JPS60184469A - オ−ステナイト系ステンレス鋼肉盛金属のはく離割れ防止方法 - Google Patents

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、ハイドロクラッキングリアクタのように高温
高圧水素が介在する圧力容器においで、その内面に施さ
れたオーステナイト系ステンレス鋼肉盛金属と母材との
境界部に沿って発生するはく離割れの防止方法に関する
ものである。

従来の構成とその問題点 通常、これらの高温高圧容器の母材化は水素侵食防止の
観点からクロム・モリブデン鋼が使用され、また、その
内面には、硫化水素等に対する防食をはかる目的でオー
ステナイト系ステンレス鋼の肉盛溶接が行われている。

高温高圧容器が操業状態にある時点では、容器内部の水
素が肉盛金属および母材中を拡散して外部に放出されて
おり、肉声金属中ならびに母材中にはそれぞれの水素溶
解度に応じて原子状の水素が固溶している。ところが、
圧力容器の操業停止（冷却）後においては、冷却過程で
放出されずに肉盛金層および母材中に残留した水素原子
が、水素溶解度の低下のためかなり過飽和な状態で存在
する。このときの水素濃度分布を計算によりめると、境
界部から肉盛金属側に１０〜２０μｍ寄った位置に水素
濃度のピークが形成されており、冷却後には肉盛金属中
でも特にこの境界部において著しく過飽和な状態で水素
原子が集積しているものと考えられる。実際に発生した
はく離割れの位置も境界部近傍の肉盛金属中粒大粒粒界
に沿っており、はぼ上記の水素濃度ピークの形成位置に
一致している。このようなことからはく離割れは、溶接
後熱処理に伴う母材中炭素の肉盛金属側への移動により
炭化物が析出した肉盛金属中の結晶粒界において、冷却
過程で集積してきた極めて多量の水素原子が炭化物周辺
のミクロボイド内で分子化（ガス化）し、しだいに巨視
的な空隙を形成していくことによって引起こされるもの
と考えられる。

本発明者は、オートクレーブを用いて小型肉盛試験片に
よるはく離割れ再現試験を行った。冷却後の肉盛金属側
境界部近傍における水素濃度ピーク値（Ｃｒｍａｘ値）
を種々変えるように試験条件を変化させて行ったはく離
割れ再現試験の結果、はく離割れの発生には限界の水素
濃度ピーク値（（Ｃｒｍａｘ）　ＣＲ値）が存在し、Ｃ
ｒｍａｘ値（Ｃｒｍａｘ　）　ＣＲとなる条件の下での
みはく離割れが発生することが明らかとなった。はく離
割れの発生を防止するためには、肉盛金属のはく離割れ
発生限界水素濃度（Ｃｒｍａｘ　）ＣＲ値を高くするよ
うな処置を講じるか、あるいは冷却後におけるピーク水
素濃度Ｃｒｍａｘ値が低くなるような処置を講じなけれ
ばならない。

はく離割れ発生限界水素濃度（Ｃｒｍａｘ　）ＣＲ値は
、溶接後熱処理時に肉盛金属粒界へ析出する炭化物の量
と深く関係しており、肉盛金属および母材の化学組成、
溶接後熱処理条件などの影響を受ける。

溶接後熱処理条件は圧力容器の母材厚さと製作工程（設
備）により決まるため同じとして、従来より多用されて
いる帯状電極使用のエレクトロスラグ肉盛溶接法および
サブマージアーク肉盛溶接法について（Ｃｒｍａｘ　）
ＣＲ値に及ぼす肉盛金属組成の影響を調査したところ、
みずから炭化物を形成して炭素を固定するニオブ、モリ
ブデンなどのいく種類かの元素は（Ｃｒｍａｘ　）ＣＲ
値の向上に効果があったが、飛躍的に向上させるにはい
たらなかった。

