JP2001262284A - 溶接部の耐食性に優れた石炭焚火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼および煙突 - Google Patents
溶接部の耐食性に優れた石炭焚火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼および煙突Info
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Abstract
部の耐食性に優れたクラッド鋼およびこれを適用した高
性能煙突を提供する。 【解決手段】 合せ材が、C:0.02%以下、Cr:
23〜27%、Ni:21〜27%、N:0.1〜0.
3%、Cu:1〜2%、を含有し、更に、MoおよびW
の内の少なくとも1種を、Mo+1/2×W:3.5〜
5.0%(以上、重量%)の範囲内で含有し、残部:実
質的にFeからなり、且つ、次式、Ni−0.6Cr+
1.5(Mo+1/2×W)+7.5Cu+122N≧
45を満足する合金からなり、母材が炭素鋼からなる。
Description
に優れた石炭焚火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼
および煙突、特に、シングルループ型の石炭焚火力発電
プラントにおいて使用可能で、溶接部の耐食性に優れた
低コスト煙突内筒用クラッド鋼、および、このクラッド
鋼によって構築される高性能煙突に関するものである。
環として、石炭燃焼型、即ち、石炭焚火力発電プラント
において使用可能な高耐食性・低コスト煙突内筒用鋼の
開発が検討されている。
は、排ガス中に含まれるSOx、NOx、CO2等による
酸露点腐食およびCl-による孔食,隙間腐食等の局部
腐食が発生することが知られている。この中でも脱硫装
置を簡略化したシングルループ形式の新プラントでは、
Cl-が結露水中に凝縮濃化し、従来の環境よりも更に
高Cl-濃度の使用環境となることが想定されている。
面腐食性に優れ、且つ、高濃度のCl-環境での耐食性
に優れた合金の開発が検討されている。
スフリー化を狙いとして、現在、ハステロイ系等のNi
基合金が一部のプラントで使用されている。
金は非常に高価であることから、大幅なコスト低減を行
なわないと、実プラントに大量に適用することができな
いのが現状である。また、より安価な高合金鋼ステンレ
ス鋼等で対応することは知られているが、これだけでは
とても大幅なコスト減にはならない。
ド化する方法があり、これによって初めて実プラントで
の使用に可能性が出てくる。この方法により合せ材に耐
食性としての機能を持たせ、母材に所要の機械的性質を
持たせることによって、高機能化と大幅なコスト減が可
能となる。
工に伴う耐食性劣化が大きな問題点となる。即ち、溶接
熱影響により合せ材の溶接部近傍において、Cr−Mo
系の金属間化合物や炭化物が析出し、耐食性劣化が起こ
る。この傾向は、母材の強度、靭性の観点から溶体化処
理が行なわれず、且つ、母材の炭素鋼に含まれるCの熱
影響による合せ材への拡散から、クラッド鋼では特に大
きな問題となる。即ち、上記プラントにおいて、クラッ
ド鋼が適用できるか否かの可能性を検討するに当たって
は、溶接熱影響部の耐食性劣化を考慮に入れることが非
常に重要なこととなる。
いては、日本鋼管技報、No.120(1988)、1
5頁や日本鋼管技報、No.127(1989)、12
7頁において、310タイプや高Ni合金クラッド鋼を
対象として報告されている。これらの文献には、合せ材
の低C化やTi、Nb等の添加により、溶接熱影響部の
耐食性劣化を抑制することができることが開示されてい
る。以下、これらの技術を従来技術1という。
に、煙突内の凝結水を模擬した水溶液環境での浸漬試験
等により、種々の新しい合金の開発が行われている。
道および脱硫装置環境での耐全面腐食性と耐隙間腐食性
に優れる合金が、そして、特開平10−237601号
公報には、耐中性塩化物腐食性オーステナイト系ステン
レス鋼(以下、これらを従来技術2という)が開示され
ている。
