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公開番号2025031137
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-07
出願番号2023137152
出願日2023-08-25
発明の名称Cr-Mo-V鋼の水素脆化評価方法
出願人株式会社日本製鋼所,日本製鋼所M&E株式会社
代理人個人
主分類G01N 17/00 20060101AFI20250228BHJP(測定;試験)
要約【課題】Cr-Mo-V鋼を有する部材の水素脆化を適切に評価する。
【解決手段】材料の構造および物性の情報と、高温高圧水素供用におけるスタートアップ、定常運転、シャットダウン時の運転時間、運転経過時間に応じたプロセス温度、プロセス圧力およびその環境下における水素濃度の情報を得るステップと、各情報に基づいて、運転供用中に部材で発生する温度、肉厚に亘る応力分布および拡散性水素分布の現象をシミュレーションするステップと、評価対象とする、もしくは亀裂状欠陥を有する部材を反映した供試材に部材の製造に際し実行されている製造条件を施して実機材料の材料特性を与える実機特性付与ステップと、供用中の現象をスタートアップ、定常運転、シャットダウンにおいて発生する温度、応力および拡散性水素含有量に分類し、これらの条件を供試材へ反映させて水素助長割れ進展の評価を行う。
【選択図】図45
特許請求の範囲【請求項１】
スタートアップ、定常運転およびシャットダウンを一サイクルとして運転が行われ、水素環境下で供用されるＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼を有する部材の水素脆化を評価する方法であって、
前記部材を構成する材料の構造および物性の情報と、前記スタートアップ、前記定常運転、前記シャットダウン時の運転時間、運転経過時間に応じたプロセス温度、プロセス圧力および各運転の環境下における水素濃度の情報を得るステップと、
前記各情報に基づいて、運転供用中に前記部材で発生する温度、肉厚に亘る応力分布および拡散性水素分布の現象をシミュレーションするステップと、
前記部材を反映した供試材に前記部材の製造に際し実行されている製造条件を施して実機材料の材料特性を与える実機特性付与ステップと、
供用中の現象をスタートアップ、定常運転、シャットダウンにおいて発生する温度、応力および拡散性水素含有量に分類し、これらの条件を前記供試材へ反映させて水素助長割れ進展の評価を行う評価ステップと、
を有する、Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記実機特性付与ステップでは、実機のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼に対し実行されている調質条件を前記供試材に与え、溶接継手の形状を前記供試材へ再現するとともに、溶接後熱処理を含む溶接施工条件を与える請求項１に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化の評価方法。
【請求項３】
前記供試材には、実機での溶接後熱処理温度を高温側に想定し、ノッチ位置を溶接金属の中心とした高靭性溶接部と、実機での溶接後熱処理温度を低温側に想定し、ノッチ位置を溶接金属の１／４幅とした低靭性溶接部を用意した請求項２に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
【請求項４】
前記評価ステップでは、実機における供用中の運転時の温度および水素圧力を想定した水素環境に供試材を暴露して水素チャージにより拡散性水素を再現し、スタートアップ、シャットダウンに対しては、ライジングロード試験により荷重上昇時の水素助長割れ進展挙動を再現し、定常運転に対してはライジングロード試験から得られる水素助長割れ進展開始荷重を保持するホールディングロード試験により荷重一定下の亀裂進展挙動を再現する請求項１～３のいずれか１項に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
【請求項５】
ライジングロード試験で、実機特性が付与された供試材のうちで、水素チャージがされ、または水素チャージが行われることなく水素環境下におかれた供試材、もしくは、水素チャージがされ、大気中におかれた供試材と、水素チャージがされておらず、大気中におかれた供試材とで、荷重－変位の変化を測定し、水素チャージがされ、または水素チャージが行われることなく水素環境下におかれた供試材、もしくは、水素チャージがされ、大気中におかれた供試材の測定結果が、水素チャージがされておらず、大気中におかれた供試材の測定結果から逸脱する開始点のＫ値をＫ
ＩＨ
とし、水素チャージがされ、または水素チャージが行われることなく水素環境下におかれた供試材、もしくは、水素チャージがされ、大気中におかれた供試材の荷重-変位の測定で、荷重上昇時に変位の上昇を伴わず破壊に至った場合のポイントを示すＫ値をＫ
ＩC-Ｈ
とそれぞれ定義し、実機荷重条件下の検出亀裂状欠陥もしくは想定亀裂状欠陥に対して算出したＫ値であるＫ
Ｉ
値と比較して、Ｋ
Ｉ
値がＫ
ＩＨ
値以上であるときに、水素助長割れ進展開始の基準とする、また、Ｋ
