SA537 Cl1 対 SA516 Gr70 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

SA537クラス1およびSA516グレード70は、広く使用されている炭素鋼圧力容器板の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、コスト、溶接性、機械的性能のトレードオフを考慮しながら、これらの選択を行います。たとえば、厚く高ストレスの部品に対して材料の靭性を優先するか、通常のタンクやボイラーのために材料と加工コストを最小限に抑えるかということです。

これらのグレードの主な実用的な違いは、適用関連条件における破断靭性の挙動です。1つのグレードは、特に厚い部分でより高く、一貫した衝撃靭性を提供するように指定され、処理されます。一方、もう1つは、経済的な製造性と良好な溶接性を強調した広く入手可能なボイラー/圧力容器板です。両方とも圧力を保持するサービスを目的とした非ステンレス炭素鋼であるため、コスト、靭性、溶接後の特性をバランスさせる必要がある場合、溶接された容器、配管部品、貯蔵タンクの設計時にしばしば比較されます。

1. 標準および指定

• SA537クラス1: ASTM A537 / ASME SA-537の下で指定されています — 「圧力容器板、熱処理、炭素鋼」。クラス1は圧力容器用であり、通常、熱処理と靭性制御の強化が必要です。
• SA516グレード70: ASTM A516 / ASME SA-516の下で指定されています — 「圧力容器板、炭素鋼、中温および低温サービス用」。グレード70は圧力容器およびボイラーで最も一般的に使用されるグレードです。

クロスリファレンスおよび地域標準: - EN: 比較可能な高靭性および圧力容器鋼が存在します（例: EN10028シリーズ）が、直接の1対1の同等性は機械的および化学的データによって確認する必要があります。 - JIS/GB: 地域の同等品が利用可能です。ユーザーは正確な特性および資格要件について地元の標準を参照する必要があります。

分類: SA537クラス1およびSA516グレード70は、炭素/低合金鋼（ステンレスではなく、工具鋼でもなく、HSLAでもないが、SA537は組成制御と熱処理によって高強度/靭性を実現するように設計されることがあります）です。

2. 化学組成および合金戦略

両グレードは、トランプ元素および不純物レベルに厳しい制御がある基本的な炭素-マンガン鋼です。設計哲学は異なります: SA516グレード70は広範な製造性と溶接性を最適化しているのに対し、SA537クラス1は化学成分と熱処理を通じてより予測可能な靭性を達成するように制御されています。

表: 一般的な元素の定性的存在

元素	SA537クラス1（定性的）	SA516グレード70（定性的）
C（炭素）	制御されている; 成形性と強度のバランス	制御されている; 溶接性のためのやや保守的な限界
Mn（マンガン）	硬化性と強度制御を提供するために存在	存在; 主な強度調整元素
Si（シリコン）	少量存在（脱酸）	少量存在（脱酸）
P（リン）	厳しく制限されている（低不純物）	厳しく制限されている（低不純物）
S（硫黄）	厳しく制限されている（低不純物）	厳しく制限されている（低不純物）
Cr, Ni, Mo（Cr/Ni/Mo）	一般的に最小限または不在; 微量として制御される場合がある	一般的に最小限または不在; 通常は合金化されない
V, Nb, Ti（微合金化）	クラス1用に意図的に合金化されることは通常ない; 一部の製鋼所では細かい制御が使用される場合がある	通常は意図的に追加されない
B（ホウ素）	一般的には使用されない	一般的には使用されない
N（窒素）	残留制御; 低く保たれる	残留制御; 低く保たれる

合金化が特性に与える影響: - 炭素とマンガンは主に強度と硬化性を決定します。炭素が高いほど強度は増しますが、溶接性と靭性は低下します。 - シリコンは主に脱酸剤であり、強化効果は限られています。 - 低リンおよび低硫黄は靭性を改善するために強制されています。 - 重要なCr/Ni/Moの不在は、両者が靭性の向上のために合金化ではなく、加工および熱処理に依存していることを意味します。

3. 微細構造および熱処理応答

典型的な微細構造: - SA516グレード70: 圧延または正規化された板で、フェライト-パーライトの微細構造を持っています。機械的特性は、圧延後の制御冷却によって主に達成されます。微細構造は比較的均一ですが、冷却速度が粗い特徴をもたらす場合、厚い部分で靭性の低下が発生する可能性があります。 - SA537クラス1: より細かく均一な微細構造と、板の厚さ全体で一貫した衝撃靭性を確保するために、供給時に熱処理（しばしば焼戻し/正規化または同等）されています。微細構造もフェライト-パーライトですが、粒径と不純物の清浄度に対する制御が厳密です。

