インコロイ 945 パイプとインコロイ 803 パイプの重要な溶接および熱処理要件は何ですか?

1. Q: インコロイ 945 パイプとインコロイ 803 パイプの基本的な組成と特性の違いは何ですか?

A:インコロイ 945 とインコロイ 803 はまったく異なる産業分野にサービスを提供しており、その違いは根本的に異なる合金設計哲学と適用対象から始まります。

インコロイ 945 (UNS N09945)は、重度の酸性石油およびガスのサービス向けに特別に開発された析出{0}}硬化ニッケル-鉄-クロム合金です。公称組成は、ニッケル 48 ～ 52%、クロム 19 ～ 23%、モリブデン 2.5 ～ 3.5%、銅 1.5 ～ 2.5%、チタン 1.0 ～ 2.0%、アルミニウム 0.3 ～ 0.6%、ニオブ 0.3 ～ 0.6%、残りが鉄です。これは、複数の強化要素と耐食要素が大幅に追加された高度に合金化された材料です。-。ニッケル含有量が高い (約 50%) ため、塩化物応力腐食割れに対する優れた耐性が得られます。モリブデンと銅は孔食や還元酸に対する耐性を高めます。チタン、アルミニウム、ニオブは結合して複数の析出相-主にガンマプライム-（Ni₃(Al,Ti)）とガンマプライム-ダブル-プライム（Ni₃Nb）-を形成し、析出硬化をもたらします。インコロイ 945 は、熱処理条件に応じて 80 ～ 130 ksi (552 ～ 896 MPa) の範囲の降伏強度を達成します。

インコロイ 803 (UNS S30815)高温酸化と耐浸炭性を考慮して設計されたオーステナイト系ステンレス鋼です。{0}公称組成は、クロム 18 ～ 20%、ニッケル 8 ～ 10%、炭素 0.08 ～ 0.12%、シリコン 0.3 ～ 0.6%、窒素 0.04 ～ 0.10%、セリウム 0.03 ～ 0.08%、残部鉄です。モリブデン、銅、チタン、アルミニウム、ニオブが含まれていないことに注意してください。この合金は析出硬化ではありません。-その強度は固溶体と窒化物/炭化物の微細な分散から得られます。主な特徴は、高温での耐酸化性を大幅に向上させるセリウム-希土類元素-の添加です。この合金には、クリープ強度を高めるために制御されたシリコンと窒素も含まれています。インコロイ 803 は、室温で 35 ～ 45 ksi (241 ～ 310 MPa) の典型的な降伏強度を達成します。

冶金学的意味:インコロイ 945 は以下のために設計されています。湿った酸っぱい環境における高い強度と耐食性最大約 600 度 F (316 度) の温度で。これは、析出物が過大になって粗大化する可能性があるため、華氏 1000 度（538 度）を超える高温での使用を目的としていません。-インコロイ 803 は以下のために設計されています。高温対応-(最大 1850 度 F / 1010 度) 乾燥雰囲気またはわずかに酸化/浸炭雰囲気。水腐食に対する特別な耐性はなく、海水や酸性の塩水ではすぐに錆びたり穴が開いたりします。

それらの中から選択する:アプリケーションに関連する場合酸っぱい石油とガス、高圧{0}}、高強度の要件-(ダウンホールチューブ、海中マニホールド)、インコロイ 945 を選択してください。高温炉コンポーネント、ラジアント チューブ、または熱処理バスケット酸化または浸炭雰囲気では、インコロイ 803 を選択してください。両方の合金が実行可能な代替となる用途は事実上ありません。

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2. Q: Incoloy 945 および Incoloy 803 シームレス パイプを管理する業界標準と仕様は何ですか?

A:2 つの合金は、それぞれの異なる市場を反映した完全に異なる仕様枠組みに分類されます。{0}945 の場合は石油とガス、803 の場合は高温産業用暖房-。

インコロイ 945 シームレスパイプの場合:

ASTM B983– 析出{0}}硬化ニッケル-鉄-クロム合金継目無管の標準仕様（UNS N09945 および同様のグレードをカバー）。これは主なパイプ仕様です。

API 6ACRA– サワーサービスに使用される時効{0}}硬化ニッケル-ベースの合金に関する米国石油協会の仕様。この仕様には、特定の硬度、引張、衝撃要件が含まれています。

NACE MR0175 / ISO 15156– これは、インコロイ 945 の最も重要な規格です。酸性 (H₂S- を含む) 石油およびガス環境での使用に対する合金を認定します。この規格では、硫化物応力亀裂を防止するための最大硬度制限 (通常 35 HRC 以下) と許容可能な熱処理条件を指定しています。

