JPH0653895B2 - 海水中で使用される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〉 この発明は、例えば潜水夫用酸素ボンベ等の如き、空気
その他のガスの貯蔵容器等として好適な“海水中で使用
され圧力容器”の製造方法に関するものである。

〈従来の技術〉 現在、各種圧力容器の設計・製作には非常に厳しい注意
が払われており、日本工業規格（ＪＩＳ）や米国機械学
会規格（ＡＳＭＥ）等においても圧力容器に係る多くの
規格が設けられている。しかしながら、上記各規格は、
何れも室温又は中・高温の大気中での使用を想定したも
のであり、適用される材料も該想定条件に沿った観点か
らの規定がなされるに留まっていた。もっとも、容器の
内容物が腐食性物質である場合には、それを考慮してス
テンレス鋼等の耐食材料が適用されることは言うまでも
ない。

そして、近年、次第に圧力容器の使用圧力増大や軽量化
への影響が高まってきたことに呼応して容器材料の高強
度化が進められ、例えばＪＩＳのＧ３２０４に「圧力容
器用調質型合金鋼鍛鋼品」として規定された高強度鋼や
ＡＳＭＥの「Boiler＆ Pressure Vessel Code SectionI
I」にSA−723として規制された高強度鋼が圧力容器材料
の代表的なものとなっている。

なお、上記圧力容器用高強度鋼の特徴は基本的には何れ
も化学成分のみにあり、中炭素マルテンサイト組織の強
度を利用し、焼入性確保のため圧力容器の胴部肉厚に応
じて合金元素を添加したものである。ただ、このとき十
分な靭性を得るためＪＩＳでは焼戻し温度が６１０℃以
上に、またＡＳＭＥでは焼戻し温度が５４０℃以上と規
定され、更に熱処理時の保持時間はＪＩＳ及びＡＳＭＥ
共に厚さ１mmに対して1.2分以上と定められている。

一方、最近、潜水夫の酸素ボンベや潜水調査船のガス貯
蔵器等、海水中で使用される圧力容器の需要が見立つて
増える傾向にあり、大気中とは異なった環境に適用する
圧力容器用材料に対する検討も盛んに行われるようにな
ってきたが、従来、比較的需要の多かった海水中低圧下
での圧力容器には次に示す鋼材が主流を占めていた。

鋼材の化学組成 Ｃ：0.25〜0.30％（以降、成分割合を示す％は重量％と
する）， Si：0.10〜0.35％，Mn：0.65％以下， Ｐ：0.05％以下，Ｓ：0.05％以下， Cr：2.5〜3.5％，Mo：0.30〜0.70％， Fe及び不可避不純物：残部。

鋼材の機械的性質 降伏強さ：７０kgf/mm²(686Mpa)以上， 引張強さ：８５kgf/mm²(833Mpa)以上， 伸び：１５％以上，絞り：２５％以上， ０℃シャルピー衝撃値：６０J/cm²以上。

しかし、このような海水中で使用される圧力容器にも適
用圧力増大や軽量化の指向は例外なく及んできており、
より一層強度の高い材料の開発がまたれていた。そのた
め、前記圧力容器用高強度鋼の適用を試みた場合、この
材料では所望強度を得ようとする靭性が不足し、靭性を
満足させようとすると今度は強度不足を来たすとの不都
合があって上記用途に適するものではないとの結論が出
された。

そこで、更に高強度の圧力容器鋼、例えば前記ＡＳＭＥ
のＳＡ−７２３の適用も検討されたが、前述した如く、
これらの材料は海水中での使用が考慮されていないため
高強度｛σ_Ｂ＞１２５kgf/mm²(1225MPa)｝では遅れ破壊
を生じる危険性があって、やはり海水中用途に適用する
ものではなかった。

