JP2767009B2 - 高温高圧用鋼及び該鋼を母材とする耐剥離性に優れたオーバーレイステンレスクラッド鋼 - Google Patents

高温高圧用鋼及び該鋼を母材とする耐剥離性に優れたオーバーレイステンレスクラッド鋼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、石油化学、石油精製あ
るいは高温高圧水素環境下で使用される圧力容器用の高
温高圧用鋼及び該鋼を母材とする耐剥離性に優れたオー
バーレイステンレスクラッド鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】石油精製工業における脱硫反応または水
素添加・分解反応などでは、高温高圧状態の水素が取り
扱われるが、これらの反応容器には、モリブデン鋼やク
ロム−モリブデン鋼などの高温用低合金鋼が採用されて
おり、さらに、容器内面には腐食防止のために、通常、
ステンレス鋼がオーバーレイ溶接されている。これらの
反応容器は、高温、高圧下で長期間にわたり使用される
ために、従来使用されている前記鋼材では、耐高温クリ
ープ特性並びに耐焼戻脆化特性が十分とはいえず、耐経
年劣化の点で問題が残されていた。また、従来の高温高
圧用低合金鋼にステンレスをオーバーレイしたクラッド
鋼においては、使用環境の高温化と水素分圧の増大傾向
により、母材と合材との境界層において水素脆化による
剥離が起こり易いという問題も生じてきている。
【0003】一般にオーステナイト系ステンレス鋼は、
水素脆化に対する感受性は小さく、剥離抵抗性に優れて
いると考えられているが、オーステナイト系ステンレス
鋼をオーバーレイしたクラッド鋼の母材と合材の境界層
には、水素脆化による剥離が生じる。その理由は、この
境界層近傍において、合材のステンレス鋼が一般の単体
とは異なった金属組織を形成し、そのオーステナイト結
晶粒が比較的大きくなること、また、さらに、オーバー
レイ後の溶接後熱処理過程で、母材からステンレス鋼へ
の炭素の拡散移行などに起因して、水素脆化感受性が増
大することによると考えられている。この問題を解決す
るために、オーバーレイ溶接材料を変更するか、もしく
は、溶接条件を変化させることが試みられているが、満
足する結果は得られていない。しかし、近年の石油化
学、石油精製、重質油分解あるいは石炭液化などのプロ
セスにおける機器構成材料では、装置の高温高圧化に伴
い、母材の高温性能、耐焼戻脆化特性の改善、およびオ
ーバーレイクラッド鋼の剥離抵抗性の改善が要望されて
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術に鑑みてなされたものであり、その解決すべき課題
として、高温高圧水素環境下で使用される材料におい
て、装置の高温高圧化に伴い、 (1) 母材の高温性能および耐焼戻脆化特性の向上(耐経
年劣化性の向上) (2) オーバーレイステンレスクラッド鋼の水素脆化剥離
抵抗性の改善 という二点が提起されている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、Cr−Mo 鋼
を基本成分とし、V、B、Ti 、Nb の添加により低合
金鋼の高温性能を向上させるとともに、オーバーレイス
テンレスクラッド鋼における水素脆化剥離の原因となる
境界層近傍のステンレス鋼のオーステナイト結晶粒の粗
大化を防止し、かつ溶接後熱処理過程で母材からオース
テナイト鋼へ炭素が拡散移行するのを阻止することによ
って上記課題を解決しようとするものである。
【0006】すなわち、第一の発明は、重量%で、C:
0.05〜0.3%、Cr :0.8〜5.5%、Mo :
0.5〜1.5%、B:0.0005〜0.01%を含
有し、さらに、Ti :0.01〜0.04%、Nb :
0.01〜0.04%の一種または二種を含有し、残部
がFe および不可避的不純物からなる高温高圧用鋼であ
り、第二の発明は、第一の発明の組成にさらにVを0.