Ｉ
値がＫ
ＩC-Ｈ
値以上であるときに、水素助長割れ進展が急速破壊に至る判定基準とする請求項１～３のいずれか１項に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
【請求項６】
定常運転試験では、ライジングロード試験により、水素助長割れ進展開始荷重である擬劈開亀裂進展開始荷重まで荷重を上昇させ、その後、ホールディング試験を行う請求項５に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
【請求項７】
水素助長割れ進展開始後、擬劈開亀裂進展期間中、供試材の試験により得られた供試材の亀裂長さを測定し、荷重線変位増分と亀裂深さ増分の相関性を求め、前記相関性から亀裂進展速度を予測し、亀裂進展速度を与えるＫ値が水素脆化破壊靱性値に至る時期を推定する請求項１～３のいずれか１項に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。
【請求項８】
前記Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼が、２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼であり、ＡＳＭＥＳＡ－３３６ＧｒａｄｅＦ２２ＶまたはＡＳＭＥＳＡ－５４２ＴｙｐｅＤ，Ｃｌａｓｓ４ａで規定される組成を有する請求項１～３のいずれか１項に記載のＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、石油精製用リアクターなどに用いられるＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価方法に関するものである。
続きを表示（約 5,100 文字）【背景技術】
【０００２】
水素化分解および脱硫プロセスで使用される石油精製用リアクターなどに用いられる材料では、水素脆化によって亀裂進展が生じる。このき裂進展は、材料内に拡散性水素が存在するときに生じる内部水素助長割れ（ＩＨＡＣ：ＩｎｔｅｒｎａｌＨｙｄｒｏｇｅｎＡｓｓｉｓｔｅｄＣｒａｃｋｉｎｇ，以下ＩＨＡＣと記述）と、亀裂先端がＨ
２
ガスにさらされその材料に水素が侵入して生じる水素環境助長割れ（ＨＥＡＣ：ＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＡｓｓｉｓｔｅｄＣｒａｃｋｉｎｇ，以下ＨＥＡＣと記述）の２種類があるとされている。
【０００３】
リアクターに用いられている２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ鋼リアクターでは、シャットダウン時に内部水素助長割れを起こすことが知られており、これらの特性は、水素濃度、焼き戻し脆化の程度、荷重速度（ｄＫ／ｄｔ）、温度、および鋼材の形状／微細構造に依存する可能性が示されている。さらに、ガス状水素の存在は、ＩＨＡＣとの相互作用の可能性を含め、水素環境助長割れ（ＨＥＡＣ）によって鋼を劣化させる可能性があるとされている（非特許文献１）。２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ鋼リアクター材としては、一般に、ＡＳＭＥＳＡ－３３６ＧｒａｄｅＦ２２，Ｃｌａｓｓ３（鍛造材）やＡＳＭＥＳＡ－３８７Ｇｒａｄｅ２２，Ｃｌａｓｓ２（板材）が用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
Richard P. Gangloff, Ph.D. Ted L. Anderson, Ph.D., PE著, The Effects of Hydrogen for Establishing a Minimum Pressurization Temperature (MPT) for Heavy Wall Steel Reactor Vessels,, WHITE PAPER ON HYROGEN EFFECTS ON MPT,American Petroleum Institute,２０１８年２月２１日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リアクターでは、現在、２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼が広く使用されている。２Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼リアクターでも、ＨＥＡＣとＩＨＡＣの現象が生じることは知られているが、実機に反映した水素脆化の評価は、２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ鋼リアクターで行われているように、シャットダウン時のみの評価では寿命を精度よく予測することができず、経年劣化・損傷の予測や供用適性評価に向けた材料特性評価を精度よく行うことが望まれている。
