雙層管及使用其的焊接結構體的製作方法

2023-05-05 12:32:21

雙層管及使用其的焊接結構體的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種焊接結構體用雙層管，其包含內管和外管，所述內管為具有包含特定量的C、Si、Mn、P、S、Ni+Cu、Cr、Mo+W、V、Nb、Ti、B、Al、N和O，並且剩餘部分為Fe和雜質的化學組成的鐵素體系耐熱鋼的內管，所述外管為具有包含特定量的C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Al、N和O，並且剩餘部分為Fe和雜質的化學組成的奧氏體系耐熱鋼的外管，在其外表面形成滿足[外管的壁厚≥通過角焊形成的熔融深度+0.3mm]的式子的角焊部，外管和內管的壁厚mm滿足[外管的壁厚/(外管的壁厚+內管的壁厚)≤0.4]的式子，該焊接結構體用雙層管的耐焊接裂紋性優異。使用該雙層管時，即使不實施預熱、後加熱、鋼的清淨化等處理，也可以通過通常的埋弧焊來在管的外表面角焊板、金屬零件等，從而製造構成各種高溫設備的焊接結構體。內管還可以含有Ca、Mg、REM中的一種以上，外管還可以含有Mo、W、Cu、Co、Nb、Ti、V、B、Ca、Mg、REM中的一種以上。
【專利說明】雙層管及使用其的焊接結構體

【技術領域】
[0001] 本發明涉及雙層管以及使用其的焊接結構體。具體而言，本發明涉及在管的外表 面角焊板、金屬零件等，從而能夠用作高溫設備的原材料的耐焊接裂紋性優異的雙層管以 及使用該雙層管制造的構成高溫設備的焊接結構體。作為上述"焊接結構體"的具體一例， 可列舉出在管的外表面長度方向角焊被稱為翅片的板而成的構成發電用鍋爐的燃燒部的 面板（以下稱為"爐壁"）。

【背景技術】
[0002] 近年，發電用鍋爐中，為了實現高效率化而提高蒸氣的溫度和壓力的"超超臨界鍋 爐"的新設在世界中得到進展。進而，也對將迄今為止600°C前後的蒸氣溫度提高至650°C 以上的"新一代超超臨界鍋爐"的實用化進行了規劃。這是基於，為了節能和資源的有效利 用以及環境保護而進行的C02氣體排出量降低成為能量問題的解決課題之一，成為重要的 產業政策。並且是由於，對於燃燒化石燃料的發電用鍋爐而言，高溫、高壓化對高效率化是 有利的。
[0003] 蒸氣的高溫、高壓化使得輸送蒸氣的管、例如過熱器管和再過熱器管等傳熱管、以 及主蒸氣管等在運轉時的溫度升高。因此，對於這種苛刻環境下長期使用的材料，不僅要求 高溫強度和高溫耐蝕性，還要求長期的金屬組織的穩定性和良好的蠕變特性。
[0004] 因此，作為這些管用材料，專利文獻1?3公開了提高Cr和Ni的含量、並且含有 Mo和W中的一種以上、從而實現了作為高溫強度的蠕變斷裂強度的提高的耐熱合金。
[0005] 進而，對于越來越苛刻的對高溫強度特性的要求、特別是對蠕變斷裂強度的要求， 專利文獻4?7公開了按質量％計含有28?38 %的Cr、35?60 %的Ni，有效利用以Cr作 為主體的體心立方結構的a -Cr相的析出，從而實現了蠕變斷裂強度進一步改善的奧氏體 系耐熱合金。
[0006] 現有技術文獻
[0007] 專利文獻
[0008] 專利文獻1 :日本特開昭60-100640號公報
[0009] 專利文獻2 :日本特開昭64-55352號公報
[0010] 專利文獻3 :日本特開平2-200756號公報
[0011] 專利文獻4 :日本特開平7-216511號公報
[0012] 專利文獻5 :日本特開平7-331390號公報
[0013] 專利文獻6 :日本特開平8-127848號公報
[0014] 專利文獻7 :日本特開平8-218140號公報
[0015] 專利文獻8 :日本特開平6-106237號公報
[0016] 專利文獻9 :日本特開昭57-120002號公報
[0017] 專利文獻10 :日本特開昭64-17806號公報
[0018] 專利文獻11 :日本特開平5-279801號公報


【發明內容】

[0019] 發明要解決的問是頁
[0020] 作為爐壁管的原材料，以往廣泛使用碳鋼或1. 25% Cr-0. 5% Mo鋼。
[0021] 但是，由於蒸氣的高溫、高壓化，對於爐壁管要求更優異的高溫強度和高溫耐蝕 性。
[0022] 因此，例如有欲使用以ASME A213 Grade T91及Grade T23為代表的含有V和Nb 而提高了強度的2. 25?9% Cr鐵素體系耐熱鋼、進而前述專利文獻1?7中公開的奧氏體 系耐熱合金的動向。
[0023] 如前文所述，爐壁通過在爐壁管的外表面長度方向角焊翅片來面板化。
[0024] 角焊時，對於9% Cr鐵素體系耐熱鋼而言，從防止焊接低溫裂紋的觀點考慮，必須 實施預熱和/或後加熱。但是，對長的爐壁管整體或長度方向的被焊接部進行預熱使得生 產效率降低、導致成本增大。進而，對於對角焊後的大型面板的後加熱的實施而言，從成本 方面考慮，在工業上不現實。
[0025] 2. 25% Cr鐵素體系耐熱鋼雖然能夠省略預熱和/或後加熱，但是在爐壁管的角焊 中大多使用的埋弧焊和MAG焊接中，有可能產生焊接低溫裂紋。因此，對於2.25% Cr鐵素 體系耐熱鋼而言，為了穩定地避免焊接低溫裂紋的產生，與上述9% Cr鐵素體系耐熱鋼的 情況同樣地，需要實施預熱和/或後加熱，因此在工業上不現實。
[0026] 另一方面，奧氏體系耐熱鋼（耐熱合金）雖然具備優異的耐焊接低溫裂紋性，但是 熱膨脹係數比鐵素體系耐熱鋼大，因此變形大。因此，為了以優異的尺寸精度製作面板，在 高的拘束條件下進行角焊的情況下，存在焊接熱影響區（以下稱為"HAZ"）容易產生高溫裂 紋的問題。因此，對於奧氏體系耐熱鋼（耐熱合金）而言，不實施預熱或後加熱來滿足角焊 時的優異的耐焊接裂紋性也是困難的。
