炭素鋼パイプ、フランジ、継手の脆性破壊を防ぐためのベストプラクティス

ボーイクピーシー/アンサンブル/ゲッティイメージズ

編集者注: この記事は、「延性スプール コンポーネントの故障の原因と治療法」および「ASME がパイプ、継手、フランジのテスト要件をレビュー」の続編です。

従来の合金は、金属が医療機器用や海洋製品用のステンレス鋼であっても、金属製造において標準的な役割を果たしています。 過去数十年にわたって自動車産業向けに開発された高性能鋼のいずれか。 または、アルミニウムやチタンなどの金属は、高い強度重量比と高い耐食性を備えているため、航空宇宙、精製所、化学処理用途に特に適しています。

一部の炭素鋼合金、特に特定の量の炭素とマンガンを含む合金も同様です。 これらの中には、合金元素の量に応じて、化学処理プラントや製油所用のフランジ、継手、パイプの製造に使用するのに適したものもあります。 すべてに 1 つの共通の特性があります。これらの用途に使用される材料は、脆性破壊や応力腐食割れ (SCC) に耐えるのに十分な延性を備えていなければなりません。

米国製造技術者協会 (ASME) や ASTM Intl などの標準化団体。 (以前は米国試験材料協会として知られていました) がこの問題に関するガイダンスを提供しています。 ASME ボイラーおよび圧力容器コード (BPVD) セクション VIII、ディビジョン 1 および ASME B31.3、プロセス配管の 2 つの関連業界規定では、炭素鋼 (0.29% ～ 0.54% の炭素と 0.60% ～ 1.65% のマンガンを含む鉄材料) を考慮しています。暑い気候、穏やかな地域、および気温が-20°F にも達する地域での使用に十分な延性を備えています。しかし、最近の周囲温度での故障により、使用されるさまざまな微粒子元素の量と比率についてより厳密な精査が行われるようになりました。フランジ、継手、パイプなどの製造に。

最近まで、ASME も ASTM も、華氏マイナス 20 度という低い温度で使用される多くの炭素鋼製品の延性挙動を確認するための衝撃試験を要求していませんでした。特定の製品を免除する決定は、材料の歴史的特性に基づいていました。 たとえば、壁厚が 1/2 インチ (25 mm) 以下の A105 フランジ、A234-WPB 継手、A106 グレード B 炭素鋼パイプなどの炭素鋼製品は、最低設計金属温度 (MDMT) で使用される場合、 -20°F は、そのような用途における伝統的な役割のため、衝撃試験から免除されてきました。

ただし、歴史的に受け入れられてきたことや伝統的な応用が必ずしも永遠に続くわけではありません。 ASME VIII-1、UCS-66 の 2017 年改訂版の曲線 B に該当する一部の材料 (図 1 を参照) には、華氏 -20 度を超える温度での脆性破壊による破損の最近の記録があり、多くの場合、暖かい温度で。 したがって、これらは周囲温度、主に起動時、停止時、水圧試験時、および急速減圧 (自動冷凍) 時に脆性破壊の危険性があると考えられています。

0.18% ～ 0.23% の炭素を含む中炭素鋼の製造中に微量元素を意図的に添加することは、熱処理温度と処理時間を短縮することを目的としている可能性があります。 過去数十年にわたって使用されてきたこの技術は、A105 グレードのフランジ、A234-WPB 継手、および A106-B 炭素鋼パイプの脆性亀裂という予期せぬ結果をもたらしました。 この現象は周囲温度で発生することが知られています。

この問題は、SCC が発生しやすい材料が特定の使用条件で使用される場合に深刻になります。 National Association of Corrosion Engineers (NACE) MR0103 によれば、不適切な設計、加工 (切断、曲げ、溶接)、設置、または取り扱いにより、耐性のある材料が SCC の影響を受けやすくなる可能性があります。 腐食ピットなどの局所的なノッチに応力が集中すると、溶接部が SCC に対して脆弱になります。 外部応力がなくても、溶接による残留引張応力によって亀裂が発生することが知られています。 応力が緩和されていない溶接部や冷間加工されたコンポーネントは特に脆弱です。 仕様の熱処理、機械的、または化学的要件を満たしていないことは、冶金検査によってのみ検証できます。 溶接フランジの機械加工表面の欠陥は、体積測定による非破壊評価によってのみ検出できます。

EU はこの問題を認識し、関連する MDMT での衝撃試験を要求しています。 ASME は、これらの炭素鋼を図 UCS-66 に示されている衝撃試験免除曲線の曲線 A に再割り当てした際に、仕様 ASME BPVC VIII-I の 2019 年版でこの問題を認めました。

2019 バージョンでは、曲線 A 材料 (18 °F の MDMT で定格) には次のものが含まれます。

図 1. ASME UCS-66 に近似したこのチャートは、説明のみを目的としてここに表示されており、衝撃試験用の 4 つの温度関数を示しています。 合金が曲線 C に属するものとしてリストされ、その厚さが 3.5 インチ、MDMT が 60 である場合、その合金は曲線の上にあり、衝撃試験は必要ありません。 同様のアイテムの MDMT が 40 である場合、それは曲線を下回っており、衝撃テストが必要です。

これらの鋼は、図版 UCS-66 の注記に記載されている焼きならしや焼入れなどの追加処理を行うことで、曲線 B (-20 °F MDMT) に戻すことができます。

ASME BPVC VIII-I の 2019 年発行の図 UCS-66 では、曲線 B の材料 (-20 °F の MDMT で定格) には次のものが含まれます。

したがって、衝撃試験が不可能な場合、製造業者は脆性破壊や SCC を防ぐために、個々の材料の ASTM/ASME 仕様に記載されている管理限界で許可されている化学反応よりも厳しい化学反応を使用する必要があります (図 2 を参照)。

次の注記は追加の背景を提供します。

これらの予防措置を講じないと、炭素鋼の圧力コンポーネントは、たとえ 60 °F 以下で動作した場合でも、水圧試験中または動作中に脆性破壊を起こしやすい可能性があります。

鋼の化学組成が SCC 故障の主な原因であることがわかっているため、これらのベスト プラクティスを組み込むことは、ASME B31.3 に記載されている配管回路でこの故障モードを軽減し、おそらく排除するのに大いに役立ちます。 B31.1、B31.12、および同様の仕様。

図 2. 炭素鋼の応力腐食割れを防ぐためのベスト プラクティスには、鋼の化学的性質に対してこれらの管理限界を使用することが含まれます。