JPS61223162A - 耐水素侵食性と高温強度に優れた圧力容器用鋼 - 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） 高温高圧の水素環境下で操業される圧力容器の造成に供
用する材料として適合する、いわゆる圧力容器用鋼の組
成に関連してこの明細書では、耐水素侵食特性と高温強
度についての性能向上を目指した開発研究の成果を以下
に述べる。

石油精製工場における重油脱硫装置をはじめとする高温
高圧水素環境下で操業される圧力容器の稼動の動向は、
操業の効率化のために操業条件にシ３　関して高温、高
圧化のすう勢が著しい。

また将来のエネルギー源として注目されている石炭液化
、ガス化のプロセスでは、現行の重油脱硫装置よりも一
層高温、高圧下で操業される。

従来から高温高圧水素環境に曝される圧力容器では、水
素侵食による材質劣化を防ぐために、工場での事故例な
どをもとに、安全操業が可能な上限の温度、水素圧力を
規定したネルソン線図を参考に、操業条件に応じたグレ
ードのＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されてきた。とくに重油脱硫
装置、石炭液化、ガス化プロセスにおける圧力容器など
では、２二Ｃｒ−ｌＭｏ鋼、又は３Ｃｒ−ｌＭｏ鋼の如
きの高グレードのＣｒ−Ｍｏ鋼が使用されている。

、　しかし現行の材料では耐水素侵食特性、高温強度特
性は未だに十分ではなく、年々高温化、高圧化していく
現実に対応していくことは困難であった。

（従来の技術） 耐水素侵食特性を向上させるためにＳｉ量を低い値に規
制することは特開昭５９−１１０７６４号公報に示され
ているが、この場合高温強度は十分ではな（、また特開
昭５６−７２１５６号公報のようにｖｌなどの添加によ
りクリープ破断強度を向上させた場合でも、耐水素侵食
特性が十分ではないなど一長一短があり圧力容器のユー
ザー、設計製造業者からの厳しい要求をみたすにははな
はだ不十分であった。

（発明が解決しようとする問題点） この発明は前述の問題点を解消するためになされたもの
で、と（に、鋼中Ｎ量の上限を規制することにより耐水
素侵食特性が著しく向上し、更にＳ量の上限を設定し、
Ｖ、Ｎｂなとの特殊元素を適量添加することによって、
耐水素侵食特性、高温強度が格段に優れた材料を新規に
与えることがその目的である。

（問題点を解決するための手段） １掲の目的は、まず、 Ｃ：　０．０５〜０．２０ｗ以下、 Ｓｉ　：　０．４０ｗ以下以下、 Ｍｎ　：　０．Ｉ　Ｎ１．０ｗｔ％、 Ｃｒ　：　２．０〜３．５　ｗ以下、 Ｍｏ　：　０．８〜１．６　ｗ以下、 Ｖ　：　０．０５〜０．３５１ｗｔ％、Ｎｂ　：　０．
００５〜０．１　ｗ以下および、Ａ　Ｉ１７０．０８１
ｗｔ％以下、 を含有し、 Ｎ　：　０．００５０ｗ以下以下 Ｐ　：　０．０１０　ｗ以下以下 Ｓ　：　０．００４　ｗ以下以下 であって、残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食
特性と高温強度に優れた圧力容器用鋼（第１発明）によ
って充足されるが上記の成分のほかに、希土類元素、Ｃ
ａのうち少なくとも１種を０．００３〜０．０３ｗ以下
を含む組成（第２発明）また同じくＢを０．００１０ｗ
以下超〜０．００４ｗ以下を含む組成（第３発明）さら
に同じ＜ＣｕおよびＮｉをそれらの合計量で０．５ｗ以
下以下を含む組成（第５発明）そして第２゜第３両発明
の追加各成分をあわせ含む組成（第４発明）、第２．第
５両発明の追加成分をあわせ含む組成（第６発明）さら
に第３．第５両発明の追加成分をあせわ含む組成（第７
発明）および第２゜１　　　　　　第３および第５各発
明の追加成分を一緒に含む組成（第８発明）は、一層有
利に所期の目的に適う。