[0027] 本發明是鑑於上述現狀而提出的，其目的在於，提供不實施預熱、後加熱等處理， 就能夠在管的外表面角焊板、金屬零件等（以下有時僅稱為"板"），從而作為各種高溫設備 的原材料使用的耐焊接裂紋性優異的雙層管以及使用該雙層管制造的構成高溫設備的焊 接結構體。
[0028] 用於解決問題的方案
[0029] 本發明人等為了解決前述問題，對鐵素體系耐熱鋼管與板的角焊性以及奧氏體系 耐熱鋼（耐熱合金）管與板的角焊性進行評價，對於焊接裂紋的產生行為進行了詳細的調 查。其結果可知下述（a)和（b)的事項。需要說明的是，以下的說明中，為了簡單說明，有 時將奧氏體系耐熱鋼和奧氏體系耐熱合金僅總稱為"奧氏體系耐熱鋼"。
[0030] (a)將鐵素體系耐熱鋼管與板角焊時的焊接裂紋，產生於HAZ的接近熔融邊界的 粗化且硬化了的區域。進而，上述焊接裂紋的產生在通過埋弧焊進行角焊的情況下顯著，斷 面呈現準解理斷口。由這種特徵性的現象，上述焊接裂紋判斷為起因於擴散氫的"低溫裂 紋"。需要說明的是，適用埋弧焊進行角焊時裂紋的產生變得顯著的理由推測是由於，焊接 時混入到焊接金屬而擴散到HAZ的所謂"擴散氫"的量增多。
[0031] (b)將奧氏體系耐熱鋼管與板角焊時的焊接裂紋，產生於HAZ的接近熔融邊界的 粗化了的晶界。在裂紋斷面發現熔融痕跡，在斷面上發現P和S的富集，鋼含有B的情況下， 除了上述P和S，還發現B的富集。並且，管的壁厚越厚則裂紋的產生越顯著。由這種特徵 性的現象，上述焊接裂紋判斷為起因於由於P、S和B的晶界偏析所導致的晶界熔點降低的 "液化裂紋"。進而，管的壁厚越厚則裂紋產生越顯著的理由推定是由於，焊接時產生的變形 增大，其結果被周圍拘束而產生的"拘束應力"增大。
[0032] 由上述事項（a)可知，為了抑制將鐵素體系耐熱鋼管與板角焊時的產生於鐵素體 系耐熱鋼管的低溫裂紋，採用以下的（a-Ι)和（a-2)的處置即可。
[0033] (a-Ι)抑制HAZ的粗化和硬化。
[0034] (a-2)適用可以極力降低焊接時混入的氫量的焊接方法或者通過預熱和/或後加 熱來促進氫的排出。
[0035] 但是，對於（a-Ι)的處置而言，與板角焊時，若以單管使用鐵素體系耐熱鋼管，為 了抑制HAZ的粗化而降低焊接線能量，則冷卻速度增大，相反地促進硬化。因此，以單管使 用鐵素體系耐熱鋼管的情況下，通過降低焊接線能量來抑制HAZ粗化的手法在實用上難以 適用。
[0036] 對於（a-2)的處置而言，通過適用TIG焊接，能夠降低焊接時混入到焊接金屬的擴 散氫的量。但是例如爐壁管與板的角焊中大多使用的埋弧焊的情況下，難以降低擴散氫量。 另外，預熱和/或後加熱的氫排出效果雖然顯著，但是如前文所述，在工業上不現實。
[0037] 另一方面，由上述事項（b)可知，為了抑制將奧氏體系耐熱鋼管與板角焊時的產 生於奧氏體系耐熱鋼管的液化裂紋，採用以下的（b_l)和（b_2)的處置即可。
[0038] (b-Ι)極力降低P、S和B在鋼中的含量。
[0039] (b-2)通過使管的壁厚變薄來降低拘束應力。
[0040] 但是，對於（b-Ι)的處置而言，由於導致制鋼成本的增大，因此期待工業上更廉價 的手法。
[0041] 對於（b_2)的處置而言，從結構物的強度確保的觀點考慮，管的薄壁化有限。
[0042] 因此，本發明人等為了解決上述相反的各種問題而進行進一步的研究。
[0043] 其結果可知，通過使與板角焊中使用的管是內管為鐵素體系耐熱鋼管、外管為奧 氏體系耐熱鋼管的雙層管，並且使角焊部的熔融深度適當化，由此能夠防止上述焊接裂紋。
[0044] 下述的（c)?（e)為本發明人等得到的新發現。
[0045] (c)若外管的壁厚滿足特定的條件，具體而言，外管的壁厚（mm)彡通過角焊形成 的熔融深度（_)+〇. 3_的式子，則可以使焊接時的熔深止於外管側。這種情況下，內管即 鐵素體系耐熱鋼不會暴露於高溫，可以抑制內管HAZ的粗化。
[0046] (d)通過外管使用氫的溶解度大的奧氏體系耐熱鋼，可以抑制焊接時混入的氫向 鐵素體系耐熱鋼側擴散。
[0047] (e)若外管的壁厚和雙層管的總壁厚即"外管的壁厚+內管的壁厚"滿足特定的條 件，具體而言外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）彡〇. 4的式子，則雙層管整體的熱 變形減小，可以降低對外管即奧氏體系耐熱鋼施加的拘束應力。
[0048] 需要說明的是，迄今為止提出了一些設想用於爐壁等鍋爐用途的雙層管。
[0049] 例如專利文獻8中公開了通過使爐內側的外管厚度變厚從而實現了耐蝕性和耐 磨耗性的提高的雙層管。
[0050] 另外，專利文獻9和專利文獻10中公開了外管和內管都使用奧氏體系材料、實現 了耐蝕性和高溫強度的兼顧的雙層管。
[0051] 進而，專利文獻11中公開了內管使用碳鋼、外管使用奧氏體系的Cr-Ni-Mo-Fe基 合金，實現了耐熱疲勞性和耐蝕性的兼顧的雙層管。
[0052] 但是，專利文獻8?11中的任意一者的情況下，對於本發明想要解決的問題都完 全沒有涉及，當然也沒有示出其對策。因此，即使僅使用專利文獻8?11中公開的雙層管 與板角焊，也無法防止焊接裂紋。
[0053] 本發明是基於上述發現而完成的，其主旨在於，下文所述的焊接結構體用雙層管 和焊接結構體。
[0054] (1) -種焊接結構體用雙層管，其特徵在於，其為包含具有下述化學組成1的鐵素 體系耐熱鋼的內管和具有下述化學組成2的奧氏體系耐熱鋼的外管、在其外表面形成滿足 下式（1)的角焊部而用於製造焊接結構體的雙層管，外管和內管的壁厚mm滿足下式（2)，
