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JPS6114198B2 - - Google Patents
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JPS6114198B2 - - Google Patents

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JPS6114198B2
JPS6114198B2 JP13548276A JP13548276A JPS6114198B2 JP S6114198 B2 JPS6114198 B2 JP S6114198B2 JP 13548276 A JP13548276 A JP 13548276A JP 13548276 A JP13548276 A JP 13548276A JP S6114198 B2 JPS6114198 B2 JP S6114198B2
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magnesium
fuel
oil
vanadium
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JP13548276A
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JPS5260808A (en
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Yon Rii Suu
Maashu Chenbarin Richaado
Toomasu Shairaa Sukotsuto
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Baker Petrolite LLC
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Petrolite Corp
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Publication date
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Publication of JPS6114198B2 publication Critical patent/JPS6114198B2/ja
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    • C10L1/2431Organic compounds containing sulfur, selenium and/or tellurium sulfur bond to oxygen, e.g. sulfones, sulfoxides
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は燃料添加剤、それを含む石油燃料油及
びニツケル及びコバルト基合金の腐食減少方法に
関するものであり、さらに詳しくはアルカリ金属
及びバナジウム汚染物が存在することによる高温
ガス流における金属合金の熱間腐蝕を減少させる
方法に関するものである。 ガスターブン用ブレード及び羽根を鋳造しまた
は鍛造する材料として高温に耐えるニツケル母体
超合金及びコバルト母体超合金が使用される。タ
ービン中のガス流は15%程度の酸素を含有し、そ
の入口温度はたとえば926.7〜1260℃(1700〜
2300〓)の程度であり、最初の段階のブレード及
び羽根の表面温度は平均899℃(1650〓)にな
り、頂点では約954℃(1750〓)に達する。この
ように比較的高速の酸化性燃焼ガスの流れは苛酷
な条件であるので、部品は高温に耐える超合金か
らできている必要がある。 原油から高温留分までのいろいろな等級の石油
燃料がガスタービンに使用でき、その中に含まれ
ている微量の不純物がガス流の一部となり、ガス
流にさらされる物質が腐蝕される問題が生じる。
燃料中のアルカリ金属(ナトリウム及びカリウ
ム)及びバナジウムなどの汚染物がこのような腐
蝕の問題を生じることが知られている。高い等級
の燃料油、たとえば高温留分は通常少い量の汚染
物を含有する。アルカリ金属の汚染物は通常可溶
性の塩化物塩として存在するのでアルカリ金属の
濃度を減少させるためには主として蒸留操作の前
後において水洗が行わる。高温部分における腐蝕
を最小に保つためにはガスタービンの燃料の規格
をアルカリ金属及びバナジウムの両方とも
0.5ppm以下に保つようにしなければならない。
このようにして高温における汚染物を減少させる
方法は、より不純物の多い低留分、残油及び原油
の製造よりはるかに多くの処理操作を必要とする
ので費用がかかり、この費用はブレード、羽根及
び他の部品、特に最初の段階におけるものの交換
費用と釣合う。 ガス流の温度を減少させることによつても腐蝕
速度を減少させることができるが、その低温にし
た場合のガスタービンの効率の低下と経済的に見
合うものでなければならない。アルカリ金属汚染
物は燃料以外の源からもガス流中に混入すること
に注意すべきである。アルカリ金属塩は当然のこ
とながら塩水の操作環境にも存在する。これらの
塩は海洋装置、海岸または塩分の多い環境に設置
した装置における燃焼空気または燃焼の冷却水に
も存在する。 (1)アルカリ金属及び(2)バナジウムの高温におけ
る個々の腐蝕機構を研究した結果これらの汚染物
による腐蝕を減小させるのに別の有用な方法があ
ることを発見した。燃焼または入口空気中のアル
カリ金属は燃焼工程に導入され、燃料中に通常存
在するイオウと一緒になつてアルカリ金属硫酸塩
(たとえばNa2SO4)を生成する。これらの硫酸塩
は高温の合金部材と接触した場合、硫化として知
られている機構によつて劣化する。ガス流中に金
属酸化物(たとえばCr2O3)を提供するためにク
ロム及びある種の他の金属元素化合物を添加する
ことが、前述の硫化によるコーテイングしたまた
はコーテイングしない超合金部材の腐蝕を減少さ
せまたは防止するのに効果的であることは先行技
術に記載されている。 酸化クロムがバナジウム汚染燃料による劣化ま
たは腐蝕を防止するのにも効果的であるとは紹介
されていず、実際にたとえば数ppmのバナジウ
ムを含有する燃料から得られるガス流に酸化クロ
ムだけを加えた場合には許容できないほどの品質
劣化が起きる。超合金の品質劣化は違つた機構に
よつて生じ、大半はこのバナジウムの汚染による
著しい酸化に帰因する。燃料中のバナジウムは酸
化されて熔融状態の五酸化バナジウム(融点690
℃)を生成する。この五酸化バナジウムの熔融物
をタービン用ブレード及び羽根またはボイラーチ
ユーブなどの高温の金属表面にさらした場合に
は、合金の急激な酸化が起こる。しかしながらバ
ナジウムの汚染によるこの酸化変質はマグネシウ