２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼リアクター材としては、一般にＡＳＭＥＳＡ－３３６ＧｒａｄｅＦ２２Ｖ（鍛造材）やＡＳＭＥＳＡ－５４２ＴｙｐｅＤ，Ｃｌａｓｓ４ａ（板材）が用いられている。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、水素環境下で使用されるＣｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の水素脆化評価を適切に行うことができる水素脆化の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼製リアクターに発生する温度や応力、拡散性水素分布などの供用中の現象をシミュレーションによって明確化し、得られた水素脆化要因を、実機材料を反映した供試材とライジングロード試験に再現することで、リアクターの水素助長割れ進展に対する破壊力学特性を評価することを可能にする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼を有する部材の水素脆化を適正に評価することが可能であり、水素助長割れ進展に対する最低加圧温度の設定や寿命評価が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施形態における２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ製リアクターのスタートアップとシャットダウンの時間に対する温度と圧力の関係を示すグラフである。
実施形態における２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ製リアクターの基本設計構造を示す図である。
実施形態におけるリアクターのスタートアップとシャットダウンに応じた内面、境界ＷＯＬ側と２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ側の水素濃度の時刻履歴応答を示すグラフである。
解析対象とする６”Ｉ．Ｄ．クエンチノズルの基本寸法、構成部材とその材料を示す図である。
６”Ｉ．Ｄ．クエンチノズルの解析モデルの仕様と境界条件（非定常熱伝導解析／水素拡散シミュレーション）示す図である。
リアクターのスタートアップとシャットダウンに対する温度と水素の集積の時刻歴応答（熱伝導解析結果と水素拡散シミュレーション結果）を示すグラフである。
リアクターのスタートアップとシャットダウンに対する周方向と軸方向の応力成分の時刻歴応答（構造解析結果）を示すグラフである。
２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼のＰＷＨＴ（７０５℃）保持時間による設計温度４５４℃の引張強度）４５４℃の引張強度を示すグラフである。
２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ鋼と２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼の耐焼戻し脆化特性の比較（ステップクーリング前後のシャルピー衝撃吸収エネルギー５５Ｊの遷移温度）を示すグラフである。
実機リアクターのシェルリング周溶接継手（左図）と２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼溶接試験板（右図）の開先形状）を示す図である。
２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼溶接試験板の溶接金属のシャルピー衝撃特性を示すグラフである。
リアクター内部水素助長割れ（ＩＨＡＣ：ＩｎｔｅｒｎａｌＨｙｄｒｏｇｅｎＡｓｓｉｓｔｅｄＣｒａｃｋｉｎｇ）進展の模式図である。
水素暴露温度のよる常温大気中放置時間と水素含有量の関係を示すグラフである。
分析試料採取位置による１５０℃大気中放置時間と水素含有量の関係を示すグラフである。
水素分析試料の熱履歴およびサンプリング位置と水素含有量の関係を示す図である。
リアクター水素環境助長割れ（ＨＥＡＣ：ＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＡｓｓｉｓｔｅｄＣｒａｃｋｉｎｇ）進展の模式図である。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験結果（高靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（高靭性溶接部）顕微鏡写真である。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験結果（低靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（低靭性溶接部）の顕微鏡写真である。
水素チャージを伴うスタートアップに対する亀裂進展挙動（ＩＨＡＣ＋ＨＥＡＣ）の模式図（常温）である。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による１５０℃ ２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験結果（高靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による１５０℃ ２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（高靭性溶接部）を示す顕微鏡写真である。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による１５０℃ ２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験結果（低靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ有無による１５０℃ ２０ＭＰａＨ
