1. 極低温鋼の概要
1) 低温鋼の技術要件は、一般に、低温環境下での十分な強度と十分な靭性、良好な溶接性、加工性、耐食性などである。その中でも、低温靭性、すなわち、低温での脆性破壊の発生と拡大を防ぐことが最も重要な要素です。したがって、各国は通常、最低温度における一定の衝撃靱性値を規定しています。
2) 低温鋼の成分のうち、炭素、ケイ素、リン、硫黄、窒素などの元素は低温靱性を劣化させると一般に考えられており、リンが最も有害であるため、早期に低温脱リンを行う必要がある。製錬中に実行されます。マンガンやニッケルなどの元素は、低温靱性を向上させることができます。ニッケル含有量が 1% 増加するごとに、脆性臨界転移温度は約 20°C 低下する可能性があります。
3) 熱処理プロセスは、低温鋼の金属組織と結晶粒度に決定的な影響を及ぼし、鋼の低温靱性にも影響します。焼入れおよび焼き戻し処理後、低温靱性は明らかに向上します。
4) さまざまな熱間成形方法に応じて、低温鋼は鋳鋼と圧延鋼に分類できます。組成と金属組織の違いに応じて、低温鋼は低合金鋼、6％ニッケル鋼、9％ニッケル鋼、クロムマンガンまたはクロムマンガンニッケルオーステナイト鋼、クロムニッケルオーステナイトステンレス鋼に分類できます。待って。低合金鋼は一般に、冷凍装置、輸送装置、ビニール保管室、石油化学装置の製造に約 -100°C の温度範囲で使用されます。米国、英国、日本およびその他の国では、9%ニッケル鋼は、液化バイオガスやメタンの貯蔵および輸送用の貯蔵タンク、液体酸素の貯蔵装置など、196℃の低温構造物に広く使用されています。 、液体酸素と液体窒素の製造。オーステナイト系ステンレス鋼は、非常に優れた低温構造材料です。低温靱性が良く、溶接性に優れ、熱伝導率が低い。液体水素や液体酸素の輸送用タンカーや貯蔵タンクなど、低温分野で広く使用されています。ただし、クロムとニッケルが多く含まれるため、価格は高くなります。
2. 低温鋼溶接施工の概要
低温鋼の溶接施工方法や施工条件を選定する際には、溶接継手の低温靱性の低下を防止することと、溶接割れの発生を防止することの2点が問題となります。
1) ベベル加工
低温鋼溶接継手の開先形状は原理的には通常の炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼と変わりませんので、通常と同様に扱うことができます。ただし、９Ｎｉ鋼の場合、溝の開き角度は７０度以上、鈍端は３ｍｍ以上であることが好ましい。
すべての低温鋼は、酸素アセチレン トーチで切断できます。ただ、9Ni鋼をガス切断する場合は、通常の炭素構造用鋼をガス切断する場合よりも切断速度が若干遅くなります。鋼の厚さが 100mm を超える場合、ガス切断前に刃先を 150 ～ 200°C に予熱できますが、200°C を超えないようにします。
ガス切断は溶接熱による影響を受けません。ただし、ニッケル含有鋼の自己硬化性により、切断面は硬くなります。溶接継手の良好な性能を確保するには、溶接前に切断面の表面を砥石を使用してきれいに研削するのが最善です。
アークガウジングは、溶接施工中に溶接ビードまたは母材を除去する必要がある場合に使用できます。ただし、再適用する前に、ノッチの表面をきれいに研磨する必要があります。
鋼が過熱する危険があるため、オキシアセチレンフレームガウジングは使用しないでください。
2) 溶接方法の選定
低温鋼の代表的な溶接方法としては、アーク溶接、サブマージアーク溶接、溶融電極アルゴンアーク溶接などがあります。
アーク溶接は低温鋼の溶接で最も一般的に使用される溶接方法であり、さまざまな溶接位置で溶接できます。溶接入熱量は18～30KJ/cm程度です。低水素系電極を使用すれば、極めて良好な溶接継手が得られます。機械的特性が優れているだけでなく、切欠靱性も非常に優れています。また、アーク溶接機はシンプルで安価で設備投資も少なく、位置や方向にも影響されません。制限などのメリットがあります。
