JPS6254062A - 湿り蒸気下で使用する低Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 湿り蒸気下の使途に供される新規な低Ｃ−Ｃｒ−Ｍ。

鋼に関してこの明細書では、とくに原子力発電設備用給
水加熱器または類似物の用途にて特有な二ローション・
コロ−ジョン（Ｅ、Ｃ０と略す）のアタックを受ける環
境中でも適切に使用することができるように成分組成を
調整した、上記種類の鋼に係る開発研究の成果を提案し
ようとするものである。

ここに通常２５０℃以下の、湿り蒸気および高温凝縮水
、あるいは高温凝縮水自体につき単に、語“湿り蒸気”
で一括してあられすこととして、これら高温の気液二相
流又は高温水流の高速流動により、たとえば軽水炉のご
とき原子力発電設備用給水加熱器のような密閉容器の胴
体内表面が、Ｅ。

Ｃ１によるアタックを受けた場合、ε、Ｃ１による腐食
生成物が、原子炉系統内を循環することによる系統全体
の放射化弊害や、給水加熱器自体のＥ、Ｃ，損傷に由来
した信頼性低下が懸念される。

これらの問題を排除する手段として、まず設計面からは
、系統内金体の流体の低流速化、すなわち給水加熱器胴
体径および配管系統口径の増大による流体の低流速化、
そして材料面から耐Ｂ、　Ｃ０性のより優れた鋼種の採
用が考えられる。

前者の系統内流体の低流速化は設備の大型化につながり
、鋼材使用量の増加、ひいては材料費、建設費の増加を
招くため、むしろ、材料面でこの種の弊害を未然に防止
することが要請される。

（従来の技術） Ｅ、　Ｃ３に関する従来の数多くの知見、研究の成果が
解析、検討された結果、第１表に示すＪＩＳ　Ｇ４１０
９゜ＳＣＭＶ−３（通称１１／４％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ
−３／４％Ｓ１鋼）の化学組成、熱処理（焼ならし焼も
どしく以下Ｎ−Ｔと略記する）と焼なましく以下へと略
記する）との二種類）および機械的性質（Ｎ−Ｔ鋼およ
びＡ鋼について、それぞれ高強度レベルおよび低強度レ
ベル）の規格範囲のうち、Ｃ含有量をとくに、規格上限
近傍の０．１５〜０．１７％に規制し、熱処理もＮ−Ｔ
に限定した高強度レベルの高Ｃ−１１／４％Ｃｒ−１／
２％Ｍｏ−３／４％Ｓ１鋼こそ、給水加熱器に適するす
ぐれた耐Ｅ、　Ｃ，性をもつ鋼であるとの結論に従い、
その特性が実際にも実験で確認され、かようにしてこの
高Ｃ−１１／４％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ−３／４％Ｓｉ鋼
が、原子力発電設備のより高い安全性強化策とし我国で
独自に、前記給水加熱器用鋼材として採用されるに至っ
たのである。

ここでＣ含有量が０．１５％以上のこの種網が適用され
る理由は、一つに耐Ｅ、Ｃ０性の確保のため鋼に硬さを
付与するのに必要であるということに主として由来し、
これに加えてＳ　ＣＭ　Ｖ　−３のうちとくにＮ−Ｔ鋼
の規格、すなわち高い引張強度（例えば引張強さ５３ｋ
ｇｆ／ｍｍ２以上）を、保証することにあった。

しかるに今日原子力発電設備用給水加熱器の耐Ｅ、　Ｃ
，性向上策として我国では、専ら材料面で対処すべく高
級な高Ｃ−１１／４％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ−３／４％ｓ
１鋼を採用するすう勢にあるとは言え、その一方で上記
のような高Ｃ−１１／４％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ−３／４
％ｓ１鋼の使用は次に示すとおり溶接施工性がわるいた
め数多くの問題を抱えている。