[0055] 外管的壁厚彡通過角焊形成的熔融深度+0. 3mm (1)，
[0056] 外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）彡0.4 (2)，
[0057] 化學組成1 :
[0058] 按質量％計包含 C :0· 01 ?0· l%、Si :0· 01 ?0· 5%、Mn :0· 01 ?1%、P :0· 03% 以 下、S :0· 01%以下、Ni和Cu中的一種以上：總計0· 01?1%、Cr :0· 5?3· 5%、Mo和W中 的一種以上：總計 〇· 01 ?3%、V :0· 01 ?0· 5%、Nb :0· 005 ?0· l%、Ti :0· 0005 ?0· 1%、 B :0. 0001 ?0. 02%、A1 :0. 05% 以下、N :0. 0005 ?0. 05% 以及 0 :0. 01% 以下，
[0059] 並且剩餘部分為Fe和雜質，
[0060] 化學組成2 :
[0061] 按質量％計包含 C :0· 1% 以下、Si :0· 01 ?0· 8%、Μη :0· 01 ?2%、P :0· 04% 以 下、5:0.01%以下、附：5?50%、0:15?35%、六1:0.05%以下、^0.001?0.25%以及 0 :0. 01% 以下，
[0062] 並且剩餘部分為Fe和雜質。
[0063] (2)根據上述（1)所述的焊接結構體用雙層管，其特徵在於，上述化學組成1按質 量％計含有選自Ca :0. 05%以下、Mg :0. 05%以下以及REM :0. 1%以下中的一種以上元素來 替代Fe的一部分。
[0064] (3)根據⑴或⑵所述的焊接結構體用雙層管，其特徵在於，上述化學組成2按 質量％計含有下述第一組?第五組中所示出的一種以上元素來替代Fe的一部分，
[0065] 第1組：選自Mo :10%以下和W :10%以下中的一種以上、
[0066] 第2組：選自Cu :5%以下和Co :5%以下中的一種以上、
[0067] 第3組：選自Nb :1%以下、Ti :1%以下和V :1%以下中的一種以上、
[0068] 第 4 組：B :0· 〇2% 以下、
[0069] 第5組：選自Ca :0. 05%以下、Mg :0. 05%以下和REM :0. 1%以下中的一種以上。
[0070] (4) -種焊接結構體，其特徵在於，其使用上述（1)?（3)中任一項所述的雙層管。
[0071] (5)根據（4)所述的焊接結構體，其特徵在於，其用於爐壁。
[0072] 發明的效果
[0073] 本發明的焊接結構體用雙層管的耐焊接裂紋性優異。因此，使用本發明的雙層管 時，即使不實施預熱、後加熱、鋼的清淨化等處理，也可以通過通常的埋弧焊來在管的外表 面角焊板、金屬零件等，從而製造構成各種高溫設備的焊接結構體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0074] 圖1為示意性地說明實施例中製作的模擬了爐壁管的角焊的拘束焊接試驗體的 圖。
[0075] 圖2為示意性地說明測定通過角焊形成的熔融深度的方法的圖。

【具體實施方式】
[0076] 以下對本發明的各條件進行詳細說明。需要說明的是，以下說明中的各元素的含 量的"％"表示指的是"質量％"。
[0077] (A)化學組成1 (內管（鐵素體系耐熱鋼）的化學組成）：
[0078] C :0.01 ?0.1%
[0079] C是提高淬火性、對於穩定地得到馬氏體和/或貝氏體組織而言有效的元素。進 而，C形成碳化物、有助於確保高溫下的蠕變強度。為了得到上述效果，需要0.01%以上的 C含量。但是，含有大量C的情況下，導致HAZ的顯著硬化，極端提高低溫裂紋敏感性。因 此，設置上限使得C含量為0. 01?0. 1 %。C含量的下限優選為0. 015 %，進一步優選為 0. 02 %。另外，C含量的上限優選為0. 09 %，進一步優選為0. 08 %。
[0080] Si :0.01 ?0.5%
[0081] Si是具有脫氧作用、並且對於高溫下的耐蝕性和耐氧化性提高而言有效的元素。 為了得到這些效果，需要0. 01 %以上的Si含量。但是，Si的過量含有導致蠕變延展性和韌 性的降低。因此，設置上限使Si的含量為0. 01?0. 5%。Si含量的下限優選為0. 05%，進 一步優選為〇. 1%。另外，Si含量的上限優選為0.45%，進一步優選為0.4%。
[0082] Mn :0.01 ?1%
[0083] Μη與Si同樣地具有脫氧作用。Μη也是提高淬火性、對於穩定地得到馬氏體和/或 貝氏體組織而言有效的元素。為了得到這些效果，需要0.01%以上的Μη含量。但是，含有過 量的Μη的情況下，導致蠕變脆化以及韌性降低。因此，設置上限使得Μη含量為0.01?1%。 Μη含量的下限優選為0. 05%，進一步優選為0. 1%。另外，Μη含量的上限優選為0. 9%，進 一步優選為〇. 8%。
[0084] P :0.03% 以下
[0085] P是作為雜質含有的元素，與S-起降低蠕變延展性。因此，設置上限使得P含量 為0.03%以下。P含量的上限優選為0.028%，進一步優選為0.025%。需要說明的是，對 P含量沒有特別設置下限，但是極端降低導致制鋼成本增大。因此，重視成本的情況下，P含 量的下限優選為〇. 0005%，進一步優選為0. 001 %。
[0086] S :0.01 % 以下
