JPH03229826A - 海水中で使用される圧力容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、例えば潜水夫用酸素ボンベ等の如き、空気
その他のガスの貯蔵容器等として好適な“海水中で使用
される圧力容器”の製造方法に関するものである。

〈従来の技術〉 現在、各種圧力容器の設計・製作には非常に厳しい注意
が払われており、日本工業規格（Ｊ　Ｉ　Ｓ）や米国機
械学会規格（Ａ　Ｓ　Ｍ　Ｅ）等においても圧力容器に
係る多くの規格が設けられている。しかしながら、上記
各規格は何れも室温又は中・高温の大気中での使用を想
定したものであり、適用される材料も該想定条件に沿っ
た観点からの規定がなされるに留まっていた。もっとも
、容器の内容物が腐食性物質である場合には、それを考
慮してステンレス銅等の耐食材料が適用されることは言
うまでもない。

そして、近年、次第に圧力容器の使用圧力増大や軽量化
への要求が高まってきたことに呼応して容器材料の高強
度化が進められ、例えばＪＴＳのＧ３２０４に「圧力容
器用調質型合金鋼鍛鋼品」として規定された高強度鋼や
ＡＳＭＥのｒＢｏｉｌｅｒ＆　　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　
Ｖｅｓｓｅｌ　　Ｃｏｄｅ　　５ｅｃｔｉｏｎ　■　Ｊ
　　にＳＡ　−７２３として規定された高強度鋼が圧力
容器材料の代表的なものとなっている。

なお、上記圧力容器用高強度鋼の特徴は基本的には何れ
も化学成分組成のみにあり、中炭素マルテンサイト組織
の強度を利用し、焼入性確保のため圧力容器の胴部肉厚
に応して合金元素を添加したものである。ただ、このと
き十分な靭性を得るためＪＩＳでは焼戻し温度が６１０
℃以上に、またＡＳＭＥでは焼戻し温度が５４０℃以上
と規定され、更に熱処理時の保持時間はＪＩＳ及びＡＳ
ＭＥ共に厚さｌ　ｍｍに対して１．２分以上と定められ
ている。

一方、最近、潜水夫の酸素ボンへや潜水調査船のガス貯
蔵容器等、海水中で使用される圧力容器の需要が目立っ
て増える傾向にあり、大気中とは異なった環境に適用す
る圧力容器用材料に対する検討も盛んに行われるように
なってきたが、従来、比較的需要の多かった海水中低圧
下での圧力容器には次に示す鋼材が主流を占めていた。

鋼材の化学組成 Ｃ：　０．２５〜０．３０％（以降、成分割合を示す％
は重量％とする）。

Ｓｉ　：　０．１０〜０．３５％、　門ｎ　：　０．６
５％以下Ｐ：０．０５％以下、　　　　Ｓ：０．０５％
以下Ｃｒ：２．５〜３．５％、　　　　Ｍｏ　：　０．
３０〜０．７０％Ｆｅ及び不可避不純物：残部。

鋼材の機械的性質 降伏強さ：　７０ｋｇｆ／ｕｒｎ！（６８６ＭＰａ）以
上。

引張強さ：　８５ｋｇｆ／ｍ％（８３３ＭＰａ）以上。

伸び：１５％以上、　絞り２２５％以上０℃シャルピー
衝撃値：６０Ｊ／ｃｆｌ１以上。

しかし、このような海水中で使用される圧力容器にも適
用圧力増大や軽量化の指向は例外なく及んできており、
より一層強度の高い材料の開発がまたれていた。そのた
め、前記圧力容器用高強度鋼の適用を試みた場合、この
材料では所望強度を得ようとすると靭性が不足し、靭性
を満足させようとすると今度は強度不足を来たすとの不
都合があって上記用途に適するものではないとの結論が
出された。

そこで、更に高強度の圧力容器鋼、例えば前記ＡＳＭＥ
の５Ａ−７２３の適用も検討されたが、前述した如く、
これらの材料は海水中での使用が考慮されていないため
高強度域（σｍ＞　１２５ｋｇｆ／ｍｍ”（１２２５Ｍ
Ｐａ））では遅れ破壊を生しる危険性があって、やはり
海水中用途に適するものではなかった。