つまり前記給水加熱器は、直径約２ｍ、長さ約１０ｍに
及ぶ巨大な容器状である。先ず胴板は鋼板を曲げ加工に
より円筒状として長手方向を溶接し、この円筒状のもの
を数個、円周溶接でつなぎ、この円筒内部にさらに管板
、管および各種部材が溶接などにより組込まれ、両端に
鏡板を溶接して組立てられる。かかる溶接組立にあたっ
て、高Ｃ−１１７４％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ−３／４％Ｓ
ｉ％鋼は、溶接硬化性指数、Ｃ当量（Ｃ＋Ｓ　ｉ／２４
＋Ｍｎ／６＋Ｎ　ｉ／４０＋Ｃｒ１５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／
１４）が例えｉｆｆ、７２％、また溶接われ感受性指数
、ＰＣＭ値（Ｃ＋Ｓ　ｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２
０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋
５Ｂ）が例えば０６３２％ であることからも明らかなように、溶接われを起こし易
い鋼であるので、溶接に際しては溶接われなどの回避の
ため予熱、後熱をことさらに入念に行うと同時に溶接後
の応力除去焼きなましく通常５ｔｒｅｓｓ　Ｒｅｌｉｅ
ｖｉｎｇ、略してＳＲと呼ばれる。）も極−力高温で長
時間行う必要がある。

しかしここに入念な予熱とは、例えば通常ガスバーナで
溶接予定箇所を２５０℃程度の温度に上げることであり
従って溶接作業環境をわるくするばかりか溶接能率を落
とし、ガスバーナによるエネルギー消費も著しいなど、
多大の不利を生じる。

（発明が解決しようとする問題点） このようにして現在の原子力発電設備用給水加熱器の建
設に対して、省エネルギーや作業環境、能率などの改善
のためには、溶接われ感受性の低いＣｒ−Ｎｏ鋼の開発
はきわめて重要である。

ここに湿り蒸気に対する耐８．Ｃ０性を具備しているこ
と、給水加熱器に適する強度およびじん性をもつことが
不可欠の条件である。なお、この耐巳。

Ｃ８性に関し、これまで使用されていた高Ｃ−１１／４
％Ｃｒ−１／２％Ｍｏ−３／４％Ｓｉ鋼は決して完璧で
はなく、容器の寿命、操業の安全性を考慮し、さらに少
しでもより改善されることもまた切望されている。

すなわち、この発明の目的は湿り蒸気下での耐Ｂ、　Ｃ
，性にすぐれ、しかも溶接性にすぐれた鋼組成を提供す
ることにある。

まず溶接性を改良するにはＣ含有量を低減すればよいこ
とは前記Ｃ当量、ＰＣＭ値などの計算式から明白である
が、そうした場合、鋼の硬さは当然低下するので耐８．
Ｃ０性は劣化することが通常推定される。

ここに耐Ｂ、　Ｃ，性を損なわずに溶接性を改善すると
いうより、むしろ耐８．Ｃ０性をさらに向上させ、しか
も溶接性も改善させることが望まれているわけで、耐８
．Ｃ０性の向上に対してＣ含有量の低減は元、来不適切
と考えるのが当業技術者の一般常識であり、事実Ｃ含有
量の低減によって耐Ｂ、　Ｃ，性の改良を試みた事例は
見出せない。

そして一方でこの課題は、現在の技術水準の下では経済
性を考慮すると克服不可能な難題であると考えられ、前
述したようないわば妥協を余儀なくしていたのが実情で
ある。

（問題点を解決するための手段） 発明者らはかような難題につき、敢えてより有利な、解
決を目指してとくにこの鋼種におけるＣ含有量および微
量合金元素が耐８．Ｃ０性、溶接性、機械的性質に及ぼ
すべき関係の本質を、系統的、基礎的に鋭意研究を進め
た結果、意外な事実、即ちこの種Ｃｒ−Ｍｏ鋼では耐Ｂ
、　Ｃ，性は、■Ｃ含有量を０．１４％以下に低減させ
る方がよりすぐれるようになること、 ■さらに微量のＮｂ及び■のうち少なくとも１種を含有
することによって顕著に改善されること、 ■■、■の各場合とも強度レベルが低くても優れた性能
が実現されること、 などを発見した。

