JP4205921B2

JP4205921B2 - 耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4205921B2
Application number: JP2002296339A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石塚
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004132437A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電設備に用いられるボイラ・配管用鋼管に関し、鋼管内面において優れた耐水蒸気酸化特性を有するフェライト系およびオーステナイト系耐熱鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電プラントにおいては、経済性の向上、炭酸ガス排出抑制の関点から、発電効率を向上させるために蒸気条件を従来以上に高温高圧化することが検討されている。そのためには、従来材以上の高い高温強度と耐食性を有する鋼管材料が必要であり、例えば、２２Ｃｒ−２５Ｎｉの新しい高強度高耐食のオーステナイト系耐熱鋼が既に開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
オーステナイト系耐熱鋼は熱膨張係数が大きいことから、ボイラ用鋼管内面に生成する水蒸気酸化スケールが剥離しやすく、剥離したスケールによる管の閉塞や、タービンブレードのエロージョンといった問題が頻繁に生じた。また、熱膨張係数が大きく熱伝導率が低いという欠点を解決すべく９〜１２Ｃｒの高強度フェライト系耐熱鋼の開発が現在も盛んに行われている。しかし、フェライト系耐熱鋼はオーステナイト系耐熱鋼に比べてＣｒ添加量が少ないために耐食性が劣るという欠点がある。特に、管内面に生じる水蒸気酸化に対しては、６００℃を越えるような蒸気温度の場合には十分な耐性があるとは言えない。
【０００４】
管内面の水蒸気酸化性を劇的に向上させる手法としては、例えば、内面にショットブラストや研磨等の冷間加工を施す方法が考案され、既に実用化されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
しかしこの方法ではフェライト系耐熱鋼では、Ｃｒ量含有量が概ね１３％を越える場合から効果が現れ、さらに確実な効果を得るためには少なくとも１６％を越える量のＣｒを添加する必要があり、Ｃｒ量が１６％以下であるフェライト系耐熱鋼には適用することができないのが現状である。また、オーステナイト系耐熱鋼においては、７００℃までは劇的な水蒸気酸化抑制効果を示すものの、７００℃を越える温度域ではその効果が小さくなるという欠点を有しており、蒸気温度のさらなる高温高圧化のためには、７００℃を越える温度域でも効果を発揮する水蒸気酸化抑制方法が必要であった。
【０００６】
【非特許文献１】
「火力原子力発電」昭和６１年１月１５日、第３８巻、第１号、Ｐ．７５
【非特許文献２】
「日本鋼管技報」昭和５３年５月１５日、第７７巻、Ｐ．２０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、従来に比べて格段に耐水蒸気酸化性に優れたボイラ用フェライト系耐熱鋼管および７００℃を越える温度域でも安定して優れた耐水蒸気酸化特性を発揮するボイラ用オーステナイト系耐熱鋼管を製造する方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、管内表面に施す冷間加工の方法を種々検討した結果、超音波衝撃処理により、耐水蒸気酸化性が向上するＣｒ量をショット加工よりも低減させることができることを見いだした。
【０００９】
本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１０】
（１）質量％で５〜１５．９％のＣｒを含有するフェライト系耐熱鋼管の内表面に、振幅１０〜５０μｍ、振動数５〜５０ｋＨｚの条件下で、鋼管表面に直接接触する、直径２ｍｍ〜２０ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を機械的に振動させ、鋼管表面の打撃部に厚さが２０〜１５０μｍの冷間加工層を形成する超音波衝撃処理を施すことを特徴とする、耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。