このように、海水中で使用する実用的な圧力容器用材料
を考えた場合、従来の圧力容器用鋼は使用圧力を高める
ために強度を上げると靭性劣化や遅れ破壊と言った不利
を招くので不適当であり、結局、最近の要望に十分応え
得る“海水中で用いられる高圧力容器”の経済的な製造
方法は未知であると言わざるを得なかった。

そこで、本発明の目的は、最近の高圧化・軽量化要求に
対処できる十分な強度と靭性を有することは勿論、海水
に対する優れた耐食性及び耐遅れ破壊性をも示し、海水
中での使用に十分満足できる実用的な圧力容器の安定し
た製造手段を提供することに置かれた。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべくなされた数多くの
実験結果を踏まえ、“海水中で用いられる圧力容器”に
対する最近の要望に応えるには・まず該圧力容器の材料
として ａ）強度：現行の圧力容器を１５％以上軽量化するのに
必要な強度２ ｂ）靭性：現行圧力の１．４倍の圧力下でも脆性破壊し
ない靭性。

Ｃ）耐遅れ破壊性：海水中で遅れ破壊を生じることがな
い。

ｄ）耐食性：海水中での耐食性が現行材を下回らない。

との特性を備えた鋼材の開発が欠かせないとの結論に達
し、更に現行の圧力容器製造実態の調査から、「圧力容
器の製造には現行の生産設備がほぼそのまま利用できる
ことを前提とすることが実際上必要であり、経済的条件
を一層満足させるためには、容器素材として低合金鋼を
用い、これを熱間鍛造して継目無し容器の粗形を得た後
所定寸法に機械加工し、更に熱処理により必要性能を確
保すると言う工程を踏襲できる手段が望まれる」点を強
く認識せしめられるに至った。

そして、これを実現するためには、各工程において前記
観点からの最適条件を見出し、これらを総合したときの
製品諸性能が必要特性を満たすか否かの調査が欠かせず
、特に、そのための基準とずべき必要機械的性質として
、これまで定量的に把握されていなかった脆性破壊を確
実に防ぐための“破壊靭性値”の考え方を導入すること
が重要である点を明らかにし、更に研究を続けた結果、
以下に示すような知見を得ることができた。

即ち、低合金鋼の化学成分組成、容器に成形する際の鍛
練比並びに熱処理条件（焼入れ・焼戻し条件）を工夫し
て適正に組み合わせると、海水中で使用される圧力容器
として好都合な鋼材組織が安定して達成され、 降伏強さ：　９５ｋｇｆ／ｍｍ２（９３０ＭＰａ）以上
。

引張強さ：　１２５ｋｇｆ／ａｄ（１２２５ＭＰａ）以
下。

伸び＝２５％以上。

絞り＝４０％以上。

０℃シャルピ衝撃値：６０Ｊ／ｃｏ？以上。

０℃平面歪破壊靭性値： ３５５　ｋｇｆ／ｍ””（１１０ＭＰａ５）以上。

を有する鋼材で構成された圧力容器の量産が可能となる
上、このような圧力容器は海水中用途としての今日の要
望を十分に満たすものであることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 ｒ　Ｃ：　０．２５〜０．３５％、　　Ｓｉ：０．１０
〜０．４０％Ｍｎ　：　０．５０〜１．２０％、　　　
Ｐ：０．０２０％以下Ｓ　：　０．０２０％以下、　　
　Ｎｉ　：　２．２〜３．０％叶：　０．８０〜１．４
０％、　　Ｍｏ　：　０．３０〜０．８０％Ｖ　　：　
　０．０１５〜０．２０％、　　　ｓｏｌ、　　Ａｆｌ
　：　　０．０１５〜０．０６０％Ｎ　：　０．００６
〜０．０１５％ を含む（但し、Ｎｉ十ｃｒ−３，５０〜４．０％｝と共
に、残部が実質的にＦｅである鋼を、胴部の鍛練比が４
〜１５となるように鍛造して容器形状とした後、８５０
〜９２０℃に加熱し該温度に胴部板厚１ｃｍ当り３０分
以上保持してから焼入れ、を施し、更に５８０〜６５０
℃で焼戻すことによって、少なくとも胴部の機械的性質
が 降伏強さ：　９５ｋｇｆ／ｎｏ＋Ｉ以上。

