ステンレス鋼管は本来耐食性に優れていますが、海洋環境に設置されたステンレス鋼管は、耐用年数の間に様々な種類の腐食に見舞われます。この腐食は、漏洩、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。洋上プラットフォームの所有者および運用者は、より優れた耐食性を提供する強度のあるパイプ材料を指定することで、腐食のリスクを低減できます。その後、化学薬品注入ライン、油圧ライン、インパルスライン、プロセス計装機器、およびセンシング機器を検査する際には、腐食が設置済みの配管の健全性を脅かしたり、安全性を損なったりしないよう、常に注意を払う必要があります。
局部腐食は、多くのプラットフォーム、船舶、船、および海洋設備の配管で見られます。この腐食は、孔食または隙間腐食の形で発生し、いずれも配管壁を侵食して流体の漏出を引き起こす可能性があります。
使用環境の温度が上昇すると、腐食のリスクが高まります。熱はチューブの保護的な外側の不動態酸化皮膜の破壊を加速させ、それによって孔食の発生を促進します。
残念ながら、局所的な孔食や隙間腐食は検出が困難な場合があり、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ります。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、オペレーター、および指定者は、用途に最適な配管材料を選択する際に注意を払う必要があります。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、局所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尺度である孔食耐性当量数（PREN）を使用して選択できます。金属のPREN値が高いほど、局所腐食に対する耐性が高くなります。
本稿では、孔食および隙間腐食を識別する方法、そして材料のPREN値に基づいて海洋石油・ガス用途向けチューブ材料の選定を最適化する方法について解説する。
局部腐食は、金属表面全体に均一に広がる全面腐食とは異なり、狭い範囲で発生します。316ステンレス鋼管では、塩水などの腐食性流体にさらされることで、金属の外側のクロムを豊富に含む不動態酸化皮膜が破断し、孔食や隙間腐食が発生し始めます。塩化物を含む海上および陸上の海洋環境、高温、さらには管表面の汚染なども、この不動態皮膜の劣化の可能性を高めます。
孔食。孔食は、パイプの表面にある不動態皮膜が破壊され、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、電気化学反応が起こると成長しやすく、金属中の鉄がピットの底にある溶液に溶解します。溶解した鉄はピットの上部に向かって拡散し、酸化し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、腐食が激化し、パイプ壁に穴が開いて漏れにつながる可能性があります。
配管は、外面が汚染されると孔食を受けやすくなります（図1）。例えば、溶接や研削作業による汚染は、配管の不動態化酸化皮膜を損傷し、孔食の発生と進行を加速させる可能性があります。配管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、配管上に形成された湿った塩の結晶が酸化皮膜を保護する役割を果たし、孔食につながる可能性があります。このような汚染を防ぐには、定期的に真水で配管を洗浄して清潔に保つことが重要です。
図1 – 酸、塩水、その他の堆積物で汚染された316/316Lステンレス鋼管は、孔食に対して非常に脆弱である。
隙間腐食。ほとんどの場合、孔食は作業員が容易に識別できます。しかし、隙間腐食は検出が容易ではなく、作業員や従業員にとってより大きなリスクとなります。これは通常、クリップで固定されたパイプや、ぴったりと並べて設置されたパイプなど、周囲の材料との間に狭い隙間があるパイプで発生します。塩水が隙間に浸透すると、時間の経過とともに化学的に攻撃的な酸性塩化第二鉄（FeCl3）溶液がその領域に形成され、隙間腐食が加速されます（図2）。隙間自体が腐食のリスクを高めるため、隙間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 – 隙間腐食は、隙間に化学的に攻撃的な酸性塩化第二鉄溶液が形成されることにより、パイプとパイプ支持部の間（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の間に形成された隙間で最初に孔食を模倣します。しかし、亀裂内の流体中のFe++濃度が増加するため、最初のクレーターはどんどん大きくなり、亀裂全体を覆います。最終的に、隙間腐食はパイプに穴を開ける可能性があります。
隙間が狭いほど腐食のリスクが高くなります。そのため、パイプの円周の大部分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タイプのクランプよりも腐食のリスクが高くなります。保守技術者は、定期的にクランプを開けてパイプの表面を点検することで、隙間腐食による損傷や故障の可能性を低減できます。
孔食や隙間腐食は、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止できます。設計者は、運転環境、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、最適な配管材料を選択するよう十分な注意を払う必要があります。
仕様策定者が材料選択を最適化するために、金属のPREN値を比較して、局部腐食に対する耐性を判断できます。PRENは、合金のクロム（Cr）、モリブデン（Mo）、窒素（N）含有量などの化学組成から、次のように計算できます。
PRENは、合金中の耐食性元素であるクロム、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、化学組成に関連するさまざまなステンレス鋼の臨界孔食温度（CPT）（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、孔食耐性が高いことを示します。PRENのわずかな増加は、合金と比較してCPTのわずかな増加に相当するだけですが、PRENの大幅な増加は、CPTが大幅に上昇するほど性能が大幅に向上することを示します。
表1は、海洋石油・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、より高グレードのパイプ合金を選択することで、仕様が耐食性を大幅に向上させることができ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。性能を大幅に向上させるには、6Moスーパーオーステナイトステンレス鋼または2507スーパーデュプレックスステンレス鋼を使用するのが理想的です。
ステンレス鋼中のニッケル（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、ニッケル濃度が高いステンレス鋼を指定することは多くの場合有益です。この元素は、局部腐食の兆候を示す表面を再不動態化するのに役立つからです。ニッケルは、1/8 硬質パイプを曲げたり冷間引抜きしたりする際に、オーステナイトを安定化させ、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、ステンレス鋼の局部腐食および塩化物誘発応力割れに対する耐性を低下させます。高圧水素ガスを使用する用途では、316/316L のニッケル含有量が少なくとも 12% と高い方が望ましいです。ASTM 規格仕様では、316/316L ステンレス鋼に必要な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、局部腐食がどこでも発生する可能性があります。ただし、孔食は既に汚染されている箇所で発生しやすく、隙間腐食はパイプと取り付け金具の間の隙間が狭い箇所で発生しやすくなります。PREN を基準として、仕様策定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します。高温の海洋気候では、6モリブデン超オーステナイト系ステンレス鋼または2507超二相ステンレス鋼管を真剣に検討する必要があります。これらの材料は、局部腐食および塩化物応力割れに対する優れた耐性を備えているためです。低温の気候では、特に使用実績が確立されている場合は、316/316Lパイプで十分な場合があります。
洋上プラットフォームの所有者および運営者は、チューブ設置後の腐食リスクを最小限に抑えるための対策を講じることもできます。パイプを清潔に保ち、定期的に真水で洗浄して孔食のリスクを低減する必要があります。また、定期点検の際に保守技術者にチューブクランプを開けてもらい、隙間腐食の有無を確認してもらう必要があります。
上記の手順に従うことで、プラットフォームの所有者および運営者は、海洋環境におけるチューブの腐食およびそれに伴う漏洩のリスクを低減し、安全性と効率性を向上させるとともに、製品の損失や漏洩物質の放出の可能性を低減することができます。
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
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