戦略的材料選定：設計、コスト、長寿命を守る

材料選定はエンジニアリング設計における主要な腐食制御手法です。プロジェクトコストの効果的な見積もり、建設スケジューリング、安全な操業に役割を果たします。

材料選定の基本概念には以下が含まれます。

• 材料タイプ：選択可能な幅広い材料の範囲をカバーします。
• 材料特性：特定の用途/使用のための要件を満たす機械的、物理的、耐食特性を検討します。
• 材料経済性：さまざまな材料の所有コスト、資本コスト、維持管理コスト、運転コストに関わります。

一般的な材料の概要

業界には多くの工学材料があります。ここでは最も一般的なもののいくつかの特性を見ていきます。

炭素鋼

炭素鋼とは、2%未満の炭素を含む鉄基金属のグループを指します。炭素鋼は、加工容易性、低コスト、入手性、高強度のおかげで最も使用されている材料です。構造部品から高圧機器まで幅広い用途で使用されます。

クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブの少量添加で合金化された炭素鋼は低合金鋼と見なされます。合金元素は微細組織に炭化物を形成し、発電所ボイラーなどの高温での材料の強度と信頼性を高めます。

零下温度では炭素鋼の靭性が低下するため、ニッケルを添加して靭性を維持します。ニッケル量を増やすとより低温域まで対応可能になり、特に液化天然ガス（LNG）や液化石油ガス（LPG）設備での脆性破壊防止に役立ちます。

鋳鉄

鋳鉄は2%以上の炭素を含む鉄基金属です。安価で、炭素含有量を減らす追加処理が不要です。しかし、脆く溶接性が限られます。水ポンプと配管の非重要部品に使用され、耐食性は炭素鋼と類似しています。グレー鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）が最も一般的なタイプです。

ステンレス鋼（SS）

ステンレス鋼は、ニッケル、モリブデン、窒素と組み合わせて最低11%のクロムを含む鋼タイプです。ステンレス鋼は、エネルギー、化学、石油化学産業のさまざまな腐食環境で信頼性高く使用されます。合金含有量と微細組織によっていくつかのタイプがあります。

関連： ステンレス鋼入門

フェライト系ステンレス鋼
フェライト系ステンレス鋼は最も経済的なタイプで、ニッケル含有量が非常に低いです。感作化しやすく溶接が困難なため、非溶接部品に使用されます。中程度の耐食性ですが、塩化物助長応力腐食割れ（SCC）に耐性があります。

マルテンサイト系ステンレス鋼
マルテンサイト系ステンレス鋼はニッケル含有量が低く、フェライト系と用途範囲が類似しています。高強度を持ち、多くのパイプラインがマルテンサイト系ステンレス鋼で製造されています。高硬度のため、摩食対策として好まれます。

オーステナイト系ステンレス鋼
オーステナイト系ステンレス鋼は産業で最も一般的に使用されるステンレス鋼です。より高いニッケル含有量により優れた耐食性を持ち、加工が容易です。環境の腐食性に応じて選択できるさまざまなグレードがあります。一部の低合金グレードは塩化物SCCに対する耐性が低いです。オーステナイト系ステンレス鋼は超低温用途で広く使用されます。

関連： オーステナイト系ステンレス鋼について知っておくべき12のこと

デュプレックス（二相）ステンレス鋼
デュプレックスステンレス鋼はフェライトとオーステナイトの二重微細組織を持ち、合わせた特性を発揮します。高強度と非常に優れた耐食性、特に塩化物助長SCCに対する耐性を持ち、洋上用途に適しています。しかし、フェライト相の低強度を引き継ぎます。

析出硬化系ステンレス鋼
析出硬化系ステンレス鋼は、熱処理に依存してオーステナイト、半オーステナイト、またはマルテンサイト微細組織から高強度と靭性を得ます。溶接性は良好ですが、用途は限定的で、高性能スプリングなどです。

