JPS6056478A - 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】

この発明は、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て、その内面に施
されたオーヌデナイト系ヌテンレヌ鋼肉盛金属と母材と
の境界部に沿って発生する割れ（以下、はく離割れとい
う。）を防止するオーヌテナイト系ヌテンレス鋼肉盛金
属のはく離割れ防止方法に関し、オーヌテナイト系ヌテ
ンレヌ鋼肉盛金属と母材との間に適尚な硬化層を置くこ
とによシ、肉盛金属の耐はく離割れ性を飛躍的に向上さ
せることを目的とする。 通常、これらの高温高圧容器には、母材に水素侵食防止
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に対する防食をはかる目的でオーヌ
テナイト系ヌテンレヌ鋼の肉盛溶接が行われている。 ところで、高温高圧容器が操業状態にある時点では、内
部の水素は圧力容器壁、すなわち肉盛金属および母材中
を拡散して外部に放出されておシ、肉盛金属中ならびに
母材中には、それぞれの水素溶解度に応じて原子状の水
素が拡散しつつも固溶している。 ところが、圧力容器の操業停止（冷却）後においては、
高温状態で肉盛金属ならびに母材中に固溶していた水素
原子が放出されきれずに残留し、水素溶解度の低下によ
り平衡状態にあるときの水素濃度に比べてかなり過飽和
な状態で存在する。 この壁中に残留している水素濃度の分布を、分析により
めることは実質的に困難であるが、計算により推定する
ことは比較的容易である。ただ、この解析に際して肉盛
金属および母材それぞれの水素拡散係数と溶解度定数と
を正しく握んでおくことが重要である。 一般に、フェライト鋼の場合には、低温域において水素
原子が転位や空孔炭化物等に捕捉（トラップ）される現
象が現われ、このことが水素拡散挙動にも大きな影響を
及ぼす。すなわち、同−成分系の鋼種で転位等のトラッ
プサイトの多い鋼では、トラップサイトの少ない鋼の場
合に比べて、低温域での水素拡散は遅く、水素溶解度は
高くなる。 本発明者は、母相についてこの水素トラップ効果を考慮
した水素拡散係数や溶解度定数を用いて圧力容器壁断面
における水素濃度分布を計算した。 その結果、冷却後には境界部から肉盛金属側に１０〜２
０μ用寄った位置に極めて高い水素濃度のピークが形成
され、この位置において最も過飽和な状態で水素原子が
集積していることが判明した。 この水素濃度ピークは、肉盛金属（オーヌテナイト鋼）
と母材（フェライトｗＩ）の水素拡散係数。 溶解度定数の違いに起因するものであり、水素原子が冷
却過程の比較的高温域（約１００℃以上）で母材側から
肉盛金属側へ移動し、低温域（約１００℃未満）で肉盛
金属側から母材側へ移動することにより生じるものであ
る。 実際のはく離割れも、この水素濃度が冷却後、最も過飽
和に集積してきている位置近くの肉盛金属中粗大粒粒界
に清って発生している。 このことから、はく離割れの発生には、極度に高い水素
原子の局所的集積が主に原因していると考えられる。こ
のほか、集積した水素原子が分子化（ガヌ化）して巨視
的な空隙を形成するだめの核、すなわち１粒界炭化物周
辺のミクロボイドの存在もまだ、はく離割れの発生に重
要な役割をになっている。 この発明者は、小型肉盛試験片を用いてオートクレーブ
によるはく離割れ再現試験を行い、実験的に冷却後の肉
盛金属側境界部近傍における水素濃度ピーク値（Ｃｒｍ
ａｘ値）を種々変化させて、はく離割れ発生限界水素濃
度値（（Ｃ！７ｍａｘ　］　ＯＲ値：　Ｃ７ｒｒｍｘ≧
