JPH0483840A

JPH0483840A - 耐浸炭性にすぐれる複合層管

Info

Publication number: JPH0483840A
Application number: JP19659990A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsuchida; 土田　公司; Teruo Ashimoto; 葭本　輝夫
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1992-03-17

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］本発明は、炭化水素類の熱分解・改質反応等を行なわせ
る管体に関し、炭化水素類の化学反応に伴なう管体表面
への浸炭を抑制し得る複合管に関する。

［従来技術］炭化水素の熱分解・改質反応管は、液状又はガス状の炭
化水素を高温、高圧下にて通過させて熱分解又は改質さ
せるものである。

このため、管材料は、高温強度、耐酸化性、耐浸炭性等
にすぐれるものが使用される。しかし、耐浸炭性を向上
させると高温強度等の低下を招くため、管体を複合の層
構造に形成して、炭化水素と反応する側の層を、特に耐
浸炭性を改善した材料によって構成することも行なわれ
ている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、例えばエチレン製造工程においては、炭化水素
の反応を促進するために、操業温度が高温化（近年では
約１１００〜１１５０℃を超える温度）しており、反応
側の管壁表面からの浸炭の進行が著しく速まる結果、短
期間の操業で、管材料の延性の低下や脆化等の問題が顕
在化した。

本発明は、約１１５０℃を超える温度での操業において
も、すぐれた耐浸炭性を発揮する複合管を提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明の複合管は、炭化水
素類と接触する第１の壁層と、第１の壁層を支持し炭化
水素類とは接触しない第２の壁層とから構成し、第１の
壁層と第２の壁層とは境界面で冶金学的に一体とすると
ともに、第１の壁層を高温強度等は少し劣るが耐浸炭性
には極めてすぐれる材質から形成し、第２の壁層を高温
強度及び耐酸化性にすぐれる材質から形成したもので、
第１の壁層における耐浸炭性の顕著な向上は、主として
、ＳｉとＡｌが夫々の限定された成分範囲内において発
揮する協同作用によって達成される。

本発明の複合管は、炭化水素類と接する第１の壁層を、
Ｃ：　０．３〜１５％（重量％、以下同じ）、Ｓｉ：２
−３％、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｎｉ：
２５〜４０％、Ａ　］　：　００．２〜２０％Ｎ：０１
％以下及び残部実質的にＦｅからなる合金で形成し、炭
化水素類と接触しない第２の壁層を、Ｃ：０１〜０６％
、Ｓ　ｉ　：　０．１〜２．０％、Ｍ　ｎ　：　０．１
〜２．０％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｎｉ：１８〜４５％
、Ｎ：０．０１〜０１５％及び残部実質的にＦｅ、又は
Ｆｅの一部か０１〜５０％の範囲内においてＭｏ、ＷＳ
ＮｂＳＴａ及びＴｉから選択される１種以上の元素を以
て置換されている合金で形成する。

［作用］炭化水素と接する壁層の材質は、特に、Ｓｉ：２〜３％
、Ａ　Ｉ　：　０．２〜２０％の協同作用効果によって
、極めてすぐれた耐浸炭性を発揮する。

［実施例の詳細な説明］本発明の反応用管は、炭化水素と接触する反応域が管内
面の場合、第１図及び第２図に示す如く、内側の反応壁
層を第１の層（１）として、Ｃ：０３〜１５％、Ｓｉ：
２−３％、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ　：　２０〜３０％、
Ｎｉ：２５〜４０％、Ａ　　ｌ　　：　０．２〜２０％
、Ｎ：０１％以下及び残部実質的にＦｅからなる合金で
形成する。

上記第１の壁層（１）の外側に、第１の壁層を支持する
第２の壁層（２）が、境界層（３）にて冶金学的に一体
に形成されて実質的に二重構造をなしている。第２の壁
層（２）は、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０１〜２．
０％、Ｍ　ｎ　：　０．１〜２．０％、Ｃｒ：２０〜３
５％、Ｎｉ：１８〜４５％、Ｎ　：　０．０１〜０．１
５％及び残部実質的にＦｅ、又はＦｅの一部が０゜１〜
５０％の範囲内においてＭｏ、ＷＳＮｂ、Ｔａ及びＴｉ
から選択される１種以上の元素を以て置換されている合
金で形成する。