２
ガス中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（低靭性溶接部）の顕微鏡写真である。
水素チャージを伴うスタートアップに対する亀裂進展挙動（ＩＨＡＣ＋ＨＥＡＣ）の模式図（１５０℃）である。
水素チャージした１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片を用いた常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中のライジング＋ホールディングロード試験による荷重－荷重線変位曲線（高靭性溶接部）を示すグラフである。
１０日間の擬劈開亀裂進展開始荷重保持に対する荷重線変位の履歴（高靭性溶接部）を示すグラフである。
水素チャージした１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片を用いた常温２０ＭＰａＨ
２
ガス中のライジング＋ホールディングロード試験による荷重－荷重線変位曲線（低靭性溶接部）を示すグラフである。
１０日間の擬劈開亀裂進展開始荷重保持に対する荷重線変位の履歴（低靭性溶接部）を示すグラフである。
擬劈開亀裂進展開始荷重保持に対する亀裂進展測定を示す顕微鏡写真である。
擬劈開亀裂進展開始荷重保持に対する亀裂長さ増分と荷重線変位増分の相関性を示すグラフである。
高低靭性溶接部の擬劈開亀裂進展速度モデルの比較を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ後１５０℃と常温による大気中ライジングロード試験結果（高靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ後１５０℃と常温による大気中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（高靭性溶接部）の顕微鏡写真である。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ後１５０℃と常温による大気中ライジングロード試験結果（低靭性溶接部）を示すグラフである。
１Ｔ－Ｃ（Ｔ）試験片への水素チャージ後１５０℃と常温による大気中ライジングロード試験後の破面ＳＥＭ観察結果（低靭性溶接部）の顕微鏡写真である。
水素チャージ条件でのシャットダウンにおける亀裂進展挙動（ＩＨＡＣ）の模式図である。
水素助長割れの進展開始と急速破壊を定義するＫ値（Ｋ
ＩＨ
とＫ
ＩＣ－Ｈ
）の予測を示すグラフである。
水素助長割れ進展性評価結果（リアクタースタートアップとシャットダウンに対する応力拡大係数の時刻歴応答）を示すグラフである。
水素助長割れ進展を伴う水素脆化に対するリアクター継続運転可否判定結果を示すグラフである。
擬劈開亀裂進展開始（Ｋ
ＩＨ
値）から劈開破壊（Ｋ
ＩＣ－Ｈ
値）に至るまでのサブクリティカル亀裂進展速度の予測を示す顕微鏡写真である。
擬劈開亀裂進展開始（Ｋ
ＩＨ
値）から劈開破壊（Ｋ
ＩＣ－Ｈ
値）に至るまでのサブクリティカル亀裂進展速度の予測を示すグラフである。
リアクターの繰返し運転に対する水素助長割れ進展解析結果（亀裂進展曲線と応力拡大係数分布）を示すグラフである。
水素助長割れ進展解析によるリアクター余寿命評価結果（ＦＡＤへのｄａ／ｄｔによる亀裂進展評価点の軌跡）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本開示の一実施形態を説明する。
１．実機リアクターの供用に対する現象の明確化
Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼の一つである２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼が利用されるリアクターの供用は、スタートアップ、定常運転、シャットダウンに分類されることから、これらの運転における時間経過に対する温度と圧力の関係に基づきリアクターの供用中に生じている温度や応力、拡散性水素分布をシミュレートする。この実施形態で対象とする２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼製リアクターの運転条件、スタートアップとシャットダウンの時間に対する温度と圧力の関係を表１および図１に示し、基本設計構造を、図２に示す。
なお、この実施形態では、リアクター材の２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ鋼としてＡＳＭＥ（ＳＡ－３３６Ｇｒ．Ｆ２２Ｖ）を用いている。
（【００１１】以降は省略されています）

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