ム化合物をガス流に導入することによつて解消さ
れることが知られている。高温のガス流中で生成
する酸化マグネシウムは五酸化バナジウムと反応
してマグネシウム・オルソバナデート(3MgO・
V2O5)を生成すると考えられ、この化合物はガス
タービン及びボイラーの通常の操作温度において
超合金に対して無害である。ナトリウム及びカリ
ウムなどのアルカリ金属汚染物も存在する場合に
は、マグネシウム添加物の効果は著しく減小す
る。 従つて比較的高濃度のバナジウム汚染物を含有
する燃料から水処理によつてアルカリ金属汚染物
をナトリウムが変質進行に助成しない程度の量に
なるまで除去する。通常ガスタービン燃焼器に入
れられる燃料はナトリウム+カリウムが0.5ppm
以下になるように定められる。燃料中またはさら
に重要なこととしてはガス流中におけるアルカリ
金属汚染物の量はバナジウムが燃料中における上
限の0.5ppmを越える場合にさらに臨界的とな
る。高温部分の合金の腐蝕の程度はアルカリ金属
及びバナジウムの両方がそれぞれ0.5ppmより高
い濃度で存在する場合、それぞれ単独で存在する
場合の腐蝕の程度の単なる和より数段大きくな
る。この望ましくない腐蝕の相乗作用は研究する
ことが難かしいが、非常に腐蝕性の低融点のナト
リウムバナデートが生成するためであると考えら
れる。このように腐蝕の速度が増進することはし
ばしば経験することである。より低融点の腐蝕性
化合物はより多くのガスタービンの部材を腐蝕さ
せる。 米国特許第3581491号はアルカリ金属塩を含有
するガス流をクロム、錫、サマリウム及びコロン
ビウムの酸化物で処理することによつてガスター
ビンエンジンにおけるニツケル母体及びコバルト
母体合金の硫化による腐蝕を防止する方法を記載
している。 R.C.Farmer著の「Rx for Sodium
Sulfidation」(1974年9月−10月、第15巻第5号
のGas Turbine Internationalの第32−35頁)と
題する記事にはガスタービンにおける高温ガス流
のナトリウム汚染による硫化による腐蝕の防止剤
としてのCr2O3が記載されており、燃料に可溶性
の溶媒中におけるクロム含有有機化合物を燃料に
加えることによる硬化を記載している。 S.Y.Lee,W.E.Young及びG.Vermeg著の
「Evaluation of Additives for Prevention of
High Temperature Corrosion of Super Alloys
in GasTurbines」(ASMEの会報であるJournal
of Engineering For Power,Vol.95,SeriesA,
No.4,第333〜339頁,1973年10月)と題する記事
にはバナジウムによる腐蝕を減少させるためのマ
グネシウムを含むある種の添加剤を記載してい
る。 S.Y.Lee,W.E.Young及びC.E.Hussy著の
「Environmental Effects on the High−
TemperatureCorrosion of Super Alloys in
Present and Future Gas Turbines」(ASMEの
会報であるJournal of Engineering for Power,
Vol.94,Series A,No.2,第149−153頁,1972
年4月)と題する記事には燃料中における汚染物
によるある種の超合金の高温における腐蝕の問題
が記載されている。 F.J.Wall及びS.T.Michael著の「Effect of
sulfate Salts on Corrosion Resistance of Gas
Turbine Alloys」(Hot Corrosion Problems
Associatedwith Gas Turbines,ASTM Special
Technical Publication No.421第223〜245頁,
1967)と題する記事には低融点の共融点を形成す
る硫酸マグネシウム及び硫酸ナトリウムにさらし
た合金についての腐蝕テストの結果を記載してい
る。 本発明の主な目的は比較的高濃度のアルカリ金
属塩及びバナジウム化合物を不純物として含有す
る石油燃料に添加し、燃焼室またはガスタービン
部材の超合金にぶつかる高温ガス流中の前記不純
物の存在によつて起こる腐蝕を防止させるための
組成物を提供するものである。 本発明の別の目的は比較的高い濃度のナトリウ
ム及びバナジウムを含有する石油燃料、特に
0.5ppmより高い濃度のナトリウム+カリウム及
び0.5ppmより高い濃度のバナジウムを含有する
高い等級の原油を燃焼することによつて生成する
ガス流によつてタービンの羽根及びブレードが変
質する速度を弱める方法を提供するものである。 本発明によればアルカリ金属及びバナジウムで
汚染された石油燃料用添加剤組成物は石油燃料に
可溶性の石油燃料留出油溶媒及び油溶性有機塩の
形態のクロム及びマグネシウムの溶液から成る。 本発明の別の目的は0.5ppmより高いアルカリ
金属及び0.5ppmより高いバナジウムを含有する
石油燃料油において、前記燃料油が前記燃料油を
燃焼させることによつて生成するガス流による金
属の腐食を防止または減少させるのに有効量の油
溶性有機塩形態のクロム及びマグネシウムを含有
する石油燃料油を提供するにある。 本発明にはさらにアルカリ金属汚染物及びバナ
ジウム汚染物を含有する石油燃料油の燃焼生成物
を含有する高温ガス流によるニツケル基合金及び
コバルト基合金の腐食を減少させる方法におい
て、燃料油にクロムの油溶性有機塩及びマグネシ
ウムの油溶性有機塩を添加することを特徴とする
ニツケル基合金及びクロム基合金の腐食減少方法
が含まれる。 燃料油を燃焼させた場合、添加剤組成物の油溶
性有機塩の形態のクロム及びマグネシウムは高温
ガス流中にクロム及びマグネシウムの酸化物を提
供する。これらの酸化物の組合わせは燃料油中の
比較的多量のナトリウム及びバナジウム、代表的
にはSaudi原油中のナトリウム及びバナジウム
(3ppmのナトリウム及び5ppmのバナジウム)の
組合わせの存在によつて起こされる急速な腐蝕を
防止しまたは減小させる。すなわちSaudi原油ま
たは他の経済的な0.5ppm以上のアルカリ金属及
び0.5ppm以上のバナジウムを含有する燃料を燃
焼させてガスタービンを駆動させるガス流として
使用する場合、本発明の組成物を添加することに
よつて、ニツケル基またはコバルト基超合金から
作られてているコーテイングしたまたはコーテイ
ングしていないブレード、羽根または他の部材の
腐蝕または変質を減少できる。 本発明によれば、0.5ppmより高い濃度のアル
カリ金属(ナトリウム+カリウム)及び0.5ppm
より高い濃度のバナジウムを含有する石油燃料を
燃焼させることによつて得られるガス流にさらす
ことによるニツケル基及びコバルト基超合金の変
質は燃焼の前に油溶性の有機塩形態のクロム化合
物及び可溶性マグネシウム化合物の組合わせを燃