[0087] S與P同樣地是作為雜質含有的元素，使得蠕變延展性降低。因此，設置上限使得 S含量為0.01 %以下。S含量的上限優選為0.008%，進一步優選為0.005%。需要說明的 是，對S含量沒有特別設置下限，但是極端的降低導致制鋼成本的增大。因此，重視成本的 情況下，S含量的下限優選為0.0001%，進一步優選為0.0003%。
[0088] Ni和Cu中的一種以上：總計0· 01?1%
[0089] Ni和Cu都是提高淬火性、對於得到馬氏體和/或貝氏體組織而言有效的元素。上 述效果通過含有總計0. 01%以上的Ni和Cu中的一種以上來得到。但是，若含有總計超過 1 %的Ni和Cu中的一種以上則導致蠕變延展性降低。因此，使得Ni和Cu中的一種以上的 含量總計為〇. 01?1%。Ni和Cu中的一種以上的含量優選總計為0. 02%以上，進一步優 選為0. 03 %以上。另外，Ni和Cu中的一種以上的含量優選總計為0. 9 %以下，進一步優選 為0. 8%以下。
[0090] 需要說明的是，Ni和Cu無需複合來含有。單獨含有Ni的情況下，Ni含量可以為 0.01?1%，單獨含有Cu的情況下，Cu含量可以為0.01?1%。
[0091] Cr :0.5 ?3. 5%
[0092] Cr是在高溫用鋼中確保耐氧化性和耐高溫腐蝕性並且對於穩定地得到基體的馬 氏體和/或貝氏體組織而言必須的元素。為了得到這種效果，需要〇. 5%以上的Cr含量。 但是，Cr的過量含有由於生成大量的Cr碳化物而使碳化物的穩定性降低，導致蠕變強度和 韌性的降低。因此，設置上限使得Cr含量為0.5?3.5%。Cr含量的下限優選為0.8%，進 一步優選為1%。另外，Cr含量的上限優選為3. 2%，進一步優選為3.0%。
[0093] Mo和W中的一種以上：總計0· 01?3%
[0094] Mo和W都是將基體固溶強化、有助於提高蠕變強度的元素。為了得到這種效果， 需要含有總計〇. 01 %以上的Mo和W中的一種以上。但是，若含有總計超過3%的Mo和W 中的一種以上，則生成粗大的金屬間化合物和碳化物，導致韌性降低。因此，使得Mo和W中 的一種以上的含量總計為〇. 01?3%。Mo和W中的一種以上的含量優選總計為0. 03%以 上，進一步優選為〇. 05%以上。另外，Mo和W中的一種以上的含量總計優選為2. 8%以下， 進一步優選為2. 5 %以下。
[0095] 需要說明的是，Mo和W無需複合來含有。單獨含有Mo的情況下，Mo含量可以為 0.01?3%，單獨含有W的情況下，W含量可以為0.01?3%。
[0096] V :0.01 ?0.5%
[0097] V是在晶粒內形成微細的碳氮化物、對提高蠕變強度的貢獻大的元素。為了得到這 種效果，需要〇. 01 %以上的V含量。但是，若含有過量的V，則導致碳氮化物的生長速度增 大，使得碳氮化物的分散強化效果提前消失，並且導致韌性降低。因此，設置上限使得V含 量為0.01?0.5%。V含量的下限優選為0.03%，進一步優選為0.05%。另外，V含量的 上限優選為〇. 45%，進一步優選為0. 4%。
[0098] Nb :0· 005 ?0· 1%
[0099] Nb與V同樣地是在晶粒內甚至高溫下也形成穩定的微細碳氮化物、對提高蠕變強 度的貢獻大的元素。為了得到這種效果，需要〇. 005%以上的Nb含量。但是，若含有過量的 Nb，則導致碳氮化物的生長速度增大，使得碳氮化物的分散強化效果提前消失，並且導致韌 性降低。因此，設置上限使得Nb的含量為0.005?0. 1%。Nb含量的下限優選為0.008%， 進一步優選為〇. 01%。另外，Nb含量的上限優選為0. 09%，進一步優選為0. 08%。
[0100] Ti :0· 0005 ?0· 1%
[0101] Ti甚至高溫下也形成穩定的微細氮化物，通過釘扎效果，抑制HAZ中的晶粒的粗 化，間接地對低溫裂紋防止具有效果。為了得到這種效果，需要0. 0005%以上的Ti含量。 但是，若含有過量的Ti，則氮化物粗大，釘扎效果消失，並且導致韌性降低。因此，設置上限 使得Ti含量為0. 0005?0. 1%。Ti含量的下限優選為0. 0008%，進一步優選為0. 001%。 另外，Ti含量的上限優選為0. 09%，進一步優選為0. 08%。
[0102] B :0. 0001 ?0. 02%
[0103] B提高鋼的淬火性，使得馬氏體和/或貝氏體組織穩定化，有助於高溫強度。為了 得到上述效果，需要0. 0001 %以上的B含量。但是，若含有大量的B，則導致HAZ的顯著硬 化，低溫裂紋敏感性提高。因此，設置上限使得B含量為0.0001?0.02%。B含量的下限 優選為〇. 0005%，進一步優選為0. 001%。另外，B含量的上限優選為0. 018%，進一步優選 為 0· 015%。
[0104] A1 :0.05% 以下
[0105] A1具有脫氧效果，但是若過量含有則導致蠕變延展性和韌性的降低。因此，設置 上限使得A1的含量為0. 05%以下。A1含量的上限優選為0. 045%，進一步優選為0. 04%。 需要說明的是，對A1含量沒有特別設置下限，但是過度的降低時，得不到充分的脫氧效果 而使得鋼的清淨性降低並且導致製造成本的增大。因此，A1含量的下限優選為0. 0005%， 進一步優選為〇. 001%。
[0106] N :0· 0005 ?0· 05%
[0107] N是與V、Nb或Ti結合而形成微細的氮化物，對於確保蠕變強度而言有效的元素。 為了得到這種效果，需要0. 0005%以上的N含量。但是，若含有過量的N，則導致基體脆化並 且導致粗大的氮化物析出，使得韌性降低。因此，設置上限使得N含量為0. 0005?0. 05 %。 N含量的下限優選為0. 0008%，進一步優選為0. 001 %。另外，N含量的上限優選為0. 045%， 進一步優選為0.04%。
