高効率火力発電ボイラ用高強度高延性
Ni 基鋼管 HR6W のクリープ強度と組織仙波潤之1) 岡田

浩一2)適用が必要となる．当社では A USC ボイラに対応可能な

.

緒言

Ni 基合金として HR6W: Ni23Cr7W25Fe(ASME SB167
CC2684 )の開発実用化を進めている(6) ．わが国では 2008 年

石炭火力発電は発電コストや燃料となる石炭の可採埋蔵地度から経済産業省の補助を受けて 2016 年度までの 9 年間にの偏りが少ない点などから，世界的にみて重要なエネルギーわたる「先進超々臨界圧火力発電実用化要素技術開発」プロ源であり，中国やインドをはじめ，東南アジアなど経済成長ジェクトが開始され， HR6W も高温長時間特性の評価およを遂げる新興国において新設が続いている．既に世界の発電び施工技術の確立を図るとともに700°C蒸気による実缶試験電力の約 4 割を占めており，わが国においても約 3 割を占め将に供されている(7)．本報ではその成分設計，金属組織，強度来に亘っても重要な電源と位置付けられている．しかしながと諸特性について述べる．

ら，石炭火力発電は LNG 火力発電など他の発電方法と比較して単位発電電力量あたりの CO2 排出量が多いため，発電効.

成分設

計率を向上させ相対的に排出量を削減することが最重要課題の一つとなっている．従来火力発電の蒸気温度は長らく 538°C

相 ( Ni3 ( Al,Alloy617 な ど 従 来 の 高 強 度 Ni 基 合 金 で は g ′～566°Cであったが，わが国においては世界に先駆け，1990

Ti ))による整合析出強化が広く活用されているが， HR6W

年代に蒸気温度600°C級の高効率石炭火力発電である超々臨界の成分設計にあたっては，AUSC ボイラ用鋼管として，ク圧(USC, Ultra SuperCritical)ボイラを実用化している(1)(2)．

リープ強度だけではなく，クリープ延性，大径厚肉管の製造

USC ボイラの実現は主蒸気管等の大径厚肉管に適用可能な性や耐熱疲労特性を重視し，Fe を25 mass程度含有した上9Cr 系耐熱鋼や当社で開発した伝熱管用の18Cr9Ni3Cu

相の析出強化によらない合金設計を行った．まず， Crで g′NbN 鋼(火 SUS304J1HTB, ASME SA213 S30432), 25Cr

量については蒸気温度が 700°
C となる A USC ボイラで要求

20Ni Nb N 鋼( ASME SA213 TP310HCbN )等，新耐熱鋼される耐食性とオーステナイト組織の安定性の観点から管の寄与も大きい．

23を最適含有量と判断し，状態図計算および NiFeMo

USC ボイラの送電端熱効率は 42程度であるが，近年，W 系モデル合金を用いてクリープ強度と金属組織の検討を蒸気温度を700°Cに高め送電端効率を46～48程度に向上さ行った．その結果，Mo を単独添加した場合，700～750°
Cでせる先進超々臨界圧(AUSC, Advanced Ultra SuperCriti-

1 万時間を越える長時間クリープ中に脆化相である s 相が多cal)ボイラの実現を目指した技術開発がわが国をはじめ，欧量に析出してクリープ強度とクリープ破断延性が著しく劣化

州，中国，韓国などで推進されている(3)(5)．AUSC ボイラ

する一方， W を単独添加した場合は Fe を 25 mass 程度まを実現するためには，さらに過酷な高温環境下で使用可能なで含有しても(残部 Ni は 45 mass 程度)，長時間のクリーボイラ用鋼管の開発が不可欠である．ボイラで発生した高温プ変形中においても s 相は析出せず，安定なオーステナイ高圧の蒸気をタービンへ導入する配管(管寄せ，主蒸気管等)ト組織が保持されることを確認した．7 mass程度の W をの厚肉部材には熱疲労抑制の観点から USC ボイラでは線熱含有すると，比較的微細な Fe2W 型の Laves 相がクリープ膨張係数の小さいフェライト系耐熱鋼が使用されている．し中に析出してクリープ抵抗に大きく寄与することも確認しかし，蒸気温度700°
Cではクリープ強度や耐水蒸気酸化性のた．最終的に主要成分は Ni 23Cr 7W 25Fe とした(8)(9) ．

