PSL1 vs PSL2 – 構成、熱処理、特性、および用途

はじめに

API 5LのPSL1およびPSL2の指定は、ラインパイプおよび構造用チューブ製品に広く使用される調達および品質レベルです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、コスト、パフォーマンス、リスクのバランスを取る際に、PSL1とPSL2の間で選択を迫られることが一般的です。PSL1は通常、基本的な化学的および機械的グレード要件を満たしますが、PSL2は、より厳格な組成管理、強化された試験、および補足的な品質要件を通じて、より高い保証を追加します。中心的な違いは、仕様によって要求される品質保証および試験のレベルにあります。PSL2は、より厳格な検証、必須の追加試験（たとえば、衝撃試験や非破壊検査）、およびサービスクリティカルなアプリケーションにおける不確実性を減少させるトレーサビリティ管理を課します。

PSL1とPSL2は同じ名目グレード（たとえばX42、X52、X60）に適用されるため、比較は異なる化学組成についてではなく、より高品質な管理に伴う選択範囲、試験、および製造の結果についてです。

1. 規格と指定

• API/ASME: API 5L (PSL1およびPSL2) — ラインパイプに適用されます。PSL1は基本的な製品仕様レベルであり、PSL2は強化された品質レベルです。
• EN: EN 10208、EN 10219、EN 10210 — パイプラインおよび鋼管のための欧州規格; 類似の品質区別は、追加要件および納入条件を指定することによって達成されます。
• JIS: JIS G3461/G3452およびその他 — パイプおよびチューブのための日本の規格; PSL2に相当する品質レベルおよび補足試験は、追加要件を通じて指定されます。
• GB: GB/T規格のラインパイプおよび鋼管 — 補足試験および品質管理の規定を含む中国の国家規格。
• 鋼種による分類: API 5Lは炭素鋼および低合金鋼（HSLAバリアントを含む）をカバーします。PSL1/PSL2はラインパイプに使用される炭素/低合金鋼に適用され、工具鋼やステンレス鋼には直接適用されません。ただし、同じ調達論理（基本対強化試験）は多くの材料規格に適用されます。

2. 化学組成と合金戦略

表: 一般的な元素に対するPSL1とPSL2の組成管理の違い

元素	PSL1（典型的な管理）	PSL2（典型的な管理）
C（炭素）	グレードごとに指定; グレード指定ごとの一般的な最大値	同じグレード制限だが、バッチ間の検証がより厳格で、報告の不確実性が低いことが多い
Mn（マンガン）	強度を達成するためにグレードごとに指定	同じ制限; PSL2は硬化性管理のためにより厳格な分析を要求する場合があります
Si（シリコン）	脱酸剤として管理; グレードごとの典型的な範囲	類似だが、PSL2はより厳格な化学分析報告を要求します
P（リン）	標準ごとの最大不純物制限	PSL2では、製鋼試験報告によって確認されたより低い最大値または厳格な報告
S（硫黄）	標準ごとの最大不純物制限	PSL2の下でのより厳格な管理と検証
Cr、Ni、Mo（合金元素）	特定のグレード（低合金オプション）に指定されている場合に存在	PSL2は合金添加物のためのより厳格な組成範囲と検証を保証します
V、Nb、Ti（微合金）	HSLAバリアントに存在; グレードごとに管理	PSL2は微合金含有量および関連特性のより厳格な報告を要求します
B	一部のHSLA鋼における硬化性のための偶発的な微量添加	PSL2は存在する場合、より厳格な管理とトレーサビリティを強制します
N（窒素）	関連する場合を除いて通常は厳密に指定されない	PSL2は酸性サービスまたは溶接性の懸念のためにN制限を含む場合があります

説明: API 5LはPSL1とPSL2のための単一の化学レシピを規定していません。むしろ、PSL2は、購入者から要求された場合に、より厳格な製鋼試験、正確な化学分析、および追加の制限または補足要件を要求します。両者の合金戦略は、意図されたグレードの強度と靭性をターゲットにしています: 炭素とマンガンは強度と硬化性を制御し、微合金（V、Nb、Ti）は析出強化と粒子細化を提供し、クロム、モリブデン、ニッケルは硬化性と高温性能を向上させます。

