銅ニッケル合金：特性、グレード（70/30 - 90/10）、用途

銅-ニッケル合金(キュプロニッケル)-特に90/10(Cu-10Ni)系と70/30(Cu-30Ni)系-は、海水サービス、復水器・熱交換器用チューブ、海洋配管、防汚被覆に最適な選択肢の一つです。なぜなら、海水中の均一・局部腐食に対する優れた耐性と、良好な加工性、適度な機械的強度を兼ね備えているからです；設計の成否は、適切な鋼種(組成＋Fe/Mn などの添加物)を選択し、ASTM/EN の関連仕様に準拠し、正しい試運転と溶接方法を適用できるかどうかにかかっている。

1.簡単な技術的要約と提言

キュプロニッケル は、銅をベースとした合金にニッケル(通常10～30wt% Ni)を大幅に添加したものである。90/10と70/30という呼称は、それぞれおおよそ10%と30%のニッケルを含む合金の略称です。70/30等級(UNS C71500/CU-Ni-30)は、強度が高く、高流速 での耐性が多少改善される。90/10等級(UNS C70600/Cu-Ni-10)は、耐キャビテーション性/耐インピンジメント性に優れ、復水器チューブや復水器プレートに好まれることが多い。海水配管および熱交換器用には、公表され ている暴露履歴、機械的能力、加工許容範囲が、プ ロジェクトの運転速度、温度、化学的性質に適合す る鋼種を選ぶこと。腐食性の強い海水や高速の海水には、長期耐 性に優れた "改良70/30"（少量のFeとMnを添加） を検討すること。

2.銅・ニッケルとは何か 組成と冶金学

銅ニッケル合金（通称 キュプロニッケル)は、ニッケルが銅の主要な合金元素である固溶体合金である。代表的な市販組成：

• Cu-10Ni（90/10キュプロニッケル）:~88-90%のCu、9-11%のNi、小さなFe/Mn/Pb許容値（UNS C70600ファミリー）。
• Cu-30Ni（70/30キュプロニッケル）:~70%のCu、29-33%のNiに加え、わずかなFeとMn（UNS C71500ファミリー）。

鉄(Fe)とマンガン(Mn)の少量の意図的添加（例えば、改質70/30では各々～1-2%）により、耐インピンジメントアタックに対する抵抗性が向上し、耐食性を犠牲にすることなく強度が向上する。微細構造は、常温で単相の面心立方晶（FCC）固溶体であり、これが良好な延性と加工性を支えている。

3.一般的な市販グレード、UNS番号および規格

エンジニアが遭遇する主な商業的識別子と規格：

• UNS C70600 - CuNi 90/10；コンデンサー、熱交換器、ビルジ／ブライン・システムに一般的。
• UNS C71500 - CuNi 70/30；海水配管、船舶の被覆、バルブに一般的。
• 修正70/30 - CuNi30Mn1Fe（EN呼称CW354H）として指定されることもあり、FeとMnの添加により耐食性/耐食性が向上する。

関連するASTM/ASME及びEN規格（例：仕様書には常に最新版の番号を記載すること）：

• ASTM/ASME B111 (シームレスCu-Niチューブ）、 B466 (溶接Cu-Niパイプ）、 B151 (錬銅と銅合金：棒、バーなど）。国家規格団体やサプライヤーのデータシートには、管、板、鋳物、鍛造品の適切な製品規格が記載されています。

4.物理的、機械的、熱的特性

下記は代表的な物性値です。最終的な設計値については、必ずサプライヤーのデータシートまたは材料試験証明書を使用してください。

• 密度8.9～8.95g/cm³（一般的な鋼よりやや軽い）。
• 電気伝導度90/10は70/30より導電率が高い。
• 熱伝導率純銅より導電性は劣るが、熱交換器用途に適している。
• 降伏強さ（焼きなまし）冷間加工は降伏強度と引張強度を高める：90/10焼鈍≈70-150MPa、70/30焼鈍≈120-250MPa；冷間加工は降伏強度と引張強度を高める。
• 伸び一般的に良好（アニール状態で20-40%）。
• 溶解範囲組成にもよるが、固相線≈1170-1190 °C、液相線≈1220-1240 °C。

(これらは例示であり、資格と溶接パラメータについては、認証されたデータシートを参照してください)。

5.腐食挙動：海水、バイオファウリング、局部腐食

Cu-Ni合金は、長期にわたる均一な耐食性において、自然海水中の多くの一般的な合金よりも優れており、（微量なCuの放出による）自然な防汚傾向を有し、海洋の成長を抑制する。重要な実用上のポイント

