JP5144629B2 - オープンラック式気化器の伝熱管およびヘッダー管 - Google Patents
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Description
基材21は、特に限定されないが、通常、JIS規定の3000系、5000系、または6000系アルミニウム合金が用いられ、押出成形等の公知の方法で伝熱管2またはヘッダー管3,4の形状に加工される。基材21の厚さは特に限定されないが、伝熱管2(ヘッダー管3,4)の管径や長さ等に応じて必要な強度が得られる厚さに成形される。基材21は、伝熱管2およびヘッダー管3,4の形状にそれぞれ成形された後、溶接されて熱交換パネル1の形状に組み立てられる。なお、本発明に係る伝熱管2およびヘッダー管3,4は、それぞれ円筒形状としているが、これに限定されるものではない。
犠牲陽極層22は、溶射材料として好適であり、かつ基材21を形成するアルミニウム合金より海水中での電位が卑となる(イオン化傾向が大きい)アルミニウム合金からなる。このようなアルミニウム合金として、Al−Zn合金、Al−Mg合金、Al−Zn−Mg合金等が挙げられる。すなわち、これらの元素を単独または二種以上を添加して、基材21を形成するアルミニウム合金の電位と比較して卑となる電位とすればよい。このようなアルミニウム合金で犠牲陽極層22を構成することにより、犠牲陽極層22が、腐食環境(海水中)で積極的にアノード反応(M→Mn++ne−、M:Alおよび添加元素、n:価数)を起こすことで、基材21の腐食を防止する(犠牲防食)ことができる。犠牲陽極層22は、前記成分のアルミニウム合金を、例えば線状の溶射材料(溶線材料)として、電気を熱源とするアーク溶射法やプラズマ溶射法、ガスを熱源とするフレーム溶射法等の公知の溶射方法により基材21の表面に溶射されて形成される。
長期にわたる犠牲防食作用を付与するために、犠牲陽極層22の膜厚は100μm以上とし、250μm以上が好ましい。一方、犠牲陽極層22を厚くすると、熱交換効率が低下し、また剥離し易くなるため、膜厚は1000μm以下が好ましく、600μm以下がより好ましい。また、犠牲陽極層22は、基材21への密着性に特に影響の強い、基材21との界面から少なくとも100μmの深さまでの領域において、以下の通り規定する。
溶射皮膜である犠牲陽極層22は多結晶膜であり、多結晶膜を構成する結晶子のそれぞれのサイズが小さいほど緻密な膜となって、冷却による氷結や温度差による応力で割れ難くなる。特に、基材21との界面から少なくとも100μmの深さまでの領域において、結晶子の長さが180nmを超えると、氷結や温度変化により犠牲陽極層22に微小割れが生じ易い。したがって、犠牲陽極層22は、結晶子の長さを180nm以下とし、150nm以下が好ましく、120nm以下がさらに好ましい。なお、結晶子の長さの下限は規定しないが、実質的には30nm以上である。
多結晶膜である犠牲陽極層22を構成する結晶子のそれぞれは、隣接するもの同士で結晶方位が互いに異なる。アルミニウムの結晶構造は面心立方晶(fcc)構造であるため、その結晶面方位は(111)および(200)が主で、結晶配向は最緻密状態となる結晶面方位(111)が優先となり、その配向性が高く(結晶配向性が高く)なるほど多結晶膜の硬さが増大する。以下、アルミニウム結晶の面方位(111)のものをAl(111)、面方位(200)のものをAl(200)と表す。多結晶膜におけるAl(111)とAl(200)の分布状態、すなわち面積比はXRDにおける回析ピーク強度の比で表すことができ、前記の一般的なアルミニウム合金の溶射条件による溶射皮膜においては、Al(111)はAl(200)の1.7〜1.8倍の回析ピーク強度となる。本発明に係るORV10の伝熱管2およびヘッダー管3,4においては、溶射皮膜(犠牲陽極層22)が従来よりも硬くなるように、Al(111)の回析ピーク強度をAl(200)の1.9倍以上として配向性を高くし、耐エロージョン性を向上させる。好ましくは回析ピーク強度2.1倍以上である。一方、回析ピーク強度が2.5倍を超えると、犠牲陽極層22のAl(111)配向性が過大となって割れ易くなるため、2.5倍以下とし、好ましくは2.4倍以下である。
犠牲陽極層22は、その形成方法(溶射)から、内部にある程度の気孔22aを含む構造を有する。気孔22aは、図2の断面図ではそれぞれが分断されて示されているが、実際には他の気孔22aと通じているものが多い。気孔率が高い、すなわち気孔22aの数が多く、また1個あたりのサイズが大きくなると、複数の気孔22a,22a,…を介して犠牲陽極層22の表面から基材21との界面までが通じて、海水が基材21の表面まで到達する虞がある。したがって、腐食の進行を抑制するために、犠牲陽極層22は、厚さ方向の断面における気孔22aの面積率を5%以下とすることが好ましい。なお、この犠牲陽極層22における気孔22aの面積率の上限は、基材21との界面から100μmの深さまでの領域におけるものであるが、犠牲陽極層22の全領域においてこの上限以下の面積率であることがより好ましい。一方、気孔22aには温度変化による犠牲陽極層22の体積変化を緩和する働きがあるため、犠牲陽極層22が、基材21との界面近傍において気孔率が極度に低く、気孔22aの面積率が1%未満になると、氷結や温度変化により却って微小割れを生じ易くなる。したがって、犠牲陽極層22は、基材21との界面から少なくとも100μmの深さまでの領域においては、断面における気孔22aの面積率を1%以上とすることが好ましい。なお、犠牲陽極層22は、形成(溶射)後に表面からエポキシ樹脂等を封孔剤として含浸させて気孔22aに充填してもよい。