【００１１】
（２）質量％で１６％超、３０％以下のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼管の内表面に、振幅１０〜５０μｍ、振動数５〜５０ｋＨｚの条件下で、鋼管表面に直接接触する、直径２ｍｍ〜２０ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を機械的に振動させ、鋼管表面の打撃部に厚さが２０〜１５０μｍの冷間加工層を形成する超音波衝撃処理を施すことを特徴とする、耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。
【００１２】
（３）超音波衝撃処理によって形成される耐熱鋼管の内表面の冷間加工層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者は、表面近傍に圧縮の残留応力を導入する技術である超音波衝撃処理（ＵＳＰ６，１７１，４１５号公報参照）に着目し、その耐水蒸気酸化性向上効果について鋭意検討を行った。その結果、ＪＩＳＳＴＢＡ２５（５Ｃｒ−０．５Ｍｏ）に対して６００℃での耐水蒸気酸化性向上効果を確認することができた。さらに、ＪＩＳＳＵＳ３０４ＨＴＢ（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）に対して７５０℃での耐水蒸気酸化性向上効果を確認することができた。
【００１５】
冷間加工による耐水蒸気酸化性向上効果は、冷間加工により表面近傍に導入された高密度の欠陥を通じての表面へのCｒの拡散が容易になり、保護性の高いＣｒ_２Ｏ_３層が酸化初期に表面に均一に生成することに起因すると考えられている。超音波衝撃処理法は従来のショット加工に比べて、大幅に加工度の高い冷間加工を表面近傍に集中的に付与することができるために、それによって形成される表面加工層の冶金学的形態は従来のショット加工の場合と大きく異なる。超音波衝撃処理法による著しい耐水蒸気酸化性の向上は、現時点で詳細な理由は明らかではないが、Ｃｒの内部から表面への拡散が通常のショット加工では到底得ることのできないほどに格段に容易になったために表面でのＣｒ_２Ｏ_３層形成が促進され、より低いＣｒ量でも耐水蒸気酸化性向上効果が発揮されるようになったものと考えられる。
【００１６】
次に本発明鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、以下に示す「％」は、特段の説明がない限りは、「質量％」を意味するものとする。上記のように本発明では酸化に対して保護性の高いＣｒ_２Ｏ_３皮膜による効果を利用しているために、Ｃｒ含有鋼が前提となる。しかし、Ｃｒ含有量が５％未満の場合には、耐酸化性を大幅に向上させるのに十分なだけＣｒ_２Ｏ_３層が生成しないために、本発明では５％以上のＣｒを含有する鋼に限定した。また、Ｃｒ含有量が３０％を越えると従来通りのショット加工を施しても十分に耐水蒸気酸化性向上効果が得られるために、本発明ではＣｒ含有量の上限を３０％に限定した。なお、オーステナイト系耐熱鋼においては、Ｃｒ含有量が１６％以下の場合には、７００℃を越える温度域で耐酸化性を大幅に向上させるのに十分なＣｒ_２Ｏ_３層が生成しないために、１６％超のＣｒを含有することが好ましい。フェライト系耐熱鋼のＣｒ含有量の上限値は、本発明の実施例の鋼番ａ鋼種１６Ｃｒ鋼のＣｒ量が１５．９％であることに基づいて、１５．９％以下とする。
【００１７】
本発明の効果に影響をおよぼす化学成分はＣｒだけであるため、本発明では他の化学成分は特に規定しない。Ｃｒ以外の化学成分の適正な添加量は、本発明で対象としているボイラ用フェライト系耐熱鋼管またはオーステナイト系耐熱鋼管で一般的に添加されている化学成分量の範囲内である。
【００１８】
次に、加工層の厚さの限定理由について説明する。ここで、加工層厚さを次のように定義する。超音波衝撃処理を施した表面に垂直な断面に対して、最表面位置から内部に向けて適当な間隔でビッカース硬さを測定していくと、最表面に近いほど加工硬化が大きく、内部に向かって順に硬さが減少していき、やがて肉厚中央部の硬さまで飽和するのであるが、最表面から５μｍ内部側の位置での硬さと、肉厚中央部の硬さとの平均値と等しい硬さを示す位置の、最表面からの距離を加工層厚さと定義する。
【００１９】
