クロムモリブデン鋼：重要な使用法のヒントと特性

1.はじめに

クロムモリブデン鋼は、中温耐水素鋼としても知られ、高温強度と耐クリープ性の向上を特徴とする高性能合金である。この改善は、主にクロム（Cr≦10%）とモリブデン（Mo）の合金元素の戦略的添加によって達成される。

これらの合金元素の相乗効果により、鋼の機械的特性が向上するだけでなく、優れた耐水素脆性、優れた高温性能が付与されます。これらの特性により、クロムモリブデン鋼は、石油精製、化学水素処理装置、高温装置など、さまざまな要求の厳しい産業用途に不可欠な材料となっています。

圧力容器製造の領域では、クロムモリブデン鋼は、そのユニークな特性の組み合わせにより、好ましい材料選択としての地位を確立しています。高温高圧下でも構造的な完全性を維持するその能力は、水素による劣化に対する耐性と相まって、プロセス産業で遭遇する厳しい環境に特に適しています。

この記事では、九台メタノール合成プロジェクトに関連して、クロムモリブデン鋼の多面的な側面を掘り下げる。この材料の特徴を探り、設計の最適化、製造プロセス、非破壊検査プロトコル、熱処理レジーム、プラントのスタートアップとシャットダウン時の操作手順など、プロジェクト実施のさまざまな段階における重要な考慮事項を検討する。これらの要因に包括的に取り組むことで、メタノール合成や同様の重要な工業プロセスにおけるクロムモリブデン鋼設備の安全で効率的かつ信頼性の高い操業に貢献できる知見を提供することを目指します。

2.クロムモリブデン鋼の基本特性

2.1 耐熱性

クロム、モリブデン、ミョウバンなどの元素を加えることで、鋼の高温酸化に対する耐性と高温強度が向上する。

作用機構は以下の通り：クロムは主にセメンタイト（Fe3C）中に存在し、セメンタイトに溶解したクロムが炭化物の分解温度を高め、黒鉛化の発生を防止して鋼の耐熱性を高める。

モリブデンはフェライトの固溶体強化効果があり、炭化物の安定性も高めることができるため、鋼の高温強度に有利である。

適切な量のバナジウムを含むことで、鋼は高温でも細粒組織を維持することができ、鋼の熱安定性と強度が向上する。

2.2 耐水素腐食性

クロムやモリブデンのような元素は、炭化物の安定性を高め、分解を防ぐため、炭化物や析出炭素と水素の反応によるメタン生成の可能性を減らす。

バナジウムの添加により、鋼は高温でも細粒組織を維持することができ、高温高圧条件下での鋼の安定性が大幅に向上する。

2.3 焼き戻し脆化

クロムモリブデン鋼の焼戻し脆化とは、370℃～595℃の温度範囲で長時間使用すると、鋼の衝撃靭性が低下する現象を指す。

これは、一般的に使用されている水素装置が動作する温度範囲と同じです。圧力容器グレードのクロムモリブデン鋼では、クロム含有量が2%から3%の間で最も焼戻し脆化が激しくなることが実験的に示されています。

リン、アンチモン、スズ、ヒ素、ケイ素、マンガンなどの元素は、焼戻し脆化に大きな影響を与える。脆化は可逆的であり、ひどく脆化した材料は、適切な熱処理によって脆化を除去することができる。

2.4 脆性傾向が高く、遅れクラックが発生しやすい。

を加えた。 合金元素 クロム、モリブデン、バナジウムなどの添加により、鋼の臨界冷却速度が低下し、過冷却オーステナイトの安定性が高まる。

溶接の冷却速度が速いと、次のような変形が起こる。 オーステナイト を熱影響部の過熱ゾーンでパーライトに変えることは、まず起こらない。

その代わり、次のように変化する。 マルテンサイト より低い温度で、急冷された構造を形成する。

の複雑な残留応力が複合的に作用する。 溶接継手 と拡散した水素により、溶接部および熱影響部の焼入れ組織は、水素誘起遅れ割れの影響を非常に受けやすくなる。

3.デザインにおける考慮事項

3.1 素材の選択

特定の使用条件下では、選択された材料は優れた耐水素腐食性を有するだけでなく、焼戻し脆性傾向を効果的に抑制する必要がある。

また、優秀な人材でなければならない。 溶接性.化学組成が構造を決定し、構造が性能を決定し、性能が用途を決定する。結局のところ、鍵は化学組成のコントロールにある。

3.1.1 水素腐食対策

クロムモリブデン鋼は、低温（～200℃）、高圧下でも水素腐食を起こさない。しかし、高温・高圧の水素環境下で使用すると、水素腐食が発生する可能性があります。

通常、使用温度と水素分圧に対応するネルソン曲線に基づいて、特定の使用条件に適したクロムモリブデン鋼材を選択します。

ネルソン曲線からわかるように、クロムとモリブデンの含有量が多いほど、水素腐食に対する耐性が強くなる。

曲線において、容器の運転条件が実線より上であれば、水素腐食の発生を示す。実線より下であれば、水素腐食は発生しない。

3.1.2 短気傾向の抑制策

材料中のP、Sb、Sn、As、Si、Mnなどの元素の含有量を調整することにより、焼戻し脆性傾向を制御することができる。

一般鋼の焼戻し脆化感受性係数Jと溶接金属の焼戻し脆化感受性係数xが通常この目的に使用される。一般的に使用される2.25Cr-1Moでは、以下の管理指数が使用される：

• J=(Si+Mn)x(P+Sn)x10≦150;元素は重量％で代用。
• X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≦15ppm；元素はx10(ppm)で代用。