他方、冷却後における肉盛金属中のピーク水素濃度Ｃｒ
ｍａｘ値を低く抑えるには、圧力容器の操業停止時にお
いて脱水素処理（高温保持）の採用や徐冷化などの処置
をとることが１つの手法ではあるが、容器内の触媒の物
性や操業停仕工程の繁雑・化・長時間化の点から現実的
でない場合が多い。

また、圧力容器の設計・製作時において肉盛金属の厚肉
化をはかることによってもＣｒｍａｘ値を低下させるこ
とができるが、肉厚ＩＱａ１以上となるとその効果は小
さく、製造コストも高くなる。Ｃｒｍａｘ値を低下させ
るための最良の方法は母材の転位密度を上げるような処
置をとることである。　゛冷却後における肉盛金属中の
水素濃度ピークは、母材と肉盛金属との間での水素拡散
係数および水素溶解度定数の差異が親図となって形成さ
れる。

冷却過程の温度降下に伴い過飽和となった水素原子は、
勿論外部にも放出されるが、肉盛金属と母材との境界部
を介してより過飽和度の高い側から低い側へと移動する
。すなわち、冷却過程の比較的高い温度域では母材側か
ら肉盛金属側へ、また、比較的低い温度域では肉盛金属
側から母材側へと水素原子が移動し、肉盛金属側の境界
部近傍に水素濃度ピークが形成される。同一成分系で転
位密度の高い鋼では水素原子が転位に捕捉（トラップ）
され、転位密度の低い鋼に比べて低温域における水素拡
散係数が小さく、溶解度定数が大きくなる（水素トラッ
プ効果）。このため母材の転位密度の高いほど母材側に
おける水素原子の収容力が大きく、肉盛金属側から母材
側へ水素原子が移動方向を変える温度が高くなり、その
結果ピーク水素濃度Ｃｒｍａｘ値が低くなる。

発明の目的 本発明の目的とするところは、操業停止後肉盛金属中の
母材との境界部近傍に生じる水素原子の著しい集積を避
け、はく離割れの発生を未然に防止し得るオーステナイ
ト系ステンレス鋼肉盛金属のはく離割れ防止方法を提供
する点にある。

発明の構成 上記目的を達成するために本発明におけるオーステナイ
ト系ステンレス鋼肉盛金属のはく離割れ防止方法は、高
温高圧水素が介在する圧力容器の母材の表層部に、転位
密度の高い硬化部を作り、その上にオーステナイト系ス
テンレス鋼を１層以上肉盛溶接している。

なお、ここでいう母材とは鋼板、ａ造品、継手溶接部の
ほか、圧力容器内部構造部材（インターナルスカート）
の支持部等に用いられる低合金鋼肉盛溶接部をも含めて
、ステンレス鋼肉盛溶接の対象となるフェライト系低合
金鋼全体を指す。

硬化部の形成は、電子ビームやレーザービームナトの高
エネルギー密度ビームによる照射、或いは打撃などによ
って行なわれる。ここで電子ビーム照射法は、ビーム電
流の調整だけで比較的容易に深い硬化部を形成させるこ
とができ、後述するように硬化部の深さが深いほどＣｒ
ｍａｘ値も低くなるため、はく離割れ発生防止に必要な
深い硬化部を得るには非常に有効な方法である。またレ
ーザービーム照射法は、装置の出力から形成される硬化
部には限度（出力１２ＫＷの炭酸ガスレーザー装置で得
られる直径１０朋φとなる硬化部の最大深さは約４關程
度）があるが、大気中において対象材の硬化処理を行う
ことができる。いずれの方法も処理速度が速く、溶加材
が不要であり、設備費を別にして施工に伴い発生するコ
ストは非常に安価なものとなる。また、ビームを下向き
に照射するかぎり、母材の溶融凝固を伴う硬化部であっ
てもその表面は滑らかで、かつきれいであるため表面研
削などの後処理を全く必要とせず、新たな内部（７） 欠陥発生に対する懸念も全くない。

