JPH11193448A

JPH11193448A - クラッド鋼管

Info

Publication number: JPH11193448A
Application number: JP36598A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hayashi; 謙次林; Toshifumi Kojima; 敏文小嶋; Yusuke Minami; 雄介南; Akira Toyama; 晃遠山; Michio Hayashida; 道雄林田
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 1999-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】６００℃以上の蒸気条件において、十分な耐食
性と高いクリープ破断強度および優れた靭性、加工性を
兼ね備えたクラッド鋼管を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃｒ：６〜１３％を含むフェラ
イト系耐熱鋼管母材と、この母材内面にＣｒ：１０〜５
０％を含む耐食性鋼の合わせ材を組み合わせてなる、ク
ラッド鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はボイラ等の火力発電
設備の５５０℃以上の蒸気条件で使用される主蒸気管や
再熱蒸気管、管寄せ等の高温大径厚肉管に関し、クリー
プ破断強度、耐食性、特に耐水蒸気酸化特性および靭性
に優れた高クロム系耐熱クラッド鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、火力発電プラントの主蒸気管
や再熱蒸気管、管寄せ等の５５０〜６５０℃前後の温度
域では、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼、９％Ｃｒ−１％
Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ鋼や１８−８系オーステナイト系耐熱鋼
が使用されており、目的に応じてこれらの内からもっと
も好ましい材料が選択されてきた。

【０００３】たとえば、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼
の、配管用継目無鋼管としてはＳＴＰＡ２４が知られて
おり、また板巻き溶接管用の鋼板としてボイラ、圧力容
器用鋼板であるＳＣＭＶ４が知られている。この鋼は優
れた溶接性、信頼性、経済性を持ち、他を寄せつけない
豊富な実績を有している。

【０００４】しかし、高温強度（クリープ強度を含めた
高温強度）は他の系の鋼に比較してやや劣っている。ま
た、Ｃｒ量が低いため、耐酸化性、耐水蒸気酸化性が十
分ではなく、鋼の温度で５５０℃が実質的な上限温度で
ある。

【０００５】一方、オーステナイト系耐熱鋼であるＳＵ
Ｓ３０４鋼板、配管用継目無鋼管のＳＵＳ３０４ＴＰ
は、６００℃以上の温度において高い高温強度を有す
る。また、溶接性、耐酸化性、耐水蒸気酸化性も良好で
あり、さらに高温において長時間使用した後も高い靭性
を有している。

【０００６】しかし、熱膨張率が高いこと、応力腐食割
れ感受性がフェライト系耐熱鋼に比較して高いこと、高
価であることと言った欠点がある。ただし、総合的に判
断すると使い易い材料とされておりこの鋼も実績は豊富
である。

【０００７】９％Ｃｒ−１％Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ鋼は、６０
０℃においてオーステナイト系ステンレス鋼に匹敵する
高温強度を持つ鋼として開発された。この鋼はＡＳＴＭ
Ａ２１３Ｔ９１やＡ２１９Ｐ９１、Ａ３８７Ｇ
ｒ９１として知られており、前２者に比較すると実績は
少ないが、経済的な材料として普及しつつある。

【０００８】ただし、Ｃｒ量がＳＵＳ３０４に比較して
低く、６００℃以上の温度における耐酸化性、耐水蒸気
酸化性は必ずしも十分ではない。フェライト系の耐熱鋼
には、価格の他にもオーステナイト系鋼にない長所があ
る。すなわち、熱膨張係数が小さいこと、耐力が高いこ
と、応力腐食割れが起きにくいこと、酸化スケールが剥
離しにくいこと等である。また、合金元素の添加量が少
ないことは省資源の点からも注目されており、経済性も
高い。

【０００９】このフェライト系の耐熱鋼の長所を生かし
つつ、高温強度、耐酸化性、耐水蒸気酸化性を改善した
鋼として、Ｃｒ量を１２％程度に上げた高クロム系耐熱
鋼が、ボイラーの伝熱用鋼管を主たる使用対象として多
数開発された。

【００１０】たとえば、特開昭６３−７６８５４号公
報、特開平３−９７８３２号公報、特開平５−３１１３
４５号公報等に開示された技術がある。これらはいずれ
も６００℃以上の高温環境下においても十分な強度を持
ち、耐酸化性、耐水蒸気酸化性にも優れた鋼とされてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
高Ｃｒフェライト系耐熱鋼および上記した公報に開示さ
れている鋼は、必ずしもクリープ破断強度と耐食性、靭
性、加工性、価格等の問題を総合的に、かつ十分に解決
した鋼とはなっていない。

