T 91合金鋼管

T 91合金鋼管は鋼管の一種であり、T 91鋼は米国国立像樹嶺実験室と米国燃焼工学会社冶金材料実験室が協力して開発した新型マルテンサイト耐熱鋼である。121 MoV鋼をベースに炭素含有量を低減し、硫黄、リンの含有量を厳格に制限し、バナジウム、ニオブ元素を少量添加して合金化した。ASTM 213/A 213 M-85 Cによると、T 91鋼の化学成分は表1を参照。T 91鋼に対応するドイツ鋼はX 10 CrMoVNNb 91、日本鋼はHCM 95、フランスはTUZ 10 CDVNb 0901である。表1 T 91鋼の化学成分%

T 91合金鋼管元素含有量

C 0.08-0.12

Mn 0.30-0.60

P ≤0.02

S ≤0.01

Si 0.20-0.50

Cr 8.00-9.50

Mo 0.85-1.05

V 0.18-0.25

Nb 0.06-0.10

N 0.03-0.07

Ni ≤0.40

T 91鋼中の各合金元素はそれぞれ固溶強化、分散強化と鋼の耐酸化性、耐食性を向上させ、具体的に以下のように分析した。

①炭素は鋼の中で固溶強化作用が最も顕著な元素であり、炭素含有量の増加に伴い、鋼の短時間強度が上昇し、塑性、靭性が低下する。T 91のようなマルテンサイト鋼にとって、炭素含有量の上昇は炭化物の球状化と凝集速度を速め、合金元素の再分配を速め、鋼の溶接性、耐食性と抗酸化性を低下させるため、耐熱鋼は一般的に炭素含有量を低下させることが望ましいが、炭素含有量が低すぎ、鋼の強度が低下する。T 91鋼は12 Cr 1 MoV鋼に比べて炭素含有量が20%低下しており、これは上記の要因の影響を総合的に考慮して決定されたものである。

②T 91鋼には微量の窒素が含まれており、窒素の作用は2つの方面に現れている。固溶強化作用を発揮する一方、常温では鋼中の窒素の溶解度は非常に小さく、T 91鋼溶接後の熱影響領域は溶接加熱と溶接後の熱処理中に、前後してVNの固溶と析出過程が現れる：溶接加熱時の熱影響領域内に形成されたオーステナイト組織はVNの溶入により窒素含有量が増加し、その後の常温組織中の過飽和程度が向上し、その後の溶接後の熱処理中に細かいVNが析出し、これは組織安定性を増加し、熱影響領域の持久強度値を向上させた。一方、T 91鋼には少量のA 1も含まれており、窒素はそれとA 1 Nを形成することができ、A 1 Nは100℃以上で初めて基体に大量に溶解し、比較的低い温度で再析出し、より良い分散強化効果を発揮することができる。

③クロムの添加は主に耐熱鋼の抗酸化性、耐食性を高めることであり、クロム含有量が5%未満の場合、600℃で急激な酸化が開始され、クロム含有量が5%に達すると良好な抗酸化性を持つ。12 Cr 1 MoV鋼は580℃以下で良好な抗酸化性を有し、腐食深さは0.05 mm/a、600℃で性能が悪くなり始め、腐食深さは0.13 mm/aであった。T 91のクロム含有量は9%前後に上昇し、使用温度は650℃に達することができ、主な措置は基体により多くのクロムを溶解させることである。

④バナジウムとニオブはいずれも強炭化物形成元素であり、添加すると炭素と細かく安定した合金炭化物を形成でき、強い分散強化効果がある。

⑤モリブデンの添加は主に鋼の熱強度を高め、固溶強化の役割を果たすためである。

2.2熱処理プロセス

T 91の最終熱処理は正火+高温焼戻し、正火温度は1040℃、保温時間は10 min以上、焼戻し温度は730 ~ 780℃、保温時間は1 h以上、最終熱処理後の組織は焼戻しマルテンサイトである。

2.3機械的性能

T 91鋼の常温引張強度≧585 MPa、常温降伏強度≧415 MPa、硬度≦250 HB、伸び率（50 mmスケールの標準円形試料）≧20%、許容応力値［σ］650℃=30 MPa。

2.4溶接性能

国際溶接学会が推奨する炭素当量公式に基づいてT 91の炭素当量を算出すると、

T 91の溶接性が劣っていることがわかる。

3 T 91溶接時の問題点

3.1熱影響領域における硬化急冷組織の発生

図1から分かるように、T 91の臨界冷却速度は低く、オーステナイト安定性は大きく、冷却時に正常なパーライト転移が発生しにくく、それによってより低い温度に冷却する時にマルテンサイト転移が発生した。そのため、T 91の急冷硬化と冷裂の傾向が大きい。