[0108] 0:0.01 % 以下
[0109] 0是作為雜質存在的元素。含有大量的0的情況下，生成大量的氧化物，使得加工 性和延展性劣化。因此，設置上限使得0含量為0.01%以下。0含量的上限優選為0.009%， 進一步優選為0.008%。需要說明的是，對0含量沒有特別設置下限，但是極端降低導致 制鋼成本的增大。因此，重視成本的情況下，〇含量的下限優選為0.0005%，進一步優選為 0. 001%。
[0110] 本發明的焊接結構體用雙層管的內管（鐵素體系耐熱鋼）所具有的"化學組成1" 之一包含上述各元素、並且剩餘部分為Fe和雜質。
[0111] 需要說明的是，"雜質"指的是工業上製造鋼時由作為原料的礦石、廢料或製造環 境等混入的成分。
[0112] 本發明的焊接結構體用雙層管的內管（鐵素體系耐熱鋼）所具有的"化學組成1" 的另外之一，含有選自Ca、Mg和REM中的一種以上元素來替代上述Fe的一部分。
[0113] 以下對作為任意元素的上述Ca、Mg和REM的作用效果和含量的限定理由進行說 明。
[0114] Ca :0.05% 以下
[0115] Ca由於改善鋼的熱加工性而可以根據需要含有。但是，若Ca含量過量，則與0結 合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有Ca時的Ca含量設置上限，使 其為0.05%以下。需要說明的是，含有Ca時的Ca含量優選為0.03%以下。
[0116] 另一方面，為了穩定地得到前述Ca的效果，含有Ca時的Ca含量優選為0. 0005% 以上。
[0117] Mg :0.05% 以下
[0118] Mg與Ca同樣地改善鋼的熱加工性，因此可以根據需要含有。但是，若Mg含量過 量，則與〇結合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有Mg時的Mg含量 設置上限，使其為〇. 05%以下。需要說明的是，含有Mg時的Mg含量優選為0. 03%以下。
[0119] 另一方面，為了穩定地得到前述Mg的效果，含有Mg時的Mg含量優選為0. 0005% 以上。
[0120] REM:0. 1% 以下
[0121] REM由於與S的親和力強、改善鋼的熱加工性，因此可以根據需要含有。但是若REM 含量過量，則與0結合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有REM時的 REM含量設置上限，使其為0. 1 %以下。需要說明的是，含有REM時的REM含量優選為0. 08 % 以下。
[0122] 另一方面，為了穩定地得到前述REM的效果，含有REM時的REM含量優選為 0. 0005% 以上。
[0123] "REM"為Sc、Y和鑭系元素的總計17種元素的總稱，RME含量指的是REM中的一種 或兩種以上元素的總含量。
[0124] 需要說明的是，對於REM而言，通常含有於密鈰合金。因此例如可以以密鈰合金的 形式添加、使得REM量處於上述範圍內來含有。
[0125] 上述Ca、Mg和REM可以僅含有其中任意一種或以兩種以上複合的方式含有。複合 這些元素來含有時的總量可以為〇. 2%，優選為0. 14%以下。
[0126] (B)化學組成2 (外管（奧氏體系耐熱鋼）的化學組成）：
[0127] C :0.1 % 以下
[0128] C對於使得奧氏體組織穩定而言是有效的，但是高溫下的使用中生成碳化物，導致 耐蝕性降低。特別是若C含量超過0. 1%則高溫下的使用中耐蝕性降低變得顯著。因此，設 置上限使得c含量為0.1 %以下。C含量的上限優選為0.06%，進一步優選為0.03%。需 要說明的是，對C含量沒有特別設置下限，但是極端的降低導致制鋼成本增大並且損害奧 氏體組織的穩定性。因此，C含量的下限優選為0. 003%，進一步優選為0. 005%。
[0129] Si :0.01 ?0.8%
[0130] Si是具有脫氧作用、並且對於高溫下的耐蝕性和耐氧化性提高而言有效的元素。 為了得到這些效果，需要〇. 01 %以上的Si含量。但是，若Si含量過量，則奧氏體相的穩定 性降低，導致蠕變強度和韌性的降低。因此，設置上限使Si的含量為0.01?0.8%。Si含 量的下限優選為〇. 05%，進一步優選為0. 1 %。另外，Si含量的上限優選為0. 75%，進一步 優選為〇. 7%。
[0131] Mn :0.01 ?2%
[0132] Μη與Si同樣地除了具有脫氧作用之外，還具有使得奧氏體組織穩定的作用。為了 得到這些效果，需要0. 01 %以上的Μη含量。但是，若Μη含量過量則產生脆化而韌性和蠕變 延展性降低。因此，設置上限使得Μη含量為0. 01?2%。Μη含量的下限優選為0. 05%，進 一步優選為〇. 1%。另外，Μη含量的上限優選為1.9%，進一步優選為1.8%。
[0133] P :0.04% 以下
[0134] P是作為雜質含有於鋼中，在奧氏體系耐熱鋼中，焊接中在HAZ的晶界偏析，提高 液化裂紋敏感性的元素。因此，優選儘可能降低P含量，但是極度的降低導致制鋼成本增 大。因此，使P含量為0.04%以下。P含量的上限優選為0.035%，進一步優選為0.03%。
[0135] S :0.01 % 以下
[0136] S是與P同樣地作為雜質含有於鋼中，提高奧氏體系耐熱鋼的液化裂紋敏感性並 且對長期使用後的韌性也造成不良影響的元素。因此，優選儘可能降低S含量，但是極度的 降低導致制鋼成本增大。因此，使S含量為0.01%以下。S含量的上限優選為0.008%，進 一步優選為〇. 005%。
