ASTM A516 GR. 70炭素鋼 ASTM B171 C71500 銅ニッケル異種溶接クラッド 半楕円形圧力容器用ヘッド 2:1

機器用ASTM A516 GR. 70 + ASTM B171 C71500炭素鋼クラッド皿形球面ヘッド

概要 – 圧力容器終端部品としてのクラッド楕円形ヘッド

クラッド楕円形ヘッドは、プロセス側表面に耐食性合金（CRA）層が冶金的に接合された炭素鋼または合金鋼ベースプレートで構成される、成形された圧力容器終端部品です。2:1の半楕円形は、シェル＆チューブ熱交換器、圧力容器、反応器、貯蔵タンクで最も一般的なトーリフェリカル/楕円頭形状であり、圧力保持効率と成形コストの最適なバランスを提供します。

クラッド層はプロセス流体に対する耐食性を提供し、ベース材料は構造強度と圧力完全性を提供します。この製品は、国内用途向けにASME Section VIII Division 1またはDivision 2、およびGB/T 25198（圧力容器ヘッド）に従って設計・製造されています。

幾何学的定義 – 2:1楕円形ヘッド

2:1半楕円形ヘッドは、内側の深さ（中心部）が、取り付けられるシェル（内径）の内径の4分の1に等しくなります。

• 長軸（D）= シェル内径

• 短軸（h）= D/4（接線からクラウン中心までの内側の深さ）

• ナックル半径（r）≒ 0.17 × D（クラウンとストレートフランジ間の遷移ゾーン）

• クラウン半径（R）≒ 0.90 × D（球形の中心部分）

クラッド材とベース材の組み合わせ

クラッド楕円形ヘッドは、以下のいずれかの方法で炭素鋼または合金鋼ベースプレートに耐食性合金（CRA）層を適用して製造されます。

• 爆着クラッド板：制御された爆薬の爆発により、CRAとベース材の間に冶金的な結合が生成されます（ASME SA-263 / SA-264 / SA-265準拠）。

• 圧延クラッド板：CRAとベース材を圧力下で一緒に熱間圧延し、冶金的な結合を形成します。

• 溶接肉盛り（ストリップクラッディング）：CRA材料を重なり合うストリップ状にベースプレート表面に溶接堆積させます（ASME IX準拠）。

ベース材オプション

クラッド材オプション

クラッド厚（CRA層）

• 標準クラッド厚：2mm～6mm（通常、ASME VIII-1 UW-13により最低3mm）

• クラッド厚公差：+0.5mm / -0.0mm（アンダー公差なし）

• クラッド比：総厚さ（クラッド＋ベース）に対するクラッド厚の割合。腐食性用途の場合、クラッド厚は必要な腐食代に基づいて選択されます。

総公称厚さ

• ベース厚さ：6mm～80mm（圧力保持のためASME VIII-1 UG-27 / UG-32により選択）

• 総厚さ = ベース厚さ + クラッド厚さ（冶金的に接合されている場合のみ圧力計算に含まれる；ASME VIII-1 Appendix AA準拠）

• 成形後の最小成形厚さ：公称厚さの≧ 90%（GB/T 25198 / ASME VIII-1 UG-79準拠）

成形プロセス – 熱間成形または冷間成形

クラッド楕円形ヘッドは、以下のいずれかの方法でクラッド板から成形されます。プロセスの選択は、クラッド材、総厚さ、および必要な精度によって異なります。

熱間成形

• 成形温度：900℃～1,050℃（炭素鋼ベース＋ステンレスクラッドの場合）

• クラッド側保護：過度のスケール発生を防ぐために酸化雰囲気制御；クラッド表面に不活性ガスパージまたは保護コーティングを適用

• 加熱速度：熱衝撃とクラッドの剥離を防ぐため≦ 150℃/時

• 焼入れ/冷却：空冷または制御炉冷（後熱処理が必要な合金ベース材の場合）

冷間成形

• 成形温度：常温（20℃～40℃）

• 成形設備：プレスブレーキまたはダイセットを備えたディッシングプレス

• バックスプリング補償：冷間成形時のバックスプリングを補償するためにダイ寸法を調整（通常、ヘッド直径と材料降伏強度あたりのクラウン半径の0.5%～1.5%）

• 最大冷間成形ひずみ：クラッドの剥離とベース材の割れを防ぐために制限されます。炭素鋼ベースとステンレスクラッドの場合、推奨成形ひずみは≦ 15%です（製造業者の成形手順による）。

