A335 P11 対 P22 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

ASTM A335 P11およびP22は、配管、ヘッダー、ボイラー用チューブなどの高温圧力部品に広く使用されているクロム–モリブデン合金鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択において、コスト、高温強度、溶接性、長期クリープ耐性のトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、材料の強度と靭性をサービス温度に合わせること、製造のための溶接手順を指定すること、ライフサイクルコストと初期購入価格をバランスさせることが含まれます。

これらのグレードの主な技術的な違いは、クロムとモリブデンの合金レベルです：P22はP11よりもかなり多くのクロムとモリブデンを含んでおり、これは硬化性、高温強度、酸化抵抗に直接影響します。両方の鋼は高温サービス用に設計されたCr–Moフェライト合金であるため、ボイラー、過熱蒸気配管、圧力容器の材料選定時に頻繁に比較されます。

1. 規格と指定

• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335（高温サービス用の無縫製フェライト合金鋼パイプ）
• グレードP11（通常は1.25Cr–0.5Mo名目として記載される）
• グレードP22（通常は2.25Cr–1Mo名目として記載される）
• EN: EN規格システムで利用可能な比較可能なグレード（例：P11 ≈ 13CrMo4-5または類似のファミリー; P22 ≈ 2.25Cr–1Mo焼入れ鋼）
• JIS/GB: 国家規格は、高温配管および容器に使用されるほぼ同等のCr–Mo焼入れ鋼を提供します。
• 分類: P11およびP22は合金鋼（フェライトCr–Mo鋼）であり、ステンレス鋼や工具鋼ではありません。高温圧力保持部品に使用され、現代的な意味でのHSLAではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、A335 P11およびP22の業界で使用される典型的な名目組成範囲（wt%）を示しています。値は特定の購入仕様からの正確な保証最小値/最大値ではなく、代表的な範囲として示されています。

元素	A335 P11（典型的、wt%）	A335 P22（典型的、wt%）
C	0.08 – 0.15	0.08 – 0.15
Mn	0.25 – 0.60	0.25 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.025	≤ 0.025
S	≤ 0.025	≤ 0.025
Cr	~0.90 – 1.30	~2.00 – 2.50
Ni	≤ 0.40（微量）	≤ 0.40（微量）
Mo	~0.40 – 0.65	~0.85 – 1.05
V	通常微量	通常微量
Nb (Cb)	通常微量	通常微量
Ti	通常微量	通常微量
B	通常微量	通常微量
N	微量	微量

合金が性能に与える影響： - クロム：高温での酸化/腐食抵抗を改善し、硬化性と高温強度に寄与します。P22の高いCrはスケーリングに対する抵抗を高め、サービス温度での強度保持を改善します。 - モリブデン：高温でフェライトを強化し、クリープ強度を改善し、硬化性を高めます。P22の高いMo含有量は、P11に対してより良いクリープおよび高温強度をもたらします。 - 炭素およびマンガン：強度と硬化性の主な寄与者であり、両方のグレードは溶接性と強度のバランスを取るために中程度の炭素を維持します。 - 微量元素および微合金化（V、Nb、Ti）は微量で存在する可能性があり、特定の加工条件下で粒構造を精製し、マトリックスを析出強化することができます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 製造および正規化後：両方のグレードは、圧力部品に一般的に指定される正規化および焼入れサイクル後に、テンパー処理されたマルテンサイト/バイナイト–テンパー処理されたフェライト微細構造を示します。 - 急冷およびテンパー後（重厚部品または鍛造品に適用される場合）：炭化物析出（Cr/Moに富む炭化物）を伴うテンパー処理されたマルテンサイト構造は、高強度とクリープ抵抗を提供します。 - 熱機械加工：制御された圧延は、両方のグレードの粒子サイズを精製し、靭性を改善することができますが、合金含有量が精製の容易さを制御します。

熱処理の効果： - 正規化の後にテンパー処理を行うことで、粒子サイズが精製され、圧延された微細構造が均一なテンパー処理されたマルテンサイト/バイナイトマトリックスに変換され、クリープ強度に寄与するCr–Mo炭化物が析出します。 - P22の高いCrおよびMoは、合金炭化物の体積分率を増加させ、高温での軟化を遅くします。通常、厚いセクションのために硬度と靭性のバランスを取るために調整されたテンパー処理が必要です。 - P11は合金含有量が少なく、したがって標準的な正規化/テンパーサイクル後に適切な靭性を得るのがやや容易ですが、P22に対して非常に高温での長期強度は低くなります。

4. 機械的特性

以下は、設計で一般的に使用される正規化およびテンパー処理された状態の代表的な特性範囲です。実際の保証特性は、製品形状および特定の熱処理に依存します。

特性（室温、特に記載がない限り）	A335 P11（典型的）	A335 P22（典型的）
引張強度（MPa）	~415 – 550	~415 – 620
降伏強度（0.2%オフセット、MPa）	~240 – 360	~260 – 400
伸び（%）	~20 – 25	~18 – 22
シャルピーVノッチ衝撃（J、正規化）	通常は良好; 適切な熱処理で靭性を保持	同じ強度に対して比較的またはわずかに低い延性
硬度（HBまたはHRC）	中程度（例：熱処理に応じてHB 150–220範囲）	合金化による同等のテンパー処理でわずかに高い