料油に添加することによつて減少させることが発
見された。水洗操作はアルカリ金属の濃度を
0.5ppmより低い濃度に減少させる方法としては
比較的簡便で経済的な方法ではあるが(なぜなら
ばアルカリ金属は水溶性の塩として存在する)、
容易に入手できる洗浄水はそれ自体アルカリ金属
塩で汚染されている可能性があり、従つてその場
合効果的な水洗操作の支障となる。すでに洗浄し
た燃料もタンクカー、タンク及びパイプラインを
海水で洗浄することによつて残留するアルカリ金
属塩で汚染することがある。飲用に適した洗浄水
が無い場合において、数種の軽質アラビア原油、
特に0.5ppm以上のナトリウム+カリウム及び
0.5ppm以上のバナジウムを含有するサウジ
(Saudi)原油などの燃料油を使用する際に、高
温での腐蝕を減少させることができれば非常に望
ましい。 クロム及びマグネシウムの両方が添加され、好
ましくは不純物で汚染した燃料油に溶解される。
マグネシウムはナフテン酸マグネシウムまたはス
ルホン酸マグネシウムなどの油溶性の有機塩とし
て燃料油に加えられ、好ましくはMg:Vが約
3:1の重量比となるような量で加えられる(こ
こに記載する全ての濃度及び量比は特に明記しな
い限り重量に基づく)。クロムは好ましくはオク
タン酸クロムなどの油溶性有機塩の形態で燃料油
に加えられ、好ましくはCr:Na+Kの比が約
4.5:1となるような量で加えられる。Mg:V及
びCr:Na+Kの比は好ましい比からかなり変わ
つても良く、それでも腐蝕または変質を減少させ
る利点がある。Mg:V及びCr:Na+Kが好まし
い比より低い燃料を使用すればガスタービンのブ
レード及び羽根の交換の頻度は高まるが、本発明
の組合わせ添加殺剤は低い量比で使用しても本発
明の添加剤を使用しない場合よりも寿命が長くな
る。前述の好ましい比よりも高い比率で本発明の
添加剤を使用した場合には腐蝕を減少させる能力
を充分に発揮し、導入ガス及びブレードの温度を
高めることが可能であるが、タービン内に多量の
堆積物が生成する欠点がある。その結果ガスター
ビン上の堆積物を頻繁に洗浄する必要がある。燃
料油が10ppmまたは100ppmものバナジウムを含
有するものであるならばMg:Vの比が好ましい
ものであつても多量の堆積物が生成する欠点があ
る。しかしながら腐蝕が減少する効果は達成され
る。 本発明の添加剤を燃料油に注入するための最も
簡便な方法は燃料油に可溶性の溶剤中にマグネシ
ウム及びクロムを溶解して溶液として添加するこ
とである。この溶剤は石油燃料の留出油または好
ましくは燃料に可溶性の溶媒、たとえばケロシー
ン、ミネラルスピリツトまたはベンゼンである。
これらの後者の溶媒はかなり低い流動点及び粘度
を有し、より容易にポンビングし、注入でき、取
扱いが容易な溶液を提供する。これらの利点が本
発明の添加剤組成物を燃料に可溶性の石油留出油
溶媒中に油溶性有機塩の形態のクロム及びマグネ
シウムを溶解した溶液として使用するのが望まれ
る理由である。溶液中のクロム及びマグネシウム
の濃度は臨界的ではない。便宜上取扱う溶液の容
積を小さくするために、比較的高濃度にした方が
望ましい。クロムオクトエート及びマグネシウム
スルホネートは比較的普通の安価な油溶性溶媒中
に溶解でき、約8%のクロム及び8%のマグネシ
ウムを含有する溶液が提供される。クロム及び/
又はマグネシウムのいずれかを含有する種々の有
機金属化合物の溶解度は試験によつて容易に定め
ることができる。これらの化合物のための溶媒の
石油に対する溶解度も同様に測定できる。 油溶性溶媒中のクロム及びマグネシウムの量比
は燃料中のV:Na+Kの比がわかつている場
合、好ましい比であるMg:V=3:1、Cr:Na
+K=4.5:1となるように調整される。たとえ
ば3ppmのNa+k及び5ppmのバナジウムを含有
するサウジ原油の場合、油溶性溶液中のクロム:
マグネシウムの重量比は13.5:15とされる。従つ
てナトリウム+カリウム及びバナジウムの濃度及
び量比が実質的に変わらない限り、前述の好まし
い量比が採用できることを念頭に入れて所定の測
定量でサウジ原油の燃料油に添加剤を1つの溶液
として加えることができる。これらの不純物の濃
度または量比が著しく変わる場合には2種の別々
の油溶性溶液を使用するのが都合良く、一方はマ
グネシウムを含有する溶液で、他方はクロムを含
有する溶液とし、しかる後変化に応じてそれぞれ
の溶液の添加量を変えることができる。 燃料油以外の源からもアルカリ金属が高温ガス
流中に混入される可能性があることを認識してお
くべきである。海岸及び海洋設備において、アル
カリ金属不純物は燃焼に使用される空気または炎
の温度を調節するために燃焼室に注入される水に
混入する。不純物の由来に関係なく、ガス流中の
アルカリ金属不純物はバナジウム不純物とともに
超合金部材を速やかに変質させる。この変質また
は腐蝕は当然のことながら可溶性のマグネシウム
及びクロム化合物の組合わせを燃料油に加えるこ
とによつて減少させ、防止させることができる。
燃料中のマグネシウム及びクロムの濃度及び量比
は出所に関係なくガス流に混入する全てのアルカ
リ金属を考慮に入れてCr:Na+Kが前述の好ま
しい量比となるように選択される。この作業は燃
焼空気中のナトリウム+カリウムを測定し、燃料
中の相当濃度に換算することによつて成され、こ
の換算は燃料:空気の比が知られているから比較
的簡単にできる。 本発明の効果はまたクロム及びマグネシウムを
含有する物質で金属部分をコーテイングすること
によつて得られる。実際本発明によれば、アルカ
リ金属及びバナジウム(それぞれ燃料中約
0.5ppm以上の量に相当する)を含有する燃焼生
成ガスがニツケル基またはコバルト基超合金から
作つた部材にぶつかるいずれの場所においても腐
蝕の程度が減小する効果がある。 具体的にガスタービンについて記載すると、
0.5ppm以上のアルカリ金属及び0.5ppm以上のバ
ナジウムを含有する燃料(あるいはこれらに相当
する量の不純物を含有するガス流)を使用する場
合、クロム:アルカリ金属の比が約4.5:1でマ
グネシウム:バナジウムの比が約3:1になるよ
うな量でそれぞれクロム及びマグネシウムを燃料
に加えるのが好ましい。ニツケル基超合金のブレ
ード及びコバルト基合金の羽根を有するガスター
ビンにこれらの燃料を使用しても、ブレード及び
羽根の平均温度が899℃(1650〓)で一点のピー
クの温度が954℃(1750〓)の場合第1段階の寿
命が長く良好である。現在のところ商業的ガスタ
ービン技術において、前記第1段階の金属部材の
温度に対応する公称の入口のガス流の温度は約
1132℃(2070〓)であり、このガス流は公称±
149℃(300〓)の幅で変化する。 本発明は下記の実施例に従つてさらに説明され
る。 例 研究室用タービンを使用し、一般に使用される
ガスタービン用ニツケル母体及びコバルト母体超
合金のサンプルをバナジウム及びナトリウム不純
物を含有するガス流にさらして腐蝕テストを行つ
