ステンレス鋼の孔食と隙間腐食: 原因と予防

ステンレス鋼は耐食性が指定されていますが、「ステンレス」という用語は、さまざまな程度の耐性を持つ合金のグループを指します。すべての条件下で腐食を免れる材料ではありません。使用中のステンレス鋼に影響を与える最も重要な局部腐食メカニズムの 2 つは次のとおりです。孔食そして隙間腐食。どちらも、全体的な金属損失が比較的少ない状態でコンポーネントの故障を引き起こす可能性がある局所的な攻撃の形態であるため、目視検査による検出が困難であり、予測可能かつ目に見える形で進行する均一腐食よりも危険である可能性があります。

塩化物を含む環境 (海岸の大気への暴露、化学処理、海水システム、または屋内プールの雰囲気など) に設置されたステンレス鋼製機器は、指定されたグレードの化学組成および機械的特性の要件を満たしているにもかかわらず、孔食や隙間腐食が発生する可能性があります。これは、局部腐食は合金組成だけでなく、次のような影響も受けるからです。塩化物濃度、温度、pH、酸素の利用可能性、表面状態、およびコンポーネントの形状。正しいグレードの選択は必要ですが、それだけでは不十分な場合もあります。設計、製造、メンテナンスの実践も同様に重要です。

1. 簡単な比較: 孔食と隙間腐食

重要な洞察:孔食は主に材料と環境の相互作用です。合金の耐孔食性が塩化物レベルと温度に対して不十分な場合、不動態皮膜は機能しません。隙間腐食は形状に依存する問題です。露出した表面に適切な耐孔食性を備えたグレードであっても、局所的な環境がバルク環境よりも攻撃的になる隙間内で攻撃を受ける可能性があります。この違いは、グレードの選択と設計の実践に直接影響します。

2. 孔食とは何ですか?

孔食は非常に局所的な腐食の一形態であり、ステンレス鋼の表面に小さな空洞や穴ができます。これは、ステンレス鋼に耐食性を与える目に見えない自己修復性の表面層である不動態酸化クロム膜が局所的に破壊され、攻撃的なイオン（最も一般的には塩化物）の存在により再不動態化できないときに発生します。

孔食の発生と伝播の仕組み

1. 不動態皮膜の内訳：塩化物イオン (Cl-) は、介在物、粒界、表面の傷、または局所的な組成変化の領域などの不動態皮膜の弱点に吸着し、酸化層を破壊します。
2. ピット開始:不動態皮膜が局所的に浸透すると、露出した卑金属は周囲の不動態表面に対して陽極となり、陰極のままになります。これにより、小さな陽極と大きな陰極のガルバニ電池が形成され、ピット部位に腐食電流が集中します。
3. ピットの伝播:ピット内では、金属が溶解すると、正に帯電した金属イオンが放出されます。塩化物イオンはピットに移動して電荷の中性を維持します。金属塩化物は加水分解して塩酸を生成し、ピット内の pH を 1 ～ 2 まで低下させます。この酸性の高塩化物環境は、再不動態化を防ぎ、ピットをさらに深くする自己触媒プロセスである金属の溶解を促進します。
4. 失敗の結果:単一のピットがパイプ壁またはタンクシェルを貫通し、漏れや故障を引き起こす可能性がありますが、周囲の表面は本質的に影響を受けていないように見えます。このため、壁の薄化が徐々に進行し、厚さ測定によって検出できる均一腐食よりも孔食の方が危険になります。

孔食に影響を与える要因

• 塩化物濃度:塩化物レベルが高いと、孔食のリスクが増加します。ステンレス鋼グレードの温度に対する耐孔食性が不十分な場合は、塩化物濃度が低くても孔食が発生する可能性があります。
• 温度：孔食感受性は温度とともに増加します。臨界孔食温度 (CPT) は、特定のグレードおよび塩化物環境でそれを超えると孔食が開始する温度です。周囲温度で孔食が発生しにくいグレードでも、同じ塩化物濃度では 50°C で孔食が発生する可能性があります。
• pH:低 pH 環境では、再不動態化がより困難になるため、孔食のリスクが増加します。活動的なピット内の酸性状態は、一旦開始されると自動的に持続します。
• 停滞状態:停滞または低流量条件では、攻撃的なイオンが表面に集中し、局所的なピット化学物質の希釈が防止されるため、流動条件と比較して孔食のリスクが増加します。