実施例と作用 以下に本発明の実施例を図面を参考にして説明する。す
なわち本発明では、高温高圧水素が介在する圧力容器の
母材（鋼板、姐造品あるいは溶接部など）の表層部に、
電子ビームやレーザービームなどの高エネルギー密度ビ
ームによる照射によって、或いは打撃によって、格子状
、らせん状などの軌跡を描き且つ適度な断面形状を有す
る硬化部を形成し、その上にオーステナイト系ステンレ
ス鋼を１ｍ以上肉盛溶接している。この場合に硬化部の
断面形状で重要な要素は、その幅（例えばビームの主移
動方向に対して直角な方向の寸法）と深さく板厚方向の
寸法）である。

硬化部が単位面積当りに占める表面上での面積比率（硬
化処理面積率）は、対象となる部分でのはく離割れ発生
によってもたらされる危険性に応じて変わる。たとえば
、最も重要なインターナル・スカート支持部においては
硬化処理面積率も高くなるが、その値はインターナル・
スカートの重（８） 量によって左右されるため強度計算をもとに決められる
。各部分について必要な硬化処理面積率から硬化部の幅
、相互間距離などのビーム照射による硬化処置要領がめ
られる。必要とする硬化処理面積率が高い部分に対して
は、硬化部相互の間隔を狭くするか、硬化部の幅を広く
するかのいずれかの処置をとらなければならない。電子
ビーム照射の場合、硬化部の幅は、通常のストレート照
射（電子銃の直進移動のみ）でも電子ビームの集束状態
を変えイの径を大きくすることにより、最大２０龍程度
にまで広げることができ、オシレーション照射（電子銃
を主移動方向に対して直角に振幅させる）を適用するな
らば自在に変えることができる。またレーザービーム照
射の場合には照射部の直径が最大１２．７１１１程度と
なるが、オシレーションの採用により同様に硬化部の幅
を任意に変えることができる。

硬化部の深さおよび硬化部と母材原質部との硬さの差は
、冷却後における肉盛金属中のピーク水素濃度Ｃｒｍａ
ｘ値の低下に大きな影響を及ぼす。クロム・モリブデン
鋼の圧延鋼板や鍛造品の場合、標準的な溶接後熱処理を
受けたのちのビーム照射による硬化処理部と母材原質部
との間のビッカース硬さの差は約２０であり、それぞれ
の硬さを引張強さに換算したときの引張強さの差は約５
ｋｇｆ／ｒａｍ２（４９ＭＰａ）である。これらの値は
電子ビーム照射法とレーザービーム照射法のいずれの施
工法でもさほど違いはない。なお、この程度の硬さ上昇
であれば、耐水素侵食性に対する配慮から母材および溶
接部に加えられる硬さ制限（ブリネル硬さで２２５以下
）を超すような硬化部となる懸念は全くない。圧力容器
操業停止時のＣｒｍａｘ値に及ぼす硬化部深さの影響に
ついて、母材原質部の引張強さを６ｏ＃ｆＡｎｍ２（５
ｓｓＭｐａ）　、母材硬化処理部および低合金鋼肉盛金
属硬化処理部の引張強さをそれぞれ６５ｋｇｆ／Ａｍ”
（６８７ＭＰａ）、６８．５に９ｆ／ａｍ”〔６７２Ｍ
Ｐａ　）としたときの水素拡散係数、水素溶解度定数を
用いて解析した結果を第１図に示す。Ｃｒｍａｘ値は硬
化部の深さが増すとともに低下し、硬化部の深さが０２
１程度でもＣｒｍａｘ値低下に対する効果が現われる。

