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、想定される耐用年数の間に様々な種類の腐食にさらされます。この腐食は、漏洩、製品損失、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営者は、耐食性に優れたより強度のある配管材料を最初から指定することで、腐食のリスクを低減できます。その後は、化学薬品注入ライン、油圧ライン、インパルスライン、プロセス計装機器などを検査する際に、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。
局所腐食は、多くのプラットフォーム、船舶、海底パイプラインで見られます。この腐食は、孔食または隙間腐食の形で発生し、いずれもパイプ壁を侵食して液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につれて、腐食のリスクは高まります。熱はチューブの保護外皮膜の劣化を促進し、孔食の発生を促します。
残念ながら、局部腐食や隙間腐食は検出が難しく、これらの腐食の種類を特定、予測、設計することが困難です。こうしたリスクを考慮すると、プラットフォームの所有者、運用者、および指定者は、用途に最適なパイプライン材料を選択する際に細心の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となるため、正しく選択することが非常に重要です。幸いなことに、局部腐食耐性を測る非常にシンプルかつ効果的な指標である孔食耐性当量数（PREN）を用いることができます。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、および材料のPREN値に基づいて海洋石油・ガス用途向けのチューブ材料の選定を最適化する方法について解説します。
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、塩水などの腐食性液体にさらされることで、金属表面のクロムを豊富に含む不動態酸化皮膜が破壊され、孔食や隙間腐食が発生し始めます。塩化物イオンを多く含む海洋環境、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を招きます。
孔食 孔食は、パイプの一部に形成された不動態皮膜が破壊され、パイプ表面に小さな空洞（ピット）が形成されることで発生します。このようなピットは、電気化学反応が進行するにつれて成長しやすく、その結果、金属中の鉄がピット底部の溶液に溶解します。溶解した鉄はピットの上部に拡散し、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、腐食が進み、パイプ壁に穴が開いて漏れが生じる可能性があります。
配管の外面が汚染されていると、配管に孔食が発生しやすくなります（図1）。例えば、溶接や研削作業で発生する汚染物質は、配管の不動態酸化皮膜を損傷し、孔食の発生と進行を加速させる可能性があります。配管内の汚染物質の処理も同様です。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し、孔食の原因となることがあります。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、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、孔食が発生しやすい。
隙間腐食。ほとんどの場合、孔食は作業員が容易に検出できます。しかし、隙間腐食は検出が容易ではなく、作業員や関係者にとってより大きなリスクとなります。これは通常、クランプで固定されたパイプや互いに密着して配置されているパイプなど、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、この領域で化学的に攻撃的な酸性塩化第二鉄溶液（FeCl3）が形成され、隙間の腐食が加速されます（図2）。隙間腐食はその性質上、腐食のリスクを高めるため、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、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、隙間に化学的に攻撃的な塩化第二鉄の酸性溶液が形成されることによって発生する可能性があります。
隙間腐食は通常、まずパイプ断面とパイプ支持カラーの間に形成された隙間に孔食として現れます。しかし、亀裂内部の流体中のFe++濃度の上昇に伴い、初期の漏斗状構造は次第に大きくなり、最終的には亀裂全体を覆います。そして、隙間腐食は最終的にパイプの穿孔につながる可能性があります。
隙間が密集している箇所は、腐食のリスクが最も高くなります。そのため、パイプの円周の大部分を囲むタイプのパイプクランプは、パイプとクランプの接触面を最小限に抑えるタイプのクランプよりも、腐食のリスクが高くなります。サービス技術者は、定期的に器具を開けてパイプ表面の腐食状態を点検することで、隙間腐食による損傷や破損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、その他の変数に応じて、腐食のリスクを最小限に抑える最適な配管材料を選択する際に、十分な注意を払う必要があります。
材料選定者が最適な材料を選ぶために、金属のPREN値を比較して、局部腐食に対する耐性を判断することができます。PRENは、合金の化学組成（クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、窒素（N）含有量など）から、以下のように計算できます。
PRENは、合金中のクロム、モリブデン、窒素といった耐食性元素の含有量が増加するにつれて上昇します。PREN比は、化学組成に応じて様々なステンレス鋼の臨界孔食温度（CPT）（孔食が発生する最低温度）に基づいて算出されます。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のわずかな上昇に相当しますが、PRENの大幅な増加は、はるかに高いCPTに対して性能が大幅に向上することを示します。
表1は、海洋石油・ガス産業で一般的に使用されている様々な合金のPREN値を比較したものです。この表は、より高品質のパイプ合金を選択することで、仕様を工夫することで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。PREN値は316 SSから317 SSへとわずかに増加します。スーパーオーステナイト系6 Mo SSまたはスーパーデュプレックス2507 SSは、性能を大幅に向上させるのに最適です。
ステンレス鋼中のニッケル（Ni）濃度が高いほど、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方程式には含まれません。いずれにせよ、ニッケル含有量の高いステンレス鋼を選択することは多くの場合有利です。この元素は、局部腐食の兆候を示す表面の再不動態化に役立つためです。ニッケルは、1/8インチの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。316/316L鋼のニッケル含有量が少なくとも12%と高いことは、高圧水素ガス用途にも望ましいです。ASTM 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ラインでは、局部腐食はあらゆる箇所で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設置機器の間の隙間が狭い箇所で発生しやすい傾向があります。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グレードを選択できます。
ただし、腐食リスクに影響を与える可能性のある他の要因があることに留意してください。例えば、温度はステンレス鋼の孔食耐性に影響します。高温の海洋性気候では、局部腐食や塩化物割れに対する優れた耐性を持つスーパーオーステナイト系6モリブデン鋼またはスーパーデュプレックス2507ステンレス鋼管を真剣に検討する必要があります。低温気候では、特に過去に良好な使用実績がある場合は、316/316L管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、配管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。配管を清潔に保ち、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ことも重要です。
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、海洋環境におけるパイプ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、製品の損失や漏洩排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. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
石油技術者協会（SPE）の主要誌である『Journal of Petroleum Technology』は、上流技術の進歩、石油・ガス業界の諸問題、​​SPEとその会員に関するニュースなどについて、権威ある概要記事や論文を提供しています。