ケミカルタンカーは、世界の船舶の中で最も技術が要求される船舶の 1 つです。彼らは、食品グレードの植物油-から工業用酸や有毒な石油化学製品に至るまで、数百もの異なる貨物 - を、連続したタンク運用を通じて同じ船で運ぶことがよくあります。-。腐食による貨物格納容器の破損は、単なる経済的損失ではありません。それは環境と安全に関わる大惨事です。
IMO IBC コード (危険な化学物質をバルクで輸送する船舶の構造および設備に関する国際規定) では、貨物タンクをリストに記載されている化学物質と互換性のある材料で構築することが義務付けられています。このため、船舶設計者は、圧倒的多数の化学貨物に適した構造材料および耐食材料としてステンレス鋼を選択するようになりました。-
ステンレス鋼ファミリー内では、造船現場では 2 つのグレードが支配的です。
• 316L (UNS S31603、EN 1.4404): オーステナイト系の主力グレードで、溶接性、靭性、および幅広い化学的適合性で高く評価されています。
• Duplex 2205 (UNS S32205、EN 1.4462): 316L と比較して、約 2 倍の降伏強度と、孔食および応力腐食割れに対する著しく優れた耐性を備えた二相 (オーステナイト + フェライト) グレードです。
間違ったグレードを選択すると、早期交換、オフレンタル時間、規制上の罰則などで数百万ドルのコストがかかります。{0}}この記事では、エンジニア、造船設計者、調達担当者が防御可能な証拠に基づいた意思決定を行えるように、7 つの重要な側面にわたるパフォーマンスのギャップを定量化します。-
合金を理解する: 冶金学的背景
316L - オーステナイト系ステンレス鋼
316Lは、炭素を最大 0.030% に制限した 18% Cr-12% Ni-2.3% Mo オーステナイト系ステンレス鋼です。 「L」指定 (低炭素) は、溶接部が粒界腐食を受けやすくなる、粒界での炭化クロム析出の一形態である鋭敏化 - を抑制します。モリブデンの添加により、耐孔食性当量（PRE）が約 24 ～ 26 に上昇し、低級ステンレス鋼を急速に破壊する多くの工業用化学薬品をこのグレードで処理できるようになります。-
完全にオーステナイト系の微細構造により、316L には優れた延性、極低温 (-196 度まで) での靭性、および磁気的中立性が与えられます。これらの特性と、成熟してよく理解された溶接手順とを組み合わせることで、316L が化学プロセス業界全体のデフォルト仕様となっています。-
二相鋼 2205 - 二相ステンレス鋼
デュプレックス 220522% Cr-5% Ni-3% Mo-0.17% N 二相ステンレス鋼です。その名前は、その微細構造におけるオーステナイト相とフェライト相のほぼ等しい混合物 (約 50/50) を指します。この二相構造-は、単相合金では達成できない特性をもたらします。オーステナイト相は耐食性と靱性に寄与し、フェライト相は高い強度と塩化物環境における応力腐食割れ（SCC）に対する耐性をもたらします。
2205 年の窒素添加は特に重要です。窒素はオーステナイト相を安定化し、標準 PRE 式に従って PRE を約 16 × [%N] 増加させ、降伏強度と引張強度の両方を高めます。その結果、PRE は 34–36 - となり、2205 社が海水と塩化物サービスの「優れた」カテゴリーにしっかりと位置づけられる数字です。
プレフォーミュラ:PRE=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N (ASTM G48 ベース)。 PRE が高いほど、= 耐孔食性が向上します。一般に PRE > 32 は海水耐性があると考えられています。
化学組成の比較
表 1 は、ケミカルタンカー建造で最もよく参照される 2 つの製品規格である ASTM A240 (プレート) および ASTM A276 (バー) に規定されている 316L および Duplex 2205 の認定化学組成範囲を示しています。すべての値は重量パーセント (wt%) です。
| 要素/プロパティ | 316L (重量%) | デュプレックス 2205 (重量%) | ASTM規格 | 316L 特典 | 2205 特典 |
| クロム(Cr) | 16.0–18.0
| 21.0–23.0
| A240 / A276
| -
| 高い耐孔食性
|
| ニッケル(Ni) | 10.0–14.0
| 4.5–6.5
| A240 / A276
| 延性と靭性
