P22対P91 - 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

P22とP91の選択は、圧力保持機器や高温配管システムに取り組むエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的な技術的決定です。この選択のジレンマは、通常、蒸気/熱下での寿命（クリープ性能）、製造および溶接性、総設置コスト（材料と溶接および熱処理を含む）に焦点を当てています。P22（2.25Cr–1Moクラス合金）とP91（9Cr–1Mo、微合金化されたクリープ強化鋼）は、両方とも電力およびプロセス産業で使用されるため、頻繁に比較されますが、異なる温度-応力エンベロープと製造要件をターゲットにしています。

主な技術的な違いは、P91が高温での長期強度とクリープ抵抗を大幅に向上させるように設計されているのに対し、P22は適切な高温強度と製造の容易さ、低い材料コストのバランスを提供することです。その違いが、蒸気や高温サービスに長期間さらされる部品の材料選択を促進します。

1. 規格と指定

• 一般的な規格と指定：
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22およびP91（シームレスフェライト合金鋼パイプグレード）、ASTM A213、A335、ASME SA335。
• EN: 同等の鋼は圧力機器のEN規格に含まれていますが、異なるグレード名（例：22CrMoおよび9CrMoバリアント）を持つ場合があります。
• JIS/GB: 国家規格は近似同等物をリストします（例：2.25Cr–1Moおよび9Cr–1Moシリーズ）。
• 分類：
• P22: 低合金フェライト鋼（通常はCr–Mo耐熱鋼とグループ化される）。
• P91: 微合金化された高強度フェライト鋼（Cr–Mo–V–Nb） — クリープ強化されたフェライトと見なされる（文脈によってはHSLAのようですが、高温クリープ抵抗のために特に設計されています）。

2. 化学組成と合金戦略

表: P22およびP91の典型的な組成範囲（質量％）。

元素	P22（おおよその範囲）	P91（おおよその範囲）
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (微量)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (微量)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (微量)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

注意: - 上記の範囲は、ASME/ASTMベースの仕様を満たすために使用される典型的な生産化学を示しています。正確な限界は特定の規格と供給者によって異なります。 - P91は、微合金化（V、Nb、制御されたNおよびB）を含み、細かいテンパーされたマルテンサイト微細構造を安定させ、クリープ抵抗を向上させます。P22は、主に高温強度のために中程度のCrおよびMoの添加に依存しています。

合金が特性に与える影響: - クロムは酸化/スケール抵抗と温度での強度を向上させます; P91の高いCrは、高温で安定したテンパーされたマルテンサイトマトリックスを可能にします。 - モリブデンは、両グレードで高温強度と硬化性を向上させます。 - P91のバナジウムとニオブは、炭化物/窒化物の分散体を形成し、粒界を固定し、クリープ/空隙成長を遅らせることで、より高い長期強度を実現します。 - 炭素と微合金化は、硬化性、強度、溶接性のバランスを取ります — P91の制御されたCレベルは、いくつかの低合金鋼よりも高いですが、テンパリングと合金設計によって管理されています。

3. 微細構造と熱処理応答

P22: - 正常化およびテンパリング後の典型的な微細構造: 正常化およびテンパリングにより、適度な温度の蒸気サービスに適した比較的粗いテンパー微細構造が生成されます。 - 熱処理応答: P22は正常化およびテンパリングに応じます; 過度のテンパリングは強度を低下させますが、靭性を向上させます。P91で見られる細かいマルテンサイトテンパー微細構造には設計されていません。

P91: - 正常化およびテンパリング後の典型的な微細構造: 高い転位密度とV/Nb炭化物/窒化物の制御された分散を持つテンパーされたラスターマルテンサイト; この細かく安定した微細構造は高いクリープ抵抗を提供します。 - 熱機械処理と正常化温度およびテンパリング条件の厳格な管理は、所望の微細構造を開発し、テンパー脆化や過度のテンパリングを避けるために重要です。 - P91は溶接後熱処理（PWHT）に敏感です — 正しいPWHTは靭性を回復し、沈殿物を粗くすることなく残留応力を緩和するために不可欠です。

比較: - P91は、微合金沈殿物によって安定化されたテンパーされたマルテンサイト構造を形成することで、より高い強度とクリープ抵抗を達成します; P22は、よりフェライト/バイナイトマトリックス内でのCr–Mo強化に依存します。 - 両者は制御された熱処理を必要としますが、P91は通常、より厳格な管理（高温で正常化され、特定の温度でテンパリングされる）と一貫したPWHTを要求します。

4. 機械的特性

表: 一般的に供給される（正常化およびテンパリングされた）条件における機械的特性の比較記述子。

特性	P22	P91	コメント
引張強度	中程度	高い	P91はマルテンサイト構造と微合金化により、テンパー状態で大幅に高い引張強度を提供します。
降伏強度	中程度	高い	P91はより高い降伏強度を提供し、同じ荷重に対して薄いセクションに利益をもたらします。
伸び（延性）	良好	中程度	P22はより延性がある傾向があり; P91は強度とクリープ抵抗のためにいくつかの延性を犠牲にします。
衝撃靭性	良好（低温で）	良好から優れた（適切に熱処理された場合）	P91は良好な靭性を達成できますが、プロセスに敏感です; 熱処理が不適切なP91は靭性が低下する可能性があります。
硬度	中程度	高い	P91はテンパー後に高い硬度を示します; 硬度は脆化を避け、溶接/熱処理仕様を満たすために制御される必要があります。

