T91 対 T92 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
T91とT92は、高温発電および石油化学設備で広く使用されている、密接に関連したフェライト-マルテンサイト系クロム-モリブデン（およびタングステン改良）鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、クリープ強度、溶接性、酸化/腐食抵抗、材料コストのトレードオフによって、これらの選択に直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、高度な蒸気条件のためのパイプまたはチューブ材料の選定、昇温サービスのための鍛造またはフィッティング材料の選択、ライフサイクルコストと製造の難易度のバランスがあります。
両者の根本的な違いは合金戦略にあります：T92（いくつかの規格ではP92とも呼ばれる）は、クリープ強度と高温での微細構造の安定性を高めるために、重要なタングステンを代替し、モリブデンと微合金のレベルを調整します。一方、T91は、やや単純な組成でモリブデンに依存しています。この合金の変化は、これらのグレードが部品設計や材料調達で一般的に比較される理由となる、明確な硬化性、焼戻し挙動、適用範囲をもたらします。
1. 規格と指定
- 一般的なASTM/ASME指定：
- T91: ASTM A387 グレード91（板）、A335 グレードP91（シームレスパイプ）、A213 TP91（チューブ） — 一般的にグレード91 / P91として参照されます。
- T92: ASTM A387 グレード92、A335 グレードP92、A213 T92 — 一般的にグレード92 / P92として参照されます。
- 欧州およびその他の規格：
- EN: 同等の9Cr鋼はEN指定の下に現れます（ただし、直接の1対1のEN同等物は限られています）。
- JIS/GB: アジアでよく使用される、類似の化学組成に基づく9Cr鋼のローカル指定があります。
- 鋼の分類: 両者はフェライト-マルテンサイト系の合金鋼であり、ステンレス鋼や工具鋼ではなく、一般的に高強度でクリープ抵抗性のある合金鋼（HSLA/耐熱ファミリー）と見なされます。
2. 化学組成と合金戦略
概要表は、各グレードの典型的な組成範囲を示しています（重量％）。正確な限界は特定の規格/仕様および製品形状に依存します。
| 元素 | T91（典型的範囲、wt%） | T92（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.70 | 0.20–0.50 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.5–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.45–0.65 |
| W | —（微量） | 1.8–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | 微量 | 微量 |
| B | 微量* | 微量* |
| N | ~0.03–0.06 | ~0.03–0.06 |
*ホウ素（B）および窒素（N）は制御元素です。ホウ素は、硬化性とクリープに影響を与えるために非常に少量のppmレベルで使用されます。
合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は酸化抵抗を提供し、フェライトマトリックスを強化します。 - モリブデン（Mo）は固溶強化と炭化物形成によって強度とクリープ抵抗を高めます；T91はT92よりも高いMoを持っています。 - T92のタングステン（W）は部分的にMoの代わりに置き換わり、高温強度を増加させ、高温サービスでの炭化物を安定化させます。 - バナジウム（V）およびニオブ（Nb）は、粒径を細かくし、クリープ強度を改善する安定した炭化物/窒化物を形成します；また、溶接性やHAZ挙動にも影響を与えます。 - 炭素は硬度/靭性のバランスとマルテンサイトの形成を制御します；レベルは、溶接性と強度のバランスを取るために控えめに保たれます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造 - 正規化および焼戻し状態では、両方のグレードが高密度の微細炭化物および炭窒化物（VおよびNbに富む沈殿物）を持つ焼戻しマルテンサイト微細構造を発展させます。焼戻しマルテンサイトのラース構造は、高温サービスに必要な強度と靭性の組み合わせを提供します。 - T92は、タングステンの炭化物安定化効果により、高温でより細かく、より安定した炭化物分布を発展させる傾向があります；これは、設計温度の上限でのクリープ抵抗と焼戻し抵抗の改善に寄与します。