解釈： - P22は、より高いCrおよびMo含有量のため、一般的に高温強度とクリープ抵抗が高く、これはしばしば、与えられた設計寿命のためにより高い温度で安全に運転する能力や、壁厚を減少させることに変換されます。 - P11は、特定の厚さで靭性のための熱処理がやや容易であり、延性が高い傾向がありますが、高温での長期強度はP22に対して低くなります。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量、硬化性、微合金化に依存します。広く使用されている2つの経験的な測定値は、IIW炭素当量とPcmです：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - P22は、より高いCrおよびMoを持ち、P11に対して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を増加させ、熱影響部での硬化の感受性が高く、予熱および制御されたインターパス温度の必要性が高くなります。 - 両方のグレードは、業界で一般的に溶接されます。推奨される実践には、低水素電極、指定された予熱（および時には溶接後熱処理 — PWHT）、および溶接手順の資格が含まれます。P22は、より高い硬化性のため、厚いセクションに対してより保守的な予熱/PWHTレジームを必要とすることが多いです。 - 水素、インターパス温度、およびPWHTの管理は、水素支援亀裂を避け、HAZ硬度をテンパーするために重要です。

6. 腐食および表面保護

• P11もP22もステンレス鋼ではなく、両方とも水性または攻撃的な環境にさらされると腐食します。選択は、一般的な腐食抵抗よりも機械的および高温酸化挙動によって駆動されます。
• 外部または大気保護のため：サービスに応じて、亜鉛メッキ、塗装/コーティングシステム、または熱スプレーオーバーレイが適用されることがあります。
• 腐食性プロセスストリーム内の内部保護のため：クラッディング（例：腐食抵抗合金による溶接オーバーレイ）、ライニング、または腐食許容設計が典型的な戦略です。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金に使用され、Cr–Moフェライト鋼には適用されません。ステンレス合金の場合、次のように使用します：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

しかし、この指数はA335 P11およびP22には無関係です。なぜなら、これらのCr含有量はステンレスの閾値を下回り、ステンレスグレードに典型的な高いNおよびNi含有量が欠如しているからです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：両方のグレードは、正規化/テンパー処理された状態で適度に加工可能です。P22は、合金化が高く、結果として析出硬化した炭化物があるため、切削工具に対してやや厳しいかもしれません。炭化物形成元素（Cr、Mo）は、工具の摩耗を増加させます。
• 成形性：両方とも冷間での成形性はプレーンカーボン鋼よりも劣ります。成形は通常、正規化またはアニーリングされた状態で行われ、曲げ半径に注意が必要です。配管およびチューブ形状の場合、成形は日常的ですが、スプリングバックや重度の冷間加工された領域での亀裂のリスクが考慮されます。
• 表面仕上げ：研削、旋盤および溶接仕上げが標準です。P22の加工中に残留応力に注意し、過熱を避けることが推奨され、局所的な硬度の増加を防ぎます。

8. 典型的な用途

A335 P11 – 典型的な用途	A335 P22 – 典型的な用途
コスト感度が高く、温度が中程度の低温から中温の蒸気配管、ヘッダー、およびフィッティング	高温蒸気配管、過熱器/再加熱器用チューブ、および高いクリープ強度と酸化抵抗が必要な圧力容器
あまり厳しくない高温ゾーンのボイラーおよび熱交換器	発電所のメイン蒸気ライン、熱再加熱配管、および高い設計温度までのサービス用コンポーネント
中温用の石油および化学プラント配管	高負荷の石油化学プロセスヒーターおよび高温圧力保持コンポーネント

選択の理由： - 名目上の最大サービス温度が低く、材料コストが低く、製造が容易であることが優先される用途にはP11を選択してください。 - より高いクリープ強度、より良い機械的特性の保持、または与えられた設計寿命のための薄い壁の可能性が必要な場合はP22を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 入手可能性：両方のグレードは、無縫製および溶接パイプ、フィッティング、および一部の鍛造品として一般的に在庫されています。P11およびP22は、発電およびプロセスプラントの多くのサプライチェーンで標準グレードです。
• コスト：P22は通常、より高いCrおよびMo含有量のため、P11よりも高価です。追加コストは、長寿命、薄い壁設計の可能性、またはメンテナンスの削減によって正当化される場合があります。
• 製品形状：両方ともパイプ、チューブ、および圧力容器プレートで容易に入手可能です。標準サイズのリードタイムは一般的に短いですが、大型鍛造品や特別な熱処理の場合は長くなることがあります。

10. 概要と推奨

側面	A335 P11	A335 P22
溶接性	良好（合金含有量が低い→CEが低い）	やや要求が厳しい（高いCr/Mo→CEが高い; より多くの予熱/PWHTが必要）
強度–靭性（室温）	中程度の強度、良好な延性	高温での強度が高く、同等の強度で比較的またはわずかに低い延性
高温/クリープ抵抗	中程度の高温に対して適切	高温および長いクリープ寿命に対して優れています
コスト	低い	高い

推奨事項： - 大規模なPWHTや攻撃的な高温クリープ抵抗が必要ない中程度の高温サービス用のコスト効果の高いCr–Mo合金が必要な場合はP11を選択してください。また、わずかに良い冷間延性と容易な溶接手順が有利です。 - 設計が高温での長期強度とクリープ抵抗、改善されたスケーリング抵抗、または与えられた設計寿命のための薄い壁を必要とする場合はP22を選択してください。そして、より厳しい溶接および溶接後熱処理の要件とわずかに高い材料コストを受け入れることができる場合です。

結論として：重要な圧力保持部品については、常に材料仕様、必要な熱処理、および溶接手順をプロジェクトの金属技術者またはコード当局（ASME）と確認し、設計温度、許容応力、および製造制約との互換性を確保してください。