[0137] Ni:5 ?50%
[0138] Ni是對於得到奧氏體組織而言必須的元素，並且氫的溶解度大，本發明中，抑制焊 接中所混入的擴散性氫向內管側擴散，間接性地有助於低溫裂紋敏感性的降低。為了在本 發明的Cr含量的範圍（15?35% )內得到上述效果，需要5%以上的Ni含量。但是，Ni由 於為價格昂貴的元素，因此大量含有導致成本的增大。因此，設置上限使得Ni含量為5? 50%。Ni含量的下限優選為6%，進一步優選為7%。另外，Ni含量的上限優選為49%，進 一步優選為48%。
[0139] Cr:15 ?35%
[0140] Cr是對於高溫下確保耐氧化性和耐蝕性而言必須的元素。為了在本發明的Ni含 量的範圍（5?50%)內得到上述效果，需要15%以上的Cr含量。但是，若Cr含量超過 35%，則高溫下的奧氏體相的穩定性劣化，導致蠕變強度降低。因此使得Cr含量為15? 35 %。Cr含量的下限優選為15. 5 %，進一步優選為16 %。另外，Cr含量的上限優選為34%， 進一步優選為33%。
[0141] A1 :0.05% 以下
[0142] A1具有脫氧效果，但是若過量含有則導致蠕變延展性的降低。因此，設置上限使 得A1的含量為0.05%以下。A1含量的上限優選為0.045%，進一步優選為0.04%。需要 說明的是，對A1含量沒有特別設置下限，但是過度的降低時，得不到充分的脫氧效果而使 得鋼的清淨性降低，並且導致製造成本的增大。因此，A1含量的下限優選為0. 0005%，進一 步優選為〇. 001%。
[0143] N :0. 001 ?0. 25%
[0144] N是對於使得奧氏體相穩定而言有效的元素。為了得到這種效果，需要0.001%以 上的N含量。但是，若N含量過量，則析出大量的氮化物，導致延展性降低。因此，設置上限 使得N含量為0.001?0.25%。N含量的下限優選為0.002%，進一步優選為0.003%。另 夕卜，N含量的上限優選為0. 24%，進一步優選為0. 23%。
[0145] 0:0. 01 % 以下
[0146] 0是作為雜質存在的元素。含有大量的0的情況下，生成大量的氧化物，使得加工 性和延展性劣化。因此，設置上限使得0含量為0. 01 %以下。0含量的上限優選為0. 009%， 進一步優選為0.008%。需要說明的是，對0含量沒有特別設置下限，但是極端降低導致 制鋼成本的增大。因此，重視成本的情況下，〇含量的下限優選為0.0005%，進一步優選為 0. 001%。
[0147] 本發明的焊接結構體用雙層管的外管（奧氏體系耐熱鋼）所具有的"化學組成2" 之一包含上述各元素、並且剩餘部分為Fe和雜質。需要說明的是，如已經說明那樣，"雜質" 指的是工業上製造鋼時由作為原料的礦石、廢料或製造環境等混入的成分。
[0148] 本發明的焊接結構體用雙層管的外管（奧氏體系耐熱鋼）所具有的"化學組成2" 的另外之一，含有選自]?〇、1、(：11、(：〇、唚、11、￥、8、0 &、]\%和1?]\1中的一種以上元素來替代上 述Fe的一部分。
[0149] 以下對作為任意元素的上述Mo?REM的作用效果和含量的限定理由分為各組進 行說明，
[0150] 第1組：選自Mo :10%以下和W :10%以下中的一種以上
[0151] Mo :10% 以下
[0152] Mo固溶於基體而對商溫下的懦變強度提商的貢獻大。Mo對於耐蝕性的提商也具 有效果。因此，可以根據需要含有Mo。但是，即使Mo含量超過10%，上述效果也飽和，並且 形成金屬間化合物，反而導致特性的降低。因此，含有Mo時的Mo含量為10%以下。需要說 明的是，含有Mo時的Mo含量優選為9%以下，進一步優選為8%以下。
[0153] 另一方面，為了穩定地得到前述Mo的效果，含有Mo時的Mo含量優選為0.01%以 上，進一步優選為〇. 05%以上。
[0154] W :10% 以下
[0155] W與Mo同樣地固溶於基體而對高溫下的蠕變強度提高的貢獻大，因此，可以根據 需要含有。但是，即使W含量超過10%，上述效果也飽和，並且形成金屬間化合物，反而導致 延展性的降低。因此，含有W時的W含量為10%以下。需要說明的是，含有W時的W含量優 選為9. 8%以下，進一步優選為9%以下。
[0156] 另一方面，為了穩定地得到前述W的效果，含有W時的W含量優選為0. 01 %以上， 進一步優選為〇. 05%以上。
[0157] 作為第1組元素的Mo和W，為了提高高溫下的蠕變強度，可以僅含有其中的任意 一種或以兩種複合的方式含有。複合這些元素來含有時的總量可以為20%，優選為17%以 下。
[0158] 第2組：選自Cu :5%以下和Co :5%以下中的一種以上
[0159] Cu:5% 以下
[0160] Cu與Ni同樣地是奧氏體生成元素，提高奧氏體相的穩定性，因此可以根據需要含 有。但是，若Cu含量過量則導致熱加工性降低。因此，對含有Cu時的Cu含量設置上限，使 其為5%以下。需要說明的是，含有Cu時的Cu含量優選為4%以下，進一步優選為3. 5%以 下。
[0161] 另一方面，為了穩定地得到前述Cu的效果，含有Cu時的Cu含量優選為0. 01%以 上，進一步優選為〇. 05%以上。
[0162] Co :5% 以下
[0163] Co與Ni及Cu同樣地是奧氏體生成元素，提高奧氏體相的穩定性，因此可以根據 需要含有。但是，Co為極其昂貴的元素，因此若過量含有則導致成本大幅增大。因此，對含 有Co時的Co含量設置上限，使其為5%以下。需要說明的是，含有Co時的Co含量優選為 4%以下，進一步優選為3. 5%以下。
