JPH0377848B2 - - Google Patents

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−低Si
−Cr−Mo鋼の製造方法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の用途に
て特有なエロージヨン・コロージヨン（E.C.と略
す）のアタツ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、かつ熱
処理工程を適合させた、上記種類の鋼の製造方法
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、後
“湿り蒸気”で一括してあらわすこととして、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.
C.によるアタツクを受けた場合、E.C.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、系統内全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E.C.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.C.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
G4109、SCMV−３（通称１1/4％Cr−1/2％Mom
３／４％Si鋼）の化学組成、熱処理（焼ならし焼も
どし（以下「Ｎ−Ｔ」と略記する）と、焼まなし
（以下「Ａ」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、それそ
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−１ 1/4％Cr−1/2％Mo−3/
４％Si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
−１ 1/4％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
至つたのである。

【表】 ここでＣ含有量が0.15％以上のこの種鋼が適用
される理由は、一つに耐E.C.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SCMV−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53Kgｆ／mm²以上）を、保証すること
にあつた。 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C1 1/4％Cr−1/2％Mo−3/4％
Si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−１ 1/4％Cr−1/2％Mo−
３／４％Si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、円周溶接でつぐ。
この円筒内部にさらに管板、管および各種部材が
溶接などより組込まれて両端に鏡板を溶接して組
み立てられる。かかる溶接組立にあたつて、高Ｃ
−１ 1/4％Cr−1/2％Mo−3/4％Si鋼は、 溶接硬化性指数、Ｃ当量（Ｃ＋Si／24＋Mn／
６＋Ni／40＋Cr／５＋Mo／４＋Ｖ／14）が例え
ば0.72％、 また溶接われ感受性指数、P_CM値（Ｃ＋Si／30
＋Mn／20＋Cu／20＋Ni／60＋Cr／20＋Mo／15
＋Ｖ／10＋5B）が例えば0.32％ 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（通常
Stress Relieving、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、従つ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、多大の不利を生ず
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−Mo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E.C.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
もつことも不可欠の条件である。なお、この耐E.
C.性に関し、これまで使用されていた高Ｃ−１
１／４％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が切望される。 従つて溶接性が良好でしかも湿り蒸気下での耐
E.C.性にすぐれることの両性質を兼備することが
この種の用途で必要とされる。 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、P_CM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E.C.性は劣化することが通常推定
される。 ここに耐E.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E.C.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、これらの要請に対して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含有量の低減によつて耐E.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E.C.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E.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、 Si含有量の少ない方がすぐれるようになるこ
と さらに微量のCuおよびNiの同時添加によつ
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するこ
とを企て、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ることができる、低Ｃ−低
−Si−Cr−Mo鋼の製造方法を次のように確立し
たのである。 すなわち、Ｃ：0.02wt％〜0.14wt％、Si：
0.45wt％未満、Mn：0.30wt％〜0.80wt％、Cr：
0.70wt％〜1.60wt％、Mo：0.40wt％〜0.70wt％、
Cu：0.02wt％〜0.50wt％及びNi：0.02wt％〜
0.50wt％を含有し、残余はFe及び不可避不純物
からなる組成の素材を熱間圧延したのち、焼なま
し処理することを特徴とする湿り蒸気下で使用す
る原子力発電給水加熱器用の耐E.C.性に優れる溶
接性の良好な低Ｃ−低Si−Cr−Mo鋼材の製造方
法である。 なお上記したところのうちの重要成分であるＣ
