SA213 T22 vs T91 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SA213 T22およびT91は、発電、石油化学、高温産業サービスで広く使用されている合金鋼チューブグレードの2つです。エンジニアや調達専門家は、しばしば両者の間で選択のジレンマに直面します。これは、高温強度と長期クリープ性能を溶接性、コスト、加工の容易さとバランスさせることです。典型的な決定の文脈には、ボイラーや熱交換器のチューブ、蒸気システムの配管、または圧力保持アセンブリの交換部品の材料選定が含まれます。
これらのグレードの主な違いは、合金戦略と結果として得られる微細構造です：T22は、中程度の高温強度と良好な加工性を持つ低合金クロムモリブデン鋼で設計されており、T91は、著しく高いクリープ強度と降伏強度を持つマルテンサイト系の高クロム微合金鋼です。この違いは、設計、溶接実践、ライフサイクルコストにおけるほとんどの下流の選択を駆動します。
1. 規格と指定
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213（シームレスフェライト合金鋼ボイラー、スーパーヒーター、熱交換器チューブ）
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213（シームレスフェライト合金鋼高温サービスチューブ）
- その他の規格:
- EN/ISOの同等品は、EN 10216-2またはEN 10222（類似の合金鋼用）で指定されることが多いです；国の規格（JIS、GB）は、異なる名称で比較可能なグレードを提供します。
- 分類:
- SA213 T22 — 低〜中程度の合金フェライト鋼（一般にCr–Mo合金鋼と呼ばれる）
- SA213 T91 — 高クロムマルテンサイト合金鋼（高温サービス用のテンパー処理されたマルテンサイト/HSLA型）
2. 化学組成と合金戦略
表：SA213 T22およびT91の典型的な化学組成範囲（wt%）。これらは、業界の仕様で一般的に参照される代表的な範囲です；正確な限界は、規格および熱/製品形状に依存します。
| 元素 | SA213 T22（典型的範囲） | SA213 T91（典型的範囲） |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.40 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.025（最大） | ≤ 0.020（最大） |
| S | ≤ 0.025（最大） | ≤ 0.010（最大） |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40（微量） | ≤ 0.40（微量） |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | 微量 – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | 微量 – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | —（通常は低い） | —（通常は低い） |
| B | —（通常は指定されていない） | —（非常に低いppmで制御されることが多い） |
| N | —（低い） | 0.03 – 0.07 |
合金が特性に与える影響 - クロムとモリブデン：両方の元素は、高温での強度と酸化抵抗を改善します。T22の控えめなCr/Moは中程度のクリープ性能を提供し、T91の高いCrとMoは微合金化と相まって、著しく高いクリープ抵抗をもたらします。 - 炭素：T91の高炭素はマルテンサイトの形成とテンパー反応をサポートします；T22は延性と溶接性を維持するために低炭素です。 - 微合金化（V、Nb）：T91に存在し、炭化物/窒化物を安定化し、粒子サイズを精製し、クリープ強度と長期曝露中の軟化抵抗を改善します。 - シリコンとマンガン：脱酸化と固溶体強化；また、硬化性と靭性にも影響します。
3. 微細構造と熱処理応答
- SA213 T22:
- 標準熱処理後の典型的な微細構造：冷却速度に応じて、パーライト/テンパー処理されたベイナイト成分を持つテンパー処理されたフェライトです。完全なマルテンサイト鋼ではありません。
- 熱処理応答：正規化とテンパー処理または応力除去により、靭性と強度を調整できます。T91よりもマルテンサイト硬化に対する応答は少なく、重い急冷は通常必要または使用されません。
- SA213 T91:
- 典型的な微細構造：適切な正規化とテンパー処理後の細かい炭化物と炭窒化物（V/Nb/Tiが豊富）を持つ急冷およびテンパー処理されたマルテンサイト（テンパー処理されたラテマルテンサイト）です。
- 熱処理応答：意図した微細構造を発展させるために、制御された正規化とテンパー処理が必要です。熱機械処理と正確なテンパー処理は、粒子の精製と所望のクリープ抵抗を達成するために重要です。
- 加工の影響：
- 正規化は、T91の前オーステナイト粒構造を精製し、テンパー処理の前の重要なステップです。
- T91の急冷とテンパー処理（Q&T）は、高強度と高温安定性をもたらします；過度のテンパー処理は強度を低下させますが、靭性を改善します。
- T22は、延性と強度のバランスを取るために、制御された冷却とテンパー処理に依存します；急冷速度にはあまり敏感ではありません。
4. 機械的特性
表：正規化およびテンパー処理または一般的に供給される条件の典型的な機械的特性範囲。値は熱処理、製品形状、仕様に依存します。
| 特性 | SA213 T22（典型的、N&Tまたは供給時） | SA213 T91（典型的、正規化およびテンパー処理） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 400 – 600 | 550 – 800 |
| 降伏強度（0.2%オフセット、MPa） | 200 – 350 | 400 – 650 |
| 伸び（%） | 18 – 30 | 12 – 20 |
| 衝撃靭性（シャルピーV、J、RT） | 20 – 60（厚さによって異なる） | 30 – 100（テンパー + 熱処理依存） |
| 硬度（HB） | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
解釈 - 強度：T91は、特に高温および長期クリープ抵抗において、引張強度と降伏強度の点で明らかに強いグレードです。これはマルテンサイト構造と微合金化によるものです。 - 靭性と延性：T22は通常、より多くの延性と容易な塑性変形を提供します；T91は、適切に正規化およびテンパー処理された場合、強度と適切な靭性の強力な組み合わせを提供しますが、延性は低くなります。 - 選択の影響：クリープが重要な高圧・高温サービスにはT91が好まれます。中程度の温度では、加工の容易さとコストが優先されるため、T22は競争力を維持します。
