ステンレス鋼管は本質的に耐腐食性を備えていますが、海洋環境に設置されたステンレス鋼管は、想定される耐用年数の間にさまざまなタイプの腐食を経験します。この腐食は、漏洩排出、製品の損失、および潜在的なリスクにつながる可能性があります。海洋プラットフォームの所有者と運営者は、より耐腐食性の高いより強力なパイプ材料を指定することで、腐食のリスクを軽減できます。その後、化学注入、油圧およびインパルスライン、プロセス計装およびセンシング機器を検査する際には、腐食が設置された配管の完全性を脅かしたり、安全性を損なったりしないように、常に注意を払う必要があります。
局所腐食は、多くのプラットフォーム、船舶、船、および海洋施設の配管で発生します。この腐食は孔食腐食または隙間腐食の形をとることがあり、いずれもパイプの壁を侵食し、液体の漏れを引き起こす可能性があります。
アプリケーションの動作温度が上昇すると、腐食のリスクが高まります。熱により、チューブの外側の保護用不動態酸化膜の破壊が加速され、孔食の形成が促進される可能性があります。
残念ながら、局部的な孔食や隙間腐食は検出が難しいため、これらのタイプの腐食を特定、予測、設計することがより困難になっています。これらのリスクを考慮すると、プラットフォームの所有者、運営者、および指定者は、アプリケーションに最適な配管材料を選択する際に注意する必要があります。材料の選択は腐食に対する最初の防御線であるため、正しく選択することが重要です。幸いなことに、局部腐食耐性の非常にシンプルでありながら非常に効果的な指標である孔食耐性等価数 (PREN) を使用して選択することができます。金属のPREN値が高いほど、局部腐食に対する耐性が高くなります。
この記事では、孔食と隙間腐食を識別する方法と、材料の PREN 値に基づいてオフショア石油およびガス用途のチューブ材料の選択を最適化する方法について説明します。
金属表面でより均一に発生する一般腐食と比較すると、局部腐食は狭い範囲で発生します。316 ステンレス鋼パイプでは、塩水などの腐食性流体にさらされて金属の外側のクロムを多く含む不動態酸化膜が破裂すると、孔食と隙間腐食が形成され始めます。海洋の沖合および陸上の塩化物に富む環境、高温、さらにはチューブ表面の汚染によっても、この不動態膜が劣化する可能性が高まります。
孔食。孔食は、パイプの不動態膜が破壊され、パイプの表面に小さな空洞またはピットが形成されるときに発生します。このようなピットは、電気化学反応が発生するにつれて大きくなり、金属内の鉄がピットの底の溶液に溶解します。その後、溶解した鉄はピットの上部に向かって拡散し、酸化されて酸化鉄または錆を形成します。ピットが深くなるにつれて、電気化学反応が加速し、腐食が激しくなり、パイプの壁に穴が開き、水漏れにつながる可能性があります。
チューブの外面が汚染されていると、孔食が発生しやすくなります (図 1)。たとえば、溶接や研削作業による汚染により、パイプの不動態化酸化物層が損傷し、孔食が形成されて加速する可能性があります。パイプからの汚染に対処する場合も同様です。さらに、塩水滴が蒸発すると、パイプ上に形成された湿った塩の結晶も同様に酸化物層を保護し、孔食を引き起こす可能性があります。このような種類の汚染を防ぐには、定期的に真水で洗い流してパイプを清潔に保ちます。
図 1 – 酸、塩水、その他の堆積物で汚染された 316/316L ステンレス鋼パイプは、孔食腐食が発生しやすくなります。
すきま腐食。ほとんどの場合、孔食は作業員が簡単に特定できます。しかし、すきま腐食は検出が容易ではなく、作業員や作業員に大きなリスクをもたらします。すきま腐食は通常、クリップで固定されたパイプや、ぴったりと並んで設置されたパイプなど、周囲の材料との隙間が狭いパイプで発生します。塩水がすきまに浸透すると、時間の経過とともに化学的に攻撃的な酸性塩化鉄 (FeCl3) 溶液がその領域に形成され、すきま腐食が加速されます (図 2)。すきま自体が腐食のリスクを高めるため、すきま腐食は孔食よりもはるかに低い温度で発生する可能性があります。
図 2 – 化学的に攻撃的な酸性塩化鉄溶液が隙間に形成されることにより、パイプとパイプ サポートの間 (上)、およびパイプが他の表面の近くに設置されている場合 (下) に隙間腐食が発生する可能性があります。
隙間腐食は通常、パイプとパイプ支持クリップとの間に形成された隙間で最初に孔食腐食を模倣します。ただし、亀裂内の流体の Fe++ 濃度が増加するため、最初のクレーターは亀裂全体を覆うまでどんどん大きくなります。最終的に、隙間腐食によってパイプに穴が開くことがあります。