熱処理応答 - 正規化：両方のグレードは、通常、~980–1050 °Cの範囲の温度から正規化（空冷）され、以前のオーステナイトの粒径を細かくします。 - 急冷および焼戻し：通常、700–760 °Cの範囲の温度で正規化後に焼戻しを行うことで、焼戻しマルテンサイトが生成されます。高い焼戻しは硬度を低下させ、靭性を増加させますが、クリープ強度を低下させる可能性があります。 - 熱機械的ルート：制御された圧延および熱機械処理（チューブ/板用）は、粒径と転位密度を細かくします；T92は、W含有量が沈殿速度に影響を与えるため、最適な沈殿物分布を得るために特に注意深い制御が必要です。
4. 機械的特性
機械的特性は、熱処理および製品形状に強く依存します。以下の表は、発電所の部品で一般的に使用される正規化および焼戻し条件の代表的な典型範囲を示しています。
| 特性（典型的、N&T条件） | T91 | T92 |
|---|---|---|
| 降伏強度（0.2%オフセット） | ~350–450 MPa（仕様に基づく典型的最小値 ~415 MPa） | ~400–550 MPa（多くの場合、高い上限範囲） |
| 引張強度 | ~560–700 MPa | ~600–750 MPa |
| 伸び（A%） | ~18–25% | ~15–22% |
| 衝撃靭性（シャルピーV、室温） | 中程度；ノッチおよび熱処理に依存（例：数十Jから>40J） | やや低い条件で比較可能；焼戻しに依存 |
| 硬度（HRC/HB） | 中程度（焼戻し） | 同じ焼戻しでのWによるやや高い傾向 |
解釈： - T92は、T91よりも高温でのクリープ強度と強度の保持を提供するように設計されており、やや高い硬化性と、場合によっては同等の焼戻し条件で比較した際に室温での靭性または延性がわずかに低下することを犠牲にしています。 - 同じ焼戻しレジームで設計された部品の場合、T92はしばしば高い引張強度とクリープ強度を示し、T91は場合によってはやや良好な延性と製造シナリオでの加工の容易さを提供できます。
5. 溶接性
硬化性と溶接に関する考慮事項 - T91とT92の両方は、制御された溶接手順を必要とします：低水素消耗品、予熱、インターパス温度制御、および残留応力を緩和するための溶接後熱処理（PWHT）を行います。 - T92は、より高い硬化性（T92のWは硬化性を増加させる）により、HAZマルテンサイトの亀裂を避けるために、より厳格な予熱およびPWHT制御が必要になる場合があります。微合金元素（V、Nb）および炭素含有量も、水素が存在する場合に硬いHAZおよび冷間亀裂に対する感受性を高めます。
有用な溶接性指数（定性的解釈） - 一般的に使用される経験的指数はIIW炭素当量です： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より高い$CE_{IIW}$は、より大きな硬化性と予熱/PWHTの必要性を示します。 - より包括的な指数は$P_{cm}$です： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$は冷間亀裂感受性を予測するのに役立ちます；より高い値はより高いリスクを示します。
定性的な結果： - 両方のグレードはPWHTを必要とします；T92は、タングステンと調整されたMo含有量が$CE$および$P_{cm}$をわずかに上昇させるため、しばしばより高い予熱と注意深いPWHTスケジュールが必要です。圧力を含む部品に対しては、溶接手順の資格と水素管理が必須です。
6. 腐食と表面保護
- T91もT92もステンレス鋼ではありません；それらはCrによる中程度の高温酸化抵抗を持つフェライト鋼です。蒸気および高温酸化環境では保護酸化物層を形成しますが、サービスに応じて蒸気側の酸化、炭化、硫化に対して感受性があります。
- 表面保護戦略には、コーティング（高温塗料、アルミニウムコーティング）、腐食性媒体用の内部ライニング、定期的な検査が含まれます。環境腐食に対しては、標準的な保護塗装またはメタライジングが一般的です；亜鉛メッキは高温蒸気側部品には一般的に使用されません。
