SA213 T11 vs T22 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SA213 T11およびSA213 T22は、ボイラー、過熱器、熱交換器用のチューブに広く使用されているクロムモリブデン低合金鋼です。エンジニアや調達専門家は、材料の初期コスト、加工および溶接の容易さ、サービス中の高温強度（クリープ抵抗）とのトレードオフを頻繁に検討します。多くのプロジェクトでは、T22の高い合金含有量と高温能力が、その高コストとT11に比べてやや厳しい溶接および熱処理管理を正当化するかどうかに決まります。
主な技術的な違いは、T22がT11よりも高温での強度とクリープ抵抗を大幅に向上させるために合金化されていることです。T11は、良好な延性、容易な溶接性、低コストが低から中程度のサービス温度の優先事項である場合に一般的に選ばれます。
1. 規格と指定
- 主要な規格：
- ASTM/ASME: SA213（高温サービス用チューブ）、A335（パイプ） — T11およびT22は、パイプ仕様で一般的にP11およびP22に対応するCr-Moグレードです。
- EN / DIN: 比較可能なグレードは13CrMo44/14MoV6-3ファミリーのメンバーですが、直接のクロスリファレンスには注意が必要です。
- JIS / GB: 国家規格には同様のCr-Moシリーズがありますが、代替のために正確な指定と特性表を確認してください。
- 分類：
- SA213 T11およびT22は、高温サービス用に設計された低合金フェライト鋼（合金鋼）です。これらは、典型的な意味でのステンレス鋼やHSLAではありません（合金化は腐食抵抗だけでなく、高温強度とクリープに焦点を当てています）。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、業界の実践および一般的に使用されるASME/ASTM範囲において遭遇する典型的な組成範囲（重量パーセント）を示しています。正確な限界は特定の製鋼所および規格のバージョンによって異なります。購入または設計の際は、常に管理されている材料仕様を確認してください。
| 元素 | 典型的なT11（約wt%） | 典型的なT22（約wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.65 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ~0.9 – 1.4（名目値 ~1.0–1.25） | ~2.0 – 2.5（名目値 ~2.25） |
| Ni | ≤ 0.40（微量） | ≤ 0.40（微量） |
| Mo | ~0.44 – 0.65（名目値 ~0.5） | ~0.85 – 1.06（名目値 ~1.0） |
| V | 微量 / オプション | 微量 / オプション |
| Nb (Cb) | 微量 / 指定なし | 微量 / 指定なし |
| Ti | 微量 | 微量 |
| B | 微量 | 微量 |
| N | 微量 | 微量 |
合金化が性能に与える影響： - クロムは硬化性と高温強度を向上させ、クリープ抵抗を改善する安定した炭化物の形成を促進します。 - モリブデンは、炭化物を安定させ、拡散を妨げることによって、クリープ強度と温度での軟化抵抗を改善します。 - 炭素とマンガンは基本的な強度と硬化性を制御します。炭素が高いと強度は増しますが、溶接性と靭性は低下します。 - シリコンは脱酸剤であり、適度な強度と酸化抵抗を提供します。 - 微量のマイクロ合金添加（V、Nb、Ti）は、粒径、析出強化、衝撃靭性に影響を与える可能性がありますが、これらは通常、標準的なT11/T22組成では小さいです。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 提供された（正規化および焼戻しされた）状態では、T11およびT22は、合金炭化物（CrおよびMoが豊富）を分散させた焼戻しマルテンサイト/焼戻しベイナイト微細構造を示します。粒径と炭化物の分布は、正規化温度と焼戻し条件によって制御されます。 - T22は、より高いCrおよびMoを含むため、T11よりも高い割合の安定した合金炭化物を形成し、高温での粗大化に対してより優れた微細構造を持つ傾向があります。
熱処理の効果： - 正規化（臨界範囲を超えた空冷）は、以前のオーステナイト粒径を細かくし、炭化物を溶解させます。その後、所望の靭性/強度バランスを発展させるために焼戻しを行います。 - 急冷および焼戻しは、室温での靭性と強度を制御しますが、サービス用の圧延チューブ製品にはあまり一般的ではありません。標準的な実践は、製品形状に適した正規化と焼戻しです。 - 両グレードにおいて、溶接後の熱処理（PWHT）は、溶接HAZを焼戻し、残留応力と硬度を低下させるために一般的に使用されます。T22は、クリープ性能を満たすために、通常、より厳格な管理（最低PWHT温度、保持時間）が必要です。 - 熱機械制御加工（TMCP）は、厚いセクションで粒径を細かくし、靭性を改善するために使用できますが、チューブの場合、支配的な変数は正規化と焼戻しサイクルです。
4. 機械的特性
以下の機械的特性は、正規化および焼戻しされたチューブの指標範囲であり、壁厚、正確な熱処理および仕上げに強く依存します。設計には適用可能なコード表を使用してください。
| 特性 | 典型的なT11（正規化＆焼戻し） | 典型的なT22（正規化＆焼戻し） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~420 – 560 MPa | ~450 – 620 MPa |
| 降伏強度（0.2%オフセット、MPa） | ~240 – 360 MPa | ~300 – 420 MPa |
| 伸び（%） | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| 衝撃靭性（シャルピーV、室温） | 中程度; 熱処理に依存 | 中程度; 炭素/硬化性が高い場合、T11よりもやや低いことが多い |
| 硬度（HB） | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