PREN: 孔食抵抗の定量的測定

孔食抵抗当量数 (PREN) は、合金組成に基づいてステンレス鋼グレードの孔食に対する耐性の比較尺度を提供します。

PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

クロム（Cr）は不動態皮膜を形成します。モリブデン (Mo) は不動態皮膜を安定化し、塩化物攻撃に対する耐性を向上させます。窒素 (N) は耐孔食性の向上に特に効果的であり、その係数が 16 であることが反映されています。

一般的なグレードのおおよその PREN 値:

• 304/304L:PREN ~18–20 — 耐塩化物性が限定的。淡水および穏やかな大気暴露に適しています。
• 316/316L:PREN ~24–26 — ~2% Mo により耐塩化物性が向上。沿岸および海洋の大気暴露の基準。
• デュプレックス 2205:PREN ~34–36 — 良好な耐塩化物性。海水や多くの化学環境に適しています。
• スーパーデュプレックス 2507:PREN ~40–43 — 高い耐塩化物性。攻撃的な海水、海洋、および過酷な化学用途向けに指定されています。

調達におけるPRENの活用：PREN は、さまざまなグレードの相対的な耐孔食性を比較するのに役立ちますが、これはガイドラインであり、腐食のないサービスを保証するものではありません。特定の用途における実際の耐孔食性は、塩化物濃度、温度、pH、表面状態、および隙間の存在によって異なります。 PREN は、グレードの選択を絞り込むためのスクリーニング ツールとして使用し、その後、特定の使用条件に照らして評価する必要があります。

3. すきま腐食とは何ですか?

隙間腐食は、狭い遮蔽された空間内で発生する局所的な攻撃であり、局所的な環境は隙間の外側の全体的な環境よりも著しく攻撃的になる可能性があります。ガスケットの下、ボルト接合部内、堆積物の下、フランジの隙間など、目視検査では隠された場所のステンレス鋼を攻撃するため、孔食よりも潜行性が高く、同じバルク環境で露出した表面に孔食が発生しにくいグレードに影響を与える可能性があります。

隙間腐食のメカニズム

1. 酸素欠乏:狭いギャップ内では、通常の陰極反応 (酸素還元) により利用可能な酸素が消費されるため、限られた体積の電解質から溶存酸素が枯渇します。隙間の内部は外部に比べて酸素が枯渇し、酸素濃淡電池が形成されます。
2. 酸性化:隙間内の金属が溶解すると金属イオンが放出され、加水分解して水素イオンが発生し、pH が低下します。制限された形状により、酸性溶液がバルク電解質と混合することが防止され、隙間内の pH が 1 ～ 2 に低下する可能性があります。
3. 塩化物の移行:電荷の中性を維持するために、バルク電解質からの塩化物イオン (Cl-) が隙間に移動し、密閉空間内の攻撃的な環境をさらに集中させます。
4. 自己触媒による伝播:隙間内の低い pH と高い塩化物濃度の組み合わせにより、ステンレス鋼表面の再不動態化が防止されます。隙間の形状が内部と外部の間の異なる環境を維持している限り、攻撃は伝播し続けます。

ステンレス鋼製装置の一般的な隙間の場所

• フランジ接続部のアンダーガスケットとシール
• 合わせ面が冶金的に結合されていないボルト接合
• フランジ面、特にガスケット着座領域
• 表面下の堆積物、スケール、汚れ - 堆積物下腐食とも呼ばれる形態
• 溶接オーバーラップ、部分溶け込み溶接、重ね継手
• ねじ接続とファスナーインターフェイス
• 不適切な排水設計により生じる停滞水トラップ

調達と設計に重要な影響:スーパーデュプレックス 2507 などの高い PREN 値を持つ高合金グレードでも、隙間の形状が十分にタイトで、環境が十分に攻撃的である場合（高塩化物、高温）、隙間腐食が発生する可能性があります。特定のグレードの臨界隙間腐食温度 (CCCT) は、通常、その臨界孔食温度 (CPT) よりも低くなります。つまり、同じ材料およびバルク環境では、隙間腐食が孔食よりも容易に開始されます。このため、隙間腐食の防止は、材料の選択だけの問題ではなく、主に設計と製造の責任となります。

