様々な環境における腐食 ― 金属および鋼の環境腐食

環境腐食とは、大気、海水、淡水、土壌、塩化物、酸性、アルカリ性環境などの環境条件の影響下で発生する金属および合金の劣化プロセスを指します。金属腐食は、材料の種類だけでなく、その材料が使用される環境にも左右されます。同じ鋼種でも、穏やかな大気条件下では長年にわたって高い耐性を維持できますが、塩化物、酸、高温、または堆積物を含む環境では、激しい局部腐食または全面腐食が発生する可能性があります。腐食環境は、ステンレス鋼の不動態皮膜の安定性、電気化学反応の速度、孔食、隙間腐食、ガルバニック腐食、微生物腐食（MIC）、および応力腐食割れ（SCC）の発生可能性など、さまざまな要因を決定します。したがって、適切な材料を選択するには、鋼種とその化学組成だけでなく、実際の使用条件も分析する必要があります。

腐食環境と腐食メカニズム

海洋腐食、大気腐食、土壌腐食、水中腐食などの用語は主に 腐食環境これらは、孔食、隙間腐食、ガルバニック腐食、粒界腐食といった破壊のメカニズムや形態と混同してはならない。
単一の環境下では、複数の腐食メカニズムが共存する可能性がある。例えば、海水中の塩化物イオンはステンレス鋼の孔食や隙間腐食を促進し、異種金属の接触はガルバニック腐食を引き起こし、バイオフィルムは微生物腐食（MIC）の発生に寄与し、応力、温度、塩化物環境の適切な組み合わせは応力腐食割れ（SCC）を引き起こす可能性がある。

海洋環境における腐食

海洋環境は、多くの構造材料にとって最も過酷な使用環境の一つです。海水には多量の塩化物が含まれており、これがステンレス鋼の不動態皮膜を不安定化させ、孔食や隙間腐食の発生を促進する可能性があります。

しかし、海洋構造物全体で腐食条件は均一ではありません。水中に常時浸漬されている材料は、潮間帯や飛沫帯、沿岸大気中では異なる挙動を示します。温度、流速、酸素濃度、バイオフィルム、堆積物、および他の金属との接触も影響を与えます。
より要求の厳しい海洋用途では、標準的なオーステナイト鋼、二相鋼、超二相鋼の代わりに、6Mo型の高合金オーステナイト鋼と適切に選定されたニッケル合金が使用される。

Korozja atmosferyczna

大気腐食は、大気にさらされた金属表面とその表面に形成される水分層で発生する。腐食の進行度は、主に表面の湿潤時間、湿度、温度、および塩分や汚染物質の存在によって左右される。
汚染レベルの低い田園地帯の大気は、一般的に工業地帯や沿岸部の大気よりもずっと穏やかである。海辺では塩水噴霧が塩化物をもたらし、工業地帯では硫黄化合物やその他の汚染物質がさらに影響を与える可能性がある。
埃、塩分、その他の汚染物質は水分を保持し、腐食しやすい局所的な環境を作り出す可能性があります。そのため、表面の状態、自然な洗浄を可能にする設計、そして定期的な清掃は、部品の耐久性に大きな影響を与えます。

地盤腐食

地盤は非常に複雑で不均質な環境である。地下構造物の腐食は、湿度、土壌の化学組成、塩化物および硫酸塩含有量、pH、電気伝導率、酸素供給量、微生物活動、迷走電流の存在といった要因によって影響を受ける。
土壌の不均一性は、同一構成要素の表面における電気化学的条件の局所的な差異を引き起こす可能性がある。特に、パイプライン、タンク、地下構造物、および異なる土壌タイプの境界点には注意を払う必要がある。
埋設構造物の場合、材料の選定は保護対策の要素の一つに過ぎません。構造物や環境条件に応じて、適切なコーティング、陰極防食、迷走電流制御なども用いられます。

淡水および工業用水における腐食

「水」という言葉は、単一の腐食性環境を指すものではありません。飲料水、河川水、井戸水、冷却水、ボイラー水、工業用水などは、化学組成や腐食性が大きく異なる場合があります。
最も重要なパラメータとしては、塩化物含有量、pH、温度、酸素濃度、硬度、導電率、沈殿物の存在、および阻害剤、殺生物剤、その他の技術的添加剤の存在が挙げられます。流量条件も重要です。停滞は沈殿物、バイオフィルムの形成、および局所的な酸素濃度の差を促進する可能性があり、一方、特定の条件下での非常に高い流量は、浸食および侵食腐食のリスクを高める可能性があります。
ステンレス鋼の場合、塩化物には特に注意を払う必要があります。塩化物の濃度と温度が上昇するにつれて、局部腐食のリスクが高まり、孔食や隙間腐食に対する材料の耐性、およびPREN、CPT、CCTなどのパラメータがますます重要になります。

