P91対P92 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
P91およびP92は、ボイラー管、ヘッダー、蒸気配管などの高温発電および石油化学設備で広く使用されるクリープ耐性のあるクロム–モリブデン–バナジウム（Cr–Mo–V）マルテンサイト鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造業者は、溶接性、加工の容易さ、全体的なライフサイクルコストに対する高温強度と長期クリープ耐性のバランスを取る際に、P91とP92の選択のジレンマに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、蒸気温度能力のアップグレード、高圧部品のメンテナンス間隔の最適化、新しい高効率ボイラーの材料選定が含まれます。
性能の違いを生む主要な冶金的な違いは、合金戦略です。特に、タングステン（W）とモリブデン（Mo）が他の微量合金元素（V、Nb、B）とどのようにバランスを取るかが重要です。この置換戦略は、炭化物の化学、析出物の安定性、硬化性に影響を与え、それがクリープ強度、靭性、溶接性に影響を与えます。これが、P91とP92が高温部品の比較にしばしば使用される理由です。
1. 規格と指定
- 一般的な規格と仕様：
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91およびP92（高温用の無縫製フェライト合金配管）、ASTM A213、ASTM A387（板のバリエーション）、および関連するASMEボイラーおよび圧力容器コード。
- EN: 同等のグレードは、ENおよびEN修正指定（例：P91に類似したX10CrMoVNb9-1およびP92に類似したX10CrWMoVNb9-2）でしばしば見られます。
- JIS/GB: 地元の規格は異なる番号の下で類似の組成を提供します。供給者の認証で確認してください。
- 分類：
- P91およびP92は、高温サービス用に設計された合金鋼であり、時にはHSLA/マルテンサイトクリープ強度向上フェライト鋼（ステンレス鋼や工具鋼ではない）とグループ化されます。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、P91およびP92の典型的な組成範囲を重量パーセントで示しています。これらは商業的な正規化および焼き入れ材の仕様を代表するものであり、実際の値は特定のサブグレードおよび規格に依存します。
| 元素 | P91（典型的範囲、wt%） | P92（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | trace–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
合金が特性に与える影響 - クロムは高温での酸化および腐食抵抗を提供し、クリープおよび焼き入れ挙動に影響を与えるM23C6炭化物を形成します。 - モリブデン（Mo）は固溶体強化を増加させ、安定した炭化物形成に寄与します。Moは伝統的にP91のクリープ強度の中心です。 - P92のタングステン（W）はMoの部分的な代替として使用されます：Wはより安定した、ゆっくりと粗大化する炭化物を形成し、非常に高温での長期クリープ強度を向上させます。 - バナジウム（V）およびニオブ（Nb）は、粒界を固定し、回復および再結晶を抑制し、クリープ破壊強度を改善する微細MX炭窒化物を形成します。 - 非常に少量のホウ素添加は、以前のオーステナイト粒界に分離してクリープ強度を改善し、長期曝露中のキャビテーションを遅延させます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造 - P91およびP92は、標準的な熱処理サイクル（Ac3以上での正規化、続いて焼入れおよび焼き戻し）後に焼き戻されたマルテンサイト微細構造を生成します。 - 焼き戻された微細構造は、分散した炭化物および炭窒化物を持つラースマルテンサイトで構成されます：以前のオーステナイト粒界およびラース境界に沿ったM23C6（Cr豊富）およびラース内のMX（V,Nb）析出物。