観点から 9 ～ 12  Cr フェライト系耐熱鋼の適用は困難であASME 規格に登録された HR6W の成分仕様を表に示す．

り，クリープ強度と線熱膨張係数の点で有利な Ni 基合金のW 添加に加え，C, Ti, Nb, B を添加して微細炭化物による強新日鐵住金株式会社 技術開発本部鉄鋼研究所鋼管研究部1)上席主幹研究員 2)主幹研究員(〒6600892 尼崎市扶桑町 18)
Creep Strength and Microstructure of NiBase HR6W Tubes & Pipes for High Efficiency Fossil Power Plant; Hiroyuki Semba andHirokazu Okada(Pipe & Tube Research Lab., Steel Research Laboratories, Research & Development, Nippon Steel & Sumitomo MetalCorporation, Amagasaki)
Keywords: AUSC(advanced ultra super-critical), creep, Laves, ductility, SR(stress relaxation) cracking
2016年 7 月19日受理[doi:10.2320/materia.55.453]

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan



表1

HR6W 鋼管の ASME 規格の成分仕様．

(mass)CSiMnCrFeW
TiNbB
N
Ni
ASME SB167
Code Case 2684 ≦0.10 ≦1.0 ≦1.50 21.5～24.5 20.0～27.0 6.0～8.0 0.05～0.20 0.10～0.35 0.0005～0.006 ≦0.02 Remainder

図1750°
C, 3000 h 時効材の抽出レプリカ組織(9)．

図3

図4
図2Thermo Calcにより計算した HR6W の平衡析
出量(9)．

HR6W のクリープ破断強度(6)．

クリープ破断材の光学顕微鏡組織(6)．
(700°C, 98 MPa, 58798 h)

引張応力値から逆算した10万時間平均クリープ破断強度は，化も活用している．
図は HR6W の 750 °C ， 3000 h 時効材の抽出レプリカの透過電子顕微鏡組織である(9) ．長時間の時効後も s 相は認

120 MPa(650°C), 87 MPa(700°C), 63 MPa(750°C), 44 MPa(800°C)である．また，長時間側においても，良好なクリープ破断延性を示すことを確認している(9)．

められず， 1 ～ 3 mm 程度の棒状の Laves 相および M23C6 炭

図  に 700 °C, 98 MPa に お い て 58798 h で 破 断 し た化 物 が 析 出 し て い る ． 図  は HR6W の 平 衡 析 出 量 を

HR6W の光学顕微鏡組織(試験片平行部)を示す(6) ．粒界，Thermo Calcに よ り 計 算 し た 結 果 で あ る(9) ． Laves 相 は粒内に多数の析出物が観察される．これらは主として Cr 系

750～800°
Cにおいても安定に析出し，AUSC ボイラ用鋼管炭化物(後述の透過電子顕微鏡組織にて M23C6 と同定)であとして使用される温度域のクリープ強化に寄与すると判断さり，s 相等の塊状の脆化相は認められなかった．また，組織れる．

観察を実施した破断材のクリープ破断伸びは 39 であり，破断部近傍の組織では，結晶粒も十分変形していた．同じ試.

クリープ破断強度と組織料の抽出レプリカの透過電子顕微鏡組織を図に示す(9)．粒界析出物は M23C6 ，粒内析出物は図 1 と同様に Laves 相お

図に HR6W のクリープ破断強度を示す(6)．最長 6 万時

よび M23C6 と同定された．透過電子顕微鏡組織においても，間を越えるクリープ破断データを含め，応力クリープ破断s相は確認されなかった．図 5 の粒内に多量に観察される約時間線図の勾配は Alloy617 などと比較して緩やかであり，1～3 mm の析出物は，Laves 相と同定された．700°
C, 58798

650 ～ 800 °C の長時間側において安定かつ高いクリープ破断

h 破断材においても Laves 相の極端な粗大化は認められなか強度であることを確認した． ASME SB167 CC2684 の許容った．図に Thermo Calcで求めた Laves 相の平衡析出ミ ニ 特 集図7
図5

クリープ破断材の抽出レプリカ組織(9)．
(700°C, 98 MPa, 58798 h)