かような事実は何れもこれまでの関係技術上の常識ない
しは学術的概念とは相反する予想外の知見といえる。

発明者らはこれらの知見事実を前記給水加熱器のごとき
湿り蒸気下で使用される鋼に応用し、かような用途にお
いて上述のように難題とされた、耐Ｅ、　Ｃ，性ならび
に溶接性の両面的な改善を一挙に成し遂げたのである。

この発明は、Ｃ：０．０２〜０．１４重量％（以下単に
％で示す）　、Ｓｉ：　０．４５〜０．９０％、Ｍｎ：
ＯＪＯ〜０．８０％、Ｃｒ：０．７０〜１．６０％及び
Ｍｏ：０．４０〜０．７０％を含み残余は不可避不純物
を除き実質的にＦｅの組成を基本成分として、これに析
出硬化型元素であるＮｔ］。

■のうち少なくとも１種をそれぞれ０．００５〜０．０
５％、０．００５〜０．０８％でさらに含有させた組成
とすることで耐８．Ｃ０性および溶接性の改善を実現し
た。

（作　用） さて上記の各発明における鋼の成分範囲の限定理由はつ
ぎのとおりである。

Ｃ含有量はこの発明で最重要な要件であり、溶接硬化性
および溶接われ感受性を低減させ溶接の予熱温度の低下
、後熱の省略、そして応力除去焼きなまし温度の低下、
さらにはすぐれた耐Ｅ、Ｃ，性をとくに在来観念を打破
して実現するためには、０．１４％以下に限定されなけ
ればならない。溶接性の点ではＣｌはもとより低ければ
低いほどよいが、原子力発電設備用給水加熱器などの湿
り蒸気下での使途に供用する鋼として要求されるような
、常温並びに約２５０℃までの温度域における強度およ
びじん性を得るには少なくとも０．０２％は必要である
ので下限を０．０２％とする。

とくにこの発明に従う組成のＣｒ−Ｍｏ鋼はＣ含有量を
極く微量ではあっても上記のように低減させると、溶接
われ感受性が著しく改善されるところに顕著な特徴をあ
られし、さらにこのＣ含有量の上限０．１４％から０．
１３％への低下により強度レベルの大きな低下を招くこ
となく溶接われ感受性を著しく改善することができ従っ
てＣ含有量は好ましくは０．１３％、より好ましくは０
．１１％までとするのが良い。

次にＳｉは常温およびに高温における強度の増加に有効
な元素である。この発明では所期した効果を充分発揮さ
せるためにＣ含有量の厳しい制限を余儀なくしているの
でそれに伴う強度低下も予測されここに所定の強度を維
持するためには最低の８１含有量は０．４５％が必要で
あり、強度の点では０．９０％までなら多ければ多いほ
どよいが、０．９０％を超えると溶接熱影響部のしん性
が劣化するので０．４５〜０．９０％に限定される。

Ｍｎは鋼に強度と延性を与えるために０．３０％以上を
必要とする反面、この発明の組成の鋼では強度確保に対
してむしろＣｒおよび）Ａｏが大きく寄与するため、強
度の点でＭｎを大滑に使用する必要はなくむしろ０．８
０％を超えると却って溶接硬化性が上昇し問題を生じる
ので０．３０〜０．８０％に限定する。

ＣｒおよびＭｏはともに高い流速の湿り蒸気によるＥ、
　Ｃ，に対する抵抗を増す重要な元素である。原子力発
電設備用給水加熱器などの用途ですぐれた耐Ｅ、Ｃ，性
を付与するには、この発明の組成の鋼ではＣｒおよびＭ
ｏはそれぞれ少なくとも０．７０％および０．４０％必
要である。ＣｒおよびＭＯは耐Ｅ、Ｃ０性の向上の目的
に照らして多ければその効果も大きいが、Ｃｒは１．６
０％を超えると、またＭＯは０．７０％を超えると何れ
も加工性、溶接性の低下が懸念される。従って、Ｃｒ含
有量は０．７０〜１．６０％に、またＭｏは０．４０〜
０．７０％にそれぞれ限定される。なおＣｒはそもそも
焼入性を向上させる元素として高強度組織の形成に寄与
するのみならず固溶体強化作用を有するものであり、一
方ＭＯは析出硬化型元焉であり、焼もどし処理時に炭化
物を微細に析出して何れも強度の上昇にも寄与し、その
結果として上述の効果がそれぞれの制限範囲内で適切に
発揮される。

