JPH06275B2 - 高温用層成圧力容器の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は高温用層成圧力容器の製造方法に関する。

〈従来の技術〉 石油精製や石炭液化プラント等の高温高圧水素雰囲気下
で用いられるリアクター等の圧力容器には、内面をステ
ンレス鋼で内張りしたCr−Mo鋼製の層成圧力容器が用い
られている。

この種の層成圧力容器は、その縦断面構造を表わす第２
図に示すように、内筒１１の外周に薄い層成材１２を多
層巻きし、さらにその外周に外筒１３を被嵌してなる一
対の層成胴部１４が互いに接合されると共に、その両端
に鏡１５を介してそれぞれノズル１６とマンホール１７
が接合されている。また、１８はステンレス鋼肉盛溶接
部、１９はバタリング溶接部、２０は円周継手溶接部で
ある。従来、これらの材料として、内筒１１にはCr−Mo
鋼とステンレス鋼を組合せたクラッド鋼、層成材１２、
鏡１５、ノズル１６、マンホール１７、溶接部１９，２
０にはCr−Mo鋼、また外筒１３にはCr−Mo鋼あるいは炭
素鋼が用いられている。

この層成圧力容器では、水素侵食防止のための溶接部の
軟化や、残留応力を低減させることを目的として、溶接
後熱処理（691゜C×Ｔ／inch，Ｔ：板厚）を行う必要が
ある。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、従来は層成材１２の材料としてCr−Mo鋼を用
いているため、溶接部が所要の硬度に軟化するまで熱処
理を行うと、その強度が低くなるという問題がある。

一方、近年プラントの生産能力向上に伴ってそこに用い
られる圧力容器も大型化が要求されてきており、その場
合必要な強度を得るためには従来のものでは板厚が非常
に厚くなってしまい、圧力容器全体の重量増大を招くば
かりでなく、鋼材の製造能力、溶接施工、検査、運搬等
の点からみてその製造が困難となるという問題が生ず
る。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上述の問題点を解決するものであり、高強度材
料の使用により板厚低減を図ると共に、品質的にも良好
な層成圧力容器の製造方法を提供することを目的として
いる。

この目的を達成するための本発明にかかる高温用層成圧
力容器の製造方法の構成は、内筒の外周に層成材を多層
巻きした層成胴部が溶接接合された高温用層成圧力容器
において、前記内筒にCr−Mo鋼とステンレス鋼を組合せ
てなるクラッド鋼を用いる一方、前記層成材に高強度な
Cr−Mo−Ｖ−Nb系鋼を用いると共に、前記内筒同志及び
前記層成材同志をそれぞれ同材質の溶接材料で溶接接合
し、その後前記内筒の溶接部が所要の硬度まで軟化する
温度で溶接後熱処理を行うことを特徴とする。

〈作用〉 従って、溶接後熱処理によって内筒部には必要な耐水素
侵食性が与えられる一方、層成材は高い強度に保持され
る。

〈実施例〉 以下本発明の一実施例を図面により具体的に説明する。

本実施例にかかる圧力容器は第２図に示したものと同様
の構造を有するものであり、内筒１１の外周に板厚３〜
６mm程度の薄い層成材１２が多層巻きされ、さらにその
外周に外筒１３が被嵌されて層成胴部１４が形成されて
いると共に、互いに接合された層成胴部１４の両端には
それぞれ鏡１５を介してノズル１６とマンホール１７が
接合される。本実施例では、従来と同様に内筒１１には
通常のCr−Mo鋼とステンレス鋼を組合せてなるクラッド
鋼が、また外筒１３、鏡１５、ノズル１６、マンホール
１７にはCr−Mo鋼が用いられる一方、層成材１２には高
強度なCr−Mo−Ｖ−Nb系鋼が用いられる。尚、このCr−
Mo−Ｖ−Nb系鋼の具体的な成分組成は後述する。

