P22対P91 - 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
P22およびP91は、発電、石油化学、重プロセス産業において圧力容器部品に広く用いられている耐熱合金鋼です。エンジニアや購買担当者、製造計画者は、これらを選択する際にしばしばトレードオフに直面します。すなわち、許容される高温強度で材料・加工コストを抑えるか、高温使用に耐える能力と長期クリープ耐性を重視し、より厳格な加工管理が必要かという選択です。
最大の違いは高温環境下での設計性能にあります。1つは中程度の高温強度をシンプルな加工で実現することに最適化されているのに対し、もう1つは蒸気やプロセス温度での大幅に高いクリープ耐性を、合金元素の増加と微細合金化により実現しています。両鋼種はASME/ASTMの類似規格（管、継手、鍛造部品）で共通しているため、システム更新や交換部品指定、新規圧力機器設計時に比較されることが多いです。
1. 規格と呼称
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22（一般に2.25Cr–1Moと指定される）
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91（9Cr–1Mo–V–Nb、別名Grade 91）
- EN / 欧州規格：同等品は13Cr系および9～12%Cr系のマルテンサイト鋼に多く見られ、数値での完全な互換はない。
- JIS / GB：国内規格でも類似機能の鋼種が存在するが、化学成分上限や熱処理の仕様は必ず確認が必要。
- 分類：いずれも合金鋼（ステンレス鋼や工具鋼ではない）。耐高温用に設計された高強度耐熱合金鋼。P22は低合金Cr–Mo系、P91は高クロムでミクロ合金元素を添加したマルテンサイト系のクリープ強化合金。
2. 化学成分と合金設計
以下の表は、P22およびP91について業界や規格団体で示される代表的な組成範囲（質量％）です。値は目安であり、調達時には材料仕様書またはミルテスト証明書をご確認ください。
| 元素 | P22（代表範囲、wt%） | P91（代表範囲、wt%） |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | 微量～少量 | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | 微量～少量 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02（指定時） |
| B | — | ≤ 0.001（微合金元素） |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
合金元素が性質に与える影響： - クロムとモリブデンは高温強度と硬化性を向上させる。Crを約2.3%（P22）から約9%（P91）へ増加させることが、高温強度および耐酸化性向上の主要な化学的ステップである。 - P91のバナジウムとニオブは炭化物・窒化物を形成し、粒界の固定や焼戻し脆性の抑制を通じてクリープ強度と高温安定性を高める。 - 炭素と窒素の含有量は強度と溶接性のバランスを取るために管理される。炭素が多いと強度は上がるが硬化性が高まり、冷割れのリスクも増加する。 - P91の微合金元素（V、Nb、B）は、焼戻し中の析出強化と粒子微細化によるクリープ耐性向上のために特別に添加されている。
3. 微細構造と熱処理反応
典型的な微細構造： - P22：正規化・焼戻し状態では、P22は耐焼戻しベイナイト／フェライト組織と分散したCr–Mo炭化物を示す。一般的に、従来の加工条件下で高度に硬化したマルテンサイト組織は形成されにくく、溶接や熱処理に対して寛容性が高い。 - P91：焼入れ後はマルテンサイト系鋼であり、通常は正規化・焼戻し処理を施して焼戻しマルテンサイト組織を得る。この組織には、クリープ耐性と高温安定性を提供する微細なM23C6およびMX型（V/Nb炭化物・窒化物）析出物が分散している。
熱処理の効果： - 正規化（指定のオーステナイト化温度からの空冷）および焼戻しは両鋼種に必須であるが、特にP91では焼戻しマルテンサイト組織の形成と析出物の析出により重要となる。 - 鍛造部品の焼入れ・焼戻しはP91においては硬さが過剰となり溶接性が低下するのを防ぐために厳密な管理が必要で、溶接後熱処理（PWHT）の管理も重要。 - 熱機械的処理と安定化時効：P91はクリープ耐性析出物の安定化のために制御された加工・焼戻しが効果的であり、過焼戻しや不適切なPWHTは強度低下や焼戻し脆性を招く可能性がある。
4. 機械的性質
代表的な機械的性質の範囲（室温、正規化・焼戻し状態；製品形態や熱処理により変動）：
| 性質 | P22（代表値） | P91（代表値） |
|---|---|---|
| 引張強さ（MPa） | 約415 – 585 | 約620 – 850 |
| 降伏強さ（0.2%オフセット, MPa） | 約250 – 350 | 約450 – 650 |
| 伸び（％） | 約20 – 25 | 約15 – 25 |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ、J） | 中程度；室温で良好 | 一般に良好；高温靭性設計 |
| 硬さ（HRC / HB） | 約170～220 HB（変動あり） | 約200～300 HB（条件により変動） |
解釈： - P91は適切な正規化・焼戻しにより降伏強さおよび引張強さがP22より高くなる。主な理由は高クロム含有と微合金析出物による。 - 延性（伸び）は強度と焼戻しマルテンサイト組織の影響により、条件次第ではP91の方がやや低くなる傾向がある。 - 適切な熱処理および溶接後熱処理が施されれば両者とも優れた靭性を示すが、P91では脆いマルテンサイト箇所の発生を防ぐために正しい処理が必須。
