腐食・材質の選択

この技術的対策文書には、材料の腐食と構造材料の選択が含まれています。関連する実施規定および基準が参照されます。

関連する技術的対策文書は次のとおりです。

関連するレベル 2 基準は次のとおりです。

腐食は、プロセス産業におけるプラントや機器の故障の最大の単一原因です。ほとんどの用途では、プロセス流体による攻撃に対して完全に耐性のある構造材料を選択することが可能ですが、そのようなアプローチのコストは法外に高額になることがよくあります。実際には、既知の速度でゆっくりと腐食する材料を選択し、材料の厚さを指定する際にこれを考慮するのが通常です。ただし、腐食故障の大部分は、何らかの形の局所的な腐食によって発生し、均一な消耗から予想されるよりもはるかに短い時間で故障が発生します。さらに、外部大気腐食は多くの場合に格納容器の損失につながり、内部腐食よりも大きな問題となる傾向があることを考慮することが重要です。腐食挙動のこれらすべての側面は、プラントの設計時とプラントの耐用期間中の両方で対処する必要があります。

オペレーターは、プロセス設計段階で腐食と正しい構造材料の選択が考慮されていることを確認するための手順が整備されていることを実証する必要があります。さらに、オペレーターは、プロセス操作による格納容器の損失を引き起こす腐食を防ぐために、適切な検査および保守プログラムが実施されていることを実証する必要があります。その際、次の点を考慮する必要があります。

金属部品の腐食は、純粋な金属とその合金が化学反応または電気化学プロセスによってプロセス流体と安定した化合物を形成し、表面が消耗するときに発生します。タンクや配管については、設計上の厚さで予想され許容されている場合には、かなりの腐食が許容されますが、微細なメッシュのワイヤースクリーン、オリフィスプレート、および寸法のわずかな変化が重要なその他の品目では、基本的に腐食は許容されません。腐食速度は温度変化に大きく影響される可能性があり、構造材料はある温度では適していても、同じプロセス流体を使用した高温での使用には適さない場合があります。

非金属材料の腐食は本質的に物理化学的プロセスであり、構造材料の膨張、亀裂、または軟化として現れます。多くの場合、非金属材料は経済性と性能の観点から魅力的であることがわかります。

腐食を抑制するために流れを処理するための添加剤としてさまざまな物質を使用することは広く使用されており、一般に再循環システムで最も経済的に魅力的ですが、石油産業で遭遇するような一部のワンススルーシステムでも魅力的であることがわかっています。水溶液中での鉄または鋼の腐食を防ぐために使用される典型的な防止剤は、クロム酸塩、リン酸塩、およびケイ酸塩です。酸性溶液では、有機硫化物とアミドが効果的です。

局所的な腐食にはさまざまな形態があり、機器の早期故障につながる可能性があります。腐食の防止は機械設計段階で取り組む必要があり、局部腐食を最小限に抑えるための適切な設計には、自由かつ完全な排水、隙間の最小化、配管のデッドスポットがないこと、洗浄と検査の容易さが含まれる必要があります。このセクションでは、より一般的なタイプの局部腐食のいくつかについて簡単に説明します。

孔食は、塩化物などの特定の不純物がプロセス流や冷却水に存在する場合によく発生します。これは局部腐食の極端な形態です。通常、ピットが発生すると自動的に加速し、急速な故障を引き起こす可能性があります。

多くの金属は、特定の条件下で応力腐食割れを起こします。配管では、応力腐食割れによる最も頻繁な故障は、塩化物を含む溶液と接触したオーステナイト系ステンレス鋼で発生します。微量の塩化物であっても、60°C を超える温度では問題が発生する可能性があります。

隙間腐食は、ぴったりとフィットする金属表面の間、または金属表面とガスケットなどの非金属材料の間に液体が閉じ込められる場合に発生することがあります。隙間腐食を防ぐために、設計および製造段階で接合部などの細部に注意を払う必要があります。

曲がり角など、機器の向きによって流体速度が加速される場所では、局所的な浸食が発生することがあります。一部の化学物質は、配管内で鉄化合物の保護コーティングを形成するため、炭素鋼配管内で取り扱うことができます。コーティングが侵食されないように慎重な設計が必要です。

配管の外面腐食や錆は、酸化鉄の形成によって発生します。適切な仕様で塗装すると、腐食が始まるまでの期間が大幅に延長されますが、塗装仕上げの耐久性は表面処理の品質に大きく依存します。不適切に設置された断熱材は腐食に理想的な条件を提供する可能性があるため、機器の表面に湿った物質が接触しないように耐候性を持たせるか、湿気や流出から保護する必要があります。状況によっては、配管の外側にビチューメンなどの不浸透性コーティングを施すと効果的です。