次１．：：Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｖ：０．０
０５〜０．０８％ノイずれか又両者を含有させるのは、
両者とも０．００５％以上で析出硬化およびとくにＮｂ
については結晶粒微細化をも通して、鋼の強化に寄与す
る元素であり、従ってこれらの成分により強度上昇を図
り、その結果強度面でＣ含有量の低減が可能になり、ひ
いては溶接硬化性、溶接われ感受性、耐Ｅ．Ｃ．性を改
善するように作用する。しかし、Ｎｂは０．０５％を超
えると、また■は０゜０８％を超えると何れも、逆に溶
接部の再熱われ感受性を助長し、また溶接熱影響部のし
ん性も劣化させるので、Ｎｂは０．０５％以下にそして
■は０．０８％以下に限定する。

この発明において通常の製鋼工程で含有される程度の不
可避的な混入不純物は許容できる。すなわち、その一般
的な限度はＳおよびＰについては溶接部の高温われ感受
性を高くするためいずれも０、０２５％以下にすること
が好ましい。一方Ｎは通常の製鋼工程で含有される０、
　００２０〜０．０１５０％は許容されるが、０．０１
５０％を超えるとブローホールなどの発生により鋼塊性
状がわるくなるとともに溶接性も劣化するので上記の範
囲であることが好ましい。

さらに上記組成の鋼は湿り蒸気下で使用する部材に用い
て前述のとおり耐Ｅ、　Ｃ，性、溶接性、強度、じん性
等を兼備し、これらの特性が要求される上記用途に充当
してこそ価値があり、経済的である。

換言すればこの発明は上記用途へ使用された場合に限っ
て品質、経済性の両面で効果を発揮する。

以上、この発明の鋼組成、用途等の各限定理由を説明し
たが、この発明の鋼は前述のような成分調整の下に溶製
したのち、常法による圧延又は鍛造工程を経てから焼な
らしふよび引続き焼もどしを施すか又は焼なましを施す
ことにより鋼材として製造され、ここに熱処理は上記の
２種類に限定される。

なおここでいう焼ならしとはＡＣ，意思上に加熱後空冷
（例えば板厚１００　ｍｍ未満では単なる空冷、１００
　ｍｍ以上の極厚材では空冷または強制冷却）する処理
であり、焼もどしとはＡＣ，意思下に加熱後空冷する処
理であり、また焼なましとはＡＣ３点以上に加熱後徐冷
する処理である。焼ならし焼もどし材は通常フェライト
・パーライト組織であり、ベイナイトを含むこともある
。焼なまし材は通常フェライト＋パーライト組織である
。

湿り蒸気下で使用される機器の代表例として原子力発電
設備用給水加熱器について念のために述べれば、この発
明の鋼の熱処理が給水加熱器用鋼にはこれまで採用され
た事例のない“焼なまし′。

でもよいということは大きな特長であり、次に述べるよ
うにとくに高い価値をもつ。

すなわち焼なましの熱処理を受けた鋼は焼ならし焼もど
しの処理を受けたものに比べ、溶接後の応力除去焼なま
し等の熱サイクルに鈍感であり組織および機械的性質の
変動も少ない。

従って大型溶接構造物の応力除去焼なましのように相当
の温度のばらつきが予想されるような場合、構造物の各
部の品質をできるだけ均一にするためには、その構造物
には焼ならし焼もどし鋼よりむしろ焼なまし鋼を用いる
方がより望ましいといえる。