[0164] 另一方面，為了穩定地得到前述Co的效果，含有Co時的Co含量優選為0.01%以 上，進一步優選為0. 05%以上。
[0165] 作為第2組元素的Cu和Co,為了提高奧氏體相的穩定性，可以僅含有其中的任意 一種或以兩種複合的方式含有。複合這些元素來含有時的總量可以為10%，優選為7%以 下。
[0166] 弟3組：選自Nb :1*%以下、Ti :1*%以下和V :1*%以下中的一種以上
[0167] Nb:l% 以下
[0168] Nb與C結合而形成微細的碳化物、進而與C及N結合而形成微細的碳氮化物，有 助於蠕變強度的提高，因此可以根據需要含有。但是，若Nb含量過量，則析出粗大且大量的 碳化物和碳氮化物，導致蠕變延展性的降低。因此，對含有Nb時的Nb含量設置上限，使其 為1 %以下。需要說明的是，含有Nb時的Nb含量優選為0. 9 %以下，進一步優選為0. 8 %以 下。
[0169] 另一方面，為了穩定地得到前述Nb的效果，含有Nb時的Nb含量優選為0. 01 %以 上，進一步優選為〇. 05%以上。
[0170] Ti:l% 以下
[0171] Ti與Nb同樣地形成碳氮化物、有助於蠕變強度的提高，因此可以根據需要含有。 但是，若Ti含量過量，則析出大量的碳氮化物，導致蠕變延展性的降低。因此，對含有Ti時 的Ti含量設置上限，使其為1 %以下。需要說明的是，含有Ti時的Ti含量優選為0. 9%以 下，進一步優選為0.8%以下。
[0172] 另一方面，為了穩定地得到前述Ti的效果，含有Ti時的Ti含量優選為0.01 %以 上，進一步優選為〇. 05%以上。
[0173] V:l% 以下
[0174] V與Nb及Ti同樣地形成碳氮化物、有助於蠕變強度的提高，因此可以根據需要含 有。但是，若V含量過量，則析出大量的碳氮化物，導致蠕變延展性的降低。因此，對含有V 時的V含量設置上限，使其為1 %以下。需要說明的是，含有V時的V含量優選為0. 9%以 下，進一步優選為0.8%以下。
[0175] 另一方面，為了穩定地得到前述V的效果，含有V時的V含量優選為0. 01 %以上， 進一步優選為〇. 05%以上。
[0176] 作為第3組元素的Nb、Ti和V，為了提高蠕變強度，可以僅含有其中的任意一種或 以兩種以上複合的方式含有。複合這些元素來含有時的總量可以為3%，優選為2.4%以 下。
[0177] 第 4 組：B :0. 02% 以下
[0178] B在晶界偏析而強化晶界並且使得晶界碳化物微細分散，由此提高蠕變強度，因此 可以根據需要含有。但是，若B含量為大量，則由於焊接中的焊接熱循環，而在熔融邊界附 近的高溫HAZ大量偏析，使得晶界的熔點降低，液化裂紋敏感性提高。因此，對含有B時的 B含量設置上限，使其為0. 02%以下。需要說明的是，含有B時的B含量優選為0. 018%以 下，進一步優選為0.015%以下。
[0179] 另一方面，為了穩定地得到前述B的效果，含有B時的B含量優選為0. 0005%以 上，進一步優選為〇. 001 %以上。
[0180] 第5組：選自Ca :0. 05%以下、Mg :0. 05%以下和REM :0. 1%以下中的一種以上。
[0181] Ca :0.05% 以下
[0182] Ca由於改善鋼的熱加工性而可以根據需要含有。但是，若Ca含量過量，則與0結 合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有Ca時的Ca含量設置上限，使 其為0.05%以下。需要說明的是，含有Ca時的Ca含量優選為0.03%以下。
[0183] 另一方面，為了穩定地得到前述Ca的效果，含有Ca時的Ca含量優選為0. 0005% 以上。
[0184] Mg :0.05% 以下
[0185] Mg與Ca同樣地改善鋼的熱加工性，因此可以根據需要含有。但是，若Mg含量過 量，則與〇結合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有Mg時的Mg含量 設置上限，使其為〇. 05%以下。需要說明的是，含有Mg時的Mg含量優選為0. 03%以下。
[0186] 另一方面，為了穩定地得到前述Mg的效果，含有Mg時的Mg含量優選為0. 0005% 以上。
[0187] REM:0.1% 以下
[0188] REM由於與S的親和力強、改善鋼的熱加工性，因此可以根據需要含有。但是若REM 含量過量，則與0結合而使得清淨性顯著降低，反而損害熱加工性。因此，對含有REM時的 REM含量設置上限，使其為0. 1 %以下。需要說明的是，含有REM時的REM含量優選為0. 08 % 以下。需要說明的是，如已經說明那樣，"REM"為Sc、Y和鑭系元素的總計17種元素的總稱， RME含量指的是REM中的一種或兩種以上元素的總含量。
[0189] 另一方面，為了穩定地得到前述REM的效果，含有REM時的REM含量優選為 0. 0005% 以上。
[0190] 作為第5組元素的Ca、Mg和REM，為了提高熱加工性，可以僅含有其中的任意一 種或以兩種以上複合的方式含有。複合這些元素來含有時的總量可以為0.2%，優選為 0. 14%以下。
[0191] (C)外管的壁厚與通過角焊形成的熔融深度的關係：
[0192] 若通過角焊形成的熔融深度到達至雙層管的內管，則暴露於熔點正下方的高溫而 粗化、硬化了的HAZ產生於構成內管的鐵素體系耐熱鋼內。並且，焊接中由焊接金屬混入的 氫擴散而侵入到上述HAZ，由此內管HAZ產生低溫裂紋。
[0193] 但是，若雙層管的外管的壁厚（mm)在與角焊部的熔融深度（mm)的關係中滿足下 式，
