321 ステンレス鋼のクリープ データ: 製油所での長期の-高温-パフォーマンス

製油所では、業界で最も要求の厳しい高温設備が稼働しています。{0}ヒーター チューブ、改質器配管、熱交換器は日常的に 425 ～ 870 度の温度にさらされます。このような状況では、間違った材料を選択しても効率が低下するわけではありません -。安全性、法規制への準拠、および数-百万ドル-かかる機器の寿命が問題です。

321ステンレス鋼(UNS S32100)は、粒界腐食に耐性を持ち、標準の 304 ステンレス鋼が破損する温度範囲でクリープ強度を維持するように特別に設計されたチタン安定化オーステナイト グレードです。{0}この記事では、応力破断強度、1% クリープ限界、ASME 許容応力、および比較性能を含む 321 ステンレス鋼の統合クリープ データ - を紹介し、エンジニアや調達管理者が長期の製油所サービスに向けて情報に基づいた材料の決定を行うのに役立ちます。-。

321 ステンレス鋼とは何ですか? なぜチタンで安定化されるのですか?

化学組成と安定化メカニズム。321 belongs to the 18-8 austenitic family - the same base composition as 304 stainless steel - but with a critical addition: titanium. The titanium content must be at least five times the carbon content (Ti >= 5xC) を使用して完全な安定化を実現します。この要件は、ASTM A276、ASTM A479、および ASTM A240 規格で指定されています。

標準的な 304 ステンレス鋼では、425 ～ 815 ℃ の温度に長時間さらされると、炭化クロム (Cr23C6) が粒界に析出します。これにより周囲の金属からクロムが枯渇し、粒界腐食を受けやすいゾーンが形成されます。 321 では、チタンは炭素と優先的に結合して、境界ではなく粒子全体にランダムに分布した炭化チタン (TiC) を形成します -。クロムは溶液中に残り、不動態酸化層はそのまま残ります。

実用的な意味。この安定化により、321 は溶接後熱処理 (PWHT) を行わずに炭化物析出範囲で溶接して使用できるようになります。-溶接アセンブリの大規模な溶体化焼き鈍しが現実的でないことが多い製油所にとって、この特性は単に有利であるだけではなく、設計要件でもあります。-

出典: ASTM A276/A276M-23 (ステンレス鋼棒および形状の標準仕様)。 ATI 321/347/348 テクニカル データ シート; Carpenter Technology CarTech 321 ステンレス データシート。

製油所サービスにおいてクリープが重要なのはなぜですか?

意味。クリープとは、高温で持続的な応力下で金属がゆっくりと永久に変形することです。突然の故障とは異なり、クリープは何年にもわたって静かに進行します。このプロセスは次の 3 つの段階で行われます。

一次クリープ:材料は急速に変形しますが、ひずみ硬化がさらなる変形に抵抗するため、速度は減少します。

二次（定常状態）クリープ:変形速度はほぼ一定になります - これは最も長い段階であり、ほとんどの工学設計データの基礎となります。

三次クリープ:変形が急速に加速し、ネッキングや破断につながります。設計では、コンポーネントがこの段階に入らないようにする必要があります。

降伏強度だけではなぜ不十分なのか。製油所のヒーター チューブ、改質器配管、熱交換器バンドルは、内部圧力下で 538-870 ℃で日常的に動作します。これらの温度では、金属の降伏強度はもはやクリープ強度の制限要素ではありません。-。設計でクリープが考慮されていない場合、周囲温度で静水圧試験に合格したチューブでも、10 ～ 15 年間高温で使用した後でも故障する可能性があります。

高校-レベルのたとえ。-専門家以外のための例え: プラスチックの定規を曲げて所定の位置に保持することを想像してください。折れることはありませんが、時間の経過とともに徐々に永久硬化し、真っ直ぐに戻ることはありません。製油所の温度では、鋼は持続的な荷重下でも同様に動作します - ゆっくりと伸び、薄くなり、最終的には破断します。

出典: ASME ボイラーおよび圧力容器コード、セクション VIII ディビジョン 1 (2023 年版)。 ScienceDirect - 耐性合金 (製油所材料参照)。

321 ステンレス鋼の主なクリープ特性は何ですか?