HR6W と Alloy617のクリープ疲労特性(11)．

HR6W のクリープ破断延性が高いことから，耐クリープ疲労特性も良好であると推察される．図中にクリープ疲労試験後の破面の SEM 像を示す．Alloy617では，破断面の全面が粒界破壊しているのに対し， HR6W では，粒内破壊が多く観察された． Alloy617 に比べ， HR6W は破断延性が高く，破壊形態からも HR6W の耐クリープ疲労特性の優位性が示唆される．
析出強化型の高強度 Ni 基合金
Alloy617 に代表される g ′は，高温での使用中に溶接残留応力が緩和する過程で生じる割れ(Stress Relaxation Cracking, SR 割れ)問題が顕在化しており(12)，AUSCプラント実現における課題の一つとなっている．SR 割れ感受性は，応力緩和が生じる高温における材料の延性と密接に関連している．JIS に準拠した高温引張試験(耐力後の歪速度 1.25 × 10－3 / s 程度)では， Alloy617 も良好な延性を示し，HR6W と大きな差は認められない．SR割れが生じる低歪速度下での高温変形を再現するため，歪速度を通常の高温引張試験の 1/1000(1.0×10－6/s)とした極低歪速度引張試験を実施した．破断後の絞りを図に示す(13)．
図6Laves 相の計算平衡析出量に対する実析出量の比
および規格化クリープ破断応力の Orr Sherby 
Dorn パラメータ依存性(10)．

A USC ボイラ用鋼管として使用される温度域 700 ～ 750 °Cにおいて， HR6W は，高い破断延性を示すことが分かる．
実際の SR 割れ感受性を評価するために，大径厚肉管相当の結晶粒径に調整した小径管を拘束溶接し，700°C，1000 h の量 に 対 す る 抽 出 残 渣 で 求 め た 実 際 の 析 出 量 の 比 の Orr 

時効を施した後，溶接部近傍の断面を光学顕微鏡にて観察し

Sherby Dorn パラメータ依存性とヤング率で規格化したクた．その結果，HR6W には SR 割れは認められなかったが，

リ ー プ 破 断 応 力 の 同 パ ラ メ ー タ 依 存 性 を 示 す(10) ．

Orr Alloy617 では，顕著な SR 割れが認められた(13) ．本結果か

Sherby Dorn パラメータはアレニウス型の温度依存性を記

ら極低歪速度引張試験による延性が，SR 割れ感受性と相関述できる時間温度パラメータである．W を含む Fe2W 型のが高いと考えられ， HR6W は優れた耐 SR 割れ感受性を有Laves 相は，時間とともに徐々に析出し，平衡析出量に達すするものと判断された．

るまでの時間が非常に長い．このため 700°
Cの長時間側にお図に650°Cで実施した合成石炭灰による高温腐食試験結

いても Laves 相は比較的微細であり，安定して析出強化に果を示す(6)．HR6W は，USC ボイラ用鋼管として広く使わ寄与しているものと推定される．

れ て い る HR3C:

25Cr 20Ni Nb N ( ASMESA213

TP310HCbN )とほぼ同等の良好な耐高温腐食性を有してい.

実 用性

能る．HR6W は熱間加工性にも優れており(14)，これまでに多数の実用サイズの大径厚肉管を試作製造し，良好な製造性を析出強700 °C における HR6W のクリープ疲労特性を， g ′有することを確認した．図にその一例を示す．本試作大径化型 Ni 基合金の Alloy617 と比較して図に示す(11) ．試験厚肉管(外径 635 mm ，肉厚 72 mm )は経済産業省のプロジを行う歪波形が CP 波形(低速( C )側 0.01 / s ，高速( P )ェクトにおいて再熱器の管寄せ部分のモックアップ製作用に側  0.8  / s ) の 場 合 ， HR6W の ク リ ー プ 疲 労 寿 命 は Al-

提供され，ボイラメーカーで機械加工や溶接などの観点からloy617より長い．一般に CP 波形のクリープ疲労寿命は，ク管寄せに適用できることが確認された．

リープ破断延性との相関性が知られている．先述の通り

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan

先述の「先進超々臨界圧火力発電実用化要素技術開発」プ




図 10

試 作 し た HR6W 大 径 厚 肉 管 の 外 観 ( 外 径 635mm，肉厚 72 mm).

