SA387 11CL2 vs 22CL2 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SA‑387（ASTM A387とも参照される）は、高温サービスにおける圧力を含む部品用のクロム‑モリブデン低合金鋼のファミリーです。エンジニアや調達チームは、一般的に指定される2つのメンバー、11CL2（P11タイプと呼ばれることが多い）と22CL2（P22タイプと呼ばれることが多い）のトレードオフを頻繁に検討します。典型的な意思決定の文脈には、温度での許容クリープ強度のための最小合金化の選択、溶接性と溶接後の熱処理の要求のバランス、または調達コストとライフサイクル性能の最適化が含まれます。
これらのグレード間の主な実用的な対比は、高温強度とクリープ抵抗を目指した合金成分です：22CL2グレードの高クロム、高モリブデン組成は、高温での強度とクリープ能力を向上させる一方で、11CL2は合金成分が少なく、溶接性を改善し、材料コストを削減します。両者は高温圧力用途向けに設計されているため、設計者がボイラー、熱交換器、配管、同様の温度範囲で動作する圧力容器の材料を選択する際に一般的に比較されます。
1. 規格と指定
- 主要な規格：
- ASTM/ASME: SA‑387 / A387（グレード11、22; クラス1、2など）
- EN: 同等の指定は、製品形状に応じてPグレード（例：P11 / P22）またはEN 10222/10028の同等物に分類されることが多い。
- JIS/GB: 国家規格は、異なるグレードコードを持つ比較可能なCr‑Mo鋼を指定する場合があります。
- 材料タイプ：
- SA387 11CL2および22CL2は、いずれも高温サービス向けの低合金クロム‑モリブデン鋼です。これらはステンレス鋼ではなく、マイクロ合金化された高強度構造鋼の意味でのHSLAでもありません。これらは、意図的にCrおよびMoを添加した耐熱圧力容器合金です。
2. 化学組成と合金化戦略
以下の表は、SA‑387/A387グレード11クラス2およびグレード22クラス2の仕様または一般的な製鋼所の慣行で遭遇する代表的な典型範囲（wt%）を示しています。正確な契約化学は、常に製鋼所の証明書または該当する規格の版から取得する必要があります。
| 元素 | 11CL2（代表的なwt%） | 22CL2（代表的なwt%） |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.08 – 0.35 | 0.08 – 0.35 |
| P (最大) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S (最大) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 0.90 – 1.35 | 2.00 – 2.60 |
| Ni (最大) | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.44 – 0.65 | 0.80 – 1.15 |
| V | 通常は低い / 微量 | 通常は低い / 微量 |
| Nb, Ti, B, N | 微量 / 制御された | 微量 / 制御された |
合金化が性能に与える影響： - クロム（Cr）は酸化抵抗と高温強度を増加させ、硬化性に寄与します。 - モリブデン（Mo）はクリープ強度を増加させ、高温での炭化物を安定化させます。また、Moは硬化性を促進します。 - 炭素は強度を高めますが、過剰な場合は溶接性と靭性を低下させます。両グレードは、室温での靭性と溶接性のバランスを取るために低炭素を維持します。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、強度に寄与します。 - 微量のマイクロ合金元素（V、Nb、Ti）は、少量存在する場合、粒径制御と析出強化に影響を与えますが、SA‑387グレードは主にCr/Mo化学と熱処理によって強化されます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な加工と微細構造： - 圧延または正規化および焼きなましされた場合、両グレードは冷却速度と合金成分に応じて、焼きなましバイナイト/焼きなましマルテンサイト微細構造を発展させます。 - 11CL2（低Cr/Mo）：高温で変態し、焼きなまし後に22CL2と比較してやや粗い炭化物を示す傾向があります。微細構造は中程度のクリープサービスに十分です。 - 22CL2（高Cr/Mo）：高い硬化性を示し、焼きなまし炭化物のより細かい分布を形成し、高温でのクリープと軟化に対してより効果的です。
熱処理の影響： - 正規化および焼きなまし（一般的なルート）：粒径を精製し、靭性と強度のバランスが改善された焼きなましマルテンサイト/バイナイト混合物を生成します。 - 急冷および焼きなまし：より高い強度要件に使用される場合がありますが、両グレードは通常、圧力容器サービスのために正規化/焼きなまし状態で使用されます。 - 熱機械的加工（制御圧延）：粒子精製と析出制御によって降伏強度と靭性を改善できます。合金化のため22CL2でより効果的ですが、厳密なプロセス制御が必要です。 - 溶接後熱処理（PWHT）：多くの圧力用途で必要であり、熱影響部を焼きなましして靭性を回復します。PWHTスケジュールは、厚さ、設計コード、および合金成分に依存します。
4. 機械的特性
以下の表は、標準熱処理条件（正規化および焼きなまし）下での一般的な機械的性能特性の定性的比較を提供します。絶対値は厚さ、正確な化学成分、および熱処理に依存します。最小保証値については、材料証明書および設計コードを参照してください。
| 特性 | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| 引張強度（典型的な挙動） | 中程度 | 高い（高温で改善される） |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い |
| 伸び（延性） | やや高い（室温での延性が良好） | やや低い（強度とのトレードオフ） |
| 衝撃靭性（室温、焼きなまし） | 良好、熱処理に依存 | 良好、適切に処理されれば比較可能だが制御が必要 |
| 硬度（焼きなまし） | 中程度 | 同様の熱処理条件で高い |