この圧力容器の製造に当っては、先ず鏡１５とノズル１
６、マンホール１７との継手溶接を行い、その後層成胴
部１４と鏡１５、及び層成胴部１４同志の溶接を行う。
第１図は本実施例の層成胴部１４と鏡１５、及び層成胴
部１４同志の溶接接合部を表わす要部の拡大縦断面図で
あるが、第１図に示すように、層成胴部１４と鏡１５の
溶接においては、内筒１１部では内筒１１と同材質の溶
接材料による継手溶接２１及びクラッド鋼継手の肉盛溶
接２２を行い、また層成材１２部分では同様にCr−Mo鋼
と同質の溶接材料によるバタリング溶接２３、継手溶接
２４を行う。一方、層成胴部１４同志の溶接において
は、内筒１１部では層成胴部１４と鏡１５の溶接と同様
に内筒１１と同材質の溶接材料による継手溶接２１、ク
ラッド鋼継手の肉盛溶接２２を行い、その後その上にス
ペーサ２５を入れた後、層成材１２部分は高強度なCr−
Mo−Ｖ−Nb系鋼の溶接材料を用いてバタリング溶接２６
及び継手溶接２７を行う。尚、第１図において、２８は
容器内面側に位置するステンレス鋼、２９は層成胴部１
４に肉厚方向に穿設されたベントホールである。

そしてその後、圧力容器全体をJISあるいはASME等で定
められた通常の方法に従って、内筒１１部の溶接部が所
要の硬度以下（例えばＨ_Ｂ≦225）に軟化するように677
〜724゜Cで溶接後熱処理を行う。

第１表に本発明の好適な高強度Cr−Mo−Ｖ−Nb系鋼の成
分組成を示す。このCr−Mo−Ｖ−Nb系鋼は従来のCr−Mo
鋼に強度向上のために微量のＶ，Nb等を添加し、熱間圧
延法により製造される。また、ＰやSb，Sn，As等の不純
物は少なくなっており、焼戻し脆化は生じ難いものとな
っている。

以下第１表の各成分を個々に説明する。

Ｃは強度保持上必要であるが、0.25％を超すと溶接性な
らびに靱性を損なうので上限を0.25％とし、下限はこれ
未満では溶接後熱処理時に高いラーソンミラーのパラメ
ータＰを採用したとき強度の保持が困難なため0.08％と
した。ここで、ラーソンミラーのパラメータＰは、Ｐ＝
Ｔ（20＋logt）で与えられる。但しＴは温度(゜K)、ｔは
時間(hour)である。

Siは脱酸剤として添加されるものであるが、強度の向上
にも効果がある元素である。しかし、炭化物の安定性を
損なう元素であるため、耐水素侵食性に有害に作用する
ので、この点から見れば含有量は低い程望ましい。従っ
て、これらを総合的に勘案して0.2％以下に抑えた。

Mnは脱酸のためのみでなく、強度保持にも必要な成分で
ある。しかし、1.5％を超すと靱性の点から好ましくな
いので上限を1.5％とし、下限は極厚材の強度保証の点
から0.3％とした。

Ｐは焼戻し脆化に対して有害であるので、焼戻し脆化感
受性の高いこの系の鋼では0.01％以下に抑える必要があ
る。

Crは耐酸化性、耐水素侵食性ならびに強度の点から必要
であるが、Cr以外にも後述するMo，Ｖとの複合で耐水素
侵食性は確保される。しかし、1.5％未満では多量のM
o，Ｖを必要とすることになり、溶接性の点から不都合
であるので下限を1.5％とした。また、５％を超えて添
加するとガス切断に対して問題が生じるので上限を５％
とした。

Moは著しく高温強度を高める元素であるが、５００゜C付
近の強度に対しては0.5％未満では効果が極端に低下
し、一方1.5％を超えても効果の増大はほとんどない上
に溶接性に悪影響を及ぼすので、上限を1.5％、下限を
0.5％とした。