た。これらのテストで使用した燃料はナトリウム
及びバナジウムの含有率がいずれも0.5ppm以下
である。No.2石油燃料の留分であつた。前述の天
然の原油に似せるためにテスト留分中のこれらの
不純物の実際の濃度を分析測定した。しかる後、
テスト燃料油にカルボン酸ナトリウム及びカルボ
ン酸バナジウムを適当に加えることによつてナト
リウム及びバナジウムの量を適当な濃度に調整し
たテスト燃料を得た。テスト燃料は0.5%のイオ
ウも含有した。クロムはナフテン酸クロムとして
テスト燃料に加えた。マグネシウムはPetrolite
Corp.のTretolite Divisionから市販されている
KI−16として知られている燃料油に可溶性の溶
液として加えた。添加剤のテスト燃料への投与量
はCr:Na=4.5:1、Mg:V=3:1の量比と
なるように定めた。ナトリウムまたはバナジウム
を含有しない天性ガスの場合には酸化の結果が得
られた。テストサンプルの合金は6.4mm(1/4イン
チ)の直径のピンであつた。テストピンは高圧腐
蝕テストの通路に取付け、そこで通常のガスター
ビンのガス流の特性を有するテストガス流にさら
した。テスト装置及び操作手順についてのさらに
詳細な記載はS.Y.Lee,S.M.DeCorso及びW.E.
Young著の「Laboratory Procedures for
Evaluating High−Temperature Corrosion
Resistance of Gas Turbine Alloys」(ASMEの
会報であるJournal of Engineeribng for
Power,Vol.93,SeriegA,No.1,第313〜320
頁,1971年7月)と題する記事に載つている。前
記記事はニツケル基及びコバルト基超合金の組成
についても記載している。洗浄してあかを落とし
た金属についての腐蝕テストの結果として重量の
損失及びサンプルの直径の縮小の度合を測定し
た。 代表的なガスタービン用の羽根のコバルト母体
合金X−45及び代表的な回転ブレードのニツケル
母体合金U−500についての899℃(1650〓)での
テスト結果をそれぞれ第1図及び第2図に示す。
これらのテスト結果は本発明のマグネシウム及び
クロムの組合わせを燃料に含ませた場合、バナジ
ウム及びナトリウムによる腐蝕速度をかなり減小
させることを示している。本発明のクロム及びマ
グネシウムの組合わせは不純物の無い天然ガスを
使用したテストで起きるような単純な酸化からも
ある程度超合金を保護する。本発明の添加剤の効
果はガスタービンエンジンで使用される他の種々
のニツケル基及びコバルト基超合金に対して等し
く及ぶ。本発明の添加剤はコーテイングされたブ
レード及び羽根に対しても等しく効果的である。 下記の表1及び表2は本発明のマグネシウム及
びクロムの組合わせの添加剤を前述の好ましい
Cr:Na及びMg:V比で使用した場合の効果を示
す。
The present invention relates to fuel additives and methods for reducing corrosion of petroleum fuel oils and nickel and cobalt based alloys containing the same, and more particularly to corrosion reduction of metal alloys in hot gas streams due to the presence of alkali metal and vanadium contaminants. The present invention relates to a method for reducing intercalary corrosion. Nickel-based superalloys and cobalt-based superalloys that can withstand high temperatures are used as materials for casting or forging gas turbine blades and vanes. The gas flow in the turbine contains about 15% oxygen, and its inlet temperature is e.g. 926.7~1260℃ (1700~
2300〓), and the surface temperature of the blades and vanes at the first stage averages 899℃ (1650〓), reaching about 954℃ (1750〓) at the apex. Because this relatively high velocity flow of oxidizing combustion gases is a severe condition, the components must be made from superalloys that can withstand high temperatures. Various grades of petroleum fuels, from crude oil to hot distillates, can be used in gas turbines, and there is a problem with trace impurities that become part of the gas stream and corrode materials exposed to it. arise.
Contaminants such as alkali metals (sodium and potassium) and vanadium in fuel are known to cause such corrosion problems. Higher grades of fuel oil, such as hot distillate, usually contain low amounts of contaminants. Since alkali metal contaminants are usually present as soluble chloride salts, water washing is primarily performed before and after the distillation operation to reduce the alkali metal concentration. In order to keep corrosion to a minimum in high-temperature parts, gas turbine fuel specifications must be made of both alkali metals and vanadium.