来技術1は、JISに規定された腐食試験において、耐
食性劣化の有無を調査したものであり、本発明が適用さ
れるプラントのような強酸性環境且つ高濃度のCl-濃
度環境下で、溶接部を含めた耐食性について検討したも
のではない。
耐食性劣化について考慮されておらず、溶接部を含めた
構造体としての使用となると十分な性能は期待できな
い。また、対象とする環境も、この発明に比べてCl-
濃度が低かったり、中性である等、マイルドである。更
に、クラッド化を想定しない合金設計であるので、これ
らの合金をクラッド鋼板の合せ材として使用することは
不可能である。
プ型の石炭焚火力発電プラントにおいて使用可能で、溶
接部の耐食性に優れた低コスト煙突内筒用クラッド鋼お
よびこのクラッド鋼によって構築される高性能煙突を提
供することにある。
ために、本発明者等は、Ni、Cr、Mo、Cu、N等の
成分からなる合金を用意し、この合金からクラッド熱履
歴を模擬した圧延後、200から20℃/minで冷却
したままの供試鋼を調製し、このようにして調製した供
試鋼にV型開先加工後、JIS Z3334に準拠す
る、径1.2mmの625系合金相当の溶接材料を用い
て溶接を施し、作成した溶接部を高濃度のCl-の存在
する硫酸溶液中で浸潰試験を行い、各成分の溶接部の耐
食性に及ぼす影響について調べた。
H2S04+20,000ppmCl -溶液を調整し、8
0℃で24時間浸漬の全面腐食試験を行い、腐食速度と
成分との関係を重回帰分析した。
数Isc(=Ni−0.6Cr+1.5Mo+7.5C
u+122N)を策定し、Isc=45までは溶接部の
耐食性が著しく向上し、Isc≧45で溶接部の耐食性
の効果が飽和することが明らかとなった。図1に腐食速
度とIscとの関係を示す。
ニル製の人工隙間治具を取り付けた溶接部の平板試験片
を用いて、上記腐食試験溶液中での浸潰試験を行い耐隙
間腐食性の評価を行った。この結果、耐全面腐食試験結
果と同様、耐腐食指数Iscが45以上のものは良好な
耐隙間腐食性を示すことが明らかとなった。
合、圧延後の冷却過程における鋭敏化と溶接熱影響部に
よる鋭敏化が懸念されるが、耐腐食性指数Iscが45
以上で、且つ、合金成分が本発明範囲内であれば、溶接
部が良好な耐粒界腐食性を示すことが分かった。
を含めて、硫酸環境における耐全面腐食性および高Cl
-濃度環境下での耐局部腐食性の双方に良好な結果を示
す合金を鋭意検討した。
の成分を調整し、lsc(=Ni−0.6Cr+1.5
Mo+7.5Cu+122N)で表される耐腐食指数を
45以上にすることが有効であることを明らかにした。
たものであり、その特徴は、以下の通りである。
0.02%以下、Cr:23〜27%、Ni:21〜2
7%、N:0.1〜0.3%、Cu:1〜2%、を含有
し、更に、MoおよびWの内の少なくとも1種を、Mo
+1/2×W:3.5〜5.0%(以上、重量%)の範
囲内で含有し、残部:実質的にFeからなり、且つ、次
式、Ni−0.6Cr+1.5(Mo+1/2×W)+
7.5Cu+122N≧45を満足する合金からなり、
母材が炭素鋼からなることに特徴を有するものである。
0.02%以下、Cr:23〜27%、Ni:21〜2
7%、N:0.1〜0.3%、Cu:1〜2%、を含有
し、更に、MoおよびWの内の少なくとも1種を、Mo
+1/2×W:3.5〜5.0%の範囲内で含有し、更
に、B:0.01%以下、Zr:0.5%以下(以上、
重量%)の内の少なくとも1種を含有し、残部:実質的
にFeからなり、且つ、次式、Ni−0.6Cr+1.
5(Mo+1/2×W)+7.5Cu+122N≧45
を満足する合金からなり、母材が炭素鋼からなることに
特徴を有するものである。
a:0.02%以下、Al:0.1%以下、La:0.
04%以下、Ce:0.04%以下、Y:0.1%以下
(以上、重量%)の内の少なくとも1種を含有すること
に特徴を有するものである。
i:0.5%以下、Nb:0.8%以下、Ta:1.6
%以下、V:1.0%以下(以上、重量%)内の少なく
とも1種を含有することに特徴を有するものである。
a:0.02%以下、Al:0.1%以下、La:0.
