JP3293022B2 - ガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙道用溶接構造用鋼 - Google Patents
ガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙道用溶接構造用鋼Info
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Description
ラー煙突・煙道の濃厚電解質溶液腐食環境で優れた耐食
性を示すガス切断性に優れた天然ガス焚きボイラー煙突
・煙道用溶接構造用鋼に関する。
た燃焼排気ガスは、脱硫装置、脱硝装置、電気集塵機、
空気予熱器、煙道等の設備を通って煙突に至り、大気中
へ放出される。従来、煙突や煙道の内面には筒身を保護
するためにキャスタブル等の無機系材料を主体としたラ
イニングが施されている例(三菱重工技報、Vol.2
7、No.5、1990−9)が主流であった。
耐硫酸露点腐食低合金鋼を煙突内筒や煙道に適用する例
も多い(新日本製鐡株式会社カタログ、耐硫酸露点腐食
鋼S−TEM Cat.No.AC107 ’92.7
版)。また同様に、メンテナンスフリー化を目的とし
て、煙突用ライニング材として優れた耐食性を有するオ
ーステナイト系ステンレス鋼が開発され(新日本製鐡株
式会社カタログ、耐硫酸露点腐食ステンレス鋼YUS2
60 Cat.No.SS109 ’91.1版)、実
用化されている。
排気ガスの濃縮水腐食環境において優れた耐食性を示す
鋼板を提供することを目的として、特開平6−1582
32号公報において、Crを7〜13%、Tiを0.0
05〜0.1%含有する耐濃縮水腐食性に優れた鋼板を
提案した。さらに、本発明者らは、脱硝設備を有するL
NG焚きボイラーで懸念される酸性硫安腐食環境におい
て優れた耐食性を示す鋼板を提供することを目的とし
て、特願平6−29348号において、Crを4〜9
%、Tiを0.005〜0.1%含有する耐食低合金鋼
を提案した。
おいて、従来の石炭・石油焚きに加えてLNG等の天然
ガス焚きが増えている。天然ガスは、石油・石炭に比べ
て含有硫黄分が著しく少なく、燃焼排気ガス中の水分含
有量が高いことが特徴であり、クリーンエネルギーの一
つと称されている。
道における腐食環境は、従来の燃料中のSに起因する硫
酸露点腐食環境ではない新たな腐食環境に変化している
ことが推定された。
ボイラー排気ガス系統の腐食環境は、大別して3種類に
分類されることが判明した。第一は、燃焼排気ガスが水
露点温度以下になった場合に生じる濃縮水による腐食で
あり、第二は、脱硝設備がある場合の酸性硫安による腐
食であり、第三は、水露点濃度以上の温度において付着
物中の含有水分中に腐食性物質が溶解した濃厚電解質溶
液による腐食である。
塩化物イオン濃度レベルであり、前記第一の腐食環境で
は高々0.1g/100gH2 O程度であるのに対し
て、前記第三の腐食環境では、ほぼ飽和溶解濃度(約2
7g/100gH2 O、90℃)となる。
に調査した結果、煙道・煙突の腐食環境は、1)ボイラ
ーの起動・停止時、2)定常運転時に大別され、鋼材の
腐食に影響する環境は、前記2)であることが判明し
た。この場合、内面温度は100℃付近となるため、前
記1)で生じる燃焼排気ガス中の水分の結露は生じず、
前記第三の腐食環境が支配的な環境であることが判明し
た。
グによると、従来の硫酸露点腐食環境では、煙道内の付
着物のpHが0.6〜1.6と極めて低いことが記され
ている。一方、天然ガス焚きの煙道内に生じる濃厚電解
質溶液のpHは3.5〜5.5と前記pHよりも高く、