Must be kept below 0.5ppm.
This method of reducing contaminants at high temperatures is expensive as it requires far more processing operations than the production of more impure low-end, resid and crude oils, and this cost is and other parts, especially those in the first stage. Corrosion rates can also be reduced by reducing the temperature of the gas stream, but the reduction in efficiency of the gas turbine at lower temperatures must be economically justified. It should be noted that alkali metal contaminants can also enter the gas stream from sources other than fuel. Alkali metal salts are naturally also present in salt water operating environments. These salts are also present in the combustion air or combustion cooling water in marine equipment, equipment located on the coast or in saline environments. After studying the individual corrosion mechanisms of (1) alkali metals and (2) vanadium at high temperatures, we discovered that there are other useful methods to reduce the corrosion caused by these contaminants. Alkali metals in the combustion or inlet air are introduced into the combustion process and combine with the sulfur normally present in the fuel to form alkali metal sulfates (eg, Na 2 SO 4 ). When these sulfates come into contact with hot alloy components, they degrade by a mechanism known as sulfidation. The addition of chromium and certain other metal elemental compounds to provide metal oxides (e.g. Cr 2 O 3 ) in the gas stream reduces the corrosion of coated and uncoated superalloy components due to the aforementioned sulfidation. It has been described in the prior art that it is effective for reducing or preventing. Chromium oxide is also not presented as being effective in preventing deterioration or corrosion from vanadium-contaminated fuel, and in fact only chromium oxide is added to a gas stream obtained from a fuel containing, for example, a few ppm of vanadium. In some cases, unacceptable quality deterioration occurs. Deterioration of superalloys occurs through different mechanisms, mostly due to severe oxidation due to vanadium contamination. Vanadium in fuel is oxidized to molten vanadium pentoxide (melting point 690
℃). When this melt of vanadium pentoxide is exposed to hot metal surfaces such as turbine blades and vanes or boiler tubes, rapid oxidation of the alloy occurs. However, it is known that this oxidative deterioration due to vanadium contamination can be overcome by introducing magnesium compounds into the gas stream. Magnesium oxide formed in the hot gas stream reacts with vanadium pentoxide to form magnesium orthovanadate (3MgO.
V 2 O 5 ), this compound is harmless to the superalloy at normal operating temperatures of gas turbines and boilers. The effectiveness of magnesium additives is significantly reduced if alkali metal contaminants such as sodium and potassium are also present. Accordingly, alkali metal contaminants are removed by water treatment from fuels containing relatively high concentrations of vanadium contaminants until the amount of sodium does not promote the progression of alteration. Normally, the fuel put into the gas turbine combustor contains 0.5 ppm of sodium + potassium.
It is determined as follows. The amount of alkali metal contaminants in the fuel or more importantly in the gas stream becomes even more critical when vanadium exceeds the upper limit of 0.5 ppm in the fuel. The degree of corrosion of the alloy in the hot section is several orders of magnitude greater when both the alkali metal and vanadium are present in concentrations greater than 0.5 ppm each than the mere sum of the degree of corrosion when each is present alone. This undesirable corrosion synergy is difficult to study but is believed to be due to the formation of highly corrosive low melting point sodium vanadate. This increased rate of corrosion is often experienced. Corrosive compounds with lower melting points corrode more gas turbine components. U.S. Pat. No. 3,581,491 discloses a method for preventing sulfidation corrosion of nickel-based and cobalt-based alloys in gas turbine engines by treating a gas stream containing alkali metal salts with oxides of chromium, tin, samarium, and columbium. is listed. “Rx for Sodium” by RC Farmer
``Sulfidation'' (Gas Turbine International, September-October 1974, Volume 15, Issue 5, pp. 32-35). of Cr 2 O 3 and describes curing by adding a chromium-containing organic compound to the fuel in a solvent soluble in the fuel. “Evaluation of Additives for Prevention of
High Temperature Corrosion of Super Alloys
in GasTurbines” (Journal, a newsletter of ASME)
of Engineering For Power, Vol.95, Series A,
No. 4, pp. 333-339, October 1973) describes certain additives containing magnesium to reduce vanadium corrosion. “Environmental Effects on the High−” by SYLee, WE Young, and CE Hussy.
TemperatureCorrosion of Super Alloys in
“Present and Future Gas Turbines” (ASME newsletter, Journal of Engineering for Power,
Vol.94, Series A, No.2, pp. 149-153, 1972
(April 2010) describes the problem of high temperature corrosion of certain superalloys due to contaminants in the fuel. “Effect of
sulfate salts on Corrosion Resistance of Gas
Turbine Alloys” (Hot Corrosion Problems)
Associated with Gas Turbines,ASTM Special
Technical Publication No. 421, pages 223-245,
(1967) describes the results of corrosion tests on alloys exposed to magnesium sulfate and sodium sulfate, which form low melting point eutectics. The main object of the present invention is to add relatively high concentrations of alkali metal salts and vanadium compounds as impurities to petroleum fuels and to eliminate the presence of said impurities in the hot gas stream that impinges on the superalloys of combustion chambers or gas turbine components. The present invention provides a composition for preventing corrosion caused by such corrosion. Another object of the invention is to provide petroleum fuels containing relatively high concentrations of sodium and vanadium, especially
A method of reducing the rate at which turbine blades and blades are altered by gas streams produced by burning high grade crude oil containing concentrations of sodium+potassium greater than 0.5 ppm and vanadium greater than 0.5 ppm. It provides: According to the present invention, the alkali metal and vanadium contaminated petroleum fuel additive composition consists of a petroleum fuel distillate solvent soluble in petroleum fuels and a solution of chromium and magnesium in the form of oil soluble organic salts. Another object of the present invention is to provide a petroleum fuel oil containing more than 0.5 ppm of alkali metals and more than 0.5 ppm of vanadium, wherein said fuel oil inhibits corrosion of metals by the gas stream produced by burning said fuel oil. The present invention provides a petroleum fuel oil containing effective amounts of chromium and magnesium in the form of oil-soluble organic salts. The present invention further provides a method for reducing corrosion of nickel-based and cobalt-based alloys by a hot gas stream containing combustion products of petroleum fuel oil containing alkali metal contaminants and vanadium contaminants. A method for reducing corrosion of nickel-based alloys and chromium-based alloys is included, which comprises adding an oil-soluble organic salt and an oil-soluble organic salt of magnesium. When fuel oil is combusted, the chromium and magnesium in the form of oil-soluble organic salts of the additive composition provide chromium and magnesium oxides in the hot gas stream. The combination of these oxides is caused by the presence of relatively large amounts of sodium and vanadium in the fuel oil, typically a combination of sodium and vanadium (3 ppm sodium and 5 ppm vanadium) in Saudi crude oil. Prevent or reduce rapid corrosion. That is, when Saudi crude oil or other economical fuels containing more than 0.5 ppm of alkali metals and more than 0.5 ppm of vanadium are burned and used as a gas stream to drive a gas turbine, the composition of the present invention can be added. This reduces corrosion or deterioration of coated or uncoated blades, vanes, or other components made from nickel-based or cobalt-based superalloys. According to the invention, concentrations of alkali metals (sodium + potassium) higher than 0.5 ppm and 0.5 ppm
Alteration of nickel- and cobalt-based superalloys by exposure to a gas stream obtained by burning petroleum fuels containing higher concentrations of vanadium results in the removal of chromium compounds in the form of oil-soluble organic salts and soluble chromium compounds prior to combustion. It has been discovered that this can be reduced by adding a combination of magnesium compounds to fuel oil. The water washing operation reduces the concentration of alkali metals.
