延性スプールコンポーネントの故障の原因と治療法

化学加工業者や石油精製業者が、加工工場や製油所の建設を指定し、監督するという長く困難なプロセスに取り組むとき、そのプロセスは 100 万ピースのジグソーパズルを組み立てるようなものです。 すべての長さのパイプ、すべてのバルブ、すべてのフランジ、およびすべてのスプールには、多くの場合困難な温度と圧力の下で実行すべき特定の仕事があり、それによって他のすべての部品がその仕事を遂行し、プラントが意図したとおりに動作することができます。

時々、物事がうまくいかないことがあります。 障害が軽度、大規模、または壊滅的であるかに関係なく、原因を特定するために調査が行われます。 正しいアイテムがインストールされましたか? 正しくインストールされましたか? そうであれば、次の仕事はアイテムを評価することです。 なぜ失敗したのでしょうか?

単に部品を交換するだけではありません。 致命的な故障が発生すると、怪我や、場合によっては命が失われる可能性があります。 怪我が発生しなかった場合でも、次に考慮すべき点はダウンタイムです。 プラントの規模や生産能力に関係なく、障害に対処するためにシステムがシャットダウンされた場合、システムが再び稼働するまでは 1 円も生み出すことはありません。

北米の石油・ガス産業における炭素鋼のユーザーの一部は、このような故障に対処しなければなりませんでした。 -20 度 F (-29 ℃) という低い温度での使用が承認されている一部のスプール コンポーネントは、脆性破壊により故障しました。 多くの場合、故障は静水圧試験や冷間始動中に発生し、場合によっては異常な動作条件中に発生しました。 いつであっても、その後の質問は常に同じです。「なぜ?」

問題は、延性と脆性の 1 つです。 単一の連続体に沿って位置する延性は、引張応力下で材料が変形する能力 (破損せずに伸びる能力) を指しますが、脆性はそれができないことを指します。 材料の延性が増加すると、脆性破壊に耐える可能性が低くなります。

炭素鋼 (0.29 ～ 0.54 パーセントの炭素と 0.60 ～ 1.65 パーセントのマンガンを含む鉄材料) で作られた部品は、ASME VIII Div. によって考慮されます。 I および ASME B31.3 は、本質的に延性があるため、脆性破壊に対して耐性があると規定しています。 これらには、A105N フランジが含まれます。 A234 グレード WPA、WPB、および WPC シームレス フィッティング。 A106N パイプ (全グレード); およびA53シームレスパイプ。 ただし、-20 °F (-29 °C) までの使用を定格としている一部のコンポーネントは、そのような用途には適さないことが判明しています。 300 ポンド/平方インチ (PSI) 未満で動作する A105 炭素鋼製の一部のフランジと、厚さ 1/2 インチ未満の A106 グレード B 製の一部のパイプは、シャルピー V ノッチ衝撃靱性試験で評価されています。最低設計金属温度が 68 °F より低い場合は、使用に適さないことが判明しました。

ベルギー溶接研究所が実施した破損調査では、一部のフランジが大きな粒径を示していることが示されました。 さらなる調査により、ある特定のフランジ内に重大な微細構造のばらつきが発見され、製造の一貫性が欠如しているだけでなく、熱処理が不十分であることが示されました。 さらに、A350LF2 溶接ネック フランジに対して実施された破損解析により、不適切な正規化作業が破損の主な原因であることが明らかになりました。 さらに悪いことに、付属の証明書 EN 10204: 3.1.B に記載されているテスト レポート データは、フランジのテストされた特性と一致しませんでした。

実際、これらのコンポーネントは化学組成と機械的特性が指定された範囲内にあるため延性があると考えられていましたが、脆性破壊を起こしやすかったです。 新しく調達したパイプスプールコンポーネントの脆性破壊は、突然の壊滅的な故障を引き起こすことが知られており、機器の完全性、信頼性、プロセスの安全性に潜在的な危険をもたらします。

カナダのアルバータ州で圧力機器の安全性を監督する機関であるアルバータ安全局は、情報速報 IB16-018 で次の勧告を発行しました。 -29°C (-20°F) 以上の温度については、セクション VIII、ディビジョン 1 パラグラフ UG-20(f)、UCS-66、または ASME B31.3 パラグラフ 323 に準拠します。

Becht Engineering の Charles Becht 氏は、「材料の劣化と腐食」というタイトルのブログ投稿で、「製造されたパイプでは問題は見つかっていないものの、すべての ASME B31.3 図 323.2.2A 曲線 B の材料は潜在的に危険にさらされていると考えられています」と述べています。板材から。」

図1ホウ素の有無は、3 つの合金の熱処理後のオーステナイト粒径に大きな影響を与えます。 サンプル A は保護されたホウ素で合金化され、サンプル B は保護されていないホウ素で合金化され、サンプル C にはホウ素が含まれていません。これらの画像はもともと欧州委員会の Technical Steel Research、「物理的冶金と新しい一般的な鋼グレード: の影響の最適化」に掲載されました。鉄鋼の特性に関するホウ素」（ルクセンブルク：欧州共同体公式出版局、2007 年）、p. 20.