熱処理応答: - 正規化/精製: 両グレードは、一般的に靭性を改善する粒子の精製によって正規化に応答します。SA537は、仕様によって要求される場合、通常は正規化またはその他の熱処理が施されて供給されます。 - 焼入れおよび焼戻し: 標準供給形態としてはどちらにも典型的ではありません。使用される場合、Q&Tは強度を大幅に増加させますが、靭性と溶接性を変えるため、再設計と再認定が必要です。 - 熱機械制御加工（TMCP）: 強度と靭性のバランスを改善できます。一部の現代のSA516またはSA537の製造者は、特性を調整するために制御圧延/TMCPを使用する場合がありますが、最終ユーザーは認証を確認する必要があります。

実際には、SA537クラス1の仕様と供給ルートは、より経済的なSA516グレード70に対して、より高く予測可能な靭性を確保するために、後処理および熱処理の制御を強調しています。

4. 機械的特性

製造された数値データを避ける必要があるため、以下の表は絶対値ではなく、比較的なアプリケーション関連の記述子を提供します。

表: 比較機械的特性（定性的）

特性	SA537クラス1	SA516グレード70
引張強度	比較可能またはやや高い（製鋼所の実践に依存）	圧力容器板の典型的な値; 確立されたベースライン
降伏強度	比較可能; 熱処理によって調整可能	設計コードで使用される標準化されたグレードレベル
伸び（延性）	良好に比較可能; 厚い部分で維持される	典型的な板厚で良好; 非常に厚い部分では減少する可能性がある
衝撃靭性（シャルピー）	特に厚さを通じておよび低温で、より高く一貫して制御される	多くのアプリケーションで良好; 厚さと温度によって変動する可能性がある
硬度	中程度; 溶接性の問題を避けるために制御されている	中程度; 通常は供給状態のSA537に類似

解釈: - SA537クラス1は、板の厚さ全体でより高く信頼性のある衝撃靭性を確保するために指定され、供給されており、破断抵抗が重要な場合に好まれます。 - SA516グレード70は、良好な全体的機械的特性を提供し、多くのボイラーおよび圧力容器の業界標準です。最も要求の厳しい靭性要件が課されない場合に、コスト効果の高い性能を提供します。

5. 溶接性

溶接性は、炭素含有量、炭素当量（硬化性）、厚さ、および微合金化に依存します。

溶接性を評価するために一般的に使用される有用な公式: - 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）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的な溶接性の解釈: - SA537クラス1およびSA516グレード70は、必要に応じて前加熱制御を提供するために、低から中程度の炭素当量で設計されています。 - SA516グレード70は、典型的な工場の実践において堅牢な溶接性で広く認識されています。一般的な溶接プロセスに対して寛容です。 - SA537クラス1は、しばしば高靭性のために指定され（時には厚い部分ややや高い強度要件で供給されることもあります）、熱影響部での硬化を避け、溶接されたアセンブリで必要な衝撃靭性を確保するために、より保守的な溶接手順（適切な前加熱、インターパス温度制御、および指定された場合の溶接後熱処理）が必要になる場合があります。 - 微合金化および高硬化性元素（存在する場合）は、前加熱の必要性を増加させます。どちらのグレードも、溶接性を劇的に低下させるような重要な合金化を通常は含みません。

実際には、板の厚さと必要な溶接後の靭性に基づいて溶接手順（WPS/PQR）、前加熱、およびPWHTを指定し、溶接消耗品および手順の資格のためにCE/Pcm計算を参照してください。