（Ｃｒｎ１ａＸ］（Ｈのとき、はく離割れ発生）が存在
することを見い出した。この

【ＣγｍａＸＪＯＲ値は、
肉盛金属および母材の化学組成、肉盛溶接法、溶接施工
条件、溶接後熱処理条件などによシ決まる値である。 そして、はく離割れの発生防止には肉盛金属のはく薄割
れ発生限界水素濃度（ＣｒｆｆｌａＸ　Ｊ　ＯＲ値の上
昇をはかるか、あるいは冷却後におけるピーク水素濃度
ＣＴｌ１ｌａＸ値の低下をはかるかのいずれかの手段を
講じる必要がある。 ととるで、従来より高能率肉盛溶接法として多用されて
いる帯状型（菟使用のエレクトロヌラグ肉盛溶接法また
はサブマージアーク肉盛溶接法で、ＬＪ材上に直接オー
ステナイト系ヌテンレス鋼を肉盛溶接した場合には、多
少の合金元素添加によっても（Ｃｒｒｎａｘ）ａｎ値の
飛躍的な上昇をみとめることができない。 一方、冷却後におけるＣｒｆｆｌａＸ値を下げるために
は、肉盛金属の厚肉化、冷却条件の制御などの設計。 操業上の因子のほかに、母材（または下盛肉盛金属）の
高強度化ｃ高硬度化）が有効である。 また、水素濃度ピークの形成には前述のように、肉盛金
属（オーヌデナイト鋼）と母材（フェライト鋼）との間
における水素拡散係数と溶解度定数の違いが原因となっ
ておシ、そのピーク値には母材の低温域における水素ト
ラップ効果の大小が大きな影響を及ぼす。 さらに、転位等のトラップサイトを多く含むフェライト
鋼では、トラップサイトの少ない鋼に比べて水素原子の
収容力が大きく、母材側から肉盛金属側への水素原子の
移動が抑制されるため、冷却後のＣｒｍａＸ値は低くな
る。 このようなことから、転位密度の高い高強度（高硬度）
の材料を母材として用いることがはく離割り発生防止上
有効となるが、高温高圧水素環境下における水素侵食に
対する抵抗性の面からは母材硬度をある限度以下に制限
する必要がある。 この発明は、前記の点に留意してなされたものであシ、
高温高圧水素が介在する圧力容器の内面に、中程度の炭
素とニオビウムを含有するフェライト系硬化肉盛金属を
下盛溶接し、その上に通常のオーヌテナイト系ヌテンレ
ヌ鋼を１層以上肉盛溶接することを特徴とするオーヌテ
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
提供するものである。 したがって、この発明によると、オーヌテナイト系ヌテ
ンレヌ鋼肉盛金属の下にトラップサイトを多く含むフェ
ライト系硬化肉盛金属を置くことにより、母材の耐水素
侵食性を損わずに、はく離割れの発生を防止することが
できる。 つぎにこの発明を、その実施例とともに、詳細に説明す
る。 下盛用としてのフェライト系硬化肉盛金属には、炭素＋
１．１０〜０．１５％、シリコン１．０％以下、マンガ
ン４．０％以下、クロム２．０〜３．５％、モリブデン
０．８〜】、５％、ニオビウムを炭素量の８倍以上１．
２％以下、残部鉄および不純物の組成を有する低合金鋼
を用いる。 これらの合金元素のうち、炭素は、肉盛金属の硬さを溶
接後熱処理後においても適正範囲内に保持するために必
要な元素である。フェライト系硬化肉盛金属の上にオー
ヌテナイト系ヌテンレヌ鋼を肉盛溶接を行う２層施工の
場合、溶接後熱処理により下層のフェライト系肉盛金属
中の炭素が上層のオーヌテナイト系肉盛金属側へ移動し
て両者の境界部に炭化物層を形成し、また、境界部の下
層フェライト系肉盛金属側寄りに脱炭層を形成する。 そして、耐はく離割れ性向上の点からこの脱炭層のビツ
カーヌ硬度を１８０以上にすることが効果的であり、そ
のためフェライト系硬化肉盛金属中の炭素量の下限値を
０．１０％とした。また、あまシ炭素量を上げすぎると
、硬化肉盛金属の硬さも過度に高くなり、その耐水素侵