| 低コスト
|
| モリブデン(Mo) | 2.0–3.0
| 2.5–3.5
| A240 / A276
| -
| 優れた耐塩化物性
|
| 窒素(N) | 0.10以下
| 0.14–0.20
| A240 / A276
| -
| 強度 + 腐食ブースト
|
| カーボン(C) | 0.030以下
| 0.030以下
| A240 / A276
| 低感作性
| 低感作性
|
| マンガン(Mn) | 2.0以下
| 2.0以下
| A240 / A276
| 同等
| 同等
|
| PRE番号* | ~24–26
| ~34–36
| ネイス MR0175
| -
| 優れた耐孔食性
|
表 1: 316L および Duplex 2205 の化学組成 |出典: ASTM A240/A240M-23 および ASTM A276/A276M-23、ASTM International; NACE MR0175/ISO 15156-3
機械的特性: 強度、延性、靭性
貨物タンクの構造は、静的な液体圧力、動的なスロッシング荷重、荒海での船体の屈曲、さらに加圧タンクの場合は内部動作圧力に耐える必要があります。したがって、選択した材料の機械的特性プロファイルによって壁の厚さと構造重量が直接決まります -。どちらもコストに重大な影響を及ぼします。
| 財産 | 316L（プレート・バー） | デュプレックス 2205 (プレート/バー) | 試験規格 | アドバンテージ |
| 降伏強さ(MPa) | 170–310
| 450–515
| ASTM E8/E8M
| 2205 (2倍強力)
|
| 引張強さ(MPa) | 485–620
| 655–800
| ASTM E8/E8M
| 2205
|
| 破断伸び(%) | 40分
| 25分
| ASTM E8/E8M
| 316L (延性が高い)
|
| 硬度(HRC/HB) | 95 HRB / 217 HB 以下
| 31 HRC / 293 HB 以下
| ASTM E18 / E10
| 2205 (よりハード)
|
| 衝撃靱性(シャルピーJ) | ~150–200 @ 0 度
| ~80 ～ 120 @ 0 度
| ASTM A370
| 316L
|
| 弾性率 (GPa) | ~195
| ~200
| ASTM E111
| 同等
|
| 密度 (g/cm3) | 7.99
| 7.83
| ASTM B311
| 2205（ライター）
|
表 2: 室温での機械的特性 |-出典: ASTM A240/A240M-23 (プレート); ASTM A276/A276M-23 (バー); ASTM A370 (試験方法); ASM航空宇宙仕様金属
表 2 から得られる重要な点は、Duplex 2205 の 2 倍の降伏強度-の利点です。ASME セクション VIII に基づく圧力容器設計では、許容応力は降伏強度から直接導出されます。これは、2205 タンクの壁を、同じ圧力定格 - の同等の 316L タンクよりも約 40% 薄く設計できることを意味し、同時に材料の質量、溶接コスト、船体の重量を削減します。
-トレードオフは衝撃靱性です。316L は極低温で優れたシャルピー衝撃値を維持しますが、2205 は約 -50 度以下でフェライト相で延性から脆性への転移を示します。-このため、極低温貨物タンク (LNG、液体窒素、液体酸素) には 316L が必須の選択肢となります。
耐食性
ケミカル タンカーのサービスでは、腐食が寿命を制限する主な故障メカニズムです。{0}}ステンレス鋼グレードの選択は、対象となる貨物および動作環境に関連する特定の腐食メカニズムに基づいて行う必要があります。表 3 は、6 つの腐食メカニズムにわたる性能を比較しています。
| 腐食の種類 | 316L 定格 | 2205 評価 | テスト/リファレンス | 重要な観察 |
| 孔食 (PRE) | 24–26
| 34–36
| ISO 11463 / NACE TM0169
| 2205 が大幅に優れている
|
| 隙間腐食 (CPT) | ~10度CPT
| ~40度CPT
| ASTM G48-C
| 2205 は熱ブラインで使用することをお勧めします
|
| 応力腐食割れ（SCC） | 60℃以上で感受性⁻
| 耐性（フェライト相）
| ISO 6957 / ASTM G36
| 2205 非常に好ましい
|
| 一般的な腐食 (酸) | 希H₂SO₄、HNO₃に適しています
| 中程度の酸の方が良い
| ASTM G31
