通常の設計では「降伏応力以下なら変形しない」と考えますが、高温環境ではこれが通用しません。降伏応力より低い応力でも、長時間かけてじわじわと変形が進みます。これがクリープです。ボイラー・圧力容器・タービン・排気系部品などの高温設備では、クリープを無視した設計が重大事故につながる危険があります。
クリープとは何か
クリープとは、一定の応力のもとで時間とともに変形（ひずみ）が増加し続ける現象です。特に融点の40〜50%以上の温度（鉄鋼なら300〜400℃以上が目安）で顕著になります。
クリープの3段階
| 段階 | 名称 | 特徴 |
|---|---|---|
| 第1段階 | 遷移クリープ | 加工硬化が進み、ひずみ速度が次第に低下する |
| 第2段階 | 定常クリープ | 加工硬化と回復がつりあい、ひずみ速度が一定になる（設計で最も重要な領域） |
| 第3段階 | 加速クリープ | 粒界でのキャビティ形成・亀裂進展でひずみ速度が急増し、最終的に破断（クリープ破断）に至る |
クリープが問題になる温度域
| 材料 | クリープを考慮すべき温度の目安 | 代表的な使用上限温度 |
|---|---|---|
| 炭素鋼（SS400・S45C） | 300℃以上 | 350〜400℃まで（クリープ強度低い） |
| Cr-Mo鋼（STBA22: 1Cr-0.5Mo） | 400℃以上 | 450〜550℃ |
| Cr-Mo鋼（STBA26: 2.25Cr-1Mo） | 450℃以上 | 550〜600℃ |
| SUS304（18Cr-8Ni） | 500℃以上 | 650〜700℃ |
| SUS310S（25Cr-20Ni） | 600℃以上 | 900〜1000℃（酸化雰囲気） |
| インコネル625・718（Ni基超合金） | 700℃以上 | 900〜1100℃（タービン翼等） |
クリープ強度の評価指標
クリープ破断強度
「ある温度・ある応力で何時間後に破断するか」を表す指標です。高温設備の設計では「100,000時間（約11年）のクリープ破断強度」を設計応力の基準にすることが多く、JIS・ASME等の圧力容器規格でも規定されています。
最小クリープ速度（定常クリープ速度）
第2段階のひずみ速度です。「10⁻⁵%/h 以下」のように管理します。ひずみ速度が低いほど長寿命です。
ボルト（フランジ締結）でのクリープ問題
高温配管フランジのボルトでは「クリープ緩み（応力緩和）」が問題になります。ボルトを規定トルクで締めても、高温下でクリープが進んでボルト伸びが増加し、締め付け力が低下します。これが原因でガスケットが緩んでフランジから漏れが起きます。
高温フランジボルトには炭素鋼ではなくCr-Mo鋼（ASTM A193 B7等）や高強度耐熱ボルト材を選び、定期的な増し締め計画を立てることが重要です。
現場でのトラブル事例
高温設備の材料選定フロー
使用温度350℃以下
炭素鋼（SS400・S45C）で対応可能なケースが多いですが、長時間の場合はクリープ考慮が必要。ボルトは定期増し締め前提で計画します。
350〜600℃
Cr-Mo鋼（STBA22・STBA26）が標準です。JIS B 2220（鋼製フランジ）・JIS B 8270（圧力容器）の規定を確認し、設計温度に対応した許容応力を使います。
600〜900℃
オーステナイト系ステンレス（SUS304・SUS310S）または耐熱合金（インコネル等）が必要です。酸化雰囲気・還元雰囲気・繰り返し熱サイクルなど環境条件で材料を選別します。
- 設計温度でのクリープ強度（破断強度・最小クリープ速度）を確認した
- 炭素鋼を350℃超で使用していない
- 高温フランジボルトにCr-Mo鋼または高強度耐熱材を使っている
- 定期的なボルト増し締め計画を保全スケジュールに組み込んだ
- 温度計・熱電対の校正が適切に行われている
- 設計温度より10℃以上高くなった場合のリスクを評価した
- 長期使用後のクリープ損傷検査（レプリカ法等）を計画した
まとめ
- クリープは降伏応力以下でも高温・長時間で進む変形。鉄鋼では300〜400℃以上で考慮が必要
- ボルトの応力緩和（クリープ緩み）が高温フランジ漏れの主因の一つ
- 350〜600℃にはCr-Mo鋼、600〜900℃にはオーステナイト系SUSが基本材料
- 運転温度が10℃上がるとクリープ寿命が半分以下になることがある
- 温度管理と定期増し締めが高温設備の保全の基本
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