このように、海水中で使用する実用的な圧力容器用材料
を考えた場合、従来の圧力容器用鋼は使用圧力を高める
ために強度を上げると靭性劣化や遅れ破壊と言った不利
を招くので不適当であり、結極、最近の要望に十分応え
得る“海水中で用いられる高圧力容器”の経済的な製造
方法は未知であると言わざるを得なかった。

そこで、本発明の目的は、最近の高圧化・軽量化要求に
対処できる十分な強度と靭性を有することは勿論、海水
に対する優れた耐食性及び耐遅れ破壊性をも示し、海水
中での使用に十分満足できる実用的な圧力容器の安定し
た製造手段を提供することに置かれた。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべくなされた数多くの
実験結果を踏まえ、“海水中で用いられる圧力容器”に
対応する最近の要望に応えるには、まず該圧力容器の材
料として a) 強度：現行の圧力容器を１５％以上軽量化するのに
必要な強度， b) 靭性：現行圧力の１．４倍の圧力下でも脆性破壊し
ない靭性， c) 耐遅れ破壊性：海水中で遅れ破壊を生じることがな
い， d) 耐食性：海水中での耐食性が現行材を下回らない， との特性を備えた鋼材の開発が欠かせないとの結論に達
し、更に現行の圧力容器製造実態の調査から、「圧力容
器の製造には現行の生産設備がほぼそのまま利用できる
ことを前提とすることが実際上必要であり、経済的条件
を一層満足させるためには、容器素材として低合金鋼を
用い、これを熱間鍛造して継目無し容器の粗形を得た後
所定寸法に機械加工し、更に熱処理により必要性能を確
保すると言う工程を踏襲できる手段が望まれる」点を強
く認識せしめられるに至った。

そして、これを実現するためには、各工程において前記
観点からの最適条件を見出し、これらを総合したときの
製品緒性能が必要特性を満たすか否かの調査が欠かせ
ず、特に、そのための基準とすべき必要機械的性質とし
て、これまで定量的に把握されていなかった脆性破壊を
確実に防ぐための“破壊靭性値”の考え方を導入するこ
とが重要である点を明らかにし、更に研究を続けた結
果、以下に示すような知見を得ることができた。

即ち、低合金鋼の化学成分組成，容器に成形する際の鍛
練比並びに熱処理条件（焼入れ・焼戻し条件）を工夫し
て適正に組み合わせると、海水中で使用される圧力容器
として好都合な鋼材組織が安定して達成され、 降伏強さ：９５kgf/mm²(930Mpa)以上， 引張強さ：１２５kgf/mm²(1225Mpa)以下， 伸び：２５％以上， 絞り：４０％以上， ０℃シャルピ衝撃値：６０J/cm²以上， ０℃平面歪破壊靭性値： を有する鋼材で構成された圧力容器の量産が可能となる
上、このような圧力容器は海水中用途としての今日の要
望を十分に満たすものであることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなさたものであり、 「Ｃ：0.25〜0.35％， Si：0.10〜0.40％， Mn：0.50〜1.20％， Ｐ：0.20％以下， Ｓ：0.020％以下， Ni：２．２〜３．０％， Cr：0.80〜1.40％， Mo：0.30〜0.80％， Ｖ：0.015〜0.20％，sol.Al：0.015〜0.060％， Ｎ：0.006〜0.015％ を含む｛但し、Ni＋Cr＝3.50〜４．０％｝と共に、残部
が実質的にFeである銅を、胴部の鍛錬比が４〜１５とな
るように鍛造して容器形状とした後、８５０〜９２０℃
に加熱し該温度に胴部板厚１cm当り３０分以上保持して
から焼入れを施し、更に５８０〜６５０℃で焼戻すこと
によって、少なくとも胴部の機械的性質が 降伏強さ：９５kgf/mm²以上， 引張強さ：１２５kgf/mm²以下， 伸び：１５％以上， 絞り：２５％以上， ０℃シャルピ衝撃値：６０J/cm²以上， ０℃平面歪破壊靭性値：４００kgf/mm^3/2以上を示し、
かつ優れた耐食性及び遅れ破壊性も備えた海水中で使用
するのに好適な圧力容器を安定して製造し得るようにし
た点」 に特徴を有している。