4. 孔食と隙間腐食: 主な違い

調達における実質的な違い:孔食は主にグレードの選択によって対処されます。使用環境の塩化物濃度と温度に対して適切な PREN を備えたグレードを選択してください。隙間腐食は、グレードの選択と設計の両方を通じて対処されます。可能な限り隙間の形状を排除し、隙間が避けられない場合 (ガスケット付きフランジ、ボルト留め継手)、使用条件に対して十分な隙間腐食耐性を備えたグレードを指定します。材料仕様だけでは、たとえ保守的であっても、激しい隙間状態を作り出す設計を補うことはできません。

5. ステンレス鋼のグレードと局部耐食性

ステンレス鋼のグレードが異なると、主にモリブデンと窒素の含有量が増加することにより、孔食や隙間腐食に対する耐性が徐々に向上します。適切なグレードの選択には、合金の耐食性を使用環境の予想される塩化物濃度、温度、隙間の厳しさに適合させることが含まれます。

調達ガイダンス:普遍的に耐食性を備えたステンレス鋼グレードはありません。正しいグレードとは、設計に隙間条件が存在するかどうかを考慮して、予想される塩化物濃度と最大動作温度に対して十分な PREN を備えたグレードです。過剰なグレード（屋内用途向けのスーパーデュプレックス 2507 など）を使用すると、安全上のメリットがなくコストが増加します。グレードが過少に指定されている場合 (例: 沿岸設備の場合は 304)、高価な修復または交換が必要となる腐食のリスクが生じます。グレードの選択は、デフォルトの仕様ではなく、特定の環境条件に基づいて行う必要があります。

6. 防止方法：材料、設計、製造

孔食や隙間腐食を防止するには、材料の選択、機器の設計、製造とメンテナンスの実践をカバーする統合的なアプローチが必要です。 3 つの要素がすべて正しい必要があります。ある分野で優れていても、別の分野の弱点を補うことはできません。

材料の選択

• 塩化物環境に対する PREN によるグレードの選択:PREN グレードが高くなるほど、孔食と隙間腐食の両方に対する耐性が向上します。 PREN を使用してグレードを比較しますが、使用環境の特定の塩化物濃度、温度、pH に対する適合性を検証します。
• グレードの選択では温度を考慮してください。周囲温度で適切に機能するグレードでも、同じ塩化物環境では 40 ～ 60°C で穴が開いたり、隙間攻撃を受ける可能性があります。特定のグレードの許容塩化物レベルは、温度が上昇するにつれて減少します。
• 溶接製造用の低炭素グレード (304L、316L):低炭素グレードは、溶接熱影響部の鋭敏化（炭化クロムの析出）のリスクを軽減します。これにより、孔食に加えて粒界腐食の影響を受けやすい局所的なクロム欠乏領域が生成されます。

デザインの改善

• 不要な隙間を排除します。可能な場合は、ボルト締めフランジよりも突合せ溶接接続を使用してください。腐食環境での重ね継手、部分溶け込み溶接、ねじ山の露出をシールまたは除去します。
• 排水のための設計:塩化物を含む水が蒸発によって溜まり、濃縮される可能性がある水平面、デッドレッグ、ポケットを避けてください。排水を促進するために表面を傾斜させます。
• ガスケットの材質とシートのデザインを選択します。非吸収性ガスケット素材は、ガスケットと金属の界面に閉じ込められる電解質の量を減らします。ガスケットを適切に圧縮すると、新たな漏れ経路を作ることなく隙間の容積が最小限に抑えられます。
• 流れの停滞状態を回避します。ステンレス鋼の表面に塩化物を含む堆積物が蓄積するのを防ぐために、配管や容器内で十分な流速を維持してください。

