圧力容器設計Q&A（二）

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問題1　質問：異種金属材料の溶接材料はどのように選定するか？ 答：オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系鋼（低炭素鋼、低合金高強度鋼、パーライト耐熱鋼、フェライト系ステンレス鋼を含む）の溶接。 （1）フェライト鋼同士の溶接には、可能な限り同一の組織・成分を持つ溶接材料を使用すべきである。しかし、溶接後の応力除去熱処理を省略したり、溶接工程を改善するなどの観点からオーステナイト系の溶接材料を使用する場合は、以下の点を考慮する必要がある。1）オーステナイト鋼とフェライト鋼の線膨張係数には大きな差があり、高温環境や温度が頻繁に変化する場合には、それによって生じる熱応力を考慮しなければならない； 2）溶接過程において、オーステナイト系溶接金属とフェライト系鋼の母材側の融合線部で生じる炭素の移動によって形成される脱炭層（フェライト系鋼母材側）および浸炭層（オーステナイト系溶接金属側）は、高温強度と塑性の低下を引き起こす。 （2）オーステナイト系の溶接材料を用いてフェライト鋼の母材を溶接する場合、類似の合金組成の溶接材料を用いる場合よりも予熱温度を約100℃程度下げることができ、溶接後の熱処理は通常省略できる。 （3）オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系鋼の突合わせ溶接または角溶接には、一般的にA302ワイヤーが適している。しかし、使用温度が450～550℃を超え、かつ溶接部が高い応力を受ける場合には、A502、A507、A607などの高ニッケル含有オーステナイト系ワイヤーを使用すべきである。使用温度が550℃を超え、かつ接合部がさらに高い応力を受ける場合には、ニッケル系の溶接材料を使用する必要がある。溶接棒アーク溶接では、AWS A5.11に適合するENiCrFe-3、ENiCrFe-2を使用できる。 問題2　質問：水素腐食環境の設計にはどのような要求があるか？ 答：（1）腐食環境 化学プラント用圧力容器の設計温度が200℃以上であり、水素雰囲気に接する場合を水素腐食環境とする。水素腐食環境下で高温硫黄腐食、高温クリープ、クリープと水素腐食の相乗効果、時効脆性などの他の要因が同時に存在する場合は、これらの要因が鋼材の高温力学的特性に与える影響も考慮しなければならない。 （2）材料の要求事項および制限 1）水素腐食環境下における鋼材の使用状態は規格の定めに適合し、溶接後に応力除去熱処理を行うものとする； 2）フェライト鋼の水素腐食環境における使用温度限界はネルソン曲線の規定に従い、20℃以上の温度余裕を持たなければならない； 3）オーステナイト系ステンレス鋼は、ネルソン曲線で示される温度および水素分圧下で使用しても水素腐食を引き起こさないため、そのために溶接後の応力除去熱処理を行う必要はない。 問題3 質問：いつ、機械的性質を回復させるための熱処理が必要ですか？ 答：冷間加工による硬化で失われた材料の力学的性質を回復させるため、GB150.4では、一定の条件を満たす圧縮部材については、力学的性質を回復させるための熱処理を行うことが規定されている。機械的性質を回復させるための熱処理や、溶接後の応力除去のための熱処理は、いずれも応力除去アニーリング（低温アニーリング）に分類されます。したがって、必要に応じて、原材料の力学的性質回復のための熱処理と、圧力容器製品の溶接後の応力除去のための熱処理を同時に行うことができる。 材料の力学的性能を回復させるための熱処理の要件は、容器のマンホール用ショートセクションの設計において見過ごされがちである。 問題4　質問：溶接後の脱水処理とは何ですか？ 答：溶接過程において、ワイヤー、フラックス、空気中の水分から来る水素が高温で原子状に分解され、液体金属に溶解します。溶接部が冷却すると、鋼中での水素の溶解度は急激に低下し、溶接部の冷却が速いため水素は逃げ出す間もなく溶接金属内に残ります。しばらくすると、その水素は溶接部や融合線に集まってきます。ある程度集まると、溶接応力の影響により、溶接部や熱影響部に遅れ割れ、すなわち遅延割れが生じる。そのため、まず溶接棒を予熱し、溶接後には溶接部を200℃まで再加熱する必要がある。通常の再加熱時間は16時間であり、これにより溶接部の冷却速度を下げて水素を十分に放出させることができ、これを溶接後の脱水素処理と呼ぶ。 溶接後に脱水処理が必要な容器でも、溶接直後に溶接後熱処理を行う場合は、脱水処理を省略できる。 問題5　質問：水平容器の計算における媒体の密度の問題は？ 答：媒体の密度は実際の媒体の密度を入力しなければならず、水の密度を入力してはいけません。 問題6　質問：オーステナイト系ステンレス鋼複合板製圧力容器がGB150に適合する場合、応力除去熱処理を行う必要があるが、このような問題はどのように解決すればよいか？ 答：装置にオーステナイト系ステンレス鋼の複合板が使用されている場合、媒体による粒間腐食に耐えるために応力除去熱処理を行うかどうかは慎重に検討すべきです。なぜなら、応力除去処理の温度（620℃±20℃）はちょうどステンレス鋼の感受性領域（400℃～850℃）にあたり、ステンレス鋼の結晶組織にクロム欠乏が生じやすく、粒間腐食に対する耐性が低下してしまうからです。したがって、応力除去処理は推奨されません。製造時には、小さな溶接棒、小電流、複数の溶接パスを用いる方法を検討できる。純粋に清浄度の要求のためであれば、応力除去処理を検討することができます。 問題7　質問：圧力容器のタイプAフランジには金属巻きガスケットを使用できますか？ 答：甲型の平溶接フランジは、圧力容器用フランジの規定により非金属製の柔らかいガスケットのみを使用でき、巻き取り式ガスケットの使用は誤りです。乙型フランジおよび高ネックフランジでは巻き取り式ガスケットを使用できます。 A型フランジはPL型管フランジと同様に、剛性が低く、密封性能も悪い。もし封入媒体が極めて危険であるか、高い危険性を持ち、わずかな漏れも許されない場合は、ハイネックフランジを使用するのが適切であり、それに合わせて巻き式ガスケットまたは金属被覆ガスケットを併用するべきである。 問題8 質問：立式固定管板熱交換器の構造設計上の問題は？ 答：立式固定管板熱交換器は、できるだけ耳型支持部を使用し、ケーシング側のケーシング上に設置すべきです。立式固定管板熱交換器の耳型支持部の支持面は、一般的に装置の重心および膨張継手よりも高くなければならない。垂直型固定管板式熱交換器の引き棒は、組み立て要件を満たす前提のもと、ケーシング側の媒体の入口が上部にあっても下部にあっても、固定端を上管板に設置しなければならない。 問題9　質問：水平型固定管板凝縮器のケーシング側を凝縮媒体が流れる際の、サポートプレートの構造設計は？ 答：伝熱の観点から考えると、ケーシング側を流れる凝縮媒体を用いる凝縮器には、折り返し板を設置する必要はありません。しかし、熱交換管の剛性を高め、過度なたわみや管の振動を防ぐために、熱交換管の支持なしのスパンが規格で定められた値を超えた場合は、少量の支持板を設置する必要がある。支持板は垂直に左右に配置し、最も低い位置に液口を設けるべきである。