ステンレス鋼パイプには本来の耐食性があるにもかかわらず、海洋環境に設置されたステンレス鋼パイプは、予想される耐用年数の間にさまざまな種類の腐食にさらされます。この腐食は、漏洩排出、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。オフショアプラットフォームの所有者とオペレーターは、耐食性を高めるために最初から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、化学薬品注入ライン、油圧および導圧ライン、プロセス計装および計装を検査する際には、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。
局所的な腐食は、多くのプラットフォーム、船舶、船舶、海上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する可能性があり、いずれもパイプ壁を侵食して液体の放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と、腐食の危険性が高まります。熱はチューブの外側を保護する不動態酸化膜の劣化を促進し、孔食を促進する可能性があります。
残念ながら、局所的な孔食や隙間腐食は検出が難しく、これらのタイプの腐食を特定、予測、設計することが困難になります。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、運営者、指定者は、アプリケーションに最適なパイプライン素材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防御の第一線であるため、正しく選択することが非常に重要です。幸いなことに、局所的な耐食性の非常にシンプルだが非常に効果的な尺度である孔食抵抗当量数 (PREN) を使用できます。金属の PREN 値が高いほど、局所的な腐食に対する耐性が高くなります。
この記事では、孔食と隙間腐食を特定する方法と、材料の PREN 値に基づいて海洋石油およびガス用途向け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。
局所的な腐食は、金属表面全体でより均一な全体的な腐食と比較して、狭い領域で発生します。316 ステンレス鋼チューブでは、金属の外側のクロムを豊富に含む不動態酸化膜が塩水などの腐食性液体にさらされて破壊されると、孔食や隙間腐食が発生し始めます。塩化物が豊富な海洋環境、高温、さらには配管表面の汚染により、この不動態皮膜が劣化する可能性が高くなります。
孔食 孔食は、パイプの一部の不動態皮膜が破壊され、パイプの表面に小さな空洞や穴が形成されるときに発生します。このようなピットは、電気化学反応が進行するにつれて成長する可能性があり、その結果、金属中の鉄がピットの底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が形成されます。ピットが深くなると、電気化学反応が加速し、腐食が増加し、パイプ壁に穴が開いて漏れが発生する可能性があります。
チューブの外面が汚れていると、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物質はパイプの不動態酸化層にダメージを与え、それによって孔食が形成され、促進される可能性があります。単純にパイプからの汚染に対処する場合にも同じことが当てはまります。さらに、塩の液滴が蒸発するにつれて、パイプ上に形成される湿った塩の結晶が酸化層を保護し、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、定期的に真水でパイプを洗い流し、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、孔食が非常に発生しやすくなります。
隙間腐食。ほとんどの場合、孔食はオペレーターによって簡単に検出できます。しかし、隙間腐食は検出するのが容易ではなく、オペレーターや作業員にとって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隣り合ったパイプなど、周囲の材料の間に狭い隙間があるパイプで発生します。塩水がギャップに浸透すると、時間の経過とともに化学的に攻撃的な酸性化塩化第二鉄溶液 (FeCl3) がこの領域に形成され、ギャップの腐食が促進されます (図 2)。隙間腐食はその性質上腐食のリスクを高めるため、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、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) に発生する可能性があります。これは、隙間に化学的に攻撃的な酸性化した塩化第二鉄溶液が形成されるためです。
隙間腐食は、通常、パイプ部分とパイプサポートカラーの間に形成された隙間で最初に孔食をシミュレートします。ただし、亀裂内の流体中の Fe++ の濃度が増加するため、最初の漏斗は亀裂全体を覆うまでますます大きくなります。最終的に、隙間腐食はパイプの穿孔につながる可能性があります。
密な亀裂は腐食の最大のリスクを表します。したがって、パイプの周囲の大部分を取り囲むパイプ クランプは、パイプとクランプの間の接触面を最小限に抑えるオープン クランプよりも危険に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。
孔食や隙間腐食は、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。指定者は、動作環境、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ために最適な配管材料を選択する際に適切な注意を払う必要があります。
指定者は材料の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、クロム (Cr)、モリブデン (Mo)、窒素 (N) 含有量などの合金の化学組成から次のように計算できます。
PREN は、合金中のクロム、モリブデン、窒素などの耐食性元素の含有量とともに増加します。PREN 比は、化学組成に応じ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、耐孔食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しますが、PREN の大幅な増加は、はるかに高い CPT に比べて性能が大幅に向上していることを示します。
表 1 は、海洋石油およびガス産業で一般的に使用されるさまざまな合金の PREN 値を比較しています。これは、高品質の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どのように大幅に向上するかを示しています。PREN は 316 SS から 317 SS にわずかに増加します。スーパー オーステナイト 6 Mo SS またはスーパー デュプレックス 2507 SS 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、ステンレス鋼のニッケル含有量は PREN 式の一部ではありません。いずれの場合も、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なことがよくあります。これは、この元素が局所的な腐食の兆候を示す表面を再不動態化するのに役立つためです。ニッケルはオーステナイトを安定させ、1/8 硬質パイプの曲げまたは冷間引抜時の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、局部腐食や塩化物による応力亀裂に対するステンレス鋼の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% 高いことも、高圧水素ガス用途に望ましいです。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。
局所的な腐食は、海洋環境で使用されるパイプラインのどこでも発生する可能性があります。ただし、すでに汚染されている箇所では孔食が発生しやすく、配管と設置機器の隙間が狭い箇所では隙間腐食が発生しやすくなります。PREN を基礎として使用することで、指定者は最適なパイプグレードを選択して、あらゆる種類の局部腐食のリスクを最小限に抑えることができます。
ただし、腐食のリスクに影響を与える可能性のある変数が他にも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耐孔食性に影響します。高温の海洋気候では、スーパーオーステナイト 6 モリブデン鋼またはスーパー二相 2507 ステンレス鋼パイプの使用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や塩化物亀裂に対して優れた耐性を備えているためです。涼しい気候の場合、特に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やオペレーターは、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。パイプを清潔に保ち、孔食のリスクを減らすために定期的に真水で洗い流す必要があります。また、メンテナンス技術者に定期検査中にクランプを開けて隙間腐食をチェック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とそれに関連する漏れのリスクを軽減し、安全性と効率を向上させ、製品の損失や逃亡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.
石油技術者協会の主力雑誌である Journal of Petroleum Technology は、上流技術の進歩、石油・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権威ある概要や記事を提供しています。