製造とメンテナンス

• 適切な溶接方法:適切な溶加材、入熱制御、および不活性ガスのシールドを備えた認定された溶接手順を使用してください。溶接熱の色合いを除去するヒートティントの下のクロムが枯渇した層は局所的な腐食を受けやすいため、酸洗いによって（溶接部に隣接する着色された酸化層）を除去します。
• 製造後の酸洗と不動態化:化学酸洗いにより、溶接スケール、熱着色、および表面の汚染物質が除去されます。硝酸またはクエン酸による不動態化により、洗浄された表面に酸化クロムの不動態皮膜が復元されます。どちらもステンレス鋼製機器の耐食性に不可欠です。
• 表面の洗浄:定期的な洗浄により、表面の堆積物、汚れ、塩化物を含む残留物を除去します。堆積物は堆積物不足の隙間状態を生み出し、金属表面に塩化物が集中する可能性があります。
• 検査プログラム:重要なサービスの場合、隙間ができやすい場所 (フランジ、ガスケット領域) を定期的に検査し、露出した表面のピット形成を目視検査することで、故障が発生する前に早期発見できます。

最も効果的な防止戦略は、環境に適したグレード、隙間や停滞状態を最小限に抑える設計、不動態皮膜を保護する製造とメンテナンスの実践という 3 つの要素をすべて組み合わせたものです。溶接後の表面処理を行わずに滞留隙間だらけの設計に指定された高 PREN グレードは、腐食の解決策ではありません。プレミアム価格で購入された腐食のリスクです。

7. よくある購入上の間違い

1. 塩化物を含む環境には 304/304L を選択します。304 にはモリブデンが含まれておらず、PREN が低い (約 18 ～ 20) ため、沿岸大気、氷結防止塩への曝露、および多くの工業用プロセス流体など、塩化物を含む環境で孔食や隙間腐食が発生しやすくなっています。塩化物への曝露がわかっている用途では、316/316L またはより高級な合金グレードを評価する必要があります。

2. 316/316L があらゆる海水条件に耐えられると仮定します。316L は沿岸の大気暴露に対して良好な耐性を示しますが、暖かく停滞した海水条件では、特にフランジのギャップ内、ガスケットの下、その他の隙間形状で隙間腐食が発生する可能性があります。浸漬海水サービスまたはスプラッシュゾーン用途の場合は、デュプレックス 2205 またはスーパー デュプレックス 2507 を評価する必要があります。

3. 材料グレードを指定する際に、隙間設計のリスクを無視します。厳しい隙間条件 (不適切な設計のフランジ、停滞したポケット、プロセス流体内のねじ接続) を生み出す設計に高合金グレードを指定しても、隙間腐食を防止できない可能性があります。材料の選択と設計のレビューは、順番にではなく、同時に進める必要があります。

4. 腐食リスクを評価せず、材料コストのみに基づいてグレードを選択します。特定のコンポーネントの 304L と 316L のコスト差は、早期故障、交換、ダウンタイムのコストと比較するとわずかです。腐食破壊を引き起こす最低の材料コストのみに基づいてグレードを選択することは、誤った経済性です。

5. 加工後の表面処理の指定がない場合。ステンレス鋼の溶接熱着色は表面的なものではありません。着色の下のクロムが枯渇した層は局所的な腐食を受けやすいためです。溶接後の酸洗いと不動態化は、腐食環境で使用されるステンレス鋼機器の製造範囲の一部として指定する必要があります。

6. 発注書から材料認証 (MTC) を省略します。腐食が重要な用途では、材料の化学組成を検証する必要があります。 EN 10204 3.1 MTC は、供給された状態の材料化学が指定されたグレード要件を満たしていることを示す文書化された証拠を提供します。特に、耐孔食性がモリブデン含有量に依存する 316L および二相グレードについては、モリブデン含有量を確認する必要があります。

7. 化学成分要件を指定せずに、一般的なグレード名で注文します。「316L」は、許容される組成の範囲を定義します。モリブデンの許容範囲の下限 (約 2.0%) にある試験片は、中程度から上限の範囲 (約 2.5%) にある試験片よりも PREN が明らかに低くなります。境界線の塩化物使用条件については、使用条件がそれを保証する場合、グレードの許容範囲内で最小モリブデン含有量を指定することを検討してください。