ISO13680– 石油および天然ガス産業-インコロイ 945 を含むダウンホール設備の仕様。

追加の要件:インコロイ 945 の場合、購入者は希望の熱処理条件を指定する必要があります。

溶体化処理（軟質）– その後の冷間加工または成形用

溶体化焼鈍＋時効処理– 全力で直接サービスを提供するために

ダブルエイジド– 最適な強度と靱性の組み合わせ

インコロイ 803 シームレスパイプの場合:

ASTM A312 / ASME SA312・継目無オーステナイト系ステンレス鋼管の標準仕様です。 Incoloy 803 は通常、補足要件を伴うこの仕様に基づいて認定されます。

ASTM A240– プレート用ですが、化学および特性要件について参照されます。

EN 10088– ステンレス鋼の欧州規格 (合金 803 は 1.4893 としても知られています)。

ASME コードケース 2487– 最大 1850 度 F (1010 度) までのサービス向けに、ASME ボイラーおよび圧力容器コード構造で Incoloy 803 (S30815) を使用できます。

調達の主な違い:インコロイ 945 シームレス パイプは特殊製品であり、工場の供給源が限られており、リードタイムが長く (通常 12 ～ 20 週間)、コストが高くなります。インコロイ 803 シームレス パイプは、304H や 310H ほど一般的ではありませんが、標準のステンレス鋼グレードとしてより多くの市場で入手可能です。材料試験レポートにインコロイ 803 のセリウム含有量 (0.03 ～ 0.08%) が記載されていることを常に確認してください。これにより、標準の 309S または 310S ステンレス鋼と区別されます。

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3. Q: インコロイ 945 シームレス パイプが高強度サワーオイルおよびガスのダウンホール用途に適した材料であるのはなぜですか?{2}}

A:インコロイ 945 シームレス パイプは、深部、高圧、高温の油井やガス井における厳しい酸性サービス環境のベンチマーク素材となっています。-他の析出硬化合金に対するその優位性は、4 つの特定の特性によって説明されています。{4}

まず、高強度レベルでの硫化物応力亀裂 (SSC) に対する優れた耐性です。NACE MR0175/ISO 15156 は、サワーサービスで使用される材料に厳しい硬度制限 (通常は 35 HRC 以下) を課しています。多くの高強度合金 (インコネル 718 など) は、より高い強度を達成できますが、硬度の限界を超えているため、最も厳しい H2S 環境での使用が制限されます。インコロイ 945 は、硬度を 35 HRC 未満に維持しながら、100 ～ 130 ksi (689 ～ 896 MPa) の降伏強度を達成します。このユニークな組み合わせは、時効応答を注意深く制御することによって実現されます。-合金は微細で凝集した析出物を生成し、過度の硬度を持たずに強度を高めます。 H₂S 分圧が 100 psi (0.7 MPa) を超える井戸での現場経験により、インコロイ 945 の SSC に対する耐性が確認されています。

2 番目に、高いニッケル含有量による優れた塩化物応力腐食割れ (SCC) 耐性があります。約 50% のニッケルを含むインコロイ 945 は、インコネル 718 (約 52% のニッケル) などの他の析出硬化合金よりもニッケルが大幅に多くなっていますが、より重要なのは、ニッケル マトリックスが塩化物 SCC に対する固有の耐性を備えていることです。{2}地層水の塩化物が 150,000 ppm を超え、底孔温度が 350 ～ 450 度 (177 ～ 232 度) の深井戸では、低級ニッケル材料は数か月以内に SCC によって破損します。 Incoloy 945 チューブは、これらの条件下で 10 年を超える耐用年数を実証しています。

第三に、優れた耐孔食性および耐隙間腐食性。2.5 ～ 3.5% のモリブデンと 1.5 ～ 2.5% の銅の組み合わせにより、インコロイ 945 の耐孔食性相当数 (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) は約 32 ～ 36 になります。これはインコロイ 825 (PREN 〜30〜33) よりも大幅に高く、超二相ステンレス鋼に匹敵します。元素状硫黄を含む環境（サワーガス井で一般的）では、銅は硫黄-による腐食に対する追加の保護を提供します。

4 番目に、長期使用時の熱安定性です。-400 度 (204 度) を超える温度で過度に老化して急速に軟化する一部の析出硬化合金とは異なり、インコロイ 945 は 450～500 度 (232～260 度) に長時間さらされた後でも強度を維持します。{0}}ニオブの添加により析出物の構造が安定化し、粗大化が防止されます。この熱安定性は、生産温度が数十年間にわたって高温に維持される深井戸にとって非常に重要です。