伝熱管2およびヘッダー管3,4に代えて、下記の供試材を作製した。
基材として、A5083合金の厚さ5mmの板材を35mm×100mmに切り出して用いた。基材の片面を、ショットブラスト(ブラスト粒子:アルミナ#16〜20)にて算術平均粗さRa:20〜40μmに粗面化し、この面を先端がプラスチック製のデッキブラシでこすって、目視で確認できなくなるまでブラスト粒子を除去した。この基材の粗面化された面に、Al−2%Zn合金の線材を用いて、溶線式フレーム溶射法(酸素+プロパン炎)にて溶射皮膜を、膜厚300μm程度になるように形成して犠牲陽極層とした。また、表1に示すように、溶射距離は150mmまたは300mm、溶射角度は90°または45°、1回の溶射パスで形成する溶射皮膜の膜厚は25μm、50μm、100μmとした。さらに供試材No.7〜9については、膜厚が100μmに到達するまで、1パス毎にショットブラストを実施した。1回のショットブラストにつき、10μmの減肉があったため、その分を考慮して溶射パス数を増やした。
得られた供試材を切り出し、切断面を研磨して、この切断面から無作為に5点において、溶射皮膜(犠牲陽極層)における基材との界面から50μmの深さ近傍を、X線回折装置にて特性X線Cu−Kα(波長λ:0.154nm)を用いてφ100μmの微小部XRD測定を実施した。Cauchy関数により補正した値を結晶子の大きさによる回折線の拡がり(積分幅)βとし、Scherrer定数Kを1.05として、Scherrerの式:D=K・λ/(β・cosθ)にて結晶子の長さDを算出した。結晶子の長さ、およびAl(111)/Al(200)の回析ピーク強度比を解析し、それぞれの5点の平均値を表1に示す。
また、供試材の研磨した切断面を、光学顕微鏡にて100倍で5箇所撮影した。この撮影写真に対して、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて画像を2値化して、溶射皮膜の基材との界面から50μmの深さ近傍における気孔の面積率を算出し、5視野の平均値を表1に示す。
(熱サイクル試験)
ORVとして海水中で運転した場合の熱サイクルを含めた環境を再現するため、各仕様5枚の供試材に対して以下の試験を行った。塩水噴霧試験装置にて、供試材の溶射皮膜の形成面へ、塩水の噴霧を23時間行った後、濡れた状態でこの面を上にしてトレイに載置し、溶射皮膜が浸からない程度に液体窒素をトレイに入れて、溶射皮膜を凍結させた。次に、溶射皮膜にORVの実機温度差による圧縮応力を付加するために、圧縮試験装置にて供試材の長辺方向に0.38%の圧縮応力を加えた状態で5分間保持するまでを1サイクルとした。その後に塩水噴霧試験装置に戻して再び塩水を噴霧する工程から繰り返し、この試験を3ヶ月間行った。試験後、供試材を切り出し、切断面を研磨して、この面を観察面として以下の評価を行った。
供試材の切断面を光学顕微鏡にて400倍で観察して、割れと判別できるものの有無を評価した。直線距離10μm以上の割れが存在しないものを合格とし、さらに2.5μm以上の割れが存在するものを△、存在しないものを○とし、また不合格を×として、表1に示す。
溶射皮膜の基材との界面を含む1mm×1mmの視野範囲を、光学顕微鏡にて400倍で観察して、間隔10μmの格子点法により各格子点にて界面の密着、非密着を判定した。ここで、非密着の点の3つ隣の格子点までに非密着の点が存在した場合は、この非密着の2点間における格子点も非密着点としてカウントする。非密着点数/全格子点数を非密着界面率とした。界面を視野に平行とすれば、全格子点を100点として評価できる。各仕様について無作為の5視野を観察してその平均を表1に示す。非密着界面率が30%を超えると、実機でも早期に剥離することがわかっていることから、非密着界面率が30%以下を合格とする。
1 熱交換パネル
2 伝熱管
21 基材
22 犠牲陽極層(溶射皮膜)
22a 気孔
3 下部ヘッダー管(ヘッダー管)
4 上部ヘッダー管(ヘッダー管)
Claims (2)
- 外表面に供給される海水との熱交換によって内部に流通する液化天然ガスを気化させるオープンラック式気化器の熱交換パネルを構成する伝熱管またはヘッダー管において、
アルミニウム合金からなる基材と、この基材の外表面の少なくとも一部に被覆されて当該基材の犠牲陽極層となるアルミニウム合金からなる厚さ100μm以上の溶射皮膜と、を備え、
前記溶射皮膜は、前記基材との界面から少なくとも100μmの深さまでの領域において、結晶子の長さが180nm以下で、X線回析法におけるアルミニウムの結晶面方位(111)の回析ピーク強度が結晶面方位(200)の回析ピーク強度の1.9〜2.5倍であることを特徴とするオープンラック式気化器の伝熱管またはヘッダー管。 - 前記溶射皮膜は、前記基材との界面から少なくとも100μmの深さまでの領域において、その厚さ方向の断面における気孔の面積率が1〜5%であることを特徴とする請求項1に記載のオープンラック式気化器の伝熱管またはヘッダー管。
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