低温鋼の溶接：総合ガイド

01 低温鋼の概要

1) 低温用鋼に要求される重要な技術的要件は、極低温条件下での十分な強度、十分な靭性、優れた溶接性、良好な機械加工性、優れた耐食性である。

その中でも、低温靭性（氷点下での脆性破壊に耐える能力）は最も重要です。そのため、ほとんどの国家規格では、最低使用温度における最低衝撃靭性値が規定されており、これは通常シャルピーVノッチ試験で測定されます。

2) 低温鋼の組成において、炭素、珪素、リン、硫黄、窒素などの元素は一般に低温靭性に有害であり、中でもリンが最も有害である。

これを軽減するため、製鋼の初期段階でリンの除去が優先され、多くの場合、真空脱ガスなどの二次冶金プロセスを通じて行われる。逆に、マンガンやニッケルなどの元素は低温 靭性を高める。ニッケル含有量が1%増加す るごとに、延性脆性遷移温度(DBTT)は約20℃低下し ますが、これは主にオーステナイト相を安定化させ、 粒組織を微細化することによるものです。

3) 熱処理工程は、低温鋼の組織と結晶粒径を決定する上で重要な役割を果たし、低温靭性に大きな影響を与える。焼入れ・焼戻し処理を最適化することで、炭化物の析出が制御された細粒マルテンサイト組織またはベイナイト組織を生成し、低温靭性を著しく向上させることができる。

4) 一次成形方法に基づいて、低温鋼は鋳鋼と展伸鋼に分類される。

組成と組織特性により、低温鋼は低合金鋼 (ASTM A353、A553など)、3.5% Ni鋼、5% Ni鋼、6% Ni鋼、9% Ni鋼、オーステナイト系Cr-Mn鋼またはCr-Mn-Ni鋼、オーステナイト系Cr-Niステンレス鋼に分類される。

低合金鋼は通常、冷凍装置、極低温輸送容器、地上エチレン貯蔵タンク、石油化学処理装置の製造など、約-100℃までの中程度の極低温用途に使用される。

米国、英国、日本などの国々では、9% Ni鋼（ASTM A353など）は、-162℃の液化天然ガス（LNG）貯蔵・輸送タンク、-183℃の液体酸素貯蔵、液体酸素・窒素製造用の空気分離装置の製造など、より要求の厳しい低温構造物に広く利用されている。

オーステナイト系ステンレス鋼、特に304L、 316L、347などの鋼種は、優れた低温靭性、優 れた溶接性、低い熱伝導率を提供する優れた極低温 構造材料である。これらの鋼は液体ヘリウム温度（-269℃）まで延性を維持し、液体水素（-253℃）や液体酸素の輸送・貯蔵タンク、超伝導マグネットのクライオスタットなどの極低温用途で広く使用されている。しかし、クロムとニッケルの含有量が多いため高価であり、各用途の費用対効果を慎重に分析する必要がある。

02 低温鋼溶接施工の概要

低温用鋼の溶接施工法および溶接条件を選択する場合、溶接継手部における低温靭性の劣化を防止し、次のような事態を回避することに重点が置かれる。 溶接クラック.

1.グルーブ加工

の溝の形状に根本的な違いはない。 溶接継手 低温鋼、普通炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼の場合は、標準的な方法で加工できる。しかし 9Ni 鋼の溝角度は70度以上、鈍角は3mm以下が理想的である。

すべての低温鋼はオキシアセチレン炎で切断できる。ただし、9Ni鋼をガス切断する場合、切断速度は通常の炭素鋼をガス切断する場合よりやや遅くする必要がある。鋼材の厚さが100mmを超える場合は、ガス切断前に150～200℃に予熱することができるが、200℃を超えてはならない。

ガス切断は、ガス切断の影響を受ける地域には悪影響を与えない。 溶接熱.しかし、ニッケル含有鋼の自硬性により、切断面は硬化する。

の満足のいくパフォーマンスを保証する。 溶接継手溶接の前に、砥石を使って切断面を滑らかにし、きれいにするのが最善である。

溶接施工の際、必要であれば 溶接ビード または母材にアーク・エア・ガウジングを使用することができる。ただし、再加工の前には、やはり溝表面を洗浄し、研磨する必要がある。