焼なまし鋼にこのような特徴があるにもかかわらず、原
子力発電設備用給水加熱器には従来焼ならし焼もどし鋼
のみが用いられ、これまで焼なまし鋼を用いようとする
動きは全くなかったのであり、その大きな理由は焼なま
し鋼は焼もどし鋼に比べ強度が低く、耐Ｅ、　Ｃ，性が
著しく劣ると思われていたからである。しかし発明者ら
は従来の固定観念にとられれることなく鋭意研究の結果
、この発明に従う成分において焼なましの熱処理を施し
ても耐Ｅ、　Ｃ１性は頗る大きく、低Ｃ化も可能で溶接
性も充分改善でき、その上、原子力発電設備用給水加熱
器用鋼として適切な強度、じん性をもっことを確認した
。（後述の実施例参照〉 （実施例） さて以上述べたようなこの発明の構成要件をさらに明瞭
にしこの発明による特別の効果を具体的に示すため以下
実施例について説明する。

供試鋼の化学組成を第２表に示す。

表中の記号Ｎｏ、　１〜６はこの発明鋼に従う鋼であり
、また記号Ｎｏ、７．８は我国において湿り上記下で使
用される機器の代表例として原子力発電設備用給水加熱
器にこれまで使用されてきた市販の高ＣＬ１１／４％Ｃ
ｒ−１／２％ＭＯ−３／４％Ｓｉ鋼であり、いわゆる従
来鋼に相当し、Ｃ含有量がこの発明の上限値０．１４％
をおおきく上廻って０．１６〜０．１７％である。

また記号Ｎｏ、９．１０についてはあとで示すＮ−Ｔ−
５Ｒ材とＡ−５Ｒ材の何れについても耐Ｅ、Ｃ０性の改
良に対する微量のＮｂ及び／又は■によるこの発明の効
果が、この発明によるＣ含有量の上限値０．１４％を超
えると得られなくなることを示すいわゆる比較鋼である
。

これらの鋼は市販のものを用いた記号Ｎｏ、７．８の従
来鋼を除き、すべて小型高周波誘導加熱式真空溶解炉を
用いて溶製した１００　ｋｇ鋼塊を小型圧延機により板
厚３０ｍｍに熱間圧延したものである。

圧延後の熱処理は原子力発電設備用給水加熱器用鋼材に
従来施されていた焼ならし焼もどし処理に限定すること
なく焼なましも行った。

なおここでいう焼ならし処理は９３０℃の加熱炉に装入
、１時間保持後抽出し大気中で放冷するものである。焼
もどし処理条件は６６０℃ｘ１ｈとした。

また焼なましの熱処理は９３０℃の加熱炉に装入、１時
間保持後炉中で鋼板の冷却速度が８００〜４００℃間の
平均で０．８℃／分にあるよう調節して徐冷させるもの
である。

鋼板は溶接組立てを行った後必ず応力除去焼なましを受
けるので焼ならし焼もどし材、焼ならし材ともさらに６
４５　℃ｘｌｈの応力除去焼なましくＳＲ）が付与され
試験に供された。ただし溶接性試験に対しては応力除去
焼なましを行っていない試験材が充当されていることは
説明するまでもない。

これらの供試材料を用いて、まず発明鋼が原子力発電設
備用給水加熱器に用いられる鋼として妥当な強度、じん
性を有することを常温並びに２５０℃における引張試験
およびＶ−シャルピー衝撃試験をおうこなうことにより
験証した。なおここでいう妥当な強度、じん性とは、例
えば引張強さについて言えば常温でおよそ４０ｋｇｆ／
＋＋＋＋ｎ２以上であればよく、給水加熱器が１５０℃
程度に加熱されることを考慮しそれより高めの２５０℃
でも同様に４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上が維持されることが
望まれ、０℃における吸収エネルギーについて言えば使
用条件を考慮するとおよそ２．１　ｋｇｆ　−ｍ　１．
Ｊ上であればよいということになる。

