圧力容器に最適な材料の選び方：選択ガイド

圧力容器に適した材料を選択するにはどうすればよいですか: 選択ガイド

圧力容器に適した材料を選択するにはどうすればよいですか?使用条件から材料を次の順序で選択します。媒体の種類と腐食性、設計温度、塩化物と pH レベル、用途が研磨性かどうか、適用されるコードとコスト目標です。一般的なマッピングは、ドライ、クリーン、非腐食性のサービス向けの炭素鋼です。耐食性または衛生性が必要な場合は 304 または 316L ステンレス鋼。塩化物が存在する場合は常に 316L が推奨されます。高強度および約 300°C までの塩化物対応の二相ステンレス。攻撃的な酸にはハステロイやチタンなどの珍しい合金も使用できます。衛生的な用途や腐食性の高い用途では、ガラスがスチールまたはゴムでライニングされた容器が最もコスト効率が高くなります。これは、スチールが圧力を保持している間、不活性ライニングが化学的影響を受けないためです。材料は平均ではなく、最も信頼できる最悪の条件に基づいて選択され、計算された厚さに 1.5 ～ 3 mm の腐食許容値が追加されるため、容器は耐用年数が終了しても基準を満たすようになります。

1. 素材を決定する使用条件

5 つの条件を順番にチェックすると、選択肢がすぐに絞り込まれます。

• 媒体と腐食性:これは最初の主要なフィルターです。中程度の温度の清浄で乾燥した非腐食性ガスまたは炭化水素には、予想される全体腐食速度に対して腐食代が追加された、最もコストの低いオプションである炭素鋼が使用されます。水性、酸性、アルカリ性、またはハロゲン化物を含むものはすべてステンレス鋼に向かって押し出され、圧力ではなく腐食性によって材料が硬化します。炭素鋼および低合金鋼では 1.5 ～ 3 mm の腐食代が標準であるため、容器は耐用年数が終了してもコードの厚さが維持されます。ステンレス鋼は、適切な使用では腐食が無視できるため、ステンレス鋼なしで使用されることがよくありますが、それは使用が本当に適している場合に限られます。ルールは、最悪の信頼できる媒体に対して指定することです。平均的な化学反応に合わせて構築された容器は、最悪の流れが到着する場所で局所的に故障するためです。
• 温度とその限界:温度は、温度が上昇すると低下する許容応力と材料の上限の両方を設定します。炭素鋼は約 450°C まで使用できます。それを超えると、低合金鋼またはステンレスグレードが必要になります。 304 および 316L ステンレスは、約 800°C まで有効な強度を維持しますが、鋭敏化やスケールが発生します。二相ステンレスは、その二相微細構造がそれを超えると脆化する可能性があるため、約 300°C に制限されます。ハステロイとチタンは、アグレッシブでホットなサービスの可能性を広げます。極低温での使用は論理を逆転させます。炭素鋼は約 -20°C を下回ると脆くなり、低温グレードまたは靭性を維持するオーステナイト系ステンレスに置き換えられます。したがって、設計温度は応力テーブルと材料天井の 2 か所に表示され、2 つのうちの低い方が支配されます。
• 塩化物、pH、応力腐食割れ:塩化物はステンレス鋼の大敵であり、温度と濃度に依存するしきい値（304 では温度でおよそ数百 ppm、316L ではそれ以上）を超えると、塩化物応力腐食割れや孔食を引き起こします。塩化物が避けられず高温である場合、316L は脆弱であり、34 ～ 40 以上と同等の耐孔食性を持つ二相ステンレスまたはスーパーオーステナイトステンレスが指定されるか、容器がライニングされます。ゴムライニングまたはガラスをスチールに溶着した容器は、スチールと媒体の間に不活性バリアを置くことによって問題を完全に回避します。 pH も重要です。強酸性または腐食性の使用は鋼と一部の合金の両方を攻撃し、酸性使用で硫化物応力亀裂が発生する可能性がある場合には NACE MR0175 制限が適用されます。塩化物と pH を確認することで、紙の上では完璧でも、温かい汽水域で使用するとひび割れが発生するという、ステンレス容器の典型的な失敗を防ぐことができます。
• 摩耗、侵食および衛生:媒体に固体、砂、触媒、またはスラリーが含まれている場合、摩耗と侵食が底部、インペラ、排出物に影響を与えるため、接液経路には硬化または裏打ちされた表面、ゴムまたはセラミックの内張り、またはガラスと鋼を融合させた層、および安価な交換可能な摩耗部品が必要です。衛生は鏡像です。食品、製薬、飲料水のサービスには、滑らかで脱落のない認証可能な表面、0.8 マイクロメートル Ra 未満の電解研磨を施した 316L、または不活性のためにスチールにガラスを融着したものに加え、NSF/ANSI 61 または WRAS 認証が必要です。化学的には良好であっても、摩耗したり洗浄できない容器はその役割を果たさないことになるため、合金が完成する前にこれら 2 つの条件がチェックされます。

