ステンレス鋼管は本質的に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、漏洩排出、製品の損失、そして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および運営者は、耐食性を高めるために、最初から強度の高い配管材料を指定することにより、腐食のリスクを軽減できます。その後も、化学注入ライン、油圧・導圧ライン、プロセス計装機器の点検において、腐食が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、海洋パイプラインで発生します。この腐食は孔食腐食または隙間腐食の形で発生する可能性があり、いずれもパイプ壁を侵食し、液体の漏出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につれて、腐食のリスクが高まります。熱はチューブの外側の保護膜である不動態酸化膜の劣化を加速させ、孔食の発生を促進す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、および被指名者は、それぞれの用途に最適なパイプライン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、適切な材料を選択することが非常に重要です。幸いなことに、局部腐食耐性の非常にシンプルでありながら効果的な指標である孔食耐性等価値（PREN）を使用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。
局部腐食は、金属表面全体に均一に発生す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への曝露によって、金属の外側にあるクロムを多く含む不動態酸化皮膜が破壊されると、孔食と隙間腐食が発生し始めます。塩化物の多い海洋環境、高温、さらには管表面の汚染は、この不動態皮膜の劣化の可能性を高めます。
孔食 孔食は、配管の一部の不動態皮膜が破壊され、配管表面に小さな空洞または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の底部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拡散し、酸化されて酸化鉄、つまり錆を形成します。ピットが深くなるにつれて、電気化学反応が加速され、腐食が増加し、配管壁に穴が開き、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）。例えば、溶接や研磨作業による汚染物質は、パイプの不動態酸化層を損傷し、孔食の発生・進行を加速させる可能性があります。これは、パイプからの汚染物質の処理にも当てはまります。さらに、塩分が蒸発する際に、パイプ上に形成された湿った塩の結晶が酸化層を保護し、孔食の発生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、定期的に真水でパイプを洗浄し、清潔な状態を維持してください。
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、孔食は作業員が容易に検出できます。しかし、すきま腐食は検出が容易ではなく、作業員や作業員にとってより大きなリスクをもたらします。これは通常、クランプで固定されたパイプや、互いに密集して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）溶液がこの領域に形成され、隙間の腐食が加速されます（図2）。すきま腐食は本質的に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 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、隙間に化学的に攻撃的な酸性塩化鉄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。
すきま腐食は通常、配管断面と配管支持カラーとの間に形成される隙間で、まず孔食を模倣します。しかし、亀裂内の流体中のFe++濃度の上昇により、初期の漏斗状腐食は次第に大きくなり、最終的には亀裂全体を覆います。最終的には、すきま腐食は配管の穿孔につながる可能性があります。
密集した亀裂は腐食のリスクが最も高くなります。そのため、パイプの円周の大部分を囲むパイプクランプは、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る傾向があります。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を点検することで、隙間腐食による損傷や故障のリスクを軽減できます。
孔食および隙間腐食は、特定の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、動作環境、プロセス条件、その他の変数に応じて、腐食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ために、十分な注意を払う必要があります。
設計者は、材料選択を最適化するために、金属のPREN値を比較することで、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、例えばクロム（Cr）、モリブデン（Mo）、窒素（N）の含有量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、窒素といった耐食元素の含有量に応じて増加します。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がわずかに増加した場合、合金と比較してCPTもわずかに増加するに過ぎませんが、PRENが大きく増加した場合、CPTがはるかに高い場合と比較して、性能が大幅に向上していることを示します。
表1は、オフショア石油・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。より高品質のパイプ用合金を選択することで、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。PRENは316ステンレス鋼から317ステンレス鋼に変化するとわずかに増加します。スーパーオーステナイト系6Moステンレス鋼またはスーパーデュプレックス2507ステンレス鋼は、大幅な性能向上に最適です。
ステンレス鋼中のニッケル (Ni) 濃度が高いと、耐食性も向上します。ただし、ステンレス鋼中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、ニッケル含有量の高いステンレス鋼を選択することが有利になる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化させ、1/8 の硬質パイプを曲げ加工または冷間引抜き加工する際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、ステンレス鋼の局部腐食および塩化物誘起応力割れに対する耐性を低下させます。316/316L 鋼では少なくとも 12% の高いニッケル含有量が高圧水素ガス用途にも適しています。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、局部腐食はどこにでも発生する可能性があります。しかし、孔食は既に汚染されている箇所で発生する可能性が高く、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する可能性が高くなります。PRENを基準とすることで、設計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変数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に対する耐性に影響を与えます。高温の海洋性気候では、局部腐食および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二相2507ステンレス鋼管を真剣に検討する必要があります。寒冷な気候では、特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。
オフショア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。孔食のリスクを軽減するため、パイプを清潔に保ち、定期的に真水で洗浄する必要があります。また、定期点検時にメンテナンス技術者に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、海洋環境におけるパイプ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、製品の損失や漏洩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. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
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