狭い亀裂は腐食のリスクが最も高くなります。そのため、パイプの円周のほとんどを覆うパイプクランプは、パイプとクランプの接触面を最小限に抑えるオープンクランプよりもリスクが高くなります。メンテナンス技術者は、定期的にクランプを開いてパイプの表面の腐食を検査することで、隙間腐食による損傷や故障の可能性を減らすことができます。
孔食と隙間腐食は、用途に適した金属合金を選択することで最も効果的に防ぐことができます。設計者は、動作環境、プロセス条件、その他の変数に基づいて腐食のリスクを最小限に抑えるために、十分な注意を払って最適な配管材料を選択する必要があります。
設計者は、材料選択を最適化するために、金属の PREN 値を比較して、局所腐食に対する耐性を判断できます。PREN は、次のように、クロム (Cr)、モリブデン (Mo)、窒素 (N) の含有量を含む合金の化学組成から計算できます。
PREN は、合金中の耐食元素であるクロム、モリブデン、窒素の含有量とともに増加します。PREN の関係は、化学組成に関連したさまざまなステンレス鋼の臨界孔食温度 (CPT)、つまり孔食が観察される最低温度に基づいています。基本的に、PREN は CPT に比例します。したがって、PREN 値が高いほど、孔食耐性が高くなります。PREN がわずかに増加した場合は、合金と比較して CPT がわずかに増加しただけですが、PREN が大幅に増加した場合は、CPT が大幅に上昇し、パフォーマンスが大幅に向上したことを示します。
表 1 は、オフショアの石油およびガス用途で一般的に使用されるさまざまな合金の PREN 値を比較したものです。この表は、よりグレードの高いパイプ合金を選択することにより、仕様によって耐食性が大幅に向上することを示しています。316 ステンレス鋼から 317 ステンレス鋼に移行しても、PREN はわずかにしか増加しません。大幅な性能向上のためには、6 Mo スーパーオーステナイト系ステンレス鋼または 2507 スーパー二相ステンレス鋼を使用するのが理想的です。
ステンレス鋼内のニッケル (Ni) の濃度が高いと、耐食性も向上します。ただし、ステンレス鋼のニッケル含有量は PREN 方程式の一部ではありません。いずれにしても、ニッケル濃度の高いステンレス鋼を指定することが有益な場合が多くあります。これは、この元素が局部腐食の兆候が見られる表面の再不動態化に役立つためです。ニッケルはオーステナイトを安定させ、1/8 硬質パイプの曲げ加工や冷間引抜き加工時にマルテンサイトの形成を防ぎます。マルテンサイトは金属中の望ましくない結晶相であり、局部腐食や塩化物誘起の応力割れに対するステンレス鋼の耐性を低下させます。高圧水素ガスを伴う用途では、316/316L で少なくとも 12% の高いニッケル含有量が望ましいです。ASTM 標準仕様で 316/316L ステンレス鋼に要求される最小ニッケル濃度は 10% です。
海洋環境で使用されるパイプでは、局部腐食がどこにでも発生する可能性があります。ただし、孔食腐食は既に汚染されている領域で発生する可能性が高く、隙間腐食はパイプと取り付けハードウェアの間に狭い隙間がある領域で発生する可能性が高くなります。PREN を基準として使用することで、仕様者はあらゆる種類の局部腐食のリスクを最小限に抑える最適なパイプ合金を選択できます。
ただし、腐食リスクに影響を与える可能性のある他の変数があることに留意してください。たとえば、温度はステンレス鋼の孔食耐性に影響を与えます。高温の海洋気候の場合、6 モリブデン スーパー オーステナイトまたは 2507 スーパー デュプレックス ステンレス鋼パイプは、局所腐食と​​塩化物応力割れに対する優れた耐性があるため、真剣に検討する必要があります。寒冷な気候の場合、特に良好な使用実績がある場合は、316/316L パイプで十分な場合があります。
オフショアプラットフォームの所有者と運営者は、チューブの設置後に腐食のリスクを最小限に抑えるための措置を講じることもできます。孔食腐食のリスクを減らすために、パイプを清潔に保ち、定期的に真水で洗い流す必要があります。また、定期検査中にメンテナンス技術者にチューブのクランプを開けさせ、隙間腐食の有無を確認させる必要があります。
上記の手順に従うことで、プラットフォームの所有者と運営者は、海洋環境におけるチューブの腐食やそれに伴う漏れのリスクを軽減し、安全性と効率性を向上させるとともに、製品の損失や漏洩排出物の発生の可能性を減らすことができます。
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
『Journal of Petroleum Technology』は石油技術者協会の旗艦雑誌であり、探査および生産技術の進歩、石油およびガス業界の問題、SPE とその会員に関するニュースに関する信頼できる概要と特集記事を掲載しています。