P91対P92 – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

高温の電力およびプロセス用途のために鋼を選定するエンジニアや調達専門家は、強度、クリープ抵抗、溶接性、ライフサイクルコストのバランスを取らなければなりません。P91およびP92は、蒸気発生および高圧配管システムのために開発された、広く使用されている9%クロム耐熱鋼の2つです。これらの間の選択は、一般的に長期的な高温性能と製造/検査コストのトレードオフです。

主な冶金的な違いは、P92が古典的な9Cr–1Moファミリーを進化させ、強化戦略の一部をより重い耐火強化（タングステンおよび最適化された微合金化）にシフトさせることで、昇温時のクリープ抵抗を改善することです。その方向性の合金変更により、P92は一般的にP91と比較して、やや要求される溶接および製造の実践の代償として、より高い長期強度とクリープ破壊性能を提供します。

1. 規格と指定

• P91およびP92が登場する一般的な規格および仕様：
• ASME/ASTM: 通常、SA-335（無縫製フェライト合金鋼パイプ）および関連するボイラー/配管コードでP91およびP92として。
• EN: これらの鋼は、ENの同等物およびチューブとフィッティングの詳細な製品規格の下で、欧州の指定で入手可能です。
• GB（中国）: 耐熱鋼の対応するGB/Tグレードの下で広く生産されています。
• JIS: 日本の規格は、高温サービス用の同等の9Cr鋼を参照することがあります。
• 分類: P91およびP92は、低合金の耐熱フェライト–マルテンサイト鋼（ステンレス鋼でも工具鋼でもありません）です。これらは、高強度、クリープ抵抗合金鋼（高温サービス用のHSLAタイプ）として最も適切に分類されます。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、典型的な組成範囲を示しています（おおよそ、一般的な仕様および産業慣行を反映するために丸められています）。正確な許容範囲は、適用される材料規格またはベンダーデータシートで定義されています。

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	0.3–0.6	0.2–0.6
Si	0.2–0.5	0.2–0.6
P	≤0.02	≤0.02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mo	~0.85–1.05	~0.4–0.7
W	微量から0.5	~1.7–2.5
V	0.18–0.25	0.18–0.25
Nb (Cb)	0.06–0.12	0.06–0.12
Ti	≤0.02	≤0.02
B	非常に低いppmレベル	非常に低いppmレベル
N	0.02–0.07	0.03–0.07

注意: - P92は全体のMo含有量を減少させ、昇温時の固溶体および析出強化を増加させるために意図的にタングステン（W）を導入します。VおよびNbによる微合金化は、クリープを制御する微細な炭化物/窒化物析出物を安定させるために両グレードで保持され、最適化されています。 - ppmレベルのホウ素は、硬化性を改善するためにしばしば使用されます。窒素は炭化物/窒化物を安定させ、焼戻し挙動に影響を与えるために制御されます。 - これらの範囲は指標的なものであり、常に製鋼所の証明書および関連するコード要件で確認してください。

合金化が特性に与える影響: - クロムは、昇温時の酸化抵抗およびマトリックスの安定性を提供します。 - MoおよびWは、固溶体強化およびクリープを遅らせる安定した炭化物/複合析出物を形成するために重要です。Moの一部をWに置き換えることで、温度-強度平衡がより良い長期クリープ性能に有利にシフトします。 - VおよびNbは、転位および粒界をピン留めする微細なMX（炭化物窒化物）析出物を形成し、適切にバランスを取ることでクリープ強度を改善し、焼戻し脆化を制御します。 - 炭素は硬度および強度を制御しますが、硬化性およびマルテンサイト形成への感受性を高めます。したがって、厳密な制御と適切な熱処理が必要です。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造: - 両グレードは、正規化および焼戻し熱処理後に焼戻しマルテンサイト/フェライト微細構造に製造されます。正規化された状態の構造は、以前のオーステナイト粒界を持つマルテンサイトラスタパケットです。焼戻しにより、さまざまな炭化物および炭窒化物（M23C6、MX型析出物）を含む焼戻しマルテンサイトが生成されます。 - P92の微細構造は、Wを含む炭化物およびNb/V炭窒化物の精密な分布により、サービス温度での析出物の安定性が高い傾向があります（粗大化に抵抗するように設計されています）。