• 初期腐食速度の上昇 この「慣らし運転」挙動は、実地試験で実証されている。この「慣らし運転」挙動は、実地試験で実証済みである。長期定常腐食速度は、非常に低くなる可能性がある（多くの穏やかな海水条件では、0.05mpy未満）。
• 速度効果： 高流速またはインピンジメントが発生する場所（ジェット、シャープエルボ、高乱流）では、エロージョン・コロージョンが攻撃速度を上げる可能性があります。改良70/30合金（FeとMnを含む）は、プレーン70/30と比較してインピンジメントアタックに対して優れた耐性を有する。技術者は、局部流速を制限するか、犠牲的な設計特徴を追加するか、または高速セクション用に高抵抗材料を選択する必要があります。
• 孔食と隙間腐食： キュプロニッケルは一般的な海水中では耐性があるが、低酸素や高塩化物濃度の停滞したポケットではリスクが高まる可能性がある。適切な流路設計と点検のためのアクセスは、これを軽減する。
• バイオファウリング： 銅イオンの放出は、ある程度の自然な生物付着の抑制をもたらし、状況によっては多くの鋼やチタンに比べ、熱交換器表面のメンテナンスを下げる。しかし、防汚性能は合金、皮膜形成、地域の生態系に左右される。

6.製造、溶接、熱処理

キュプロニッケルは加工性が高い。実用的な推奨品：

• 冷間加工とアニール： 90/10も70/30も冷間加工に対応し、中間の焼鈍で延性が回復する。生産者の調質表に従ってください。
• 溶接： ガスおよびアーク溶接法（GTAW、 SMAW、GMAW）が一般的に使用される。適合する、または承認された金属フィラーを使 用し、高温割れを避けるために入熱を管理する。通常、薄肉部では予熱は不要である。溶接 後の焼鈍は通常必要ないが、応力除去手段は部 品形状による。特定のUNS材種に適合する資格のある手順と 溶接工を使用すること。
• ろう付けとはんだ付け： 認可されたフラックスを使用して、薄い部品や補修作業に使用できる。
• 機械加工： 工具形状と切削速度は、非鉄金属の挙動に合わせて調整する必要がある。

常にメーカーの溶接手順仕様書（WPS）および製品規格の加工上の注意に従ってください。

7.代表的な用途と選択の根拠

Cu-Ni合金は、塩化物環境での耐食性、熱伝導性、加工性のユニークな組み合わせが要求される場合に選択される：

• 海洋配管 (船舶やオフショアプラットフォームの海水システム）。
• 熱交換器とコンデンサー・チューブ 発電所や海水冷却装置（コンデンサーのプレートとチューブに90/10が広く使われている）。
• 海水淡水化プラントと冷却水システムバイオファウリングの低減と長寿命により、ライフサイクルコストを低減します。
• ポンプおよびバルブ部品耐摩耗性と耐腐食性が局所的に要求される、オフショアシーティング、シャフトスリーブなど。

なぜステンレス鋼やチタンではなくキュプロニッケルを選ぶのか？ライフサイクルコストとサービス履歴が決定的です。キュプロニッケルは、中流速の海水において、高合金ステンレス鋼やチタンよりも一般的に低い材料費で、特にファウリングとメンテナンスコストを含めると、実証済みの長期性能を提供します。設計上のトレードオフは、流速、塩化物含有 量、温度を考慮する必要がある。

8.設計、検査、耐用年数の要因

主な設計上の考慮事項：

• 速度制限： インピンジメントを避けるため、内部の海水速度をガ イドライン（プロジェクト固有。高流速が避けられない場合は、肉厚を増やすか、犠牲摩耗パッドを追加するか、合金を変更する。
• スタートアップの手順 適切な試運転（緩やかな傾斜、塩素消毒（使用されている場合）、ゴミの除去）を行うことで、初期の腐食スパイクを抑えることができる。安定した保護膜が形成されると、数ヶ月にわたって腐食速度が低下することが多い。
• カソードカップリング： キュプロニッケルは多くの金属と結合しても問題ないが、異種金属結合と迷走電流経路をチェックすること。
• 検査だ： リスクの高い場所（エルボ、溶接部、減速機）の非破壊検査を計画し、腐食速度と生物汚損を監視する。長時間の運転では、速度確認のためにクーポンまたはプローブモニタリングを使用する。