代表的な用途:HP/HT (高圧/高温) サワーガス井のダウンホール生産チューブ、パッカー、地下安全バルブ、研磨ボア レセプタクル、およびハンガー システム。これらの用途では、インコロイ 945 はインコネル 718 およびインコロイ 925 と競合します。120 ksi の降伏強度、NACE MR0175 準拠、および耐孔食性の組み合わせが必要な場合に、インコロイ 945 が選択されることがよくあります。

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4. Q: インコロイ 803 ステンレス鋼パイプが高温炉や熱処理用途に適しているのはなぜですか?{2}}

A:インコロイ 803 ステンレス鋼パイプ (UNS S30815) は、309S や 310S などの標準的なオーステナイト系ステンレス鋼では早期に破損してしまう高温工業用加熱用途で広く受け入れられています。- 3 つの具体的な特徴がその優位性を説明します。

まず、セリウム添加による優れた耐酸化性。すべてのオーステナイト系ステンレス鋼は、酸化保護のために酸化クロム (Cr₂O₃) スケールに依存しています。ただし、1800 度 F (982 度) を超える温度では、酸化クロムの揮発性が高まり、熱サイクル中に破砕します。 Incoloy 803 には、2 つの重要な方法で酸化スケールを変化させるセリウム-希土類元素-が 0.03～0.08% 含まれています。まず、セリウムはスケールの付着を改善し、熱サイクル中の剥離を防ぎます。第二に、セリウムは、より微細な粒子でより保護性の高い酸化物構造の形成を促進します。-連続焼鈍炉、セメントキルン、廃熱ボイラーでの現場経験から、インコロイ 803 チューブは同一条件下でタイプ 310H (UNS S31009) よりも 2 ～ 3 倍長持ちすることが示されています。セリウムの効果は非常に顕著であるため、インコロイ 803 は、310H の一般的な制限よりも高い 1850 度 F (1010 度)-までの使用温度に指定されることがよくあります (短期では 1850 °F 対 . 2000 度 F-、ただし長期安定性はより優れています)。-}。

第二に、シリコンと窒素による耐浸炭性の向上。炭化水素-を含む雰囲気（石油化学炉、吸熱ガスによる熱処理など）では、炭素の拡散（浸炭）により標準のステンレス鋼が脆化します。インコロイ 803 には 0.3 ～ 0.6% のシリコンが含まれており、酸化クロム スケールの下にシリカ (SiO₂) サブ- 層の形成が促進されます。このシリカ層は炭素に対する拡散障壁として機能します。制御された窒素含有量 (0.04 ～ 0.10%) は、粒界を固定する微細な窒化物の形成にも役立ち、炭素の拡散経路を減少させます。水蒸気メタン改質装置のピグテールおよび移送ラインにおいて、インコロイ 803 は 310H よりも大幅に優れた耐浸炭性を実証しました。

第三に、微細な析出物の分散による高温クリープ強度です。-インコロイ 803 は析出硬化型合金ではありませんが、クロム炭化物と窒化物の微細な分散により、1500 ～ 1700 度 F（816 ～ 927 度）で有用なクリープ強度を実現します。{0} 0.08 ～ 0.12% の炭素と 0.04 ～ 0.10% の窒素の組み合わせにより、緻密で安定した沈殿ネットワークが生成されます。インコロイ 803 の 1650 度 F (899 度) での 100,000- 時間クリープ破断強度は約 1.5 ～ 2.0 ksi (10 ～ 14 MPa) で、同等の温度での 3​​10H と同等かそれ以上です。

故障モードの比較:毎日の熱サイクルで 1750 度 F (954 度) で動作する熱処理炉のラジアント チューブ内:

タイプ 309S チューブは 6 か月後に酸化物の剥離が発生し、ホット スポットや焼き付きにつながります。-

タイプ 310H チューブは、剥離や浸炭により故障が発生するまで 12 ～ 18 か月持続します。

Incoloy 803 チューブは通常 36 ～ 48 か月のサービスを提供し、ダウンタイムと交換コストを削減します。

代表的な用途:焼鈍炉および浸炭炉の輻射管、熱交換器、バーナーノズル、キルン部品、セメント工場の予熱器サイクロン、および廃熱ボイラーチューブサポート。インコロイ 803 は、熱サイクルが頻繁に発生する熱処理作業のグリッドやバスケットにも使用されます。

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5. Q: Incoloy 945 パイプと Incoloy 803 パイプの重要な溶接および熱処理要件は何ですか?