Although this is a relatively simple and economical method for reducing concentrations below 0.5 ppm (because alkali metals exist as water-soluble salts),
Readily available wash water may itself be contaminated with alkali metal salts, thus impeding effective washing operations. Fuel that has already been cleaned can also become contaminated with residual alkali metal salts from cleaning tank cars, tanks and pipelines with seawater. In the absence of potable wash water, several light Arabian crude oils,
Especially sodium + potassium and more than 0.5ppm
It would be highly desirable to be able to reduce corrosion at high temperatures when using fuel oils such as Saudi crude containing 0.5 ppm or more of vanadium. Both chromium and magnesium are added, preferably dissolved in the contaminated fuel oil.
Magnesium is added to the fuel oil as an oil-soluble organic salt such as magnesium naphthenate or magnesium sulfonate, preferably in an amount such that the Mg:V ratio is about 3:1 by weight (all Concentrations and ratios are by weight unless otherwise specified). Chromium is preferably added to the fuel oil in the form of an oil-soluble organic salt such as chromium octoate, preferably with a Cr:Na+K ratio of about
It is added in an amount such that the ratio is 4.5:1. The ratios of Mg:V and Cr:Na+K may vary considerably from the preferred ratios and still have the advantage of reducing corrosion or alteration. Although the use of fuel with lower Mg:V and Cr:Na+K ratios than the preferred ratio increases the frequency of gas turbine blade and vane replacement, the combined additives of the present invention can be used at lower ratios. The lifespan is longer than without additives. If the additives of the present invention are used in proportions higher than the preferred ratios mentioned above, they will have sufficient ability to reduce corrosion and increase the temperature of the incoming gas and blades, but will not cause large amounts of It has the disadvantage of forming deposits. As a result, deposits on the gas turbine must be frequently cleaned. If the fuel oil contains 10 ppm or even 100 ppm of vanadium, even if the Mg:V ratio is favorable, it has the drawback of forming large amounts of deposits. However, the effect of reducing corrosion is achieved. The simplest method for injecting the additive of the present invention into fuel oil is to dissolve magnesium and chromium in a fuel oil-soluble solvent and add them as a solution. The solvent is a petroleum fuel distillate or preferably a solvent soluble in the fuel, such as kerosene, mineral spirits or benzene.
These latter solvents have significantly lower pour points and viscosities, providing solutions that are more easily pumpable and injectable and easier to handle. These advantages are why it is desirable to use the additive composition of the present invention as a solution of chromium and magnesium in the form of oil-soluble organic salts in a fuel-soluble petroleum distillate solvent. The concentration of chromium and magnesium in the solution is not critical. For convenience and to reduce the volume of the solution to be handled, it is desirable to have a relatively high concentration. Chromium octoate and magnesium sulfonate can be dissolved in relatively common, inexpensive, oil-soluble solvents to provide a solution containing about 8% chromium and 8% magnesium. Chromium and/or
The solubility of various organometallic compounds containing either magnesium or magnesium can be easily determined by tests. Solvent petroleum solubility for these compounds can be determined as well. The quantitative ratio of chromium and magnesium in the oil-soluble solvent is preferably Mg:V=3:1, Cr:Na when the ratio of V:Na+K in the fuel is known.
It is adjusted so that +K=4.5:1. For example, for Saudi crude oil containing 3 ppm Na+K and 5 ppm vanadium, chromium in oil solution:
The weight ratio of magnesium is 13.5:15. Therefore, as long as the concentration and quantitative ratio of sodium + potassium and vanadium do not substantially change, the above-mentioned preferred quantitative ratio can be adopted. It can be added as If the concentrations or quantitative ratios of these impurities vary significantly, it is convenient to use two separate oil-soluble solutions, one containing magnesium and the other containing chromium, and then The amount of each solution added can be changed depending on the change. It should be recognized that alkali metals can be introduced into the hot gas stream from sources other than fuel oil. In coastal and marine installations, alkali metal impurities get mixed into the air used for combustion or the water that is injected into the combustion chamber to regulate the temperature of the flame. Regardless of the origin of the impurities, alkali metal impurities in the gas stream, along with vanadium impurities, rapidly alter the superalloy component. This deterioration or corrosion can of course be reduced or prevented by adding a combination of soluble magnesium and chromium compounds to the fuel oil.