食性に悪影響を及ぼすだけでなく、溶接性自体も悪くな
る。このため、炭素量の上限を０．１５％とした。 シリコンおよびマンガンは、肉盛溶接上の脱酸剤として
使用され、肉盛金属の強度保持、硬さ確保のために必要
な元素ではあるが、高温環境での長時間使用中に肉盛金
属のしん性力化を招くため、あまシ多量に含有すること
は好ましくない。そこで、それぞれの含有量の上限を１
．０％、４０％とした。 クロムおよびモリブチ゛ンは、肉盛金属の高温強度を保
持するために必要な元素であシ、高温高圧水素が介在す
る環境の下で起こる水素侵食を防止する上でも重要な元
素である。この水素侵食に対する抵抗性の面からは、ク
ロムおよびモリブテンの含・ａ量が多いほど有効である
。 そして、は、く離割れの発生が問題となる圧力容器の操
業条件において、構造用材料（母材）の水素侵食を防止
するために必要なりロムおよびモリブデンの量を勘案し
て、肉盛金属中のクロムおよびモリブデンの含イ」量を
それぞれ２０〜３５％、０．８〜１．５％とした。 ニオビウムは、肉盛金属中の炭素と結合して炭化物を形
成し、炭素を固定する役割を果たす。このため下層のフ
ェライト系硬化肉盛金属側から上層のオーヌテナイ１系
ヌテンレヌ鋼肉盛金Ｒ側への炭素の移動を妨げ、はく離
割れの発生を抑制する。肉盛金属中の炭素を充分固定す
るためには炭性が低くなるので、その上限値を１．２％
とした。 さらに、タングヌテンおよびバナジウムは炭化物を形成
し、肉盛金属の焼戻し軟化抵抗を増加するため、上盛溶
接施工や溶接後熱処理に伴う硬さの低下を防止するのに
有用である。ただ、母材に対しては水素侵食防止の面か
ら硬さの上限が規制され、硬化肉盛金属についてもむや
みに硬さを上げる必要はない。そこで硬化肉盛金属の硬
さを適正範囲内に保つため、タングヌテンおよびバナジ
ウムの添加量の上限をそれぞれ３．０％と１．０％とし
た。 した力；つて、常温付近の低温域においても比較的水素
溶解度の高いフェライ）・未硬化肉盛金属を下盛層に用
いることによシ、高温高圧水素環境下で吸蔵された水素
原子が冷却過程でオーヌテナイト系ステンレヌ鋼肉盛金
属の母材側境界部近傍に集積するのを抑止し、はく離割
れの発生を防止することができる。 冷却後の水素濃度分布を計算によってめると、フェライ
ト系硬化肉盛金属を下盛層に用いた場合、圧力容器ヌテ
ンレヌ鋼肉盛金属中に形成される水素濃度ピーク値（Ｃ
γ…＋ｌＸ値）は下盛層を用いない場合に比べて約ガに
低減される。したがって、このＣｒｍａＸ値の低下率に
ほぼ相当して、はく離割れを引起こさない圧力容器操業
条件領域は拡大する。 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等が同じであれば
、本発明のフェライト系硬化肉盛金属を下盛層に用いる
ことによって、はく離割れを引起こさずに操業できる限
界の水素圧は、下盛層を用いないときの値の約２倍強に
も達する。 つぎに、この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溶接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。この発明の適用例が
実施例１および２であり、従来法によシ作製したものが
比較例の１および２である。 供試材よシ採取［また小型はく離割れ試験片の形状を第
１図に示す。同図（ａ）はヌテンレヌ鋼１層盛、（ｂ）
はヌテンレヌ鋼２層盛を示し、図中、（Ａ）はオーヌテ
ナイト系ヌデンレス鋼肉盛金Ｊ？Ａ、（Ｂ）ハフエライ
ト系硬化肉盛金属、（Ｃ）は母材である。 そして、試験片のほぼ中央に最もはく離割れを起こしや
すいヌテンレヌ鋼肉盛金属第１層目のビード重ね部が位