2. マテリアルのオプションとそれぞれをいつ使用するか

最終候補リストは短いです。選択は上記の条件に従います。

• 炭素鋼および低合金鋼:エアレシーバー、スチームドラム、塩化物を含まない炭化水素蒸気サービスなど、コストが重視される非腐食性の高温または高圧サービスのデフォルト。強度が高く、安価で、よく理解されており、コードが豊富で、厚肉の高圧容器をサポートする許容応力を備えています。弱点は腐食であるため、腐食代が追加され、容器は乾燥した状態に保たれるかコーティングされます。水性、酸性、または衛生的な用途には適していません。サワーサービス割れが発生する可能性がある場合は、NACE に従って特定の細粒、低硫黄グレードおよび溶接後の熱処理が指定されています。媒体が許容する場合は常に炭素鋼が勝ちます。それは単に、同じ圧力でより安価な代替品がないからです。
• ステンレス 304、316L および二相鋼:304 はエントリーステンレスで、軽度の腐食性または低塩化物での衛生的なサービスに使用されます。モリブデンを含む 316L は、耐食性、食品、製薬、海洋サービスの主力製品であり、塩化物が存在する場合は 304 よりも好まれます。約 25 ～ 35 に相当する耐孔食性は、中程度の温度までのほとんどの水性用途に対応しますが、高温の濃縮塩化物には適していません。 Duplex 2205 および Super Duplex は、約 2 倍の強度と 34 以上と同等の耐孔食性を備えているため、約 300°C の温度上限内での、塩化物が豊富な、高圧または重量に敏感な海水淡水化や海洋などの用途に最適です。これらのグレードは、コスト、耐食性、強度のバランスを考慮した実用的な中間グレードです。
• エキゾチック、ライニング、ガラス溶融鋼:極端な場合、ハステロイ C276 は約 650 °C までの酸化性酸に耐性があり、チタンは 300 °C を超える高温の塩化物や海水に耐性があります。これらのエキゾチックは、安価なものが存在しない場所で使用されます。固体エキゾチックは高価であるため、通常、重要な部品のクラッドまたはソリッド ライニングとして使用されます。多くの場合、腐食性または衛生的用途に対する費用対効果の高い答えは、ライニングされた容器です。つまり、摩耗や多くの酸に対応するゴムライニング、または、0.8 ～ 1.2 マイクロメートルの不活性ガラス層が 820 ～ 930 °C で鋼に融着され、特殊合金の数分の 1 のコストで化学的不活性、証明可能な衛生的な表面、および長寿命が得られるガラス融着鋼です。ガラスとスチールの融着は、媒体が腐食性である場合、または純粋な状態を維持する必要があるが圧力が適度である場合に実用的な選択です。これは、スチールが圧力を処理し、ガラスが化学反応を処理するためです。

圧力容器の材質選択マトリックス

よくある質問 (FAQ)

Q: 圧力容器として炭素鋼ではなくステンレス鋼を選択する必要があるのはどのような場合ですか?

A: 媒体が水性、酸性、アルカリ性、塩化物が存在する場合、またはサービスが食品、医薬品、または飲料水であり、認定された衛生的な表面が必要な場合は、ステンレス (通常は 316L) を選択してください。炭素鋼は、エアレシーバや乾燥した炭化水素蒸気など、乾燥したクリーンな非腐食性の用途にのみ適切な選択肢であり、腐食許容量によって低コストで軽微な全体腐食に対処できます。決定的なテストは腐食性と衛生です。炭素鋼で容器が錆びたり、仕様通りに洗浄できない場合は、ステンレスが必要です。また、塩化物が存在する場合には、304 よりも 316L が推奨されます。これは、304 が驚くほど低濃度で塩化物応力腐食割れを起こしやすいためです。

Q: 塩化物応力腐食割れとは何ですか?どうすれば回避できますか?

A: これは、残留溶接応力を含む引張応力と塩化物イオンの複合作用により、通常、塩化物を含む温かい水溶液中でステンレス鋼に形成される突然の、多くの場合壊滅的な亀裂です。これは、塩化物が高温で濃縮されている標準的なオーステナイト系ステンレスを使用しないことで回避できます。代わりに、耐孔食性が 34 ～ 40 以上に相当する二相ステンレスまたはスーパー オーステナイト ステンレスを指定するか、塩化物レベルを下げるか、溶接後の熱処理によって残留応力を軽減するか、あるいは最も確実に、鋼が塩化物と接触しないようにゴムまたは鋼に融着したガラスで容器を内張りします。典型的な失敗例は、紙の上では問題がなかった 316L 容器ですが、温かい汽水域で使用するとひび割れが発生したことです。そのため、ステンレスを選択する前に塩化物のレビューが必須です。

Q: ガラスをスチールに溶着したものは圧力容器に適していますか?

A: はい、適切なサービスです。ガラスとスチールの融合は、粗さ約 0.8 ～ 1.2 マイクロメートルの不活性ガラス層を 820 ～ 930 °C でスチールに融合することによって作成されます。そのため、スチールが圧力を支え、ガラスが化学反応に対応します。水や廃水、食品や化学薬品の保管場所で一般的な、中程度の圧力での腐食性、衛生性、または研磨性の用途に優れています。また、認定可能な NSF/ANSI 61 または WRAS 表面を与えながら、珍しい合金を使用しないため、コスト効率が高くなります。厚肉の鍛造鋼または溶接鋼が必要な高圧または高温のプロセス容器には使用されませんが、圧力よりも腐食や汚染が敵である多くの業務では、最良の設計でライフコストが最も低い選択肢となることがよくあります。

Q: 温度は圧力容器の材料の選択にどのような影響を与えますか?

A: 温度は 2 つのことに影響します。1 つは温度が上昇すると許容設計応力が低下するため、壁を厚くするか、より強力なグレードが必要になるため、もう 1 つは材料の天井です。炭素鋼は約 450°C まで使用できます。それを超えると、低合金またはステンレスグレードが必要になります。 304 および 316L は約 800°C まで強度を維持しますが、スケーリングと過敏化が発生します。二相構造は二相構造が脆化するため約 300°C に制限され、ハステロイまたはチタンは積極的な高温使用に対応できる範囲を広げます。極低温での使用により、この懸念は解消されます。炭素鋼は約 -20°C を下回ると脆くなり、低温でも靭性を維持するオーステナイト系ステンレスに置き換えられます。したがって、設計温度は応力テーブルと材料限界の両方に現れ、2 つのうちの低いほうが選択を決定します。