SA387 Gr11 vs Gr22 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

SA387 グレード 11 およびグレード 22 は、ボイラー、圧力容器、および石油化学設備における高温サービスのために広く指定されている、密接に関連したクロム–モリブデン (Cr–Mo) 圧力容器鋼グレードです。エンジニア、調達マネージャー、および製造業者は、これらのグレードを選択する際に、材料コスト、溶接性、靭性、および高温強度のトレードオフを考慮することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、高蒸気温度にさらされる配管および容器部品、熱交換器、および熱クリープ抵抗と硬化性が重要な部品が含まれます。

2つのグレードの主な違いは、クロムとモリブデンの合金量です：グレード 11 は中程度の高温用に設計された低Cr/Moバリアントであり、グレード 22 は高温での強度とクリープ抵抗を提供するためにより高い Cr および Mo を含んでいます。そのため、Gr22 はより高い長期強度と硬化性が要求される場所で指定され、Gr11 はわずかに低コストで溶接が容易であることが優先される場合に選択されますが、依然として良好な高温特性を提供します。

1. 規格と指定

• 主要な規格と指定：
• ASTM/ASME: SA387 (板) — グレード 11 (通常は Gr11 と略される) およびグレード 22 (Gr22)。関連する配管仕様: ASTM A335/ASME SA335 P11 および P22 (パイプ)。
• EN: 圧力機器用合金鋼に関する EN 規格には比較可能な合金が存在します (選択にはクロスリファレンスが必要です。直接の一対一のマッピングは正確ではありません)。
• JIS / GB: 日本および中国の規格には、類似の 1.25Cr–0.5Mo および 2.25Cr–1Mo ファミリーがありますが、同等性については国の指定を確認してください。
• 分類: SA387 Gr11 および Gr22 は、昇温サービスに使用される合金鋼 (Cr–Mo フェライト鋼) です。これらはステンレス鋼、炭素鋼、または現代的な意味での HSLA ではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、SA387 Gr11 および Gr22 に一般的に関連付けられる典型的な組成範囲を示しています。これらは業界の実践と標準のクロスリファレンスからの代表的な範囲です。正確な値については、常にミルテスト証明書で確認してください。

合金戦略が挙動に与える影響： - クロムは硬化性、温度での強度、および酸化抵抗を増加させます。Gr22 の高い Cr は、Gr11 よりも高温強度とクリープ抵抗を高めます。 - モリブデンはクリープ強度と硬化性に寄与します。Gr22 の高い Mo はその効果を増幅します。 - 炭素、マンガン、およびシリコンは基礎強度と硬化性を設定します。炭素は強度を上げますが、過剰であると溶接性と靭性を低下させる可能性があります。 - 微量合金 (V, Nb, Ti) は粒径を細かくし、意図的に存在する場合にはクリープ強度を改善することがありますが、典型的な SA387 板は一般的に Cr–Mo バランスに依存しており、重い微量合金には依存していません。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 正規化およびテンパー (または焼入れおよびテンパー) 状態では、両方のグレードはフェライトマトリックスであり、冷却速度と合金含有量に応じてテンパーされたマルテンサイトまたはベイナイト成分を持ちます。Gr11 は硬化性が低いため、適切な熱処理を施すと細かいテンパーされたマルテンサイト/ベイナイトを形成する傾向があります。Gr22 はより高い合金含有量を持ち、より高い硬化性を達成し、同様の冷却後により多くの硬化可能な微細構造を保持します。

熱処理経路と効果： - 正規化: 粒径を細かくし、微細構造を均一化します。両方のグレードは、テンパー前に靭性を改善するために正規化から利益を得ます。 - 焼入れおよびテンパー (Q&T): 高強度を目的とした SA387 板の場合、Q&T 経路は降伏強度と引張強度を増加させます。テンパーは残留応力を低下させ、靭性を改善します。Gr22 は、より高い Cr–Mo 含有量により、同等のテンパー温度でより高いテンパー強度を達成します。 - 熱機械処理: 制御された圧延と加速冷却は、さらに粒径を細かくし、靭性を改善することができます。効果は両方のグレードで概念的に類似していますが、Gr22 の高い硬化性は微細構造制御を冷却速度に対してより敏感にします。

実用的な注意点： - テンパー温度の選択は、高温強度と靭性のバランスを取るために重要です。過度のテンパーは強度を低下させ、過少のテンパーは脆いマルテンサイトを残す可能性があります。Gr22 は、クリープと靭性の両方の目標を満たすために慎重なテンパーが必要なことがよくあります。

4. 機械的特性

機械的性能は、熱処理、厚さ、および試験温度に依存します。以下の表は、正確な保証値ではなく、定性的な比較と典型的な方向性の挙動を示しています。プロジェクトの仕様とミル証明書が契約値を支配します。

これらの違いが生じる理由： - Gr22 の高い Cr および Mo は、硬化性とテンパー硬化応答を増加させ、より高い強度と硬度を生み出します。しかし、硬化性の増加は延性を低下させる傾向があり、特に厚いセクションや不適切な熱処理の場合には均一な靭性を達成することがより要求される可能性があります。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項には、炭素含有量、硬化性、および熱影響部 (HAZ) におけるマルテンサイト形成を促進する合金元素の存在が含まれます。

