PREN 値を使用してチューブ材料の選択を最適化する方法

耐腐食性を備えているにもかかわらず、海洋環境に設置されたステンレス鋼チューブは、その予想される耐用年数を通じてさまざまな種類の腐食を受けます。 このような腐食は、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。 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、より優れた耐食性を提供するより堅牢なチューブ材料を指定することで、最初から腐食のリスクを軽減できます。 その後、腐食が設置されたチューブの完全性を脅かし、安全性に影響を与えていないことを確認するために、化学薬品注入ライン、油圧ライン、導圧ライン、プロセス計装および感知装置の検査において常に警戒を続ける必要があります。

局所的な腐食は、多くのプラットフォーム、船舶、船舶、海洋施設の配管で見られます。 このような腐食は、孔食または隙間腐食の形で発生する可能性があり、いずれもチューブの壁を侵食し、流体の放出につながる可能性があります。

アプリケーションの動作温度が上昇すると、腐食のリスクが高くなります。 熱によりチューブの外側保護不動態酸化膜の破壊が促進され、孔食の形成が促進されることがあります。

残念ながら、局所的な孔食や隙間腐食は検出が難しい場合があり、この種の腐食を特定、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して、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、アプリケーションに最適なチューブ材料を選択する際に適切な注意を払う必要があります。 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重要です。 幸いなことに、彼らは選択を行うために、孔食抵抗当量数 (PREN) として知られる局部腐食に対する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を使用することができます。 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、孔食や隙間腐食を認識する方法と、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、金属の表面全体に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、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壊され、孔食と隙間腐食の両方が発生し始めます。 塩化物が豊富な沖合および陸上の海洋環境、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。 チューブ上の不動態皮膜が破壊されると、孔食が進行し、チューブの表面に小さな空洞またはピットが形成されることがあります。 このようなピットは、電気化学反応が起こるにつれて成長し、金属中の鉄がピットの底の溶液に溶解する可能性があります。 溶解した鉄はピットの上部に向かって拡散し、酸化して酸化鉄や錆が生成されます。 ピットが深くなるにつれて電気化学反応が加速し、腐食が増加し、チューブの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染されていると、チューブの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、チューブの不動態酸化層が遮断され、孔食が発生して加速する可能性があります。 単にチューブを扱った場合の汚染についても同様です。 さらに、塩水滴が蒸発するときにチューブ上に形成される湿った塩の結晶は、保護酸化層に同じ影響を与え、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ために、チューブを定期的に真水ですすいで清潔に保ちます。

図 1—酸、塩水、その他の堆積物によって汚染された 316/316L ステンレス鋼チューブは、孔食を形成しやすくなります。

隙間腐食。 ほとんどの場合、オペレータは孔食を容易に認識できます。 ただし、隙間腐食は簡単には検出できないため、作業や作業員にとって大きなリスクとなります。 これは、クランプで所定の位置に保持されているチューブや、密に並べて設置されているチューブなど、周囲の材料間の隙間が狭いチューブでよく見られます。 塩水が隙間に浸透すると、化学的に攻撃的な酸性化塩化第二鉄 (FeCl3) 溶液が時間の経過とともにこの領域に形成され、隙間腐食が加速される可能性があります (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化塩化第二鉄溶液が形成されるため、チューブとチューブサポートの間（上）、およびチューブ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。

チューブとチューブサポートクランプの間に形成される隙間では、通常、隙間腐食は最初に孔食を模倣します。 しかし、最初は浅いピットは、隙間内の流体中の Fe++ 濃度の増加により、隙間全体を覆うまで大きくなり、より深くなります。 最終的には、隙間腐食によってチューブに穴が開く可能性があります。

隙間が狭いと、腐食が発生する最大のリスクが生じます。 したがって、チューブの周囲の大部分を包み込むチューブ クランプは、チューブとクランプの間の接触面を最小限に抑えるオープン スタイルのクランプよりも大きなリスクを引き起こす傾向があります。 メンテナンス技術者は、定期的にクランプを開いてチューブ表面の腐食を検査することで、損傷や故障につながる隙間腐食の可能性を減らすことができます。