A:インコロイ 945 とインコロイ 803 の溶接には、根本的に異なるアプローチが必要です。これは、インコロイ 945 は析出硬化であり、溶接後の時効が必要であるのに対し、インコロイ 803 は固溶安定化されており、優れた溶接性を備えているためです。{3}

インコロイ 945 パイプの場合 (析出硬化-):

フィラー金属の選択:使用ERNiCrMo-3(インコネル 625) またはERNiCrMo-10(インコネル 622) を標準フィラーとして使用します。これらのモリブデン-含有フィラーは、母材金属と同等またはそれを超える耐食性を提供します。最高強度の用途では、ERNiCrFe-2(インコネル 718 フィラー) を使用することもできますが、溶接後の熱処理のマッチングを慎重に行う必要があります。- ERNiCr-3 (モリブデンが含まれていない) やステンレス鋼フィラーは絶対に使用しないでください。

入熱制御：最高パス間温度: 200 度 (93 度)。熱入力は 20 ～ 35 kJ/インチ (8 ～ 14 kJ/cm) に制限されます。入熱が高くなるとニオブとチタンの偏析が生じ、亀裂のリスクが高まります。

溶接前の状態:常に溶体化処理（軟化）状態で溶接してください。-時効状態では絶対に行わないでください。{1}溶接で劣化した材料は、熱影響部にひずみ-時効亀裂-を引き起こします。

-最大限の強度で使用するには溶接後の熱処理が必須です。

溶体化焼鈍(溶接後に必要な場合): 厚さ 1 インチあたり 1900 ～ 1950 度 (1038 ～ 1066 度) で 1 時間、その後急速冷却 (水冷)

老化処理：1325 度 F (718 度 ) まで加熱し、8 時間保持し、炉を最大 200 度 F (93 度 )/時間で 1150 度 F (621 度 ) まで冷却し、8 時間保持し、その後空冷します。

-溶接後の時効を行わないと、溶接継手の降伏強度は 40～50 ksi（276～345 MPa）のみです。-100+ ksi を必要とする油田用途にはまったく不十分です。

インコロイ 803 パイプの場合 (固体-):

フィラー金属の選択:使用ER309LまたはER310ステンレス鋼のフィラー。耐酸化性を合わせるために、ER309HまたはER310Hが好まれます。フィラーには同様のクロム含有量（20～25%）が必要で、理想的にはセリウムを添加する必要があります。-ただし、セリウムを含むフィラーは一般的に入手できないため-、標準の 309/310 フィラーを使用できます。

入熱制御：最高パス間温度: 300 度 (149 度)。熱入力は 25 ～ 45 kJ/インチ (10 ～ 18 kJ/cm) に制限されます。過剰な入熱は粒界で炭化クロムの析出（鋭敏化）を引き起こし、耐酸化性を低下させる可能性があります。

溶接前の洗浄:-アセトンまたは専用のステンレスブラシで掃除してください。高温使用中に表面劣化を引き起こす可能性がある炭素鋼の汚染をすべて除去します。-

溶接後の熱処理（通常は必要ありません）:{0}ほとんどの用途では、インコロイ 803 は溶接された状態で使用されます。-最大の耐酸化性が必要な場合 (例: サイクル使用中のラジアント チューブ)、1900 ～ 2000 度 F (1038 ～ 1093 度) での溶体化焼き鈍しとそれに続く急速冷却により、最適な微細構造が復元されます。歪みのリスクがあるため、溶接パイプではこの作業が行われることはほとんどありません。

重要な警告:

インコロイ 945 の場合:資格のある手順なしに溶接は絶対に行わないでください。経年劣化した状態での溶接は絶対に行わないでください。圧力を含むコンポーネントの-溶接後の時効処理-を絶対に省略しないでください。合金はひずみ時効割れに対して敏感であるため、熱処理の昇温速度を慎重に制御する必要があります。

インコロイ 803 の場合:低-シリコン フィラー-を使用しないでください。ベースメタル中のシリコン（0.3～0.6%）は耐酸化性を向上させるため、それに応じて適合するフィラーを選択する必要があります。溶接中は過熱しないでください。-過度の入熱は耐浸炭性を低下させます。炭素鋼のブラシや取り扱いツールは使用しないでください。-炭素鋼の粒子が埋め込まれているため、高温酸化の弱点が生じます。-

資格要件:

インコロイ 945 のサワーサービスの場合、溶接手順は NACE MR0175 に基づく硬度試験で認定される必要があります。熱影響部-および溶接金属の硬度は 35 HRC を超えてはなりません。これには、多くの場合、溶接後の溶体化処理と再時効処理のサイクルが必要です。{{5}さらに、重要な用途では、NACE TM0177 に準拠した硫化物応力亀裂試験 (方法 A または D) が必要になる場合があります。

高温サイクル使用における Incoloy 803 の場合、認定には酸化スケールの付着を検証するための熱サイクル試験が含まれる必要があります。-規格には成文化されていませんが、多くの炉オペレータは、溶接接合部が優先酸化部位にならないことを証明することを要求しています。