【００１２】高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の特有の問題と
して、オーステナイト鋼と比較して靭性が良好でないこ
とが挙げられる。６００℃を越える温度において十分な
耐食性、特に耐水蒸気酸化特性を確保する上では、Ｃｒ
やＳｉを高める必要があり、また、クリープ破断強度の
確保の点からは、さらにＭｏやＷ、Ｎｂ、Ｖ等の添加が
非常に有効であることがよく知られている。ところが、
これらの耐食性やクリープ破断強度の向上に有効な元素
はいずれもフェライト生成元素であり、これらの元素は
圧延時や熱処理時にδフェライトの生成を促進し靭性や
加工性を低下させる。そこで、フェライト生成元素を多
量に添加した場合には、δフェライトの生成を抑制する
ために、バランスとしてＣｕやＮｉ、Ｃｏ、Ｃ、Ｎ等の
オーステナイト生成元素を多量に添加せざるを得ない。
ところが、Ｃｕは加工性を低下させ、Ｎｉは変態点やク
リープ破断強度を低下させ、Ｃｏはコストが高く、Ｃ、
Ｎは溶接性を劣化させることがよく知られている。

【００１３】したがって、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に
おいて、耐食性とクリープ破断強度および靭性、加工性
は一般的には両立が非常に困難となっており、実用化す
る上では、いずれかの特性を犠牲にせざるを得ない成分
設計となっており、高クロムフェライト系耐熱鋼が広く
普及する上での障害となっていた。

【００１４】そこで、６００℃以上の蒸気条件におい
て、十分な耐食性と高いクリープ破断強度および優れた
靭性、加工性を兼ね備えた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の
開発が待たれていた。

【００１５】本発明の目的は、上記の課題を解決するた
めに、６００℃以上の蒸気条件において、十分な耐食性
と高いクリープ破断強度および優れた靭性、加工性を兼
ね備えたクラッド鋼管を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決し目的
を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。（１）本発明の鋼管は、重量％で、Ｃｒ：６〜１３％を
含むフェライト系耐熱鋼管母材と、この母材内面にＣ
ｒ：１０〜５０％を含む耐食性鋼の合わせ材を組み合わ
せてなる、クラッド鋼管である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者らは、この従来の高クロ
ム系耐熱鋼におけるクリープ破断強度と耐食性、および
靭性と加工性の両立と言う困難な問題の解決にとりく
み、鋼管を母材と合わせ材の２層構造からなるクラッド
鋼管とし、外面と内面の部材に対して、それぞれ必要と
される性能を十分発揮できるように適した成分系の素材
を適用することが有効であるという知見を得た。

【００１８】この知見に基づき、本発明者らは、Ｃｒ含
有量を特定したフェライト系耐熱鋼管母材と耐食性鋼の
合わせ材を組み合わせてクラッド鋼管とするようにし
て、クラッド鋼全体として優れた性能（クリープ破断強
度と耐食性、靭性および加工性）を確保し、ボイラ用等
に用いるクラッド鋼管を創出した。

【００１９】即ち、本発明は、母材を６〜１３％Ｃｒの
高強度・高靭性・高加工性鋼とし、合わせ材を１０〜５
０％Ｃｒの高耐食性・高靭性鋼とすることにより、母材
で高いクリープ破断強度を確保し、内面の合わせ材で耐
食性を確保し、かつ両者ともに高靭性とする、クラッド
鋼管を提供することが可能となる。以下に、本発明の成
分添加理由、及び成分限定理由について説明する。

【００２０】（１）成分組成範囲本発明の要点は、クラッド鋼をクリープ破断強度と靭性
を確保したフェライト系母材と、耐食性と靭性を確保し
た鋼管内面の合わせ材との組み合わせとし、クラッド鋼
全体として優れたクリープ破断強度、耐食性、靭性およ
び加工性を得ることであり、クラッド鋼母材および合わ
せ材の化学成分はＣｒ以外特に限定はしていない。その
他の成分については、目標とするクリープ破断強度（例
えば、６００℃の１０万時間クリープ破断強度：８２Ｎ
／ｍｍ² 以上）や靭性、加工性等に応じて添加する必要
があることは言うまでもない。即ち、靭性は、耐圧試
験、冷間曲げ性を満足するため（前者では溶接部で０℃
−１５Ｊ、後者では母材で０℃−２７Ｊ程度）、その他
の成分を添加する必要がある。（本発明は、従来十分な
クリープ破断強度と耐食性を兼備した鋼材がなかったた
め適用が困難であった、５５０℃以上、特に６００℃以
上の温度域に用いることが有効である。）ここで、化学成分の中で最も重要な元素であるＣｒ量の
限定理由について述べる。Ｃｒ：母材は６〜１３％、合わせ材は１０〜５０％まず、母材については、６００℃以上の温度における高
温強度、特にクリープ破断強度を確保する上で６％以上
必要である。これ以下ではより高温域における組織の安
定性が確保できないためである。また、ＭｏやＷ、Ｎ
ｂ、Ｖ等の添加されたフェライト系の実用鋼のなかで
は、Ｃｒ量を必要以上に高めてもクリープ破断強度は顕
著には上昇せず、むしろ、靭性を低下させるとともにδ
フェライトの生成抑制の観点からＷ等のクリープ破断強
度に有効な元素を高くできないかあるいはオーステナイ
ト生成元素を多量に添加せざるを得なくなり、靭性や加
工性の点から成分設計が困難となる。したがって、母材
のＣｒ量の上限は１３％である。次に、合わせ材のＣ
ｒ量については、耐食性特に耐水蒸気酸化特性の観点か
ら１０％以上必要である。耐食性は一般的にＣｒ量の増
大に伴い向上する傾向にあり、その添加量は高い方がよ
いが、経済性の観点から上限は５０％である。合わせ材
については、成分系により、フェライト系からオーステ
ナイト系まで様々あるが、必要とする耐食性からＣｒ量
を決定し、製造工程や母材成分との相性、経済性等によ
り使い分けることが可能である。