このＣｒｍａｘ値の低下は硬化部の深さが１０關を超え
ると鈍下するが、鋼板あるいは鍛造品に直接硬化処理を
施した場合、深さ２０＋１１１１の硬化部を母材側に有
する肉盛金属のＣｒｍａｘ値は硬化部をもたない肉盛金
属での値の約２／８にまで低下する。この低下率は肉盛
金属の厚さを５ｍｍ（ｉ層盛）から８藺（２層盛）にし
たときのＣｒｍａｘ値の低下率が約７／８であるのに対
して非常に大きな値である。はく離割れはＣｒｍａｘ　
＜、　（Ｃｒｍａｘ　）　ＣＲとなる条件の下では発生
しないことから、圧力容器の操業条件に応じてこの条件
が成立つ程度に硬化部の深さを確保すればよい。硬化部
の深さは、電子ビーム照射の場合にはビーム電流の調整
によって、またレーザービーム照射の場合にはビーム出
力の調整によって変えることができる。硬化部の深さが
浅い場合には、硬化部は母材の溶融を伴わない焼入硬化
部だけとなるが、その硬さは溶融凝固部における硬さと
変わらない、したがって、溶融凝固部も焼入硬化部も深
さの因子を無視するとＣｒｍａｘ値低減効果においては
同等である。

Ｃｒｍａｘ値の低下率をさらに上げるには、硬化部の硬
さを一層高いものにするのが効果的であり、母材とほぼ
同材質で焼入硬化性の高い低合金鋼肉盛金属を前もって
溶接しておき、これに高エネルギー密度ビーム照射によ
る硬化処理を施す方法が最も有効である。この場合のＣ
ｒｍａｘ値低下率は、第１図に示すように硬化部の深さ
が５闘のときにすでに約４／７にまで達している。

本発明の特徴である電子ビーム溶接により形成された母
材表層の硬化部の存在が、高温高圧容器の操業停止後に
ステンレス鋼肉盛金属側の母材との境界部近傍に集積す
る水素原子を減らし、はく離割れが発生するのを防ぐ。

これは転位密度の高い硬化部における水素トラップ効果
により冷却過程（低温域）において肉盛金属側から母材
側に移動する水素原子が増えるためである。

本発明の適用によって、冷却後における肉盛金属中のピ
ーク水素濃度Ｃｒｍａ　ｘ値は前述のとおり従来からの
施工技術による場合に比較して飛躍的に低下する。圧力
容器の母材厚さく溶接後熱処理条件）、肉盛金属厚さ、
操業温度、操業停止時の冷却条件が同じで、また、肉盛
金属のはく離割れ発生限界水素濃度（Ｃｒｍａｘ　）Ｃ
Ｒ値もほぼ同程度であるならば、本発明を適用した圧力
容器のはく離割れを引起こさずに操業できる限界の水素
圧は、このＣｒｍａｘ値低下率の２乗に反比例して上昇
する。すなわち、従来の施工技術によって溶接された肉
盛金属に比べて、母材表層に深さ５　ｘｒｙｎの硬化部
をもつ肉盛金属の場合には、第１図に示しているように
Ｃｒｍａｘ値は約０．７４倍に低下し、このため同様の
前提条件の下ではく離割れを引起こさずに操業できる限
界の水素圧は約１８８５倍に上昇する。同様に下層の低
合金鋼肉盛金属表層に深さ５龍の硬化部をもつ肉盛金属
の場合にはＣｒｍａｘ値は約０６４倍に低下し、操業限
界水素圧は約２．４５倍にも上昇する。

本発明の適用による肉盛金属のはく離割れ発生防止効果
について、小型試験片を用いて行った実証試験の結果を
以下に示す。

試験に供した肉盛溶接材の施工要領および肉盛金属の種
類とその化学組成を第１表に示す。

（第１表に対する脚注） 注１）電子ビーム照射（実施例４を除く）により母材表
層に形成された硬化部の深さ、ただし朱印を付した実施
例８の場合には初層・低合金鋼肉盛金属の表層に硬化部
を設けた。米朱印を付した実施例４の場合のみレーザー
ビーム照射により形成された硬化部である。なお、いず
れの硬化部も溶融凝固部とその熱影智部とから成ってい
る。

