T91対P91 - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

T91とP91は、高温発電所および産業用蒸気アプリケーションの材料を指定するエンジニアによく出会う2つの名前です。どちらも、昇温で動作する圧力部品に使用される9Cr–1Moクラスのマルテンサイト/フェライト系耐熱鋼の同じファミリーを指しますが、指定や調達の意味合いは異なります。2つの間で決定を下すエンジニアは、通常、意図された製品形状（チューブ対パイプ）、適用されるコードまたは標準、溶接手順の資格、地域の供給チェーンの可用性などの要素を考慮します。

主な実用的な区別は、標準および製品形状に基づくものです：「T91」は通常、チューブの仕様（例：ASME SA‑213）で使用され、一方「P91」はパイプの仕様（例：ASME SA‑335）や一部の地域の命名規則に現れます。冶金的には、彼らは本質的に同じ9Cr–1Mo–V–Nbグレードであり、これが設計や調達において頻繁に比較または同等に扱われる理由です。

1. 標準および指定

• ASTM/ASME:
• ASME SA‑213 T91 — シームレスフェライト合金鋼ボイラー、過熱器、および熱交換器チューブ。
• ASME SA‑335 P91 — 高温サービス用のシームレスフェライト合金鋼パイプ。
• EN / ヨーロッパ:
• EN 10216‑2 / EN 10222グレードは、しばしばX10CrWMoVNb9‑2（材料番号1.4903）として記載される — 比較可能な9Cr鋼のためのヨーロッパの指定。
• JIS（日本） / GB（中国）:
• 単一の直接的なJIS等価物は存在しない; 日本の標準は類似の9Cr鋼をリストすることがありますが、化学的制限や熱処理の実践が異なります。
• 中国のGB標準は、比較可能な9Cr–1MoVグレードを供給します; 地元の指定や熱処理の制限は異なる場合があります。
• 分類: これらの合金は低合金の耐熱鋼（ステンレス鋼ではない）であり、実際にはクリープ耐性のあるフェライト/マルテンサイト鋼として分類されます（強化戦略の観点からHSLAスタイルですが、高温強度のために配合されています）。

2. 化学組成と合金戦略

9Cr–1Moファミリーは、主に酸化および焼戻し抵抗のためのクロム、クリープ強度および固溶体強化のためのモリブデン、炭化物を安定化させ、粒成長を制御するためのV/Nbによる微合金化を通じて、高温強度、クリープ抵抗、および溶接性のバランスを達成します。典型的な組成範囲は業界の実践に従います：

合金戦略が性能に与える影響: - Cr（8–9.5%）は酸化抵抗を高め、焼戻しの安定性と硬化性に寄与します。 - Mo（≈1%）はクリープ強度を高め、回復を妨げます; 長期的な高温特性に重要です。 - VとNbは炭化物および炭窒化物を形成し、微細構造を固定し、高温曝露中の粒成長を妨げ、クリープ破壊寿命を改善します。 - 制御されたCは、マルテンサイト変態および炭化物形成を通じて強度に必要です; 溶接性を維持するために十分に低く保たれます。 - 小さなBは、一部の熱処理でクリープ特性を改善し、NおよびTi/Nbは析出化学を制御します。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造と処理: - 正常化後: オーステナイト化（正常化）された後、制御冷却と焼戻しを経て、焼戻しされたマルテンサイト微細構造が生成されます。微細構造は、焼戻しされたマルテンサイトのラット、分散したM23C6炭化物、および微細MX（V/Nb）炭窒化物で構成されています。 - 正常化 + 焼戻し: 強度と靭性の特性の組み合わせを発展させるための標準的なルート。正常化は有害な相を溶解し、粒構造をリセットします; 焼戻しは強度/靭性を最適化し、炭化物を安定化させます。 - 急冷および焼戻しアプローチ: これらの低合金鋼に対する正常化/焼戻しに類似しています; 急冷の厳しさは過剰な残留オーステナイトを避けるために制御されます。 - 熱機械処理（TMT）: ローリングスケジュールと制御冷却は、以前のオーステナイト粒サイズを精製し、高温強度を犠牲にすることなく靭性を改善できます。 - 応答の違い: T91とP91の間には本質的な冶金的違いはありません — 性能の違いは、製品標準によって指定された正確な熱処理温度/時間および熱機械的履歴に起因します。適切な溶接後熱処理（PWHT）は、焼戻しを復元し、残留応力を緩和するために重要です。

4. 機械的特性

機械的特性は、製品形状、熱処理、および製造者によって異なります。9Cr–1Mo鋼の正常化および焼戻しされたセクションの典型的な範囲は次のとおりです：

どちらが強い/靭性がある/延性があるか: - 実際には、T91とP91は冶金的に同等です; 測定された特性の違いは、熱処理温度、焼戻し時間、およびセクションの厚さによるものです。適切に正常化および焼戻しされた材料は、期待される高温強度と十分な室温靭性を提供します。厚いセクションと不十分な焼戻しは、より高い硬度と低い靭性をもたらします。