合金

合金は異なる金属を組み合わせ、多様な特性を実現します。ここでは最も一般的な合金とその主要特性をいくつか紹介します。

ニッケル合金

ニッケル合金は優れた耐食性を持ちますが、通常モリブデンなどの他合金元素と組み合わされる高ニッケル含有量のため高価です。ハステロイ、インコロイ、モネルなどブランド名で指定される多くのタイプがあります。これらの名は期限切れ特許に関連しますが、命名の遺産は残っています。ニッケル合金は塩化物助長SCCと硫化物助長SCCに耐性があります。

ウェビナー： ニッケル合金の耐食性

アルミニウム合金

アルミニウム合金は優れた強度重量比と良好な耐食性を持ちます。しかし、鉄基金属と接触するとガルバニック腐食の影響を受けやすくなります。アルミニウムは融点が低いため、アルミニウム合金の用途は低温用途に限定されます。優れた熱性能と延性保持により、アルミニウム合金はLNG業界の熱交換器など超低温用途で使用されます。

銅合金

銅合金は海水環境と熱交換器で一般的に使用されます。特にマイクロファウリングに対する高い耐バイオファウリング性を持ち、停滞状態による局所腐食や過剰流速による腐食にも耐性があります。一部の銅合金はアンモニア含有環境でSCC感受性があります。

チタン合金

チタン合金は優れた強度重量比と高塩化物環境での高耐食性を持ちます。しかし、高価で加工が困難です。非合金チタンは産業で一般的に使用され、他のチタングレードより経済的です。

関連： チタン腐食について知っておくべき5つのこと

セラミックス

脆性のため——高い耐食性にもかかわらず——セラミックスは耐圧機器には使用されません。セラミックスは高温機器と部品（耐火物など）や耐摩耗保護に使用されます。耐火物用セラミックスは一般的にアルミニウム、マグネシウム、シリコンの酸化物の組み合わせで構成されます。耐摩耗用には炭化物や窒化物で構成されます。

ポリマー

ポリマーは熱可塑性、熱硬化性、エラストマーとして使用されます。ほとんどのポリマーは多くの耐食合金よりもさらに耐食性が高いです。しかし、ポリマーは低強度、低融点、限定的な耐UV性を持ちます。腐食性高圧用途では、ポリマーを金属表面の耐食ライナーとして使用できます。HDPE、PVC、PTFEは熱可塑性の例ですが、同じグループにあっても異なる特性と用途を持ちます。熱硬化性樹脂は通常固体材料としてではなく、コーティングや複合材料のマトリックスとして使用されます。エラストマーは独自の機械的特性を持ち、多くの加圧用途でシール部品として使用されます。

関連： ポリマー材料の腐食

複合材料

複合材料は、2つ以上の材料を組み合わせて両方の特性を達成し、特定用途に最適な特性を得るものです。産業で最も一般的な複合材料は、ポリマーマトリックス中のガラス繊維強化と、コンクリートマトリックス中の鋼強化です。繊維が高強度を与え、マトリックスが靭性を与え、応力を均一に分散します。強化繊維はガラス、金属、炭素、アラミドなどの他ポリマーで作られます。E-ガラスは一般的に使用される繊維で、化学耐性用のC-ガラスや疲労耐性用のR-ガラスなど、異なる用途に適した他のガラスタイプがあります。熱硬化性ポリマーは一般的に使用される複合材料マトリックスで、製造が容易で優れた機械的・耐食特性を持ちます。熱可塑性ポリマーは熱硬化性ほど一般的ではなく、高延性のためスプール可能パイプに使用される傾向があります。

鉄筋コンクリートは重要な構造材料で、海水や廃水などの腐食環境では鉄筋腐食が発生します。コーティング、陰極防食、ステンレス鋼使用で腐食を緩和します。

材料選定で考慮すべき要因

一般的に材料で考慮される主要因には、以下が含まれますがこれらに限定されません。

• 機械的特性
• 耐食特性
• 総所有コスト
• 入手性
• 加工容易性

荷重支持用途では、構造的完全性を確保するために機械的特性を確認します。工学材料の機械的特性は、微細組織、化学組成、製造プロセスによって大きく異なります。品種はASTM、ISO、JISなどの管理機関によって国際的またはローカルに標準化されています。基本的な機械的特性には以下が含まれますがこれらに限定されません。

