材料の選択の詳細

材料の選択は、エンジニアリング設計における主要な腐食制御方法です。これは、プロジェクトコストの効果的な見積もり、建設のスケジューリング、および安全な運用において重要な役割を果たします。

関連する材料選択の基本的な概念は次のとおりです。

資料の種類 :これは、選択可能な幅広い利用可能な資料をカバーしています。
素材の特性 :これは、特定のアプリケーション/用途の要件を満たす機械的、物理的、および耐腐食性の特性を調べることに関係します。
材料経済学: これは、さまざまな資料の所有、資本、保守、運用のコストに関係します。

共通資料の概要

業界には多くのエンジニアリング材料があります。ここでは、最も一般的なもののいくつかのプロパティを見ていきます。

炭素鋼

炭素鋼は、2% 未満の炭素を含む鉄ベースの金属のファミリーを指します。炭素鋼は、製造が容易で、低コストで、入手しやすく、強度が高いため、最もよく使用される材料です。炭素鋼は、構造部品から高圧機器まで、幅広い用途で使用されています。

クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブを少量添加して合金化した炭素鋼は、低合金鋼と見なされます。合金元素は微細構造で炭化物を形成し、発電所の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。

氷点下の温度では、炭素鋼の靭性が低下するため、靭性を維持するためにニッケルが追加されます。ニッケルの量が増えると、特に液化天然ガス (LNG) および液化石油ガス (LPG) 装置の脆性破壊を防ぐための液体ガス用途の場合、低温範囲が広がります。

鋳鉄

鋳鉄は、2% 以上の炭素を含む鉄ベースの金属です。安価で、炭素含有量を減らすための追加処理は必要ありません。ただし、もろく、溶接性が限られています。ウォーターポンプやパイプの重要でない部品に使用され、炭素鋼と同様の耐食性を備えています。ねずみ鋳鉄とノジュラー/ダクタイル鋳鉄は、最も一般的なタイプの鋳鉄です。

ステンレス鋼 (SS)

ステンレス鋼は、ニッケル、モリブデン、および窒素と組み合わせて、少なくとも 11% のクロムを含む鋼種です。ステンレス鋼は、さまざまなエネルギー、化学、石油化学産業の腐食環境で確実に使用されています。合金の内容と微細構造に応じて、ステンレス鋼にはいくつかの種類があります。

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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少ないです。鋭敏化しやすく、溶接しにくいため、溶接されていない部品に使用されます。中程度の耐食性にもかかわらず、フェライト系ステンレス鋼は、塩化物による応力腐食割れ (SCC) に対して耐性があります。

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少なく、フェライト系ステンレス鋼と同様の用途があります。それらは強度が高く、マルテンサイト系ステンレス鋼で製造された多くのパイプラインがあります。硬度が高いため、侵食に対して好んで使用されます。

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、業界で最も一般的に使用されているステンレス鋼です。ニッケルの含有量が多いほど耐食性に優れ、製造も容易です。環境の腐食性に応じて、さまざまなグレードのオーステナイト系ステンレス鋼から選択できます。一部の低合金グレードは、塩化物 SCC に対する耐性が低くなります。オーステナイト系ステンレス鋼は極低温用途で広く使用されています。

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二相ステンレス鋼
二相ステンレス鋼には、フェライト系とオーステナイト系の二重の微細構造があり、特性が組み合わされています。それらは、特に塩化物アシスト SCC に対して、高い強度と非常に優れた耐食性を備えているため、オフショア用途での使用に適しています。ただし、二相ステンレス鋼はフェライト相の低い強度を継承します。

析出硬化ステンレス鋼
析出硬化ステンレス鋼は、熱処理に応じて、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の微細構造から、高い強度と靭性を備えています。溶接性は良好ですが、高性能ばねなど用途が限られています。

