圧力容器用ASTM A240 304/304L 316/316Lステンレス鋼皿頭 ASME Section VIII Division 1/2 準拠 耐腐食性

 圧力容器終端部品としてのステンレス鋼製ヘッド

ステンレス鋼製ヘッドは、圧力容器、熱交換器、反応器、塔、貯蔵タンクの成形された終端閉止部です。ステンレス鋼グレードは、酸、アルカリ、塩化物（グレードの制限内）、有機化合物、高純度流体を含む、幅広いプロセス媒体に対して耐食性を提供します。

ヘッドは、熱間または冷間プレス、スピニング、またはディッシングによってステンレス鋼板またはシートから成形されます。この製品は、ASME Section VIII Division 1またはDivision 2、およびGB/T 25198（圧力容器ヘッド）に従って設計および製造されます。ヘッドは、成形されたブランク、溶接用の端部加工付き、または溶接フランジ、ノズル、検査開口部を備えた完全な製作済み品として供給できます。

ヘッドの種類とndash;幾何学的分類

2:1楕円形ヘッド（半楕円体）

• 最も一般的な圧力容器ヘッドタイプ

• 内部深さ（h）=内径/ 4

• ナックル半径（r）≈ 0.17 ×内径

• クラウン半径（R）≈ 0.90 ×内径

• 用途：一般的な圧力容器、熱交換器チャンネル、反応器底部、貯蔵タンク

• 利点：効率的な圧力分布；標準的な直径の成形コストが低い

• 制限：ナックル領域での成形ひずみが大きい；厚さを増やさないと非常に高圧には適さない

トーリフェリカルヘッド（フランジ付き皿形）

• クラウン半径（R）：0.80 ×内径～ 1.00 ×内径（通常R =内径）

• ナックル半径（r）：内径の6％～ 10％（ASME VIII-1あたり最小3％）

• 用途：低圧容器、大気圧タンク、マンウェイカバー

• 利点：浅い深さ（ヘッド高さの削減）；楕円形ヘッドよりも成形コストが低い

• 制限：ナックルでの応力が高い；楕円形と比較して同じ圧力でより厚い材料が必要

半球形ヘッド

• 半径=内径/ 2（真球）

• 内部深さ（h）=内径/ 2

• 用途：高圧容器（10 MPa以上）、極低温貯蔵、原子力容器

• 利点：指定された圧力と直径に対する最小厚さ；最高の圧力保持効率

• 制限：大口径（1,500mm超）の場合、2ピース成形が必要（2つの半分を溶接）；製造コストが高い

円錐形ヘッド

• 円錐頂角：30°～ 120°（圧力容器の場合は通常60°）

• 用途：ホッパー底部、スラリータンク、沈降槽、触媒抜き出しゾーン

• 利点：固体またはスラリーの滑らかな流れ遷移を提供

• 制限：円錐筒接合部での応力が高い；補強リングまたはナックル遷移が必要

フラットヘッド（円盤）

• 厚さはASME VIII-1 UG-34に従って計算

• 用途：低圧容器、検査カバー、マンウェイカバー、熱交換器チャンネルカバー

• 利点：簡単な製作；小口径のコストが最も低い

• 制限：圧力に対してより厚い材料が必要；端部での応力集中が大きい

ステンレス鋼材料グレードとndash;サービスに応じた選択

オーステナイト系ステンレス鋼

二相ステンレス鋼

析出硬化型ステンレス鋼

成形方法とndash;プロセス選択

冷間成形

• 温度：常温（20°C～ 40°C）

• 設備：プレスブレーキ、ディッシングプレス、またはマッチングダイ付き油圧プレス

• 一般的な厚さ：2mm～ 20mm（冷間成形可能）

• バネ戻り補償：材料降伏強度あたりクラウン半径の0.5％～ 2.0％でダイ寸法を調整

• 最大成形ひずみ：オーステナイト系SSの場合は≤ 15％；二相系SSの場合は≤ 10％（割れ防止のため）

• フェライト測定（冷間成形後の二相系）：フェライト含有量はASTM E562あたり35％～ 65％の間でなければなりません。冷間成形によりフェライトが65％超に増加する可能性があります–固溶化熱処理が必要です。

• 冷間成形後：オーステナイト系SSの場合、成形ひずみが10％超の場合、またはサービスが最高の耐食性を必要とする場合（ASME VIII-1 UG-79あたり）、固溶化熱処理（1,040°C～ 1,100°Cに加熱、水焼き入れ）