調査の結果、脆性粒内へき開亀裂は、化学的要因と不十分な熱処理 (焼きならし) 方法という 2 つの破損メカニズムによって引き起こされることが明らかになりました。 どちらの慣行も、一部の鉄鋼メーカーのコスト削減努力に由来すると思われますが、鉄鋼の化学的性質の変更と、粗大なフェライト系パーライト系の微細構造の変化につながりました。

重要な元素はマンガンです。 マンガンは、圧延したまままたは正規化したままの粒子サイズをより細かくします。 粒径が小さくなると（フェライト、ベイナイト、パーライトのいずれであっても）、降伏強度が増加し、衝撃特性が向上します。 さらなる利点は、パーライト含有量の増加です。

鉄鋼製造プロセスで必要となる低炭素フェロマンガンの高コストを相殺するために、一部の鉄鋼メーカーは、ASTM が指定する絶対最小パーセント要件を満たすためにマンガン含有量を意図的に減らしました。

これは本質的に間違っているわけではありませんが、マンガンと炭素のバランスが崩れる可能性があります。 マンガンを最小限に減らすと、マンガン対炭素の比率は 0.6 対 0.29、つまり 2.1 対 1 になります。 両方の元素が最大値にある場合、比率は 1.65 対 0.54、または 3.1 対 1 になります。両方の元素が許容範囲の中央にある場合、比率は 2.7 対 1 になります。マンガン含有量を最小パーセントまで減らすことにより、許可されると、マンガン含有量 1.65 パーセントと炭素含有量 0.29 パーセント、つまり 1.1 対 1 の比率を導き出すことは (可能性は低いですが) 可能です。この比率が 5 対 1 より小さい場合、問題が発生する可能性があります。

この比率がこのしきい値より小さい場合、材料の低温衝撃特性が劣ることが知られています。 破損した鋼材の中には、比が 1.8 対 1 と低いものもあり、靭性が低下し、その結果、静水圧試験中の破損や動作条件の乱れにつながりました。

マイクロアロイング（微量の元素を添加する手法）は、鋼の強度を高めるために低炭素鋼の製造に広く導入されており、一方、結晶粒径微細化技術は衝撃靱性を高めるために使用されてきました。 マイクロ合金化の目的で炭素鋼に添加される元素には、チタン、バナジウム、ニオブ、ホウ素などがあります。 一例は、高価な独自の合金混合物と比較して低コストの合金化剤であるフェロボロンです。 加工される鋼材に必要な強度と一貫した結果を確保するように設計されています。

可溶性の形のホウ素は、チタンやニオブなどの強力な窒化物や炭化物形成剤とのバランスが取れている場合にのみ、均一かつ一貫して鋼を強化するのに効果的であることがわかっています。 これは窒化ホウ素や Fe23(C, B)6 の析出物の形成を防ぐためです。

標準的なホウ素含有量は 0.0015 ～ 0.0030 パーセントであることが推奨されていますが、ホウ素は偏析して高濃度の局所領域を形成し、粒度に大きな変動を引き起こし、ひいては低衝撃靱性特性を引き起こすことが知られています。 ホウ素含有量が 0.007% を超えると、低融点の BC-Fe 共晶 (Fe2B/Fe3C/Fe) が形成され、鋼の室温靱性が低下します。

ホウ素はベイナイトの形成を促進します。 市販の圧延炭素鋼棒に保護されていないホウ素を意図的に添加すると、フェライト粒径の粗大化が促進されることが知られています (図 1 を参照)。

オーステナイト化温度の上昇により、ホウ素処理された炭素鋼の結晶粒が粗大化することが知られています。 結晶粒の粗大化の量は、鋼の総ホウ素含有量と、窒化ホウ素の析出として遊離窒素が結合した後の鋼中に存在するホウ素の量という 2 つの要因によって決まります。 したがって、形成されるマイクロ合金（チタン、ニオブ、またはアルミニウム）窒化物に関係なく、鋼の窒素含有量が窒化物の形成量を制御し、実際には結晶粒の固定の程度を制御します。