陰極防食は電気化学的な防食方法であり、パイプラインやタンクなどの炭素鋼の地下構造物を土壌腐食から保護するために広く応用されています。金属の無駄を防ぐために、プロセス装置の金属表面が電解回路の陰極になります。

陽極保護はあまり一般的には使用されず、外部電位制御システムに依存して金属を不動態状態に維持します。この形式の腐食保護は、硫酸製造業界で実用化されています。

腐食速度は、年間の表面消耗量のインチ単位で表され、船舶や配管などの機器の設計厚さにおける腐食許容値を提供するために使用されます。オペレータは、適切な腐食代を決定する際に、プラント操業の過去の経験に基づくデータを使用することがよくあります。あるいは、構造材料とプロセス流体のさまざまな組み合わせの腐食速度を示す腐食チャートが広く入手可能であり、通常はさまざまなプロセス温度に対してさまざまな値が提供されます。場合によっては、特に化学物質の混合物が存在する場合、適切なデータが存在しない可能性があり、機器の適合性を判断するために腐食試験が必要になる場合があります。オペレータは、機器の仕様と設計において腐食許容値を使用していることを実証できなければなりません。使用されるデータのソースは追跡可能である必要があります。

炭素鋼やステンレス鋼は一般的に建築材料として使用されていますが、非金属およびライニングまたはプラスチック加工装置の使用が増加しています。構造材料の選択では、予見可能なアプセット条件下で発生する可能性のある最悪のプロセス条件を考慮する必要があり、バルブ、パイプ継手、計器、ゲージなどのすべてのコンポーネントに適用する必要があります。組成（塩化物、水分など）と温度の偏差は両方とも、腐食速度に重大な直接影響を与える可能性があります。オペレータは、流体の温度、圧力、組成などのプロセス条件の潜在的な逸脱が有資格者によって特定され、配管システムの構成材料の選択に関連して評価されることを保証する手順が整備されていることを実証する必要があります。

幅広いプラスチックが建築材料として利用可能であり、金属が不適切な無機塩溶液の取り扱いなどの分野で使用できます。プラスチックライニングは、タンク、パイプ、ドラムなどの機器に広く使用されています。ただし、その使用は中程度の温度に限定されており、一般に研磨作業での使用には適していません。より一般的に使用されるプラスチックには、PVC、PTFE、ポリプロピレンなどがあります。

特殊なガラスをスチールに接着して、不浸透性のライナーを提供できます。ガラスまたは「エポキシ」でライニングされた装置は、重度の腐食性の酸の作業で広く使用されています。グラスライニングは損傷しやすいため、細心の注意が必要です。コーティングのような薄いペイントでは、欠陥があるため完全な保護が得られる可能性は低く、最も信頼できるバリアライニングは、深さ 3 mm 程度まで複数の層で構築されたものです。

通常、試験は、プロセス流体を扱うための構造材料の適合性を判断するために実行されます。ただし、テストはさまざまな目的に使用できます。通常、これは、既存のプラントの機器の検査頻度の変更を正当化するために行われる場合があります。

さまざまなテスト方法が利用可能です。一般に、対象となる材料の小さなストリップまたは「クーポン」で構成される試験片がプロセス流体にさらされます。腐食速度を決定するために、一定期間にわたる試験片の重量損失が測定されます。テストは、状況に応じて、プラント、実験室、またはパイロット計画で実行できます。

標準的な試験方法を使用して実験室試験が実施される場合、結果を解釈してプラントの性能に変換することが困難です。試験流体がプロセスプラントのものと正確に同じであることを確認するために注意が必要です。微量不純物、溶存ガス、速度、乱流などのテスト条件に矛盾があると、誤った結果が生じる可能性があります。

危険物を扱うプロセス装置は、内部と外部の両方で定期的に検査する必要があります。局所的な腐食は予測不可能であり、溶接不良などの製造上の欠陥が存在する可能性があります。裏地が変形したり破損する恐れがあります。通常、ジャケット付き反応器のガラスライニングは熱衝撃を受ける可能性があり、ライニングを通じて静電気放電が発生する可能性があります。検査履歴が蓄積され、機器の状態が合理的に予測できるようになったら、検査の頻度を修正できます。オペレータは、遅れたシステムを含む危険なプロセス機器の検査および保守プログラムを実施していることを実証する必要があります。機器がライニングされている場合は、必要に応じてライニングの欠陥に対する電気的導通テストを実行する必要があります。継続的な保護を確保するために、陰極および陽極保護システムを定期的にチェックする必要があります。