The concentrations and quantitative ratios of magnesium and chromium in the fuel are selected in such a way that Cr:Na+K is the aforementioned preferred quantitative ratio, taking into account all alkali metals that are mixed into the gas stream, regardless of their source. This is done by measuring the sodium + potassium in the combustion air and converting it to the equivalent concentration in the fuel, which is relatively easy since the fuel:air ratio is known. The effects of the invention can also be obtained by coating the metal parts with a substance containing chromium and magnesium. In fact, according to the invention, the alkali metals and vanadium (each in the fuel
This has the effect of reducing the extent of corrosion wherever combustion gases containing 0.5 ppm or more impinge on components made from nickel-based or cobalt-based superalloys. Specifically regarding gas turbines,
When using fuels containing 0.5 ppm or more of alkali metals and 0.5 ppm or more of vanadium (or gas streams containing equivalent amounts of impurities), the chromium:alkali metal ratio is approximately 4.5:1 and the magnesium: Preferably, chromium and magnesium are each added to the fuel in amounts such that the vanadium ratio is about 3:1. Even when these fuels are used in gas turbines with nickel-based superalloy blades and cobalt-based alloy vanes, the average temperature of the blades and vanes is 899°C (1650°C) and the peak temperature at one point is 954°C (1750°C). In the case of 〓), the life of the first stage is long and good. Currently in commercial gas turbine technology, the nominal inlet gas stream temperature, which corresponds to the temperature of the first stage metal member, is approximately
1132℃ (2070〓), and this gas flow is nominally ±
It varies in a range of 149℃ (300〓). The invention is further explained according to the following examples. EXAMPLE A laboratory turbine was used to perform corrosion tests on samples of commonly used gas turbine nickel-based and cobalt-based superalloys by exposing them to a gas stream containing vanadium and sodium impurities. The fuel used in these tests contained less than 0.5 ppm of sodium and vanadium. It was a fraction of No. 2 petroleum fuel. The actual concentrations of these impurities in the test fractions were analytically determined to mimic the aforementioned natural crude oils. After that,
By appropriately adding sodium carboxylate and vanadium carboxylate to the test fuel oil, a test fuel was obtained in which the amounts of sodium and vanadium were adjusted to appropriate concentrations. The test fuel also contained 0.5% sulfur. Chromium was added to the test fuel as chromium naphthenate. Magnesium is Petrolite
Commercially available from Tretolite Division of Corp.
It was added as a soluble solution in a fuel oil known as KI-16. The amount of additives administered to the test fuel was determined to be Cr:Na = 4.5:1 and Mg:V = 3:1. Oxidation results were obtained in the case of natural gases containing no sodium or vanadium. The test sample alloy was a 6.4 mm (1/4 inch) diameter pin. The test pin was installed in the high pressure corrosion test passageway where it was exposed to a test gas flow having the characteristics of a conventional gas turbine gas flow. More detailed descriptions of test equipment and operating procedures can be found at SYLee, SMDeCorso and WE.
“Laboratory Procedures for
Evaluating High−Temperature Corrosion
"Resistance of Gas Turbine Alloys" (Journal of Engineeribng for ASME's newsletter)
Power, Vol.93, SeriegA, No.1, No. 313-320
Page, July 1971). The article also describes the composition of nickel-based and cobalt-based superalloys. As a result of the corrosion test on the cleaned and descaled metal, the degree of weight loss and reduction in sample diameter was determined. Figures 1 and 2 show the test results at 899℃ (1650〓) for the cobalt matrix alloy X-45 of a typical gas turbine blade and the nickel matrix alloy U-500 of a typical rotating blade, respectively. show.
These test results demonstrate that when the magnesium and chromium combination of the present invention is included in a fuel, the corrosion rate due to vanadium and sodium is significantly reduced. The chromium and magnesium combination of the present invention provides some protection to the superalloy from simple oxidation, such as occurs in tests using pure natural gas. The effects of the additives of the present invention extend equally to a variety of other nickel-based and cobalt-based superalloys used in gas turbine engines. The additives of the present invention are equally effective on coated blades and vanes. Tables 1 and 2 below show the magnesium and chromium combination additives of the present invention as described above.
The effects when used at Cr:Na and Mg:V ratios are shown.

【表】【table】

【表】【table】

【表】 本発明の効果は不純物として鉛を含有する燃料
にも及ぶ。鉛の汚染は石油燃料油をガソリンが残
存するタンクで船積みしたり、輸送したりする場
合に生じる。マグネシウム添加剤は鉛が燃料に混
入したことによる腐蝕変質を減小させるのにも効
果がある。鉛が存在する場合には鉛の濃度をバナ
ジウムの濃度に加算し、その合計量から添加すべ
きマグネシウムの量を算定すれば良い。
[Table] The effects of the present invention extend to fuels containing lead as an impurity. Lead contamination occurs when petroleum fuel oil is shipped or transported in tanks with residual gasoline. Magnesium additives are also effective in reducing corrosion caused by lead in the fuel. If lead is present, the concentration of lead may be added to the concentration of vanadium, and the amount of magnesium to be added may be calculated from the total amount.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はガスタービン用の羽根のコバルト基合
金X−45についての899℃(1650〓)での腐蝕テ
スト結果を示す。曲線A1……クロム及びマグネ
シウム添加剤で処理した(Cr:Na=4.5:1,
Mg:V=3:1)3ppmのNa及び5ppmのVを含
有する燃料を使用して得られた結果を示す。曲線
B1……添加剤で処理しない5ppmのNa及び2ppm
のVを含有する燃料を使用して得られた結果を示
す。曲線C1……天然ガス燃料の酸化による腐蝕
結果を示す。 第2図は回転ブレードのニツケル基合金U−
500についての899℃(1650〓)での腐蝕テスト結
果を示す。曲線A2……クロム及びマグネシウム
添加剤で処理した(Cr:Na=4.5:1,Mg:V
=3:1)3ppmのNa及び5ppmのVを含有する
燃料を使用して得られた結果を示す。曲線B2
…添加剤で処理しない5ppmのNa及び2ppmのV
を含有する燃料を使用して得られた結果を示す。
曲線C2……天然ガス燃料の酸化による腐蝕結果
を示す。
Figure 1 shows the results of a corrosion test at 899°C (1650°C) for cobalt-based alloy X-45 for gas turbine blades. Curve A 1 ... Treated with chromium and magnesium additives (Cr:Na=4.5:1,
Mg:V=3:1) Results obtained using a fuel containing 3 ppm Na and 5 ppm V are shown. curve
B 1 ...5ppm Na and 2ppm not treated with additives
The results obtained using a fuel containing V are shown. Curve C 1 ... shows the corrosion results due to oxidation of natural gas fuel. Figure 2 shows the nickel-based alloy U-
Corrosion test results for 500 at 899℃ (1650〓) are shown. Curve A 2 ... Treated with chromium and magnesium additives (Cr:Na=4.5:1, Mg:V
= 3:1) Results obtained using a fuel containing 3 ppm Na and 5 ppm V are shown. Curve B 2 ...