9.比較表：90/10対70/30対修正70/30

特徴	Cu-90/10 (UNS C70600)	Cu-70/30 (UNS C71500)	改質70/30（CuNi30Mn1Fe）
約Ni(wt%)	~10	~30	~29-33
代表的な使用例	コンデンサーチューブ、コンデンサープレート、熱交換器チューブ	海水パイプ、シース、バルブ	高速海水配管、エルボ、継手
強度（焼きなまし）	中程度	90/10より高い	70/30に近い（やや高い）
耐衝撃性/耐侵食性	グッド	中程度の速度で90/10より良好	インピンジメントのための3つのベスト
生物付着防止	グッド	グッド	グッド
溶接性	素晴らしい	素晴らしい	エクセレント（WPSに従う）
標準的な例	ASTM B111、B151	ASTM B111、B171、B466	EN CW354H; 海上仕様で一般的。

(表は要約である。サプライヤーの技術データシートおよびプロジェクト標準に常に確認すること)。

10.調達、仕様チェックリスト、品質管理

キュプロニッケルの部品を指定または調達する場合は、以下を含む：

• UNS番号と合金呼称（例：C70600またはC71500）。
• 製品の形状および関連するASTM/EN規格（管、板、管、鋳物）。
• 要求される調質または機械的性質（引張、降伏、伸び）。
• 溶接手順仕様書、溶加材の種類、資格記録。
• 検査と試験PMI / OES化学的検証、機械試験証明書、ハイドロテスト圧力、溶接部のNDT、目視検査、寸法チェック。
• 表面仕上げと不動態化の要件（もしあれば）。
• 納品書類：熱/バッチ番号まで追跡可能なミル・テスト・レポート（MTR）。

よく練られた発注書は、生産現場での代替品や曖昧さを減らす。

11.環境、リサイクル、使用済み製品

銅とニッケルはともに貴重であり、使用済 みになった時点で回収されるのが一般的です。銅とニッケルはともに価値があり、使用後回収されるのが一般的である。使用中、環境への微量の銅の放出は一般的に少ないが、銅の排出に関するプロジェクトの環境規制を考慮しなければならない施設もある。

12.よくある質問

Q1.オフショアプラットフォームの海水本管にはどのキュプロニッケルを選べばよいですか？
A: 流速が中程度の海水本管の場合、インピンジメ ントアタックに対する耐性が向上することから、 70/30（Fe&Mn添加）が一般的な選択となる。低流速の場合は、圧力と機械的要件に応 じて70/30または90/10が適切な場合がある。速度プロファイルとニッケル協会のガイドラインを常に参照してください。

Q2.浸食が深刻になる前に、キュプロニッケルのパイプの中を海水が流れる速さはどのくらいですか？
許容流速は、配管の形状、浮遊物の有無、乱流によって異なります。設計者は、保守的な流速制限と摩耗/点検の許容値を使用します。推奨流速範囲については、ニッケル協会のガイダンスを参照し、必要に応じて肉厚または耐浸食性の詳細を検討してください。

Q3.キュプロニッケルは隙間腐食や孔食を受けやすいですか？
A：通常の海水の流れの中では、優れた耐性を示す。酸素の少ない淀んだ隙間や堆積物は、局所的なリスクを高める可能性があるため、デッドレッグを避け、十分なフラッシングと点検を行うこと。

Q4.ステンレス鋼にキュプロニッケルを溶接できますか？
A: 異種金属接合は可能ですが、適切な手順と適切な金属フィラーまたはトランジション・ピースが必要です。ガルバニック効果と機械的適合性を確認してください。

Q5.モディファイド70/30とスタンダード70/30は何が違うのですか？
A: FeとMnの少量添加は、保護膜を強化し、インピンジメントとエロージョンに対する耐性を向上させる。

Q6.コンデンサー用のチタンと比較して、キュプロニッケルはどうですか？
A: チタンは耐食性に優れ、環境によっては長期的なファウリングが発生しにくい場合がありますが、コストが大幅に高くなります。キュプロニッケルは、材料費、熱性能、ファウリング抑制のバランスから、多くの沿岸発電所やプロセスプラントのライフサイクルコストを低く抑えることができます。お客様のサイトのライフサイクルコスト・モデルを使用して比較してください。

Q7.キュプロニッケルを使用するにあたり、健康面や環境面での制限はありますか？
A: 通常の技術的な使用は広く行われているが、銅の濃度に関する敷地内の排出規制や地域の環境規則を確認し、遵守する必要がある。

Q8.設計に必要な検証済みの材料特性データはどこで入手できますか？
A: メーカーのデータシート、認定材料試験報告書(MTR)、MatWebまたは公認規格(ASTM/EN)を使用してください。腐食のガイダンスについては、ニッケル協会の技術指針や海洋業界の文献を参照してください。