JPS6136582B2

JPS6136582B2 -

Info

Publication number: JPS6136582B2
Application number: JP57186671A
Authority: JP
Inventors: Akira Fuji; Etsuo Kudo; Kazuaki Mano; Tomoyuki Takahashi; Tooru Nomura; Masahiko Muro; Toshimitsu Goto
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1982-10-26
Filing date: 1982-10-26
Publication date: 1986-08-19
Also published as: JPS5976863A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は圧力容器用鋼に関する。更に詳しくは
本発明は高温高圧水素を取扱う圧力容器の内面の
ステンレス鋼オーバレイ金属と母材との界面にお
いて水素に起因して発生する割れ（以下「はく
り」と称する）を防止できる母材に関する。石油精製工業における脱硫反応及び水素添加分
解反応等には高温高圧状態の水素が取扱われる
が、これらの反応容器には炭素鋼、モリブデン鋼
及びクロム−モリブデン鋼などの低合金鋼が採用
され、容器内面には腐食防止のために通常ステン
レス鋼がオーバレイ溶接されている。従来、これ
らの耐食材料にはオーステナイト系ステンレス鋼
のタイプ309、タイプ347あるいはタイプ316など
が主に選択的に使用されている。炭素鋼、モリブ
デン鋼及びクロム−モリブデン鋼などの低合金鋼
フエライト系母材の上に上記のようなオーステナ
イト系ステンレス鋼をオーバレイ溶接した場合に
はフエライト系鋼とオーステナイト系鋼との線膨
張係数の差に起因するひずみがステンレス鋼と母
材との境界に残留する。またこのため、第１図の
模式図に示すように反応容器内部の高温高圧状態
の水素が解離して初層ステンレスオーバレイ金属
２を透過して反応容器胴部母材１内に拡散すると
反応容器の運転停止時などにその境界部に斜線を
付して示すような水素誘起割れ（はくり）５を発
生させることがあつた。このはくりは反応容器の
〓〓〓〓
安全性にも影響を及ぼし、石油精製工業全体とし
ても重要な問題となつている。本発明者らは「はくり」防止のためのオーバレ
イ溶接法について詳細に研究した結果、母材上に
溶接される初層すなわち１層目の溶接材料の選定
または溶接法の改善によるはくり防止方法を見出
し、溶接材料の選定に関しては特願昭52−138935
号（特公昭56−7792号）「剥離の発生を防止した
ステンレス鋼のオーバレイ溶接法及び特願昭53−
12978号（特開昭54−107453号）「反力容器内面の
ステンレスオーバレイの剥離防止方法」として特
許出願している。また溶接法については特願昭54
−13286号（特開昭55−117562号）「ステンレス鋼
の肉盛溶接方法」として特許出願している。これらの特許出願に係る発明はすべてオーバレ
イ溶接材料を変更するか、もしくは溶接条件を変
化させることにより、はくり抵抗性の良好なオー
バレイ溶接部を得る方法である。しかるに本発明はこれらの既に特許出願中の発
明とは観点を変え、母材の成分を調整することに
よりはくり抵抗性のすぐれたオーバレイ溶接部を
得ることを目的としたものである。以下、本発明をその性状を示す図表及び実施例
に基づいて詳細に説明する。本発明は水素に起因するステンレス鋼と母材と
の境界層に発生するはくり要因の詳細な検討結果
から、このはくりはオーステナイト系ステンレス
鋼溶接金属と母材との境界層の組織状態に依存し
ていることが見出された。すなわち後熱処理後の
オーステナイト系ステンレス鋼オーバレイ金属と
母材との境界層には(イ)溶接金属側に浸炭した粗粒
オーステナイト組織、(ロ)融合部のマルテンサイト
状組織、(ハ)母材側に脱炭した熱影響部の粗大結晶
粒組織、など異質のものが隣接しているが、はく
りの発生状況を観察すると、オーバレイ溶接部境
界近傍のミクロ組織並びに粗粒オーステナイト境
界に発生したはくり状況を示すオーバレイ溶接部
断面図である第２図からわかるように、はくり
（割れ）５はほとんどの場合に境界と平行に形成
されるステンレスオーバレイ金属２の粗粒をオー
ステナイトの粒界に沿つて発生進展し、一部境界
の炭化物層４に進展している。さらにこれら粗粒
オーステナイトの個数とはくり感受性との関係を
詳細に検討した。第１表に示す化学組成の母材を
309系帯状電極を使用してオーバレイ溶接した。
その際、溶接入熱を変化させてオーステナイト結
晶粒の個数を変化させて、はく離試験を行つた。
その結果を第３図に示す。