8. 環境別の材料選択ガイド

重要：この表は一般的なガイダンスを提供します。特定の使用条件に応じたグレードの選択は、塩化物濃度、動作温度、pH、隙間形状の有無、適用される規格と規格に基づいて行う必要があります。腐食環境に対する特定のグレードの適合性について疑問がある場合は、特定の使用条件を文書化して材料供給業者または腐食エンジニアに相談してください。

9. Shangyou が耐食材料の供給をどのようにサポートしているか

陝西上友ステンレス鋼有限公司は、さまざまな使用環境に対応するさまざまな耐孔食性および耐すきま腐食性を提供するグレードのステンレス鋼製品を供給しています。製品は 304/304L、316/316L、デュプレックス 2205、およびスーパー デュプレックス 2507 で入手でき、シート、プレート、コイル、パイプ、チューブ、バー、および構造プロファイルが含まれます。品質とドキュメントのサポートには次のものが含まれます。

• ASTM 準拠:該当する ASTM 規格 (A240、A312、A276、A479、A790) に準拠して供給される製品は、完全な検証を受けています。
• EN 10204 3.1 MTC:クロム、ニッケル、モリブデン、窒素含有量を含む化学組成は、PREN 検証の標準と​​して文書化されています。
• PMI テスト:グレードと組成の検証のリクエストに応じて、確実な材料識別が可能です。
• テクニカルサポート：腐食用途向けのグレードの選択、PREN の比較、および材料仕様の作成を支援します。
• ドキュメントのエクスポート:国際調達のための完全な出荷および認証文書。

当社は、お客様が腐食環境に適したグレードを指定できるよう支援します。これは、間違ったグレードの費用は注文時ではなくサービス時に支払われるためです。

よくある質問

1. ステンレス鋼の孔食と隙間腐食の違いは何ですか?
孔食は、露出した表面に対する局所的な攻撃であり、孤立点における不動態皮膜の破壊によって始まり、通常は塩化物イオンによって引き起こされます。隙間腐食は、酸素欠乏により再不動態化を妨げる攻撃的な局所環境を作り出す、限られた空間 (隙間、ガスケットの下、ボルト接合部) 内での局所的な攻撃です。孔食は主に材料環境の問題であり、グレードの選択を通じて対処されます。隙間腐食は主に設計上の問題です。隙間腐食は、同じ材料およびバルク環境での孔食よりも容易に発生する可能性があり、予防は設計を通じて隙間を排除するか、隙間が避けられない場合には十分な耐隙間腐食性を備えたグレードを選択するかにかかっています。

2. 塩化物環境ではなぜステンレス鋼に穴が開くのですか?
塩化物イオンは小さく、移動しやすく、ステンレス鋼を保護する不動態酸化クロム皮膜に対して化学的に攻撃的です。局所的な弱点（介在物、粒界、表面の傷）では、塩化物が膜を破壊し、その修復（再不動態化）を妨げ、露出した金属が急速に溶解してピットとなる小さなアノード/大きなカソードセルを生成します。ピット内では、金属イオンが加水分解するにつれて pH が低下し、電荷の中性を維持するために塩化物が移動し、自己持続的な酸性の高塩化物環境が形成され、ピットがさらに深くなります。

3. PREN とは何ですか? ステンレス鋼の選択にどのように使用されますか?
PREN (孔食抵抗当量数) は、PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N として計算されます。ここで、Cr、Mo、および N は、合金中のクロム、モリブデン、および窒素の重量パーセントです。 PREN は、グレードの孔食に対する耐性の比較尺度を提供します。PREN が高いほど、耐性が優れていることを示します。おおよその値: 304 ~18 ～ 20、316L ~24 ～ 26、デュプレックス 2205 ~34 ～ 36、スーパー デュプレックス 2507 ~40 ～ 43。 PREN はスクリーニング ツールです。特定の用途における実際の耐孔食性は、塩化物濃度、温度、pH、および表面状態によって異なります。

4. 316L ステンレス鋼は海水でも使用できますか?
316L は沿岸大気暴露 (海の近くの屋外構造物) には適していますが、浸漬海水使用では、特に高温または停滞した状態で、ガスケット付きフランジ、ボルト留め継手、および堆積物の下で隙間腐食が発生しやすくなります。海水処理システム、海水を使用する熱交換器、および埋没海洋構造物では、通常、適切な隙間腐食耐性を提供するために、デュプレックス 2205 またはスーパー デュプレックス 2507 が指定されます。特定のグレードは、予想される海水温、流れの状態、亀裂の激しさに基づいて選択する必要があります。