低温鋼のサブマージアーク溶接の入熱量は10～22KJ/cm程度です。設備がシンプルで溶接効率が高く、操作が簡単なため、広く使用されています。ただし、フラックスの断熱効果により冷却速度が遅くなり、ホットクラックが発生しやすくなります。また、フラックスから溶接金属中に不純物やSiが混入することが多く、この傾向がさらに助長されます。したがって、サブマージアーク溶接を行う場合には、溶接ワイヤやフラックスの選択に注意し、慎重に作業を行ってください。
CO2ガスシールド溶接で溶接された継手は靭性が低いため、低温鋼の溶接には使用されません。
タングステン・アルゴンアーク溶接（TIG溶接）は通常手作業で行われ、溶接入熱は9～15KJ/cmに制限されています。したがって、溶接継手としては全く問題のない特性を有しますが、鋼板厚が12mmを超える場合には全く不適となります。
MIG 溶接は、低温鋼溶接で最も広く使用されている自動または半自動溶接方法です。溶接入熱量は23～40KJ/cmです。液滴転写法は、短絡転写法（低入熱）、ジェット転写法（高入熱）、パルスジェット転写法（最高入熱）の３種類に分けられます。短絡転移ミグ溶接では溶け込み不足が問題となり、溶断不良が発生する場合があります。同様の問題は他の MIG フラックスにも存在しますが、程度は異なります。アークをより集中させて十分な溶け込みを実現するには、シールドガスとして純アルゴンに数パーセントから数十パーセントの CO2 または O2 を浸透させることができます。適切な割合は、溶接される特定の鋼の試験によって決定されます。
3) 溶接材料の選定
溶接材料 (溶接棒、溶接ワイヤ、フラックスなどを含む) は、通常、使用される溶接方法に基づく必要があります。継手の形状や溝の形状など必要な特性を選択します。低温鋼においては、溶接金属に母材に匹敵する低温靱性を持たせ、拡散性水素の含有量を最小限に抑えることが最も重要です。
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(1) アルミニウム脱酸鋼
アルミニウム脱酸鋼は、溶接後の冷却速度の影響を非常に受けやすい鋼種です。アルミニウム脱酸鋼の手動アーク溶接に使用される電極のほとんどは、Si-Mn 低水素電極または 1.5% Ni および 2.0% Ni 電極です。
溶接入熱を減らすために、アルミニウム脱酸鋼は通常、≤¢3〜3.2mmの薄い電極を使用した多層溶接のみを採用し、溶接の上層の二次熱サイクルを使用して結晶粒を微細化できます。
Si-Mn系電極で溶接した溶接金属の衝撃靱性は、入熱量の増加に伴い50℃で急激に低下します。たとえば、入熱が 18KJ/cm から 30KJ/cm に増加すると、靭性は 60% 以上失われます。1.5%Ni系や2.5%Ni系の溶接電極はその影響を受けにくいため、溶接にはこの種の電極を選択するのが最適です。
サブマージアーク溶接は、アルミニウム脱酸鋼の自動溶接方法として一般的に使用されています。サブマージアーク溶接に使用する溶接ワイヤは、ニッケル1.5〜3.5％、モリブデン0.5〜1.0％を含むものが好ましい。
文献によると、適切なフラックスを使用した 2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Mo または 2%Ni 溶接ワイヤを使用すると、-55°C での溶接金属の平均シャルピー靱性値は 56 ～ 70J (5.7 ~7.1Kgf.m)。0.5%Mo溶接ワイヤとマンガン合金塩基性フラックスを使用した場合でも、入熱量を26KJ/cm以下に抑えればν∑-55=55J（5.6Kgf・m）の溶接金属を製造できます。