6. 腐食および表面保護

• SA537クラス1およびSA516グレード70は、いずれもステンレスではありません。腐食抵抗は炭素鋼の典型的なものであり、均一腐食、塩素環境でのピッティング、高温での酸化に対して感受性があります。
• 一般的な保護方法: 塗装およびコーティングシステム、亜鉛メッキ（サービスおよび形状に適した場合）、埋設または浸漬構造物のための陰極保護、攻撃的な流体のための表面処理（例: エポキシライニング）。
• PRENはこれらの非ステンレス鋼には適用されません。参考までに、ステンレス材料に使用されるPREN公式は次のとおりです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ このような指数は、ステンレス合金を評価する際にのみ使用してください。炭素鋼の場合は、保護コーティングに焦点を当て、腐食許容の設計を行ってください。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断および加工: 両グレードは中程度の強度の炭素鋼と同様に加工されます。硬度および微細構造の精製に基づいてわずかな違いが生じる可能性がありますが、SA537の厳密な靭性制御は通常、加工性に悪影響を与えません。
• 曲げおよび成形: 両者は標準的な板厚範囲で成形可能です。SA537の高い靭性要求および潜在的な熱処理条件は、特定の厚さに対する冷間成形に制限を課す可能性があります。供給者データに対して曲げ半径を確認してください。
• 仕上げ: 両者は表面処理およびコーティングを受け入れます。溶接および仕上げのために酸化物および脱炭層に注意を払う必要があります。

製造プランナーにとって、主な結果はプロセス制御です: SA537は、熱処理および溶接後の手順の厳格な制御と文書化を必要とする場合がありますが、SA516グレード70は多くのケースでよりシンプルでよく特性化された製造経路を提供します。

8. 典型的な用途

SA537クラス1（典型的な用途）	SA516グレード70（典型的な用途）
高い整合性を必要とする圧力容器で、より高く文書化された靭性および破断抵抗を要求するもの（例: 重要な石油化学容器、高圧反応器）	ボイラー、標準圧力容器、低から中圧のタンクおよび熱交換器
厚い部分で衝撃靭性が重要な容器または部品	コストと入手可能性が主な要因である溶接容器の一般的な製造
より厳しいコードまたは資格要件がある部品（靭性要件を伴う低温サービス）	貯蔵タンク、配管スプール、および確立された溶接手順が十分な製造部品

選択の理由: - 設計FEA、破断力学、またはコード要件がより高い保証された靭性を要求する場合、または部品が厚く低温または高残留応力にさらされる場合は、SA537クラス1を選択してください。 - SA516グレード70は、コスト効果が高く、良好な溶接性を持つ広く入手可能な板を選択してください。

9. コストと入手可能性

• SA516グレード70: 一般的により経済的で、より広範な厚さと形状で在庫されています（圧力板用のコイルはあまり一般的ではなく、板およびカットサイズは容易に入手可能です）。標準圧力容器製造のための強力な供給チェーン。
• SA537クラス1: より厳密な化学制御、指定された熱処理、および認証されたクラス1板のためのより限られた生産者基盤により、通常は単位コストが高くなります。大きなサイズや厳しい靭性要件の場合、リードタイムが長くなる可能性があります。
• 両者は主要な製鋼所から入手可能ですが、調達は納期、認証要件（製鋼所試験報告書、衝撃試験記録）、および追加の溶接後熱処理または完全なNDEが必要かどうかを考慮する必要があります。

10. 概要と推奨

表: 簡単な定性的要約

指標	SA537クラス1	SA516グレード70
溶接性	良好ですが、厚い部分にはより厳格なWPSが必要な場合があります	非常に良好; 標準手順で広く溶接可能
強度-靭性バランス	厚い部分で特に高く、一貫した靭性のために最適化されています	一般サービスに対して良好なバランス; 靭性は厚さに敏感になる可能性があります
コスト	高い（厳密な制御、熱処理）	低い（経済的、広く生産されている）

推奨: - 設計が厚さ全体で保証された高い破断靭性を必要とする場合（例: 重要な圧力容器、低温サービス、厚い部分）、またはコード/認証がそのクラスを要求する場合は、SA537クラス1を選択してください。 - ボイラー、中圧容器、および標準的な靭性と溶接性が十分な一般的な製造に必要なコスト効果の高い、よく理解された板が必要な場合は、SA516グレード70を選択してください。

最終的な実用的な注意: - 特に靭性または低温性能が必要な場合は、実際の板バッチの製鋼所試験報告書および衝撃試験証明書を常に要求してください。 - 必要な溶接手順、前加熱、およびPWHTを事前に確認してください。厚い板および高靭性仕様は、プロセス要件を駆動し、原材料の価格よりもプロジェクト全体のコストに影響を与えることがよくあります。 - 疑問がある場合は、コード条項（ASME、EN、または地域コード）を参照し、材料供給業者と早期に連携して、材料供給ルート（TMCP、正規化、熱処理）を設計意図に合わせて調整してください。