【コラム】1年間でパイプはどれくらい錆びますか?
2021/05/17
記事
情報共有
腐食はなぜ重要なのですか?
材料保護・性能協会(AMPP)によると、腐食による推定年間総コストは、ある国のGDPの3.5%にも上るとされています[1]。AMPPの国際調査[2]によると、米国だけでも、石油・ガス探査・生産部門における腐食関連コストは年間14億米ドルにも上る可能性があります。この数字は、ガス・飲料水配給および下水道システムに関しては、さらに最大400億米ドルにまで跳ね上がります。これは避けられない問題であり、負担すべきコストも高額です。
腐食自体は避けられないものではありませんが、適切な場所に適切な材料を使用することで制御することができます。材料の耐食性を評価し、潜在的な破損を予測する信頼性の高い試験方法を用いることは、極めて重要です。この試験方法はまた、費用対効果が高く、実用的である必要もあります。
腐食とは何ですか?
腐食とは、金属や合金が化学反応を通じて劣化・変質する、自然に生じるプロセスを指します。腐食速度は、材料の種類、周囲温度、汚染物質/不純物、その他の環境要因に大きく依存します。ほとんどの腐食現象は電気化学的な性質を持ち、金属や合金の表面での少なくとも2つの反応から成ります。
これらの電気化学プロセスには、以下の3つの主要な要素が必要です:
- 陽極:金属の腐食が起こる箇所
- 陰極:電気伝導体であり、実際の電気化学セル構成では腐食プロセス中に消費されない
- 電解質:陽極と陰極の間の電子移動を可能にする腐食性媒体
材料や環境によって、腐食はさまざまな形態で生じる可能性があり、例えば均一腐食、孔食、隙間腐食、ガルバニック腐食、または微生物誘起腐食などが挙げられます。さまざまな種類の腐食について詳しくは、下記ホワイトペーパーをご覧ください。
このホワイトペーパーには、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)、電気化学インピーダンス分光法(EIS)、および電気化学ノイズ(ECNまたはZRA)といった関連する電気化学技術についての詳細も含まれています。これらの技術により、腐食機構、さまざまな材料の挙動、腐食の進行速度の探究、そして防食コーティングやインヒビターなどの防食ソリューションの適合性の決定も可能になります。
これらのトピックについて個別に詳しく知りたい方は、下記リンクよりアプリケーションノートをご覧ください。
規格・基準への準拠
以下の技術は、提供されたガイドラインに従う場合、ASTM準拠となります(対応するアプリケーションノートをダウンロードするには、リンクをクリックしてください):
腐食実験室でパイプ内流動条件を作り出す
内部腐食は、パイプライン破損の最も厄介な原因です。パイプライン内での腐食破損の基礎とその根本原因を理解するには、実験室内に同様の環境を作り出す必要があります。
回転円筒電極(RCE)は、パイプ内を流れる液体の状況を現実的にシミュレートする乱流条件を作り出す、実験室での水力学的電気化学実験の実施に不可欠な要素です。RCEは、クロノアンペロメトリー、クロノポテンショメトリー、電位掃引などのほとんどの電気化学技術と併用することができます。
回転速度(対流流束)の関数としての腐食速度の研究は、RCEの最も一般的な応用例の一つです。腐食研究は、線形または循環分極測定(LP、DPD、CP)、電気化学インピーダンス分光法(EIS)、および回転速度に関する電気化学ノイズ(ECN)を用いて実施することができます。
電気化学的方法によって得られる結果は、従来の腐食調査方法(例:塩水噴霧)よりも正確であり、はるかに迅速に得られるため、あらゆる腐食測定実験室に効率性と生産性をもたらします。RCE、そして実験室内で現実的なパイプ内流動条件を電気化学的腐食技術と組み合わせてシミュレートする方法について詳しくは、無料のホワイトペーパーをご覧ください。
ホワイトペーパー:腐食のベストプラクティス―回転円筒電極を用いたパイプ内流動条件の再現
電気化学的腐食研究における典型的な方法の一つが、線形分極(LP)です。この方法により、パイプ内流動(すなわち乱流)条件下でのサンプルの腐食挙動を評価し、特定の流量におけるサンプルの腐食速度について知ることが可能になります。 Metrohmは、この技術を具体的に用いた2つのアプリケーションノートを提供しています:
ASTM G185に準拠した、Autolab回転円筒電極(RCE)を用いた乱流条件下での腐食インヒビター効率測定
回転円筒電極(RCE)を用いた、静止条件および乱流条件下での腐食速度測定
LP測定から得られるターフェルプロットは、腐食電位の指標を示します。Metrohm AutolabのNOVAソフトウェアに搭載された専用の解析ツールを使用することで、腐食速度解析を実施し、腐食速度を算出することができ、これにより、与えられた条件下でパイプが1年間でどれだけ錆びるか(mm/年)の指標が得られます。ある材料についてこの情報が得られれば、特定のコーティングや腐食インヒビターを適用することで、より耐食性の高い環境を構築することができます。
2回目の評価を実施することで、これらの耐食条件下でパイプが1年間でどれだけ錆びるかを知ることができます。以下の例では、標準条件下で、炭素鋼の腐食速度は0.25 mm/年と測定されています。しかしながら、特定の腐食インヒビター(この場合はトリプタミン)を使用すると、性能は大幅に向上し、腐食速度は0.065 mm/年まで低下します。これらの結果は電気化学的方法を用いれば数分で得られますが、従来の方法(例:塩水噴霧試験と重量減少分析の組み合わせ)では、結果を出すのに数か月かかることもあります。これは効率における莫大な差です!
腐食インヒビターの有無による実験から得られた線形回帰およびターフェル解析データ。
| 腐食パラメータ | インヒビターなし | インヒビターあり |
|---|---|---|
| 線形回帰によるEcorr(V) | -0.479 | -0.392 |
| ターフェル解析によるEcorr(V) | -0.482 | -0.396 |
| 線形回帰によるRp(Ω) | 42.62 | 135.96 |
| ターフェル解析によるRp(Ω) | 43.32 | 136.39 |
| ターフェル解析による腐食速度(mm/年) | 0.25 | 0.065 |
まとめ
実際の条件下での材料の腐食挙動を理解することは、より適した材料をパイプに使用するか、あるいは適切な防食方法(すなわちコーティングや腐食インヒビター)を使用するかのいずれかによって、製造業者が耐食性の観点から材料設計をより迅速に最適化するのに役立ち、これにより大幅なコスト削減とより安全な操業が実現します。