解釈: - P91は高温サービスにおいてより強力でクリープ抵抗のある材料ですが、その機械的特性を達成するには制御された加工とPWHTが必要です。 - P22は、適度な高温までの多くのサービスに適した強度、靭性、延性のバランスを提供し、一般的に製造においてより寛容です。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項には、炭素含有量、合金含有量、硬化性、微合金元素の存在が含まれます。定性的評価に一般的に使用される予測式：

• 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm（溶接性パラメータ）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈: - P22: 中程度の炭素当量; 一般的に良好から普通の溶接性があり、標準的な予熱およびPWHTの実践が厚いセクションに適しています。発電所の製造で一般的に溶接され、確立された手順があります。 - P91: 高いCrおよび微合金化による高い硬化性; より高い有効CEおよびPcmを持ち、厳格な管理なしで溶接すると硬く脆いHAZのリスクが増加します。P91は、靭性を回復し、残留応力を緩和するために、注意深く制御されたフィラー金属、予熱、インターパス温度、および必須のPWHTを必要とします。 - 実際には、P91の溶接手順はより要求が厳しく、資格のある溶接手順と溶接工を必要とします; 異種金属接合（例：P91からP22または標準炭素鋼への接合）には特別な移行溶接手順が必要です。

6. 腐食と表面保護

• P22とP91はどちらも非ステンレスのフェライト合金鋼であり、腐食抵抗のために塗装やバリア保護に依存しています。
• 典型的な保護: 塗装、亜鉛メッキ（適合する場合）、クラッディング（例：溶接オーバーレイまたは腐食抵抗ライナー）、または閉じたシステム内の阻害剤。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス鋼には適用されません; ステンレスグレードの場合、指数は: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 高温酸化/スケール抵抗のために、P91の高いCr含有量はP22と比較して性能を向上させますが、どちらのグレードも腐食が重要な環境でステンレス鋼の代わりにはなりません。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性: P22は一般的に硬度が低く、微細構造が単純なため、加工が容易です。P91の高い硬度と合金化は工具の摩耗を増加させ、より遅い送り/切削速度を必要とする場合があります。
• 成形/曲げ: P22は成形操作においてより延性があり、寛容です。P91の冷間成形は制限されており、通常は熱/成形戦略または限られた変形を必要とします; 熱間成形が使用される場合もありますが、注意深い管理が必要です。
• 仕上げ: 表面準備と製造後の熱処理（特にP91のPWHT）は、工程とコストを追加します。P91は残留応力とHAZの硬度が高いため、溶接歪みの制御がより重要です。

8. 典型的な用途

表: 各グレードの典型的な用途と選択理由。

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
ボイラー管および中温蒸気配管（亜臨界および低超臨界ユニット）	高温蒸気配管、ヘッダー、および超超臨界および超臨界ボイラーの部品
中温サービス用の圧力容器および熱交換器	高温での長期クリープ抵抗を必要とする部品（例：高圧蒸気ライン）
中程度の高温強度が適切な一般プロセス配管	発電所の主蒸気配管、再加熱器および過熱器のヘッダー、クリープ下での設計寿命が重要な部品

選択理由: - サービス温度と応力が中程度で、製造の簡素化とコスト管理が優先され、長期クリープ寿命の要件がそれほど厳しくない場合はP22を選択します。 - 設計応力と温度が高いクリープ強度と長期安定性を要求する場合はP91を選択します; P91は、厳しい高温条件下でのセクション厚さの削減または部品寿命の延長を可能にします。

9. コストと入手可能性

• 材料コスト: P91は通常、P22よりも合金化および加工要件が高いため、キログラムあたりのコストが高くなります。
• 製造およびライフサイクルコスト: P91は、より高価な溶接消耗品、厳格な手順の資格、および必須のPWHTを必要とする場合があり、設置コストが上昇します。ただし、高温サービスの場合、優れたクリープ強度によって置換およびメンテナンスが減少するため、ライフサイクルコストはP91に有利になる可能性があります。
• 入手可能性: P22は多くの製品形状（プレート、パイプ、フィッティング）で広く入手可能で、一般的に在庫されています。P91は発電用に広く生産されていますが、特定の製品形状や大口径または特殊鍛造品には長いリードタイムが必要な場合があります。

10. まとめと推奨

表: 簡潔な比較要約。

基準	P22	P91
溶接性	良好から普通（標準手順）	普通から難しい（厳格な管理とPWHTが必要）
強度–靭性（高温）	中程度	高い（優れたクリープ抵抗）
コスト（材料 + 製造）	低い	高い
製造 / 加工性	容易	より要求が厳しい

結論と選択ガイダンス: - コスト効果が高く、製造が容易なCr–Mo合金が必要な場合はP22を選択します。これは、長期クリープ寿命が設計の主要なドライバーでない中程度の高温アプリケーションに適しています。典型的な文脈: 従来のボイラー配管、中温圧力容器、一般プロセス配管。 - コンポーネントが高温で長時間にわたって高い応力を維持する必要がある場合（例：先進的な発電所の過熱器/再加熱器/ヘッダー）、壁厚を最小限に抑えるか、サービス寿命を延ばすことが高い材料および製造コストを正当化する場合はP91を選択します。資格のある溶接手順、正しいフィラー金属、および制御されたPWHTが整っていることを確認してください。

最終的な実用的注意: 材料選択は、常に運転温度、応力、期待される寿命、溶接および検査能力、ライフサイクルコストのエンジニアリング評価と結びつけるべきです。高温で長寿命のサービスに関して疑問がある場合は、クリープデータ曲線、適用されるコードルール（ASME BPVC/EN規格）、および材料専門家に相談して、P22とP91の選択を確認してください。