置するようにした。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？＋
’ｂ圧水素雰囲気（温度・４２７℃。 水素圧：２３〜１８９／ｃｇｒ／７　）中に４８時間放
置して試験片中に水素を添加した。この水素暴露処理後
、試験片をオートクレーブ内よシ取出し強制冷却したが
、そのときの室ｆｆ１Ａまで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、超音波探傷試験の適用が有効で
ある。はく離割れは冷却後数時間を経てから発生し、そ
の後数日間にわたって進展し続けるため、超音波探傷試
験を試験片冷却直後ならびに冷却後５日経過したのち（
放置温度：２５℃）に実施した。超音波探傷試験では肉
盛金属と母材、および各層の肉盛金属相互間の境界部近
傍から反射して戻ってくるエコー高さを測定し、５日間
の時間経過に伴うそ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。 第２表　はく離割れ試験条件とその結果性１）　試験片
冷却後、室温（２５℃）で６時間経過したときの肉盛金
属中における最高水素濃度計算値。母相ならびにフェラ
イト系硬化肉盛金属の水素拡散係数、水素溶解度定数と
して、２ｋ　Ｏｒ−ＩＤＩｏ鋼の引張強さ６０に’ｊｆ
ｙｆｎｒＪの場合の値を計算に用いた。 注２）　冷却直後ならびに室温放置約５日後に超音波探
傷試験で肉盛金属ボンド部近傍からＯＵＴエコー高さを
測定。その変化量ははく離割Ｊし面積にほぼ対応する。 第２表中に示したＣｒｍａＸ値は、各試験条件に清って
差分法を用いた３１算によりめたものであり、冷却後６
時間経過したのちの値を採った。なお、計算には母材な
らびにフェライト系硬化肉盛金属の水素拡散係数、水素
溶解度定数として、引張強さ６０Ａｇｆ／＆透の２　’
４ｉ　Ｃｒ　−ＩＭｏ鋼におけるそれぞれの値を用いた
。これは試験に供した肉盛金属相互の耐はく離割れ性の
差異を明確にするためである。 試験結果としてのＵＴエコー高さ変化量と計算でめたＣ
７ｍａｘ値とのＡｌｌ関性を第２図に示す。図中矢印を
付けたＣｒｎ１ａｘ値以下の試験条件域でははく離割九
が発生しておらず、この鎖をはく離割れ発生１奴界水素
濃度（（ＣＴｍａＸＪＯＲ値）と呼んでいる。 各供試材の（ＣｒＩｒ１ａＸＪＯＲ値を整理して第３表
に示す。 第３表　肉盛金属のはく離割れ発生１界水素濃度注１）
　（）内に示した数値はフェライト系硬化肉盛金属の水
素拡散係数、水素溶解度定数としてその引張強さをもと
に補正を行った値を用いて計算し請求めたはく離割れ発
生限界水素濃度である。 フェライト系硬化肉盛金属の引張強さからその水素拡散
定数と溶解度定数とを推定し、それらの物性値を用いて
計算したＣｒｍａＸ値を基に換算した（Ｃｒ１ｌｌａＸ
　Ｊ　ＣＲ値を表中に合わせて示す。硬化肉盛金属を下
盛層に用いることによシヌテンレヌ鋼肉盛金属中のＣｒ
ｍａＸ値は低下する。この低下率が試験片の場合的Ａと
なるため、物性値を考慮した（ＣｒＩｎａＸ）Ｃ！Ｒ敞
は硬化肉盛金属の有無（でかかわらずほぼ同じ値となる
。しかし、この硬化肉盛金属に対する物性値の補正を行
う以１〕１１の（Ｃｒ１１１ａＸＪＯＲ値をもって耐は
く１４１Ｌ割九性の指標とすると、硬化肉盛金属の導入
によって肉盛金属の１１１１はく離割れ性が飛躍的に向
上していることがわかる。 このような硬化肉盛金属の下盛施工を圧力容器に適用し
たときの、はく離割れを引起こさずに操業可能な限界の
条件を第３図に示す。図中の各限界線は圧力容器冷却後
のＣ７ｍａｘ値がそれぞれの肉盛金属の（ＣγｍａＸＪ
ＯＲ値となる操業条件を示しており、この限界線より左