フラックスを選択する際には、溶接金属中のSiとMnのマッチングに注意を払う必要があります。テストの証拠。溶接金属中の Si と Mn の含有量が異なると、シャルピー靱性値が大きく変化します。最良の靱性値を有するSiおよびMn含有量は、0.1〜0.2%Siおよび0.7〜1.1%Mnである。溶接ワイヤの選定時、はんだ付け時にはご注意ください。
タングステンアルゴンアーク溶接および金属アルゴンアーク溶接は、アルミニウム脱酸鋼ではあまり使用されません。上記サブマージアーク溶接用溶接ワイヤは、アルゴンアーク溶接にも使用することができる。
(2) 2.5Ni鋼および3.5Ni鋼
2.5Ni鋼や3.5Ni鋼のサブマージアーク溶接やMIG溶接は、一般に母材と同じ溶接ワイヤで溶接が可能です。しかし、ウィルキンソンの式 (5) が示すように、Mn は低ニッケル低温鋼の熱間割れ抑制元素です。溶接金属中のマンガン含有量を約 1.2% に保つことは、アーク クレーター亀裂などの高温亀裂を防止するのに非常に有益です。溶接ワイヤとフラックスの組み合わせを選択するときは、これを考慮する必要があります。
3.5Ni 鋼は焼き戻されて脆化する傾向があるため、残留応力を除去するために溶接後の熱処理 (たとえば、620°C × 1 時間、その後炉冷却) を行うと、ν∑-100 は 3.8 Kgf.m から2.1Kgf.mでは要件を満たせなくなります。4.5%Ni-0.2%Mo系溶接ワイヤで溶接した溶接金属は、焼戻し脆化傾向が極めて小さい。この溶接ワイヤを使用することで上記の問題を回避できます。
(3) 9Ni鋼
9Ni 鋼は通常、低温靱性を最大化するために焼き入れと焼き戻し、または 2 回の焼きならしと焼き戻しによって熱処理されます。しかし、この鋼の溶接金属は上記のような熱処理ができません。したがって、鉄系溶接材料を使用した場合には、母材と同等の低温靱性を有する溶接金属を得ることが困難である。現在、主に高ニッケル溶接材料が使用されています。このような溶接材料によって堆積された溶接部は完全にオーステナイトになります。9Ni鋼母材に比べて強度が低く、価格が非常に高価であるという欠点はありますが、脆性破壊は深刻な問題ではなくなりました。
以上のことから、溶接金属は完全にオーステナイトであるため、電極やワイヤを用いた溶接に使用される溶接金属の低温靱性は母材の靱性と全く同等ですが、引張強さと降伏点は低いことがわかります。卑金属より低い。ニッケル含有鋼は自己硬化性があるため、ほとんどの電極とワイヤは良好な溶接性を実現するために炭素含有量の制限に注意を払っています。
Moは溶接材料の重要な強化元素であり、Nb、Ta、Ti、Wは重要な強化元素であり、溶接材料の選択には十分な注意が払われています。
サブマージアーク溶接は、同じ溶接ワイヤを使用して溶接した場合、溶接部の冷却速度が遅くなり、不純物やSiの浸入が考えられるため、MIG溶接に比べて溶接金属の強度や靭性が劣ります。の流れから。
3. A333-GR6 低温鋼管溶接
1) A333-GR6鋼の溶接性解析
A333-GR6鋼は低温鋼に属し、最低使用温度は-70℃で、通常は焼ならしまたは焼ならしと焼き戻しの状態で供給されます。A333-GR6鋼は炭素含有量が低いため、硬化傾向と冷間割れ傾向が比較的小さく、材料は良好な靭性と塑性を有し、一般に硬化欠陥や亀裂欠陥が発生しにくく、良好な溶接性を備えています。ER80S-Ni1 アルゴン アーク溶接ワイヤを使用できます。W707Ni 電極を使用してアルゴン電気接合溶接を使用するか、ER80S-Ni1 アルゴン アーク溶接ワイヤを使用してフル アルゴン アーク溶接を使用して、溶接継手の良好な靭性を確保します。アルゴンアーク溶接ワイヤおよび電極のブランドも同じ性能の製品を選択できますが、所有者の同意がある場合にのみ使用できます。
2) 溶接工程