実用的なエンジニアリング用途では、残留元素のCuとNiの含有量を管理することも必要である。Cuは0.20%以下、Niは0.30%以下が望ましい。

3.1.3 亀裂感受性の決定

ひび割れ感受性は炭素当量に関連しており、その値は製造者が以下の基準に基づいて決定する。 溶接工程 を評価した。

計算方法：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

炭素当量値が増加するにつれて、鋼の溶接性は悪化する。Ceq値が0.5%を超えると、冷間割れに対する感受性が高くなり、溶接性と溶接性が劣化する。 熱処理工程 が厳しくなるだろう。

485Mpa≦UTS＜550Mpaの一般的なCr-Mo鋼材の場合、Ceqは通常約0.48%に制限される。

シミュレーション溶接と 溶接後熱処理 製品溶接試験板で実施した場合、最大炭素当量は 0.5%まで増加する。

3.2 構造

Cr-Mo鋼は硬化傾向が強いため、遅れ割れや隅肉溶接部の割れが発生しやすい。

したがって 構造設計 は以下の点に注意する必要がある：

3.2.1 拘束の程度を軽減し、接合構造を合理的に設計する。

3.2.2 溶接面にアンダーカットがあってはならない。

3.2.3 穴補強は全体として実施されるべきであり、リング補強構造は使用すべきではない。

3.2.4 インターナル・エクステンション・タイプのノズルは使用しないこと。

3.2.5 付属品との接続は両面接続とする。 完全浸透 また、コーナー溶接は使用すべきではない。

3.2.6 シリンダーのバットジョイントは、U字型のものを使用するのが望ましい。 グルーヴ.

3.3 溶接

Cr-Mo鋼は炭素当量が大きく、一般に程度の差こそあれ冷間割れを起こしやすい。これは以下の対策で防ぐことができる：

3.3.1 水素含有量の厳格な管理 溶接棒 で、低水素塩基性電極を使用する。

3.3.2 装置アセンブリの溶接前に予熱を行うこと。予熱を行うことで、溶接部の冷却速度が向上する。 溶接材料 を減らすことができ、脆い硬質構造の形成を防ぐことができる。

予熱温度は 溶接プロセス評価.溶接工程評価の前に、溶接工程評価を行う。 クラックテスト この予熱温度は、溶接工程全体の予熱温度より低くてはならない。

を下回らないように制御する必要がある。 予熱温度.溶接直後には、後加熱措置を講じる必要がある。

3.4 非破壊検査

ケーシングに使用されるすべてのCr-Mo鋼板は、超音波検査を受けなければならない。

高温、高圧、厚肉の反応容器については、突合せ継手の100%放射線検査後、超音波検査と追加の磁粉探傷検査を実施すべきである。 溶接継手 熱処理および静水圧試験後の超音波試験に許容される。

超音波探傷検査は、X線探傷検査よりも亀裂や欠陥に敏感であるため、非破壊検査のタイミングを考慮して慎重に実施する必要がある。

3.5 溶接後の熱処理

容器の製造過程で、水素ガスが金属に浸入し、鋼材に小さな亀裂が生じることがある。 水素脆化.

水素脆化を防ぐには、溶接後の脱水素処理を速やかに行う必要がある。

脱水素処理は、溶接直後の溶接部および隣接する母材を高温に加熱することで、鋼中の水素の拡散係数を増加させる。

これにより、溶接金属中の過飽和水素原子の流出が促 され、次のような現象が抑制される。 ひび割れ.溶接直後に溶接後熱処理(PWHT)を行なえば、脱水素処 理は不要と考えられる。

Cr-Mo鋼で作られたあらゆる厚さの容器は、全体的に溶接後熱処理を受けるべきである。Cr-Mo鋼の溶接後熱処理は、以下を排除するだけでなく 残留応力 が、鋼の機械的特性も向上させ、水素腐食に耐える上で有利となる。

3.6 スタートアップとシャットダウンの手順

Cr-Mo鋼は、使用温度が低いか延性脆性遷移温度付近で、応力があるレベルに達すると脆性破壊に至る可能性がある。

しかし、このような破損は、容器内の実際の応力が、その5分の1以下であれば、ほとんど回避可能である。 降伏強度 Cr-Mo鋼の。

したがって、Cr-Mo鋼で作られた圧力容器では、脆性破壊を防止するために、起動時には圧力より先に温度を上げ、停止時には温度より先に圧力を下げる手順を採用すべきである。

4.許容応力の選択

国際標準Cr-Mo鋼材を導入する場合

国内規格と国際規格では、材料の許容応力度に関する安全係数の決定や計算方法に相違があるため、国際規格のCr-Mo鋼材を使用する場合は、国内の許容応力度計算規則を適用する必要がある。

SA387Cr.11G1.2を例にとると、許容応力の計算は以下のようになる：

まず、引張強さと 降伏強度 ASMEによる材料の様々な温度における。

室温での許容応力は、室温での引張強さを3.0で割った値と降伏強さを1.5で割った値のうち小さい方の値である。

国内では高温での引張強さのデータがないため、高温での降伏強さを1.6で割って高温での許容応力を求めている。

計算値が室温許容応力より大きい場合は、室温値を採用する。それ以外は計算値を使用する。

ASMEにおけるこの材料の許容応力を見ると、温度が450℃を超えると許容応力は急激に低下し、その時点でクリープ限界が許容応力を支配する。

ASMEは450℃以上のクリープ限界データを提供しておらず、国内規格とASMEのクリープ限界の安全係数は一致しているので、ASMEの許容応力をそのまま採用する。設計温度における具体的な許容応力は、内挿法により求めることができる。

5.結論

本稿では、Cr-Mo鋼材に関する具体的な要求事項を概説する。詳細設計においては、安全で経済的かつ合理的な設計を実現するために、標準仕様に従ってあらゆる側面を考慮し、総合的な分析を行う必要がある。