引張強さ：　１２５ｋｇｆ／ｍｍ２以下伸び：１５％以
上。

絞り：２５％以上。

０℃シャルピ衝撃値：６０Ｊ／ｃｒａ以上。

０℃平面歪破壊靭性値：　４００ｋｇｆ／鶴３″以上を
示し、かつ優れた耐食性及び耐遅れ破壊性も備えた海水
中で使用するのに好適な圧力容器を安定して製造し得る
ようにした点」 に特徴を有している。

次に、本発明において、圧力容器の化学成分組成１機械
的性質及び製造条件を前記の如くに限定した理由をその
作用と共に説明する。

く作用〉 八）化学成分組成 （ａ）　　Ｃ Ｃはマルテンサイト組織における主要強度支配元素であ
り、圧力容器としての所要強度を確保するには０．２５
％以上の添加が必要である。一方、Ｃ含有量が０．３５
％を超えると靭性を損なうようになることから、Ｃ含有
量は０．２５〜０．３５％と定めた。

（ｂ）　　５ｉ Ｓｉは鋼の脱酸と焼入性確保の観点から０．１０％以上
の添加が必要であるが、同時にＳｉは粒界及び母相の靭
性を低下させるので含有量の上限を０．４０％と定めた
。

（Ｃ）　　Ｍｎ Ｍｎには鋼の脱酸、脱硫及び焼入性を向上させる作用が
あるが、その含有量が０．５０％未満では前記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、１．２０％を超えて含
有させると非金属介在物が残留する恐れが生じることか
ら、Ｍｎ含有量は０．５０〜１．２０％と定めた。

（ｄ）　　Ｐ、及びＳ Ｐ及びＳは何れも鋼の清浄度を下げる有害な不純物元素
であり、特に遅れ破壊の抵抗性を改善するためにもその
含有量を極力低く抑えることが望ましい。しかし、Ｐ及
びＳ含有量を余りに低く抑えることは経済的ではないの
で、この観点から何れの含有量も上限を０．０２０％と
定めた。

（ｅ）　　　Ｎｉ Ｎｉは鋼の靭性を損なうことなく焼入性を改善する作用
を有しているが、その含有量が２．２％未満では所望の
焼入れ性を確保することができず、方、経済性と添加効
果の点より上限を定め、Ｎｉ含有量は２．２〜３．０％
と限定した。

（ｆ）　　Ｃｒ Ｃｒは、Ｎｉと同様の作用に加えて耐食性の改善作用を
も有しているが、その含有量が０．８０％未満では前記
作用による効果が十分でなく、一方、経済性と添加効果
の点より上限を定め、Ｃｒ含有量については０．８０〜
１．４０％と限定した。

なお、この場合にＮｉ含有量とＣｒ含有量の総和が３．
５０％未満では所望の降伏強さが安定して確保できない
場合があり、一方、Ｎｉ含有量とＣｒ含有量の総和が４
．０％を超えると破壊靭性値が低下し始めることから、
Ｎｉ　＋Ｃｒ＝３．５０〜４．０％と限定した。

（ｇ）　　Ｍ。

Ｍｏには鋼の焼入性及び靭性を改善する作用があり、特
にＰの有害性を抑えて耐遅れ破壊性を向上するのに有効
な元素である。しかし、その含有量が０．３０％未満で
は前記作用による所望の効果が期待できず、一方、経済
性と添加効果の観点より上限を定め、Ｍｏ含有量は０．
３０〜０．８０％と限定した。

（ｈ）　　Ｖ ■は鋼の降伏点を上昇させる作用を有するが、その含有
量が０．０１５％未満では前記作用による所望の効果が
得られず、一方、０．２０％を超えて含有させると靭性
低下を招くことから、■含有量については０．０１５〜
０．２０％と定めた。

（ｉｌ　　ｓａｔ、　ＡＮ Ａ１は鋼の脱酸及び結晶粒微細化に効果を有し、耐遅れ
破壊性を改善する作用があるが、ｓｏｆ、ＡＩ！含有量
が０．０１５％未満では前記作用による効果が十分でな
く、一方、０．０６０％を超えて含有させると非金属介
在物が残留する恐れがあるため、ｓｏｆ、Ａｆ含有量は
０．０１５〜０．０６０％と定めた。