- 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；ステンレスグレードには次の式が使用されます $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ しかし、T91/T92には関連性がありません。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：両者はプレーンカーボン鋼よりも加工が難しいです。T92は、より高いタングステンと硬度を保持する傾向があるため、工具に対してやや硬く、切削速度を低下させ、頑丈な工具が必要です。
- 成形性：冷間成形および曲げは制限されています；部品は通常、正規化された状態で成形され、その後焼戻しされます。深絞りは一般的ではなく、大型鍛造品には熱成形の後に正規化と焼戻しが好まれます。
- 仕上げ：研削および研磨は可能ですが、工具の摩耗は低合金鋼よりも早くなります。成形および溶接後の熱処理は、所望の焼戻しマルテンサイト特性を回復するために不可欠です。
8. 典型的な用途
| T91（典型的な用途） | T92（典型的な用途） |
|---|---|
| 従来型/高度なプラントで中程度から高温の蒸気温度で運転されるボイラー管、ヘッダー、蒸気配管 | 超超臨界/高度なプラントで必要な高いクリープ強度を持つ過熱器および再加熱器の管、ヘッダー、蒸気配管、および部品 |
| 設計温度が約600 °Cまでのプラント用のヘッダー、エルボ、フィッティング | 高温蒸気条件（例：600–650 °C範囲）および長いクリープ寿命要件のための部品 |
| 中程度の高温サービス用の熱交換器チューブ、炉壁 | 新設A-USC部品、昇温クリープ抵抗が優先される重セクションの鋳造/鍛造部品 |
| 供給、コスト、製造の容易さが重要なレガシーシステムの交換部品 | ライフサイクルコストの正当化が高い材料コストを支持する重要な長寿命部品 |
選択の理由： - T91は、製造の簡便さと低い材料コストが望ましい、やや低い温度での多くの発電所アプリケーションでの実績のある性能が必要な場合に選択してください。 - T92は、設計温度、クリープ寿命、および高温での長期強度保持が優先され、調達/製造プロセスがより厳しい溶接および熱処理要件に対応できる場合に選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：T92は、追加のタングステンと厳しい加工管理のため、通常T91よりも高価です。プレミアムは市場や製品形状によって異なります。
- 入手可能性：T91はサービスに長く、歴史的にパイプ、チューブ、板、鍛造品で広く入手可能です。T92の入手可能性は、高度な蒸気プラントの需要の増加に伴い増加しましたが、一部の製品サイズやリードタイムでは依然として制約があるかもしれません。
- 製品形状：両方のグレードは、シームレスおよび溶接パイプ、チューブ、板、鍛造品、フィッティングとして入手可能です；重要な調達については、供給者と入手可能性およびリードタイムを確認する必要があります。
10. 要約と推奨
| 基準 | T91 | T92 |
|---|---|---|
| 溶接性（手順の難易度） | 資格のある低水素手順で良好；T92よりやや容易 | より高い硬化性のため要求が厳しい；より厳格な予熱/PWHT |
| 強度–靭性バランス | 強力で、標準的な焼戻しで良好な靭性 | 高温強度とクリープ抵抗が高い；注意深く処理しないと延性/靭性にわずかなトレードオフ |
| コスト | 低い（一般的に） | 高い（一般的に） |
推奨： - 高温蒸気サービス用の実績のあるコスト効果の高い9Crクリープ抵抗鋼が必要な場合はT91を選択してください。運転温度と必要なクリープ寿命がグレード91の実績のある範囲内に収まる場合、製造の簡便さと入手可能性が重要な場合です。 - 高温サービスの上限範囲で優れた長期クリープ強度と微細構造の安定性が必要な場合（例：高度または超超臨界蒸気条件）、およびより厳しい溶接、熱処理、調達要件に対応できる場合はT92を選択してください。
最終的な注意：両方のグレードは、信頼性が高く長寿命の性能を達成するために、熱処理、溶接手順の資格、および検査の慎重な仕様が必要です。重要な高温部品については、選択プロセスの一環として部品レベルのクリープ試験、供給者の能力評価、およびライフサイクルコスト分析を実施してください。