その腐食性は硫酸露点腐食環境と比較すると穏やかでは
あるものの、溶接構造用圧延鋼材(JIS SM490
など)の無塗装使用では耐食性が不足するため適用でき
ないことが、本発明者らの調査で明らかになった。
合金鋼や耐硫酸露点腐食ステンレス鋼は、何れも石油・
石炭焚きで懸念される硫酸露点腐食対策として提案され
たもので、天然ガス焚きの煙突・煙道において適用した
場合、下記の課題が生じている。
料でライニングする方法では、排ガス中の腐食性成分や
熱によるライニングの経年劣化が生じるため、劣化状況
に応じたメンテナンスが必要となり、相当の費用と期間
を要している。また、メンテナンスによるプラントの操
業停止により、多大の損失を招くこともある。
内面への適用では、燃料の天然ガス化に伴い、腐食環境
が前記のように硫酸露点腐食環境から濃厚電解質溶液腐
食環境へ変化したため、硫酸露点腐食環境において生成
する保護性の皮膜が生成しないので、十分な耐食性を発
揮しないといった課題があった。
鋼でライニングする方法では、コストが高いといった課
題があった。
案した耐濃縮水腐食性に優れた鋼板や、特願平6−29
345号で提案した耐酸性硫安腐食性に優れた耐食低合
金鋼では、Cr添加量が比較的高いためにガス切断が難
しく、プラズマ切断やパウダー切断を必要としているた
め、加工コストが普通鋼や前記の耐露点腐食低合金鋼等
に比べて高くなるといった課題があった。また、煙道・
煙突といった強度部材に適用する場合、Crをそれぞれ
7〜19%(特開平6−158232号公報)、4〜9
%(特願平6−29348号)含有するため、溶接部に
マルテンサイトが生成してHAZ硬さが上昇するので、
溶接部の靱性が劣化するという課題があった。
C、Cr+α(α;Cu、Ni、Mo)系鋼として、ス
テンレス鋼より安価で、かつ溶接構造用圧延鋼材に比し
て2倍以上の耐孔食性を示し、かつ耐濃縮水腐食性に優
れた鋼板や耐酸性硫安腐食性に優れた耐食低合金鋼に比
較して溶接性およびガス切断性に優れた天然ガス焚き煙
突・煙道用溶接構造用鋼を提供することを目的とするも
のである。
とするところは下記のとおりである。 (1)重量(%)で、C:0.01〜0.10%、S
i:0.01〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、
P:0.025%以下、S:0.010%以下、Cr:
3.5〜6.5%、Al:0.005〜0.10%、
O:0.0040%以下、N:0.0080%以下を含
み、かつCu、NiおよびMoの1種または2種以上の
合計:0.05〜2.0%を含み、 Pcm2≦0.70 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなること
を特徴とするガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙
道用溶接構造用鋼。
0.1%、V:0.005〜0.1%、Ti:0.00
5〜0.05%、Ta:0.001〜0.1%、RE
M:0.0003〜0.10%、Ca:0.001〜
0.06%、Zr:0.0002〜0.10%のうち1
種または2種以上を、さらに含有することを特徴とする
前項(1)記載のガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突
・煙道用溶接構造用鋼。
における限定理由を説明する。
C、Si添加、低P、Cr:3.5〜6.5%、Al添
加、O:0.0040%以下、N:0.0080%以
下、Cu、NiおよびMoの1種または2種以上の合
計:0.05〜2.0%の成分からなることが必須であ