（Ｊ）　　　Ｎ ＮにはＭと化合物を作って結晶粒を微細化する作用があ
るが、その含有量が０．００６％未満であると前記作用
による所望の効果が得られず、一方、０、０１５％を超
えて含有させると粗大なＡｆＮが残留するようになって
上記効果を減じることから、Ｎ含有量は０．００５〜０
．０１５％と定めた。

Ｂ）機械的性質 （ａｌ　　降伏強さ〔σ、〕 圧力容器は、基本的には胴部での発生応力（σ）が材料
の降伏強さ（σｙ）より十分低くなるよう設計される。

また胴部板厚（１）は であり、同じ使用圧力及び大きさの容器であれば高い降
伏強さを有する材料を用いることにより板厚を小さくし
、軽量化することができる。そして、本発明においては
要求されている十分な軽量化効果の確保と言う観点から
、少なくとも容器胴部の降伏強さを９５ｋｇｆ／ｍｎＩ
（９３０ＭＰａ）以上と定めた。

（ｂ）　　引張強さ〔σ８〕 本発明の圧力容器において、これを構成する鋼材の引張
強さが１２５ｋｇｆ／ｍｍ２（１２２５ＭＰａ）を超え
ると海水中使用時に遅れ破壊が発生する恐れがあること
から、該引張強さを１２５ｋｇｆ／ｍｍ２以下と定めた
。

（Ｃ）　　伸び、絞り、及びシャルピ衝撃値伸び、絞り
及びシャルピ衝撃値については現行材の実績値以上とす
れば圧力容器として十分に満足できる性能が確保できる
ことから、その値である「伸び：１５％以上」、「絞り
：２５％以上」「０℃シャルピ衝撃値：　６０　Ｊ／ｃ
ｍ２以上」を基準値と定めた。

（ｄｌ　　破壊靭性値 海水中で使用する圧力容器において脆性破壊が発生しな
い条件は、いかなる場合も ｋ＜ｋ が成立することである。なお、ｋは で表わされ、応力或いは欠陥が大きくなるほど大きくな
る。Ｋが最大となるのはａ（欠陥の大きさ）が板厚を貫
通する時であり、この場合においても、脆性破壊さえし
なければ内容物が漏洩して内圧が低下するので破局的な
破壊に至らない。そして、本発明では海水中で使用する
圧力容器の要望条件を６−４３　ｋｇｆ／ｍｍ２（４２
０ＭＰａ）、　ｔ＝　２０１璽と把握したことからｋ”
Ｘ＝　３”　”ｋｇｆ／ｍ””（１１０ＭＰａ５）とな
り、そのためｒ　ｋ　＋ｃ＝　４００　ｋｇｆ／ｍ””
　（１２４Ｍ　Ｐ　ａ　５）　Ｊを材料の必要破壊靭性
値の下限とした。

Ｃ）鍛練比 鋼塊から鍛造によって容器形状を成形する際、鍛練比を
大きくすると強度を上げることな（靭性を改善すること
ができる。即ち、第１図は低合金鋼の鍛練比と０℃シャ
ルピー衝撃値との関係を示すグラフであるが、この第１
図からも鍛練比の増大と共にシャルピー衝撃値も上昇す
ることが分かる。

そして、前述した現行材における以上のシャルピ衝撃値
を安定して確保するためには、上記鍛練比を４以上にす
る必要があることから、鍛造の際の少なくとも胴部にお
ける鍛練比の下限を４と定めた。しかしながら、鍛練比
を大きくしていくと衝撃値を始めとした機械的性質の異
方性が顕著となり、甚だしい場合には鍛練比の増大につ
れて衝撃値が低下することがある。特に、本発明に係る
圧力容器は継目無し一体鍛造製のものであって容器各部
の鍛練比がそれぞれ異なるため、全ての部分、全ての方
向に亘って良好な衝撃値を確保しようとの観点から鍛練
比の上限を定め、結果として鍛練比の範囲を４〜１５と
限定した。

Ｄ）焼入れ時の加熱温度及び保持時間 焼入れ時の加熱温度が８５０℃未満であるとオスナナイ
ト組織中への炭化物の固溶が不十分になる恐れがあり、
一方、上記加熱温度が９２０℃を超えるとオーステナイ
ト結晶粒が大きくなって焼入れ後の組織も粗くなり、靭
性が低下することから、焼入れ時の加熱温度は８５０〜
９２０℃と定めた。