含有量0.13％以下、同じくCu及びNi含有量につ
きとくにそれぞれ0.16wt％〜0.30wt％に限定して
上記発明で所期した効果を一層高め得るので実施
上とくに有用である。 （作用） さて上記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Ｃ量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
下での使途に使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つ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せるとこ
ろに顕著な特徴をあらわし、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、従つて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は常温および高温における強度の増加
に有効な元素であり、従来はＣが0.15〜0.17％の
高い値であることに加えて一般的にSiも0.45〜
0.90％含有されていた。 しかしこの含有量を0.45％未満に限定すること
により低Ｃ化とあいまつて耐E.C.性が著しくこ向
上することが見い出されたためにこの各発明では
Si含有量を0.45％未満に限定するものであり、こ
の限定もまた重要な要件のひとつであるが、ここ
に他の強化元素であるMn、Cr、Moなどの強化
効果により必要な強度が確保できることは後述の
とおりである。 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、この各発明の組成の鋼では
強度確保に対してむしろCrおよびMoが大きく寄
与するため、強度の点でMnを大量に使用する必
要はなくむしろ0.80％を超えると却つて溶接硬化
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、この発明に関連する鋼
組成ではCrおよびMo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.
C.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1.60％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。従つて、Cr含有量は0.70〜1.60％
に、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
析出硬化型元素であり、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。 次にCu：0.02％〜0.50％、Ni：0.02〜0.50％で
両者を同時に含有させる理由は、高い流速の湿り
蒸気に対する耐E.C.性がさらに著しく改善できる
ことにある。この効果はCu0.02％以上、Ni0.02％
以上の各単独の場合に比べて複合することにより
一層著しくなるので併用する必要がある。耐E.C.
性の改善の点ではCuおよびNiは多ければ多いほ
どよいがいずれか一方が0.50％を超えると溶接性
を著しく低下させるのでこれらの各含有量の上限
を0.50％とした。Cu及びNiの同時添加による耐
E.C.性の一層の向上に対しては、おのおの0.16％
以上とすることが好ましく、何れも0.50％までな
ら多ければ多いほど効果は大きいが、その反面で
溶接われ感受性に関してはむしろ少ない方がよ
く、おのおの0.30％以下であることが望まれる。 つまり耐E.C.性と溶接性を最高にするには、Ｃ
を0.13％以下に限定し、かつ0.16〜0.30％でCuお
よびNiの両者を含有させることが実施上望まし
い。CuおよびNiは元来固溶体強化作用をもち焼
入性を向上させる元素であり、これらを複合で含
有させることにより強度は大きく上昇する。かよ
うにCuおよびNiにより強度が向上できるので、
強度面でのＣ含量の低減が可能になるわけで、ひ
いてはCu、Niの含有が耐E.C.性の改善にも役立
つわけである。すなわちCuとNiは合わせ含有さ
れるとそれら自身が耐E.C.性を改善するとともに
高強度化に役立ち、その高強度化はＣ含有量の低
減を可能にするのでこの点でも耐E.C.性の向上に
二重に寄与することになる。 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、0.0150％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市受要さ
れ場合に限つて品質、経済性の両面で効果を発揮
するのである。 以上、この発明に関連する鋼組成についての用
途と不可分な限定理由を説明したが、この発明に
おいてはとくに前述のような成分調整の下に溶製
して得られる素材に常法による圧延又は鍛造工程
のような熱間加工を経てから焼なましを施すこと
により鋼材として製造する。 なおここでいう焼なましとはAc₃点以上に加熱
後徐冷する処理である。焼なまし材は通常フエラ
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”
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。 従つ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つたのであ
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
観念にとらわ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.C.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、じん性をもつこ
とを確認した。 （実施例） さて以上述べたようなこの各発明の構成要件を
さらに明瞭にしこの各発明による特別の効果を具
体的に湿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が発明鋼であり、また記号No.
２、３は我国において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
これまで使用されてきた市販の高Ｃ−１1/4％Cr
−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
おおきく上廻つて0.16〜0.17％である。 記号No.４はＣ、Cu、Niがそれぞれ、また記号
No.５、６及び７はＣが、何れもこの発明の限定範
囲外である比較鋼であり、更に記号No.８、９は
Cr量が下限値に満たず、また記号No.10、11はCr、
Mo量がともに上限値を超え、かくして耐E.C.性
又は溶接性のいずれかが劣ることを示す比較鋼で
ある。 また記号No.12はＣがこの発明の限定外であると
きCu、Niの含有に拘らず耐E.C.性の改善効果が
不十分なことを示す比較鋼である。

