P22対P91 - 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

P22とP91は、発電、石油化学、重工業機器で広く使用されている圧力容器および配管用鋼です。エンジニアや調達専門家は、初期材料コストと溶接性を必要な高温強度とクリープ寿命とバランスさせるなど、これらの選択肢を選ぶ際にコスト、加工性、長期的な性能を頻繁に考慮します。

主な工学的な違いは、P91がP22よりも大幅に高い高温強度とクリープ抵抗を提供するように配合され、処理されていることです。これは主に、より高いクロム含有量と制御された微合金化および熱処理によるものです。これらの違いにより、両者は高温および応力にさらされる部品の一般的な代替品となっており、部品仕様やライフサイクルコスト分析での比較が頻繁に行われる理由です。

1. 規格と指定

• 一般的な規格：
• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335（シームレスフェライト合金鋼パイプ） — P22, P91
• EN: EN 10216 / EN 10222の同等物（さまざまなEN鋼種がこれらのPグレードにマッピングされます）
• JIS / GB: 国家規格はしばしばおおよその同等物を提供します（特定の変換を参照）
• 材料分類：
• P22: 低合金フェライト鋼（1.25% Cr — 一般に1.25Cr-0.5Moと呼ばれます）。高温サービス用の合金鋼として分類されます。
• P91: 高クロム、マルテンサイト、クリープ強度向上型フェライト鋼（名目上9Cr-1MoにV/Nb添加）。クリープ抵抗のために最適化された合金/HSLA（高強度低合金）マルテンサイト鋼として扱われることが多いです。

2. 化学組成と合金戦略

表: 典型的な組成範囲（wt%）。示されている値は一般的な仕様からの代表的な範囲です。正確な限界は特定の規格および熱によって異なります。

元素	P22（典型的範囲）	P91（典型的範囲）
C	0.04–0.12	0.08–0.12
Mn	0.25–0.60	0.25–0.60
Si	0.10–0.50	0.20–0.60
P	≤0.025	≤0.02
S	≤0.015	≤0.01
Cr	0.9–1.5	8.0–9.5
Ni	微量	微量–低
Mo	0.38–0.65	0.85–1.05
V	—	0.08–0.25
Nb (Cb)	—	0.03–0.12
Ti	微量	微量
B	—	微量（ppmレベル）
N	微量	0.02–0.06

合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は酸化抵抗と硬化性を向上させます。P91のはるかに高いCrは、高温強度と酸化抵抗の向上に大きく寄与しています。 - モリブデン（Mo）は、両グレードで高温での強度とクリープ抵抗を改善します。P91は通常、約1%のMoを含み、P22の約0.5%と比較されます。 - P91のバナジウム（V）とニオブ（Nb）は、マルテンサイト微細構造を安定させ、転位や粒界を固定することによってクリープ変形を抑制する微細な炭化物/窒化物を形成します。 - 炭素はマルテンサイト/焼戻しマルテンサイトを介して強度を提供しますが、高炭素は硬化性を高め、亀裂のリスクも高めます。P91は強度と溶接性のバランスを取るために制御されたC含有量を使用します。 - P91におけるBと制御されたNの少量添加は、析出物と硬化性に影響を与えることによって特性をさらに改善することができます。

3. 微細構造と熱処理応答

• P22: 正常化および焼戻し後の典型的な微細構造は、焼戻しバイナイト/焼戻しフェライトで、Moが豊富な炭化物が分散しています。P91のように、典型的な熱処理後に完全なマルテンサイト構造を形成することはありません。微細構造は中程度の高温サービスに対して安定していますが、P91よりも長期的なクリープには抵抗が少ないです。
• P91: 正常化および急冷後に微細なマルテンサイト構造を形成するように設計されており、その後、微細な炭化物や窒化物（例：M23C6、MX型析出物）を析出させる焼戻しステップが続きます。熱機械処理と制御された焼戻しは、高いクリープ強度を提供する最適化された焼戻しマルテンサイト微細構造を得るために不可欠です。
• 加工効果：
• 正常化: 前のオーステナイトの粒径を細かくします。P91は通常、P22よりも高温の正常化を必要とし、合金炭化物を溶解させ、適切なマルテンサイト形成を促進します。
• 急冷および焼戻し / 正常化および焼戻し: 両グレードは硬化後に焼戻しが必要です。P91の焼戻しは、マルテンサイト構造を安定させ、残留応力を軽減しながら靭性を達成するために特に重要です。
• 熱機械処理と制御された冷却速度は、粗い析出物を避け、長期的なクリープ性能を制御するためにP91にとってより重要です。

4. 機械的特性

表: 定性的比較（正常化および焼戻し後の典型的な値; 実際の特性は正確な熱処理、厚さ、仕様に依存します）。

特性	P22（典型的）	P91（典型的）
引張強度（究極）	中程度	高い
降伏強度	中程度	高い
伸び（延性）	良好（P91より高い）	中程度（P22より低い）
衝撃靭性（RT）	適切に焼戻しされていれば良好	適切に焼戻しされていれば良好; 熱処理に敏感な場合があります
硬度	中程度	高い（摩耗しやすい）

説明： - P91は、マルテンサイト微細構造と微合金化（V、Nb）のおかげで、P22の低合金バイナイト/焼戻しフェライト構造と比較して、引張強度と降伏強度が大幅に高く、長期的なクリープ抵抗が優れています。 - P22は一般的により大きな延性を提供し、いくつかの厚さで靭性の制御が容易である可能性があります。P91は良好な靭性を達成できますが、熱処理と溶接後熱処理（PWHT）の厳格な管理が必要です。