• 冷間成形後：ベース材厚さが38mmを超える場合、またはサービスで応力除去が必要な場合は、ASME VIII-1 UCS-56に従って完全な溶接後熱処理（PWHT）が必要です。

成形公差（ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198準拠）

クラッドの完全性 – 結合品質と試験

クラッドとベース材間の冶金的な結合は、ASME VIII-1 UW-13およびASME SA-263 / SA-264 / SA-265に従って検証する必要があります。

結合完全性基準

• せん断強度（クラッド-ベース結合）：爆着板の場合≧ 140 MPa（ASTM B898準拠）

• 結合面積：総クラッド表面積の≧ 99%（冶金的に結合されたクラッド表面積）

• 未結合面積許容値：個々の未結合パッチは≦ 100mm²；総未結合面積は表面積の≦ 1%（ASME VIII-1準拠）

クラッド表面の非破壊検査（NDE）

• 超音波探傷試験（UT） – 結合欠陥および剥離のためのクラッド-ベース界面の100%スキャン（ASME V, Article 5準拠）

• 合格基準：20mmを超える線状指示なし；集合した指示なし；基準レベルの≧ 50%の振幅を持つ指示なし

• 浸透探傷試験（PT） – 表面割れのためのクラッド表面および溶接継ぎ目の100%（ASME V, Article 6準拠）

• 合格：割れなし、0.8mmを超える気孔なし、集合した気孔なし

シェルへの溶接 – 継手設計と準備

クラッド楕円形ヘッドは、接線線でシェルまたはフランジに溶接されます。継手は、クラッド界面全体で構造的完全性と耐食性の両方を維持する必要があります。

継手準備（ASME VIII-1 UW-13準拠）

• 開先角度：30°～37.5°（シングルVまたはダブルV）

• ルートギャップ：2mm～4mm

• クラッド層のステップバック：溶接溝の端からクラッド材を約2mm～3mm後退させ、最初のパス（ベース材溶接）がクラッド層を溶融させずに堆積できるようにします。

• 遷移溶接：耐食性溶接表面を実現するために、溶接溝表面にクラッド材のバタリング層を堆積させます（必要な場合）。

溶接順序（推奨）

1. ベース材溶接（炭素鋼/合金） – 最初に堆積、ASME VIII-1 UW-52に従って100% RTまたはUT

2. クラッド側溶接（ステンレスまたはCRA） – ベース溶接完了および検査後に堆積

3. 溶接表面へのクラッド肉盛り – 継手全体に耐食性を回復させるための最終的なCRA材料層

4. クラッド表面および溶接肉盛りの最終PT検査 – 100%

PWHT（溶接後熱処理）

• 以下の場合にASME VIII-1 UCS-56に従って必要です：

  • ベース材厚さが38mmを超える場合

  • サービスに湿潤H₂Sが含まれる場合（NACE MR0175 / ISO 15156）

  • ベース材が焼戻しを必要とする低合金鋼（SA-387）の場合

• PWHT温度：炭素鋼の場合は620℃±15℃；低合金鋼の場合は680℃～760℃（UCS-56表準拠）

• 保持時間：ベース厚さ25mmあたり1時間；最低1時間

• 冷却速度：炭素鋼の場合は400℃まで≦ 50℃/時（炭化物析出または応力割れ防止のため）

• PWHT中のクラッド保護：酸化を防ぐためにクラッド表面に不活性ガスパージ（アルゴン）を適用；クラッド表面のスケール発生を最小限に抑えるために必要に応じて熱シールドを設置