熱処理経路: - 正規化: 合金炭化物を溶解させるためにオーステナイト化温度まで加熱し、その後マルテンサイトを形成するために空冷します。典型的な温度はコード/仕様によって設定され、寸法制御および冶金的特性のために遵守する必要があります。 - 急冷は一般的ではありません。これらの鋼は、工具鋼で使用される意味で急冷によって硬化されるのではなく、正規化されてから焼戻しされます。 - 焼戻し: 脆さを減少させ、応力を緩和し、強化炭化物を析出させるために行われます。焼戻し温度と時間は、クリープ強度、靭性、および硬度に大きく影響します。 - 熱機械処理: 一部の製品形状（プレート、鍛造品）は、以前のオーステナイト粒サイズを精製し、析出物をより均一に分布させるために、制御された圧延および加速冷却の恩恵を受けます。

効果の違い: - P92のタングステンを含む析出物およびやや異なるNb/Vバランスは、サービス温度での析出物の粗大化を減少させ、P91と比較して優れた長期クリープ強度をもたらします。焼戻しウィンドウおよびPWHTサイクルは、いずれのグレードでも過焼戻しまたは不足焼戻しを避けるために選択および制御する必要があります。

4. 機械的特性

表 — 定性的および典型的な範囲（適切な正規化および焼戻し後; 特定の値は正確な熱処理およびコード要件に依存します）：

特性	P91（典型的）	P92（典型的）
引張強度 (Rm)	~600–750 MPa（室温、典型的）	~650–800 MPa（室温、典型的）
降伏強度 (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
伸び (A%)	~18–25%	~15–25%（類似の延性）
衝撃靭性 (シャルピーVノッチ)	中程度から良好（焼戻しに依存）	良好、比較可能だが熱処理に敏感
硬度 (HRC/HBW)	通常 ~180–250 HB	通常 ~190–260 HB

解釈: - P92は、特に高温および長時間の曝露時に、一般的により高い引張強度およびクリープ強度を提供するように設計されています。 - 延性および衝撃靭性は、適切な熱処理が施されると室温で類似する可能性がありますが、両グレードは特に溶接部で必要な靭性を維持するために注意深い焼戻しが必要です。 - 硬度は比較可能であり、違いは焼戻し温度および最終微細構造によって支配されます。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項: - P91およびP92はどちらも溶接可能ですが、制御された予熱、パス間温度制限、およびマルテンサイト溶接および熱影響部（HAZ）を焼戻すための必須の溶接後熱処理（PWHT）が必要です。 - より高い合金含有量および硬化性により、溶接手順が制御されていない場合、両者はHAZ硬化および冷間割れに対して感受性があります。

有用な公式（定性的解釈のみ）: - 炭素当量 (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ より高い $CE_{IIW}$ は、より大きな硬化性およびHAZマルテンサイトおよび割れのリスクを示します。P91およびP92は、低合金鋼と比較して相対的に高い値を生成します。 - Pcm（溶接性パラメータ）:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ は冷間割れの感受性を評価するのに役立ちます。P91/P92の微合金化元素およびホウ素は、インデックスを上昇させる可能性があります。

実務的な影響: - P92のタングステン（および調整されたMo）は、P91に対して硬化性をわずかに高めるため、溶接制御がより重要になる傾向があります（より高い予熱、注意深いパス間およびPWHTプロファイル、適合するフィラー金属の使用）。 - 適合またはオーバーマッチのフィラー金属の使用、厳格な水素管理、および資格のある溶接手順が必要です。必要な機械的特性を達成し、残留応力およびマルテンサイト硬度を低下させるために、溶接後熱処理が不可欠です。 - 溶接修理および多パス溶接は、コードまたはメーカーの溶接手順で指定されたPWHT温度/時間サイクルに特に注意を払う必要があります。

6. 腐食および表面保護

• P91およびP92はどちらもステンレス鋼ではなく、湿潤または塩素環境での腐食抵抗ではなく、昇温時の酸化抵抗を改善するためにCr含有量（約9%）に依存しています。
• 一般的な大気、液体、または化学的に攻撃的な曝露に対しては、標準的な表面保護慣行が適用されます: コーティング、塗料、熱スプレー、または亜鉛メッキが適切な場合に使用されることがあります（ただし、高温サービス部品への亜鉛メッキは一般的ではありません）。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス耐熱フェライト鋼には関連しません。参考のために、PRENは次のように計算されます:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ただし、このインデックスはステンレス合金の選択に適用され、P91/P92を意味のある形で特徴付けるものではありません。