注２）　ＳＡＷ　：サブマージアーク肉盛溶接法ＥＳＷ
　：エレクトロスラグ肉盛溶接法側施工法とも（ＳＡＷ
”“　を除く）、０．４ｔＸ７い−の帯状電極を使用、
なお、未来朱印を付したサブマージアーク肉盛溶接法の
場合には４０龍φの溶接ワイヤを使用した。予熱層間温
度は１５０℃とし、溶接条件は次のとおりとした。

本発明の適用例が実施例１，２．８および４であり、従
来法により作成したものが比較例の１および２イ゛ある
。実施例８では低合金鋼肉盛金属を初層に置きその表層
に硬化部を設ける方法を採った。また、実施例４の場合
のみレーザービーム照射により−”得た硬化部であり、
その他の実施例における硬化部は電子ビーム照射法によ
った。

小型試験片は直径５０闘φ、母材（硬化部を含む）厚さ
２５闘の円柱状とし、最もはく離割れを起こしやすいス
テンレス鋼肉盛金属第１層目のビード重ね部が試験片の
ほぼ中央を通るように供試材から　□採取は、試験片に
は６９０℃で１６時間の溶接後熱処理を施し、その後オ
ートクレーブ内の高温高圧水素雰囲気（温度：４２７℃
、水素圧二２８〜１８９榴ｆ／ｃｍ２〔２，８〜ｌ　８
．５ＭＰａ　：］　）中に４８時間放置して試験片中に
水素暴露処理ののち試験片をオートクレーブ内より取出
し強制冷却したが、そのときの室温までへの平均冷却速
度は約４００″Ｃ〕／ｈであった。はく離割れの検出に
は超音波探傷試験（ＵＴ）の適用が有効であり、超音波
探傷試験により肉盛金属と母材との境界部近傍から反射
して戻ってくるエコー高さを測定した。はく離割えは冷
却後数時間を経てに冷却後５日間経過したのち（放置温
度：２５°Ｃ）に実施し、５日間の時間経過に伴うエコ
ー高さの変化量をもってはく離割れの発生程度を評価し
た。

はく離割れ試験条件および試験結果を第２表に示す。

（以下余白） 第２表　はく離割れ試験条件とその結果（第２表に対す
る脚注） 注１）試験片冷却後、室温（２５℃）で６時間経過した
ときの肉盛金属中におけるピーク水素濃度（計算値）、
母材原質部および硬化部の水素拡散係数、水素溶解度定
数は、それぞれの部分における硬さをもとに補正を行っ
た２　Ｖ４　Ｃｒ　−ＩＭ。

鋼の場合の値とした。補正時に用いた各部分の引張強さ
の値は次のとおりである。

母材原質部　・・・・・・・・・・・・・・・・・−・
・　６０．０　ｋｇｆ　／ａｒｍ２母材硬化部　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・　６５゜□　ｋ
ｇ　ｆ　７ｍｍ”低合金鋼肉盛金属硬化部・・・・・・
　６８．＋ｓＩｃｇｆ／闘”注２）冷却直後ならびに室
温放置約６日後に超音波探傷試験でステンレス鋼肉盛金
属のボンド部近傍から反射してくるＵＴエコー高さを測
定。

その変化量は発生したはく離割れの面積にほぼ対応する
。

第２表中に示したＣ　ｒｍａ　ｘ値は差分法を用いた計
算によってめた値であり、割れ発生開始時期にあたる冷
却後６時間経過したのちにおける値を採った。硬化部が
存在する実施例１〜４の供試材に対する計算では、硬化
部の水素拡散係数、水素溶解度定数として硬さく引張強
さ）をもとに補正した値を用い、硬化部の深さについて
も計算上の因子に含めた。したがって、実施例１〜４の
場合にはＣｒｍａｘ値の低下により程度の差こそあれ、
比較例の場合に比べて水素暴露時の水素圧が高いにもか
かわらず冷却後のＣｒｍａｘ値は概ね同程度と低くなっ
ている。このＣｒｍａｘ値とはく離割れの発生程度を示
すＵＴエコー高さ変化量との間の相関性からめられた各
供試肉盛金属のはく離割れ発生限界水素濃度（Ｃｒｍａ
ｘ）ＣＲ値を第８図に示す。

