冷間引抜加工、冷間圧延加工、冷間圧延加工、冷間曲げ加工、冷間拡管加工、冷間ねじり加工は、ステンレス鋼継目無鋼管／溶接鋼管を用いてステンレス鋼管や熱交換器用耐熱鋼管などを製造する際に一般的に用いられる加工方法です。ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は優れた塑性を有するため、上記のような冷間加工（CW）は一般的に容易に達成できます。しかしながら、溶接と同様に、これらの冷間加工はステンレス鋼管の性能、特に耐食性や耐熱性に悪影響を与えることを避けられません。このような損傷を除去、低減、または制御することは、ステンレス鋼管の製造およびその後の加工において常に重要な課題となっています。出荷前の最終溶体化処理または焼鈍処理は、上記のような冷間加工による悪影響を除去する最も効果的な方法です。しかしながら、この方法は高温加熱と酸洗処理を必要とするため、製造コストと生産サイクルが大幅に増加します。さらに、廃ガスや酸性ミストなどの廃水の排出、処理、評価といった問題もあります。そのため、一部のメーカーはコスト削減や納期遵守のためにこの工程を省略しています。一部のユーザーはコスト削減のためにこのような製品を購入しますが、これは極めて賢明ではなく、利益にもつながりません。一方で、製品や適用条件によっては、この工程の実施が困難な場合があります。そのため、冷間加工度（冷間加工変形）の制御と局所的な低温歪除去焼鈍は、その悪影響を軽減または制御するための実用的な方法となっていますが、鋼種の違いを含め、その適用条件については依然として議論の的となっています。
1. 冷間加工によるステンレス鋼管の性能への影響と除去
1.1 常温での塑性変形による冷間加工によるステンレス鋼管の性能への損傷は、冷間加工硬化を引き起こし、つまり材料の硬度と強度が増加し、材料本来の可塑性が部分的または完全に失われ、材料の耐食性や耐熱性が必然的に損なわれます。
1.2 損傷を除去する方法
オーステナイト系および二相ステンレス鋼管の出荷前の最終溶体化熱処理、およびフェライト系ステンレス鋼管の出荷前の最終焼鈍熱処理は、いずれも前述の冷間加工や溶接などの熱間加工による性能低下を効果的に排除することを目的としています。そのため、ほとんどの国のステンレス鋼管規格、特に欧州統一ステンレス鋼管規格では、すべてのステンレス鋼継目無管を固溶体または焼鈍状態で供給することを規定しています。国内ユーザーから、316Lオーステナイト系ステンレス鋼継目無管を海水に浸漬するとすぐに孔食が発生するという報告があります（316Lは海水腐食や浸漬に理想的な材料ではありませんが、1回の浸漬で孔食が発生するのは正常ではありません）。最終溶体化処理または処理が不十分な場合は、「安価な製品」である可能性があります。最終溶体化または焼鈍熱処理は、ステンレス鋼継目無管の製造において非常に重要かつ不可欠なプロセスです。
2.ステンレス鋼管の冷間曲げおよび応力除去熱処理
冷間曲げ加工はステンレス鋼管の一般的な冷間加工方法であり、鋼管メーカー、ユーザー、あるいは専門の管継手メーカーによって実施されます。冷間曲げ加工後の応力除去熱処理の有無、また熱処理方法は、発注においてメーカー間またはユーザー間でしばしば争点となります。この問題は海外のパイプライン規格にも規定されていますが、議論する価値のある点がいくつかあります。
2.1 ステンレス鋼管の冷間曲げおよび応力除去熱処理
冷間曲げ加工はステンレス鋼管の一般的な冷間加工方法であり、鋼管メーカー、ユーザー、あるいは専門の管継手メーカーによって実施されます。冷間曲げ加工後の応力除去熱処理の有無、また熱処理方法は、発注においてメーカー間またはユーザー間でしばしば争点となります。この問題は海外のパイプライン規格にも規定されていますが、議論する価値のある点がいくつかあります。
2.2 周期的な負荷や応力腐食環境に耐える用途向け
周期的な荷重や応力腐食環境に耐える用途に関しては、欧州規格と米国規格の規定が若干異なります。米国規格では、衝撃試験要求のある材料については、曲げ加工後の繊維伸びの計算値が最大5%の場合、またはその他の要求事項がある場合、応力除去または固溶化処理を施すことが規定されています。高温高圧の水/蒸気媒体で作動する発電所の給水加熱器や復水器などの熱交換器に使用されるU字管は、媒体中の塩化物イオンや酸素含有量の影響で応力腐食割れが発生しやすいため、世界で唯一の米国給水加熱器用ステンレス鋼継目無鋼管および溶接鋼管のASTMA688/A688M規格とA803/A803M規格、および日本のボイラーおよび熱交換器用ステンレス鋼管のJISG3463規格では、ユーザーがU字管の曲げ加工後に局部的な応力除去熱処理を施すことを要求できることが規定されています。フランスの原子炉製造規格 RCC-M3319 では、U 字管は曲げ後に応力緩和熱処理が必要かどうかを判断するために、曲げ後に MgCl2 応力腐食試験に合格する必要があると規定されています。
3. ねじれ管とねじれ熱交換器