3. 微細構造と熱処理応答

PSL1およびPSL2鋼は、グレードに適した状態（圧延後、正規化、または熱機械的に制御された処理）で供給されます。典型的な微細構造には、低強度グレードのフェライト–パーライトおよび高強度/熱機械的処理された鋼のベイナイトまたは細粒フェライトが含まれます。

• PSL1: 微細構造は、グレードに指定された熱処理/圧延経路によって決定されます; 一般的な管理は標準受入れに従います。正規化または制御圧延は、目標強度と延性に設計されたフェライト–パーライトまたは細粒フェライト微細構造を生成します。
• PSL2: 同じ処理経路に加えて、PSL2は変態終了温度、冷却速度、および粒子サイズに対するより厳格な管理を強制することが多いです。これらのパラメータは靭性と破壊性能に影響を与えるためです。熱機械的に制御された処理（TMCP）では、PSL2の文書および試験は、意図された微細構造の利点（細粒フェライト、分散した炭化物/窒化物）が一貫して達成されることを保証します。

特定の熱処理の効果: - 正規化: 粒子サイズを細化し均一性を改善します; 両方のPSLレベルが利益を得ますが、PSL2は通常、粒子サイズと機械的特性の均一性をより厳格に検証します。 - 突き冷却および焼戻し: より高い強度と靭性が必要な場合に使用されます; PSL2は検証された熱処理記録および追加の硬度および靭性試験を要求します。 - 熱機械的処理: 高強度と良好な靭性を生成します; PSL2はプロセス記録および微細構造を確認するためにより頻繁な機械的特性試験を要求する場合があります。

4. 機械的特性

表: 定性的な機械的特性の比較（値はグレード指定に依存）

特性	PSL1	PSL2
引張強度	グレード特有の最小値を満たす; 定期的な試験によって検証される	同じグレードの最小値だが、より頻繁/トレーサブルな検証が行われ、変動が少ないことが期待される
降伏強度	グレード特有の最小値を満たす	同じ最小値; PSL2は変動のより厳格な管理を強制します
伸び（延性）	グレード受入れ値を満たす	PSL2は低温での追加の延性または衝撃基準を指定する場合があります
衝撃靭性	普遍的に要求されるわけではない; 購入者による	PSL2は通常、指定された温度および最小エネルギーでのシャルピーVノッチ試験を義務付けます
硬度	必要に応じて管理される	PSL2は硬いスポットを防ぎ、溶接性を確保するために追加の硬度制限を課す場合があります

解釈: PSL1もPSL2も、同じグレード（例: X52）であれば本質的に高い強度を生み出すわけではありません。実際の違いは、PSL2がより広範な試験を通じて、規格外の化学的または機械的な逸脱のリスクを低減することです。その結果、PSL2の納入は通常、より一貫した靭性性能と特性の狭い統計的分布を示します。

5. 溶接性

溶接性は、組成（炭素および合金）、硬化性、および熱入力に依存します。2つの有用な指標:

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

• Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈: 低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、より良い溶接性と低い冷却亀裂のリスクを示します。同じグレードのPSL1およびPSL2鋼は同じ名目化学組成を持っていますが、PSL2のより厳格な管理、低い不純物制限（P、S）、および微合金元素の厳格な管理は、硬化性のピークを減少させ、水素誘発亀裂への感受性を低下させることができます。PSL2はまた、必要なタック溶接、予熱、またはPWHT手順を指定し、場合によっては溶接後の機械的特性の検証を要求します。

6. 腐食および表面保護

• 非ステンレス鋼（典型的なAPI 5L鋼）: 腐食抵抗は主にコーティングおよび陰極保護を通じて達成されます。一般的な表面保護には、亜鉛メッキ、融合結合エポキシ、三層ポリエチレン、および塗装システムが含まれます。PSL1およびPSL2は、購入者の要件に従った表面準備およびコーティングを要求します; PSL2は追加のコーティング検査および接着試験を要求する場合があります。
• ステンレスグレード: API 5Lはステンレスを規定していません; ステンレスまたは腐食抵抗合金が使用される場合、腐食抵抗はPRENのような指標で評価されます: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は、典型的な炭素/低合金PSL1/PSL2鋼には適用されません。