【表】

【表】 これらの鋼は市販のものを用いた記号No.２及び
No.３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100Kg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。圧延後の熱処理は比較鋼につき、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
行つた。 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℃×1h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つ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645℃×1h、ただしNo.15とNo.16の場
合は670℃×8h、No.17とNo.18の場合は690℃×11h
の応力除去焼なまし（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
なましを行つ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−シヤルピー衝
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／mm²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2.1Kgｆ・ｍ以上であればよ
いということになる。 引張試験には直径６mm、平行部30mm、ゲージ長
25mmの丸棒試片を、また衝撃試験には２mmＶノツ
チシヤ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 3158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つた高速高温水に
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１mmのノズルを通し
150℃、酸素5ppb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.による試験片の重量減を調べることによつて
行つた。 以上の試験方法に基づく試験結果を第３表に示
す。

【表】 第３表に示すように発明鋼にあつては上記使途
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.C.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
はまつた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、強度ので難い焼なまし処理に変更し
ても支障がなく、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の知見は全く
新規なものである。 次にこの発明で得られる鋼の溶接施工時におけ
るわれ阻止予熱温度は約100℃よりも低い。 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
あつたのに対し、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、とくにＣ量0.13
％以下、Cu及びNi量が0.16〜0.30％の鋼では100
℃よりも低い予熱でもよいということで溶接施工
上飛躍的改良ということができる。 次に耐E.C.性とこの発明の重要な要件である
Ｃ、CuおよびNi含有量との関係については、こ
の種Cr−Mo鋼の耐E.C.性が低Ｃ化と低Si化によ
り、従来鋼の記号No.２、比較鋼の記号No.12との特
性比較において、とくに微量のCu及びNiとあい
まつて耐E.C.性を向上させる効果が著しいことが
わかる。 即ち給水加熱器用鋼としてＣ含有量を0.14％以
下に、Si含有量を0.45％未満に限定することによ
り、また微量のCu及びNiの同時添加、好ましく
は各々が0.16％〜0.30％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。 さらに第３表において、Cr量及び／又はMo量
がこの発明の範囲外である0.5Cr−0.5Mo鋼（記
号No.８、No.９、２1/4Cr−1Mo鋼（記号No.10、No.
11）についてみると、前者はCr量が少ないため
耐E.C.性が不十分であり、湿り蒸気下で使用する
際にE.C.が問題となること、また後者は溶接われ
感受性指数が高く250℃の予熱を必要とした作業
上多大の困難を伴うことがわかる。 これに対し本発明による鋼は、前述したごとく
耐E.C.性、溶接性のいずれをも具備し、湿り蒸気
下で使用される鋼として優れた特性を有してい
る。 （発明の効果） 以上詳細に述べたように、この発明にて得られ
る鋼材は溶接に当たつての予熱温度を125℃程度、
またはそれよりもかなり低い温度にすることがで
きて作業環境を損なう不利が軽減される上に、溶
接時の予熱に要するエネルギーも少なくて済むた
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、給水加熱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、とくに原子力発電設
備用給水加熱器に使用して、顕著な効果をあげる
ことができる点で、低Ｃ−低Si−Cr−Mo鋼材の
製造方法として有用である。

【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：0.02wt％〜0.14wt％ Si：0.45wt％未満 Mn：0.30wt％〜0.80wt％ Cr：0.70wt％〜1.60wt％ Mo：0.40wt％〜0.70wt％ Cu：0.02wt％〜0.50wt％及び Ni：0.02wt％〜0.50wt％ を含有し、残余はFe及び不可避不純物からなる
   組成の素材を熱間圧延したのち、焼なまし処理す
   ることを特徴とする湿り蒸気下で使用する原子力
   発電給水加熱器用の耐E.C.性に優れる溶接性の良
   好な低Ｃ−低Si−Cr−Mo鋼材の製造方法。 ２ Ｃ含有量が0.13wt％以下で、Cu及びNi含有
   量がそれぞれ0.16〜0.30wt％である、特許請求の
   範囲第１項に記載した低Ｃ−低Si−Cr−Mo鋼材
   の製造方法。