二相ステンレス鋼フランジの完全ガイド: グレード、規格、選択

配管システムが塩化物による応力腐食割れ、孔食、または高い機械的負荷に耐える必要がある場合、より高価なニッケルベース合金に移行することなく、二相ステンレス鋼フランジが通常は正しい答えとなります。理由は簡単です。二相グレードはフェライトとオーステナイトの微細構造を組み合わせており、標準の 304L または 316L ステンレス鋼のおよそ 2 倍の降伏強度を与え、同時に良好な靱性と局部腐食に対する優れた耐性を維持します。

フランジを評価するバイヤーまたはエンジニアにとって、実際的な結果として、二相フランジは多くの場合、同等のオーステナイト系ステンレス鋼フランジよりも低い圧力クラスまたはより薄いハブで指定できることがわかります。これは、材料コストだけでなく、フランジ自体の重量、ボルト締めにかかる負荷、およびジョイント全体の剛性にも影響します。この記事では、主な二相ステンレス鋼のグレード、その寸法と圧力定格を管理する規格、二相ステンレス鋼フランジをメーカーに注文する際に最も重要な検査ポイントについて説明します。

何 二相ステンレス鋼フランジ 微細構造が重要である理由とその理由

二相ステンレス鋼 は、およそ 50% のフェライトと 50% のオーステナイトからなる二相微細構造を持つ合金です。このバランスの取れた構造は、ニッケル、窒素、マンガンなどのオーステナイト安定化元素と、クロム、モリブデン、シリコンなどのフェライト安定化元素の比率を制御することによって実現されます。その結果、フェライト系ステンレス鋼の高い強度と応力腐食割れに対する耐性と、オーステナイト系グレードの靭性と溶接性が組み合わされます。

オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、二相グレードは大幅に高い降伏強度を実現し、通常、標準の 2205 グレードでは約 450 ～ 550MPa であるのに対し、304L または 316L では約 210 ～ 220 MPa です。フランジ用途では、この強度上の利点は、ASME B16.5 圧力温度定格での設計応力値がより高いことを意味するため、同じサイズおよびクラスのオーステナイト系フランジでは限界がある使用条件では二重フランジを検討できます。

フェライト系ステンレス鋼と比較して、二相グレードは、特に低温での靭性がはるかに優れており、従来の技術を使用して溶接可能です。これにより、二重フランジは、ボルトオンのコンポーネントだけでなく、製造されたパイプのスプールや溶接接続にも適しています。

超合金やニッケル基合金と比較して、二相グレードは大幅に安価でありながら、広範囲の腐食性媒体をカバーします。これが、二重フランジがオフショア石油およびガス、化学処理、海水処理、およびその他の塩化物が豊富な環境においてデフォルトの仕様になっている理由です。

二相ステンレス鋼フランジの主な合金元素

二重フランジの性能は、次の要素の正確なバランスに依存します。

• クロム(Cr): クロムは耐食性の主な要因であり、二相グレードには約 21 ～ 28% 含まれています。フェライト相を促進し、鋼を保護する不動態酸化物層を形成します。
• ニッケル(Ni): ニッケルはオーステナイトを安定させ、靭性を向上させます。二相グレードのニッケル含有量はオーステナイトグレードよりも低く、通常は 4.5 ～ 8% であり、これがコスト安定性が高い理由の 1 つです。
• モリブデン (Mo): モリブデンは、塩化物環境における孔食および隙間腐食に対する耐性を向上させます。これは、標準デュプレックスおよびスーパーデュプレックス グレードに約 2.5 ～ 4% 含まれています。
• 窒素(N): 窒素は強力なオーステナイト安定剤であり、強度と耐孔食性の両方を高めます。一般的な値は 0.14 ～ 0.28% です。
• マンガン (Mn): マンガンは、より希薄なグレードまたはより経済的なグレードのオーステナイト安定剤として使用され、部分的にニッケルの代替として使用できます。

クロム、モリブデン、窒素の複合効果は、多くの場合、耐孔食性当量数 (プレン) として表され、PREN = Cr 3.3Mo 16N として計算されます。一般に、PREN が高いほど、塩化物使用における耐孔食性が優れていることを示します。

共通 デュプレックスグレード フランジ製造に使用

二相ステンレス鋼フランジを注文する場合は、ASTM 製品仕様と対応する UNS 番号の両方を使用して材料グレードを指定する必要があります。これにより、特に商品名や古い名称に詳しいユーザーにとって、曖昧さが回避されます。すべての二相グレードが互換性があるわけではなく、耐食性、強度、コストの違いがかなり大きいため、間違ったグレードを選択することが安全な妥協点になることはほとんどありません。