ヘッドごとの検査と試験

寸法検査

• クラウン半径：テンプレートまたは3Dスキャンで測定 – 公差±1.5%

• 内側の深さ（h）：接線線からクラウン中心までの距離を測定 – 公称±1.0%

• 接線線でのシェル内径の整合性：真円度≦ シェル内径の1.0%

• ストレートフランジ長：通常25mm～100mm（設計による）；公差±2mm

• クラッド厚さ：表面積の10%で超音波厚さ計を使用 – 最小厚さ≧ 公称クラッド厚さ - 0.5mm

非破壊検査（NDE）

圧力試験（容器に溶接されている場合）

• 水圧試験：設計圧力の1.3倍 ×（試験温度でのS / 設計温度でのS）（ASME VIII-1 UG-99準拠）

• 保持時間：最低30分

• 合格：圧力低下なし；溶接継ぎ目またはクラッド界面での目に見える漏れなし

• 水圧試験後のクラッド表面：膨れまたは剥離の目視検査 – 目に見える膨れは許容されない

出荷ごとの書類

• 材料試験証明書（EN 10204 3.1または3.2） – ベースプレートおよびクラッド材

• クラッド板製造報告書（爆着または圧延） – 結合せん断強度試験結果を含む

• ASME Uスタンプデータレポート（該当する場合）

• GB/T 25198データシート（国内規格の場合）

• 寸法検査報告書（クラウン半径、深さ、厚さ、真円度）

• NDEレポート – UT結合スキャン、PT表面スキャン、RT/UT溶接スキャン（溶接されている場合）

• PWHTチャート記録（時間-温度曲線） – 実施された場合

• 成形手順仕様書（FPS）および成形報告書（熱間/冷間成形記録）

• クラッド厚さ測定報告書（超音波厚さ計記録）

選択チェックリスト – クラッド楕円形ヘッド

1. シェル内径 – ヘッドサイズを決定

2. 設計圧力 – ASME VIII-1 UG-32に従ってベース厚さを決定

3. 設計温度 – ベース材グレードとPWHT要件を決定

4. プロセス流体の腐食性 – クラッド材と最小クラッド厚さを決定

5. 必要なクラッド材 – 304L / 316L / 二相鋼 / Ti / 合金625 / 合金C276

6. 必要なクラッド厚さ – 腐食代に基づく（通常、最低3mm）

7. 必要なベース材 – CS SA-516 Gr.70 / Q345R / SA-387 Gr.11/22

8. 成形方法の好み – 熱間成形または冷間成形

9. PWHT要件 – ベース厚さとサービスに基づく

10. NDE要件 – ASME VIII-1またはプロジェクト仕様に基づく（例：100% UT結合スキャン、100% PT）

11. フランジまたはノズルアタッチメント – ヘッドに既に溶接されている場合、溶接継手詳細を提供

12. 塗装/コーティング仕様 – 外表面用（炭素鋼ベース）、断熱されていない場合

設計制限事項 – クラッド楕円形ヘッド

クラッド楕円形ヘッドは、以下には適用されません：

• 運転温度が熱膨張係数の違いによりクラッドとベース材の熱膨張不一致によりクラッドの剥離を引き起こすサービス（ASME VIII-1 Appendix AAによると、クラッドとベース間の熱応力は設計計算に含める必要があります）。

• クラッドとベース間の結合が疲労する可能性のある厳しい熱サイクル（年間1,000サイクル以上）。クラッド厚さと結合完全性は、ASME VIII-2の疲労解析に従って再評価する必要があります。

• クラッド材が耐食性を失うか、相変態を起こす非常に高い温度（540℃以上）。このようなサービスには合金625または合金800が推奨されます。

• 急速な圧力サイクル（脈動サービス）を伴うサービス – クラッド結合が剥離応力を受ける可能性があります；追加の結合試験については製造業者に相談してください。