なお、反応管の外側面が炭化水素と接触する反応域とな
る場合は、上記とは逆に第３図に示す如く、反応管の外
側面に上記成分の第１の壁層（１）を形成し、内側面に
上記成分の第２の層（２）を形成する。

また、反応管の内外両側面が反応域となる場合は、第４
図に示す如く、内側及び外側の両側面に第１の壁層（１
）（１）を形成し、両壁層に挟まれた内部に第２の壁層
（２）を形成することもできる。

反応壁層となる第１の壁層の材質は、耐浸炭性には極め
てすぐれるが、高温強度に少し劣る。このため、例えば
、炭化水素の反応管として使用する場合、所定の高温強
度を第２の壁層で確保する必要がある。なお、第１の壁
層の層厚は、０．３〜５ｍｍの範囲内で設定することが
望ましく、２ｍｍが最も望ましい。

反応壁層を形成する合金の成分限定理由は次の通りであ
る。

Ｃ：０．３〜１５％Ｃの含有量が０．３％よりも少ないと、高温での使用中
にシグマ相が析出し、延性が著しく低下する。このため
、０，３％以上含有させる必要がある。

Ｃの含有量の増大に伴って鋳造性は改善されるが、余り
多くなると、材料の脆化が進み、鋳造割れや溶接割れが
発生する。このため、上限を１５％に規定する。

Ｓｉ：２〜３％Ｓｉは、後記するＡ１との協同作用によって耐浸炭性を
向上させる重要な元素である。Ｓｉが２％に満たないと
Ａ１との協同作用による耐浸炭性向上効果を十分に発揮
できない。一方、含有量か多くなると材質の脆化が進み
、溶接性が損なわれるので３％以下に規定する。

Ｍｎ：２％以下Ｍｎは、脱酸、脱硫元素として添加される。

しかし、２％を超えて添加すると、高温クリープ破断強
度や耐浸炭性の低下を招く。このため、上限を２％以下
に規定する。

Ｃｒ：２０〜３０％Ｃｒは、高温における強度、耐酸化性を改善すると共に
、耐浸炭性等の向上に寄与する。１１００°Ｃ以上の高
温域においてこれらの特性を確保するには、少なくとも
２０％以上含有する必要がある。この効果は、含有量の
増加に伴って増大するか、３０％を超えると鋳造凝固過
程で割れが生じ易く、また高温での使用において炭化物
が過剰析出するため、延性の劣化が著しくなる。このた
め、上限を３０％に規定する。

Ｎｉ：２５〜４０％Ｎｉは、Ｃｒ、Ｍｏ等の元素と共に安定なオーステナイ
ト基地を形成し、高温強度や高温における耐酸化性を高
めると共に、耐浸炭性の向上に寄与する。特に約１１０
０℃以上の高温域における良好な耐浸炭性を確保するに
は、少なくとも２５％以上含有させる必要がある。一方
、含有量が４０％を超えるとその効果はほぼ飽和し、そ
れ以上の含有は経済的でない。よって、上限は４０％に
規定する。

Ａｌ：０．２〜２０％Ａｌは、高温における耐酸化性の改善に効果があるだけ
でなく、前記したＳｉとの協同作用によって耐浸炭性の
向上に大きく寄与する。約１１００℃以上の高温での使
用における耐浸炭性の改善を図るには、０．２％以上の
含有を必要とする。しかし、２％を超えて含有すると、
その効果はほぼ飽和するばかりか、鋳造凝固時や溶接時
に割れを発生しやすく、また高温での使用により延性の
低下を招く。このため、上限を２０％に規定する。

反応壁層を支持する第２の壁層は、Ｃ：０１〜０６％、
Ｓ　ｉ　：　０．１〜２．０％、Ｍ　ｎ　：　０．１〜
２．０％、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｎｉ：１８〜４５％、
Ｎ　：　０．０１〜０．１５％及び残部実質的にＦｅか
らなるものは、従来より反応管材料としての実績を有す
る高温強度、高温における耐酸化性、クリープ破断強度
等にすぐれた合金から形成される。

また、第２の壁層合金は、Ｆｅの一部を、０１〜５．０
％の範囲内においてＭｏ、ＷＳＮｂＳＴａ及びＴｉから
選択される１種以上の元素を以て置換した合金が好まし
く用いられる。