オキシアセチレン火炎ガウジングは、鋼材を過熱する危険があるため、使用すべきではない。

2.溶接方法の選択

低温鋼は、次のような典型的な方法で溶接できる。 アーク溶接サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接。

アーク溶接は、低温度鋼に最もよく使われる方法で、さまざまな溶接位置に適用できる。入熱は約18～30KJ/cmである。

低水素電極を使用すると、良好な機械的特性だけでなく、優れた切欠き靭性を示す、完全に満足のいく溶接継手が得られる。

加えて、アーク溶接には、溶接機が単純で安価であること、設備投資が少なくて済むこと、位置や方向の制約がないことなどの利点がある。

低温鋼用サブマージアーク溶接の入熱量は、10～22KJ/cm 程度である。シンプルで溶接効率が高く、操作が簡単なため、広く使用されている。

しかし、フラックスの断熱効果により、冷却が遅くなる。 ホットクラック.

さらに、フラックスから不純物やシリコンが 溶接金属に入り込み、この傾向を悪化させることも ある。従って、サブマージアーク溶接を使用する場合は、ワイヤとフラックスの選択を慎重に検討し、作業を綿密に行う必要がある。

CO₂ ガス・シールド溶接は、靭性の低い継手を生成するため、低温鋼の溶接には使用されない。

タングステン不活性ガス(TIG)溶接は通常、手作業で行われ、その入熱は9～15KJ/cmの範囲に制限される。溶接継手は満足のいく性能を示すが、鋼材の厚さが12mmを超える場合、この方法は適用できない。

ガス・メタル・アーク溶接(MIG)は、入熱23～40KJ/cmの 低温鋼の自動または半自動溶接法として、最も広く使 われている。

液滴移行方式に基づき、短絡移行（低入 熱）、球状移行（高入熱）、パルス・スプレー移 行（高入熱）に分けられる。短絡MIG溶接では、溶け込み深さが不十 分になり、不完全な溶け込み欠陥が発生する可 能性がある。

他のMIG溶接モードでも、程度の差はあれ、 同様の問題が発生する可能性がある。アークをより集中させて満足のいく溶け込み深さを得るには、溶接材料として使用する純アルゴンに、数%から数十%のCO2またはO2を導入することができる。 シールドガス.

適切なパーセンテージは、具体的な数値に基づいて実験的に決定されるべきである。 鋼種 溶接される。

3) 溶接材料の選択

溶接材料 (電極、溶接ワイヤ、フラックスなど）は、一般に、採用する溶接方法、継手形状、開先形状、その他必要な特性に応じて選択すべきである。

低温鋼の場合、最も重要なことは、溶接金属が母材 に見合う低温靭性を持つこと、そして拡散水素量を最 小限に抑えることである。

(1) アルミ・キルド・スチール

アルミキルド鋼は、溶接後の冷却速度に非常に敏感 である。アルミキルド鋼の手動アーク溶接に使用される電極は、一般的にSi-Mn系低水素タイプまたは1.5% Niタイプ、2.0% Niタイプである。

溶接の入熱を減らすため、アルミキルド鋼は通常、3~3.2mmの薄い電極による多層溶接を採用している。これにより、上層溶接パスの二次ヒートサイクルを利用して結晶粒を微細化することができる。

Si-Mn電極を用いて50℃で溶接した溶接金属の衝撃靭性は、入熱が増加するにつれて急激に低下する。例えば、入熱が18KJ/cmから30KJ/cmに増加すると、靭性は60%よりも低下する。1.5% Niタイプおよび2.5% Niタイプの電極は、この影響を受けにくいため、溶接に最適です。

サブマージアーク溶接は、アルミキルド鋼の一般的な自動溶接方法である。サブマージアーク溶接に使用される溶接ワイヤは、1.5～3.5%のニッケルと0.5～1.0%のモリブデンを含む組成が最適である。