合金

合金はさまざまな金属を組み合わせて、さまざまな特性を可能にします。最も一般的な合金とその主な特徴の一部を次に示します。

ニッケル合金

ニッケル合金は並外れた耐食性を備えていますが、ニッケル含有量が高いため高価であり、通常モリブデンなどの他の合金元素と組み合わせて添加されます。 Hastelloy、Incoloy、Monel などのブランド名で指定されているニッケル合金には多くの種類があります。これらの名前は期限切れの特許に関連していますが、命名の遺産は残っています。ニッケル合金は、塩化物アシスト SCC および硫化物アシスト SCC に対して耐性があります。

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、優れた強度対重量比と優れた耐食性を備えています。ただし、鉄ベースの金属と接触すると、ガルバニック腐食を受けやすくなります。アルミニウムは溶融温度が低いため、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力により、アルミニウム合金は LNG 産業の熱交換器などの極低温用途に使用されています。

銅合金

銅合金は、海水環境や熱交換器で一般的に使用されています。バイオファウリング、特にマイクロファウリング、局所的な腐食を引き起こす可能性のある停滞状態、および過剰な流れに関連する腐食に対して高い耐性があります。一部の銅合金は、アンモニアを含む環境で SCC の影響を受けやすい.

チタン合金

チタン合金は、強度対重量比が良好で、高塩化物環境での高い耐食性を備えています。しかし、それらは高価であり、製造が困難です。非合金チタンは産業界で一般的に使用されており、他のチタングレードよりも経済的です。

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陶器

そのもろい性質のため、そして高い耐腐食性にもかかわらず、セラミックは圧力を含む装置には使用されません。セラミックスは、耐火物などの高温機器や部品、および摩耗に対する保護のために使用されます。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、ケイ素の酸化物の組み合わせで構成されています。耐摩耗性のために、セラミックは炭化物または窒化物で構成されています。

ポリマー

ポリマーは、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、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非常に耐食性が高く、多くの耐食性合金よりもさらに優れています。しかし、ポリマーは強度が低く、融点が低く、耐紫外線性が限られています。腐食性の高圧用途では、金属表面の耐腐食性ライナーにポリマーを使用できます。 HDPE、PVC、および PTFE は熱可塑性樹脂の例ですが、同じグループに属しているにもかかわらず、それらは異なる特性と用途を持っています。熱硬化性樹脂は通常、固体材料として使用されるのではなく、コーティングまたは複合材料のマトリックスとして使用されます。エラストマーは独特の機械的特性を持ち、多くの加圧用途でコンポーネントをシールするために使用されます。

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コンポジット

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実現し、特定の用途に最適な特性を実現します。業界で最も一般的な複合材料は、ポリマーマトリックスで強化されたガラス繊維と、コンクリートマトリックスで強化された鋼を組み合わせたものです。繊維は高い強度を与え、マトリックスは靭性を与え、応力を均一に分散します。強化繊維は、ガラス、金属、炭素、およびアラミドなどの他のポリマーで作ることができます。 E ガラスは一般的に使用される繊維であり、耐薬品性のある C ガラスや耐疲労性のある R ガラスなど、さまざまな用途に適した他の種類のガラスがあります。熱硬化性ポリマーは、製造が容易で、優れた機械的特性と耐腐食性を備えた一般的に使用される複合マトリックスです。熱可塑性ポリマーは、熱硬化性ポリマーほど一般的には使用されておらず、延性が高いため、スプール可能な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であり、海水や排水などの腐食環境下では鉄筋の腐食が発生します。腐食を軽減するために、コーティング、陰極防食、およびステンレス鋼の使用が使用されています。

材料の選択に関して考慮すべき要素

一般に、材料について考慮される主な要因には次のものが含まれますが、これらに限定されません:

機械的特性
腐食特性
総所有コスト
可用性
製作のしやすさ

耐荷重用途では、構造的完全性を確保するために機械的特性がチェックされます。エンジニアリング材料の機械的特性は、微細構造、化学組成、および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地域的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
硬さ
疲労
破壊靭性
クリープ
特定の用途に応じたその他の要因

特性は通常、製造プロセスからのサンプルの破壊試験から得られ、その結果は材料証明書に記載されています。ただし、購入者と製造業者の間の紛争を避けるために、特別な機械的テストが事前に行われます。