熱影響領域の各種組織は異なる密度、膨張係数と異なる格子形式を有するため、加熱と冷却の過程で必ず異なる体積膨張と収縮を伴う、一方、溶接加熱は不均一で温度が高いという特徴があるため、T 91溶接継手内部の応力は大きい。

T 91ではオーステナイトは非常に安定しており、マルテンサイトになるには比較的低温（約400℃）まで冷却しなければならない。粗大なマルテンサイト組織は脆くて硬く、継手は複雑な応力状態にある。同時に、溶接冷却過程において水素は溶接ビードから近接ビード領域に拡散し、水素の存在はマルテンサイトの脆化を促し、その総合作用の結果、硬化領域に冷却亀裂が発生しやすい。

3.2熱影響領域の結晶粒成長

溶接熱サイクルは溶接ヘッドの熱影響領域の結晶粒成長に重大な影響を与え、特に加熱温度が最も高くなる融着領域に隣接している。冷却速度が小さいと、溶接熱影響領域に粗大な塊状フェライトと炭化物組織が現れ、鋼材の塑性を明らかに低下させる、冷却速度が大きいと、粗大なマルテンサイト組織が発生するため、溶接継手の塑性も低下する。

3.3軟化層の生成

T 91鋼は調質状態で溶接され、熱影響領域に軟化層が発生することは避けられず、またパーライト耐熱鋼の軟化よりも深刻である。加熱速度と冷却速度の両方が遅い規範を用いると、軟化の程度が大きい。また、軟化層の幅とそれの溶着線からの距離は、溶接の加熱条件や特徴だけでなく、予熱、溶接後熱処理などにも関係している。ハルビンボイラー工場はT 91溶接熱影響区の硬度曲線を試験的に得たことがあり、図2を参照。

3.4応力腐食割れ

T 91鋼は溶接後熱処理する前に、冷却温度は一般的に100℃を下回らず、室温で冷却し、環境が比較的湿っている場合、応力腐食亀裂が発生しやすい。ドイツの規定：溶接後熱処理する前に150℃以下に冷却しなければならない。ワークが厚く、隅肉溶接が存在し、幾何学的寸法が悪い場合、冷却温度は100℃以上である。室温で冷却すると、湿気を厳禁し、そうしないと応力腐食割れが発生しやすい。

4 T 91鋼の溶接方法

4.1予熱温度の選択

T 91鋼のMs点は約400℃であり、予熱温度は一般的に200〜250℃であることが好ましい。予熱温度は高すぎてはいけない。そうしないと、継手の冷却速度が低下し、溶接継手中に結晶粒界で炭化物の析出とフェライト組織の形成を引き起こす可能性があり、それによってこの鋼材溶接継手の室温時の衝撃靭性を大幅に低下させる。予熱温度の下限はハルビンボイラー工場で行ったプラグ試験からよく説明される。

ピン試験棒はT 91鋼を採用し、直径8 mm、深さ0.5 mm、底板は13 CrMo鋼、厚さ20 mmを採用し、試験は非予熱、予熱150℃、予熱200℃、予熱250℃の条件下で行った。溶接棒はJ 707を採用している。溶接電流は165〜170 A、アーク電圧は21〜267 Vであり、試験結果を表2に示す。

表2 T 91プラグ試験結果

しけん

じょうけんしりょう

ばんごうおうりょくすいじゅん

/MPa破断時間

/min

予熱しない1 303.8 9

2 186 8 237

3 176.48.3 1440未切断

予熱150℃4 421.48.1 1260

5 354.8 120未切断

予熱200℃6 465.2 8.6 1440未切断

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

予熱250℃9 539 8.2 1440未切断

10,600 8.0 1440未切断

上記試験結果から、非予熱条件下で、T 91鋼溶接継手の臨界応力は176.4 MPaである、150℃予熱時の臨界応力は354.8 MPaで、T 91鋼の常温降伏限界415 MPaの85.4%である、200℃以上予熱すると、臨界応力は460 MPaより大きく、T 91鋼の常温降伏限界を超えた。これにより、T 91鋼の溶接時に冷間クラックが発生しないように、予熱温度は200℃以上でなければならず、ドイツでは予熱温度は180〜250℃、米国CE社では予熱温度は120〜205℃と規定されている。

4.2層間温度の選択

層間温度は予熱温度の下限を下回ってはならないが、予熱温度の選択と同様に、層間温度も高すぎてはならない。T 91溶接時の層間温度は一般的に200〜300℃に制御される。フランスの規定：層間温度は300℃を超えない。米国の規定：層間温度は170〜230℃の間に位置することができる。