1〜0.35%含有させたものである。そして、第三の
発明は、第一または第二の発明鋼を母材とする耐剥離性
に優れたオーバーレイステンレスクラッド鋼である。な
お、本発明の高温高圧用鋼は、Si 、Mn などを不可避
的不純物として極力低減して高純度化することが望まし
く、これにより耐焼戻脆化特性を向上させることができ
る。
【0007】
【作用】次に、本発明鋼の組成の限定理由について述べ
る。C :0.05〜0.3% Cは本発明の低合金鋼の引張強さ、クリープ破断強さを
増大させるのに有効な成分であり、その作用を有効に発
揮させるためには、0.05%以上必要であるが、反
面、炭素含有量の増加は溶接性を劣化させる。特に、過
剰な炭素含有は、溶接時の低温割れおよびSR割れ感受
性を増大させ、さらに衝撃靱性、クリープ延性をともに
低下させる作用を有するために、その上限を0.3%と
した。
【0008】Cr :0.8〜5.5% Cr は、本発明の低合金鋼において、耐酸化性を高める
のに必要な成分であり、また、高温では安定な炭化物を
形成し、クリープ破断強さを増加させる作用を有する。
これらの作用を十分に発揮させるには、Cr を0.8%
以上含有させる必要があるが、5.5%を超えて含有さ
せると、炭化物量が増大し、かつ粗大化してクリープ破
断強さを低下させるので、その上限を5.5%とした。Mo :0.5〜1.5% Mo は、本発明の低合金鋼において、フェライトマトリ
ックス中に固溶し、クリープ破断強さを増大させ、ま
た、炭素と結びついて炭化物を形成し、さらに、クリー
プ破断強さを増大させる作用を有する。この作用を発揮
するためにはMoを0.5%以上含有させる必要があ
る。しかし、その含有量が1.5%を超えると、クリー
プ破断強さは飽和するので1.5%をその上限とした。
【0009】V:0.1〜0.35% Vは、本発明の低合金鋼中に存在するCr およびMo よ
りもCとの親和力が強い強炭化物形成元素であり、クリ
ープ破断強さを向上させる作用を有するとともに、オー
バーレイ溶接後の溶接後熱処理過程で、母材中の炭素と
結合し、これを炭化物(V43)として固定するので、
母材からステンレス鋼へCが拡散移行することを軽減す
る。このVがCと結合してV43を形成し、これにより
Cを固定するためには、Vの含有量を0.1%以上にす
る必要がある。一方、0.35%を超えて含有させる
と、オーバーレイ溶接による母材溶接熱影響部に、溶接
後熱処理過程でSR割れが生じる原因となるので0.3
5%を上限とした。B:0.0005〜0.01% 本発明の低合金鋼中におけるBは、焼入性を向上させる
とともに、クリープ破断強さを増大させる。これらの作
用を発揮させるためには、少なくとも0.0005%以
上含有させる必要があるが、0.01%を超えて含有さ
せると、熱間加工性が著しく阻害されるため、その上限
を0.01%に限定した。
【0010】Ti :0.01〜0.04%、Nb :0.
01〜0.04% Ti およびNb は、本発明のクラッド鋼において、母材
とステンレス鋼の境界層のステンレス鋼側のオーステナ
イト結晶粒を細粒化する作用を有し、この細粒化によっ
て、母材とステンレス鋼の境界層における水素脆化剥離
の抵抗性の改善が認められる。オーバーレイ溶接したオ
ーステナイトステンレス鋼のオーステナイト結晶粒度
は、その溶融金属の核発生−粒成長という凝固形態に支
配される。そして、母材中に含まれるTi およびNb
は、オーバーレイ溶接中に母材とステンレス鋼の境界層
において、高融点の窒化物を形成し、これが溶融ステン
レスの凝固時の核発生箇所となり、境界層のステンレス
鋼側のオーステナイト結晶粒を細粒化する。このオース
テナイト結晶粒の細粒化に必要な窒化物を境界層に形成
するために必要なNb 、Ti の含有量は、0.01%以
上である。一方、Ti およびNb は強力な酸化物、窒化
物形成元素であり、その含有量が増大すると酸化物系お
よび窒化物系介在物が増加し、材料の延性、靱性の低下
の原因となるので、その含有量の上限を0.04%に限
定した。
【0011】また、不可避的不純物は、本願発明では特
に限定していないが、既に述べたように、その含有量を
抑制するのが望ましく、その理由を以下に述べる。不可避的不純物 Si は、通常、脱酸剤として広く用いられているが、本
発明鋼の母材を例えば真空カーボン脱酸法により脱酸す
れば、Si を脱酸剤として用いる必要がなく、むしろ、
Si の存在は真空カーボン脱酸を阻害するので、不可避
