残すように、ＴｉＯｘＣｒＯｘの熱溶射被覆を用いて高密度化された。これに対し、従来の熱溶射被覆されたボールは、およそ０．５ｍｍの被覆厚さを有する。
[0033] 図６は、本実施例における融着被覆されたボールの、表面改質された***環状帯と基板との間の冶金的な融着を示す光学顕微鏡写真である。図７は、本実施例のボールの表面改質された***環状帯が最大でおよそ１１００ＨＶの増大された硬度を有していたことを示す。これに対し、従来の熱溶射被覆されたボールは、最大で９００ＨＶの、より低い硬度を有する。
[0034] 本実施例の融着被覆されたボールは、従来の熱溶射被覆されたチタンボールと並行して、オートクレーブトレイン（autoclave train）の分離トリム（isolation trim）として、高圧酸浸出（ＨＰＡＬ）ニッケルプラントにおいてインラインで設置された。それぞれのボールは、次に、温度、圧力、及び酸性スラリなど、同様の条件に曝された。
[0035] 本実施例の融着被覆されたボールは、１２か月の時点でチェックされ、トリムの非常に良好な状態により、直ちに使用に戻された。２９か月の時点で調査及び開発目的のために取り外されたが、修理及び再使用に関しては満足な状態にあると判断された。図８は、２９か月のインライン使用後の、本実施例の融着被覆されたボールを示す。これに対し、同様の場所における熱溶射被覆されたボールの耐用寿命は、予期せぬ剥離がシール効率の喪失をもたらすまで、７か月から２４か月の範囲であった。図９は、７か月のインライン使用後に熱溶射が剥離してしまった、従来の熱溶射被覆されたボールのうち１つの例を示す。
[0036] 上記のインライン試験に加え、本実施例の融着被覆されたトリムには、加速インハウス試験が行われた。加速試験の前に、融着被覆されたトリムは、標準化されたパイプライン弁の仕様であるＡＰＩ６Ｄに照らして試験された。漏れ率は、許容可能な工場受け入れ試験の１．５ｍｌ／分に対し、０ｍｌ／分であった。本実施例の融着被覆されたトリムには、次に、２５５℃、４，５００ｋＰａのシミュレーションされたＨＰＡＬ条件下で、クライアントが供給した酸性スラリを用いて加速試験が行われ、弁は、４年の過酷使用を模擬的に再現して、圧力で２００回以上ストロークし、全差圧で２０以上ストロークした。弁は、試験全体を通じて、許容可能なトルク要求範囲及び分離性能の中で動作した。試験の持続時間全体を通じて、焼き付きは発生しなかった。図１０から図１２に示されるように、この加速試験の後、本実施例の融着被覆されたボールは、最小限のかじりを示し、修理なしで使用に戻すことができた。
[0037] 上記に鑑みて、本実施例の融着被覆されたトリムは、特に開弁位相及び閉弁位相の際のフラッシングなどの過酷な条件にあたり、トリム寿命を有意に延長することができ得ると考えられる。
[0038] 本発明の実施形態は、ボール及び弁座など、ボール弁の融着被覆されたトリムコンポーネントを提供し、これらはいずれも、圧力浸出使用用途において用いられるもののような過酷使用ボール弁において、特に及び概して有用である。
[0039] 本発明の実施形態を過酷使用金属弁座ボール弁のトリムコンポーネントの文脈で単なる例として上述してきたが、そうでなくても、これらの実施形態が、従来の熱溶射被覆と比較して摩耗及び腐食に対しては増大された耐性を必要とするが剥離及び破砕が減少された（又は付着強度が増加された）任意の及び全ての工業プロセスにおいて用いられる任意の及びすべての金属コンポーネントを冶金的に融着被覆するために代替的に実装され得ることは、理解されるであろう。
[0040] 本明細書においては、「備えている」という語は「含むが限定されない」ことを意味し、「備える」という語はこれに対応する意味を有する。
[0041] 上記の実施形態は例としてのみ記載されたものであって、以下の特許請求の範囲内で変更することが可能である。
Claims (17)
- ボール弁用のボールであって、
前記ボール弁の弁座の弁座面として作用する表面改質部分を有する金属の基板を備える、ボール。 - 前記基板及び表面改質部分は、各々がチタン又はチタン合金を備える、請求項１のボール。
- 前記表面改質部分は、窒化によって形成される、請求項１のボール。
- 表面改質部分は、前記基板の表面部分を窒化して硬質窒化チタン相を形成すること、及び、前記窒化された表面部分をベータスタビライザと合金化して前記硬質チタン相を包囲する強靭なベータチタン相を形成すること、によって形成される、請求項１のボール。
- 前記表面改質部分は、クラック又はボイドを充填するように高密度化される、請求項１のボール。
- 前記表面改質部分は、***環状帯を備える、請求項１のボール。
- 前記***環状帯は、融接によって前記基板に冶金的に融着される、請求項６のボール。
- ボール弁用の弁座リングであって、
前記ボール弁のボールの弁座面として作用する表面改質部分を有する金属の基板を備える、弁座リング。 - 前記基板及び表面改質部分は、各々がチタン又はチタン合金を備える、請求項８の弁座リング。
- 前記表面改質部分は、窒化によって形成される、請求項８の弁座リング。
- 前記表面改質部分は、前記基板の表面部分を窒化して硬質窒化チタン相を形成すること、及び、前記窒化された表面部分をベータスタビライザと合金化して前記硬質チタン相を包囲する強靭なベータチタン相を形成すること、によって形成される、請求項８の弁座リング。
- 前記表面改質部分は、クラック又はボイドを充填するように高密度化される、請求項８の弁座リング。
- 前記表面改質部分は、***環状帯を備える、請求項８の弁座リング。
- 前記***環状帯は、融接によって前記基板に冶金的に融着される、請求項１３の弁座リング。
- 前記表面改質部分は、軸方向に離間した２つの***環状帯を備える、請求項１３の弁座リング。
- 前記軸方向に離間した２つの***環状帯の間に低摩擦材料の帯を更に備える、請求項１５の弁座リング。
- 請求項１のボールと、請求項８の弁座リング２つと、を備える、ボール弁の部品の一式。
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