次に、本発明において、圧力容器の化学成分組成，機械
的性質及び製造条件を前記の如くに限定した理由をその
作用と共に説明する。

〈作用〉 A) 化学成分組成 (a) Ｃ Ｃはマルテンサイト組織における主要強度支配元素であ
り、圧力容器としての所要強度を確保するには0.25％以
上の添加が必要である。一方、Ｃ含有量が0.35％を超え
ると靭性を損なうようになることから、Ｃ含有量は0.25
〜0.35％と定めた。

(b) Si Siは鋼の脱酸と焼入性確保の観点から0.10％以上の添加
が必要であるが、同時にSiは粒界及び母相の靭性を低下
させるので含有量の上限を0.40％と定めた。

(c) Mn Mnには鋼の脱酸，脱硫及び焼入性を向上させる作用があ
るが、その含有量が0.50％未満では前記作用による所望
の効果が得られず、一方、1.20％を超えて含有させると
非金属介在物が残留する恐れが生じることから、Mn含有
量は0.50〜1.20％と定めた。

(d) Ｐ，及びＳ Ｐ及びＳは何れも鋼の清浄度を下げる有害な不純物元素
であり、特に遅れ破壊の抵抗性を改善するためにもその
含有量を極力低く抑えることが望ましい。しかし、Ｐ及
びＳ含有量を余りに低く抑えることなく経済的でないの
で、この観点から何れの含有量も上限を0.020％と定め
た。

(e) Ni Niは鋼の靭性を損なうことなく焼入性を改善する作用を
有しているが、その含有量が 2.2％未満では所望の焼入
れ性を確保することができず、一方、経済性と添加効果
の点より上限を定め、Ni含有量は2.2〜3.0％と限定し
た。

(f) Cr Crは、Niと同様の作用に加えて耐食性の改善作用をも有
しているが、その含有量が0.80％未満では前記作用によ
る効果が十分でなく、一方、経済性と添加効果の点より
上限を定め、Cr含有量については0.80〜1.40％と限定し
た。

なお、この場合にNi含有量とCr含有量の総和が3.50％未
満では所望の降伏強さが安定して確保できない場合があ
り、一方、Ni含有量とCr含有量の総和が4.0 ％を超える
と破壊靭性値が低下し始めることから、Ni＋Cr＝3.50〜
4.0 ％と限定した。

(g) Mo Moには鋼の焼入性及び靭性を改善する作用があり、特に
Ｐの有害性を抑えて耐遅れ破壊性を向上するのに有効な
元素である。しかし、その含有量が0.30％未満では前記
作用による所望の効果が期待できず、一方、経済性と添
加効果の観点より上限を定め、Mo含有量は0.30〜0.80％
と限定した。

(h) Ｖ Ｖは鋼の降伏点を上昇させる作用を有するが、その含有
量が0.015％では前記作用による所望の効果が得られ
ず、一方、0.20％を超えて含有させると靭性低下を招く
ことから、Ｖ含有量については0.015〜0.20％と定め
た。

(i) sol.Al Alは鋼の脱酸及び結晶粒微細化に効果を有し、耐遅れ破
壊性を改善する作用があるが、sol.Al含有量が 0.015未
満では前記作用による効果が十分でなく、一方、0.060
％を超えて含有させると非金属介在物が残留する恐れが
あるため、sol.Al含有量は0.015〜0.060％と定めた。

(j) Ｎ ＮにはAlと化合物を作って結晶粒を微細化する作用があ
るが、その含有量が0.006 ％未満であると前記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、0.015％を超えて含有
させると粗大なAlＮが残留するようになって上記効果を
減じることから、Ｎ含有量は0.005〜0.015％と定めた。