引張試験には直径５＋ｎｍ、平行部３０ｍ＋＋＋、ゲー
ジ長２５ｍｍの丸棒試片を、また衝撃試験には２＋ｎｍ
Ｖノツチシャルピー試片を用いた。

また代表的供試材を用いてこの発明の主目的である溶接
性の改善効果を調べた。溶接性試験にはＪＩＳ　Ｚ　３
１５８に定められた斜めＹ形溶接われ試験法を用い、わ
れ阻止予熱温度を明らかにした。

次に代表的試験材について行った高速高温水によるＥ、
Ｃ，試験の方法を述べる。試験片は第１図に示すように
直径９ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板に幅３ｍｍ。

深さ５ｍｍの溝を十字に切込んだものである。試験は溝
の交叉部に上部より直径１　ｍｍのノズルを通し１５０
℃、酸素５　ｐｐｂ以下の原子炉水を模擬した高温高圧
水を１０ｍ／ｓの高流速で５００時間吹きつけ、Ｅ、Ｃ
，による試験片の重１減を調べることによって行った。

以上の試験方法に基づく試験結果を第３表に示す。

第３表によればいずれの発明鋼も上記使途に適合して充
分に高い常温および２５０℃における引張強さとじん性
を示し、耐Ｅ、Ｃ１性および溶接性の改善のためＣ含有
量を低減させても強度の点で全く問題がないことが明ら
かである。また従来給水加熱器用鋼に施されていた焼な
らし焼もどし処理を、強度のでにくい焼なまし処理に変
更しても強度の点ではＣ含有量を従来に比べて著しく低
減できるということで得られた全く新規なものである。

次に溶接われ感受性とＣ含有量の関係についてはこの発
明の上限値を超えたＣ含有量を有する従来−の記号Ｎα
７，８並びに比較鋼の記号９，１０のわれ阻止予熱温度
は１５０〜２００℃であるのに反し、この発明に従いＣ
含有量を０．１４％以下に限定すると上記予熱温度を１
００℃程度以下に低下できる。

つまり溶接のわれを阻止するには従来鋼では少なくとも
１５０〜２００℃の高い温度に予熱する必要があったの
に対し、この発明による鋼では、せいぜい１００℃程度
に予熱すればよく、溶接施工上飛躍的改良ということが
できる。

次に耐ε、Ｃ０性とこの発明の重要な要件であるＣ１Ｎ
ｂ及び■含有量との関係についは記号Ｎα７．８との比
較から低Ｃ化に加えてＮｂ及び／又は■の添加が有効で
あり、比較鋼の記号Ｎα９，１０との比較から低Ｃ化が
有効であることが明白である。

この種Ｃｒ−Ｍｏ鋼の耐ε、Ｃ８性が低Ｃ化、即ち給水
加熱器用鋼としてＣ含有量を０．１４％以下に限定する
ことにより、また微量のＮｂ及び／又は■の添加により
著しく改善することが見出されたわけである。

（発明の効果） 以上詳細に述べたようにしてこの発明によれば溶接に当
たっての予熱温度を１００℃程度またはそれよりもかな
り低い温度にすることができ、作業環境を損なう恐れが
少ないとともに溶接時の予熱に要するエネルギーも少な
くても済むためエネルギーコストも低下でき、しかも、
もちろん湿り蒸気に対する耐Ｅ、　Ｃ，性が格段にすぐ
れているため容器の長寿命化が達成できる等、各種の効
果を得ることができる。とくにこの発明は原子力発電設
備用給水加熱器のごときに使用して、顕著な効果をあげ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＥ、　Ｃ，試験片の斜視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０２〜０．１４重量％ Ｓｉ：０．４５〜０．９０重量％ Ｍｎ：０．３０〜０．８０重量％ Ｃｒ：０．７０〜１．６０重量％及び Ｍｏ：０．４０〜０．７０重量％ を含み、かつ０．００５〜０．０５重量％のＮｂ及び０
   ．００５〜０．０８重量％のＶのうち少なくとも１種を
   含有し、 残余は不可避不純物を除き実質的にＦｅの組成になり、
   耐Ｅ．Ｃ．性及び溶接性に優れることを特徴とする、湿
   り蒸気下で使用する低Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼。