P11対P22 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

P11とP22は、ボイラー管、ヘッダー、配管などの圧力部品および高温サービスに指定された、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、これらの選択時に強度/クリープ耐性、溶接性、靭性、コスト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、高温サービスに適したグレードの選定（クリープ対コスト）、予熱およびPWHTの実践の指定（溶接性および水素割れのリスク）、および交換間隔のライフサイクルコストの最適化が含まれます。

これら2つのグレードの主な区別となる設計上の特徴は、合金戦略です：P22はP11よりも高いクロムおよびモリブデン含有量を持っています。その組成の違いは、P22において高温強度とクリープ耐性を高める一方で、P11と比較して硬化性および溶接/予熱の考慮を増加させます。両者は類似の配管および圧力容器用途に使用されるため、発電所、製油所、石油化学設備の材料選定時に比較が頻繁に行われます。

1. 標準および指定

• 一般的な標準および指定：
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335（無縫製フェライト合金鋼パイプ）：P11、P22。
• EN: 同等の指定は、時々1.0–1.25Cr–0.5Moおよび2.25Cr–1Moファミリーとして与えられます；特定のEN番号は製品および熱処理によって異なります。
• JIS / GB: 地域標準は対応するグレードをリストする場合があります（正確なクロスリファレンスについては特定の標準表を参照してください）。
• 材料クラス：
• P11とP22は、いずれも高温サービスを目的とした合金鋼（クロム–モリブデンフェライト鋼）です。通常の意味でのステンレス鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。

2. 化学組成および合金戦略

以下の表は、絶対的な割合ではなく、一般的な元素の相対的なレベルを要約しています；これは、正確な仕様およびベンダーに依存する特定の数値を提示することを避けます。

元素	P11（相対レベル）	P22（相対レベル）
C	低–中程度	低–中程度
Mn	低–中程度	低–中程度
Si	低–中程度	低–中程度
P	微量 / 制御済み	微量 / 制御済み
S	微量 / 制御済み	微量 / 制御済み
Cr	中程度（低め）	高め（著しく高い）
Ni	微量 / 低	微量 / 低
Mo	中程度（低め）	高め（著しく高い）
V	微量 / マイクロ合金化の可能性	微量 / マイクロ合金化の可能性
Nb (Nb/Ta)	通常は添加されない	通常は添加されない
Ti	微量 / 制御済み	微量 / 制御済み
B	通常は指定されない	通常は指定されない
N	制御された低レベル	制御された低レベル

説明： - P11は、強度とクリープ耐性を提供するために、適度なクロムおよびモリブデンの添加を用いて高温での性能を維持しつつ、比較的良好な溶接性を保持します。その合金化は保守的です。 - P22は、クロムおよびモリブデンのレベルを増加させ、高温強度、酸化耐性、クリープ耐性を向上させます；これらの増加はまた、硬化性を高め、溶接および熱処理をより要求する可能性があります。 - MnやSiなどの他の元素は、両方のグレードで類似の制御されたレベルで存在し、主に脱酸、強度、靭性に影響を与えます。 - 非常に低く厳密に制御された不純物レベル（P、S、N）は、両方のグレードにおいて靭性および高温性能にとって重要です。

合金化が特性に与える影響： - クロムおよびモリブデンは、硬化性、高温強度、クリープ破壊性能を向上させます；クロムはまた、酸化耐性にも寄与します。 - 炭素は強度を増加させますが、過剰である場合は溶接性および靭性を低下させます。 - マイクロ合金化元素（V、Nb、Ti）は、意図的に存在する場合、粒径を細かくし、析出強化を通じてクリープ強度を改善することができます。

3. 微細構造および熱処理応答

典型的な微細構造および熱処理挙動： - 正常化および焼戻し後の基礎微細構造：両方のグレードは、冷却速度および合金レベルに応じて、焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しバイナイトフェライト微細構造を発展させます。適切な正常化は、以前のオーステナイトの粒径を細かくします；焼戻しは硬度を低下させつつ靭性を回復します。 - P11：合金含有量が低いため、P11は通常、比較的容易な焼戻し応答を持つ焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しバイナイトを形成します。低合金Cr–Mo鋼に使用される標準的な正常化および焼戻しサイクルを受け入れ、熱処理ウィンドウにおいて寛容です。 - P22：高いCrおよびMoは硬化性を高め、バイナイト/マルテンサイトの変態を遅くします；急冷時には、焼入れ後の微細構造がより硬く、マルテンサイトが多くなる可能性があります。焼戻しは靭性を回復し、クリープ特性を調整するために不可欠です；P22は過焼戻しや保持硬度勾配を避けるために、より制御された熱処理を必要とする場合があります。 - 熱機械処理：どちらのグレードも、構造鋼に使用される高強度プレートレベルのために通常は積極的なTMCPで処理されません；部品の場合、制御された熱間加工の後に正常化および焼戻しを行うことが、信頼性のある焼戻し微細構造を生成するための標準的なルートです。 - クリープの考慮：P22の合金化は、高温でのクリープ破壊強度をサポートします；焼戻し後の炭化物（CrおよびMoに富む炭化物）の安定性とその分布は、長期性能にとって重要です。

4. 機械的特性

以下の表は、定性的な比較記述子を提供します；実際の値は仕様および熱処理に依存します。

特性	P11（典型的）	P22（典型的）
引張強度	中程度	高め
降伏強度	中程度	高め
伸び（延性）	良好	良好からやや低下
衝撃靭性	良好（特に適切な焼戻し後）	適切に焼戻しされた場合は良好；熱処理に対してより敏感な場合があります
硬度（熱処理後）	中程度	高め（焼戻し前はさらに高くなる可能性があります）

解釈： - P22は、一般的に高い引張強度および降伏強度を達成し、高温での優れたクリープ耐性を持つのは、より高いCr–Mo含有量およびより安定した炭化物相によるものです。 - P11は、靭性を達成する際にわずかに優れた容易さを提供し、やや低い硬化性を持つため、多くの工場環境での溶接/熱処理の複雑さが少なくなります。 - 両方のグレードは、適切な正常化および焼戻しを通じて特定の衝撃および強度目標を満たすように製造できます；最終特性は熱処理に依存します。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量および硬化性に影響されます。一般的に使用される2つの経験的記述子は、IIW炭素当量およびより包括的な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、より高いクロムおよびモリブデンを持ち、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の硬化性項への寄与が高くなります；したがって、溶接部位は硬いマルテンサイトを形成しやすく、より慎重な管理（予熱、インターパス温度、焼後熱処理 - PWHT）が必要です。 - P11は通常、CrおよびMoからの計算された炭素当量の寄与が低く、標準的な手順で溶接しやすくなります；低い予熱/PWHTの厳しさが可能な場合が多いです。 - 両方の材料は、圧力容器および配管用途において残留応力を低減し、熱影響部（HAZ）で形成された硬い微細構造を焼戻すために、通常PWHTを必要とします。 - 水素誘発冷間割れ：P22はより硬化しやすいため、水素と拘束が制御されていない場合、HAZ割れに対してより敏感です；予熱、消耗品の選択、および水素制御のための厳格な手順が必要です。 - 消耗品：適切な合金含有量を持つフィラー金属を選択し、強度および高温要件を満たすようにします；フィラーの選択はPWHTの互換性およびクリープ性能を考慮する必要があります。

6. 腐食および表面保護

• P11もP22もステンレス合金ではなく、腐食環境に対してはコーティング、塗装、亜鉛メッキ（低温曝露に適用可能な場合）、またはクラッディングに依存します。
• P22の高いクロム含有量は、P11と比較して高温での酸化に対する耐性をやや改善しますが、これはステンレスの腐食耐性に相当するものではありません。
• 水性腐食または非常に腐食性のプロセスストリームに対しては、ステンレスグレードでのクラッディングまたは腐食許容が必要です。
• PREN（ピッティング耐性等価数）はステンレス合金に使用され、これらの低合金Cr–Mo鋼には適用されませんが、明確にするためにPRENの公式は次のとおりです：

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

• PRENはステンレス鋼用に意図されているため、P11/P22を評価するために使用すべきではありません；それらの腐食性能は、環境に基づいて保護システム、材料クラッディング、または腐食許容の選択によって設計される必要があります。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：
• 両方のグレードは、正常化および焼戻し条件で満足のいく加工が可能ですが、P22は硬化性および炭化物含有量が高いため、切削パラメータが最適化されていない場合、より研磨性が高く、作業硬化する可能性があります。
• 成形性 / 曲げ：
• P11は、合金含有量が低いため、P22よりも攻撃的な予熱なしで冷間成形および曲げが一般的に容易です；ただし、両方とも通常は正常化条件で形成されるか、制御された熱間曲げ手順によって形成されます。
• 表面仕上げおよびドレッシング：
• P22の高い合金粒子および炭化物は、仕上げ作業における工具の摩耗を増加させる可能性があります；適切な工具およびフィードを指定してください。
• 推奨事項：
• 成形および加工は、焼入れまたは溶接された硬い状態ではなく、正常化/焼戻し条件で行ってください。
• 適切な冷却、切削液、および工具材料（高合金切削用のコーティングされた炭化物またはセラミック）を使用してください。

8. 典型的な用途

P11 — 典型的な用途	P22 — 典型的な用途
コストと溶接性が優先される低圧または中温の配管、ヘッダー、およびフィッティング	優れたクリープ強度と酸化耐性を必要とする高温蒸気配管、圧力部品、およびコンポーネント
中程度のクリープ耐性が十分な熱交換器管およびコンポーネント	主蒸気ライン、過熱器/再加熱器ヘッダー、および中高温の発電所用途におけるコンポーネント
サービス温度が極端でない経済的な交換部品	長いクリープ寿命が必要な化石燃料またはコンバインドサイクルプラントの重要な圧力容器コンポーネントおよび配管
温度要求がそれほど厳しくない石油化学サービスにおける汎用合金鋼配管	温度での許容応力が高いか、同じ設計応力に対して厚さが減少するコンポーネント

選定の理由： - 高温での長期強度、酸化耐性、クリープ寿命が設計のドライバーである場合はP22を選択してください。 - コストが低く、製造/溶接が容易であることが優先され、温度/クリープの要求が控えめである場合はP11を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：
• P22は、CrおよびMoの含有量が増加し、高温性能のために処理が厳しくなるため、通常P11よりも高い材料価格を要求します。
• P11は通常、より経済的で、多くのパイプおよびフィッティングの在庫に広く保管されています。
• 製品形状および入手可能性：
• 両方のグレードは、無縫製パイプ、溶接パイプ、フィッティング、フランジ、および圧力容器プレートとして一般的に入手可能ですが、P22の特殊なプレート厚さや鍛造部品のリードタイムは長くなる場合があります。
• 入手可能性は地域によって異なる場合があります；調達エンジニアは、必要な製品形状および指定された熱処理条件のリードタイムを確認する必要があります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）：

基準	P11	P22
溶接性	容易（通常は低い予熱/PWHTの厳しさ）	より要求される（高い予熱/PWHT；HAZ割れのリスク）
強度–靭性（高温）	中程度の強度、良好な靭性	高い強度とクリープ耐性、靭性は熱処理に依存
コスト	低い材料コスト	高い材料コスト

結論と実用的なガイダンス： - P11を選択する場合： - 設計温度および必要なクリープ寿命が中程度であり、コストおよび製造/溶接の容易さが重要な制約である場合。 - 工場または現場作業で、低い予熱/PWHTの厳しさを持つより寛容な溶接手順を望む場合。 - 低いCr/Mo含有量を持つ材料と、それに応じて低い許容応力を温度で許可するプロジェクトである場合。

• P22を選択する場合：
• アプリケーションが高温強度、長いクリープ寿命、またはサービス温度での酸化耐性を必要とする場合。
• より厳格な溶接管理、予熱、およびPWHTを適用でき、長いサービス寿命または厚さの減少に対して高い材料コストを受け入れる場合。
• 設計コードまたは許容応力要件が、P22の性能に一致する高温評価を指定している場合。

最終的な注意： P11とP22は、発電およびプロセス産業で数十年の応用を持つ成熟した、よく理解された材料です。決定は、設計温度およびクリープ寿命の要件、溶接および製造能力、ライフサイクルコストモデル、および特定のコード/契約要件に基づくべきです。疑問がある場合は、許容応力対温度曲線、溶接手順の資格、および熱処理能力の供給者の確認を含む集中したエンジニアリング評価を実施して、選択したグレードが長期的なサービス期待に応えることを確認してください。