これらの違いが生じる理由： - 22CL2の高いCrとMoは、硬化性と温度で強度を維持する安定した炭化物の析出を増加させます。これにより、特にクリープ領域で引張強度と降伏強度が増加しますが、焼きなましと熱処理が最適化されない限り、延性がわずかに低下します。 - 11CL2の低い合金成分は、わずかに良好な溶接性と、しばしば室温での測定された伸びを高くします。
5. 溶接性
主要な溶接性要因： - 炭素当量と硬化性は、冷間割れの感受性と予熱およびPWHTの必要性を支配します。 - 合金成分（Cr、Mo）は硬化性を増加させるため、22CL2は通常、同等の厚さの11CL2よりも保守的な予熱およびPWHTの実践を必要とします。
有用な経験則（定性的に解釈；数値計算は提供されていません）： - 国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - デアデン＆オニールまたはPcm（溶接割れ感受性を表す）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈： - 22CL2は、より高いCrとMoのため、一般的に11CL2よりも高い$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を生成し、より厳しい溶接管理（予熱、インターパス温度、PWHT）を示唆します。 - 両グレードは適切な手順で溶接可能です。一般的な実践は、圧力部品のためにASMEボイラー＆圧力容器コードに従って予熱と必須のPWHTを適用することであり、PWHTの温度と期間は水素誘発および残留応力を緩和し、HAZを焼きなましするために選択されます。
6. 腐食と表面保護
- どちらのグレードもステンレスではなく、両方とも攻撃的な環境で一般的な腐食と局所腐食に対して感受性があります。
- 保護戦略：塗装、エポキシライニング、ポリマーコーティング、亜鉛メッキ（設計温度とサービスに応じて）は、典型的な表面保護方法です。高温酸化/スケール抵抗のために、22CL2のCr含有量は11CL2と比較してやや改善されたスケール抵抗を提供しますが、どちらも腐食性サービスのためにステンレス鋼に取って代わるものではありません。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス鋼には適用されませんが、完全性のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 化学攻撃や高い局所腐食リスクが存在する場合は、耐腐食合金またはクラッディング/ライニングを使用してください。多くのボイラーおよび蒸気用途では、腐食の懸念は基材の腐食抵抗に依存するのではなく、水化学制御によって対処されます。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：両グレードは正規化/焼きなまし条件で容易に加工できます。11CL2のわずかに低い合金成分は、加工の容易さをわずかに向上させる可能性があります。22CL2は、同じ硬度に加工する際により頻繁な工具交換を必要とする場合があります。
- 成形性/曲げ：両方とも正規化状態で供給されると成形可能です。最小曲げ半径と成形温度は、焼きなましされたCr‑Mo鋼の標準的な慣行に従うべきです。22CL2の高い硬化性は、厚いセクションの冷間成形中に割れのリスクを増加させる可能性があります。
- 表面仕上げ：両方とも一般的な仕上げ方法（研削、ショットブラスト、コーティング）を受け入れます。成形または溶接後の熱処理は、靭性と応力要件を満たすためにしばしば必要です。
8. 典型的な用途
| 11CL2（SA387グレード11 CL2） | 22CL2（SA387グレード22 CL2） |
|---|---|
| コストと溶接性が優先される中程度の高温で動作するボイラーおよび炉の部品 | 優れたクリープ強度と長期的な高温安定性が要求される高温部品（過熱器、再加熱器、厚いヘッダー） |
| サービスエンベロープ内で設計温度が低い圧力容器シェルおよび配管 | 発電所および石油化学ユニットにおける厚いセクションおよび高温サービスの圧力部品 |
| PWHTと中程度の強度で十分な経済的な配管およびフィッティング | 高温スプール、厚壁部品、および温度での持続的な応力が高い部品 |
選択の理由： - 操作温度と応力が安全な設計エンベロープ内にある場合、合金コストを最小限に抑え、製造/溶接を容易にすることが望ましい場合は11CL2を選択してください。 - 予想されるサービス要求（高温、高持続応力、厚いセクション）が改善されたクリープおよび高温強度を必要とする場合は22CL2を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：22CL2は通常、より大きなCrおよびMo含有量のため、11CL2よりも材料コストが高くなります。デルタは合金元素の市場価格によって変動します。
- 入手可能性：両グレードは圧力機器用のプレートおよび鍛造品として広く生産されています。製品形状（プレート、鍛造品、パイプ）による入手可能性とリードタイムは、製鋼所のスケジュールと地域の需要に依存します。11CL2は、コストに敏感な用途での広範な使用のため、しばしばより一般的にさまざまなサイズで入手可能です。
10. 概要と推奨
| 基準 | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低い硬化性） | より要求される（高いCr/Mo） |
| 強度 – 靭性のバランス | 中程度の強度；良好な延性 | 高い高温強度；熱処理されれば良好な靭性 |
| コスト | 低い | 高い |
結論と実用的な推奨： - 中程度の高温サービス向けのコスト効果の高いCr‑Mo圧力鋼が必要な場合、溶接を容易にし、合金コストを低く抑え、設計応力と温度がグレード11材料の許容限界内にある場合は11CL2を選択してください。 - アプリケーションが高温でのクリープ抵抗と高い持続強度を必要とする場合（または硬化性が必要な厚いセクション）、より厳しい溶接手順と高い材料コストを受け入れられる場合は22CL2を選択してください。
最終的な注意： - 調達するロットの製鋼所証明書で正確な化学成分と保証された機械的特性を常に確認してください。 - 許容応力、必要なPWHT、および試験のために適用可能な設計コード（ASMEセクションII/コードケース、ASME BPVC、EN規格）に従ってください。選択は、運転温度、圧力、予想される寿命、溶接手順仕様（WPS/PQR）、およびサービス中の検査計画の文脈で行うべきです。