Ｎｂ及びＴｉは、Ｎｂ炭化物及びＴｉ炭化物を夫々形成
し、オーステナイト中に微細に分散してオーステナイト
地を強化し、クリープ破断強度を大きく高める。しかし
、含有量が多くなると却ってクリープ破断強度の低下及
び延性の低下を招く。

このため、上限は夫々、５％とする。

なお、Ｎｂは、通常、同し効果を有するＴａを随伴する
。その場合は、Ｔａとの合計を５％以下とする。

また、Ｍｏ及びＷは、Ｎｂ及びＴｉと同じように、炭化
物を形成してオーステナイトを強化する。

そして、Ｍｏ及びＷの添加は、Ｎｂ及びＴｉの共存によ
り増強される。しかし、含有量が多くなると、延性の低
下を招くので、上限は夫々、５％とする。

なお、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ５Ｔａ及びＴｉは、合計量で５％
を超えると、これらの元素の単独使用の場合と同じよう
に延性の低下を招く。このため、複合使用の場合であっ
ても、その含有量は合計量で５％を超えないものとする
。

上記の合金は、いずれも残部は不可避的に混入する不純
物元素を除き実質的にＦｅからなる。

本発明の反応管は、好ましくは遠心力鋳造法により製造
される。例えば、第１図の反応管を製造する場合、まず
、外側の支持層となる第２の壁層（２）を形成する合金
溶湯をを鋳造し、その内壁面まで凝固した直後に、内側
の反応壁層となる第１の壁層（１）を形成する合金溶湯
を鋳込む。このようにして、内側層と外側層とが境界部
で層厚の薄い融合層を介して冶金学的に一体結合した二
層構造の反応管を得ることができる。

［実施例］第１表に示す各種成分の材料を、高周波溶解炉にて溶解
した後、遠心鋳造用鋳型に鋳造し、１３０（外径）Ｘ９
０（内径）Ｘ５００（長さ）ｍｍの小さな供試管を得た
。

（以下余白）没！験上記の鋳造管から、１２（直径）Ｘ　６０（長さ）ｍｍ
供試片を機械加工により採取し、各供試片について固体
浸炭試験を行なった。

固体浸炭試験は、固体浸炭剤（テグサＫＧ３０、ＢａＣ
ｏ３含有）を用いて、１１５０℃の温度で５００時間保
持後の浸炭量を測定した。浸炭量の測定は、供試片の表
面から深さ４ｍｍまでの層を０．５ｍｍピッチで夫々切
粉を採取し、Ｃ量を分析し、増加したＣ量（重量％）を
求めた。その結果を第２表に示す。

（以下余白）第１表０．４５０．４５０．４４０．４５０．４４１．７８１．１６１．５７１．５２２．１２２．３０２．３３１．０１０．９２１．０２０．９６２４．８６５　Ｉ６１．９０比較材比較材比較材比較材比較材比較材比較材比較材比較材本発明材本発明材本発明材比較材比較材比較材本発明材本発明材本発明材本発明材本発明材比較材比較材また、第２表に示した浸炭試験結果について、Ａｌ及び
Ｓｉの含有量と、Ｃ増加量との関係を第５図に示してい
る。第５図において、Ａｌを含有しない供試片を〇−〇
線で結び、Ａ１を０７８〜０８８％の範囲で含有する供
試片を・−・線で結んでいる。

これらの結果から明らかなように、Ｓｉの含有量の増加
に伴って耐浸炭性が向上している。一方、Ａｌを添加し
た供試片については、Ｓｉか１５％以下では、Ａｌを含
有していても耐浸炭性向上効果は認められず、却って耐
浸炭性が悪化する結果となった。しかし、Ｓｉを２％以
上含有する場合、Ａｌの含有によって耐浸炭性が著しく
向上することが判明した。

一方、供試片Ｎα８及びＮｏ、　９に示されるように、
Ｓｉを夫々、１．５７％、１５２％含有する供試片に、
Ａｌを夫々、１７７％、２．６７％含有させても、耐浸
炭性の向上は認められなかった。