【表】第３図に示すように粗粒オーステナイトの個数
が少くなればはくり抵抗性が向上し、特に単位長
さ（１mm）当りの個数が３個以下になればすぐれ
たはくり抵抗性を有することを見出した。そこで
本発明者らは粗粒オーステナイトの発生を防止す
るかもしくは低減するためには母材の結晶粒の大
きさを微細化することが有効であり、その結果は
くり抵抗性のすぐれたオーバレイ溶接部が得られ
ることを見出した。従つて、本発明は重量％として炭素0.05〜0.25
％、けい素0.50％以下、マンガン0.30〜1.00％、
ニツケル0.50％以下、クロム1.00〜3.50％、モリ
ブデン0.50〜1.50％、及び (イ) チタン0.01〜0.10％、 (ロ) ニオブ0.01〜0.10％、バナジウム0.01〜0.10
％及びアルミニウム0.01〜0.10％の少なくとも
１種とチタン0.01〜0.10％、 (ハ) ニオブ0.01〜0.10％及びバナジウム0.01〜
0.10％の少なくとも１種とアルミニウム0.01〜
0.10％のいずれかを含み、残部鉄及び不純物元素からな
る、水素はくり抵抗性のすぐれた高温高圧圧力容
器用低合金鋼に存する。本発明鋼は通常、塩基性電気炉にて溶解して造
塊し、得られた鋼塊を鍛造または圧延後、熱処理
の工程を経て製造される。以下実施例１〜11によつて本発明を具体的に説
明する。第２表は本発明に係る２1/4Cr−1Mo鋼母材並
びに比較のための通常の２1/4Cr−1Mo鋼母材の
化学成分を示したものである。これら本発明に係
る母材並びに比較例母材を通常の熱処理を実施
後、市販のタイプ309ステンレス鋼帯状電極（厚
さ0.4mm、巾75mm）を用いて第３表に示す溶接条
〓〓〓〓
件によりオーバレイ溶接を行い、その断面のオー
バレイ金属粗粒オーステナイトの単位当りの個数
を測定すると共にその試験材の一部ではくり試験
を行い、第４表に示す結果を得た。