5. 溶接性

重要な要素: 炭素当量、硬化性、微合金化含有量が予熱/PWHTの必要性とHAZの亀裂リスクを決定します。

一般的な溶接性指数（リスクを定性的に評価するために使用されます）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的）： - P22: P91に対して低いCrと低い硬化性—中程度の炭素当量値。P22の溶接には通常、HAZの硬度と水素誘発亀裂の感受性を最小限に抑えるために予熱とPWHTが必要ですが、標準的なPWHTサイクルは確立されており、比較的許容されます。 - P91: 高いCr、Mo、および微合金化元素が硬化性を高め、HAZで硬いマルテンサイトを形成するリスクを高めます。したがって、P91の溶接はより要求されます。適切な予熱、制御されたインターパス温度、および慎重に定められたPWHTサイクルが、HAZの脆化を避け、マルテンサイトのHAZを焼戻すために不可欠です。マッチングまたはオーバーマッチングのフィラー金属の使用と厳格な手順の資格が一般的です。 - 実用的なアドバイス: P91の溶接手順には、資格のあるWPS/PQRと経験豊富な人員が必要です。修理溶接と溶接後の焼戻しは、製造業者またはコード承認サイクルに従う必要があります。P22はより寛容ですが、圧力サービス部品には正しいPWHTが必要です。

6. 腐食と表面保護

• P22もP91もステンレスではありません。湿潤/酸性環境での腐食抵抗は、材料選択、コーティング、または阻害剤によって管理する必要があります。
• 一般的な保護戦略: 塗装、高温アルミニウムコーティング、熱スプレー、または腐食許容の仕様。屋外または湿気の多い環境では、必要に応じて標準的なコーティングと陰極保護が使用されます。
• PREN（ピッティング腐食指数）は、PRENがステンレス合金に使用されるため、これらのフェライト系非ステンレス鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 高温酸化/スケール抵抗に関しては、P91の高いCrがP22に対して改善された酸化抵抗を提供しますが、どちらもステンレスレベルの腐食保護を提供しません。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 機械加工：
• P22: 強度と硬度が低いため、P91に対して加工が容易です。切削速度は高くでき、工具の寿命も長くなります。
• P91: 硬くて強いため、作業硬化しやすく、より頑丈な工具、低い切削速度、剛性のあるセットアップが必要です。
• 成形/曲げ：
• P22: 冷間成形特性が優れており、亀裂なしで大きな減少が可能です。
• P91: 冷間成形性が限られており、熱間成形またはより慎重な注意と大きな曲げ半径が必要になる場合があります。
• 表面仕上げ: P91は、より攻撃的な研削/研磨ステップを必要とし、加工が難しいチップを生成することがあります。研削は、PWHT前に溶接後のHAZの脱炭層を除去するために、重要な場合によく使用されます。

8. 典型的な用途

P22（典型的な用途）	P91（典型的な用途）
中温ボイラーおよび精製所の蒸気配管、ヘッダー、圧力容器（設計に応じて約540–565°Cのサービスまで）	高温ヘッダー、過熱器/再加熱器のチューブ、蒸気ラインおよび圧力部品、超超臨界および先進的な化石燃料発電所で高いクリープ強度が要求される場所
熱交換器、ドラム、およびコストと入手可能性が1.25Cr-0.5Moを優先する非重要な高温配管	持続的な高温および応力にさらされる高ストレス、長寿命の部品で、壁厚の削減または延長されたクリープ寿命が要求される場所
従来の設計寿命が許容される一般的な産業用圧力部品	高い蒸気温度/圧力と長いサービス間隔を目指す新設または改修用途

選択の理由： - P22は、溶接性、延性、低材料コストが優先される中温サービスに適しています。 - P91は、長期的なクリープ抵抗、高温強度、薄いセクションまたは延長されたサービス寿命が高い材料および加工コストを正当化する場合に選択します。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: P91は、合金含有量が高く、処理/熱処理要件が厳しいため、通常P22よりも1キログラム/フィートあたり高価です。
• 入手可能性: P22は多くの製品形態（パイプ、プレート、フィッティング）で広く入手可能です。P91は広く入手可能ですが、特定の製品形態、厳密な公差のミル処理部品、または高グレードの加工（例：溶接消耗品）が必要な場合は、リードタイムが長くなることがあります。
• 調達ノート: 総設置コストは、材料価格だけでなく、溶接手順の資格、PWHTサイクル、検査、および潜在的なライフサイクル交換間隔を考慮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	P22	P91
溶接性	容易; 標準PWHT	より要求される; 厳格な予熱/PWHTおよび資格のある手順
強度–靭性（室温）	中程度の強度、良好な延性/靭性	高い強度、適切に処理されていれば良好な靭性; 低い延性
高温クリープ抵抗	中程度; 低温/高サイクルサービスに適している	優れた; 延長クリープサービス用に設計されている
コスト	低い材料コスト; より簡単な加工	高い材料および加工コスト
入手可能性	広く入手可能	広く入手可能だが、特殊な加工がリードタイムを延ばす可能性がある

推奨： - 標準PWHTが許容され、延性と加工の容易さが優先され、従来の設計限界を超える長期的なクリープ寿命が必要ない場合は、コスト効果の高い合金としてP22を選択してください。 - 設計が高温での強度と長期的なクリープ抵抗を大幅に要求する場合（例えば、先進的な発電所の蒸気パラメータ）、または壁厚/重量の削減とメンテナンス間隔の延長が高い材料および加工コストと厳格な溶接管理を正当化する場合は、P91を選択してください。

最終ノート: 正確なグレード選択は、部品設計の応力、必要な設計寿命、適用されるコード（ASME/EN/JIS/GB）、溶接および検査能力、ライフサイクルコスト分析を考慮する必要があります。重要な圧力保持部品については、コード要件および材料供給者に相談し、認定された化学および機械データおよび溶接手順の資格を確認してください。