る。
量を抑制し、カソード活性サイトを減少させる効果と、
低〔S〕、低〔Mn〕化によってCl - イオン等の腐食
性アニオンに対するFeおよびCrの含水酸化物からな
る皮膜の抵抗性を弱めるMnS生成の抑制と、中〔C
r〕化による鋼表面の保護皮膜の形成の効果、およびC
u、NiまたはMoが前記保護皮膜中に濃縮することに
より保護皮膜が一層緻密になる効果の相乗効果により、
鋼板自身の耐孔食性が向上し、他の防食措置を施すこと
なく、天然ガス焚き煙突・煙道における腐食環境で優れ
た耐孔食性を示し、さらに、Al、Siを必須元素とし
て溶鋼の脱酸を十分行い、鋼中のガス成分(O、N)を
極力低減することにより切断面のブローホールを著しく
減少させ、かつCrの上限を6.5%とすることで優れ
たガス切断性を示し、かつ低C化、低O化、低N化、A
l添加、Pcm2≦0.70とすることにより優れたH
AZ靱性を示す鋼板が得られる。
P、低O、低Nに限定することにより優れたHAZ靱性
を示し、かつCrを3.5〜6.5%とすることにより
良好なガス切断性および耐孔食性を示す鋼板が得られ
る。
た理由を述べる。Cは強度確保のために0.01%以上
添加するが、0.10%を超えるとFe3 Cの析出量増
加によりカソード活性サイトが増加して耐孔食性が著し
く劣化するだけでなくHAZの低温靱性が悪化するの
で、その範囲を0.01〜0.10%とした。
ると、ガス成分が低減することによりブローホールが減
少して、ガス切断性がさらに向上するが、0.50%を
超えるとHAZ靱性が劣化するので、その範囲を0.0
1〜0.50%とした。
元素であり、かつ鋼中に不純物として存在するSをMn
Sとして固定するために添加するが、0.1%未満では
十分な効果が得られず、また1.5%を超えると加工性
が劣化するので、0.1〜1.5%の範囲とした。
と、HAZ靱性が劣化するので、0.025%以下とし
た。Sは鋼中に不純物として存在するが、その量が多く
なると硫化物を形成し、Cl- イオンに対するFeおよ
びCrの含水酸化物からなる皮膜の抵抗を弱めるMnS
が増加して耐孔食性を著しく悪化させるので、0.01
0%以下とした。
びCrの含水酸化物からなる皮膜を生成し、鋼の耐孔食
性を向上させる。Crを3.5%以上の範囲で、Cu、
NiまたはMoと複合添加させることにより、Feおよ
びCrの含水酸化物からなる皮膜中へのCrの濃化が著
しく促進するとともに、Cu、NiまたはMoが皮膜中
へ濃縮することによって皮膜が一層緻密になり、耐孔食
性が著しく向上する。また、パウダーカッティングなど
の非吸熱性のガス切断方法を利用することにより、Si
添加、低P、Al添加、低N、低Oに限定した場合、脱
酸が十分に行われてガス成分が著しく減少し、これによ
りブローホールを著しく低減することができ、Cr:
6.5%まで良好なガス切断性を保つことができるの
で、本発明においては、ガス切断性、耐孔食性、溶接性
および製造コストを考慮して、Crの範囲を3.5〜
6.5%とした。
ることにより耐孔食性に優れたFeおよびCrの含水酸
化物からなる皮膜中へのCrの濃化を著しく促進すると
ともに、Cu、Ni、Moが皮膜中へ濃縮することによ
り皮膜が一層緻密になるので耐孔食性は著しく向上す
る。その効果は、Cu、NiおよびMoの1種または2
種以上の合計が0.05%以上で認められ、2.0%で
ほぼ飽和することから、これらの1種または2種以上の
合計を0.05〜2.0%の範囲とした。
が、0.005%未満では脱酸効果が少なく、十分な靱
性が得られない。一方、0.10%を超えると耐孔食性
および靱性が劣化するので、その量を0.005〜0.
