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マルテンサイト系ステンレス鋼チューブ MSS は高い強度と適度な耐食性が高く評価されており、石油やガスの化学処理や発電などの重要な分野で重要な役割を果たしています。ただし、高応力や特定の攻撃的な媒体の条件下では、MSS は一般的かつ深刻な故障モードである環境誘発亀裂を非常に受けやすくなります。
1. 硫化物応力亀裂（SSC）
SSC は、硫化水素 HS が存在する石油およびガスの「サワー サービス」条件における MSS チューブの最も破壊的な破損メカニズムを表します。
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メカニズム: 硫化水素は金属表面で分解して原子状水素を生成し、鋼に浸透します。冷間加工部や溶接部などのマルテンサイト鋼の高強度で局所的な応力集中領域は、水素が蓄積しやすい場所です。捕捉された水素は局所的な塑性低下と脆化を引き起こし、材料の降伏強度をはるかに下回る引張応力下で突然の破壊につながります。
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高リスクゾーン: 応力集中の高い熱影響ゾーン (HAZ) エリアや、硬度レベルが制御されていない (過剰な硬度) チューブを溶接します。
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業界の動向: 深井戸および超深井戸環境におけるHS分圧の上昇により、業界はSSC感受性を最小限に抑えるために厳格な高温焼戻しプロセスと組み合わせた超低炭素およびニッケル改質マルテンサイト鋼に移行しています。
2. 塩化物応力腐食割れ（CISCC）
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メカニズム: 塩化物イオンはステンレス鋼表面の不動態皮膜に損傷を与え、応力集中の場所を生じます。引張応力が持続すると亀裂が発生し、粒内または粒界に伝播し、最終的には壁貫通破壊につながります。
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代表的な用途: 発電所の蒸気発生器、高濃度塩水処理システム、および特定の高温高圧化学パイプライン。
カテゴリー 2 の機械的負荷と疲労損傷
MSS チューブは耐荷重コンポーネントや動的コンポーネントによく使用されるため、その故障は周期的応力や極度の機械的負荷に直接関係していることがよくあります。
1. 疲労破壊
疲労は、流体圧力の変動や機械的振動などの周期的な負荷がかかった高強度材料の最も一般的な機械的破損モードです。
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メカニズム: 亀裂は通常、表面欠陥、内壁の傷、腐食ピットまたは微細な介在物から始まります。周期的な応力サイクルにより、亀裂先端の塑性領域に損傷が蓄積され、残りの断面が瞬間的な荷重に耐えられなくなるまで亀裂がゆっくりと伝播し、その結果、突然の脆性破壊が発生します。
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高リスクゾーン: 長距離輸送パイプラインのルートセクションと高振動セクションにマルテンサイト鋼が使用されているポンプシャフトタービンブレード。
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技術的課題: 疲労強度は表面の完全性に非常に影響されます。MSS の疲労寿命を延ばすには、表面の微細な研磨と冷間加工層の深さの制御が重要です。
2. 水素脆化(HE)
SSC と密接に関係している HE は、硫化物の存在とは無関係に、電気めっきや酸洗いなどの製造プロセス、または使用中の不適切な陰極防食によって誘発される可能性があります。
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メカニズム: 鋼は原子状の水素を吸収し、延性靱性と破壊強度の急激な低下につながります。外部腐食剤がなくても、引張応力が存在すると、水素原子が亀裂の核生成と成長を促進します。
カテゴリー 3 の熱安定性と微細構造劣化
マルテンサイト系ステンレス鋼の性能は、安定した焼き戻し後の微細構造に大きく依存します。不適切な温度にさらされると、微細構造が劣化し、性能が急激に低下する可能性があります。
1. 焼戻し脆化
リン、スズ、アンチモンなどの特定の合金元素は、徐冷または 350 ℃ ～ 550 ℃ の範囲での長時間の曝露中に粒界に沿って偏析する可能性があります。これにより、鋼の衝撃靱性が大幅に失われ、焼き戻し脆化が発生します。
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結果: 硬度は大きく変化しないかもしれませんが、衝撃応力に対する材料の耐性は低温または高いひずみ速度で急速に低下し、脆性破壊を非常に起こしやすくなります。
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予防策: 焼き戻し後に水焼入れまたは臨界脆化温度範囲まで急冷する。
2. 475℃における脆化とシグマ相の析出
マルテンサイト系ステンレス鋼を 400 ℃ ～ 500 ℃の範囲で長期間曝露すると、特に 475 ℃付近でクロムに富んだ相が析出して、475 ℃脆化として知られる現象を引き起こす可能性があります。さらに、600 ℃ ～ 900 ℃ などの高温で長時間曝露すると、硬くて脆いシグマ相が析出する可能性があります。
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影響: どちらの現象も材料の可塑性と靭性を大幅に低下させ、同時に耐食性も低下させます。
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Application Insight: MSS チューブの長期使用温度は、これらの敏感な温度範囲を避けるために、設計において厳密に制限する必要があります。