文献によると、2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Moま たは2%Ni溶接ワイヤと適切なフラックスを 使用すれば、-55℃での溶接金属の平均靭性値は56～ 70J (5.7～7.1Kg/fm)に達する。0.5%Mo溶接ワイヤとマンガン合金アルカリ・フラックスでも、入熱を26KJ/cm以下に制御すれば、55J (5.6Kg/f.m)の溶接金属を作ることができる。

フラックスを選択する際には、溶接金属中の SiとMnの含有量に注意する必要がある。試験により、溶接金属中のSi、Mn含有量の違 いが靭性に大きく影響することが示されてい る。最適な靭性は、0.1~0.2% Siおよび0.7~1.1% Mnで得られる。このことは、溶接ワイヤおよびフラックスを選 択する際に注意すべきである。

タングステン・イナート・ガス（TIG）溶接およびメタル・イナート・ガス（MIG）溶接は、アルミキルド鋼ではあまり一般的ではない。前述のサブマージ・アーク溶接用溶接ワイヤーは、 以下の用途にも使用できる。 TIG溶接.

(2) 2.5Ni鋼と3.5Ni鋼

2.5Niおよび3.5Ni鋼のサブマージアーク 溶接またはMIG溶接には、一般に母材と同材質の 溶接ワイヤーを使用できる。しかし、ウィルキンソンの式に 示されるように、Mnは低ニッケル低温鋼の熱間 割れ防止剤である。

溶接金属中のマンガン含有量を1.2%程度に 維持することは、アーク・ピット・クラックおよびそ の他のホット・クラックの防止に有効である。このことは、溶接ワイヤとフラックスの組み合 わせを選択する際に優先されるべきである。

3.5Ni鋼は焼戻し脆化傾向が強いため、溶接後熱処理後 残留応力 リリーフ（例えば620℃×1時間、その後炉冷）すると、靭性が3.8Kg/f.mから2.1Kg/f.mに激減し、規格を満たさなくなる。

4.5%Ni-0.2%Mo溶接ワイヤによる溶接金属の焼戻し脆化傾向ははるかに小さく、このワイヤを使用することで前述の困難を回避することができる。

(3) 9Niスチール

9Ni鋼は通常、その低温靭性を最大化するため、焼入れ焼戻しまたは二重焼ならし焼戻し熱処理が施される。しかし、この鋼の溶接金属は前述の熱処理を受けることができない。

そのため、フェライト系溶接材料を用いると、母材に匹敵する低温靭性を持つ溶接金属を得ることが難しくなる。最も一般的に使用されているのは、高ニッケル溶接材料である。

このような溶接材料の溶接金属は、完全なオーステナイト組織である。9Ni鋼の母材に比べて強度が低く、コストが高いという欠点はあるが、脆性破壊はもはや深刻な問題ではない。

以上のことから、私たちは次のことを知っている：

溶接金属はすべてオーステナイト系であるため、使用した電極および溶接ワイヤで溶接した溶接金属の低温靭性は、引張強さおよび降伏点は母材より低いが、母材と十分に競合できる。

ニッケルを含む鋼は自己硬化する性質があるため、多くの電極や溶接ワイヤでは、ニッケル含有量を制限する対策がとられている。 炭素含有量 を使用して良好な溶接性を達成した。

溶接材料において、Moは重要な強化元素であり、Nb、Ta、Ti、Wは重要な強靭化元素である。溶接材料の選択と構成において、これらの重要性は十分に認識されている。

同じ溶接ワイヤを使用した場合、サブマージアーク 溶接の溶接金属の強度と靭性は、MIG溶接に比 べやや劣る。これは、溶接部の冷却速度が遅いことと、フラックスからの不純物やSiの浸入の可能性があるためと考えられる。

03 A333-GR6低温鋼管の溶接

1) A333-GR6鋼の溶接性解析

A333-GR6鋼は低温用鋼で、最低使用温度は-70℃であり、通常、焼ならしまたは焼ならし＋調質状態で納入される。A333-GR6鋼は炭素含有量が低いため、硬化および低温割れ傾向が小さく、靭性および塑性が良好です。

一般に、硬化や亀裂の欠陥が生じにくく、良好な特性を持つ。 溶接性.