04%以下、Ce:0.04%以下、Y:0.1%以下
の内の少なくとも1種を含有し、且つ、Ti:0.5%
以下、Nb:0.8%以下、Ta:1.6%以下、V:
1.0%以下(以上、重量%)の内の少なくとも1種を
含有することに特徴を有するものである。
載のクラッド鋼の内の何れか1つのクラッド鋼を内筒に
用いたものからなることに特徴を有するものである。
成分限定の理由を述べる。
冷却の影響および溶接の熱影響によりCr等と結合して
炭化物を生成し、耐食性、特に、粒界腐食性を劣化させ
るため、含有量は少ないほど好ましく、0.02%以下
であれば、耐食性の劣化は少ない。従って、C添加量
は、0.02%以下に限定する。
基本成分であり、一般的に鋼の耐孔食性、耐隙間腐食性
を向上させる元素であるが、23%未満の添加ではその
効果は不十分で、最低23%以上の添加は必要である。
一方、27%を超えて添加すると、溶接熱影響部に生じ
る過度の偏析が抑制できなくなり、耐粒界腐食性を低下
させる。従って、Cr添加量は、23〜27%の範囲内
に限定する。
Cl-共存環境での耐全面腐食性向上に有効な元素であ
り、且つ、強力なオーステナイト相の安定化元素であ
る。この発明の環境で良好な耐食性を確保するために
は、21%以上の添加が必須である。一方、27%を超
えて添加すると、上述のCr、Mo、N等の添加量との
関係からオーステナイトが過度に安定となり、耐高温割
れ感受性に悪影響を及ぼす。従って、Ni添加量は、2
1〜27%の範囲内に限定する。
腐食性の向上に有効な元素であり、0.1%以上の添加
が必要である。しかしながら、0.3%を超えて添加す
ると、溶接時にブローホールが発生し易くなり溶接性を
損なう。従って、N添加量は、0.1〜0.3%の範囲
内に限定する。
共存環境での耐全面腐食性向上に有効な元素であり、1
%以上の添加が必要であるが、2%を超えると効果が飽
和し、高温割れ感受性が高まる。従って、Cu添加量
は、1〜2%の範囲内に限定する。
ン):Mo、Wは、何れも鋼の耐孔食性、耐隙間腐食性
向上に有効な元素である。Mo+1/2×Wが3.5%
末満では効果が不十分である。一方、Mo+1/2×W
が5.0%を超えると、クラッド圧延後の冷却における
鋭敏化が促進され、また、溶接熱影響部における過度の
偏析、FeやCr等との金属間化合物相の形成を抑制す
ることができなくなって、耐粒界腐食性が低下する。従
って、Mo+1/2×Wの添加量は、3.5から5.0
%の範囲内に限定する。なお、MoおよびWの耐食性に
及ぼす効果は、これらの単独添加の場合も複合添加して
も同様である。
u+122N≧45: 前述したように、このパラメーターは、耐食性を示す耐
腐食指数Iscであり、Isc≧45を満足すれば、溶
接部の耐食性、耐隙間腐食性および溶接部の耐粒界腐食
性が向上する。従って、耐腐食指数Iscは、45以上
に限定する。
B、Zrは、合金の製造過程で、熱間圧延後の冷却中で
の析出物の粒界析出を遅らせる効果があり、耐粒界腐食
性向上に効果を発揮するために、少量を添加すると良
い。但し、Bを0.01%、Zrを0.5%を超えて添
加すると、粒界に低融点の化合物が生じやすくなって、
溶接高温割れを生じやすくなる。従って、B添加量は、
0.01%以下、Zr添加量は、0.5%以下に限定す
る。
ム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Y(イッ
トリウム):Ca、Al、La、Ce、Yは、何れも鋼
中において硫化物、酸化物を生成し、脱硫、脱酸作用に
より熱間加工性を改善する効果があるため、任意に添加
することができる。但し、Caは、0.02%、Al
は、0.l%、Laは0.04%、Ceは、0.04
%、Yは、0.l%をそれぞれ超えて添加すると溶接高
温割れ感受性に悪影響を及ぼす。従って、Ca含有量