• 引張強度
• 衝撃エネルギー
• 伸び
• 硬度
• 疲労
• 破壊靭性
• クリープ
• 特定用途に応じたその他の要因

これらの特性は一般的に製造プロセスからのサンプル破壊試験で取得され、結果は材料証明書に記載されます。しかし、専門的な機械試験は購入者と製造者間の紛争を避けるために事前に実施されます。

材料は、環境誘発反応である腐食によって時間とともに劣化します。環境腐食性は、環境の性質、選択材料、用途によって異なります。材料は適切に選定され、用途期間中の信頼性と安全な操業を確保する必要があります。

腐食は、大気、土壌、水、化学薬品、石油・ガス、微生物、およびさまざまな腐食剤によって異なるタイプの腐食を引き起こす可能性があります。腐食緩和を目的とした材料選定では一般的に以下を使用します。

• 熱力学腐食図/チャート
• 腐食モデル
• 化学適合性表
• 実験室試験（動電位分極、浸漬、電気化学インピーダンス分光法、応力腐食割れ）
• 技術ライセンサー推奨
• 運転フィードバック

熱力学腐食図/チャート

腐食図/チャートは、実験室試験および/または現場性能からのデータ収集に基づいています。収集データは、実験室試験または現場試験で研究されたパラメータに基づきます。

腐食モデル

腐食モデルは、経験式に基づいて腐食速度を予測するために使用されます。モデルは独自ソフトウェアプログラムや、入力パラメータを入力したエクセルシートの形で使用されます。CO₂腐食、酸素腐食、割れ進展速度のモデルがあります。モデルの精度は変動し、すべての腐食パラメータをモデルに盛り込めるわけではないため、実験的に得られたデータから経験的に生成されます。

化学適合性表

化学適合性表やチャートは、環境条件と用途のために選択された材料の適合性を判断するための定性的ツールです。一部の状況では、選択材料の適合性をより良く判断するために追加の調査と試験が必要です。

実験室試験

実験室試験は、模擬環境条件下での選択材料性能を評価するために分析データが必要なケースで実施されます。環境条件、実験室セットアップ、実験条件は、効果的で適切な材料選定に使用されるパラメータを代表するデータが得られるよう、標準化された実験室環境で整えられます。

技術ライセンサー推奨

一部のプロセス技術は独自であり、ノウハウ取り決めはライセンサーが所有します。ライセンサーが選定する材料は、保証目的の最低要件を代表することが多いです。

運転フィードバック

実際の経験からの運転フィードバックは、リアルタイムの現場ベースデータを提供するため貴重です。履歴データ収集（運転パラメータ変更、材料証明書、溶接手順仕様書（WPS）/手順資格記録（PQR）、検査報告書、故障解析報告書など）は、適切な材料選定を保証するために不可欠です。

材料選定決定のコスト評価

コストは材料選定の主要な考慮事項であり、設備投資（CAPEX）と運転費（OPEX）のバランスが重要です。材料エンジニアと腐食エンジニアは、予算とコストの考慮事項だけでなく性能も満たす材料を選定すべきです。CAPEXの意義はバルク材料選定だけでなく、製造プロセスと製品形態にもあります。OPEXの影響は、腐食材料の修理と交換、腐食制御、腐食監視、腐食防止剤注入にあります。炭素鋼の使用は低CAPEXだが高OPEXとなり得、ステンレス鋼の使用はそれぞれ逆の影響を与えます。

材料入手性も、特にプロジェクトスケジュールの観点で重要な役割を果たします。専有材料の使用は、サプライヤー関連の制約、少量、最小発注数量を要求する在庫などにより、通常より納期が長くなる可能性があり、コスト増大につながる状況があります。

加工困難な材料は、早期に計画しない場合、特に大量使用時にプロジェクトスケジュールに大きな影響を与える可能性があります。例えば、溶接後熱処理（PWHT）が必要な材料は、石油・ガス施設で数千の溶接継手を必要とし、PWHT要件に対応するために数千人時の工数を要する可能性があります。溶接困難な材料は溶接速度を低下させ、修理率を増加させる可能性があります。

結論

材料選定は、故障感受性と腐食制御手法の理解、およびさまざまなエンジニアリング分野間の協力を必要とする複雑な手順を含みます。