的不純物として極力その含有量を抑えることが望まし
い。Mn も一般にSi と同様に脱酸作用を有するが、本
発明の低合金鋼においては、上記したように真空カーボ
ン脱酸の採用が考えられるのでMn による脱酸作用が必
ずしも期待されるものではない。また、本願発明の低合
金鋼においては、Mn は焼戻脆化感受性を増大させる作
用があるため、反応容器として高温にて長期間使用する
と焼戻脆化を起こし、経年劣化するため、Mn は不可避
的不純物として極力その含有量を抑えることが望まし
い。工業的規模のアーク炉による溶解、精錬においては
Si 、Mn の低減にも限度があり、工業的余度を考慮す
れば、Si およびMn の含有量は、いずれも0.1%以
下とすることが望ましい。また、前記した必須成分ある
いは選択成分を除く有害な不可避的不純物、例えばP、
Sなどは極力低減することが望ましく、P、Sの含有量
は、0.008%以下とするのが望ましい。なお、本発
明鋼では、Mn の低減による焼入性の低下は、Bの添加
により補完される。
【0012】
【実施例】表1に示す組成を有する本発明鋼および比較
鋼を溶解し、さらに発明鋼では真空カーボン脱酸によっ
て不純物を極力低減して、それぞれ50kg鋼塊を溶製
した。さらに、これを鍛造して、肉厚300mmの鍛造
板を想定した熱処理を施した。上記処理後に行った、表
1記載の本発明鋼および比較鋼の引張試験と衝撃試験の
結果およびクリープ破断強さを表2に示す。表2から明
らかなように、室温の強度および延性は、本発明鋼と比
較鋼で殆ど差はないが、耐焼戻脆化特性およびクリープ
破断強さは、本発明鋼の方が格段に優れている。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】次に、表1の組成を有する前記鍛造板にS
US347 ステンレス鋼をオーバーレイ溶接後、69
0℃・26時間の溶接後熱処理を施し、厚さ65mm×
幅50mm×長さ110mmのオーバーレイ部を含む各
試験片に機械加工して、剥離割れ試験に供した。試験方
法は、オートクレーブを用い、温度条件375〜575
℃、水素圧条件150kg/cm2 にて、高温高圧水素
環境下に暴露し、空冷後所定時間大気中に放置し、剥離
割れの有無を調査した。
【0016】表3は、その試験結果を示すものである。
同表に示すとおり、本発明のクラッド鋼は575℃の最
高試験温度まで剥離割れは発生していない。一方、比較
材No.7では、450℃の試験温度で、また、比較材
No.8では、500℃の試験温度で剥離割れを生じて
いる。なお、本実施例では、SUS347をオーバーレ
イしたクラッド鋼の水素脆化剥離割れ試験結果を示した
が、SUS309、SUS316などの他のオーステナ
イト系ステンレス鋼をオーバーレイしたクラッド鋼につ
いても、同様の評価試験を行い、いずれも優れた抵抗性
を有することを確認している。
【0017】
【表3】
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明の高温高
圧用鋼によれば、Cr−Mo 鋼を基本成分とし、B、Ti
、Nb を適量含有させ、さらに所望によりVを適量含
有させることにより、高温性能を向上させることがで
き、より高温での使用環境に長期間に亘り、耐えられる
材料を提供することができる。また、オーバーレイステ
ンレスクラッド鋼において、上記高温高圧用鋼を母材と
するので、水素脆化剥離抵抗性が向上し、より高温で、
水素分圧の高い使用環境に耐えられるクラッド鋼を提供
することができる。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.05〜0.3%、C
    r :0.8〜5.5%、Mo :0.5〜1.5%、B:
    0.0005〜0.01%を含有し、さらに、Ti :
    0.01〜0.04%、Nb :0.01〜0.04%の
    一種または二種を含有し、残部がFe および不可避的不
    純物からなる高温高圧用鋼
  2. 【請求項2】 請求項1の組成にさらに、重量%でV:
    0.1〜0.35%を含有する高温高圧用鋼
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載の高温高圧
    用鋼を母材とする耐剥離性に優れたオーバーレイステン
    レスクラッド鋼
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