チタン、バナジウム、ニオブは結晶粒微細化剤および強力な脱酸素剤であり、バナジウム、ニオブ、アルミニウムは窒化物形成剤としても機能します。 マトリックス内に窒化物または炭化物が析出すると、微細なフェライト/パーライト微細構造が形成されたり、ベイナイトに変化したりする場合があります。

欠点は、炭素鋼に関する研究が不足していることです。 チタン、バナジウム、ニオブ、ホウ素を使用したマイクロ合金化は、低炭素鋼や合金鋼の加工では一般的であり、信頼性の高い結果が得られます。 この慣行は、適切な研究なしに、ASTM および ASME 規格で要求されている機械的特性を向上させるために炭素鋼に適用されているようです。 マイクロアロイングは、クリーンな製鋼慣行 (アルゴン酸素脱炭や真空酸素脱炭など) や最終製品の適切なテストを行わずに実行されてきました。

要約すると、炭素鋼のマイクロアロイングには、窒化物形成剤とホウ素の間の非常に厳密な材料バランスと、そのマイクロアロイ配合に合わせてカスタマイズされた処理ルート (熱処理) が必要です。

低炭素鋼 (炭素含有量 0.06% 未満) では、熱加工処理で制御された圧延とそれに続く加速冷却が使用され、高強度で強靱なマイクロアロイ鋼が製造されます。 熱機械制御による圧延中、機械的特性は適用される変形と巻き取り温度に依存します。 ホウ素は、熱機械加工ウィンドウを大幅に拡大することが知られています。

Walter J. Sperko 氏によると、「National Certified Pipe Welding Bureau Technical Bulletin 2016 年 5 月」に記載されているように、ホウ素はパイプ軸に対して 30 ～ 45 度の 100 結晶面上で指向性再結晶を引き起こすことが知られており、その結果、パイプまたは継手の軸に対して 45 度での靭性。 これは、圧力下のパイプに最大のせん断荷重がかかる方向であり、この結晶方位の整列により、軸方向または円周方向の衝撃試験片では材料の靭性が低いとは判断されません。

合金鋼は通常、機械的強度を向上させるために完全なオーステナイト化焼き入れ焼き戻し熱処理を受けます。 したがって、破損したフランジの場合、製造コストを削減するために、必要な追加の加熱-焼き入れ-焼き戻しサイクルの代わりに、鍛造中に発生するプロセス熱が使用されたと考えられます。

さらに、ANSI B16.5 では、クラス 300 未満の ASTM A105 フランジの熱処理を義務付けていません。

ホウ素を含む低炭素鋼に 0.05 パーセントを超えるチタンが存在すると、靱性の低下につながることがわかっていますが、溶接金属のチタンとホウ素の含有量の変動により、溶接金属の微細構造に大きな変動が生じることが知られています。

米国腐食技術者協会規格 SP0472「腐食性石油精製環境における炭素鋼溶接部の使用中の環境亀裂を防ぐ方法と制御」では、チタンなどのマイクロ合金元素を意図的に添加して製造された P1 材料 (炭素鋼) の溶接部について警告しています。 、バナジウム、ニオブ、ホウ素の場合、熱影響部に規定の硬度を得るために追加の予熱とより高い溶接後熱処理温度が必要になる場合があります。 ただし、熱処理は靭性値に悪影響を与える可能性があります。

32 °F 未満の温度で危険物の輸送に使用されるすべての炭素鋼配管スプール コンポーネントを評価する必要があります。 この評価には、使用可能かどうか、または交換する必要があるかどうかを判断するための、材料の明確な同定、硬度テスト、現場の金属組織検査などの事前の使用適性調査が含まれます。 蛍光 X 線は炭素やホウ素などの軽元素の含有量を測定するのに適切ではないため、PMI は発光分光計で実行する必要があることに注意してください。

炭素鋼の将来の脆性破壊の可能性を減らすための予防措置として、製造業者は衝撃試験済みの炭素鋼の配管と継手を認定された供給元からのみ調達する必要があります。 材料には、少なくとも EN10204、3.1B 仕様に認証された工場試験報告書が添付されている必要があります。これには、その熱とバッチ番号、および材料が製造された材料規格 (ASTM/ASME) が特定されます。

ベルギー溶接研究所が実施した調査から得られた教訓は、偽の試験認証の可能性に対処するために、購入者は元の製鉄所からの熱数と衝撃試験結果に対する完全な製造トレーサビリティを主張する必要があるということです。

調達プロセスに組み込む追加の要件には、次のものが含まれる場合があります。

Naddir M. Patel 博士は、Sinclair Oil Corp. の材料および冶金エンジニアです。住所は 100 Lincoln Ave.、Sinclair、WY 82334、[email protected] です。

リクエストに応じて参考資料を入手できます。