[0194] 外管的壁厚彡通過角焊形成的熔融深度+0. 3mm (1)
[0195] 則焊接時的熔深止於外管側，因此可以防止內管的鐵素體系耐熱鋼暴露於熔點正 下方的高溫。因此，內管HAZ的粗化和硬化得到抑制，並且，氫從焊接金屬向內管HAZ的擴 散也得到抑制，因此可以防止內管HAZ中的低溫裂紋的產生。
[0196] 需要說明的是，為了穩定地防止內管的鐵素體系耐熱鋼暴露於熔點正下方的高 溫，外管的壁厚優選為"通過角焊形成的熔融深度+〇. 5mm"以上。
[0197] (D)外管的壁厚與雙層管的總壁厚即"外管的壁厚+內管的壁厚"的關係：
[0198] 雙層管的外管壁厚厚的情況下，角焊時產生的變形大，該變形被周圍拘束而產生 的"拘束應力"增大，構成外管的奧氏體系耐熱鋼產生液化裂紋。
[0199] 但是，若外管的壁厚與雙層管的總壁厚即"外管的壁厚+內管的壁厚"滿足下式，
[0200] 外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）< 0.4 (2)
[0201]貝IJ上述"拘束應力"降低，因此可以防止外管中的液化裂紋的產生。
[0202] 但是，若"外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）"過小則難以製造雙層管。因 此，"外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）"優選為〇. 1以上。
[0203] 需要說明的是，本發明的雙層管為外管與內管冶金上結合而成的密合雙層管，有 時也稱為"複合管（CLAD PIPE)"。
[0204] 作為上述雙層管的製造方法，例如有下述方法：在構成外管的奧氏體系耐熱鋼的 中空鋼坯中插入構成內管的鐵素體系耐熱鋼的鋼坯，裝配原材料，對於該原材料，通過熱擠 出法、輥軋法等所謂"熱制管法"使外管與內管一體化，從而制管。通常，上述鋼坯的裝配為 了確保接合面的清淨性，在真空中或非活性氣體氣氛中進行。對於上述熱制管而成的雙層 管，實施軋制或拉拔等冷加工，進而進行熱處理而形成所希望形狀的雙層管。另外，本發明 的雙層管也可以為將通過這些方法製造的雙層管之間對焊而形成的長的雙層管。
[0205] 在雙層管的外表面的長度方向伸長的角焊部可以為雙層管的全部長度或其一部 分。
[0206] 進而，通過角焊而焊接於雙層管外表面的被焊接物例如根據功能選定碳鋼、鐵素 體系耐熱鋼、奧氏體系耐熱鋼等即可。
[0207] 以下通過實施例對本發明進行更具體的說明，但是本發明不被這些實施例所限 定。
[0208] 實施例
[0209] 使用具有表1所不化學組成的鐵素體系耐熱鋼1?3和奧氏體系耐熱鋼4?6,通 過熱制管法製作表2所示的包含內管和外管的外徑63mm的雙層管T1?T7。
[0210]

【權利要求】
1. 一種焊接結構體用雙層管，其特徵在於，其為包含具有下述化學組成1的鐵素體系 耐熱鋼的內管和具有下述化學組成2的奧氏體系耐熱鋼的外管、在其外表面形成滿足下式 (1)的角焊部而用於製造焊接結構體的雙層管，外管和內管的壁厚mm滿足下式（2)， 外管的壁厚>通過角焊形成的熔融深度+〇. 3_ (1)， 外管的壁厚八外管的壁厚+內管的壁厚）<0.4 (2)， 化學組成1 : 按質量％計包含 C :0· 01 ?0· l%、Si :0· 01 ?0· 5%、Mn :0· 01 ?1%、P :0· 03% 以下、 S :0· 01%以下、Ni和Cu中的一種以上：總計0· 01?l%、Cr :0· 5?3· 5%、Mo和W中的一 種以上：總計 〇· 01 ?3%、V :0· 01 ?0· 5%、Nb :0· 005 ?0· 1%、Ti :0· 0005 ?0· 1%、B : 0. 0001 ?0. 02%、A1 :0. 05% 以下、N :0. 0005 ?0. 05% 以及 0 :0. 01% 以下， 並且剩餘部分為Fe和雜質， 化學組成2 : 按質量％計包含 C :0. 1% 以下、Si :0. 01 ?0. 8%、Μη :0. 01 ?2%、P :0. 04% 以下、 5:0.01%以下、附：5?50%、0:15?35%、六1:0.05%以下、^0.001?0.25%以及0: 0. 01%以下， 並且剩餘部分為Fe和雜質。
2. 根據權利要求1所述的焊接結構體用雙層管，其特徵在於，所述化學組成1按質量％ 計含有選自〇&:0.05%以下、]\% :0.05%以下以及1?]\1:0.1%以下中的一種以上元素來替代 Fe的一部分。
3. 根據權利要求1或2所述的焊接結構體用雙層管，其特徵在於，所述化學組成2按質 量％計含有下述第一組?第五組中所示出的一種以上元素來替代Fe的一部分， 第1組：選自Mo :10%以下和W: 10%以下中的一種以上、 第2組：選自Cu :5%以下和Co :5%以下中的一種以上、 第3組：選自Nb :1%以下、Ti :1%以下和V :1%以下中的一種以上、 第4組：B :0.02%以下、 第5組：選自Ca :0. 05%以下、Mg :0. 05%以下和REM :0. 1%以下中的一種以上。
4. 一種焊接結構體，其特徵在於，其使用權利要求1?3中任一項所述的雙層管。
5. 根據權利要求4所述的焊接結構體，其特徵在於，其用於爐壁。
【文檔編號】B23K103/04GK104114730SQ201380008821
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年1月24日 優先權日:2012年2月8日
【發明者】平田弘徵, 吉澤滿, 小川英範 申請人:新日鐵住金株式會社