実務的なガイダンス: - ボイラーおよび過熱器における長期的な蒸気側酸化および火側腐食に対しては、材料選定（P91対P92）は、運転温度および予想される堆積物/酸化挙動によって推進されるべきであり、必要に応じてコーティングおよび水化学管理が適用されるべきです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性: 両グレードは、強度および硬化性が高いため、低合金鋼よりも加工が難しいです。P92はタングステン含有量および関連する炭化物の安定性のためにわずかに難しい場合があります。鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および調整された切削パラメータを使用してください。
• 成形性/曲げ: 冷間成形は制限されています。成形は通常、可能な限り正規化またはアニーリングされた製品形状で行われます。曲げ半径および方法は、ベンダーのガイダンスに従い、後の熱処理を考慮する必要があります。
• 研削、ドリル、および仕上げ作業は、表面の焼戻しまたは作業硬化を避けるために熱生成に注意を払う必要があります。
• 溶接製造には、PWHT要件に精通した資格のある手順および人員が必要です。

8. 典型的な用途

P91 — 典型的な用途	P92 — 典型的な用途
従来型および亜臨界プラントにおける主蒸気配管、ヘッダー、過熱器チューブ、再加熱セクション（設計寿命に応じて最大約600–620°Cのサービス範囲）	高圧、超超臨界ボイラーおよびタービン配管、高度な過熱器/再加熱器チューブ、長期間のサービスまたは高温でのより高いクリープ強度が必要なコンポーネント（通常9Crファミリーの上限）
化石燃料発電所のボイラー管およびフィッティング	厚肉部品または長期的な破壊強度の改善およびクリープ率の低下が必要な部品
コスト制約がある場合に受け入れ可能な材料挙動を持つ厚壁圧力容器	高金属温度での延長寿命が高い材料および製造コストを正当化する新設プラントまたは改修

選定の根拠: - 必要な設計温度、必要なクリープ破壊寿命、厚さ（Wは厚いセクションで強度を増加させる）、および受け入れ可能な溶接/製造戦略に基づいて選択してください。

9. コストと入手可能性

• P92は、追加のタングステンおよび製造管理のために通常P91よりも高価であり、特定の製品形状やサイズでのリードタイムが長く、入手可能性が制限されることがあります。
• P91は、チューブ、フィッティング、プレート、および鍛造品で世界中で広く入手可能であり、しばしばコード承認されたコンポーネントのベースラインを表します。
• 入手可能性は、市場サイクル、製鋼所の能力、および地理的地域によって異なります。調達は、無縫製と溶接されたチューブ、鍛造品、およびフィッティング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）:

属性	P91	P92
溶接性（手順の複雑さ）	良好 — 標準PWHTが必要	より要求される — より高い硬化性、厳格な管理
強度–靭性（室温）	強い、良好な靭性	より高い強度、適切に処理されれば比較可能な靭性
クリープ抵抗（長期、高温）	典型的なサービス限界まで良好	より高温での長期クリープ抵抗が優れている
コスト & 入手可能性	低コスト、広範な入手可能性	高コスト、一部の形状での供給が制限される

推奨事項: - P91を選択する場合: - アプリケーションが従来の9Cr–1Moサービス温度および設計寿命の期待に該当する場合、 - 製造速度、コスト、および容易な入手可能性が優先される場合、 - 実績のあるコード経験および既存の溶接手順が好ましい場合。

• P92を選択する場合:
• 設計が長期的なクリープ強度の改善、高い9Cr温度能力での運転、または蒸気/圧力下でのより長い保証寿命を必要とする場合、
• プロジェクトがより厳格な溶接管理、より高い材料コスト、および潜在的に長いリードタイムを受け入れることができる場合、
• 厚いセクションまたは攻撃的な高温クリープレジームでの性能向上が決定的な要因である場合。

最終的な注意: 材料選定は、常にプロジェクト特有のクリープ破壊データ、溶接手順の資格記録、適切な熱処理スケジュール、および材料供給者および製造業者との相談によってサポートされるべきです。製鋼所の試験証明書から正確な組成および保証された特性を確認し、設計、溶接、および検査のためのコード（ASME/EN/GB/JIS）の規定に従ってください。