２−　Ｃｒ−ｌＭｏ鋼、および３Ｃｒ−ｌＭｏ鋼を主と
して、耐水素侵食特性、高温強度に及ぼす成分の影響を
広範に調査した結果、次の重要な知見が得られた。

（１）　Ｎ量をある値以下にすると、耐水素侵食特性は
著しく向上する。

（２）Ｎ量をある値以下にすると、耐水素侵食特性が向
上し、ＳＲ割れ（溶接後の応力除去焼鈍中に発生する割
れ）が生じがたくなる。

（３）適量のＶの添加は耐水素侵食特性を向上させる。

（４）適量のＮｂの添加は高温強度の向上に大きな効果
がある。

この発明の特徴は上記の知見をもとに、成分元素の作用
効果が好ましい方向に結集的に、発揮されるように成分
設計した点にある。この結果従来鋼に比べ、格段に耐水
素侵食特性、高温強度に優れた材料を得ることができた
。

この材料は耐焼戻しぜい化特性、じん性、耐ＳＲ割れ性
など、他の特性も従来材に比べ何らそん色がないことも
判明した。

またこの発明で規定した成分の材料は、現在の製造技術
工程（転炉−ＲＨ脱ガス）で十分製造可能であることは
言をまたない。

（作　用） 次にこの発明で鋼の成分組成を限定した理由を述べるが
以下にて％表示は、重量％をあられす。

Ｃ：　０．０５〜０．２０％； 十分な強度と焼入性を確保するために少なくとも０．０
５％の含有は必要であるが、０．２０％を越えて含有し
た場合は溶接性が劣化するので、０．０５〜０．２０％
の範囲とした。

Ｓｉ　：　０．４０％以下；　　 ０．４０％を越えて含有した場合、焼戻しぜい化、水素
侵食を起こしやすくなるので、０．４０％以下とした。

Ｍｎ　：　０．１〜１．０％； Ｍｎは焼入れ性、強度の確保、及び脱酸のために０．１
％以上含有させる必要がある。しかし多過ぎた場合、焼
戻しぜい化感受性が高くなるので０．１〜１．０％とし
た。

Ｃｒ　：　２．０〜３．５％； Ｃｒは強度、じん性、および耐食性の向上をはかるうえ
で有効な元素であるが、２．０％未満ではその効果は十
分ではなく、３．５％を越えて過剰に添加した場合、溶
接性が損なわれるので、２．０〜３．５％とした。

１’ｌｏ　；　Ｏ−８〜１−６　　％；Ｎｏは強度、じ
ん性及びクリープ破断強度の向上に効果があるが、含有
量０．８％未満ではその効果が十分ではなく、反面１．
６％を越えて過剰に添加した場合その効果は飽和し、不
経済であるので０．８〜１．６％の添加と規定した。

Ｖ　：　０．０５〜０．３５％； ■の添加はこの発明の特徴の一つであり耐水素侵食特性
の向上、クリープ破断強度の上昇をはかるために少な（
とも０．０５％の添加が必要である。

しかし０．３５％を越えた過剰の添加はＳＲ割れ感受性
の増大をまねくので、０．０５〜０．３５％の範囲とす
る。

Ｗｂ　：　０．００５〜ｏ、ｉ％； Ｎｂの添加もまたこの発明の特徴の一つであり、ｏ、ｏ
ｏｓ％以上の添加は常温強度、高温強度を著しく向上さ
せる。その効果は第１図、第２図及び表２、表３につい
て後述するとおりであるが、０．１％を越えて過剰に添
加した場合、有害な非金属介在物を形成しがちであるの
で、ｏ、ｏｏｓ〜０．１％を添加範囲とする。

Ａｚ：０．０８％以下； ０．０８％を越えて＾ｌを含有させた場合、水素侵食に
対する感受性が増大し、また熱間加工性の劣化が懸念さ
れるので、０．０８％を上限とする。

Ｎ　：　０．００５％以下； Ｎ量の上限を規定することはこの発明の最大の特徴であ
る。Ｎ量がｏ、ｏｏｓ％以下の場合価れた耐水素侵食特
性を有するが、ｏ、ｏｏｓ％　を越えると急速に従来鋼
の水準まで特性が劣化するので、０．００５％を上限と
する。

Ｐ　：　０．０１０％以下； １　　　　　　　粒界に偏析し、焼戻しぜい化を引き起
こすので低い方が好ましい、実機における操業で焼戻し
ぜい化が起こらず、製造コストの上昇も招かないｏ、ｏ
ｔｏ％を上限とした。

Ｓ　：　０．００４以下；この発明を特徴づける元素の
一つであり、０．００４％以下に制限することにより材
料の耐水素侵食特性及び耐ＳＲ割れ特性を著しく向上さ
せることができる。