| コンテキスト-に依存
|
| 粒界腐食 | 低（L-グレード < 0.030 C）
| 非常に低い
| ASTM A262 Pr. E
| どちらも許容可能
|
| 海水中の塩化物孔食 | 周囲環境では中程度のリスク
| ～40度までは低リスク
| DNV-RP-0034
| 海洋環境向けの 2205
|
表 3: 腐食性能の比較 |出典: ISO 11463 (孔食評価)。 ASTM G48-C (隙間腐食、CPT); ASTM G36 / ISO 6957 (沸騰 MgCl₂ 中の SCC); ASTM G31 (一般腐食); ASTM A262 プラクティス E (粒界); DNV 推奨実践 RP-0034 (2021)
応力腐食割れ（SCC）
SCC はおそらく、海洋環境におけるオーステナイト系ステンレス鋼の最も危険な破損モードです。この現象は、引張応力 (溶接または操作負荷による残留)、影響を受けやすい微細構造 (オーステナイト)、および腐食環境 (高温の塩化物) の 3 つの条件が同時に存在する場合に発生します。
316L は、約 60 度 - を超える塩化物溶液中で SCC を起こす可能性があります。この温度は、粘性のある石油化学製品を運ぶ加熱された貨物タンクや貨物加熱コイルの近接ゾーン内で日常的に到達する温度です。 Duplex 2205 のフェライト相は SCC 亀裂の伝播を遮断し、2205 をほとんどの実際の海洋条件においてこの故障モードに対して高度に耐性にします。
海水中での孔食
ケミカルタンカーは海水環境で継続的に運航されます。タンクの外部表面、バラストタンク、および海水にさらされるあらゆる表面は、塩化物による孔食の影響を受けます。 PRE ギャップ (316L: 24 ～ 26 対 . 2205: 34 ～ 36) は、2205 の劇的に高い臨界孔食温度 (CPT) に直接変換されます。ASTM G48 テストでは、2205 が海水中での耐孔食性を約 40 度に維持することが確認されています。- は、同等の条件下で 316L の閾値である約 10 度をはるかに上回っています。
よくある質問
Q1: Duplex 2205 は常に 316L より高価ですか?
-キログラムあたりの原材料費に基づくと、- はい、- 2205 には通常 20～40% のプレミアムがかかります。ただし、降伏強度が高いということは、同等の構造性能を得るために必要な材料の重量が少なくなることを意味します。より長い耐用年数とメンテナンスの軽減を組み合わせると、2205 の 20 年間 LCC は、要求の厳しい用途では 316L よりも低くなることがよくあります。
Q2: 316L と 2205 を同じタンク内で溶接できますか?
はい、316L と 2205 の間の異種金属溶接は、2 つの合金間の組成上の橋渡しとなる 2209 二相溶加材を使用することで技術的に実現可能です。ただし、このアプローチには、電気的適合性と熱影響部の特性についての慎重な工学的評価が必要です。-ほとんどの造船設計者は、可能な限り混合合金戦車を避けます。{6}
Q3: 化学サービスにおける 2205 の最高温度は何度ですか?
Duplex 2205 は、通常、315 度 (600 度 F) を超える温度で連続使用しないでください。これは、フェライト相が 475 度で脆化し、高温でシグマ-相が析出しやすくなるからです。. 316L は、酸化性雰囲気での連続使用限界が約 870 度です。
Q4: 船級協会は 2 つの等級をどのように異なる扱いをしますか?
船級協会 (DNV、ロイズ レジスター、ビューロー ベリタス、ABS) は、それぞれの規則に基づいてカーゴ タンクの使用について両グレードを承認しています。ただし、二相ステンレス鋼の場合は、特に二相合金に適した溶接手順仕様書 (WPS) および手順認定記録 (PQR) の提出が必要です。一部の学会では、二重溶接において追加の NDT (非破壊検査) を要求しています。-
Q5: 最も一般的な貨物について、IBC コード第 17 章で指定されているグレードはどれですか?
IBC コードは通常、316L または 2205 を名前で指定しませんが、最小タンク タイプ (1G、1P、2G、2P、3) と材料の互換性 (例: 「ステンレス鋼が必要」または「タイプ 316 または同等品」) を規定しています。次に、オペレーターと設計者は、業界の表または独立した腐食試験を通じて、選択したグレードが特定の貨物ごとの腐食性能要件を満たしていることを確認する必要があります。