塩化物環境における腐食

塩化物は、ステンレス鋼の使用を制限する最も重要な要因の一つです。塩化物は、不動態皮膜を局所的に不安定化させ、孔食や隙間腐食の発生を引き起こす可能性があります。また、適切な条件下では、応力腐食割れ（SCC）の原因となることもあります。
リスクは塩化物濃度のみに基づいて評価することはできません。温度、pH、電気化学ポテンシャル、隙間や堆積物の存在、表面状態など、すべてが重要な要素となります。したがって、特定の生物種に対する許容塩化物濃度は、あらゆる条件下で適用できる単一の普遍的な値ではありません。
塩化物環境におけるステンレス鋼の局部腐食耐性は、主にクロム、モリブデン、窒素の適切な含有量によって向上する。PREN指数は初期材料比較に用いられ、局部腐食開始に対する実験室での耐性は、CPTおよびCCTを用いてさらに評価することができる。

酸性環境における腐食

酸性環境下では、材料の不動態皮膜が所定の条件下で安定していない場合、激しい全面腐食が発生する可能性があります。しかし、普遍的な「耐酸性」というものは存在しません。材料の挙動は、酸の種類、濃度、温度、酸素やその他の酸化剤の存在、塩化物イオンなどの汚染物質によって異なります。
硫酸、塩酸、リン酸、硝酸、酢酸、ギ酸はそれぞれ異なる腐食環境を作り出します。ある酸に対して高い耐性を持つ材料が、別の酸に対しても同様の耐性を示すとは限りません。塩酸は酸性環境と高い塩化物活性を併せ持つため、多くのステンレス鋼に対して特に腐食性が高いです。
酸性環境で使用する材料を選定する際には、材料、酸、濃度、温度、汚染物質といった特定のシステムを考慮する必要があります。実際には、等腐食線図などが、対象媒体の温度と濃度に応じた腐食速度を決定するために使用されます。

アルカリ環境における腐食

多くのステンレス鋼は中程度のアルカリ環境に対して良好な耐性を示すが、高濃度のアルカリ、特に高温下では腐食性が高い。アルカリの種類、濃度、温度、および不純物の存在は重要な要素となる。

一例として、多くの化学プロセスで使用される水酸化ナトリウム（NaOH）が挙げられます。濃度と温度によっては、不適切な材料を選択すると、腐食が加速したり、特定の種類の応力腐食割れが発生したりする可能性があります。酸性環境の場合と同様に、耐性評価は単に「アルカリ性環境」という用語ではなく、具体的なプロセス条件に基づいて行う必要があります。

ガスおよび排気ガス中の腐食

ガス環境や排気ガスは、水分や凝縮水が存在する場合、また高温下において、金属の腐食を引き起こす可能性があります。環境の腐食性は、温度、水蒸気、酸素、硫黄化合物、塩素、その他のガス成分の含有量、および金属表面への凝縮の可能性といった要因によって決まります。表面温度が露点以下に低下し、溶解した燃焼生成物を含む凝縮水が形成される領域は、特に危険です。状況によっては、全面腐食、局部腐食、凝縮腐食、高温腐食が発生する可能性があります。材料選定においては、ガス組成、動作温度、および部品の表面温度のすべてを考慮する必要があります。

下水および下水道システムの腐食

下水および下水処理システムは、塩化物、硫酸塩、硫化物、有機化合物、変動するpH、堆積物、微生物が共存する複雑な腐食環境を作り出します。特に重要なのは、嫌気性条件下での微生物腐食（MIC）および硫化水素（H₂S）の生成の可能性です。下水の上部空間では、H₂Sが生物学的プロセスによって酸化され、非常に酸性の強い環境を作り出す化合物が生成されます。これは、下水処理施設のコンクリートおよび金属部品にとって特に深刻な問題となります。停滞した媒体、堆積物、バイオフィルム、および酸素濃度の差は、局所的な腐食をさらに促進する可能性があります。材料の選定にあたっては、実際の廃水組成、温度、pH、塩化物、硫黄化合物、流量条件、および微生物活性を考慮する必要があります。

化学・石油化学環境における腐食

化学プラントや石油化学プラントは、最も多様な腐食環境の一つです。材料は、酸、塩基、塩化物、硫化水素（H₂S）、二酸化炭素（CO₂）、硫黄化合物、溶剤、プロセス水、および様々な化学物質の混合物と接触する可能性があります。これらの環境は、全面腐食、局部腐食、応力腐食割れ（SCC）、堆積物下腐食、およびその他のプロセス依存的なメカニズムを引き起こす可能性があります。材料の耐食性は、媒体の化学組成だけでなく、その濃度、温度、圧力、水分含有量、流量、汚染物質、および構造内部の応力によっても決定されます。より腐食性の高い環境では、標準的なステンレス鋼に加えて、二相ステンレス鋼、超二相ステンレス鋼、高合金オーステナイト鋼、および適切に選択されたニッケル合金が使用されます。「化学環境」や「石油化学」といった一般的な用語では腐食リスクを一概に評価できないため、材料の選択は常に実際のプロセス条件に基づいて行う必要があります。