加工層厚さが２０μｍ未満の場合には加工度が低すぎて、内部から表面に拡散して来るＣｒが十分な量でないために、耐水蒸気酸化性向上効果が得られない。
【００２０】
そのため、加工層厚さの下限を２０μｍとした。加工層厚さは極端に厚すぎると母材の機械的性質を損なう可能性も考えられるが、超音波衝撃処理によってそのような厚さの加工層が形成されることはないので、特に上限は定めない。望ましい加工層厚さは５０〜１５０μｍである。
【００２１】
次に、超音波衝撃処理条件の限定理由について説明する。本発明では振幅を１０〜５０μｍの範囲に限定した。その理由は、振幅は１０μｍ未満では十分な加工を加えることができず、一方５０μｍを越えると管内面に入る塑性変形か大きくなりすぎて、肉厚の変化が無視できなくなるためである。また、振動数は５〜５０ｋＨｚの範囲に限定した。その理由は、超音波衝撃処理によって管に与えられる衝撃エネルギーがこの周波数の領域で最も効率が良くなるためである。
【００２２】
なお、本発明でのボイラ用鋼管とは、ボイラ本体内部で用いられる鋼管のみならず、そこで作られた高温高圧の蒸気をタービン等に輸送するための蒸気配管も含まれる。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明の効果を実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
表１に、供試鋼管の種類とそのＣｒ含有量を示す。表１において、鋼番ａは実験室で溶解し、熱間押出により製造した本発明範囲内の１６％Ｃｒ鋼管である。また、鋼番ｂ〜ｄは、ＪＩＳＧ３４６２に記載のフェライト系ボイラ用鋼管であるＳＵＳ４１０ＴＢ，ＳＴＢＡ２６およびＳＴＢＡ２５である。これらの鋼管のＣｒ含有量も本発明範囲内である。また、鋼番ｅは、同じくＪＩＳＧ３４６２に記載のＳＴＢＡ２４であり、そのＣｒ含有量は、本発明範囲から外れている。なお、鋼番ｂ〜ｅはマンネスマン法により製造した鋼管である。
【００２４】
これらの鋼管に対して、表２に示す条件で管内面に超音波衝撃処理を施した。
【００２５】
なお、超音波振動の超音波発生装置は、５００ｗ〜１ｋｗの電源を用いて、発振機により超音波を発振後、トランスデューサーによりその周波数を１〜６０ｋＨｚに変換し、さらに、ウェーブガイドにてその振幅を増幅させて、直径２ｍｍ〜２０ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を５〜６０μｍの振幅で機械的に振動させる装置である。これによって、打撃部の表面において、平滑性を維持しつつ打撃前の表面に対して深さ数百μｍ程度の圧痕を形成することができる。
【００２６】
超音波衝撃処理材および比較のための未処理材から、その内表面が試験片表面の一部になるように試験片を切り出し、６００℃で５００時間保持する水蒸気酸化試験を実施した。水蒸気酸化試験は「鉄と鋼」第７４巻第１２７頁に記載の方法に準じて行った。試験後、試料を樹脂に埋め込み、断面を切断して鏡面研磨し、水蒸気酸化スケール断面を光学顕微鏡でミクロ観察した。スケール厚さは、５００倍の倍率で任意の５視野を写真撮影し、スケール部の面積を画像処理により求め、それをスケール厚さに換算し、５視野の平均値を求めた。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
この表２に示した試験Ｎｏ．１〜４は、本発明範囲内の化学成分および製造条件で製造した本発明例である。表２に示されているように、超音波衝撃処理を施すことにより水蒸気酸化スケールはほとんど観察されず、超音波衝撃処理およびショット加工を施さない試験Ｎｏ．１４〜１８と比較して、耐水蒸気酸化特性は極めて良好であった。
【００３０】
一方、試験Ｎｏ．１３はＣｒ含有量が２．３％と少なすぎて、超音波衝撃処理を施すことによる耐水蒸気酸化性向上効果が小さかった例である。試験Ｎｏ．１９〜２２はいずれも化学成分は本発明範囲内であるが、超音波衝撃処理ではなく、０．５ｍｍのＳＵＳ３０４カットワイヤーを用いて投射圧４ｋｇｆ／ｃｍ^２で従来のショット加工を施した比較例であるが、耐水蒸気酸化特性向上効果が小さかった。
【００３１】
また、試験Ｎｏ．５〜８はいずれも化学成分は本発明範囲内であるが、超音波衝撃処理後の加工層厚さが小さく、超音波衝撃処理による耐水蒸気酸化性向上効果が得られたが、やや不十分であった。また、試験Ｎｏ．９〜１２はいずれも化学成分は本発明範囲内であるが、超音波衝撃処理時の振幅が小さく、耐水蒸気酸化性向上効果が得られたが、やや不十分であった。