希土類元素、　Ｃａ　：　０．００３〜０．０３％；第
２．第４．第６．および第８各発明において、更に耐水
素侵食特性の向上及びＳＲ割れ感受性を低下させる目的
で、原子番号５７〜７１の希土類元素又はＣａを添加す
る。添加法はいずれか一種の元素の単独添加でも、２種
類以上の複合添加でもよ（、ｏ、ｏｏａ〜０．０３％の
添加量の範囲であれば、得られる作用効果は添加元素の
種類によらずほぼ同様である。しかし添加量が０．００
３％未満であれば、その効果は十分ではなく、また０、
０３％を越えて添加してもその効果は飽和し、添加量に
見合った効果は得られず、不経済であるので、０．００
３〜０．０３％の範囲とする。

Ｂ　：　０．００１超〜０．００４％：第３．第４．第
７および第８各発明において０．００１％を超えるＢの
添加により、焼ならし時の焼入性を向上させることがで
きる。しかし０．００４％を超えて含有させた場合、フ
ェライトの生成を促進し、強度、じん性が劣化するので
、０．００１超〜０．００４％を適正範囲とする。

Ｃｕ＋Ｎｉ　：　０．５％以下； 第５〜第８発明においてＣｕあるいはＮｉを０．５％以
下添加する。Ｃｕ、Ｎｉは焼入性の向上に大きな効果が
あるが、０．５％を越えて過剰に添加した場合、焼戻し
ゼい化惑受性が増大するので０．５％以下とする。

（実施例） 表１に示す成分の綱を真空溶解炉にて溶製、熱間圧延後
９５０℃で２．５時間の焼ならし処理、６９０℃で２０
時間の焼戻し処理を行い、各種試験を行った。

水素侵食特性の評価は、温度６００℃、水素圧力３００
ｋｇｆ／ｃ＋ｓ”に保持したオートクレーブ中にシ中ル
ビー衝撃試験片を暴露した後取り出し、０℃での吸収エ
ネルギーを測定す諷ことによって行った。

表２９表３はそれぞれ２：二Ｃｒ−ｌＭｏ鋼。

３Ｃｒ−ＩＭｏ鋼での発明鋼及び従来鋼の引張性質と水
素侵食特性を示す。

発明鋼は常温、及び高温（４５４℃、４８２℃）強度が
従来鋼に比べ高いことは明らかである。

第１図、第２図は、発明鋼と比較鋼について常温から６
００℃までの引張性質を２−　Ｃｒ　−１？１゜′鋼と
３Ｃｒ−ｌＭｏ鋼と対比して示したものである。

発明鋼は室温から６００℃までの各温度域において引張
強度、０．２％耐力が高いことは明らかである。

また６００℃、３００ｋｇｆ／ｃｍ”の高温高圧水素処
理によりシャルピー吸収エネルギーの低下の開始する時
間（潜伏期）を表２９表３に示す。

また第３図は２−　Ｃｒ　−ｌＭｏ鋼における水素侵食
の潜伏期とＮ量の関係を、発明鋼と従来鋼を区別して示
す、第４図は３Ｃｒ−ｌＭｏ鋼について第３図と同じく
水素侵食の潜伏期間とＮ量の関係を示す。