海外では、ねじり管（冷間加工ねじり管、TwistedTube）で構成された熱交換器が広く使用されています。その特徴は、1本の鋼管を1ピッチあたり60°ねじり、7本の鋼管でねじり熱交換器ユニットを形成することです。コンパクトな構造、高い熱効率、外部流れの淀みによるデッドゾーンの低減などの利点があり、狭隘空間の熱交換器に最適な構造です。計算と分析の結果、ねじり冷間加工によって生じる塑性変形はわずか4％～14％であり、その使用温度は540℃以下です。「ASMEボイラーおよび圧力容器規格」の規定により、応力除去焼鈍は不要です。しかし、ASTMG36規格による応力腐食試験の結果、316および321オーステナイト系ステンレス鋼ねじり管は、良好な応力腐食耐性を得るために応力緩和焼鈍または溶体化焼鈍を施す必要があることが証明されており、321ステンレス鋼管の性能は316ステンレス鋼管よりもはるかに優れています。
4. 二相ステンレス鋼のねじり管とU字管
海外の試験結果によると、二相ステンレス鋼のねじり管やU字管に応力除去焼鈍処理を施すことは適切ではないことが示されています。現在の試験結果では、2205二相ステンレス鋼管ではR≥5.33d0が必要ですが、2507スーパー二相ステンレス鋼管ではR≥1.5d0が必要です。その理由は、①二相ステンレス鋼は孔食および応力腐食に対する耐性が優れており、孔食相当PRE値が高いほど、材料の応力腐食耐性が優れていることです。②局所的な低温応力除去焼鈍は、マトリックスの相平衡と金属間化合物に影響を与え、つまり脆い相の析出が耐食性に大きなダメージを与えます。これらの研究結果は、二相ステンレス鋼管が熱交換器用のより適切な材料である可能性があることを示しており、米国溶接協会とASMEB31.3規格が熱処理規制に非常に慎重である根拠でもあります。
5. U字管の応力緩和のための焼鈍方法
国内外の方法は、抵抗加熱または炉内での局所加熱を使用してU字管の局所応力除去焼鈍を行っていますが、どちらの方法がより効果的または合理的であるかは、常に論争の的となっています。米国の最新の研究結果では、抵抗加熱がより合理的で効果的な方法であることが示されています。その理由は次のとおりです。1. 250mm離れたU字管の切断点からクランプ電極を介して商用周波数交流電流を直接導入でき、曲げ管部分を短時間（約10秒）で1010〜1065℃に加熱でき、エネルギー消費が非常に少ない。2. 光高温計を使用して、加熱ゾーンの温度を自動的に制御できます。3. 内壁にArガスを充填して酸化を効果的に防止します。4. 加熱後、強制空冷を使用して2〜3分以内に425℃以下に急速冷却し、黄色または水色の薄くて緻密な酸化膜を呈し、酸洗なしで高い標準の使用要件を満たすことができます。
6. 結論
（1）冷間加工（冷間引抜加工、冷間圧延加工など）は、ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼の冷間硬化を引き起こし、格子転位、マルテンサイト相変態、炭化物析出、磁性の増大、残留応力などを誘発し、耐食性を低下させます。冷間加工後に焼鈍処理または溶体化処理を施すことで、これらの悪影響を効果的に除去できます。そのため、オーステナイト系ステンレス鋼継目無管および深冷間加工ステンレス鋼溶接管は、耐食性を効果的に確保するために、溶体化処理または焼鈍処理した状態で供給する必要があります。
（2）応力腐食割れや交番応力による腐食疲労の危険性がある環境条件に加えて、冷間加工度を制御することも、その悪影響を回避するためのもう一つの方法です。これは、焼鈍処理が困難な冷間曲げや冷間拡張などの局部的な冷間加工において特に重要です。オーステナイト系ステンレス鋼管の冷間曲げ半径が1.5d0以上、フェライト系および二相ステンレス鋼管の冷間曲げ半径が2.5d0以上になるように管理されていれば、一般的に冷間曲げ加工後に応力除去焼鈍を行う必要はありません。
（３）高温高圧水または蒸気条件下で作動する熱交換器用のU字型オーステナイト系ステンレス鋼曲げ材など、応力腐食割れに対する耐性が要求される曲げ材の場合、冷間曲げ半径の大きさにかかわらず、冷間曲げ後に効果的な応力除去焼鈍処理を実施する必要がある。
（4）06Cr19Ni11Ti（321）ステンレス鋼は、316Lよりも耐応力腐食割れ性に優れており、U字管熱交換器に適したオーステナイト鋼管材料です。二相ステンレス鋼U字管は、冷間曲げ加工またはねじり加工後の局部応力除去焼鈍には適しておらず、また、焼鈍処理を施すべきではありません。
（５）冷間ねじりステンレス鋼管は、コンパクトな構造と高い熱交換効率を備えた新しいタイプの熱交換器を形成できるため、関連する設計および応用部門の注目の探求と開発に値する。
（６）二相ステンレス鋼製U字管は、冷間曲げ加工やねじり加工後の局部応力除去焼鈍には適しておらず、また、焼鈍を施すべきではない。
（７）抵抗加熱は、炉内間接加熱に比べて省エネ、時間節約となり、自動制御も実現しやすい局所応力緩和熱処理方法であり、優先的に推進すべきである。
（８）欧州および米国のパイプライン規格（ASMEB31.1-2012、ASMEB31.3-2012、BSEN13480-4:2012）には、冷間/熱間成形後のステンレス鋼管の熱処理に関する最新の詳細な規制がいくつかあり、高い注目に値します。
投稿日時: 2024年11月6日