また、Ｓｉを３％よりも多く含有する供試片にＡｌを含
有させても、含有量の増加に伴って耐浸炭性かさらに向
上することはなかった。

次に、供試片Ｎα１５〜Ｎα２２は、Ｓｉの含有量を約
２３％と一定にして、Ａｌの含有量を変化させて耐浸炭
性を調べたものであるが、第２表の結果から明らかなよ
うに、Ａｌか０２％よりも少ないとその効果はあまり認
められず、２％を超えて含有しても対応する効果が得ら
れないことがわかる。

直皮ユヌ）炭化水素の反応管として使用する場合、直管と屈曲管を
溶接で繋いでコイル状に組み立てるがら、溶接性も重要
である。そこで、溶接性の試験を行なった。

試験は、第１表に示すＮｏ、１０〜Ｎ０１４の供試片に
ついて、ＧＴＡＷ法により溶接を行ない、溶接割れの有
無を調査した。溶接棒は、母材とほぼ同材質のものを用
いた。溶接条件は、第１層目が、１５Ｖ−１００Ａ　、
第２層目が１５Ｖ　−９０Ａ　、第３層目が１８Ｖ　・
１００Ａ　、第４〜６層目が２０Ｖ　−１５０Ａ　、第
７層目（最終層）が１８Ｖ・１２０Ａとした。なお、溶
接試験片の開先形状を第６図に示す。

供試片Ｎα１０〜Ｎα１２については、第１ないし第３
層目及び最終層を、液体浸透探傷検査で調べたが、割れ
は認められなかった。しかし、供試片Ｎｏ、　１３及び
Ｎα１４については、第１層目で割れが発生したため、
その後の溶接試験を中止した。

この結果から明らかなように、Ｓｉの含有量が３％を超
えると、溶接性に問題があることが判明した。

クリープ　　試験供試片Ｎα２とＮα１１について、クリープ破断試験を
行ない、その結果を第７図に示す。

第７図から明らかなように、本発明材である供試片Ｎα
１１は、従来材の供試片Ｎｏ、　２よりも劣り、高温強
度には問題があることがわかる。

このため、反応管として要求される強度は、支持層とな
る第２の壁層によって確保する必要がある。

［発明の効果］約１１００〜１１５０’Ｃを超える温度での使用におい
ても、炭化水素と接触する壁層表面への浸炭は極めて軽
微であり、管材質の劣化を防ぎ、安定した操業を維持す
ることができる。また、高温使用に要求される必要な強
度等については、前記壁層に冶金学的に一体となった支
持層によって確保することができる。

従って、炭化水素類の熱分解・反応用の管体に使用して
好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る複合管の一部を破断した正面図、
第２図は第１図中■−■線に沿う断面図、第３図及び第
４図は炭化水素の実施例に係る複合管の断面図、第５図
はＡｌ及びＳｉの含有量とＣ増加量との関係を示すグラ
フ、第６図は溶接試験片の形状を示す図及び第７図はク
リープ破断試験の試験結果を示すグラフである。（１）、第１の壁層　　　　（２）、第２の壁層（３）
　　境界層第６図手続補正書（自発）事件の表示特願平２−１９６５９９発明の名称耐浸炭性にすくれる複合層管補正をする者事件との関係

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭化水素類の熱分解、改質等に使用される管体で
あって、炭化水素類と接触する第１の壁層と、炭化水素
類と接触しない第２の壁層とから構成され、第１の壁層
と第２の壁層とは境界面で冶金学的に一体となっており
、第１の壁層は、重量％にて、Ｃ：０．３〜１．５％、
Ｓｉ：２〜３％、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２０〜３０％
、Ｎｉ：２５〜４０％、Ａｌ：０．２〜２．０％、Ｎ：
０．１％以下及び残部実質的にＦｅからなる合金で形成
され、第２の壁層は、重量％にて、Ｃ：０．１〜０．６
％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％
、Ｃｒ：２０〜３５％、Ｎｉ：１８〜４５％、Ｎ：０．
０１〜０．１５％及び残部実質的にＦｅ、又はＦｅの一
部が０．１〜５．０％の範囲内においてＭｏ、Ｗ、Ｎｂ
、Ｔａ及びＴｉから選択される１種以上の元素を以て置
換されている合金で形成されることを特徴とする耐浸炭
性にすぐれる複合層管。