ステンレス鋼を用いた爆轟圧接：圧力容器におけるバイメタルソリューションのコスト効果に優れたガイド

ステンレス鋼を用いた爆轟圧接：圧力容器におけるバイメタルソリューションのコスト効果に優れたガイド

腐食性環境で使用される圧力容器を設計するエンジニアにとって、素材選定のジレンマは常に存在します。つまり、高い圧力を保持するために必要な構造強度と腐食耐性とのバランスをどう取るか、そしてすべてをプロジェクト予算内で収めるにはどうすればよいか、という問題です。高価な大型容器には費用面で現実的ではありませんが、固体のステンレス鋼やニッケル合金は腐食耐性に優れています。炭素鋼は低コストで十分な強度を提供しますが、過酷な環境では急速に劣化してしまいます。

爆薬クラッド この問題を巧みに解決します。爆圧接合は、ステンレス鋼などの耐食合金の薄層を、構造用炭素鋼の厚い母材に冶金的に結合する固相溶接プロセスであり、双方の長所を兼ね備えた二層金属板を形成します。本ガイドでは、圧力容器においてこの接合方法が優れたコスト効果に優れている理由について詳しく説明します。

爆圧接合とは？プロセスの概要

爆轟クラッディングは、制御された爆発を利用して二種類の金属の冶金的結合を形成する冷間溶接プロセスです。

1. セットアップ： The ベースプレート （例：炭素鋼A516 Gr. 70）は丈夫な基礎の上に置かれます。その上には平行に、ただしわずかな離隔距離を保って、 クラッド板 （例：316Lステンレス鋼）が配置されます。クラッド板の上には爆薬のシートが置かれます。

2. 爆発： 爆薬は一辺から爆発します。進行する爆発によってクラッド板が非常に高い速度と圧力でベース板に向かって押し下げられながら移動します。

3. 結合： この衝撃により、両方の板の表面から可塑化された金属のジェットが発生し、不純物が吹き飛ばされ、母材金属の清浄な表面が非常に高い圧力下で密接に接触することになります。これにより、母材金属を溶かすことなく強固な冶金的結合が形成されます。

4. 結果： 最終製品は、溶接と同等の強度を持つ波状の機械的ロック構造の界面を有する一体の複合板です。

なぜ圧力容器に爆轟クラッディングを選ぶのか？

1. 他を圧倒するコスト効率

これは主要な利点です。3mmの腐食防止層を必要とする容器の場合、50mmの炭素鋼シェルに3mmの316L溶接金属を溶接するだけで済みます。これにより高価なステンレス鋼の使用量が 約95％削減 され、素材コストを大幅に節約できます。

2. 優れた性能

• 完全な冶金的結合： 緩んだライニングや機械的ライニングとは異なり、結合は一体的かつ永久的であり、熱交換器や反応装置において重要な効率的な熱伝達が可能になります。

• デザインの柔軟性： ノズル、ヘッド、シェルにも被覆を施すことができ、容器全体にわたって完全な腐食保護を提供します。

• 剥離のリスクなし： 結合強度は一般的に母材のうち弱い方の降伏強度を超えており、熱サイクルや圧力負荷によって剥離することはありません。

3. 製作における慣れ

クラッド鋼板は、カットや成形が可能であり、また、炭素鋼の取扱いに慣れた工場であれば熟知している技術を使用して加工可能であり、ASMEセクションVIII、Division 1などの既存の規格に従う必要があります。 溶接済み 炭素鋼の取扱いに慣れた工場であれば熟知している技術を使用して加工可能であり、ASMEセクションVIII、Division 1などの既存の規格に従う必要があります。

設計および製造における主要な検討事項

1. 材料の組み合わせ

圧力容器で一般的に使用されるクラッド層／母材金属の組み合わせは以下の通りです：

• クラッド層（腐食側）： 304/L、316/L、321、347、ダブルックス2205、ニッケル合金（合金625、C-276）、チタン、ジルコニウム

• 母材（構造側）： 炭素鋼（A516 Gr. 70）、低合金鋼（A387 Gr. 11）、高合金鋼

2. クラッド鋼板の溶接

これは最も重要な加工工程です。溶接工は炭素鋼バックアップ材を溶接するだけでなく、内面に正しい耐食合金を溶接する必要があります。

• 移行継手： 突合せ溶接においては バタリング技法 が用いられます。炭素鋼側は適した溶接金属（例：309L）で「バタリング」処理され、ステンレス被覆材への移行を可能にします。最終の表面仕上げ溶接には被覆材に対応する溶接材料（例：316L）を使用します。

• 手順の資格： 溶接作業仕様書（WPS）は厳密に資格審査され、遵守されなければならず、亀裂を防ぎ、耐食性のある溶接部を確実に形成します。

3. 非破壊検査（NDT）

• 結合の完全性： 超音波検査（UT）は ASTM A578に準拠して実施されます。 100％の密着性を確保するため、全面的に界面結合の完全性を確保しています。これは規格適合性の要件です。

• 溶接検査： すべての溶接は、浸透探傷試験（PT）および放射線透過試験（RT）または超音波探傷試験（UT）によって検査されます。

4. 規格適合性

爆薬 clad 圧力容器は、主要な圧力容器規格において完全に認められています：

• ASME ボイラーおよび圧力容器規格 第VIII編 第1分冊： Clad 鋼板（SA-263、SA-264、SA-265）を使用した容器の設計・製造に関する規則を提供します。

• EN 13445： ヨーロッパにおける非加熱圧力容器の規格です。

爆薬クラッド vs. 代替技術：どちらが優れているのか？

経済的な境界点 爆轟クラッディングが溶接被覆より安価になるのは、通常クラッド厚が4〜5mmを超えるか、または大面積の場合である。

エンジニア向け実施チェックリスト

1. 環境の定義： 腐食性プロセス流体、温度、圧力を明確に特定する。

2. クラッド材を選択してください： 腐食要件に基づき、ステンレス鋼種（またはニッケル合金）を選定してください。腐食データ表を参照し、「 適合性（FFS） 解析。

3. プレートの仕様を指定してください： 御注文書（PO）には、正確なASTM規格を明記してください：

   • SA-263 （ステンレスクラッド）

   • SA-265 （ニッケル／ニッケル合金クラッド）

   • クラッド厚さの許容差および必要な超音波探傷検査レベルを指定してください。

4. 製造を前提とした設計： 製造業者とは初期段階から協働してください。溶接の準備段階を詳細に定め、移行継手の溶接手順を明確に指定してください。

5. 検査の計画： 複合鋼板の受領時に超音波検査（UT）を義務付け、製造契約においてすべての溶接部に対する詳細な非破壊検査（NDT）の要件を盛り込んでください。

結論：重要な資産に対する賢い投資

爆圧複合鋼板は炭素鋼単体と比較して発注時の初期コストが高額になるものの、プロジェクトが行える最も効果的な価値工学的決定の一つです。これによりライフサイクルコストを大幅に削減できます：

• 素材の初期コストを大幅に削減 高価な合金素材と比較して

• 腐食によるメンテナンスをほぼ解消 および停止時間を大幅に短縮します。

• 船体の耐用年数を延長する 数十年にわたって。