孔食と隙間腐食の両方を最も効果的に防止するには、用途に適した金属合金を選択します。 指定者は、動作環境、プロセス条件、および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チューブ材料を選択するためのデューデリジェンスを実行する必要があります。

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) 含有量を含む合金の化学組成に基づいて次のように計算できます。

PREN = %Cr + 3.3x%Mo + 16x%N

PREN は、合金中の防食元素であるクロム、モリブデン、窒素のレベルが高くなるほど増加します。 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。 本質的に、PREN は CPT に比例します。 したがって、PREN 値が高いほど、耐孔食性が優れていることを示します。 合金を比較すると、PREN の小さな増加は CPT のわずかな増加にすぎませんが、PREN の大きな増加は、大幅に高い CPT に対してより実質的な性能の向上を示します。

表 1 は、海洋石油およびガス用途に通常指定されるさまざまな合金の PREN 値の比較を示しています。 これは、より高品質のチューブ合金を選択することにより、指定子が耐食性をいかに大幅に向上できるかを示しています。 316 ステンレス鋼から 317 ステンレス鋼に移行すると、PREN はわずかしか増加しません。 大幅な性能向上を実現するには、6 モルのスーパー オーステナイト ステンレス鋼または 2507 スーパー二相ステンレス鋼を使用するのが理想的です。

合金

私たち＃

標準的な %Ni

典型的な%Cr

標準的な %Mo

通常 %N

木材

316/316L

S31600/S31603

11

16.5

2.05

0.03

23.7

316/316L

S31600/S31603

12.7

17.5

2.55

0.03

26.4

317

S31700

12

19

3.1

0.03

29.7

904L

N08904

24

20

4.5

0.03

35.3

254

S31254

18

20

6.05

0.20

43.2

6HN

N08367

24

20

6.05

0.20

43.2

2507

S32750

7

25

4.0

0.28

42.7

表 1—さまざまな合金の PREN 値。

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は、局所的な腐食の兆候を示す表面の再不動態化を促進する元素であるため、多くの場合有益です。 ニッケルは、1/8 硬さのチューブの曲げまたは冷間引抜き中にマルテンサイトの形成に対してオーステナイトを安定させます。 マルテンサイトは金属内の望ましくない結晶相であり、ステンレス鋼の局部腐食や塩化物による応力亀裂に対する耐性を低下させます。 316/316L のニッケル含有量が少なくとも 12% 高いことも、高圧ガス状水素を含む用途には望ましいです。 316/316L ステンレス鋼の ASTM 標準仕様における最小必要ニッケル濃度は 10% です。

局所的な腐食は、海洋環境で使用されるチューブのどこにでも発生する可能性があります。 ただし、汚染された領域では孔食が発生しやすく、チューブと取り付け金具の間の隙間が狭い領域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、指定者は最適なチューブ合金を選択し、どちらのタイプの局部腐食のリスクも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他の変数があることに注意してください。 たとえば、温度はステンレス鋼の耐孔食性に影響を与えます。 高温の海洋気候では、6 モリ スーパー オーステナイトまたは 2507 スーパー二相ステンレス鋼チューブを真剣に検討する必要があります。これらの材料は、局部腐食や塩化物応力亀裂に対して優れた耐性を発揮します。 寒冷地では、特に使用実績が確立されている場合は、316/316L チューブが適切な場合があります。

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。 孔食のリスクを軽減するために、チューブを定期的に真水ですすぎ、チューブを清潔に保つ必要があります。 また、メンテナンス技術者に、定期検査中にチューブのクランプを開けて隙間腐食の有無を確認させる必要があります。

上記の手順に従って、プラットフォームの所有者とオペレーターは、海洋環境におけるチューブの腐食と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同時に、製品の損失や逃散排出物の放出の可能性を減らすことができます。

ブラッド・ボリンジャーは、スウェージロック社の石油・ガス市場マネージャーです。連絡先は、[email protected] です。