文

図8

図9

極低歪速度引張試験による破断絞り(13)．

HR6W と各種オーステナイト鋼の高温腐食特性(6)．

ロジェクトにおいては 2008 ～ 2012 年度までの 5 年間が要素技術開発期間であり，板材，大径厚肉管，小径管の母材および溶接継手(Alloy617用汎用溶接材料を使用)について各種評
価試験が実施され，母材，溶接継手とも優れた実用特性が明らかにされた(15)．2013～2016年度は実缶試験期間であり，HR6W の伝熱管(外径 38 mm ，肉厚 5 mm )および大径配管(外径 405 mm ，肉厚 50 mm ，高周波曲げ部を含む)などが実際の発電プラントに設置された700°
C蒸気を発生する試験
ループに組み込まれ，2015年 5 月から実缶試験に供されている(16)(17)．実缶試験は2016年10月まで実施される予定である．

.

結言

献

( 1 ) 山田宏彰，服部洋市，駒井伸好，佐藤 恭，大平浩之，柳澤隆博火力原子力発電，52(2001), 12171231.
( 2 ) M. Fukuda and K. Moriyasu: Proc. of 40th MPASeminar,(2014).
( 3 ) M. Fukuda, E. Saito, H. Semba, J. Iwasaki, S. Izumi, S.
Takano, T. Takahashi and Y. Sumiyoshi: Proc. of 7th Int.
Conf. on Advances in Materials Technology for Fossil PowerPlants, (2013), 2440.
( 4 ) A. Di Gianfrancesco, A. Tizzanini, M. Jedamzik and C. Stolzenberger: Advances in Materials Technology for Fossil PowerPlants, (2013), 923.
( 5 ) R. Sun, Z. Cui and Y. Tao: Advances in Materials Technology
for Fossil Power Plants, (2013), 18.
( 6 ) 仙波潤之，岡田浩一，浜口友彰，石川茂浩，吉澤 満新日鉄住金技報，397(2013), 7177.
( 7 ) 福田雅文日本機械学会誌，114(2011), 244247.
( 8 ) Y. Sawaragi, Y. Hayase and K. Yoshikawa: Proc. of Int. Conf.,
on Stainless Steel, (1991), 633639.
( 9 ) H. Semba, H. Okada and M. Igarashi: Proc. of 5th Int. Conf. onAdvances in Materials Technology for Fossil Power Plants,(2007).
(10) H. Okada, H. Semba, T. Ono and A. Iseda: Abstracts of the 1stInt. Conf. on Advanced HighTemperature Materials Technology for Sustainable and Reliable Power Engineering, (2015),
139.
( 11 ) 野口泰隆，宮原光雄，岡田浩一，五十嵐正晃，小川和博材料，57(2008), 569
575.
(12) M. Speicher, A. Klenk, K. Maile and E.Roos: Proc. of 3rdSymp. on Heat Resistant Steels and Alloys for High Efficiency
USC Power Plants, (2009).
(13) H. Okada, H. Hirata, H. Semba and M. Igarashi: Proc. of 8thNIMSMPAIfW Workshop on Advances in High Temperature Materials for High Efficiency Power Plants, (2010).
(14) A. Iseda, H. Okada, H. Semba and M. Igarashi: Proc. of Symposium on Heat Resistant Steels and Alloys for USC PowerPlants, (2007), 229237.
(15) AUSC 開発推進委員会先進超々臨界圧火力発電技術開発講
演会講演要旨集，火力原子力発電技術協会，(2012).
(16) 室木克之IHI 技報，55(2015), 2831.
(17) 齋藤伸彦，駒井伸好，住吉泰正，竹井康裕，北村雅樹，東海林剛三菱重工技報，52(2015), 2735.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
仙波潤之
1990年 大阪大学大学院工学研究科博士前期課程修了
株 主任研究員，物質・材料研究機構特別研究員
住友金属工業株 主幹研究員
新日鐵住金
2013年 7 月現職
専門分野耐熱鋼の合金設計，高温変形◎ボイラ用継目無鋼管の研究開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

蒸気温度700°
Cを目指す AUSC ボイラに対応可能な Ni 基合金として開発された HR6W(ASME SB167 CC2684)の成分設計，クリープ破断強度と金属組織，実用性能についてまとめた．本合金が世界に先駆けて AUSC ボイラの実現に大きく貢献するものと期待される．
仙波潤之

岡田浩一ミ ニ 特 集