【００２１】母材、合わせ材ともに、その他の成分につ
いては、必要に応じ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｎ、Ｃａ、
ＲＥＭ等が添加可能であり、Ｐ、Ｓ、Ｏ等の不純物元素
についても必要とされる性能に応じて低減する必要があ
る。

【００２２】上記の母材、合わせ材のその他の成分のそ
れぞれの好適な含有量の範囲は次のとおりである。ａ．母材Ｃ：０．０３〜０．２％、Ｓｉ≦１％、Ｍｎ≦１％、Ｃ
ｕ≦２％、Ｎｉ≦１％、Ｃｏ≦４％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５
〜３％、Ｎｂ：０．０２〜０．２％、Ｖ：０．０５〜
０．４％、Ｔｉ≦０．１％、Ａｌ≦０．０４％、Ｂ≦
０．０１％、Ｎ≦０．１％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦
０．０１％、ＲＥＭ：合計≦０．０１％、Ｐ≦０．０３
％、Ｓ≦０．０１％、Ｏ≦０．０１％。ｂ．合わせ材Ｃ≦０．２％、Ｓｉ≦１％、Ｍｎ≦２％、Ｃｕ≦５％、
Ｎｉ≦５０％、Ｍｏ≦３％、Ｗ≦３％、Ｎｂ≦２％、Ｖ
≦０．５％、Ｔｉ≦０．１％、Ａｌ≦５％、Ｂ≦０．０
２％、Ｎ≦０．５％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０
１％、ＲＥＭ：合計≦０．０１％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ
≦０．０２％、Ｏ≦０．０２％。特に母材のクリープ破
断強度を確保するためには、ＭｏやＷ、Ｎｂ、Ｖ等の元
素が添加されていることが好ましい。また、母材につい
ては、フェライト生成元素とオーステナイト生成元素の
バランスをとり、δフェライトの生成を抑制し組織を最
終的に焼戻しマルテンサイト単相とすることが好まし
い。

【００２３】次に製造方法について述べる。クラッド鋼
管の製造方法については、（１）熱間押し出しやマンネ
スマン圧延により継目無クラッド鋼管を製造する方法、
（２）継目無鋼管の内面にオーバーレイ溶接によりクラ
ッド鋼管にする方法、（３）圧延または爆着によりクラ
ッド鋼板を製造し、冷間または熱間曲げ加工および縦シ
ーム溶接により造管する方法、（４）鋼板を冷間または
熱間曲げ加工および縦シーム溶接により造管し、内面に
合わせ材のオーバーレイ溶接を実施する方法等があり、
いずれも、母材および鋼管内面の合わせ材の成分が同一
であれば耐食性やクリープ破断強度については同等の性
能が得られる。ここで鋼管内面の合わせ材の厚さはそれ
ほど必要でなく、耐食性の点からは１ｍｍ以上あれば十
分であり、経済性や製造性の点から決定される。

【００２４】熱処理方法については、母材に対しては、
熱間圧延または熱間曲げ加工の後、焼戻しを実施する
か、または、製造工程の中で焼ならしおよび焼戻しを１
回以上実施する必要がある。この場合、熱間曲げ加工お
よび焼ならし時の加熱温度は１０００℃以上とする必要
があり、母材に対して熱間加工や焼ならしを数回繰り返
してもその性能は変化しない。また、溶接または冷間曲
げ加工を実施した場合には７００℃以上の温度で溶接後
熱処理を実施することが好ましい。以下に本発明の実施
例を挙げ、本発明の効果を立証する。