は、0.02%以下、Al含有量は、0.l%以下、L
a含有量は、0.04%以下、Ce含有量は、0.04
%以下、そして、Y含有量は、0.l%以下に限定す
る。
(タンタル)、V(バナジウム):Ti、Nb、Ta、
Vは、強力な炭化物生成元素であり、鋼中の炭素を安定
な炭化物として固定する働きによって、クロム炭化物の
析出による耐食性劣化を防止する働きがあるため、任意
に添加することができる。但し、Tiは、0.5%、N
bは、0.8%、Taは、1.6%、Vは、1.0%を
それぞれ超えて添加すると、かえって溶接高温割れ感受
性に悪影響を及ぼす。従って、Ti含有量は、0.5%
以下、Nb含有量は、0.8%以下、Ta含有量は、
1.6%以下、V含有量は、1.0%以下に限定する。
る。
o.1〜13と、表2に示す化学成分を有する比較鋼N
o.14〜31とを用意した。
のようにして得られた鋼塊を1150℃に加熱し、分塊
圧延、仕上げ圧延により板厚6mmの鋼板を調製した。
次いで、このようにして調製した鋼板を、低炭素鋼板か
らなる厚さ60mmの母材と組み合わせて60+6mm
のスラブに組み立てた。次いで、このスラブに1250
℃の加熱、900℃の熱間仕上げ圧延を施し、圧延後、
60℃/minの冷却速度で冷却して、20+2mmの
クラッド鋼板の供試材を調製した。
溝幅40mm、開き片側45度(ト一タル90度)のV
型の開先加工を施し、JIS Z3334に準拠する、
径1.2mmの625系合金相当の溶接材料を用いて1
00%C02による炭酸ガス溶接を行った。このときの
溶接条件は、電流160A、電圧25V、溶接速度30
cm/分、1パスであった。
ずつ含む厚さ1.5mm×幅80mm×長さ20mmの
寸法を有する試験片を表層より余盛を削除して採取し
て、下記試験を行なった。
+20,000ppmCl-溶液を用い、80℃で24
時間浸漬して全面腐食試験を行ない、そのときの腐食速
度を測定することにより行なった。
間治具を取り付けた溶接部の平板試験片を用いて、実環
境に近い条件での長期の浸漬試験を行なった。即ち、C
l-:20,000ppm、S04 2-:800ppm、C
a2+:8,400ppm、Mg2+:1,800ppmを
含み、pH5、温度80℃に調整した水溶液に3,00
0時間浸漬して、隙間腐食の発生の有無を評価すること
により行なった。
る相の安定性、析出物の有無と耐食性への影響を判断す
るための粒界腐食試験として、JIS G0572に準
拠した硫酸第二鉄試験、即ち、ストライカー試験を行な
った。
レイン試験により評価した。試験は、ノンフィラーTI
Gで入熱18KJ/cmの溶接を模擬しながら、試験片
に1.0%の曲げ歪みを与え、冷却後に合計割れ長さを
測定することにより行った。
す。
おける本発明鋼No.1〜13による本発明試験片、表
4において、No.14〜31は、表2における比較鋼
No.14〜31による比較試験片を示す。
o.1〜13は、何れも、全面腐食試験での腐食速度
は、7g/m2・h以下であり、良好な耐食性を示し
た。また隙間腐食も生じていない。ストライカー試験に
よる粒界腐食試験でも腐食速度は、1g/m2・h以下
であり、健全な組織を有することが確認された。更に、
バレストレイン試験での耐溶接高温割れ性も問題がなか
った。
片No.31は、耐腐食指数Isc≧45を満足してお
らず、高Cl-濃度環境下での溶接部の耐食性が劣り、
7g/m2.hを超える大きな腐食速度を示す。
もIscは、本発明範囲内の45以上であるが、比較試
験片No.15は、Ni量が本発明範囲を外れて低く、
比較試験片No.21は、Cu量が本発明範囲を外れて
低い。このために比較試験片No.15および21は、
何れも全面腐食試験での腐食速度が7g/m2.hを超
え、耐食性が不十分である。
もIscは、本発明範囲内であるが、比較試験片No.