第８表　肉盛金属のはく離割れ発生限界水素濃度各供試
材によって水素暴露時の水素圧が同じであってもはく離
割れの発生程度には大きな差が生じるが、Ｃｒｍａｘ値
を用いて再整理することによってめられた（Ｃｒｍａｘ
）ＣＲ値はさほど変オ〕らない。

これは、試験に供したステンレス鋼肉盛金属中に特には
く離割れの発生防止の上で効果のある合金元素を含んで
いないこと、試験材に施した溶接後熱処理条件が同じで
あることなどによっている。

各供試材における施工法をそのまま圧力容器に適用した
場合（溶接後熱処理条件＝６９０°０Ｘ１６ｈ）のはく
離割れを引起こさずに操業可能な限界の条件について、
実験でめられた（Ｃｒｍａｘ　）ＣＲ値を用いて評価し
た結果の一例を第２図に示す。図中の各限界線は、圧力
容器操業停止後のＣｒｍａＸ値がそれぞれの肉盛金属の
（Ｃｒｍａｘ　）ＣＲ値に一致する操業条件を示してお
り、各限界線より左下の条件域ではＣｒｍａｘ　＜　（
Ｃｒｍａｘ　）ＣＲとなりはく離割れは発生しない。本
発明を適用した実施例の場合、従来からの施工法を適用
した比較例の場合に比べて、はく離割れを引起こすこと
のない限界の操業条件が飛躍的に高水素圧側に移り、安
全操業条件域が広くなっている。この安全操業条件域は
硬化部の硬さく引張強さ）が高いほど（比較例２→実施
例２→実施例８）広く、硬化部の深さが深いほど（比較
例１→実施例４→実施例１）広くなる。また、硬化部の
存在とは直接関係ないが、ステンレス鋼肉盛金属の厚さ
が厚いほど（実施例１→実施例２、比較例１→比較例２
）、安全操業条件域は広くなる。

なお、第２図は溶接後熱処理条件が６９０°ｊ）Ｘ１６
ｈ。

操業温度が４５４°Ｃの圧力容器においてはく離割れを
引起こさない限界の操業条件を示しているが、溶接後熱
処理時間のもう少し短い実際の圧力容器に対してはかな
り安全側の評価となっている。また、操業温度の低い圧
力容器の場合には各施工法のはく離割れ発生限界操業条
件が高水素圧側に移行する。

発明の効果 以上のように本発明によると、転位密度の高い硬化部を
ステンレス鋼肉盛溶接を行う前の母材表層あるいは低合
金鋼肉盛金属表層に設けることによって、Ｃｒｍａｘ値
を下げることができ、はく離割れを引起こさない限界の
圧力容器操業条件を飛躍的に向上させてはく離割れの発
生を防止することができる。さらに、硬化部の深さなら
びに硬さを適度に調整することによって、実際の圧力容
器がはく離割れを起こさずに操業できる程度にまでＣｒ
ｍａｘ値の低下率を変えることができることも本施工法
の特長の一つである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は冷却後における
肉盛金属中のピーク水素濃度ＣｒｍａＸ値に及ぼす硬化
部の深さの影響を示すグラフ説明図、第２図ははく離割
れが発生しない限界の圧力容器操業条件〔溶接後熱処理
条件６９０℃×１６ｈの場合、母材厚さには硬化部の深
さく厚さ）を含まない〕を示すグラフ説明図である。 代理人　森本義弘

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　高温高圧水素が介在する圧力容器の母材の表層部
   に、転位密度の高い硬化部を作り、その上にオーステナ
   イト系ステンレス鋼を１層以上肉盛溶接することを特徴
   としたオーステナイト系ステンレス鋼肉盛金属のはく離
   割れ防止方法。