第３図、第４図よりＮ量の上限を、ｏ、ｏｏｓｏ％に設
定した発明鋼は、従来鋼に比べ水素侵食の潜伏期が長く
、優れた耐水素侵食性を有することは明白である。

（発明の効果） この発明によりきわめて耐水素侵食特性に優れ、また高
温強度が高く、高温高圧水素環境下で操業される圧力容
器用材料としてきわめて工業的価値をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従う２−　Ｃｒ−ｌＭｏ鋼の室温〜
６００℃での引張特性を従来鋼と比較して示す図表、 第２図は３Ｃｒ−ｌＭｏ鋼についての同様な比較図表、
第３図及び第４図はそれぞれ２−　Ｃｒ　−ＩＭ。 鋼＋３Ｃｒ−ＩＭｏ綱について６００℃、３００ｋｇｆ
／ｃｗ＋”の高温高圧水素処理による０℃での吸収エネ
ルギーの変化につきこの発明鋼の効果を従来鋼と比較し
た図表である。 イｌメ、メ史り　　Ｃ％ノ 水素鏝涜りｔ伏期（ｈｒ） 手　　続　　補　　正　　書 昭和６０年　６月　４日 特許庁長官　　　志　　賀　　　　　学　　殿１、事件
の表示 昭和６０年特許願第６２０８０　　号 ２、発明の名称 耐水素侵食性と高温強度に優れた圧力容器用鋼３、補正
をする者 事件との関係　特許出願人 （１２５）川崎製鉄株式会社 ４、代理人 ５、補正の対象 １、明細書第１４頁第１５行の「−・−０，００５％以
上の添加は常温強度、」を「・−・・−ｏ、ｏｏｓ％以
上の添加、とりわけ０．０１０％以上の添加は常温強度
、」に訂正し、 同頁第１７行乃至１８行の「・−とおりであるが、０．
１％」を「−・とおりであるが、添加量が０．０３０％
を部内た場合その効果は飽和の傾向を示しがちになり、
さらには０．１０％−・・」に訂正し、同頁第２０行の
「・−・添加範囲とする。」を「−・添加範囲とするが
、できるだけ０．０１〜０．０３％の範囲にＩ’ｌｂ量
をコントロールすることが望ましい。」に訂正する。 ２、　同頁の「表１」を次のとおり訂正する。 ３、　同第２１真の「表２」を次のとおり訂正する。 ４、　同第２２頁の「表３」を次のとおり訂正する。 ５、図面の「第３図」、「第４図」を別紙のとおり訂正
する。 代理人弁理士　　　杉　　村　　暁　　秀外１名 水＃、侵食／ｆ収朋屓ｈｒ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下、 を含有し、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下、 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下、 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下、 残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食特性と高温
   強度に優れた圧力容器用鋼。 ２、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下、 を含有し、かつ 希土類元素、Ｃａのうち少なくとも１種をそれぞれ０．
   ００３〜０．０３ｗｔ％ を含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下 であって残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食特
   性と高温強度にすぐれた圧力容器用鋼。 ３、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％ Ｓｉ：０４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下 を含有し、 さらにＢ：０．００１〜０．００４ｗｔ％を含み、Ｎ：
   ０．００５０ｗｔ％以下 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下 であって残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食性
   と高温強度に優れた圧力容器用鋼。 ４、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下、 を含有し、かつ 希土類元素、Ｃａのうち少なくとも１種を ０．００３〜０．０３ｗｔ％と、さらにＢ：０．００１
   ｗｔ％超〜０．００４ｗｔ％を含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下、 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下、 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下、 であって残部鉄及び不純物から成り、耐水素侵食特性、
   高温強度に優れた圧力容器用鋼。 ５、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．０ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．００８ｗｔ％以下、 を含有し、さらに ＣｕおよびＮｉをそれらの合計量で０．５ｗｔ％以下、 を含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下、 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下、 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下、 であって、残部鉄及び不純物元素からなり、耐水素侵食
   性、高温強度に優れた圧力容器用鋼。 ６、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下、 を含有し、かつ 希土類元素、Ｃａのうち少なくとも１種を０．００３〜
   ０．０３ｗｔ％とさらにＣｕおよびＮｉをそれらの合計
   量で０．５ｗｔ％以下を含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下 であって、残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食
   特性と高温強度に優れた圧力容器用鋼。 ７、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下 を含有しさらに Ｂ：０．００１ｗｔ％超〜０．００４ｗｔ％とＣｕおよ
   びＮｉをそれらの合計量で０．５％以下とを含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下 であって残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食性
   と高温強度に優れた圧力容器用鋼。 ８、Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．４０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、 Ｃｒ：２．０〜３．５ｗｔ％、 Ｍｏ：０．８〜１．６ｗｔ％、 Ｖ：０．０５〜０．３５ｗｔ％、 Ｎｂ：０．００５〜０．１ｗｔ％および、 Ａｌ：０．０８ｗｔ％以下、 を含有し、かつ 希土類元素、Ｃａのうち少なくとも１種を０．００３〜
   ０．０３ｗｔ％とＢ：０．００１％超〜０．００４ｗｔ
   ％、ならびにＣｕ及びＮｉをそれらの合計量で０．５ｗ
   ｔ％以下とを含み、 Ｎ：０．００５０ｗｔ％以下 Ｐ：０．０１０ｗｔ％以下 Ｓ：０．００４ｗｔ％以下 であって残部鉄及び不純物元素から成り、耐水素侵食特
   性と高温強度に優れた圧力容器用鋼。