Ｖは焼戻し軟化抵抗を著しく高めるため、Moと同様に高
温強度の向上に顕著な効果のある元素であるが、５００
゜C付近でのクリープ強度を向上させるためには0.15％以
上の添加が必要であり、また0.4％を超えて添加すると
溶接性に決定的な悪影響を与えるために、上限を0.4
％、下限を0.15％とした。

Nbは結晶粒を微細化し、強度を向上させる元素である
が、その量は0.01％未満では効果がなく、また0.1％を
超えると却ってクリープ強度が低下するので、上限を0.
1％、下限を0.01％とした。

さらに、Cr−Mo鋼の焼戻し脆化の軽減の目的でCaを添加
することもある。この場合、0.0005％未満では効果がな
く、0.015％を超えると清浄度が不良となって材質に悪
影響を与えるので、上限を0.015％、下限を0.0005％と
する。

以上個々の成分について述べたが、さらに本発明にかか
る圧力容器が使用される苛酷な高温高圧水素環境下にお
ける耐水素侵食性を確保するため、Cr−Mo−Ｖの関係が
Cr＋1.5Mo＋２Ｖで4.2％以上とする。この関係は、0.15
％Ｃ−３％Cr−１％Mo鋼を基準にして各元素の耐水素侵
食性向上に及ぼす効果を調べたところ、炭化物の安定化
の点からCr：Mo：Ｖの比は１：1.5：２の割合で効果の
あることが判明しており、前述の式で整理して4.2％未
満では水素侵食による材質劣化が激しい。

また、溶接後熱処理時におけるSR割れを防止するために
Ｖ／Crの上限を0.15とした。すなわち、ＶはＳＲ割れ感
受性を著しく高めるが、一方Crは1.5％を境として却っ
て感受性を減少させる。ＳＲ割れ感受性に対するＶ／Cr
の影響を調べたところ、第１表に示すCr，Ｖ量の範囲で
はＶ／Crを0.15％以下に抑えればＳＲ割れの危険がない
ことが分った。それに対してＶ／Crが0.15を超えると、
例えばWES3005試験法で割れを生じるに必要な拘束ビー
ト数が１０以下となってしまい、実用に耐えない。

また一方、クリープ強度の点から有効な炭化物量と分散
状態からＶとＣの比に最適範囲があり、V/Cが1.5未満で
は十分な強度が得られず、2.5を超えると却って強度が
低下する。従って、V/Cの上限を2.5、下限を1.5とし
た。さらに、Nbを考慮すると、Ｖ，NbとＣとの関係が
（Ｖ＋0.6Nb）／Ｃの比で1.5〜2.5であることが必要で
ある。これは、0.15％Ｃ−３％Cr−１％Mo鋼について第
１表に示す成分範囲で（Ｖ＋0.6Nb）／Ｃとクリープ破
断強度の関係を調べることによって判明した。尚、Nbは
Ｖに対して原子量が大きいためその効果はＶの0.6倍で
ある。

ここで、第２表に本実施例に用いた高強度Cr−Mo−Ｖ−
Nb系鋼の成分組成を従来のCr−Mo鋼の成分組成と対比し
て示す。また、第３図、第４図はそれぞれその高強度Cr
−Mo−Ｖ−Nb系鋼の熱処理条件に対する引張強さ及び溶
接部の硬さを従来のCr−Mo鋼と対比して表わすグラフで
ある。尚、同図中、As Rollは圧延のまま、ＮＴは焼な
らし、焼戻し、PWHTは溶接後熱処理を表わしている。

第３図に示すように、鋼材の強度が溶接後熱処理温度や
時間の増大、すなわちラーソンミラーのパラメータＰの
増大に伴って低下して行く。従って、強度を確保するた
めにはできるだけ熱処理温度を低くするのが良い。