4.3溶接後熱処理開始温度の選択

T 91は溶接後にMs点以下まで冷却し、一定時間保持してから焼戻し処理を行うことを要求し、溶接後の冷却速度は80〜100℃/hである。保温していないと、継手のオーステナイト組織が完全に変化しない可能性があり、焼戻し加熱はオーステナイト粒界に沿って炭化物の沈殿を促進し、このような組織は脆い。しかし、T 91溶接後も室温まで冷却してから焼戻しを行うことは許されない。その溶接継手が室温まで冷却すると冷割れが発生する危険があるからだ。T 91にとって、最適な開始温度は100〜150℃であり、1 h保温することで、組織転換が完了することを基本的に確保することができる。

4.4焼戻し温度、定温時間、焼戻し冷却速度の選択

T 91鋼は冷間クラック傾向が大きく、一定条件下では遅延クラックが発生しやすいため、溶接継手は溶接後24 h内で焼戻し処理を行わなければならない。T 91溶接後の状態の組織は板条状マルテンサイトであり、焼戻しを経て焼戻しマルテンサイトに変化し、その性能は板条状マルテンサイトより優れている。焼戻し温度が低い場合、焼戻し効果は明らかではなく、溶接金属は時効になりやすく脆化しやすい、焼戻し温度が高すぎる（AC 1ラインを超える）と、継手が再びオーステナイト化し、その後の冷却中に再硬化する可能性がある。同時に、本明細書で前述したように、焼戻し温度の決定は、継手軟化層の影響も考慮しなければならない。一般的に、T 91焼戻し温度は730〜780℃である。

T 91溶接後の焼戻し恒温時間は1 h以上であり、その組織が焼戻しマルテンサイトに完全に転換することを保証することができる。

T 91鋼溶接継手の残留応力を低減するためには、その冷却速度を5℃/min未満に制御する必要がある。T 91鋼の溶接プロセスは図3に示すことができる。

①予熱200～250℃、②溶接、層間温度200〜300℃、③溶接後冷却、速度80～100℃/h、④100～150℃保温1 h、⑤730～780℃焼戻し1 h、⑥5℃/min以下の速度で冷却

5 T 91鋼の広東省内火力発電所への応用例

広東省電力局第一溶接訓練センターはΦ42 mm×5 mmのT 91小径管突合せの溶接技術評価を行ったことがある。採取した予熱温度は200℃、溶接後150℃まで冷却し、1 h保温後に焼戻しを行い、焼戻し温度は750～780℃、1 h保温し、昇降温度速度はいずれも5℃/min未満であった。溶接後に試料に対して外観検査、切断検査、非破壊検査、引張と曲げ試験を行い、結果はすべて合格であり、これも上述の溶接技術が有効であることを説明した。

上述の溶接技術はすでに砂角A工場、梅県発電所の高温再熱器外輪に応用することに成功した。T 91鋼はこれらの発電所で使用された後、超温などによる事故の頻度が大幅に低下した。

6結論

①T 91鋼は合金化原理に頼って、特に少量のニオブ、バナジウムなどの微量元素を添加して、高温強度、抗酸化性は12 Cr 1 MoV鋼より大きい向上があって、しかしその溶接性能は比較的に悪い。

②プラグ試験により、T 91鋼は比較的に低温割れ傾向があり、予熱200〜250℃、層間温度200〜300℃を選択し、冷却割れの発生を有効に防止することができる。

③T 91溶接後の熱処理前に、100〜150℃まで冷却し、1 h保温しなければならない。焼戻し温度730〜780℃で、保温時間は1 h以上である。

④以上の溶接技術はすでに200 MW、300 MWボイラーの製造生産実践に応用され、満足な効果を得て、そして大きな経済効果を得た。鋼管は中空断面を有し、周辺に継ぎ目がない長尺鋼材である。鋼管は中空断面を有し、石油、天然ガス、ガス、水及びある固体材料を輸送する配管など、流体を輸送する配管として大量に使用されている。鋼管は円鋼などの固体鋼材と比べて、曲げ抵抗強度と同時に、重量が軽く、経済断面鋼材であり、石油ドリル、自動車伝動軸、自転車フレーム及び建築施工に用いられる鋼足場などの構造部品と機械部品の製造に広く用いられている。鋼管を用いて環状部品を製造することで、材料の利用率を高め、製造工程を簡略化し、転がり軸受カラー、ジャッキジャケットなどの材料と加工工数を節約でき、現在では鋼管を用いて広く製造されている。鋼管は各種の通常兵器に不可欠な材料であり、銃管、砲筒などは鋼管で製造されている。鋼管は断面積形状の違いによって円管と異形管に分けることができる。周長が等しい条件下では、円面積が最大であるため、円形管でより多くの流体を輸送することができる。また、円環断面は内部または外部の半径方向圧力を受ける場合、力を受けるのが均一であるため、ほとんどの鋼管は円筒管である。合金管の重量計算式：[（外径-肉厚）*肉厚]*0.02466=kg/m（1 m当たりの重量）