材料は、腐食と呼ばれる環境に起因する反応によって時間の経過とともに劣化します。環境腐食性は、環境の性質、選択した材料、用途によって異なります。アプリケーションの寿命の間、信頼性と安全な操作を確保するために、材料を適切に選択する必要があります。

腐食は、大気、土壌、水、化学物質、石油とガス、および微生物から、またさまざまな種類の腐食を引き起こすさまざまな腐食剤によって引き起こされる可能性があります。腐食を軽減するための材料の選択では、一般的に次のものが使用されます:

熱力学的腐食の図/チャート
腐食モデル
化学的適合性表
実験室での試験 (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)
テクノロジーライセンサーの推奨事項
運用上のフィードバック

熱力学的腐食図/チャート

腐食図/チャートは、実験室でのテストおよび/またはフィールドパフォーマンスから収集されたデータに基づいています。収集されたデータは、実験室試験またはフィールド試験で調査されたパラメータに基づいています。

腐食モデル

腐食モデルは、実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、独自のソフトウェアプログラムの形式で、または入力パラメーターが入力された Excel シートで使用されます。 CO₂ のモデルがあります腐食、酸素腐食および亀裂成長率。実験的に得られたデータから経験的に生成されたモデルにすべての腐食パラメータを含めることができるわけではないため、モデルの精度はさまざまです。

化学的適合性表

化学的適合性表またはチャートは、環境条件とアプリケーション用に選択された材料との間の適合性を判断するために使用される定性的なツールです。状況によっては、選択した材料の適合性をより適切に判断するために、追加の調査とテストが必要になります。

臨床検査

実験室試験は、シミュレートされた環境条件で選択された材料の性能を評価するために分析データが必要な場合に実行されます。環境条件、実験室のセットアップ、および実験条件は、標準化された実験室環境に配置され、得られたデータが効果的かつ適切な材料選択に使用されるパラメーターを表すようにします。

テクノロジーライセンサーの推奨事項

一部の処理技術は独自のものであり、ノウハウの取り決めはライセンサーが所有しています。ライセンサーが選択した素材は、多くの場合、保証目的の最小要件を表しています。

運用フィードバック

実際の経験からの運用フィードバックは、リアルタイムの現場ベースのデータを提供するため、貴重です。履歴データの収集 (操作パラメータの変更、材料証明書、溶接手順仕様 (WPS)/手順認定記録 (PQR)、検査レポート、故障分析レポートなど) は、適切な材料の選択を保証するために重要です。

材料費選択の決定の評価

コストは材料の選択において重要な考慮事項であり、設備投資 (CAPEX) と運用費用 (OPEX) のバランスが重要です。材料と腐食のエンジニアは、予算とコスト、および性能を考慮して材料を選択する必要があります。 CAPEX の重要性は、選択されたバルク材料だけでなく、製造プロセスと製品形状にもあります。 OPEX の影響は、腐食した材料の修理と交換、および腐食の制御、腐食の監視、および腐食防止剤の注入にあります。炭素鋼を使用すると、CAPEX は低くなりますが、OPEX は高くなります。ステンレス鋼を使用すると、それぞれが逆の影響を受けます。

特にプロジェクトのスケジュールに関しては、材料の入手可能性も重要な役割を果たします。たとえば、独自の素材を使用すると、コストが増加する可能性がある状況で、サプライヤー、少量、または最小数量注文を必要とする可能性のある在庫に関連する制限のために、配送に通常よりも時間がかかる場合があります.

製造が困難な材料は、特に大量に使用する場合、早期に計画しないと、プロジェクトのスケジュールに大きな影響を与える可能性があります。たとえば、溶接後熱処理 (PWHT) を必要とする材料は、石油およびガス施設で何千もの溶接を必要とするだけでなく、PWHT 要件に対応するために何千時間もの工数を必要とする場合があります。溶接が難しい材料は、溶接速度が遅くなり、修理率が高くなる可能性があります。