次の表は、ASME セクション II-D (2023)、ATI テクニカル データ シート、Carpenter Technology データシート、業界で公開されているクリープ曲線など、複数の信頼できるソースからのクリープ データを統合したものです。値は焼きなまし状態の材料を表します。

表 1. 321 ステンレス鋼の平均クリープ破断応力 (MPa)

表 2. 321 ステンレス鋼に 1% のクリープを発生させる応力 (MPa)

重要な洞察。データは明らかな傾向を示しています。550 ℃を超えて 50 ℃上昇するごとに、クリープ破断強度は約 40-50% 低下します。 700 ℃では、100,000- 時間の破断応力はわずか 15 MPa に低下します。つまり、この温度で 20 年の寿命を想定して設計されたチューブには、かなり厚い壁または高級合金が必要になります。

出典: ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II-D (2023); ATI 321/347/348 テクニカル データ シート; Carpenter Technology CarTech 321 データシート; Corten Steels 合金 321 データシート。値は溶体化処理された材料の典型的な値であり、規格に準拠した設計については認定ミル テスト レポート (MTR) で検証する必要があります。-

321 ステンレス鋼は高温において 304、316、および 347 とどのように比較されますか?

表 3. 100,000 時間におけるクリープ破断強度の比較 (MPa)

321対304/304L。304 および 304L は、ベースラインのオーステナイトグレードです。これらには安定化が欠けているため、425 ～ 815 ℃の範囲に長時間さらされると、炭化クロムの析出と粒界腐食が発生します. 304L の低炭素 (<=0.03%) slows sensitization but also reduces creep strength - ASME limits 304L to 425 degrees C (800 degrees F) for code applications. 321, with titanium stabilization, is rated to 816 degrees C (1500 degrees F).

321対316/316L。316 には 2-3% モリブデンが添加されており、塩化物環境における孔食や隙間腐食に対する耐性が向上します。ただし、モリブデンはチタン安定化と比較してクリープ強度を大幅に改善しません。塩化物への曝露よりも熱サイクルが主な製油所サービスの場合は、321 が推奨されます。塩化物腐食が主な懸念事項である場合 (海水冷却熱交換器など)、316 がより良い選択となります。

321対347。347は安定化のためにチタンの代わりにニオブ（コロンビウム）を使用しています。 650 ℃を超える温度では、347 は 321 よりも 10-20% 高いクリープ破断強度を提供し、炭化ニオブは非常に高い温度でより安定です。ただし、321 は深絞り部品の成形性が優れており、通常は 10 ～ 20% 安価です。 650 ℃ 未満の製油所ヒーター チューブの場合、321 が現実的な選択です。 650℃を超える過熱管の場合は、347 または 321H を指定できます。

出典: ASME Section II-D (2023) 許容応力表。 ATI 321/347/348 テクニカル データ シート;ニッケル協会出版物 9004 (ステンレス鋼の高温特性)。-

321 は製油所で使用できる最大使用温度をどれくらいまで維持できますか?

環境への配慮。これらの温度制限は酸化環境を想定しています。製油所での使用では、還元条件下の硫黄含有ガスにより、オーステナイト系ステンレス鋼への攻撃が大幅に加速される可能性があります。{1} 650 ℃を超える温度の H2S または SO2 を含む環境では、321 を指定する前にパイロット テストを行うことが推奨されており、より高級なニッケル合金が必要になる場合があります。-

出典: AZoM - ステンレス鋼の高温耐性 (ASM 金属ハンドブック参照)。カルペンテr テクノロジー CarTech 321 データシート; ATI 321/347/348 テクニカル データ シート。

Creep サービスのために 321 から 321H にアップグレードする必要があるのはいつですか?

冶金学的根拠。321H に含まれる炭素量が多いと、炭化物の析出強化によってクリープ強度が向上します。- 溶解した炭素は微細な炭化物を形成し、これが粒界を固定し、重要なクリープ機構である粒子の滑りに抵抗します。粗粒度 (ASTM 粒度 7 以上、より少ない、より大きな粒を意味します) は、クリープ耐性をさらに高めます。これは、製油所の温度では粒界滑りが主要なクリープメカニズムであるためです。

調達の推奨事項。将来のサービス要件が不明な場合は、321/321H デュアル-認定品を注文してください。二重認証とは、熱が 321 (C) の両方を満たすことを意味します。<= 0.08%) and 321H (C = 0.04-0.10%, grain size ASTM 7+) specifications. The MTR must explicitly state the grain size and solution-annealing temperature (>=1038 ℃）は 321H ASME 許容値に適合します。