合金および熱処理の影響 - P91: Moが多く、Wがわずかに少ないため、炭化物の分布は元の設計ウィンドウで必要なクリープ強度に好都合です（通常約600–620 °Cまで）。Moはマトリックス強化および析出物の安定性に寄与しますが、Mo豊富な炭化物は長時間の曝露で粗大化する可能性があります。 - P92: Moの部分的なWによる置換は、高温での炭化物および金属間化合物の粗大化速度を遅くします。P92は、適切な焼き戻し後により細かく安定した炭化物の分散を発展させることが多く、これにより高い蒸気温度での長期クリープ耐性と長い寿命が得られます。 - 熱機械処理: 両グレードは、正規化 + 焼き戻しおよび特定の熱機械処理に応じて、以前のオーステナイト粒サイズを精製し、望ましい析出物分布を促進します。焼き戻し温度は靭性と強度のトレードオフを制御します。
4. 機械的特性
以下の表は、供給状態での正規化および焼き戻し材の代表的な特性を示しています。実際の値は、正確な化学組成、熱処理、厚さ/形状、および試験基準に依存します。
| 特性 | P91（代表的） | P92（代表的） |
|---|---|---|
| 降伏強度（0.2%、MPa） | 約415（典型的下限） — 焼き戻しに応じて約500–600まで | 高い: 約500–650（焼き戻しに応じて広範囲） |
| 引張強度（MPa） | 約550–700 | 約650–800 |
| 伸び（%） | 約18–25 | 約12–20（P91よりやや低いことが多い） |
| シャルピーVノッチ衝撃（室温、J） | 中程度から良好（熱処理に依存; 一般的に≥40–60 J） | 焼き戻しに応じてやや低いか同等; 熱処理に対する感度が高い |
| 硬度（HB） | 約180–260（典型的N&T状態） | 約200–300（合金および焼き戻しにより高くなることがある） |
解釈 - 強度: P92は、Wの添加および析出物の安定性の向上により、多くの商業的熱処理において一般的に高いクリープ破壊強度および高い引張/降伏強度を提供します。 - 靭性および延性: P91は、加工においてやや延性があり、許容範囲が広い傾向があります。P92は、延性が低くなることがあり、靭性を確保するために熱処理およびPWHTの厳格な管理が必要です。 - 硬度: P92は、比較条件でしばしば高い硬度を示します。これは高温強度を助けますが、管理されない場合、溶接時の亀裂感受性を増加させる可能性があります。
5. 溶接性
両グレードの溶接性の考慮事項は、炭素当量/硬化性、微量合金、およびPWHT要件に焦点を当てています。
予熱およびPWHTのニーズを評価するための典型的な溶接性の公式： - IIW炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際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 - P91およびP92は、適切な予熱およびPWHTなしで溶接された場合、HAZ内で硬いマルテンサイトを形成する傾向が高く、顕著な硬化性（Cr、Mo/W、V、Nb、B）を持っています。 - P92の高いWおよびわずかに異なる合金バランスは、硬化性をさらに高めるため、より保守的な予熱/PWHT管理およびP92化学に合わせたフィラー材料が必要になることが多いです。 - PWHT（通常これらの鋼に対して700–760 °C、コードおよび厚さに特有）は、HAZ内のマルテンサイトを焼き戻し、残留応力を緩和するために必須です。水素管理、制御されたインターパス温度、および低水素溶接消耗品が必要です。 - 溶接フィラーの選択: P91またはP92に適した消耗品を使用します（マッチングまたは承認されたオーバーマッチング消耗品）。P92の溶接には、微細構造の不一致を最小限に抑え、長期クリープゾーンでのタイプIV亀裂を防ぐために、専門的なフィラー線および手順が一般的です。
6. 腐食および表面保護
- P91およびP92は、いずれもステンレス鋼ではなく、一般的な水中腐食抵抗ではなく、高温での酸化抵抗のために合金に依存しています。
- 水中または腐食性環境では、表面保護が通常必要です：塗装、メタライズ、クラッディング、または適切なコーティング。大気保護には、工業用コーティングまたはホットディップ亜鉛メッキ（サービスに応じて適用可能）が選択肢ですが、亜鉛メッキは高温蒸気サービスには適さない場合があります。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は次のように定義されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はステンレス鋼および局所的な腐食抵抗に適用され、P91/P92には意味がありません。なぜなら、これらの組成および意図された用途は、高温機械性能のためであり、塩化物ピッティング抵抗のためではないからです。