【表】

【表】〓〓〓〓
これらの結果からわかるように本発明による母
材を用いることにより粗粒オーステナイトの発生
個数は３個／mm以下に押えることが可能であり、
すぐれた剥離抵抗性を有するオーバレイ溶接部が
得られることがわかる。次に本発明において使用する母材の成分範囲の
限定理由を説明する。文中に％とあるのはいずれ
も重量％である。炭素は低合金材料の引張強度、クリープ破断強
度を増大させるのに有効な元素であり、その効果
を得るためには0.05％以上を必要とするが、反
面、炭素含有量の増加は溶接性、特に低温割れ及
びSR割れ感受性を増大させ、さらに衝撃靭性、
クリープ破断強度を共に減少させる作用を有する
ので、0.25％を上限とした。けい素は鉄鋼材料の精錬過程で脱酸剤として用
いられ、また強度増加、焼入性増大に有効な元素
である。しかし0.50％を越えて含有させると非金
属介在物（SiO₂）として存在することが多くな
り、衝撃靭性を低下させる。マンガンはけい素と同様、脱酸剤の作用を有
し、また焼入性を向上させるがその効果は0.30％
以上で認められる。反面、1.00％を越えて含有さ
せるとMnS或はMnOなどの非金属介在物として
存在するようになり、衝撃靭性を低下させる。ニツケルは焼入性を向上させ、かつ低温靭性を
向上させるが、反面、高温クリープ破断強度を大
きく低下させる作用をするから0.50％以下とする
必要がある。クロムは高温材料において耐酸化性を高めるの
に必要な元素であり、焼入性を向上させ、また炭
化物を形成し、クリープ破断強度を増加させる作
用を有する。このためには1.00％以上のクロム含
有量を必要とするが、これが3.50％を越えると固
溶炭素含有量を減少させ、かつ炭化物の粗大化が
生じ、クリープ破断強度を逆に低下させるので、
1.00％〜3.50％の範囲が最も適当である。モリブデンはフエライト・マトリツクスに固溶
し、クリープ破断強度を増大させ、また炭素と結
合して炭化物を形成し、クリープ破断強度を増大
させる作用を有し、このためにはモリブデンを
0.50％以上含有することが必要である。しかし、
このモリブデンによる破断強度の増加作用は低合
金鋼において1.50％を越えるとほぼ飽和に達し、
またモリブデンは高価であることから0.50〜1.50
％とした。チタンには母材の結晶粒を微細化させる効果が
あるが、0.10％を越えて含有させると溶接後熱処
理により二次酸化を生じ、その結果、延性及び衝
撃靭性が低下する。0.01％未満の含有量ではその
効果はほとんど得られない。以上の理由によりそ
の含有量を0.01〜0.01％とした。ニオブは母材の結晶粒を微細化させる効果があ
るが、0.01％未満の含有量ではその効果はほとん
どなく、一方、0.10％を越えて含有させると衝撃
靭性が低下する。従つてニオブの含有量は0.01〜
0.10％の範囲とした。バナジウムには母材の結晶粒を微細化させる効
果があるが、0.01％未満の含有量ではその効果は
ほとんどなく、一方、0.10％を越えて含有させる
と溶接後熱処理により二次硬化が生じ、特にCr
−Mo系鋼においては著しくSR割れ感受性を高め
る。以上の理由でその含有量を0.01〜1.00％の範
囲に限定した。アルミニウムには結晶粒を微細化させる効果が
あるが、0.01％未満の含有量ではその効果は少な
い。一方、0.10％を越えて含有させると非金属介
在物（Al₂O₃）が多く発生し、延性及び衝撃靭性
が低下する。以下の理由でその含有量を0.01〜
0.10％の範囲に限定した。なお、ここに記載の実施例ではタイプ309ステ
ンレス鋼のオーバレイ溶接部について説明した
が、オーバレイ材料としてタイプ347或はタイプ
316などのステンレス鋼を用いてオーバレイ溶接
した場合も同様の効果が得られることを確認して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高温高圧水素環境下で使用された圧力
容器内面ステンレスオーバレイ溶接部に発生した
はくり発生状況を示す模式図、第２図は第１図で
示したオーバレイ溶接部のはくり割れ発生部の断
面の顕微鏡写真、第３図は単位長さ当りの粗粒オ
ーステナイトの個数とはくり抵抗性との関係を示
す説明図である。図中：１……圧力容器胴部母
材、２……初層ステンレスオーバレイ金属、３…
…２層目ステンレスオーバレイ金属、４……炭化
物層、５……はくり割れ。〓〓〓〓

Claims

【特許請求の範囲】１重量％として炭素0.05〜0.25％、けい素0.50
％以下、マンガン0.30〜1.00％、ニツケル0.50％
以下、クロム1.00〜3.50％、モリブデン0.50〜
1.50％、及び (イ) チタン0.01〜0.10％、 (ロ) ニオブ0.01〜0.10％、バナジウム0.01〜0.10
％及びアルミニウム0.01〜0.10％の少なくとも
１種とチタン0.01〜0.10％、 (ハ) ニオブ0.01〜0.10％及びバナジウム0.01〜
0.10％の少なくとも１種とアルミニウム0.01〜
0.10％のいずれかを含み、残部鉄及び不純物元素からな
る、水素はくり抵抗性のすぐれた高温高圧圧力容
器用低合金鋼。