...5ppm Na and 2ppm V without additive treatment
The results obtained using a fuel containing
Curve C 2 ... shows the corrosion results due to oxidation of natural gas fuel.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 アルカリ金属及びバナジウムで汚染された石
油燃料油用の燃料添加剤組成物において、前記組
成物が前記石油燃料油に可溶性の石油燃料留出油
溶媒及び油溶性有機塩の形態のクロム及びマグネ
シウムの溶液からなることを特徴とする、燃料添
加剤組成物。 2 クロムがオクタン酸クロムである特許請求の
範囲第1項記載の燃料添加剤組成物。 3 マグネシウムがスルホン酸マグネシウムであ
る特許請求の範囲第1項記載の燃料添加剤組成
物。 4 クロム及びマグネシウムの重量比が実質的に
等しい特許請求の範囲第1項または第2項または
第3項記載の燃料添加剤組成物。 5 溶媒がケロシーンである特許請求の範囲第1
項から第4項までのいずれか1項記載の燃料添加
剤組成物。 6 0.5ppmより高いアルカリ金属及び0.5ppmよ
り高いバナジウムを含有する石油燃料油におい
て、前記燃料油が前記燃料油を燃焼させることに
よつて生成するガス流による金属の腐食を防止ま
たは減少させるのに有効量の油溶性有機塩形態の
クロム及びマグネシウムを含有することを特徴と
する石油燃料油。 7 Cr:Na+Kの量比が約4.5:1である特許請
求の範囲第6項記載の石油燃料油。 8 Mg:Vの量比が約3:1である特許請求の
範囲第6項記載の石油燃料油。 9 Mg:Vの量比において鉛の量がVとして含
まれる特許請求の範囲第8項記載の石油燃料油。 10 アルカリ金属汚染物及びバナジウム汚染物
を含有する石油燃料油の燃焼生成物を含有する高
温ガス流によるニツケル基合金及びコバルト基合
金の腐食を減少させる方法において、燃料油にク
ロムの油溶性有機塩及びマグネシウムの油溶性有
機塩を添加することを特徴とするニツケル基合金
及びクロム基合金の腐食減少方法。 11 高温ガス流が0.5ppmより高いアルカリ金
属及び0.5ppmより高いバナジウムを含む特許請
求の範囲第10項記載の方法。 12 石油燃料油におけるクロム:アルカリ金属
の量比が約4.5:1で、マグネシウム:バナジウ
ムの量比が約3:1である特許請求の範囲第10
項記載の方法。 13 合金がガスタービンの部材である特許請求
の範囲第項記載の方法10項記載の方法。 14 高温ガス流の温度が約1132℃である特許請
求の範囲第10項記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A fuel additive composition for petroleum fuel oil contaminated with alkali metals and vanadium, wherein the composition comprises a petroleum distillate solvent soluble in the petroleum fuel oil and an oil-soluble organic salt. A fuel additive composition characterized in that it consists of a solution of chromium and magnesium in the form. 2. The fuel additive composition according to claim 1, wherein the chromium is chromium octoate. 3. The fuel additive composition according to claim 1, wherein the magnesium is magnesium sulfonate. 4. The fuel additive composition according to claim 1, 2 or 3, wherein the weight ratios of chromium and magnesium are substantially equal. 5 Claim 1 in which the solvent is kerosene
The fuel additive composition according to any one of items 1 to 4. 6. In petroleum fuel oils containing more than 0.5 ppm of alkali metals and more than 0.5 ppm of vanadium, said fuel oil is used to prevent or reduce corrosion of metals by gas streams produced by burning said fuel oil. A petroleum fuel oil characterized in that it contains an effective amount of chromium and magnesium in the form of oil-soluble organic salts. 7. The petroleum fuel oil according to claim 6, wherein the quantitative ratio of Cr:Na+K is about 4.5:1. 8. The petroleum fuel oil of claim 6, wherein the Mg:V ratio is about 3:1. 9. The petroleum fuel oil according to claim 8, wherein the amount of lead is included as V in the Mg:V quantitative ratio. 10 In a method for reducing corrosion of nickel-based and cobalt-based alloys by a hot gas stream containing combustion products of petroleum fuel oil containing alkali metal contaminants and vanadium contaminants, the oil-soluble organic salt of chromium is added to the fuel oil. and a method for reducing corrosion of nickel-based alloys and chromium-based alloys, the method comprising adding an oil-soluble organic salt of magnesium. 11. The method of claim 10, wherein the hot gas stream contains more than 0.5 ppm alkali metal and more than 0.5 ppm vanadium. 12 Claim 10, wherein the petroleum fuel oil has a chromium:alkali metal ratio of about 4.5:1 and a magnesium:vanadium ratio of about 3:1.
The method described in section. 13. The method according to claim 10, wherein the alloy is a member of a gas turbine. 14. The method of claim 10, wherein the temperature of the hot gas stream is about 1132°C.
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