B) 機械的性質 (a) 降伏強さ〔σ_y〕 圧力容器は、基本的には胴部での発生応力(σ)が材料の
降伏強さ(σ_y） より十分低くなるよう設計される。ま
た胴部板厚(t) は ｔ＝ｆ(P・D・σ_y） 〔但し、Ｐ：圧力，Ｄ：容器外径〕 であり、同じ使用圧力及び大きさの容器であれば高い降
伏強さを有する材料を用いることにより板厚を小さく
し、軽量化することができる。そして、本発明において
は要求されている十分な軽量化効果の確保と言う観点か
ら、少なくとも容器胴部の降伏強さを９５kgf/mm²(930M
pa)以上と定めた。

(b) 引張強さ〔σ_B〕 本発明の圧力容器において、これを構成する鋼材の引張
強さが１２５kgf/mm²(1225Mpa)を超えると海水中使用時
に遅れ破壊が発生する恐れがあることから、該引張強さ
を１２５kgf/mm²以下と定めた。

(c) 伸び，絞り，及びシャルピ衝撃値 伸び，絞り及びシャルピ衝撃値については現行材の実積
値以上とすれば圧力容器として十分に満足できる性能が
確保できることから、その値である「伸び：１５％以
上」，「絞り：２５％以上」，「０℃シャルピ衝撃値：
６０J/cm²以上」を基準値と定めた。

(d) 破壊靭性値 海水中で使用する圧力容器において脆性破壊が発生しな
い条件は、いかなる場合も が成立することである。なお、ｋは ｋ＝ｆ(σ・a) 〔但し、ａ：欠陥の大きさ〕 で表わされ、応力或いは欠陥が大きくなるほど大きくな
る。Ｋが最大となるのはａ（欠陥の大きさ）が板厚を貫
通する時であり、この場合においても、脆性破壊さえし
なければ内容物が漏洩して内圧が低下するので破局的な
破壊に至らない。そして、本発明では海水中で使用する
圧力容器の要望条件をσ＝４３kgf/mm²(420Mpa)，ｔ＝
２０mmと把握したことから となり、そのため を材料の必要破壊靭性値の下限とした。

C) 鍛練比 鋼塊から鍛造によって容器形状を成形する際、鍛練比を
大きくすると強度を上げることなく靭性を改善すること
ができる。即ち、第１図は低合金鋼の鍛練比と０℃シャ
ルピー衝撃値との関係を示すグラフであるが、この第１
図からも鍛練比の増大と共にシャルピー衝撃値も上昇す
ることが分かる。

そして、前述した現行材における以上のシャルピ衝撃値
を安定して確保するためには、上記鍛練比を４以上にす
る必要があることから、鍛造の際の少なくとも胴部にお
ける鍛練比の下限を４と定めた。しかしながら、鍛練比
を大きくしていくと衝撃値を始めとした機械的性質の異
方性が顕著となり、甚だしい場合には鍛練比の増大につ
れて衝撃値が低下することがある。特に、本発明に係る
圧力容器は継目無し一体鍛造製のものであって容器各部
の鍛練比がそれぞれ異なるため、全ての部分，全ての方
向に亘って良好な衝撃値を確保しようとの観点から鍛練
比の上限を定め、結果として鍛練比の範囲を４〜１５と
限定した。

D) 焼入れ時の加熱温度及び保持時間 焼入れ時の加熱温度が８５０℃未満であるとオーステナ
イト組織中への炭化物の固溶が不十分になる恐れがあ
り、一方、上記加熱温度が９２０℃を超えるとオーステ
ナイト結晶粒が大きくなって焼入れ後の組織も粗くな
り、靭性が低下することから、焼入れ時の加熱温度は８
５０〜９２０℃と定めた。

また、加熱保持時間が胴部板厚１cm当りにつき３０分を
下回ると十分な焼入れがなされず、所望の強度及び靭性
を安定して確保できない恐れがあることから、加熱保持
時間は胴部板厚１cm当り30分以上と定めた。