また、加熱保持時間が胴部板厚１　ｃｍ当りにつき３０
分を下回ると十分な焼入れがなされず、所望の強度及び
靭性を安定して確保できない恐れがあることから、加熱
保持時間は胴部板厚１ｃｍ当り３０分以上と定めた。

Ｅ）焼戻し温度 焼戻し温度が５８０℃未満であると強度が必要以上に高
くなる上、靭性にも乏しくなり、一方、６５０℃を超え
る温度で焼戻した場合には必要とする強度が得られなく
なることから、焼戻し温度は５８０〜６５０℃と定めた
。

続いて、本発明を実施例により更に具体的に説明する。

〈実施例〉 まず、第１表に示す化学成分組成の２種類の鋼塊を溶製
し、次いで胴部鍛練比が４．５〜９となるように熱間横
型プレスで第２図で示す如き継目無し容器を製作した。

次に、この継目無し容器を９１０℃に加熱して２時間保
持した後、油焼入れした。続いて、この継目無し容器に
は焼戻し処理が施されたが、焼戻し温度は何れも６１０
℃とした。

そして、このようにして得られた各圧力容器について降
伏強さ、引張強さ、衝撃値、破壊靭性値並びに耐海水腐
食性を調査し、その結果を第２表に示した。ここで、引
張試験はＪＩＳＺ２２４１に、破壊靭性試験はＡＳＴＭ
Ｅ３９９に、また耐海水腐食試験はＡＳＴＭ　Ｇ　３１
にそれぞれ従って実施した。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明で
規定する条件通りに製作された圧力容器は十分満足すべ
き機械的性質を有するのに対して、製造条件が本発明の
規定から外れている従来品では十分な機械的性質を示さ
ないことが分かる。

また、耐食性についても、実際上問題となり、しかも腐
食量の大きい乾湿繰り返し腐食は、本発明に係る圧力容
器では腐食量が０．７０３　ｇであったのに対して、従
来の容器では０．９１９　ｇと大きかったことが確認で
きる。

更に、本発明に係る圧力容器につきｋｌｃ直下のに＋　
＝１７０ＭＰａ下で６０００時間の遅れ破壊試験を実施
したが、この条件では遅れ破壊が発生せず、十分良好な
耐遅れ性能を有することも確認された。

上述の試験結果からも、本発明に従った場合には、十分
に満足できる性能を備えた海水中使用圧力容器を安定し
て得られることが明らかである。

なお、本発明に係る圧力容器の製造手段は海水中で使用
される圧力容器そのものの製造に止まらず、容器の付帯
設備（バルブ、配管類等）の製造にも適用することがで
き、更に大気中の類似機器に適用できることも勿論であ
る。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、従来品に比べて
十分に使用圧力高めたり軽量化したりでき、しかも遅れ
破壊等を生しることもない、耐久性に優れた高性能の海
水中使用圧力容器をコスト安く安定提供することが可能
となるなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、低合金鋼の鍛練比とシャルピー衝撃値との関
係を示すグラフである。 第２図は、実施例で試作した圧力容器形状を示す概略説
明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　重量割合にて Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０
   ％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｐ：０．０２０％以
   下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎｉ：２．２〜３．０％、
   Ｃｒ：０．８０〜１．４０％、Ｍｏ：０．３０〜０．８
   ０％、Ｖ：０．０１５〜０．２０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０
   ．０１５〜０．０６０％、Ｎ：０．００６〜０．０１５
   ％ を含む｛但し、Ｎｉ＋Ｃｒ＝３．５０〜４．０％｝と共
   に、残部が実質的にＦｅである鋼を、胴部の鍛練比が４
   〜１５となるように鍛造して容器形状とした後、８５０
   〜９２０℃に加熱し該温度に胴部板厚１ｃｍ当り３０分
   以上保持してから焼入れを施し、更に５８０〜６５０℃
   で焼戻すことを特徴とする、胴部の機械的性質が 降伏強さ：９５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上、 引張強さ：１２５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以下、 伸び：１５％以上、 絞り：２５％以上、 ０℃シャルピ衝撃値：６０Ｊ／ｃｍ＾２以上、０℃平面
   歪破壊靭性値：４００ｋｇｆ／ｍｍ＾３＾／＾２以上を
   示す海水中で使用される圧力容器の製造方法。