5. 溶接性
溶接性は炭素当量と硬化性に依存します；両方のグレードは注意が必要ですが、T91はより要求が厳しいです。
一般的な溶接指標： - 炭素当量（IIW型）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より包括的なパラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈 - SA213 T22：ほとんどの場合、T91よりも全体的な硬化性が低く、炭素当量も低いです。標準的なフィラー金属で溶接しやすく、圧力保持接合部の残留応力を減少させ、特性を回復するために、予熱と溶接後熱処理（PWHT）が推奨されますが、亀裂のリスクはT91よりも低いです。 - SA213 T91：高い硬化性（高いCr、Mo、および微合金化による）は、HAZでのマルテンサイト形成、水素助長冷却亀裂、適切に制御されない場合の脆い微細構造のリスクを高めます。T91の溶接には、通常、厳格な予熱、制御されたインターパス温度、およびコード要件に従った完全なPWHTが必要です；適格な溶接手順と一致するフィラー金属が不可欠です。 - 実用的な注意：混合金属溶接（例：T91を低合金鋼に接合する）には、特別な移行手順と適格なWPS/PQRが必要です。
6. 腐食と表面保護
- SA213 T22もT91もステンレスではなく、両者は湿潤環境での一般的な腐食や高温での酸化に対して感受性があります。
- 一般的な保護戦略：
- 腐食性媒体用の保護コーティング（塗装）、クラッディング、またはライニング。
- 高温チューブには一般的ではありませんが、一部の製造部品に対してホットディップ亜鉛メッキが可能です。
- 高温酸化抵抗に関しては、合金組成が重要です：T91の高いCrは、低いCrのT22と比較して酸化蒸気環境でのスケーリング抵抗を改善しますが、酸化抵抗は依然としてステンレスグレードには劣ります。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレスのCr–Mo鋼には適用されませんが、参考のためにステンレス合金の公式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — この指標は、局所的な腐食抵抗と受動的な挙動がはるかに高いクロムとニッケル含有量を必要とするため、T22やT91には意味を持ちません。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：
- T22は、アニーリングまたは正規化された状態で合理的に加工されます；機械加工性は中程度です。
- T91は、強度が高く、加工硬化傾向があるため、加工が難しく、頑丈な工具、低い切削速度、および熱生成への注意が必要です。
- 成形性と曲げ：
- T22は、降伏強度が低く、延性が高いため、冷間成形および曲げ特性が優れています。
- T91は、広範な冷間成形にはあまり適しておらず、適切な熱処理後に制御された、しばしば温かい条件で成形されます。
- 表面仕上げ：
- 両者は高い公差で仕上げることができますが、T91は硬化や欠陥の導入を避けるために、より遅く、より制御されたプロセスが必要です。
8. 典型的な用途
表：各グレードの典型的な用途
| SA213 T22 — 典型的な用途 | SA213 T91 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 中温蒸気システム用のボイラーおよびスーパーヒーター用チューブ | 高クリープ強度を必要とする発電所の高圧蒸気配管、ヘッダー、およびチューブ |
| 中温範囲の熱交換器用チューブおよび再加熱器部品 | 長期強度が重要な500–650°Cにさらされる部品 |
| 中程度の強度と良好な溶接性が必要な一般的な圧力チューブ | 石油化学クラッキングユニット、高温パイプライン、発電所のメイン蒸気ライン |
| 経済的な交換部品およびサービス配管 | 設計寿命とクリープ抵抗が高い初期材料コストを正当化する用途 |
選択の根拠 - 低材料コスト、容易な溶接、および高い成形性を優先する中温サービスにはT22を選択してください。 - 高温、高応力の用途で、長期クリープ性能、高い降伏強度、および高温での安定性が必要な場合はT91を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：
- T91は、合金含有量（Cr、Mo）が高く、追加の微合金元素が必要なため、通常T22よりも1キログラムあたりのコストが高く、T91は通常、より厳格な熱処理および加工管理が必要です。
- 入手可能性：
- 両方のグレードは、チューブ、パイプ、バーの形状で主要市場で広く入手可能ですが、T91の製品リードタイムは、特定のサイズや熱処理条件に対して長くなることがあります。
- T22は、中温ボイラー部品の使用が長く確立されているため、在庫と地元供給がより良好です。
10. まとめと推奨
表：簡単なまとめ
| 特性 | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好 — より簡単な予熱/溶接後手順 | 要求が厳しい — 厳格な予熱およびPWHTが必要 |
| 強度–靭性（高温） | 中程度の強度；良好な延性 | 高強度とクリープ抵抗；設計された靭性 |
| コスト | 初期材料コストが低い | 材料および加工コストが高い |
結論と推奨 - サービス温度と応力が中程度である場合（T22が許容応力を満たす設計範囲）。 - 加工速度、溶接の容易さ、低い初期コスト、および成形性が優先される場合。 - 長期クリープが主要な設計要因でない中温熱交換器やボイラー用の広く入手可能で経済的なチューブが必要な場合は、SA213 T22を選択してください。 - 高クリープ強度と高降伏強度が高温で要求される場合（例：メイン蒸気ライン、ヘッダー、550–650°C付近で動作する部品）。 - 長期的な寿命、重量削減のための厚さの減少、または温度でのより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。 - プロジェクトが厳格な溶接管理、PWHT、および適格な手順を受け入れられる場合は、SA213 T91を選択してください。
最終的な注意：材料選定は常に詳細な応力、クリープ、および腐食分析によって検証され、適用される規格（ASME、EN、地域の規制）に対してレビューされるべきです。サービス条件と予想されるライフサイクルに合わせて熱処理、溶接手順、および検査基準を定義するために、材料供給業者や溶接エンジニアに早めに相談してください。