腐食の制御が汚染物質や水分の濃度に依存する場合、オペレータは、安全な動作状態を維持するための手順と必要な制御が整備されていることを実証する必要があります。同様に、抑制剤が追加されたり、陰極防食などのシステムが使用される場合、オペレーターは、プロセスの継続的な保護を確保するために、これらのシステムが検査され、適切に保守されていることを実証する必要があります。

炭素鋼の配管を通る液体塩素の流量は、炭素鋼の浸食/腐食を防ぐパイプ表面の塩化第二鉄コーティングの除去を避けるために 2 m/s に制限されます。湿った塩素ガスは軟鋼を腐食します。この用途には、PVDF (できれば)、エボナイト、またはゴムライニング鋼が使用されます。炭素鋼で 200°C を超える温度で塩素ガスを取り扱うと、塩素/鋼火災が発生する可能性があります。この用途には亜鉛を使用できますが、低温 (液体など) では脆化を避けるために塩素特殊鋼が必要です。チタンは塩素の使用には適さないため、避けてください。

建築材料が臭素による攻撃を受けやすいかどうかは、温度、圧力、水分含有量などの使用条件に大きく依存します。したがって、臭素含有量のために選択された材料は可能な限り、実際の使用条件下でテストする必要があります。

貯蔵容器は一般に、鉛、PVDF (および特定の他のフッ素ポリマー) またはガラスで裏打ちされたスチールで作られています。臭素が「乾燥」している場合は、ニッケルまたはモネルやハステロイなどの合金を使用できますが、湿った臭素が存在すると激しい攻撃を受けやすくなります。チタンは臭素処理（湿式または乾式）には適さないため、避けてください。

鉛は鋼製貯蔵容器のライニングに使用され、パイプのライニングにはあまり使用されませんが、含水率が高い場合や高温になると、金属の表面に形成される臭化鉛の保護層が劣化しやすくなります。ガラスや特定のフルオロカーボンポリマー（PVDF や PTFE など）を含む非金属ライニングが、ほとんどの用途で鉛に取って代わりました。 PVDF、PFA、ETFE などの溶融加工ポリマーは、固有の多孔性により PTFE よりも好まれます。

「湿った」臭素（水分含有量が 30mg/kg を超える）との接触での使用に適した金属はほとんどありません。ニオブ、タンタル、およびこれら 2 つの金属の合金が適していますが、コストが高いため、使用が制限されます (たとえば、ディスクや機器のコンポーネントの破裂など)。

軟鋼容器の腐食防止は、硫酸鉄コーティングの形成によって行われます。過度の乱流を引き起こす条件が存在すると、コーティングの剥離や腐食が発生する可能性があります。界面の希釈により、空気と酸の界面でも腐食が促進されることがあります。さらに、腐食速度に対する温度の影響は酸の強度によって異なるため、最大動作温度を定義する必要があります。鋼が不適切な場合には化学鉛が使用されることもありますが、特定の用途では PVC またはフルオロカーボンプラスチックを使用できます。特別に開発されたステンレス鋼は、高温用途での従来の鋳鉄用途に取って代わりました。

この酸は、一般的な金属や合金のほとんどに対して非常に腐食性があります。これは、曝気や酸化剤による汚染が存在する場合にはさらに悪化します。銅は特にこの問題が発生しやすいです。また、塩化第二鉄などの微量の不純物の存在によって多くの故障が発生します。プラスチックとゴムライニング鋼は、配管や小型船舶に広く使用されています。

アンモニアの構成材料は動作温度によって異なります。軟鋼は周囲温度で使用できますが、低温では脆化を避けるために特殊鋼が必要です。空気や二酸化炭素などの液体アンモニア中の不純物は、軟鋼の応力腐食割れを引き起こす可能性があります。アンモニアは銅や亜鉛に対して非常に腐食性が高くなります。

70% 以上の酸を大量に保管する場合は、軟鋼または PVDF タンクに保管する場合があります。主要コンポーネントの製造には、ポリエチレン、ポリプロピレン、PVDF が一般的に使用されます。 PTFE は、ガスケットなどの小型部品によく使用されます。ガラスや GRP は決して使用しないでください。

液体酸素サービスに適した材料は、ニッケル鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅またはアルミニウム合金です。炭素鋼とプラスチックは低温では脆くなるため、液体酸素の用途には使用しないでください。 PTFE は最も広く使用されているシーラントです。

120°C 未満の温度では、炭素鋼は高圧まで使用できます。高温およびかなりの圧力下では、水素が炭素鋼を貫通し、炭素と反応してメタンを形成します。これにより、延性が失われ、鋼に亀裂や膨れが発生します。高温用途には、モリブデンを含む合金鋼と鋼が適しています。

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