10%とした。Oは0.0040%を超えると、ブロー
ホールの数が著しく増加し、ガス切断性が低下するの
で、その上限を0.0040%とした。
性を劣化させるため、その上限を0.0080%とし
た。
昇を抑制して靱性が確保されるので、Pcm2≦0.7
0とした。
り、これにより十分に目的を達成することができるが、
さらに目的に対して特性を向上させるために、以下に述
べる元素、すなわちNb、V、Ti、Ta、REM、C
a、Zrを選択的に添加することにより、耐孔食性、強
度、靱性の向上についてさらに好ましい結果が得られ
る。
加すると、C、Nを固定してC、Nによる強度上昇を抑
制し、加工性を確保するのに有効である。その効果は、
それぞれ0.1%で十分なので、これらの元素の添加量
は、それぞれ0.005〜0.1%とした。
鋼中のC、Nを固定し、カソードサイトとして作用する
ために合金の均一溶解を促進し、アノードとカソードの
分布の遍在を抑制することにより均一な全面腐食の進行
を促す結果、局部的な腐食による孔あきを抑制すること
で耐食性および耐孔あき性をさらに向上させる。また、
TiOやTiNを鋼中に形成し、溶接時熱影響部の粒径
を微細化したり、粒内フェライトを生成したりすること
により靱性を向上させる効果がある。この場合、0.0
5%を超えて添加すると靱性が劣化するので、その範囲
を0.005〜0.05%とした。
度、靱性を確保するとともに、耐食性をさらに向上させ
る効果があるが、0.1%を超えて添加すると靱性が低
下するので、その範囲を0.001〜0.1%とした。
り、靱性をさらに向上させるとともに、さび粒子の微細
化を促進することにより耐食性をさらに向上させる。し
かし、これらの効果は0.10%で飽和するので、RE
Mの範囲を0.0003〜0.10%とした。
り、CaSとして不純物であるSを固定し、耐孔あき性
を向上させるとともに、耐ラメラテア性を向上させるの
に有効な元素である。これらの効果は、0.06%を超
えて添加しても飽和するので、Caの範囲を0.001
〜0.06%とした。
より、靱性をさらに向上させるとともに、さび中に微量
に含まれると触媒的な作用でさびの非晶質化を促進し、
耐食性および耐孔あき性をさらに向上させる。しかし、
0.10%でこれらの効果は飽和するので、Zrの範囲
を0.0002〜0.10%とした。
らかの改善効果を期待して添加する合金などの添加量に
比例してその効果も増加する現象に対して、添加量を増
加させてもその効果が増大しなくなる現象を意味する。
みならず、pH3.0〜6.5の弱酸性水溶液(結露
水、ドレイン水、循環水など)により腐食が懸念される
部位の構造材料として用いてもよい。
体的に示す。表1、表2(表1のつづき−1)、表3
(表1のつづき−2)、表4(表1のつづき−3)、表
5(表1のつづき−4)、表6(表1のつづき−5)、
表7(表1のつづき−6)、表8(表1のつづき−
7)、表9(表1のつづき−8)、表10(表1のつづ
き−9)、表11(表1のつづき−10)、表12(表
1のつづき−11)、表13(表1のつづき−12)、
表14(表1のつづき−13)、表15(表1のつづき
−14)に比較鋼と本発明鋼の化学成分を示した。これ
らの鋼について、50kg真空溶解炉での溶製、熱間圧
延、焼鈍の工程をいずれの供試鋼についても同一条件で
行い、板厚24mm、20mm、6mmの鋼板を製造し
た。
3.0mmの試験片を機械加工により採取し、下記の腐
食試験に供した。
的な腐食環境は、定常運転時の環境であるので、この知
見に基づき、供試鋼の耐孔食性を評価するために下記の
腐食試験および煙突頂部内面における暴露試験を実施し
た。腐食評価は、最大腐食深さ測定(mm)により行っ
た。なお、次式に示す最大腐食深さ率により最終評価し
た。
験 この試験は、ボイラーの定常運転時を想定し、付着物中
の水分に腐食性物質が溶解した濃厚電解質腐食環境にお
ける耐孔食性を評価することを目的とした。実煙突内面
の付着物の分析結果に基づく模擬付着物複合塩の組成を
表16に示す。模擬付着物複合塩を試験ビーカー内に入
れ、複合塩中に試験片全体を埋没させ、試験ビーカーを
恒温恒湿槽に入れて、温度80℃、湿度80%に保持し
た。試験中、複合塩は空気中の水分を吸湿して常に湿っ
た状態となり、鋼板表面は複合塩が飽和に溶解した濃厚
電解質で覆われるようにした。試験開始6カ月後に試験
片を取り出して最大腐食深さを測定し、耐局部腐食性を
最大腐食深さ率で評価した。
て最も厳しい煙突頂部内面に試験片を取り付け、試験開
始2年後に試験片を取り外して最大腐食深さ測定により
腐食評価を行った。 〔ガス切断性試験〕 それぞれの供試材について直切断(板厚20mm)およ
び開先切断(24mm厚、30°、40°)を実施し、
それぞれの場合のパウダー切断を使用した場合の切断作
業性および切断面の状態を評価し、比較鋼No.C24
(一般溶接構造用鋼)を基準として、◎;良好、○;切
