発電用ボイラにはどのような材料が使われているのか解説します。

はじめに

火力発電所のボイラを見ると、巨大な設備の中に数多くの鋼管や配管、管寄せなどが使われています。

一見すると、

「どれも同じ鉄の配管ではないのか？」

と思うかもしれません。

しかし実際には、ボイラの中では場所によって、

温度
圧力
燃焼ガスの影響
水蒸気による酸化
起動・停止による熱応力

などの条件が大きく異なります。

そのため、ボイラでは一種類の材料ですべてを作るのではなく、

炭素鋼 → 低合金鋼 → 高Crフェライト鋼 → オーステナイト系ステンレス鋼 → Fe-Ni基・Ni基合金

と、使用条件に応じて材料を使い分けています。

今回は、発電用ボイラではどのような材料が使われ、なぜ材料を使い分ける必要があるのかを見ていきます。

ボイラは「高温・高圧」の設備

発電用ボイラの役割を簡単に言えば、

水を加熱して、高温・高圧の蒸気をつくる設備

です。

そして発電効率を高めるため、ボイラの蒸気条件は長い年月をかけて高温・高圧化してきました。

資料では、蒸気温度は1950年頃の約450℃から、538℃、566℃、593℃へと上昇し、その後600℃級、さらに610℃級へと高温化してきました。

蒸気条件を高くすれば発電効率を向上できます。

しかし材料の側から見ると、

温度と圧力が上がるほど、材料に要求される性能は厳しくなる

ということです。

ボイラはどこも同じ温度・圧力ではない

ボイラ材料を考えるうえで非常に重要なのが、

「ボイラの温度・圧力は均一ではない」

ということです。

たとえば代表的な耐圧部には、

節炭器→火炉水壁 → 一次過熱器 → 放射過熱器 → 二次過熱器

などがあります。

しかも、同じ過熱器の中でも管壁温度は一定ではありません。

蒸気温度だけでなく、

蒸気流量
燃焼ガス温度
ガス流量
熱吸収量

などが場所によって異なるため、管壁温度にも分布が生じます。

つまり、

「最高蒸気温度が600℃だから600℃に耐える材料を選べばよい」

という単純な話ではありません。

ボイラ材料に必要なのは「強度」だけではない

ボイラ材料というと、

「高温でも強い材料」

というイメージが先に来るかもしれません。

もちろん高温強度は重要です。

しかし、それだけでは十分ではありません。

ボイラ用材料には、大きく次のような性能が求められます。

① 高温で長時間耐えられること

ボイラは何万時間という長期間にわたって、高温・高圧環境で使用されます。

そのため重要になるのが、

クリープ強度

です。

クリープとは、材料に一定の応力が加わった状態で高温に長時間さらされると、時間とともに少しずつ変形していく現象です。

ボイラでは単純な引張強さだけではなく、

10万時間といった長時間使用に耐えられるか

という考え方が必要になります。

② 水蒸気酸化に耐えられること

管内面は高温の水蒸気にさらされるため、

水蒸気酸化スケール

が生成します。

このスケールが厚くなると伝熱を阻害するうえ、剥離すれば管内で堆積することで過熱による短時間クリープにより噴破したり、下流側へ飛散すると蒸気タービン翼がエロージョン損傷します。

③高温腐食に耐えられること

特に過熱器や再熱器では、管の外側が高温の燃焼ガスにさらされます。

管外面の温度は設計蒸気温度より20℃～数十℃程度高くなることがあり、燃料中の成分や灰などによる腐食性付着物によって減肉が進むことがあります。

つまり、

管の中だけでなく、外からも材料は攻撃される

わけです。

つまり伝熱管では、

内側＝水蒸気酸化

外側＝高温腐食

という両面から材料を考えなければなりません。

材料を使い分ける｜適材適所がボイラ設計の基本

ボイラには、炭素鋼、Cr-Mo低合金鋼、高Crフェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼など、さまざまな材料が使用されています。

では、すべての部位を高性能な材料で作ればよいのでしょうか。

もちろん、高温強度や耐食性に優れた材料を使用すれば、厳しい環境に対応しやすくなる場合があります。

しかし、高性能な材料は一般に高価であり、加工や溶接、熱処理などの施工管理にも高度な技術が要求されることがあります。

また、材料にはそれぞれ長所と短所があり、高温強度が高い材料が、必ずしもすべての部位に適しているわけではありません。

そこで重要になるのが、

必要な性能を満足する範囲で、その場所に適した材料を使う

という考え方です。

発電用ボイラでは、使用温度や圧力だけでなく、腐食環境、熱応力、加工性、溶接性、経済性などを総合的に考えて材料を選定します。

概念的には、次のように材料を使い分けます。

ボイラ主要部位の使用温度と代表的な材料

部位	使用温度の目安	代表的な材料	材料区分・求められる特性
節炭器管	200～350℃	STB340、STB410、STB510	炭素鋼。耐圧強度、加工性、溶接性
火炉壁管	300～450℃	STB340、STB410、STBA12、STBA20、STBA22	炭素鋼・低合金鋼。耐圧強度、耐高温腐食性、耐熱疲労性
過熱器管（低温部）	350～500℃	STBA22、STBA23、STBA24	Cr-Mo低合金鋼。高温強度、耐水蒸気酸化性
過熱器管（高温部）	500～620℃	STBA24、火STBA28、火STBA29、SUS321HTB、SUS347HTB、火SUS304J1HTB	高Crフェライト系耐熱鋼・オーステナイト系ステンレス鋼。クリープ強度、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性
再熱器管（低温部）	300～500℃	STBA22、STBA23、STBA24	Cr-Mo低合金鋼。高温強度、耐水蒸気酸化性
再熱器管（高温部）	500～620℃	火STBA28、火STBA29、SUS321HTB、SUS347HTB、火SUS304J1HTB	高Crフェライト系耐熱鋼・オーステナイト系ステンレス鋼。クリープ強度、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性
管寄せ（低・中温部）	300～500℃	STPA22、STPA23、STPA24	Cr-Mo低合金鋼。耐圧強度、靭性、溶接性、熱疲労強度
管寄せ（高温部）	500～620℃	STPA24、火STPA28、火STPA29、火SUS410J3TP	Cr-Mo低合金鋼・高Crフェライト系耐熱鋼。クリープ強度、熱疲労強度、靭性
給水管	150～300℃	STPG370、STPG410、STPA系	炭素鋼・低合金鋼。耐圧強度、靭性、溶接性
主蒸気管	538～610℃	STPA24、火STPA28、火STPA29、火SUS410J3TP	Cr-Mo低合金鋼・高Crフェライト系耐熱鋼。クリープ強度、熱疲労強度、靭性
低温再熱蒸気管	300～400℃	STPA22、STPA23、STPA24	Cr-Mo低合金鋼。耐圧強度、靭性、溶接性
高温再熱蒸気管	538～610℃	STPA24、火STPA28、火STPA29、火SUS410J3TP	Cr-Mo低合金鋼・高Crフェライト系耐熱鋼。クリープ強度、熱疲労強度、靭性