圧力容器に理想的な4つの材料

内部または外部の圧力に耐える特殊な装置として、圧力容器は化学、石油、医薬品、エネルギー、食品、航空宇宙などの分野で広く使用されています。これらは運転中、高温、高圧、腐食といった極限の作業条件に直面することが多いため、素材の選択に対して非常に高い要求を課します。素材の選択は、圧力容器の安全性や信頼性だけでなく、製造コストや耐用年数にも直接影響します。本記事では、圧力容器の製造に理想的な素材について詳しく議論します。

圧力容器素材の基本的な要件

長期的に高圧を受ける装置として、圧力容器の材料はまず優れた機械的特性を持たなければなりません。これは、高い引張強度、良好な延性、衝撃靭性および疲労強度を含みます。材料は高圧下で割れることなく、外部力による衝撃を受けた際にエネルギーを吸収し、破断する代わりに耐えられる必要があります。さらに、熱安定性と高温抵抗も、特に高温リアクターや熱交換装置において材料を判断する上で重要な指標です。ここで、材料は安定した構造と機械的特性を維持しなければなりません。

耐食性は別の重要な要件です。多くの圧力容器は、強酸、強アルカリ、塩溶液、有機溶媒などの腐食性介质を保管または反応に使用されます。材料の耐食性は、設備の耐用年数と安全性を直接決定します。また、材料は複雑な構造の製造ニーズを満たすために、良好な溶接性と加工・成形能力も持つ必要があります。

圧力容器を製造するために使用できる材料は何ですか？

炭素鋼：

炭素鋼 は、圧力容器で最も一般的に使用される材料です。これは、優れた力学的特性、強い溶接性、良い加工性、そして低価格のために選ばれています。一般的な炭素鋼材料には、Q235、Q345、A516Gr.70などがあります。

炭素鋼材の屈服強度は中程度であり、これは特に常温で強力な腐食性媒体がない環境におけるほとんどの圧力負荷部品の製造に適しています。その優れた延性により、製造時に成型や溶接が容易であり、製造プロセスを大幅に簡略化します。さらに、国内外で炭素鋼材には完璧な規格と供給システムがあり、品質管理が便利です。

しかし、炭素鋼の欠点も明らかです。腐食抵抗性能が低く、酸性、アルカリ性、または塩分のある環境では錆びやすくなります。合理的な防腐措置を講じない場合、穴あきや漏れが発生する可能性があります。さらに、低温環境では靭性が急激に低下し、脆い破断のリスクがあり、これが低温場面での応用を制限します。

したがって、炭素鋼は主に次の場面で使用されます：

• 空気圧縮貯蔵タンク；
• 水処理システム;
• ボイラー;
• オイル貯蔵タンクなど。

炭素鋼の耐食性を向上させるため、通常はライニングやスプレーなどで保護されます。炭素鋼には欠点がありますが、その優れた総合コストパフォーマンスにより、圧力容器の製造において依然として欠かせない基本材料となっています。

合金鋼：

合金鋼は、クロム、ニッケル、モリブデンなどの合金元素を炭素鋼に添加して性能を向上させた素材です。その最大の利点は高い機械的強度、良好な耐熱強度、および一定程度の耐食性です。一般的に使用される合金鋼には、15CrMoR、12Cr1MoV、SA387Gr.11、Gr.22などがあり、これらは蒸気ボイラーや反応炉などの高温高圧容器で広く使用されています。

クロムとモリブデンを添加した後、合金鋼の酸化耐性とクリープ強度が大幅に向上し、高温高圧環境でも良好な安定性を維持することができます。一部の合金鋼は、12Cr1MoVのように、高温の硫化水素環境で優れた性能を発揮し、特定の媒体に対する腐食抵抗も提供します。

合金鋼は優れた性能を持っていますが、製造コストは普通の炭素鋼よりも著しく高く、加工も困難です。溶接時にはプロセスパラメータを厳密に制御し、熱割れや応力腐食割れを避けるために熱処理を行う必要があります。さらに、一部の合金鋼は水素脆化に対して敏感であり、水素貯蔵装置での使用には注意が必要です。

ステンレス鋼:

ステンレス鋼 圧力容器の製造にも使用でき、特に化学、医薬品、食品の分野でその優れた耐食性により第一選択肢となっています。ステンレス鋼は主にオーステナイト系、フェライト系、マーテンサイト系、および二重組織ステンレス鋼に分けられます。最も一般的に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼（例えば304、316Lなど）は、優れた溶接性、靭性、耐食性により広く使用されています。

316Lステンレス鋼はモリブデン含有量が高いため、塩化物系媒体に対して優れた耐性を持ち、特に塩水または海水環境での圧力容器に非常に適しています。二重組織ステンレス鋼（例えば2205、2507）はオーステナイトとフェライト構造の利点を組み合わせており、より高い強度と点食抵抗があり、いくつかの伝統的なオーステナイト系ステンレス鋼分野でその地位を徐々に置き換えています。

ステンレス鋼の主な欠点はその高い価格であり、特にニッケルやモリブデン含有量が高いモデルではさらに高くなります。また、溶接時に粒界腐食が容易に発生するため、固溶化処理または低炭素モデル（例：316L）が必要です。強い還元環境では、ステンレス鋼が応力腐食のリスクがある場合があり、対象に応じた材質選定が必要です。

したがって、ステンレス鋼は主に次の場面で使用されます：

• 反応器；
• 医薬品貯蔵タンク；
• 高純度ガス貯蔵タンクなど。

チタンおよびチタン合金：

チタン金属は、密度が低く、比強度が高く、優れた耐食性を持つため、高級圧力容器の製造材料として人気があります。チタンは、硝酸、有機酸、湿った塩素ガス、海水などのさまざまな激しい腐食性媒体に対して優れた安定性を持ち、特に酸化環境や中性環境での長期使用に適しています。

一般的なチタン素材には純チタン（例えばTA1、TA2など）とチタン合金（例えばTC4など）が含まれます。純チタンは優れた溶接性と成形性を持ち、強度が低くても高い耐食性が必要な容器、例えば塩水貯蔵タンク、電解めっき槽、化学反応器などに広く使用されています。チタン合金は強度と耐食性の両方を備えており、圧力を受けたり高ストレスの状況に適しています。

チタン素材は高価で加工が難しく、溶接時には非常に厳しい環境条件（不活性ガス保護が必要）が要求されますが、主にハイテク製品や高付加価値製品に使用されます。航空宇宙、航空、深海工学、海水淡水化装置、医療機器などの分野で、チタン素材はますます代替不可能な役割を果たしています。

どうやって選ぶか？

実際のエンジニアリングでは、作業条件が異なると材料選択も異なります。例として、製油所の脱硫塔を取り上げると、その媒体には水素硫化物、アンモニア、塩化物など、非常に腐食性の高い成分が含まれています。この場合、選ぶのは適切です。 316L 不鋼 または2205二重系ステンレス鋼です。発電所のボイラーでは、高温高圧の蒸気が極めて高い要求を置き、12Cr1MoVまたはSA387合金鋼がよく使用されます。

肥料工業では、合成アンモニア装置で使用される高圧反応器には、チタン複合板やハステロイ複合板などの特殊材料がよく使用されます。食品加工業界では、衛生と清潔さを確保するために、オーステナイト系ステンレス鋼材である 304L および316Lがよく使用されます。

したがって、エンジニアリング応用においては、材料選択を装置の作動圧力、温度、媒体の種類、運転サイクル、経済性、および規格適合性と組み合わせる必要があります。安全性、信頼性、経済合理性を兼ね備えた材料を選択するために、さまざまな要因を考慮する必要があります。

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