E) 焼戻し温度 焼戻し温度が５８０℃未満であると強度が必要以上に高
くなる上、靭性にも乏しくなり、一方、６５０℃を超え
る温度で焼戻した場合には必要とする強度が得られなく
なることから、焼戻し温度は５８０〜６５０℃と定め
た。

続いて、本発明を実施例により更に具体的に説明する。

〈実施例〉 まず、第１表に示す化学成分組成の２種類の鋼塊を溶製
し、次いで胴部鍛練比が4.5〜９となるように熱間横型
プレスで第２図で示す如き継目無し容器を製作した。

次に、この継目無し容器を９１０℃に加熱して２時間保
持した後、油焼入れした。続いて、この継目無し容器に
は焼戻し処理が施されたが、焼戻し温度は何れも６１０
℃とした。

そして、このようにして得られた各圧力容器について降
伏強さ，引張強さ，衝撃値，破壊靭性値並びに耐海水腐
食性を調査し、その結果を第２表に示した。ここで、引
張試験はJIS Ｚ２２４１に、破壊靭性試験はASTM Ｅ３
９９に、また耐海水腐 食試験はASTM Ｃ３１にそれぞれ従って実施した。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明で
規定する条件通りに製作された圧力容器は十分満足すべ
き機械的性質を有するのに対して、製造条件が本発明の
規定から外れている従来品では十分な機械的性質を示さ
ないことが分かる。

また、耐食性についても、実際上問題となり、しかも腐
食量の大きい乾湿繰り返し腐食は、本発明に係る圧力容
器では腐食量が 0.703ｇであったのに対して、従来の容
器では 0.919ｇと大きかったことが確認できる。

更に、本発明に係る圧力容器につきk_IC直下のｋ_Ｉ１７
０ＭPa下で６０００時間の遅れ破壊試験を実施したが、
この条件では遅れ破壊が発生せず、十分良好な耐遅れ性
能を有することも確認された。

上述の試験結果からも、本発明に従った場合には、十分
に満足できる性能を備えた海水中使用圧力容器を安定し
て得られることが明らかである。

なお、本発明に係る圧力容器の製造手段は海水中で使用
される圧力容器そのものの製造に止まらず、容器の付帯
設備（バルブ，配管類等）の製造にも適用することがで
き、更に大気中の類似機器に適用できることも勿論であ
る。

〈効果の総括〉 以上の説明した如く、本発明によれば、従来品に比べて
十分に使用圧力高めたり軽量化したりでき、しかも遅れ
破壊等を生じることもない、耐久性に優れた高性能の海
水中使用圧力容器をコスト安く安定提供することが可能
となるなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、低合金鋼の鍛練比とシャルピー衝撃値との関
係を示すグラフである。 第２図は、実施例で試作した圧力容器形状を示す概略説
明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量割合にて Ｃ：0.25〜0.35％， Si：0.10〜0.40％， Mn：0.50〜1.20％， Ｐ：0.020％以下， Ｓ：0.020％以下， Ni：2.2〜3.0％， Cr：0.80〜1.40％， Mo：0.30〜0.80％， Ｖ：0.015〜0.20％， sol.Al：0.015〜0.060％， Ｎ：0.006〜0.015％ を含む｛但し、Ni＋Cr＝3.50〜4.0％｝と共に、残部が
   実質的にFeである鋼を、胴部の鍛錬比が４〜１５となる
   ように鍛造して容器形状とした後、８５０〜９２０℃に
   加熱し該温度に胴部板厚１cm当り３０分以上保持してか
   ら焼入れを施し、更に５８０〜６５０℃で焼戻すことを
   特徴とする、胴部を機械的性質が 降伏強さ：９５kgf/mm²以上， 引張強さ：１２５kgf/mm²以下， 伸び：１５％以上， 絞り：２５％以上， ０℃シャルピ衝撃値：６０J/cm²以上， ０℃平面歪破壊靭性値：４００kgf/mm^3/2以上を示す海
   水中で使用される圧力容器の製造方法。