ほとんどの工業用配管用途では、 UNS S32205 (2205) はデフォルトの二重グレードです 耐食性、機械的強度、溶接性、入手しやすさのバランスが優れているためです。 UNS S31803 は、窒素とモリブデンの制限がわずかに低い初期の 22% Cr 二相グレードです。プロジェクトで S31803 が指定されている場合、S32205 が同等またはより優れた代替品として受け入れられるかどうかを確認する価値があります。

2205 グレードとスーパーデュプレックス グレードの違い、特に海底サービスにおける臨界孔食温度 (CPT) については、多くのことが書かれています。短いバージョン: スーパー二相は、暖かく高度に塩素化された海水中での孔食または隙間腐食のリスクが標準二相では許容できないほど高い場合に指定されます。フランジの使用では、これは超二相鍛造品を指定し、熱処理、フェライト含有量、衝撃特性がすべて超二相鍛造材のより厳しい要件を確実に満たすことを意味します。

製造規格、寸法規格、圧力等級

二相ステンレス鋼フランジは、他の材料と同じ一般的なフランジ規格に従って製造およびテストされますが、材料仕様、鍛造方法、および熱処理は関連する ASTM 規格に準拠する必要があります。最も一般的な組み合わせは次のとおりです。

• ASME B16.5: 1/2 ～ 24 インチのフランジ、圧力クラス 150 ～ 2500 をカバーします。
• ASME B16.47: シリーズA、シリーズBの大径フランジ(26～60インチ)をカバーします。
• EN 1092-1: ヨーロッパおよび国際プロジェクトで一般的に使用される PN 定格フランジをカバーします。
• JIS B2220： 日本規格のプラントや装置で使用される5K、10K、16K、20Kのフランジをカバーします。

材料特性に関しては、二相鍛造品は通常、パイプ フランジおよび鍛造継手として ASTM A182 に供給されます。 A182 に基づく関連グレードの指定は、UNS S31803 の場合は F51、UNS S32205 の場合は F60、UNS S32750 の場合は F53、および UNS S32760 の場合は F55 です。ご注文がグレードと規格を指定せずに「二相鋼フランジ」のみを指定した場合、メーカーは寸法規格を満たす二相グレードを提供する可能性がありますが、これは重要なサービスの仕様の許容レベルではありません。

ASME B16.5 では、二相ステンレス鋼の圧力と温度の定格は 316L ステンレス鋼のそれと同じではありません。評価は、各材料グループの許容応力値を説明する ASME B16.5 表 2 で割り当てられた材料グループによって異なります。二相グレードは降伏強度が高いため、中間温度では一般に 316L よりも高い評価を受けますが、評価は降伏強度に単純に比例するわけではありません。二相フランジが同じクラスのオーステナイト系フランジを自動的に置き換えることができると仮定するのではなく、特定の材料グループの実際の評価表を使用することが重要です。

二重配管システムに適切なフランジ タイプを指定する方法

二相ステンレス鋼フランジは、標準フェーシングおよびハブ スタイルで利用可能です。

• 溶接ネック フランジ。テーパー状のハブが応力を伝達してパイプとフランジの間をスムーズに移行できるため、過酷な使用に適しています。
• スリップオン フランジは、低圧および低温でのサービスに使用され、組み立て時の位置合わせが容易です。
• 配管端または容器の開口部を閉じるブラインド フランジ。
• 重ね継手フランジ。パイプの材質とフランジの材質を変える必要がある場合や、頻繁に解体する必要がある場合に、スタブエンドと組み合わせて使用​​します。
• プレート フランジ。低圧用途に使用される平らで経済的なフランジです。

二重配管システムの場合、突合せ溶接接続によりスリップオン フランジに伴う完全溶け込み溶接の問題が回避され、溶接継手の耐食性が維持されるため、重要なサービスには溶接ネック フランジが最も一般的な選択肢となります。スリップオン フランジを二重パイプに使用する場合は、溶接ルートでの過剰なフェライトの形成や窒化クロムの析出を避けるために、すみ肉溶接の形状と入熱を注意深く制御する必要があります。

熱処理、フェライト含有量、および品質管理

二相ステンレス鋼フランジは、溶体化処理した状態で供給する必要があります。これは、フランジがグレードに応じて通常 1020°C ～ 1120°C の温度に加熱され、その後水中で急速に焼き入れされることを意味します。その目的は、シグマ相などの望ましくない二次相を溶解し、フェライトとオーステナイトの正しいバランスを回復することです。