5. 溶接性
溶接性の検討は炭素当量、硬化性、微合金元素に基づく。経験的指標が定性的評価に用いられる。
炭素当量（IIW式）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
代替指標 Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - P22はCrや微合金元素が少ないため炭素当量が低く、予熱や溶接後熱処理（PWHT）の要求が比較的緩やかで溶接性が良好。 - P91はCrや微合金元素（V、Nb、B）が多く硬化性が高い。これにより、溶接熱影響部（HAZ）で硬化したマルテンサイトや未焼戻し領域が生じやすく、適切な予熱・PWHTがないと冷割れリスクが高まる。 - P91の溶接はビード形状の制御、母材と合ったフィラー材（例：P91フィラーまたは安定化系）、インターパス温度の管理、PWHTによるマルテンサイトの焼戻しと靭性・クリープ強度回復が必要で手順が複雑かつ厳格な手順資格が要求されることが多い。 - 両鋼種ともに水素管理、低水素施工手法、適切なPWHTは長期にわたる信頼性を確保する上で不可欠。
6. 耐食性と表面保護
- P22およびP91は非ステンレス合金鋼であり、常温の一般的な腐食耐性は中程度でステンレス合金とは比較にならない。表面保護処理が一般的に用いられる：
- 保護コーティング：塗装、エポキシ樹脂、高耐熱塗料など。
- 冶金的コーティング：熱間スプレー（Al/アルミシリケート系）、耐食性の厳しい用途向けクラッド加工。
- 熱間亜鉛メッキは一部の常温使用P22で可能だが、高温用途には通常使用されない。亜鉛メッキは持続的な高温には適さない。
- ステンレス合金で用いられる孔食耐性指数PREN（穴食耐性相当値）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：
- P22は硬さと合金成分が低いため、同条件下でP91よりも加工が容易です。
- P91は高強度で合金成分が多いため、切削工具への負担が大きく、切削速度を遅くし、より堅牢な工具が必要になる場合があります。
- 成形性および冷間加工：
- 両鋼種とも最終熱処理後の大規模な冷間鍛造や成形は想定されておらず、成形は一般的に軟らかい（圧延後または正火処理後の）状態で行い、最終熱処理前に実施されます。
- 仕上げ：
- P91の研削および表面処理は、クリープや疲労の起点となる表面欠陥を導入しないよう注意が必要です。
- 製造計画：
- P91は認定された溶接手順および経験豊富な溶接技術者を必要とします。歪み管理および残留応力制御が重要で、PWHT（溶接後熱処理）サイクルが必須となります。
8. 代表的な用途
| P22（一般的な用途） | P91（一般的な用途） |
|---|---|
| 化石火力発電所の中温蒸気（約540～565°Cまで）配管およびヘッダー | 超超臨界および高性能化石火力発電所の高温蒸気（一般的に550°C以上）配管、ヘッダー、部品 |
| コストおよび製造の簡便さを重視した圧力容器およびボイラー | 長期クリープ耐性を要求される高温蒸気タービン、再熱器、過熱器、高圧配管 |
| 石油化学用ヒーター管、中温域のプロセス配管 | 発電所および化学プラントで高いクリープ強度および微細構造の安定性が必要な部品 |
| 古い低合金鋼の経済的代替材料 | 高温での長寿命を目指した新設計；PWHTが必要な重要溶接部 |
選定のポイント： - サービス温度および要求されるクリープ性能が中程度で、調達や製造の簡便さおよびコストを重視する場合はP22を選択してください。 - 長期の高温・高圧暴露に対し優れたクリープ耐性、微細析出物の安定化、および高許容応力を求める場合はP91を選定してください。
9. コストと入手性
- 相対コスト：P91は合金成分（特にクロムや微量合金元素）の増加と厳格なプロセス管理により、通常P22よりも1kgあたり高価です。また、製作と溶接手順認定のコストがインストールコスト全体を押し上げます。
- 入手性：
- P22は多くの製鋼所や代理店からのパイプ、継手、鍛造品として広く供給されています。
- P91も広く入手可能ですが、一部製品形態（大型鍛造品、特殊径・厚みの組み合わせ）はリードタイムが長く、専門のサプライヤから調達されることが多いです。地域や市場の需要により入手性は変動します。
10. まとめと推奨
まとめ表 — 定性的比較：
| 特性 | P22 | P91 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 容易；低いCE、緩やかなPWHT条件 | 困難；高いCE／硬化性；管理されたPWHTと認定手順必須 |
| 高温強度–靭性 | 中程度の高温強度；～540～565°Cまで適合 | 高い高温強度とクリープ耐性；より高温・長寿命用途に適合 |
| コスト（材料＋製造） | 低い | 高い |
推奨： - 中程度の高温で運転される圧力機器や配管向けに、低コストかつ溶接が容易な合金鋼を求める場合、長期クリープが設計の主要条件でない場合はP22を選択してください。 - 高温域での長寿命、高圧蒸気系での高いクリープ耐性と許容応力が必要で、必要な製造管理、認定溶接手順、コスト増を受け入れられる場合はP91を選定してください。
最終的な注意事項：両鋼種とも調達および設計図書において、正確な材料等級、熱処理条件、溶接手順の指定が必要です。安全性が重要かつ長期高温使用の場合は、材料技術者および溶接技術者を早期に関与させ、設計応力許容値、PWHT条件、認定試験を確認し、現場での信頼性確保を図ってください。