下の条件域（Ｃ７ｎ＋ａｘ＜（Ｃ７ｍａｘ　）ａｎ　）
でははく離割れが発生しない。この計算には硬化肉盛金
属に対する物性値の補正を行っている。 従来法の比較例１および２に列し硬化肉盛金属を下盛層
に用いた場合（それぞれ実施例１および２に対応）には
、ＣｒｍａＸ値が約尤に低下し１このためはく離割れを
引起こさずに操業可能な限界の水素圧が約２倍強Ｃ＝　
（３／２ｆ　）　も上昇する。また、計算に用いたヌテ
ンレヌ鋼肉盛金属の厚さは、１層盛の場合（実施例１お
よび比較例１）に５間、２層盛の場合（実施例２および
比較例２）に８關とした。実施例２ならびに比較例２の
肉盛金属においてその適用可能な限界の水素圧が、それ
ぞれ実施例１および比較例２の場合に比べて高いのは、
ヌテンレ７鋼肉盛金属厚さが厚く、このためヌテンレヌ
鋼肉盛金属と硬化肉盛金属または母材との間の境界部周
辺における冷却前の水素濃度自体が低くなっていること
に起因している。 このように７テンレヌ鋼肉盛金属の厚肉化によっても、
はく離割れを引起こさない圧力容器の操業条件域は拡大
されるが、硬化肉盛金属の適用の方がより効果的であり
、飛躍的な適正操業条件域の拡大をはかることができる
。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明のはく離割れ防止方法の説明図であり、
第１図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ試験片の斜視図、
第２図は肉盛金属中における最高水素濃度とＵＴエコー
高さ変化量との相関性を示す図、第３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°ＣＸ１６］１の場合）図である。 （Ａ戸・オーヌテナイト系ヌテンレヌ鋼肉盛金属、（Ｂ
）・・・フェライト系硬化肉盛金属、（Ｃ）・・・母材
。 代理人　弁理士　藤田龍太部 第２図 第　３　図 操電ジ翫嵐：４５４．４℃ １００　１５０　．２００　２５０ −ｅ　材　厚　−、、ｔｄ、（ｍｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　高温高圧水素が介在する圧力容器の内面に、中程度
   の炭素とニオビウムを含有するフェライト系硬化肉盛金
   属を下盛溶接し、その上に通常のオーヌテナイト系ヌテ
   ンレヌ鋼を１層以上肉盛溶接することを特徴とするオー
   ヌテナイト系ヌテンレヌ鋼肉盛金属のはく離割れ防止方
   法。 ■　下盛溶接用の硬化肉盛金属として、炭素０．１０〜
   ０．１５％、シリコン１．０％以下、マンガン４．０％
   以下、クロム２．００〜３．５％、モリブデン０．８〜
   １．５％、ニオビウムを炭素量の８倍以上１．２％以下
   、残部鉄および不純物からなる組成を有する低合金鋼を
   用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のオ
   ーヌテナイト系ヌテンレヌ鋼肉盛金属のはく離割れ防止
   方法。 ■　下盛溶接用の硬化肉盛金属として、炭素０．１θ〜
   ０．１５％、シリコン１．０％以下、マンガン４０％以
   下、クロム２．００〜３．５％、モリブデン０．８〜１
   ．５％、ニオビウムを炭素量の８倍以上１．２％以下、
   タングステン３０％以下、バナジウム１．０％以下、残
   部鉄および不純物からなる組成を有する低合金鋼を用い
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のオース
   テナイト系ヌテンレヌ鋼肉盛金属のはく離割れ防止方法
   。