API 530 の考慮事項。API 530 (製油所におけるヒーター チューブの厚さの計算) では、ヒーター チューブのクリープ-破断-に基づいた設計が必要です。チューブの設計温度が 538 ℃ を超え、コンポーネントに構造的負荷 (圧力または重量) がかかる場合は、321H が必須です。 321- グレードのコンポーネントに重大な負荷がかからずに高温腐食保護のみが必要な場合 (炉のライニングなど)、標準の 321 で十分です。

出典: ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II-D (2023); API 530 (石油精製所におけるヒーターチューブの厚さの計算); 321/321H デュアル認証に関する業界調達ガイドライン。

321 ステンレス鋼を一般的に使用する製油所のコンポーネントは何ですか?

サワーサービス資格。321 はサワーサービス向けに NACE MR0175/ISO 15156 の承認も受けており、H2S が存在する製油所環境に適しています。高温クリープとサワーサービス - の両方に対するこの二重認定 - が、321 が下流精製における主力グレードである主な理由です。

出典: ScienceDirect - 耐性合金 (製油所のオーステナイト系ステンレス鋼用途)。 NACE MR0175/ISO 15156 (サワーサービス資格); Tesco Steel 321/321H フランジのデータシート。

ASME コードの 321 許容応力は製油所の設計をどのようにサポートしていますか?

表 4. ASME セクション II-D (2023) 321 ステンレス鋼の許容応力

許容応力度の導出方法。約 538 ℃ 未満では、許容応力は降伏強度を安全率で割った値、または引張強度を安全率で割った値の低い方によって決まります。 538 ℃を超えると、クリープが支配メカニズムとなり、許容応力はクリープ破断データから導出されます。- 通常、コード セクションに応じて、100,000 時間の破断強度を約 1.5 ～ 3.0 の安全率で割った値です。この移行点が、538 ℃を超える温度で 321H (クリープ強度が高い) が重要になる理由です。

デザインアプリケーション。ASME B31.3 プロセス配管の場合も、同様の許容応力が適用されます。設計者は、標準肉厚の式で次の値を使用します: t=P x D / (2S + 2P)。ここで、P は設計圧力、D は外径、S は設計温度での許容応力です。温度が上昇し、S が低下すると、肉厚は比例して増加する必要があります -、またはより高グレードの合金を選択する必要があります。-。

出典: ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II-D (2023 年版)、表 1A (オーステナイト系ステンレス鋼)。 ASME B31.3 プロセス配管コード。

製油所サービスにおける 321 の溶接と製造のベスト プラクティスは何ですか?

フィラー金属の選択:ER347 (安定化ニオブ-) は、321 卑金属の標準フィラーです。 ER321 フィラーのチタンは溶接中に酸化しやすいため、安定性が不安定になります。 ER347 は、溶接溶着物に信頼性の高い耐酸化性の安定化をもたらします。-

PWHTは必要ありません:321 では、耐粒界腐食性のための溶接後の溶体化焼きなましは必要ありません。-これは、耐食性を回復するために重い部分の溶接後に PWHT を必要とする 304 よりも優れている主な利点です。

入熱制御：パス間温度を 150 ℃ 未満に保ち、入熱を最小限に抑えるために幅広織りビーズではなくストリンガー ビーズを使用します。過剰な入熱により、HAZ 内の鋭敏化ゾーンが広がります。

手続き資格:溶接手順を ASME セクション IX に準拠させる。 538 ℃を超える高温使用の場合、追加の必須変数として溶接部のクリープ破断試験が必要になる場合があります。-

溶接後の洗浄:{0}溶接後、研削または酸洗によりスラグ、酸化物、ヒートティントをすべて除去します。オーステナイト系ステンレス鋼のヒートティントにより、影響を受けた領域の耐食性が低下します。

冷間加工と硬化。321 は冷間加工のみによる熱処理 - では硬化できません。より高い強度が必要な製油所のコンポーネントの場合、冷間引抜棒または板を指定できますが、設計者は延性の低下を考慮し、冷間加工によって使用温度でのクリープ性能が損なわれないことを確認する必要があります（応力緩和が発生する可能性があります）。

出典: ATI 321/347/348 テクニカル データ シート (溶接に関する推奨事項)。 AWS A5.9 (裸溶接電極); Tesco Steel 321/321H フランジのテクニカル ガイド; ASME セクション IX (溶接手順の資格)。