環境の攻撃性を決定する最も重要な要因

環境の種類に関わらず、腐食プロセスの進行に特に強い影響を与えるパラメータがいくつかあります。

• temperatura – 温度の上昇は電気化学反応を加速させ、局所腐食に対する耐性を低下させる可能性がある。
• pH – 不動態層の安定性および電気化学反応の進行に影響を与える。
• 塩化物およびその他のハロゲン化物 ステンレス鋼の局部腐食を引き起こす最も重要な要因の一つであり、
• 酸素およびその他の酸化剤 – 電気化学ポテンシャルと不動態層を維持する能力に影響を与える、
• 中流量 – 物質移動を改善する可能性があるが、高速で粒子が存在する場合は侵食腐食のリスクも高まる可能性がある。
• 堆積物と亀裂 – 主媒体とは異なる局所的な環境を作り出し、隙間腐食を促進する。
• 微生物 – バイオフィルムと微生物活動は、局所的な電気化学的条件とMICの発達に影響を与える可能性があります。
• 異なる金属の接触 電解質が存在すると、ガルバニ電池の形成につながる可能性があります。
• ストレス 特定の環境と組み合わせると、応力腐食割れ（SCC）を引き起こす可能性があります。

腐食環境における材料選定

あらゆる環境に最適なステンレス鋼のグレードは存在しません。一般的な304Lおよび316Lステンレス鋼は幅広い用途に適していますが、高温の塩化物環境、海水、強酸、または隙間腐食が特に発生しやすい構造物では、耐性が不十分な場合があります。

環境の過酷性が高まるにつれ、904Lなどの高合金鋼、二相ステンレス鋼や超二相ステンレス鋼、1.4547や1.4529などの6Moオーステナイト鋼、そして適切に選定されたニッケル合金が使用されるようになっている。しかし、合金化度が高いからといって、あらゆる環境において最適な材料となるわけではない。

選定にあたっては、媒体の化学組成、温度、pH、塩化物濃度、流動条件、亀裂や堆積物の有無、応力、建設技術、および予想される運転時間を考慮する必要がある。

環境と材料は一緒に分析する必要がある

耐食性は、「耐食鋼」といった単一の用語で適切に表現できる特性ではありません。材料は、特定の環境や使用条件に応じて、耐食性または耐食性を示すものです。

したがって、設備を設計する際には、材料、環境、温度、設計、施工方法、運転条件といったシステム全体を分析する必要があります。このアプローチによってのみ、腐食リスクを適切に評価し、必要な耐久性を備えた材料を選択することが可能になります。

様々な環境における金属の腐食

腐食環境の種類ごとに個別の分析が必要です。以下の論文では、以下の条件下における腐食メカニズム、リスク要因、および材料選定の原則について詳細に説明しています。

海洋腐食 – 海水中での鋼鉄および金属の腐食
Korozja atmosferyczna
地盤腐食
淡水および工業用水における腐食
塩化物環境における腐食
酸性環境における腐食
アルカリ環境における腐食
ガスおよび排気ガス中の腐食
下水および下水道システムの腐食
化学・石油化学環境における腐食

使用環境は、金属および合金の耐久性を決定する基本的な要因の一つです。大気、土壌、海水、工業用水、塩化物、酸、塩基などは、それぞれ全く異なる腐食条件を作り出し、異なる材料劣化メカニズムを引き起こす可能性があります。
したがって、材料の種類に関する知識だけでは、その耐久性を評価するには不十分です。適切な選定には、実際の使用条件を把握し、発生しうる腐食メカニズムを特定する必要があります。材料と環境に関する知識を組み合わせることによってのみ、構造物の耐食性を適切に評価することが可能になります。

鋼材および金属の腐食の種類

腐食は、材料、環境、運転条件によって、さまざまなメカニズムで発生する可能性があります。その他の腐食の種類については、以下を参照してください。
鋼材および金属の均一腐食
ステンレス鋼の孔食
ステンレス鋼の隙間腐食
ステンレス鋼の粒界腐食
応力腐食割れ（SCC）
ガルバニック腐食
浸食腐食
キャビテーション腐食
腐食疲労
フレッティング腐食
微生物腐食 MIC
高温腐食

関連トピック

CPT – ステンレス鋼およびニッケル合金の臨界孔食温度
PREN – ステンレス鋼の孔食耐性指数
CCT – ステンレス鋼およびニッケル合金の臨界隙間腐食温度