- 高温酸化: クロム含有量（約9%）は、蒸気側サービスに対していくらかの酸化抵抗を提供しますが、長期的な酸化スケールおよび炭化行動を考慮する必要があります。P92は、Wを含む炭化物がスケール成長を遅くし、機械的完全性を長く維持するため、高い蒸気温度で好まれることが多いです。
7. 加工性、切削性、および成形性
- 切削性: 両鋼は合金含有量および硬度のため、普通の炭素鋼よりも切削性が低いです。P92の高い硬化性および高硬度の可能性は、工具寿命を短くし、必要な切削力を増加させることがあります。
- 成形性/曲げ: 冷間成形は制限されており、熱間成形/プレスおよび制御された焼き戻しが一般的です。両グレードは、後続の熱処理なしでの厳しい冷間成形には反応が悪いです。
- 表面仕上げおよび研削: より硬いP92は、より攻撃的な工具/研削を必要とします。残留応力の管理および過度の焼き戻しを避けることが、仕上げ中に重要です。
- 加工後の熱処理: 意図した特性を達成し、脆化を避けるために、正しい正規化および焼き戻しサイクルまたは溶接後の熱処理が必要です。
8. 典型的な用途
| P91の典型的な用途 | P92の典型的な用途 |
|---|---|
| サブクリティカルおよび初期超クリティカルボイラーにおける蒸気ヘッダー、配管および管（≤ ~600 °Cサービス） | 先進的/超超クリティカルボイラーにおける高温蒸気配管およびヘッダー（高いクリープ要求環境） |
| 中温蒸気用の熱交換器チューブ、圧力容器部品 | 高圧、高温部品（HRSG、再加熱器） |
| 良好な高温強度が必要だがコスト感度がある石油化学配管 | 高温蒸気温度での長期クリープ寿命および優れた長期安定性が優先されるサービス（高い材料および加工コスト） |
| 高温サービス用のバルブボディおよびフィッティング | 設計寿命延長のために最大のクリープ破壊性能を必要とする重要な部品 |
選定の理由 - P91を選択する場合: 中程度の高温での実績のあるクリープ強度が必要で、入手性が良く、やや加工が容易な場合。 - P92を選択する場合: 設計温度および必要なクリープ寿命がP91の能力を超える場合、またはオペレーターが長いメンテナンス間隔およびサービス温度での高い許容応力を求める場合。
9. コストと入手性
- コスト: P92は、合金含有量（特にW）、専門的な溶解管理、および限られた需要/供給のため、一般的にP91よりも高価です。P92の加工および溶接手順も、設置コストを増加させる可能性があります。
- 入手性: P91は広く使用されている歴史が長く、多くの製品形状（パイプ、板、鍛造）で一般的に在庫されています。P92の入手性は地域市場および製鋼所の生産に依存し、大きなセクションや特別な形状の場合、リードタイムが長くなることがあります。
10. 概要と推奨
| 属性 | P91 | P92 |
|---|---|---|
| 溶接性（実用的） | 標準的なP91手順で良好; P92よりも要求が少ない | より要求が厳しい — 高い硬化性は厳格な予熱/PWHTおよびマッチング消耗品を必要とする |
| 強度–靭性（室温） | バランスが取れている — 良好な靭性と十分な強度 | 高い強度とクリープ抵抗があるが、最適化されていない場合は延性/靭性がやや低下することがある |
| 高温でのクリープ性能 | 設計ウィンドウまで優れた性能（通常約600–620 °Cまで） | 高温での優れた長期クリープ抵抗および長い寿命 |
| コストおよび入手性 | より経済的で広く入手可能 | 材料および加工コストが高い; 入手性がより制限されることがある |
結論 — サービス条件に基づいて選択してください： - P91を選択する場合: 従来のP91設計範囲内での高温サービス用に確立されたコスト効果の高いクリープ耐性鋼が必要で、やや加工および溶接が容易で、入手性および購入/加工コストが低いことを優先する場合。 - P92を選択する場合: アプリケーションが高温蒸気温度での優れた長期クリープ強度（または延長サービス間隔）を要求し、設計寿命または高い許容応力が高い材料および加工コストを正当化する場合、または加工能力が厳格な溶接管理および資格を管理できる場合。
最終的な実用的な注意: どちらのグレードでも、サービスの成功は名目上のグレード名だけでなく、正しい化学の確認、承認された溶接手順、熱処理/PWHTの厳格な管理、および品質保証（NDT、機械試験、トレーサビリティ）に依存します。P91からP92に移行する際は、溶接手順仕様、フィラー材料の選択、場合によっては調達リードタイムおよびコストの調整が必要になることを期待してください。