長期の熱老化は 321 ステンレス鋼にどのような影響を与えますか?{0}

シグマ-相脆化。Sigma phase is a hard, brittle intermetallic compound (FeCr) that can form in austenitic stainless steels during long exposure to temperatures between 590 and 870 degrees C. Grade 304 is nearly immune due to its lower chromium content. Grade 321 is less susceptible than 310 or 316 because titanium restricts chromium mobility, but very long exposures (>50,000 hours at >650℃）でも沈殿が発生する可能性があります。シグマ-相の脆化が検出された場合は、最低 1038 ℃で再焼きなましを行うことで解消できます-。ただし、これは稼働中の製油所装置では現実的ではありません。-

検査の推奨事項。設計寿命に近づいている製油所コンポーネントの場合、推奨される NDE には、超音波厚さ測定 (クリープ減肉を追跡するため)、表面複製 (粒界でのクリープ キャビテーションを検出するため)、および硬度試験 (硬度を増加させるシグマ-相脆化を検出するため) が含まれます。 API 530 および API 573 は、加熱ヒーター チューブの評価と残寿命の計算に関するガイダンスを提供します。

出典: AZoM - ステンレス鋼の高温耐性。 API 530 (ヒーターチューブの厚さ); API 573 (加熱ヒーター検査); NACE MR0103 (製油所材料規格)。

よくある質問

321 ステンレス鋼の 600 ℃におけるクリープ破断強度はどれくらいですか?

321 ステンレス鋼の 600 ℃における 100,000- 時間のクリープ破断強度は約 90 MPa です。 10000時間では約130MPa、1000時間では約180MPaとなります。これらの値は溶体化処理された材料を想定しており、規格に準拠した設計について認定された製造試験レポートと照合して検証する必要があります。{14}

321 ステンレス鋼は 800 ℃ 以上で使用できますか?

321 ステンレス鋼は、耐酸化性のために最大 900 ℃ (1650 °F) まで断続的に使用できます。ただし、ASME コード圧力-に耐えるアプリケーションの場合、最大使用温度は 816 ℃ (1500 °F) です。 800 度を超えると、クリープ破断強度は 100,000 時間で約 5 MPa に低下します。継続的な耐荷重サービスには、310S などの高級合金やニッケル-合金（インコネル 600 など）が推奨されます。-

321 ステンレス鋼と 321H ステンレス鋼の違いは何ですか?

321H (UNS S32109) はより高い炭素含有量 (0.04 ～ 0.10% 対<=0.08% for standard 321) and requires a coarse grain size (ASTM 7 or coarser). These differences provide 10-20% higher creep rupture strength above 538 degrees C. 321H is qualified for ASME Section I (power boilers) and Section VIII Division 2, while standard 321 is limited to Section VIII Division 1. Order dual-certified 321/321H material when uncertain about future requirements.

321 ステンレス鋼は製油所でのサワーサービスに適していますか?

はい. 321 ステンレス鋼はサワーサービス向けに NACE MR0175/ISO 15156 の承認を受けており、硫化水素 (H2S) が存在する製油所環境に適しています。高温クリープ強度、粒界耐食性、サワーサービス認定の組み合わせが、下流精製、特に水素化脱硫装置、アミン装置、硫黄回収装置で広く指定されている主な理由です。

高温製油所サービスには 321 または 347 を選択する必要がありますか?-

費用対効果と成形性が優先される 650 ℃ 未満の製油所サービスには 321 を選択してください。-最大のクリープ強度が重要となる 650 ℃ を超える温度での使用や、チタンの活性化を回避する必要がある原子力環境では、347 を選択してください。どちらのグレードもチタン/ニオブ-で安定化されており、425 ～ 870 ℃ の範囲で粒界腐食に耐性がありますが、347 は 10 ～ 20% 高い価格で 10 ～ 20% 高いクリープ破断強度を提供します。

結論

425-870 ℃の範囲で製油所サービス用の材料を指定するエンジニアや調達管理者にとって、321 ステンレス鋼は実証済みの、規格に準拠した費用対効果の高いソリューションを提供します。-重要な決定点は単純です。538 ℃ 未満では標準 321 を使用します。持続的な負荷の下で 538 ℃ 以上で 321H にアップグレードします。最大クリープ強度については、650 ℃を超える温度を考慮してください。 900 ℃を超える温度では 310S またはニッケル合金にステップアップします。

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