5. ステンレス鋼製機器の隙間腐食はどのようにして防ぐことができますか?
防止策は、設計と材料の選択を組み合わせたものです。フランジの代わりに突合せ溶接接続によって不必要な隙間を排除し、完全に排水できるように設計し、非吸収性ガスケット材料を選択し、プロセス流体と接触するねじ接続を避け、隙間が避けられない場合には、隙間条件に対して十分な耐食性を備えたグレードを選択します (通常、耐孔食性のみで選択されるよりも 1 つ高い PREN レベル)。溶接後の酸洗いと不動態化、および堆積物を除去するための定期的な洗浄により、リスクがさらに軽減されます。

6. 表面仕上げは耐孔食性および耐すきま腐食性に影響しますか?
表面仕上げは合金の化学的性質を変化させないため、PREN ベースの固有の耐食性も変化しません。ただし、表面粗さは局所的な腐食の開始に影響を与える可能性があります。より粗い表面 (No.1、粗研磨) は、より滑らかな表面 (2B、BA、研磨) よりも多くの堆積物を保持し、より多くの開始場所を提供します。溶接熱の色合いと製造による表面汚染は、ミル仕上げの指定よりもはるかに重要な要素です。製造後の酸洗と不動態化は、開始時の表面仕上げに関係なく、耐食性を確保するための重要な表面処理です。

7. 304 ステンレス鋼は屋外での使用に適していますか?
304/304L は、塩化物への曝露が少ない田舎、都市、穏やかな工業環境での屋外使用に適しています。沿岸環境 (海から数キロメートル以内)、除氷塩にさらされる地域、または浮遊塩化物を含む化学物質が存在する工業環境にはお勧めできません。これらの環境では、316L を指定する必要があります。特定の場所の大気腐食性カテゴリ (ISO 9223) は、304L と 316L の間の選択のガイドとなります。

8. モリブデンがステンレス鋼の耐食性にとって重要なのはなぜですか?
モリブデン (Mo) は、不動態酸化クロム皮膜を安定化し、塩化物イオンによる破壊に対する耐性を向上させ、耐孔食性および隙間腐食性を直接高めます。 PREN の配合では、モリブデンの重要な効果を反映して、モリブデンの割合は 3.3 倍とされています。これが、316L (約 2% Mo を含む) が 304L (意図的な Mo 添加なし) よりも目に見えて優れた耐塩化物性を備えている理由であり、モリブデン含有量が高い二相および超二相グレードが塩化物誘発の局所腐食に対して徐々に高い耐性を提供する理由です。

9. 孔食や隙間腐食のリスクを高める製造方法は何ですか?
製造に関連した最も重大な腐食リスクは、溶接熱による色合いを除去できないことです。溶接部に隣接する着色酸化物の下には、孔食や隙間腐食が発生しやすいクロム欠損層があります。その他の高リスク行為としては、ステンレス表面に鉄粒子を埋め込む炭素鋼工具の使用（錆の発生箇所の形成）、製造後の不動態化の失敗、研削または機械加工による表面汚染の放置、ボルトまたはガスケット接合部の取り付け不良による隙間の形成などが挙げられます。製造後の酸洗いと不動態化は、腐食環境で使用されるステンレス鋼機器の標準要件として指定する必要があります。

10. ステンレス鋼が腐食用途に指定されている場合、購入者は MTC で何を確認する必要がありますか?
指定されたグレードの組成範囲に対してクロム、モリブデン、窒素の含有量を確認します。 316L を注文する場合は、モリブデン含有量が指定範囲 (通常 2.0 ～ 3.0%) 内であることを確認してください。二相および超二相グレードの場合は、すべての主要元素 (Cr、Mo、N、Ni) がグレード要件を満たしていることを確認してください。 PREN は MTC 値から計算して、供給されたままの組成物が予想される耐孔食性レベルを満たしていることを確認できます。重大な腐食サービスの場合、境界線の使用条件で保証される場合は、グレード範囲内の最小モリブデン含有量を指定することを検討してください。