熱間成形

• 温度：900°C～ 1,100°C（オーステナイト系SS）；1,000°C～ 1,150°C（二相系SS）

• 加熱速度：≤ 150°C/時間（結晶粒成長防止のため）

• 成形雰囲気：酸化とスケール防止のための不活性ガスパージまたは保護コーティング

• 熱間成形後：

  • オーステナイト系SS：1,040°C～ 1,060°Cで固溶化熱処理、焼き入れまたは急冷

  • 二相系SS：1,040°C～ 1,080°Cで固溶化熱処理、水焼き入れ（フェライト/オーステナイトバランスを回復するため）

• 厚さ20mm超の場合：炭化物析出とσ相形成（二相系）を防ぐための焼き入れが必要

スピニング（フローフォーミング）

• プロセス：板を回転させ、マンドレル上でプレスしてヘッドの輪郭を形成

• 温度：冷間または熱間（二相系の場合、200°C～ 400°Cでの温間スピニング）

• 一般的な厚さ：2mm～ 12mm

• 用途：貯蔵タンク、低圧容器、大口径用の薄肉ヘッド

• 利点：金型コストが低い；2,000mm超の直径に適している

• 制限：クラウン領域での厚さ減少（通常、肉厚が5％～ 10％減少）；ブランク設計で厚さを測定・補正する必要がある

厚さ設計とndash;最小必要厚さ

各ヘッドタイプの最小必要厚さは、ASME VIII-1に従って計算されます：

2:1楕円形ヘッド（UG-32（d）あたり）

• 式：t = (P × D) / (2 × S × E – 0.2 × P) ×補正係数

• ここで：P =設計圧力、D =内径、S =許容応力、E =継手効率

• 2:1楕円形ヘッドの補正係数：1.0（D/2h = 2.0に適用される標準係数）

• D/2h ≠ 2.0の場合：付録1-4に従って応力指数計算を適用

トーリフェリカルヘッド（UG-32（e）あたり）

• 式：t = (0.885 × P × L) / (S × E – 0.1 × P)

• ここでL =クラウン半径（標準的なトーリフェリカルヘッドの場合は通常L = D）

• ナックル半径はDの6％以上（ASME VIII-1あたり最小3％）である必要があります

半球形ヘッド（UG-32（f）あたり）

• 式：t = (P × R) / (2 × S × E – 0.2 × P)

• ここでR =内半径（D/2）

フラットヘッド（UG-34あたり）

• 式：t = d × sqrt(C × P / S × E)

• ここで：d =直径、C =端部拘束係数（0.33～ 0.50）

• C値は端部接続方法（溶接、ボルト締め、または一体型）に依存します

厚さ公差（成形済みヘッド）

• 成形後の最小成形厚さ：ASME VIII-1 UG-79あたり公称厚さの90％以上

• 薄化代はブランク板厚選定に含める必要があります

• 厚さ測定：表面積の10％（最小5点）–超音波厚さ計

寸法公差（ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198あたり）

溶接と製作とndash;溶接準備

ヘッドとシェル溶接継手

• 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

• ルートフェイス：1mm～ 2mm

• 溶加材：

  • 304L – ER308L

  • 316L – ER316L

  • 321 – ER321

  • 347H – ER347

  • 二相系2205 – ER2209

• 溶接プロセス：GTAW（TIG）またはSMAW（スティック）またはSAW（サブマージアーク）– ASME Section IXあたり

• 裏ガス：オーステナイト系および二相系SSのルートパス用のアルゴンパージ

ノズル取り付けと補強パッド

• ノズル：ヘッドクラウンまたはナックル領域に溶接–開口部が許容サイズを超える場合はASME VIII-1 UG-37に従って補強パッドが必要

• ノズル中心とヘッド接線線との最小距離：ノズル外径の0.5倍以上（ナックル領域の溶接オーバーレイ防止のため）

• すべての取り付け部：最終溶接表面に100％PT

ステンレス鋼製ヘッドのPWHT

• オーステナイト系SS（304L/316L）：通常PWHTは不要；ただし、熱間成形後または厚肉部（20mm超）の溶接後に1,040°C～ 1,100°Cで固溶化熱処理と水焼き入れを行うと、耐食性が回復するため推奨されます。

• 二相系SS：熱間成形または厚肉部の溶接後に、フェライト/オーステナイトバランスを回復しσ相を防ぐために、1,040°C～ 1,080°Cで固溶化熱処理と水焼き入れ