主要な概念と予測式： - 炭素当量式を使用して、予熱および溶接後熱処理 (PWHT) の必要性を推定します。一般的に使用される炭素当量式は次のとおりです： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 構造鋼に対するより保守的なパラメータは、溶接性パラメータ $P_{cm}$ です： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

SA387 に対する定性的な解釈： - Gr22 はより高い Cr および Mo を持ち、Gr11 に対して $CE_{IIW}$ および $P_{cm}$ を増加させます。これは、Gr22 が適切な予防策なしに溶接された場合、HAZ 硬化および潜在的な冷間割れに対してより敏感であることを意味します。 - 実用的な影響： - 厚いセクションや低い周囲温度では、両方のグレードに対して予熱が必要なことが多いですが、Gr22 は通常、より高い予熱と厳格な管理が必要です。 - PWHT (応力緩和テンパー) は、高温で使用される Cr–Mo 鋼に対して、HAZ をテンパーし、クリープ抵抗を回復させるために一般的に義務付けられています。PWHT 温度と保持時間は通常、コード (例: ASME) およびサービス要件によって定義されます。 - 低水素溶接消耗品と認定手順を使用し、過度の HAZ 硬度を避けるために、インターパス温度と熱入力を制御します。

6. 腐食と表面保護

• Gr11 および Gr22 はどちらも非ステンレス合金鋼であるため、大気、化学、または海洋腐食環境に対して表面保護が必要です。
• 典型的な保護戦略：
• 塗装/コーティングシステム (エポキシ、ポリウレタン、火災保護用の膨張性)。
• ホットディップ亜鉛メッキは一部の製品形状に対して可能ですが、高温サービス要件やコードで義務付けられた PWHT との互換性がない場合があります。
• 埋設または海洋環境で使用する場合は、陰極保護。
• ステンレス指標: PREN は Cr–Mo フェライト合金鋼には適用されません。なぜなら、PREN はオーステナイト系ステンレス鋼の腐食抵抗に適用されるからです： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 明確化: Gr22 は Gr11 よりも高い Cr および Mo を持っていますが、絶対的な Cr レベル (~2–2.25%) はステンレスグレードのレベルを大きく下回ります。これは、高温での酸化およびクリープ抵抗を改善しますが、ステンレス鋼と比較して一般的な腐食抵抗を大幅に付与するものではありません。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性: 両方のグレードは他の中程度の合金鋼と同様に加工されます。Gr22 は、より高強度のテンパーで供給される場合、わずかに硬く、加工性が低くなる可能性があります。工具および切削パラメータは硬度に基づいて調整する必要があります。
• 成形性/曲げ: 延性は正規化/テンパー状態での成形に適しています。Gr11 はやや高い延性のため、より許容される傾向があります。冷間成形の場合は、硬度とテンパーを確認してください。複雑な形状には熱間成形が必要な場合があります。
• 表面仕上げ: 研削および仕上げ作業は簡単ですが、テンパーや表面硬化を避けるために熱生成に注意が必要です。
• 製造後の熱処理: 溶接または大きく冷間加工された部品は、通常、高温サービスの機械的およびクリープ要件を満たすために PWHT を必要とします。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 設計温度と必要なクリープ/破壊強度が Gr11 の能力内にある場合、溶接の容易さとコスト管理が重要であり、中程度の高温性能が十分な場合は Gr11 を選択してください。 - 長期的な高温強度、クリープに対する抵抗、および温度でのより高い許容応力が、より高い合金コストと厳格な製造管理を正当化する場合は Gr22 を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: Gr22 は一般的に Gr11 よりも高価です。なぜなら、より高い Cr および Mo 含有量があるからです (Mo は高価な合金元素です)。価格プレミアムは、市場の Mo および Cr の価格および形状 (板、パイプ、鍛造) に依存します。
• 入手可能性: 両方のグレードは一般的に板およびパイプミルによって生産されます。Gr22 は一部の製品サイズや特殊形状ではやや入手しにくい場合がありますが、両方とも広範な産業供給を持つ標準合金カテゴリです。調達はリードタイムを確認し、熱処理および機械試験結果のミル証明書を確認する必要があります。

10. 概要と推奨

概要表 (定性的)：

推奨事項： - 中程度の高温サービス用のコスト効果の高い Cr–Mo 合金が必要な場合、溶接および製造が容易であり、設計温度とクリープ要件が Gr11 の能力内にある場合は SA387 Gr11 を選択してください。 - 高温での長期的な引張強度とクリープ強度、厚いセクションのためのより高い硬化性、またはコード/温度制限がより高い合金含有量を指定する場合は、SA387 Gr22 を選択してください。

最終的な実用的アドバイス： - 購入文書において、必要な熱処理条件、PWHT パラメータ、および受け入れ基準 (機械試験、必要な温度での衝撃エネルギー) を正確に指定してください。 - ミルテストレポートを要求し、選択したグレードと厚さに対して溶接手順 (予熱、インターパス、消耗品、PWHT) が認定されていることを確認し、意図したサービス性能を達成してください。