17は、Cr量が本発明範囲を外れて少なく、比較試験
片No.19は、N量が本発明範囲を外れて少ない。こ
のために耐隙間腐食性が不十分である。
もIscは、本発明範囲内であるが、Mo+1/2×W
量が本発明範囲を外れて少ないために、耐隙間腐食性が
不十分である。
明範囲内であるが、C量が本発明範囲を外れて過剰であ
り、粒界への炭化物析出により耐粒界腐食性が劣る。
明範囲内であるが、Cr量が本発明範囲を外れて過剰で
あり、比較試験片No.24および26は、何れも、I
scは、本発明範囲内であるが、Mo+1/2×W量が
本発明範囲を外れて過剰であり、金属間化合物の析出に
より耐粒界腐食性が劣化している。
れもIscは、本発明範囲内であるが、比較試験片N
o.16は、Ni量が本発明範囲を外れて過剰であり、
比較試験片20は、N量が本発明範囲を外れて過剰であ
り、比較試験片22は、Cu量が本発明範囲を外れて過
剰である。このために、何れも溶接高温割れ感受性を損
なう。
は、何れもIscは、本発明範囲内であるが、比較試験
片No.27は、B量、比較試験片No.28は、Zr
量、比較試験片No.29は、Ca量、比較試験片N
o.30は、Ti量が本発明範囲を外れて過剰であるの
で、何れも耐高温割れ感受性が不十分である。
a、Ce、Y、Nb、Ta、Vが過剰の場合も同様に耐
高温割れ感受性が不十分であることが確認された。
ば、石炭焚火力発電プラント煙突環境下での溶接部の耐
食性に優れたクラッド鋼およびそれらを適用した高性能
煙突を提供することができ、プラントのメンテナンスコ
スト低減等を通じて工業上有用な効果がもたらされる。
の腐食速度の関係を示すグラフである。
Claims (6)
- 【請求項1】 合せ材が、 C:0.02%以下、 Cr:23〜27%、 Ni:21〜27%、 N:0.1〜0.3%、 Cu:1〜2%、 を含有し、更に、MoおよびWの内の少なくとも1種
を、 Mo+1/2×W:3.5〜5.0%(以上、重量%) の範囲内で含有し、 残部:実質的にFe からなり、且つ、下記(1)式、 Ni−0.6Cr+1.5(Mo+1/2×W) +7.5Cu+122N≧45 ---(1) を満足する合金からなり、母材が炭素鋼からなることを
特徴とする、溶接部の耐食性に優れた石炭焚火力発電プ
ラント煙突内筒用クラッド鋼。 - 【請求項2】 合せ材が、 C:0.02%以下、 Cr:23〜27%、 Ni:21〜27%、 N:0.1〜0.3%、 Cu:1〜2%、 を含有し、更に、MoおよびWの内の少なくとも1種
を、 Mo+1/2×W:3.5〜5.0% の範囲内で含有し、更に、 B:0.01%以下、 Zr:0.5%以下(以上、重量%) の内の少なくとも1種を含有し、 残部:実質的にFe からなり、且つ、下記(1)式、 Ni−0.6Cr+1.5(Mo+1/2×W) +7.5Cu+122N≧45 ---(1) を満足する合金からなり、母材が炭素鋼からなることを
特徴とする、溶接部の耐食性に優れた石炭焚火力発電プ
ラント煙突内筒用クラッド鋼。 - 【請求項3】 前記合せ材が、 Ca:0.02%以下、 Al:0.1%以下、 La:0.04%以下、 Ce:0.04%以下、 Y:0.1%以下(以上、重量%) の内の少なくとも1種を含有することを特徴とする、請
求項1または2記載の、溶接部の耐食性に優れた石炭焚
火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼。 - 【請求項4】 前記合せ材が、 Ti:0.5%以下、 Nb:0.8%以下、 Ta:1.6%以下、 V:1.0%以下(以上、重量%) の内の少なくとも1種を含有することを特徴とする、請
求項1または2記載の、溶接部の耐食性に優れた石炭焚
火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼。 - 【請求項5】 前記合せ材が、 Ca:0.02%以下、 Al:0.1%以下、 La:0.04%以下、 Ce:0.04%以下、 Y:0.1%以下 の内の少なくとも1種を含有し、且つ、 Ti:0.5%以下、 Nb:0.8%以下、 Ta:1.6%以下、 V:1.0%以下(以上、重量%) の内の少なくとも1種を含有することを特徴とする、請
求項1または2記載の、溶接部の耐食性に優れた石炭焚
火力発電プラント煙突内筒用クラッド鋼。 - 【請求項6】 請求項1から5記載のクラッド鋼の内の
何れか1つのクラッド鋼を内筒に用いたものからなるこ
とを特徴とする、溶接部の耐食性に優れた石炭焚火力発
電プラント煙突。
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