• 321/347H：感応化が懸念される場合、熱間成形または溶接後に1,040°C～ 1,060°Cで固溶化熱処理

• 17-4PHの溶接後の応力除去（400°C～ 450°C）–メーカーの推奨に従う

表面仕上げと不動態化

内部および外部表面

• ミル仕上げ（成形済み）：標準的な成形表面、Ra 3.2μm～ 6.3μm

• 酸洗仕上げ：スケールと酸化物層を除去するための酸浴（HF/HNO₃）–耐食性を回復

• 不動態化仕上げ：鉄分汚染を除去し不動態層を再形成するための硝酸またはクエン酸処理–医薬品、食品、腐食性サービスに必要

• 電解研磨仕上げ：Ra ≤ 0.4μm–医薬品、バイオテクノロジー、超純水サービス用

• 機械研磨仕上げ：Ra 0.8μm～ 1.6μm（グリット180～ 320）–食品、乳製品、化粧品サービス用

酸洗と不動態化の手順

• 酸洗液（オーステナイト系SS用）：10％～ 20％ HNO₃ + 1％～ 3％ HF、温度20°C～ 50°C、浸漬時間10～ 60分

• 不動態化液（オーステナイト系SS用）：20％～ 40％ HNO₃、温度40°C～ 50°C、浸漬時間30～ 60分

• 処理後：脱イオン水でリンス、オイルフリー空気で乾燥

• 不動態化検証：ASTM A380に従ったフェロキシル試験–青色の着色なし（遊離鉄の除去を示す）

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– ASME VIII-1 UG-81に従った公差

• 内部深さ：デプスゲージ–公差±1.0％

• 厚さ：表面積の10％での超音波厚さ計–最小厚さ公称値の90％以上

• 真円度不良：接線線での巻尺– IDの1.0％以下

• ストレートフランジ長と真円度：ノギスと巻尺–図面に従った公差

非破壊検査（NDE）

圧力試験（容器に溶接された場合または独立した閉止部として試験された場合）

• 水圧試験（ASME VIII-1 UG-99あたり）：試験圧力= 1.3 ×設計圧力 ×（試験温度でのS /設計温度でのS）

• 試験媒体：きれいな水または脱イオン水（SSの塩化物応力腐食を避けるため）

• 試験水の塩化物制限：SCCを防ぐために≤ 50ppm（オーステナイト系SS用）；二相系の場合は≤ 200ppm

• 保持時間：最小30分

• 合格：圧力低下なし；溶接継手に目に見える漏れなし

出荷ごとの書類

• 材料試験証明書（EN 10204 3.1または3.2）–板材および溶加材

• 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）

• 寸法検査レポート（クラウン半径、深さ、厚さ、真円度不良、ストレートフランジ）

• NDEレポート– PT表面スキャン、UTラミネーションスキャン、RT/UT溶接スキャン（溶接されている場合）

• 成形手順仕様（FPS）および成形記録（温度、加熱速度、冷却速度）

• 厚さ測定レポート（超音波厚さ計記録）

• 酸洗/不動態化証明書（実施された場合）–浴濃度、温度、期間を含む

• 不動態化検証試験（フェロキシル試験）–要求される場合

• 熱処理チャート（固溶化熱処理時間-温度記録）–実施された場合

選定チェックリストとndash;ステンレス鋼製ヘッド

1. ヘッドタイプ– 2:1楕円形/トーリフェリカル/半球形/円錐形/フラット

2. シェルID（内径）–ヘッドサイズと深さを決定

3. 設計圧力– ASME VIII-1 UG-32に従って最小厚さを決定

4. 設計温度–許容応力（S）をASME II-Dおよび材料グレードに従って決定

5. プロセス流体–ステンレス鋼グレード（304L / 316L / 321 / 347H /二相系）を決定

6. 塩化物濃度– 200ppm超の場合、316L（≤ 250ppm）、二相系2205（≤ 300ppm）、またはスーパー二相系2507（300ppm超）を選択

7. 成形方法の好み–熱間成形（厚さ20mm超）または冷間成形（薄さ20mm以下）

8. 表面仕上げ要件–ミル/酸洗/不動態化/電解研磨/機械研磨

9. ノズル取り付けが必要–ノズルスケジュールを提供（サイズ、定格、向き、突出量）

10. PWHT要件–材料、厚さ、サービスに基づく（通常、SSの場合は固溶化熱処理）

11. NDE要件– ASME VIII-1またはプロジェクト仕様による

12. 溶接準備–エッジ開先タイプ（シングルV /ダブルV）および開先角度（溶接準備付きで供給される場合）

13. 試験圧力–ハイドロテスト用（UG-99あたり）（事前に試験された閉止部として供給される場合）

設計制限声明とndash;ステンレス鋼製ヘッド

スタンドアロン製品としてのステンレス鋼製ヘッドは、以下の制限を受けます：

• シェルまたはフランジに溶接されるまで内部圧力定格はありません；圧力定格は、完全に組み立てられた容器から導出されます

• 適切なグレード（316L（≤ 250ppm）、二相系（≤ 300ppm）、スーパー二相系（300ppm超））を選択しない限り、塩化物含有サービス（200ppm超）には適しません

• 塩化物含有水（オーステナイト系SSの場合は50ppm超）でのハイドロテストには適しません–塩化物応力腐食割れ（SCC）のリスク

• 600°C（オーステナイト系SS）または280°C（二相系SS）を超えるサービス温度には適しません–これらの限界を超えると材料相変態またはクリープが発生します

• 疲労解析（ASME VIII-2あたり）なしでの過酷な熱サイクル（年間1,000サイクル超）には適しません–冷間成形による残留応力が疲労破壊を加速する可能性があります

• 成形後に固溶化熱処理が必要なヘッドの場合、部品を再焼き入れする必要があります；冷却速度が最終的な機械的特性に影響します