熱処理はオプションのステップではありません。二相フランジの冷却が遅すぎる場合、または約 700°C ～ 950°C の危険な温度範囲に保持されると、フェライトとオーステナイトの境界にシグマ相が析出する可能性があります。シグマ相は硬くて脆く、周囲のクロムとモリブデンのマトリックスを消耗させ、耐食性の急激な低下につながります。このため、二相フランジのメーカーは、「焼きなまし済み」という証明書だけでなく、本物の炉の能力と書面による熱処理手順を必要とします。

鋳物工場または鍛造サプライヤーに二相フランジを注文する場合は、品質文書で次の点を確認してください。

• 実際の浸漬温度と焼入れ時間を示す熱処理チャート。
• 磁気法または金属組織検査によって測定されるフェライト含有量は、通常、標準二相では 35 ～ 65%、スーパー二相では 30 ～ 70% の範囲です。
• 指定された試験温度での降伏強さ、引張強さ、シャルピー V ノッチ衝撃エネルギーを含む機械的試験の結果。
• 塩化第二鉄中での耐孔食性に関する ASTM G48 メソッド A など、必要な場合の腐食試験結果。
• 特にフランジ面の平面度、ボルト穴の位置合わせ、ハブの寸法などの静水圧検査と寸法検査。

フランジ面の平面度は特筆に値します。フランジ面の歪みは、ガスケット漏れの最も一般的な根本原因の 1 つです。二相フランジは強力ですが、機械加工や溶接時の歪みを免れることはできません。最終機械加工後および出荷前に面の平坦度を検証することは、試運転中のより高価な問題を防ぐ簡単なチェックです。

二相ステンレス鋼フランジの実際の調達上の考慮事項

二相ステンレス鋼フランジの注文は、標準炭素鋼フランジの注文と同じではありません。通常、材料コストは高く、リードタイムは長くなり、材料トレーサビリティの要件はより厳しくなります。次の考慮事項は、購入の成功に直接影響します。

グレードの選定と仕様

グレードは商品名ではなく UNS 番号で定義します。 ASTM A182 グレード (2205 の F60 など) を指定し、UNS S32205 のより厳密な化学反応が必要かどうか、または S31803 が許容されるかどうかを示します。海中または高温海水でのサービスの場合は、スーパーデュプレックスを指定し、必要な PREN と臨界孔食温度を確認してください。多くのメーカーが提供する二相ステンレス鋼フランジの製品範囲には、標準グレードと超二相グレードが含まれます。カタログの説明に頼るのではなく、熱番号に応じた特定の材料証明書を求めてください。

圧力クラスと面仕上げ

特定の二相材料グループの ASME B16.5 評価表に対して圧力クラスを確認してください。 300 ポンド クラスの二重フランジは、300 ポンド クラスの 316L フランジと比較すると過剰仕様に見えるかもしれませんが、定格表は高温では必ずしも期待どおりであるとは限りません。また、面仕上げとガスケットの選択は相互に依存するため、フランジ面の仕上げ (通常、上げ面フランジの場合は 125 ～ 250 マイクロインチ RA として指定されます) とガスケットのタイプも確認してください。

トレーサビリティと文書化

二重認定またはプロジェクト固有の要件の場合、材料試験証明書には、熱価、化学分析、機械的特性、および補足試験の結果が示されている必要があります。フランジを現場で溶接する場合、溶接手順は正確な二相グレードに応じて適格である必要があり、溶接工もそれに応じた資格を持っている必要があります。二重溶接にはパス間の温度と入熱を厳密に制御する必要があり、すべての製造工場が二重溶接に特化した手順を持っているわけではありません。

カスタムおよび非標準フランジ

プロジェクトで標準外のサイズ、特殊な表面加工、または特殊な機械加工の詳細が必要な場合は、メーカーが圧延プレートではなく固体鍛造品から製造できるかどうかを確認する必要があります。鍛造二相フランジは一般に、特に重い部分において、プレートから切り出したフランジよりも優れた粒子流れとより安定した機械的特性を提供します。これは、フランジが高圧または循環使用される場合に重要な点です。

二相ステンレス鋼フランジの代表的な用途

二相ステンレス鋼フランジは、パイプの内容物が標準的なステンレス鋼を攻撃するほど攻撃的な場合に使用されます。実際には、最も一般的なアプリケーションは次のとおりです。