ER80S-Ni1 アルゴンアーク溶接 またはER80S-Ni1アルゴンアーク溶接ワイヤは、溶接継手の良好な靭性を確保するために、完全なアルゴンアーク溶接に使用することができます。

アルゴン・アーク溶接ワイヤと電極の銘柄は、同じ性能の製品から選ぶことができるが、使用前に所有者の承認を得なければならない。

2) 溶接プロセス

溶接の際、直径76.2mm未満のパイプは、I型突合せ継手と完全アルゴンアーク溶接を使用し、直径76.2mm以上のパイプは、V型開先を開け、アルゴンアークルートと多層充填アルゴン電気溶接または完全アルゴンアーク溶接の方法を使用する。

具体的な方法は、所有者が承認したパイプの直径と肉厚による。

3) 熱処理工程

(1) 溶接前の予熱

周囲温度が5℃未満の場合は、溶接部の予熱が必要である。

について 予熱温度 予熱範囲は溶接部の両側100mm。加熱にはオキシアセチレン炎（中性炎）を使用し、温度は温度感知ペンによって溶接部の中心から50～100mm離れた位置で測定される。

(2) 溶接後の熱処理

低温鋼の切欠き靭性を向上させるために、一般に使用される材料はすでに焼入れと焼戻しが施されている。不適切な溶接後熱処理は低温性能を劣化させることが多く、十分な注意が必要である。

そのため、溶接部の板厚が大きくなる場合や、拘束 条件が非常に厳しい場合を除き、低温用鋼は通常、 溶接後の熱処理を行わない。

例えば、CSPCで新たに追加されたLPGパイプラインの溶接は、溶接後の熱処理を必要としない。

プロジェクトによっては、溶接後熱処理が本当に必要な場合、溶接後熱処理の加熱速度、恒温時間、冷却速度は、以下の規定に従って厳密に実施しなければならない：

恒温時間は肉厚25mmにつき1時間、15分以上とする。恒温時間中の最高温度と最低温度の温度差は65℃以下とする。

恒温後の冷却速度は65×25/δ℃/h以下、260℃/h以下とする。400℃以下は自然冷却でもよい。コンピュータ制御の熱処理装置を使用する。

4) 注意事項

(1)規定通りに厳格な予熱を行い、層間温度を100～200℃以内に管理する。各溶接は一回で完了させ、中断する場合は徐冷措置をとる。

(2) 溶接材表面のアーク傷は厳禁である。アーク消火後、クレーターを埋め、欠陥は砥石で研磨する。多層溶接では、層と層の継ぎ目をずらす。

(3) 線エネルギーは厳密に管理し、小電流、低電圧、短時間で 溶接すること。直径3.2mmのW707Ni電極の場合、電極1本当たりの溶接長さは8cmを超えなければならない。

(4)ショートアークでスイングしない操作を採用すること。

(5) 完全溶け込み溶接 プロセスを使用し、溶接プロセス仕様書および溶接プロセス・カードの要件に厳密に従わなければならない。

(6)溶接補強は0～2mmとし、溶接部の幅は片側2mm以下とする。

(7) 溶接部の外観検査に合格した後、非破壊検査は少なくとも 24時間経過してからでなければ実施できない。規格JB 4730-94は、以下の場合に適用される。 突合せ溶接 パイプの継ぎ目。

(8) 規格「圧力容器：圧力容器の非破壊試験」を遵守し、レベルⅡの資格を取得すること。

(9) 溶接の補修は、溶接後の熱処理前に行う。熱処理後に補修が必要な場合は、補修後に溶接部を再度熱処理しなければならない。

(10) 溶接面の幾何学的寸法が不適合である場合は、研削 後の厚さが設計要件を下回らない限り、研削してもよい。

(11) 一般の場合 溶接欠陥最大2回の補修が許される。2回の補修の後でも不合格の場合は、溶接部を切断し、完全な補修手順に従って再溶接する。 溶接工程.