【００２５】

【実施例】ここではいずれも、圧延によりクラッド鋼板
を製造し、冷間曲げ加工および縦シーム溶接により造管
する方法についての実施例を示す。まず、厚さ２００ｍ
ｍの母材用スラブと厚さ１５ｍｍの合わせ材用スラブを
真空中で電子ビーム溶接により４周を溶接して組み立て
熱間圧延によりクラッド鋼板を製造した。

【００２６】（供試クラッド鋼板の熱間圧延条件）１１
００℃以上の温度（通常１２００〜１２５０℃）に加熱
し、通常、８００〜１１００℃で仕上げる。仕上板厚は
３０〜１００ｍｍ。その後、１０８０℃の焼ならしと７
８０℃の焼戻しの熱処理を実施し、冷間曲げ加工により
管状とし、縦シーム溶接により溶接クラッド鋼管を製造
した。ここで、溶接材料については、母材、合わせ材を
それぞれ別々の成分とし、ともに共金系の成分のものを
用いた。

【００２７】母材および合わせ材の化学成分をそれぞれ
表１および表２に示す。また、製造したクラッド鋼管か
ら以下に示す各評価項目に係る試験片を長手方向に採取
し、特性評価を行った。

【００２８】（１）クラッド鋼健全性及び加工性試験片に対し、曲げ加工を施した後、試験片内面の合わ
せ材の剥離状況を観察した。

【００２９】（評価条件）曲げ半径Ｒ＝２ｔ（ｔ：肉
厚）の曲げ試験（合わせ材を内側、１８０℃曲げ）を実
施し、表面及び界面の割れ・剥離を見る。（２）機械的特性引張強度：母材の引張強度（ＴＳ）を求めた。

【００３０】クリープ破断強度：母材のクリープ破断試
験を６００℃、６５０℃で実施し、それぞれ１０万時間
の破断強度を求めた。靭性：シャルピー衝撃試験により、０℃における母材及
び合わせ材の吸収エネルギーを求めた。（３）耐水蒸気酸化特性試験片を６５０℃の蒸気条件で１０００時間曝して、試
験片内面のスケール厚さを測定した。

【００３１】各クラッド鋼管（母材および合わせ材の組
み合わせ）の上記の特性評価結果を表３に示す（１Ａ，
２Ａ，３Ｂ，４Ｂ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，６Ｆ：本
発明例、５Ｘ，７Ｘ，８Ｘ，９Ｘ，１０Ｘ：比較例）。

【００３２】表３に示すように、製造した本発明のクラ
ッド鋼管（本発明例１Ａ，２Ａ，３Ｂ，４Ｂ，５Ｂ，５
Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，６Ｆ）はいずれも良好な健全性を有し
ており、剥離等は認められない。また、本発明のクラッ
ド鋼管はいずれも、高いクリープ破断強度と良好な靭性
が得られており、内面の合わせ材についても水蒸気によ
る酸化スケールが６５０℃×１０００時間の条件で５０
μｍ以下と良好である。一方、比較例５Ｘは母材が
７．５％Ｃｒ鋼（母材のみ）であり、クリープ破断強度
は高く、靭性も良好であるが、Ｃｒ量が低いために（鋼
管内面に合わせ材を使用していないために）耐水蒸気酸
化特性が良好でない。比較例７Ｘおよび８Ｘは合わせ材
の耐水蒸気酸化特性は良好であるが、母材のＣｒ量が低
くクリープ破断強度が低い。比較例９Ｘおよび１０Ｘは
母材のＣｒ量を１２％以上としており、クラッド鋼とし
なくても耐水蒸気酸化特性は良好であり、かつ、クリー
プ破断強度も低くないが、靭性が低い。また、比較例１
０Ｘについてはマルテンサイト単相の組織を得るために
Ｃｏを多量に添加しており、コストの面で劣っている。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｃｒ含有量を特定したフェライト系耐熱鋼管母材と耐食
性鋼の合わせ材を組み合わせてクラッド鋼管とすること
により、十分な耐食性と高いクリープ破断強度および優
れた靭性、加工性を兼ね備えたボイラ等に用いられるク
ラッド鋼管を提供することができる。

【００３７】従って、本発明のクラッド鋼管は、従来十
分なクリープ破断強度と耐食性を兼備した鋼材がなかっ
たために適用が困難であった、ボイラ等の火力発電設備
の５５０℃以上、特に６００℃以上の温度域（蒸気条
件）に用いることが有効である。

フロントページの続き (72)発明者遠山晃東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者林田道雄東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃｒ：６〜１３％を含むフェ
ライト系耐熱鋼管母材と、この母材内面にＣｒ：１０〜
５０％を含む耐食性鋼の合わせ材を組み合わせてなる、
クラッド鋼管。