一方、第４図に示すように、溶接部の硬さも溶接後熱処
理のラーソンミラーのパラメータＰの増大に伴って低下
する。従って、強度を確保するために熱処理温度を低く
すれば、溶接部の軟化が十分に行われず、水素侵食等の
虞れが生じる。すなわち、強度と耐水素侵食性は熱処理
温度に対して相反する特性を有している。

ところで、一般に水素侵食や応力腐食割れに対する硬さ
の限界値はＨ_B＝225と言われている。ところが従来のCr
−Mo鋼はＨ_B≦225まで軟化させると層成材１２として十
分な強度が確保できない。それに対して本発明にかかる
圧力容器では、高温高圧水素に接する内筒１１や鏡１
５、ノズル１６、マンホール１７等には溶接硬化し難い
従来のCr−Mo鋼とそれと同材質のCr−Mo鋼系溶接材料を
用いると共に、層成材１２に高強度のCr−Mo−Ｖ−Nb系
鋼とそれと同材質のCr−Mo−Ｖ−Nb系鋼の溶接材料を用
いているため、溶接終了後容器全体を内筒１１や鏡１
５、ノズル１６、マンホール１７等のCr−Mo鋼溶接部が
Ｈ_B≦225まで軟化する温度で溶接後熱処理することによ
り、高温高圧水素が接する内筒１１等に十分な耐水素侵
食性が与えられると共に層成材１２は高い強度を保つこ
とができ、高強度化と耐水素侵食性の相反する特性を同
時に満足することができる。

ここで、第１図に示すように、内筒１１を透過した水素
Ｈは、スペーサ２５や層成材１２の隙間を通ってベント
ホール２９から大気中に放出されるため、層成材１２や
その溶接部が若干硬くても水素侵食の虞れは全くない。

尚、内筒部に溶接後熱処理による浸炭を防止する目的
で、母材とステンレス鋼の間にNiを入れた圧延クラッド
鋼を用いると、この種の圧力容器で問題となっているス
テンレス鋼肉盛溶接部の剥離割れを防止でき、品質向上
が図れる。

〈発明の効果〉 以上一実施例を挙げて詳細に説明したように本発明によ
れば、内筒部分に十分な耐水素浸食性を与えた上で、層
成材の強度を高めることができるので、必要とされる強
度に対して層成材の板厚を薄くすることが可能となり、
そのため大型圧力容器の軽量化、製造の容易化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる圧力容器の要部の断
面図、第２図は本発明を適用可能な層成圧力容器の縦断
面構造図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の一実施例
にかかる高強度Cr−Mo−Ｖ−Nb系鋼の熱処理条件に対す
る引張強さ及び溶接部の硬さを従来のCr−Mo鋼と対比し
て表わすグラフである。 図面中、 １１は内筒、 １２は層成材、 １３は外筒、 １５は鏡、 １６はノズル、 １７はマンホールである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大江 力 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島造船所内 (72)発明者 竹本 惺 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島造船所内 (72)発明者 乙黒 靖男 神奈川県相模原市渕野辺５−10―１ 新日 本製鐵株式会社製品技術研究所内 (72)発明者 橋本 勝邦 神奈川県相模原市渕野辺５−10―１ 新日 本製鐵株式会社製品技術研究所内 (72)発明者 今井 兼敬 東京都千代田区大手町２丁目６―３ 新日 本製鐵株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内筒の外周に層成材を多層巻きした層成胴
   部が溶接接合された高温用層成圧力容器において、前記
   内筒にCr−Mo鋼とステンレス鋼を組合せてなるクラッド
   鋼を用いる一方、前記層成材に高強度なCr−Mo−Ｖ−Nb
   系鋼を用いると共に、前記内筒同志及び前記層成材同志
   をそれぞれ同材質の溶接材料で溶接接合し、その後前記
   内筒の溶接部が所要の硬度まで軟化する温度で溶接後熱
   処理を行うことを特徴とする高温用層成圧力容器の製造
   方法。