• 海水と塩化物を含む生産流体により、孔食や応力腐食割れの高いリスクが生じる海洋石油およびガスプラットフォーム。
• 塩素を含む中間体を製造する化学プラントおよび石油化学プラント、または塩化物含有量の高い冷却水を使用するプラント。
• 海水淡水化プラントおよび海水逆浸透システムでは、二相および超二相は塩化物孔食に対する耐性が指定されています。
• パルプおよび製紙工場では、漂白剤や塩化物を多く含むプロセス流が使用されるため、腐食と摩耗の両方に耐える材料が必要です。
• 凝縮水が酸性で塩化物を多く含む発電所の排煙脱硫システム。

これらの各環境では、二重フランジは通常、より大きな二重配管システムの一部であるため、フランジの材質はパイプおよび継手の材質と適合する必要があります。二相フランジと低グレードのパイプを混合することは場合によっては可能ですが、溶接部と熱影響部が最も弱い部分となります。ほとんどの場合、フランジ、パイプ、および継手は同じデュプレックス グレードに維持することをお勧めします。

温度が非常に高いサービスでは、二相ステンレス鋼は一般に適切な材料ではありません。その使用は、約 280°C ～ 300°C を超える温度では脆化現象が起こるため制限されます。極低温使用の場合、二相グレードの衝撃靱性はオーステナイト系グレードに比べて制限されていますが、グレードと厚さにもよりますが、約 -40°C までは許容されることがよくあります。ご注文前に設計コードで衝撃試験温度と吸収エネルギー要件をご確認ください。

何 To Check Before You Order

二相ステンレス鋼フランジをご注文いただく前に、メーカーまたはサプライヤーに以下の点をご確認ください。

1. 正確な材料グレードは、単なる「デュプレックス」ではなく、UNS 番号および ASTM A182 指定として記載されています。
2. 寸法規格 (ASME B16.5、ASME B16.47、EN 1092-1、または JIS B2220) および圧力クラス。
3. 熱処理要件: 溶体化焼鈍および水焼入れ、実際のパラメータのレポート付き。
4. 必要に応じて、降伏強さ、引張強さ、硬度、シャルピー衝撃などの機械的テストが必要です。
5. サービスに塩化物が豊富に含まれている場合、またはプロジェクトで最小 PREN が指定されている場合は、ASTM G48 メソッド A などの腐食試験が必要です。
6. 出荷前の表面仕上げ、ガスケットの種類、表面保護。
7. 鍛造、熱処理、機械加工、文書化にかかる時間を含む納期スケジュール。二相鋳造および鍛造品は炭素鋼よりも慎重なプロセス管理を必要とするため、必然的にリードタイムが長くなります。

リスクを軽減する実際的な方法は、鍛造、熱処理、機械加工、品質テストなどの生産ステップを社内で管理しているメーカーから購入することです。これにより、鍛造の下請け業者と機械加工の下請け業者の間での意思疎通の誤りのリスクが軽減され、文書化のチェーンも簡素化されます。メーカーが自社の熱処理ラインと試験装置を見せてもらえれば、フェライトの測定、温度制御、焼き入れのタイミングについて、より的を絞った質問をすることができます。

フランジ面の歪み、平坦度の低下、ボルト穴の位置合わせの不正確などの問題は、フランジがまだメーカーの作業場にある場合、はるかに簡単に解決できます。発送前に寸法検査レポートを要求し、重要なサービスについては第三者検査または工場受け入れテストを手配します。安全性や可用性の要件が高いプロジェクトの場合、工場検査にかかる追加コストは、使用中のフランジの故障にかかるコストよりもはるかに低くなります。

最終的な推奨事項

二相ステンレス鋼フランジは、材料、規格、品質管理の要件が適切に指定されている場合、成熟した信頼性の高い製品クラスとなります。二相フランジの選択における最も一般的な失敗は、入手可能な供給の不足ではなく、仕様が不足していることです。つまり、UNS 番号なしで「二相フランジ」を注文したり、特性を確認せずにグレードの代替を受け入れたり、二相フランジを標準のステンレス鋼と区別する追加の検査要件を見逃したりします。

ほとんどのプロジェクトでは、正しい圧力クラスの ASME B16.5 準拠の標準 2205 デュプレックス フランジを安全な出発点とし、完全な材料トレーサビリティ パッケージとともに提供され、溶体化処理され、必要な機械的特性が認証されています。スーパーデュプレックスのような複雑な調達を必要とせずに、デュプレックスの特徴である耐食性と強度が得られます。スーパーデュプレックスを真に必要とする環境（温海水、高塩化物、低 pH、海底設置など）に備えて節約しましょう。