（実施例２）
表３に、供試鋼管の種類とそのＣｒ含有量を示す。表３において、鋼番ｆは実験室で溶解し、熱間押出により製造した本発明範囲内の３０％Ｃｒ鋼管である。また、鋼番ｇ〜ｊは熱間押出により製造したＪＩＳＧ３４６３に記載のオーステナイト系ボイラ用鋼管ＳＵＳ３１０ＴＢ，ＳＵＳ３０４ＨＴＢ，およびＳＵＳ３１６ＨＴＢである。これらの鋼管のＣｒ含有量も本発明範囲内である。また、鋼番ｅは実験室で溶解し、熱間押出により製造した１３％Ｃｒ鋼管であり、そのＣｒ含有量は本発明範囲内ではあるが望ましい範囲からは外れている。
【００３２】
これらの鋼管に対して、実施例１と同じ超音波発生装置を用いて、表４に示す条件で管内面に超音波衝撃処理を施した。超音波衝撃処理材および比較のための未処理材から、その内表面が試験片表面の一部になるように試験片を切り出し、７５０℃で５００時間保持する水蒸気酸化試験を実施した。水蒸気酸化試験およびスケール厚の測定は実施例１と同様にして行った。
【００３３】
【表３】

【００３４】
【表４】

【００３５】
表４に示した試験Ｎｏ．２３〜２６は、本発明範囲内の化学成分および製造条件で製造した本発明例である。表２に示されているように、超音波衝撃処理を施すことにより水蒸気酸化スケール厚さは大幅に減少し、超音波衝撃処理およびショット加工を施さない試験Ｎｏ．３６〜３９と比較して、耐水蒸気酸化特性は極めて良好であった。試験Ｎｏ．２７は、超音波衝撃処理およびショット加工を施さない試験Ｎｏ．４０と比較して耐水蒸気酸化性はかなり向上したものの、Ｃｒ量が望ましい範囲から外れているため、超音波衝撃処理を施すことによっても７５０℃で生成される水蒸気酸化性スケール厚さは厚かった例である。
【００３６】
一方、試験Ｎｏ．４１〜４５は、超音波衝撃処理ではなく、０．５ｍｍのＳＵＳ３０４カットワイヤーを用いて投射圧４ｋｇｆ／ｃｍ^２で従来のショット加工を施した比較例であり、７５０℃では耐水蒸気酸化特性向上効果が小さい。なお、試験Ｎｏ．４５は、Ｃｒ量が望ましい化学成分範囲からは外れており、同一材料で超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ．２７と比較すると、耐水蒸気酸化性が格段に劣る。
【００３７】
また、試験Ｎｏ．２８〜３１はいずれも化学成分は本発明範囲内であるが、超音波衝撃処理後の加工層厚さが小さく、超音波衝撃処理による耐水蒸気酸化性向上効果が得られたが、やや不十分であった。また、試験Ｎｏ．３２〜３５はいずれも化学成分は本発明範囲内であるが、超音波衝撃処理時の振幅が小さく、耐水蒸気酸化性向上効果が得られたが、やや不十分であった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の適用により、従来に比べて格段に耐水蒸気酸化性に優れたボイラ用フェライト系耐熱鋼管およびボイラ用オーステナイト系耐熱鋼管を製造する方法を提供することが可能となる。したがって、本発明においては、産業の発展に寄与するところ極めて大なるものがある。

Claims

質量％で５〜１５．９％のＣｒを含有するフェライト系耐熱鋼管の内表面に、振幅１０〜５０μｍ、振動数５〜５０ｋＨｚの条件下で、鋼管表面に直接接触する、直径２ｍｍ〜２０ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を機械的に振動させ、鋼管表面の打撃部に厚さが２０〜１５０μｍの冷間加工層を形成する超音波衝撃処理を施すことを特徴とする、耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。
質量％で１６％超、３０％以下のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼管の内表面に、振幅１０〜５０μｍ、振動数５〜５０ｋＨｚの条件下で、鋼管表面に直接接触する、直径２ｍｍ〜２０ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を機械的に振動させ、鋼管表面の打撃部に厚さが２０〜１５０μｍの冷間加工層を形成する超音波衝撃処理を施すことを特徴とする、耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。
超音波衝撃処理によって形成される耐熱鋼管の内表面の冷間加工層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法。