5. 溶接性

溶接性の考慮は、炭素当量およびCr、Mo、Vからの高い硬化性に起因します。予熱およびPWHTの必要性を予測するために使用される一般的な指標：

• 国際溶接協会の炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• 冷間割れ感受性の予測のための等価Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈と実践: - 9Cr–1Mo鋼の計算されたCEおよび$P_{cm}$は、通常、炭素鋼に対して中程度から高い硬化性を示します。これは、必須の制御された溶接手順を意味します: 予熱、インターパス温度制限、および焼戻しを復元し、局所的なマルテンサイトおよび残留応力を最小限に抑えるための完全なPWHT。 - T91とP91の両方は、溶接および熱影響部において受け入れ可能な靭性とクリープ性能を達成するために、コード（例：ASME）に従った資格のある溶接消耗品およびPWHTを必要とします。 - 化学組成が類似しているため、T91とP91の溶接性は本質的に同じですが、溶接手順の仕様は製品コード（チューブ対パイプ）および厚さに従う必要があります。

6. 腐食および表面保護

• これらはステンレス鋼ではありません; 腐食抵抗は、Cr含有量による高温での酸化抵抗の改善に制限されています。保護なしで腐食性環境に使用することは意図されていません。
• 一般的な保護: 塗装、高温コーティング、耐火ライニング、および場合によってはサービス前の亜鉛メッキ（温度制限に従う）。蒸気/電力アプリケーションでは、内部の水/蒸気化学制御が通常の腐食制御戦略です。
• PREN式（ステンレス性能用）はT91/P91には適用されませんが、完全性のために: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — この指標はステンレス鋼に適用され、9Cr–1Moフェライト鋼には意味がありません。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性: 中程度の難易度。高い強度と炭化物の存在により、軟鋼と比較して加工性が低下します。鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および適切な切削速度を使用してください。生産作業には炭化物工具が推奨されます。
• 成形性: 限定的; 重要な冷間成形は推奨されません。製造中の熱間加工および制御された圧延が好まれます。完成した正常化および焼戻しされた材料の曲げおよび成形には、慎重なプロセス制御が必要です; 局所的な変形は亀裂を引き起こす可能性があります。
• 仕上げ: 研削および表面処理は標準です; 溶接および加工中の熱入力は局所的な焼戻しを変化させ、後のPWHTまたは局所的な焼戻しを必要とする場合があります。

8. 典型的なアプリケーション

選択の理由: - コンポーネントの形状とコードがASME SA‑213 T91チューブ（例：過熱器コイル）を要求する場合は、チューブ指定と対応するサプライヤーを選択してください。 - 主蒸気/電力配管のためにASME SA‑335 P91に従ってシームレス/高温パイプを指定する場合は、パイプ指定を選択してください。 - 両方の場合において、決定的な技術基準は、運転温度、設計応力/クリープ要件、溶接性/PWHT能力、およびコードの遵守です。

9. コストと可用性

• 相対コスト: 9Cr–1Mo鋼は、合金元素および必要な厳格なプロセス管理のため、一般的な炭素鋼および1¼Cr–Mo鋼よりも高価です。これらの中で、T91/P91はプレミアム低合金グレードです。
• 製品形状による可用性: T91チューブはボイラーおよび熱交換器市場向けに広く生産されています; P91パイプの可用性は主要な産業地域で堅調ですが、リードタイムは異なる場合があります。ヨーロッパの製鉄所は、異なる指定の下でEN等価材料を供給する場合があります; 調達は、ミスマッチを避けるために化学/熱処理要件および正確な標準（ASME対EN）を指定する必要があります。
• 長期リードアイテム: 大口径または厚壁のシームレスP91パイプおよび重い製品は、長いリードタイムがある場合があり、調達の早い段階で計画する必要があります。

10. まとめと推奨

結論: - ボイラー/過熱器/熱交換器チューブを指定または調達する場合、そして支配するコードがASME SA‑213 T91または同等のチューブ製品形状を要求する場合は、T91を選択してください。製品形状、寸法公差、およびチューブ製造の実践が必要な場合はT91を使用してください。 - シームレスパイプ、フィッティング、またはASME SA‑335 P91などのコードの下で圧力部品を指定する場合、または調達および検査プロセスがパイプ製品に向けられている場合は、P91を選択してください。主蒸気ラインおよび圧力配管には、パイプコードおよび溶接手順の資格がP91に記載されている場合にP91を使用してください。

最終的な実用的な注意: 冶金的にT91とP91は同じ9Cr–1Moファミリーを指します; したがって、エンジニアリング設計または調達における決定は、必要な製品形状、適用される標準/コード、および下流の製造および溶接手順によって駆動されるべきであり、認識された材料性能の違いによってではありません。常に正確な化学的制限、必要な熱処理（正常化および焼戻しのパラメータ）、PWHT、および機械的受け入れ基準を購入文書に指定して、再現可能なサービス性能を確保してください。