解釈： - T22は、特に高温での降伏強度と引張強度が高く、クリープ強度を向上させる高いCrおよびMo含有量のため、一般的に優れています。 - T11は、合金含有量が低く、硬化性が低いため、いくつかの形状の靭性要件を満たすのがわずかに容易である可能性があります。 - 適切に処理された材料では、室温での靭性の違いはわずかです。T22の主なサービス上の利点は、高温での強度の保持（クリープ抵抗）です。
5. 溶接性
溶接性の考慮事項は、炭素含有量、全体的な硬化性（Cr + Mo + その他の合金）、および予熱/PWHTの必要性に関係しています。
- 硬度と熱影響部でのマルテンサイト形成は、合金化と硬化性が高くなるにつれて増加します。したがって、T22の高いCrおよびMoは、溶接管理が不十分な場合にHAZの硬化と水素誘発冷却亀裂のリスクを高めます。
- 定性的解釈に役立つ一般的な溶接性指数：
- 炭素当量（IIW）：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（より保守的な指数）：
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - 解釈（定性的）：CEまたはPcmが高いほど、予熱、冷却速度の低下、しばしば脆いHAZ微細構造を避けるために必須のPWHTが必要です。T22は通常、同じ炭素量でT11よりも高いCEを持ち、より厳格な溶接手順を示します。
- 推奨実践：溶接消耗品の水素を制御し、適切な予熱を適用し、コードおよび材料データシートに従ってPWHTを実施します。T22は、クリープ性能と靭性要件を満たすために、より厳格なPWHTが一般的に指定されます。
6. 腐食と表面保護
- T11およびT22は、非ステンレス合金鋼であり、化学的に湿潤腐食や攻撃的環境に対して重要な抵抗を提供しません。
- 典型的な保護：塗装、プライマー、高温コーティング、または適切な場合の金属的コーティング。屋外/大気サービスの場合、一部の部品には亜鉛メッキが使用されることがありますが、高温チューブには一般的ではありません。
- 高温酸化（蒸気/炉）では、表面酸化スケールが形成されます。合金化（Cr）はスケールの付着性と高温酸化抵抗を改善します。ここでT22は高いCr含有量の恩恵を受けます。
- PRENのようなステンレス腐食指数は、これらの低合金鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はステンレス鋼用に設計されており、Cr-Moフェライト鋼の腐食挙動を意味のある形で説明するものではありません。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 機械加工性：両グレードは、正規化および焼戻しされた場合、合理的に加工されます。T22は、合金含有量が高く、炭化物の分散が強いため、やや難しい場合があります。
- 成形性と冷間曲げ：低合金のT11は、一般的に曲げおよび成形操作においてより許容度が高いです。T22は、厚いセクションでの亀裂を避けるために、より厳しい曲げ半径の制御または高温成形が必要な場合があります。
- 表面仕上げ：研削、研磨、非破壊試験は標準です。溶接および加工のために、T22には水素およびPWHTのための工場管理がより頻繁に適用されます。
8. 典型的な用途
| SA213 T11 – 典型的な用途 | SA213 T22 – 典型的な用途 |
|---|---|
| 低温蒸気回路、給水加熱器、および中程度の温度強度が十分な一般的なボイラー用の経済的な過熱器および再加熱器用チューブ | 発電所の過熱器チューブ、蒸気配管およびヘッダー、石油化学の高温プロセス配管、および高いクリープ強度と高温での長寿命が要求される部品 |
| 中程度の温度用の経済的な熱交換器チューブ | 高温での許容応力が高い重要な高温圧力部品および配管 |
| 溶接性とコスト管理が重要な1–1.25% Crサービス用に元々設計されたシステムの交換部品 | 延長されたサービス寿命、高温での許容応力の向上、または重量/スペースの節約のための壁厚の削減が望まれる新しい設計 |
選択の理由： - サービス温度と応力が中程度であり、コストが低く、加工が容易で、溶接/PWHT管理が簡単であることが優先される場合はT11を選択してください。 - 高いクリープ強度と高温での酸化/スケール安定性が必要であり、長寿命または高温での許容応力が高いことが高い材料コストとより厳格な加工管理を正当化する場合はT22を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：T22は通常、CrおよびMo含有量が高いためT11よりも高価です。Moは特に高価で、価格に不均衡に寄与します。
- 入手可能性：両グレードはチューブおよびパイプの形状で広く入手可能ですが、リードタイムやコストの変動は合金需要（Moの入手可能性）によって影響を受けることがあります。標準的なチューブサイズと一般的な壁厚は主要なサプライヤーによって容易に在庫されています。特注サイズはリードタイムが長くなる場合があります。
- 製品形状：シームレスおよび溶接されたチューブ、パイプ、フィッティング、フランジが一般的です。プレートや鍛造品の入手可能性は市場の需要によって異なります。
10. 概要と推奨
| 属性 | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低い硬化性） | より要求される（高い硬化性; より厳格なPWHT） |
| 強度 – 靭性バランス | 室温および中程度の温度で良好 | 優れた高温強度 / クリープ抵抗 |
| コスト | 低い | 高い |
結論： - SA213 T11を選択する場合：設計が中程度の蒸気またはプロセス温度で動作し、特別なクリープ抵抗が必要ない場合、低い材料コスト、より簡単な溶接および加工管理を優先し、サービス中に良好な延性と靭性が必要です。 - SA213 T22を選択する場合：アプリケーションが高い蒸気温度または持続的な応力を含み、クリープ抵抗と高温での強度保持が重要であり、高い材料コストとより厳格な溶接/PWHT手順を受け入れ、長いサービス寿命または高温での許容応力が必要です。
最終的な推奨：選択はプロジェクトの最大運転温度と応力（クリープ寿命要件）、溶接手順の能力（予熱/PWHT）、およびライフサイクルコスト分析に基づいて行ってください。疑問がある場合は、適用可能なASME/ASTM材料表を参照し、意図されたサービス温度での許容応力と溶接手順の資格を含む設計レビューを実施してください。