断易、△;切断難、×;切断不可の評点評価を行った。
溶接棒を使用して、継手を入熱量:11.9kJ/cm
の条件で作成し、継手部より2mmVノッチシャルピー
試験片を採取して衝撃試験を実施し、継手部の靱性特性
を調査した。
性試験、実継手のHAZの衝撃試験の結果を示した。本
発明鋼はいずれも一般溶接構造用鋼(比較鋼No.C2
4)に比べて、腐食減量率および最大腐食深さ率ともに
0.30より低い値となっており、該環境で優れた耐孔
食性を有することがわかる。
と靱性が満足しないことがわかる。比較鋼C27から、
Siが0.01%未満であると靱性が満足しないことが
わかる。
ると靱性が満足しないことがわかる。比較鋼C29か
ら、Mnが0.1%未満であると耐孔食性および靱性が
満足しないことがわかる。比較鋼C30から、Mnが
1.5%を超えると靱性が満足しないことがわかる。
えると靱性が満足しないことがわかる。比較鋼C32か
ら、Sが0.005%を超えると耐孔食性が満足しない
ことがわかる。比較鋼C33から、Crが3.5%未満
であると耐孔食性が満足しないことがわかる。
るとパウダー切断によるガス切断性が満足しないことが
わかる。比較鋼C35から、Alが0.005%未満で
あるとパウダー切断によるガス切断性および靱性が満足
しないことがわかる。比較鋼C36から、Alが0.1
0%を超えると靱性が満足しないことがわかる。
Moの添加量の和が0.05%未満であると耐孔食性が
満足しないことがわかる。比較鋼C41から、Oが0.
0040%を超えるとパウダー切断によるガス切断性が
満足しないことがわかる。比較鋼C42から、Nが0.
0080%を超えると靱性が満足しないことがわかる。
を超えると靱性が満足しないことがわかる。これに対し
て、本発明鋼は何れも耐孔食性、パウダー切断によるガ
ス切断性、溶接性に優れた鋼材であることがわかる。
明鋼は天然ガス焚き用煙突および煙道の内面部材とし
て、従来の耐硫酸露点腐食低合金鋼や一般溶接構造用鋼
に比べて耐孔食性を大幅に改善し、かつガス切断性や溶
接部継手靱性に優れ、かつ耐硫酸露点腐食ステンレス鋼
に比べて安価であり、かつライニング材としての用途の
他に筒身や煙道等の構造部材として採用し、ライニング
を省略できることが可能となるものであり、産業上その
効果は極めて顕著である。
Claims (2)
- 【請求項1】 重量(%)で、 C:0.01〜0.10%、 Si:0.01〜0.5%、 Mn:0.1〜1.5%、 P:0.025%以下、 S:0.010%以下、 Cr:3.5〜6.5%、 Al:0.005〜0.10%、 O:0.0040%以下、 N:0.0080%以下を含み、かつCu、Niおよび
Moの1種または2種以上の合計:0.05〜2.0%
を含み、 Pcm2≦0.70 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなること
を特徴とするガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙
道用溶接構造用鋼。ただし、 Pcm2=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/2 0+Mo/15+V/10+5B - 【請求項2】 重量(%)で、 Nb:0.005〜0.1%、 V:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.05%、 Ta:0.001〜0.1%、 REM:0.0003〜0.10%、 Ca:0.001〜0.06%、 Zr:0.0002〜0.10%のうち1種または2種
以上を、さらに含有することを特徴とする請求項1記載
のガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙道用溶接構
造用鋼。
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---|---|---|---|
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JP6-226769 | 1994-09-21 | ||
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JPH08144012A JPH08144012A (ja) | 1996-06-04 |
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JP24273595A Expired - Fee Related JP3293022B2 (ja) | 1994-09-21 | 1995-09-21 | ガス切断性に優れた天然ガス焚き煙突・煙道用溶接構造用鋼 |
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