P91 PWHTチャート

P91鋼は、火力ボイラーやその他の高温用途において魅力的な材料であり、高温下での強度、耐クリープ性、シャルピー衝撃靭性といった機械的特性を優れたバランスで兼ね備えています。.

最近の研究により、P91鋼の溶接部に対して異なる正規化・焼鈍（NT）条件を適用することで、溶接熱影響部（HAZ）において、溶接後熱処理を必要とせずに最適な機械的特性を得ることができることが実証されている。.

硬度

SA 335 グレード 91 は、発電所などの高温環境や、溶接などの高性能用途向けに設計された、改良型高クロム・モリブデンマルテンサイト系鋼です。 この鋼種は、優れたクリープ強度と靭性に加え、耐食性および溶接性も兼ね備えていますが、溶接中や溶接後熱処理（PWHT）の際に硬度が低下し、ひび割れや早期破損を引き起こす可能性があります。.

P91に対する各種溶接プロセス、溶加材の種類、および予熱・層間温度の影響に関する研究は、かつては稀であった。しかし、最近では、元の溶接と同様の溶接プロセスや溶加材を用いて、異種溶接によるP91パイプラインの補修が行われることが一般的になってきている。 これには、熱影響部（HAZ）の硬度が母材よりも低くなければならないが、PWHT（溶接後熱処理）の範囲内でこれを妥当な時間内に達成する方法については、さらなる調査が必要である。.

一部の発電所プロジェクトでは、運転中に溶接熱影響部（HAZ）にタイプIVの亀裂が発生したとの報告があった。これらの亀裂は、PWHTが不十分であったことが原因である可能性が高い。我々の調査の結果、溶接熱影響部（HAZ）の硬度を低減しつつ、十分な微細組織を確保し、母材との硬度差を許容範囲内に収めるには、750℃で2時間行うPWHTが理想的であると結論づけられた。.

クリープ強度

p91のクリープ強度は、材料が変形する前にどれだけの応力に耐えられるかを示すものであり、クリープ抵抗は、結晶粒径や使用温度といった要因に加え、相変態温度やその他の物性に影響を与える化学組成にも左右される。.

金属のクリープ限界を決定するために、設計者は、破断応力と、10万時間まで外挿したその応力-変形曲線との比率、およびこの期間にわたって算出された最小クリープ速度を用います。 破断応力には、終点の破断応力と、その点に到達するために必要な応力の両方が含まれており、応力値と時間値の両方で報告されます。.

マルテンサイト系耐熱鋼P91（9Cr-1Mo-V-Nb）は、その優れた耐蒸気腐食性、低い熱膨張率、高い熱伝導率、および溶接性から、化石燃料発電所のボイラーヘッダーやその他の部品に広く採用されている。 しかし、この金属で製造された部品については、比較的短期間の使用後に運用中の故障が報告されている。.

熱影響部（HAZ）内の微細組織領域に起因するクリープ強度の低下により、破損が発生する。.

シャルピー靭性

P91鋼は、クリープや熱負荷にさらされるものを含め、高温で稼働する発電所の長期使用部品に最適であり、高い靭性と最小限の熱膨張性を備えています。ただし、耐酸化性が610℃以下となるため、発電分野での用途は限定的となります。 さらに、衝撃靭性が低いため、動的荷重下での使用には制限があります。この特性をさらに向上させるためには、溶接後熱処理（PWHT）を行うことが推奨されます。 DIN EN 288-3では、実際の溶接熱影響部（HAZ）試料を用いた機械的試験が規定されており、各サブゾーンにおける亀裂の伝播は微細組織によって異なり、その結果、試験ごとに衝撃エネルギーの値にばらつきが生じます。.

P91およびP22鋼の多層シールドメタルアーク溶接では、溶接溶融域（FGHAZ）における衝撃靭性が低下する。これは、不適切なPWHTにより、この領域に未焼鈍マルテンサイトが蓄積するためである。.

いくつかの研究により、拡散性水素濃度およびPWHT時間が、溶接部の機械的特性および硬度勾配に及ぼす影響が実証されている。 Pandeyらは、4種類の異なる水素濃度でSMAWを用いた多層溶接されたP91鋼板溶接体について、この要因が微細組織および引張特性に及ぼす影響を調査し、拡散性水素濃度およびPWHT時間の増加に伴い、引張特性は向上するものの、衝撃靭性は低下することを示した。.

耐食性

91号鋼は優れた耐食性で知られていますが、応力誘発マルテンサイトやクリープ損傷によって腐食が生じる可能性があります。溶接後熱処理（PWHT）はこうした影響を軽減するのに役立つ場合がありますが、特に稼働中の補修作業においては、この方法が常に実行可能であるとは限らず、費用対効果も必ずしも高いとは限りません。.

PWHTを必要としないグレード91の溶接補修手順の開発という目標の一環として、本プロジェクトで実施された研究では、溶接後に得られた溶接部および熱影響部（HAZ）の試験片の微細組織を評価することにより、溶接および熱処理プロセスにおける材料の金属学的挙動の解明に焦点を当てた。その後、実際の溶接部に対して機械的試験を実施し、熱影響部の靭性を測定した。.

また、予熱温度・層間温度および溶接電流への影響に焦点を当て、さまざまな溶接手法についても比較を行った。グレード91で使用されるものと同じ直径の電極が、PWHTを必要としない溶接手順の策定に最も適していることが判明した。 直径3.2mm（1/8インチ、第1層）と4.0mm（5/32インチ、第2層）のSMAW電極を組み合わせて使用することで、HAZ内での焼鈍を最小限に抑えつつ、顕著な結晶粒微細化が得られた。.

インコネル625を溶加材として用いたP22鋼とグレード91鋼のTIG溶接継手に対する溶接後熱処理は、750℃で2時間行うことが最適である。これにより、界面の硬度と溶接金属の特性との間で最適なバランスを得ると同時に、広い温度範囲にわたって高い機械的特性を維持することができる。.