明確化: 酸性サービス環境の場合、PSL2は水素誘発亀裂抵抗、HIC/SSC試験、および硫化物応力亀裂を促進する残留元素に対する厳格な制限を含む要件を含むことが多いです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断: PSL1およびPSL2鋼は同様に切断されますが、PSL2の硬い相に対する厳格な管理は、切削工具を摩耗させる硬い不純物のリスクを低下させます。
• 曲げ/成形: 延性はグレードに依存します。PSL2のより厳格な特性管理は、成形中の局所的な脆い反応の確率を低下させ、製造の歩留まりを改善します。
• 加工性: 一部の鋼における硫黄および鉛添加物の影響を受けます; PSL2は通常、Sが低く（より良い非不純物挙動）、特定の加工性バリアントが注文されない限り、加工性が改善されるわけではありません。
• 仕上げ: PSL2は、検査およびNDTの増加により、より良い寸法管理および表面品質を提供し、再加工を減少させることが多いです。

8. 典型的な用途

PSL1の典型的な用途	PSL2の典型的な用途
非クリティカルな送電線、基本的なグレードの遵守が十分な一般サービス配管	高圧幹線、確認された靭性および欠陥制限が必要なクリティカルな海底または酸性サービスパイプライン
構造用チューブおよび安全性が重要でない用途	HIC/SSC抵抗が必要なパイプライン、確認されたシャルピー性能、またはより徹底的なNDT
頻繁な検査と容易なアクセスでリスクを低下させる地域配布	オフショア、深海、または修理が実用的でない厳しい環境にさらされる設置

選択の理由: コストと入手可能性が主な要因であり、アプリケーションが保守的な運用マージンと頻繁な検査を許容する場合はPSL1を選択してください。サービス条件が靭性、トレーサビリティ、および運用リスクを低減するための追加の非破壊試験に対する高い信頼を要求する場合はPSL2を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: PSL2製品は、試験、文書、および時折の製鋼処理管理の増加により、通常PSL1よりも高価です。プレミアムはグレード、供給者、および地理的市場によって異なります。
• 入手可能性: PSL1は、必要な製鋼プロセスおよび試験が少ないため、より広く入手可能です。PSL2の入手可能性は、追加の試験を実施し、トレーサビリティを提供し、補足要件を満たすための製鋼能力に依存します; リードタイムは、特にニッチグレードや複雑な試験（HIC、SSC）の場合、長くなることがあります。

製品形状の影響: PSL2に従って製造されたパイプは、より厳格なNDT（放射線検査、超音波検査）を必要とする場合があり、これにより製造リードタイムとコストが増加します; PSL2要件を持つ板およびコイルの供給も制約される場合があります。

10. 概要と推奨

主要なトレードオフを要約した表

基準	PSL1	PSL2
溶接性（実際のリスク）	多くのグレードに対して良好; 標準的な予防策	厳格な化学/管理および義務付けられた靭性試験によりリスクが低下
強度–靭性の一貫性	グレードの最小値を満たす; 幅広い変動	同じ最小値; バッチ間の一貫性が厳格で、靭性が検証される
コスト	低い	高い（試験、文書、可能な処理）

結論と実用的な推奨: - 次の条件に該当する場合はPSL1を選択してください: - 非クリティカルなサービスのためのルーチンラインパイプまたはチューブを指定している。 - コスト、短いリードタイム、および標準的な検査体制が優先事項である。 - 現場検査および交換可能性が局所的な故障の影響を軽減する。

• 次の条件に該当する場合はPSL2を選択してください:
• パイプラインまたはコンポーネントが安全性が重要である、遠隔地、オフショア、またはHIC/SSCが懸念される酸性環境にさらされている。
• 温度での衝撃靭性、より厳格な化学管理、および強化されたトレーサビリティを保証する必要がある。
• コストプレミアムがリスクの低減、潜在的に低いライフサイクルメンテナンス、および厳格な規制または顧客の要求によって正当化される。

最終的な注意: PSL1対PSL2は、金属学的グレードの違いではなく、調達品質の決定です。希望するグレード（X番号、S番号など）を指定し、より厳格な化学管理、義務付けられた補足試験（例: シャルピー、HIC）、および拡張されたNDT/トレーサビリティからの追加の保証が必要な場合はPSL2を選択してください。製鋼所および製造業者と協力して、期待されるサービス条件に対して処理経路（TMCP、正規化、PWHT）および試験プロトコルを調整し、材料がサービス要求を満たすことを保証してください。