詳しい溶接加工方法については、溶接加工教本またはWPSをご参照ください。溶接は、直径76.2mm以下のパイプについてはI型突合せ継手およびフルアルゴンアーク溶接を採用しています。直径が76.2 mmを超えるパイプの場合は、V字形の開先が作成され、アルゴンアークプライミングと多層充填を行うアルゴン電気併用溶接法、または完全アルゴンアーク溶接法が使用されます。具体的な方法は、発注者が承認したWPSにおいて、管径と管肉厚の違いに応じて、対応する溶接方法を選択することになります。
3) 熱処理工程
(1) 溶接前の予熱
周囲温度が5℃未満の場合、溶接部を予熱する必要があり、予熱温度は100〜150℃です。予熱範囲は溶接部の両側で 100 mm です。酸素アセチレン炎（中性火炎）で加熱し、温度を測定します。ペンは溶接部の中心から50〜100 mmの距離で温度を測定します。温度をより適切に制御するために、温度測定点は均等に分布しています。 。
(2) 溶接後の熱処理
低温鋼の切欠靱性を向上させるために、一般的には焼入れ・焼戻しを施した材料が使用されています。溶接後の熱処理が不適切な場合、低温性能が低下する場合がありますので十分注意してください。したがって、溶接厚さが厚い場合や拘束条件が非常に厳しい場合を除き、通常、低温鋼では溶接後の熱処理は行われません。たとえば、CSPC での新しい LPG パイプラインの溶接には、溶接後の熱処理は必要ありません。一部のプロジェクトで溶接後の熱処理が実際に必要な場合、溶接後の熱処理の加熱速度、一定温度時間、および冷却速度は次の規制に厳密に従わなければなりません。
温度が 400 ℃を超える場合、加熱速度は 205 × 25/δ ℃/h を超えてはならず、330 ℃/h を超えてはなりません。●恒温時間は肉厚25mmあたり1時間、15分以上としてください。恒温期間中、最高温度と最低温度の温度差は65℃未満である必要があります。
一定温度後の冷却速度は65×25/δ℃/h以下、260℃/h以下にしてください。400℃以下では自然冷却が可能です。コンピュータ制御によるTS-1型熱処理装置。
4) 注意事項
（1）規定に従って厳密に予熱し、層間温度を管理し、層間温度は100〜200℃に制御されます。各溶接シームは一度に溶接し、中断する場合は徐冷措置を講じるものとします。
(2) アークによる溶接部の表面の傷は厳禁です。アーククレーターを埋め、アークが閉じたときに欠陥を砥石車で研磨する必要があります。多層溶接の層間の接合部は千鳥状に配置する必要があります。
(3) ラインエネルギーを厳密に制御し、小電流、低電圧、高速溶接を採用します。直径 3.2 mm の各 W707Ni 電極の溶接長さは 8 cm より長くなければなりません。
(4) ショートアーク、ノースイングの動作モードを採用する必要があります。
(5) 完全溶け込みプロセスを採用し、溶接プロセス仕様書および溶接プロセスカードの要件に厳密に従って実行する必要があります。
(6) 溶接部の補強量は 0 ～ 2mm、溶接部の各辺の幅は ≤ 2mm です。
(7) 非破壊検査は、溶接部の目視検査が合格してから少なくとも 24 時間後に実施できます。パイプラインの突合せ溶接は JB 4730-94 に準拠するものとします。
(8) 「圧力容器：圧力容器の非破壊検査」規格、クラス II 認定。
(9) 溶接補修は溶接後の熱処理前に行ってください。熱処理後に修理が必要な場合は、修理後に溶接部を再加熱する必要があります。
(10) 溶接面の幾何学的寸法が基準を超える場合は、研削を許可し、研削後の厚さは設計要件を下回ってはなりません。
(11) 一般的な溶接欠陥については、最大 2 回の修理が認められます。2 つの修理が依然として不適格である場合は、溶接を切断し、完全な溶接プロセスに従って再溶接する必要があります。
投稿日時: 2023 年 6 月 21 日
