化学工業装置の腐食問題と防食対策

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化学工業用機器が腐食を受けると、その色や外観、基本的な性能に変化が生じ、機器の使用寿命が短くなるだけでなく、化学企業の製品生産や資源節約、コスト管理にも悪影響を及ぼし、深刻な安全上や環境上の事故を引き起こす可能性さえあります。化学工業用機器の一般的な腐食とその原因、腐食対策にはどのようなものがあるか？ぜひご覧ください。 化学工業装置の腐食の分類 腐食は材料の種類によって、金属腐食と非金属腐食に分けられる。 腐食は表面形状によって全面腐食と局部腐食に分けられる；局部腐食には、ピット腐食、応力腐食割れ、隙間腐食、電気化学腐食、摩耗腐食などがある。 金属の腐食は、そのメカニズムによって物理的腐食、化学的腐食、電気化学的腐食などに分けられる。 物理的腐食：材料が単なる物理的作用によって破壊されることで、一般的には溶解や浸透が原因となります。例えば、溶融した金属製の容器が溶解したり、高温の融塩や融アルカリが容器を溶解・浸透させたりすることです。 化学腐食：金属と非電解質が直接化学反応を起こして生じる損傷で、腐食過程において電流は発生しない。腐食過程は純粋な酸化還元反応であり、腐食媒体が金属表面の原子と直接衝突して腐食生成物を形成する。この反応では電流は発生せず、化学反応速度論の法則に従う。 電気化学的腐食：金属が電解質溶液と電気化学的反応を起こすことによって生じる損傷。反応過程において、陽極は電子を失い、陰極は電子を得るとともに電子の流れ（電流）が生じ、その経過は電気化学動力学の法則に従う。 化学工業装置の腐食原因とその規則性 化学工業の生産過程には、酸、アルカリ、塩、水、酸素など、多くの腐食性物質が存在し、生成される。これらが腐食が発生する最も主要な原因である。 媒体の種類、化学組成、濃度、pH値、不純物、水分、酸素含有量は、腐食を引き起こす外的要因です。媒体の流速が速いほど腐食しやすくなる。なぜなら、流動する過程で媒体が保護膜を洗い流し、渦や乱流、気泡を発生させ、深刻な衝撃摩耗や気泡腐食を引き起こすからである。 材料選定が不適切で、装置の表面が腐食性物質に触れ、かつ装置自体が耐腐食性を持たない場合、表面腐食が発生します。表面が粗いほど腐食しやすく、その症状としては漏れ、早期の摩耗、破壊、異音などがあります。 表面の均一な腐食には、膜が形成されるタイプと膜が形成されないタイプの2種類があり、膜が形成されない腐食は非常に危険で、腐食の進行は一定の速度で起こります。これは主に材料選定の誤りが原因です。成膜腐食において、その不動態膜は通常保護作用を持つが、ステンレス鋼、コバルト、クロム合金など一部の機器で使用される材料では、その表面の不動態膜が端面の摩擦によって容易に破壊され、酸素欠乏状態下では新しい膜が形成されにくくなり、電気二重層腐食が悪化する。 防食対策の欠如や施工品質の低さなどは、腐食破壊の原因となる環境を作り出す。環境が異なれば、選ぶ材料も異なる。機器の製造過程においては、材料選定と環境腐食への配慮を両立させることが難しく、温度や濃度、圧力が異なれば材料も変わり、腐食状況も様々になる。さらに、施工過程での管理が不十分で品質が低いため、腐食問題は避けられない。 運転中の過温度・過圧、装置管理の不備、意識の低さも、腐食破壊が生じる原因の一つです。 通常、媒体の温度が高くなるほど圧力も高くなり、腐食も速くなります。これは腐食が化学反応であるためで、温度が10℃上昇するごとに腐食速度は1～3倍に増加します。温度が上昇すると拡散速度が増し、同時に電解液の抵抗が低下するため、腐食電池の反応が加速される。装置の端面での摩擦が激しく、比圧が高すぎたり、表面の滑らかさが悪かったり、冷却が不十分だったり、表面の潤滑が悪い場合、運転中に発生する摩擦熱によって腐食が進行しやすくなります。 化学工業機器の腐食防止対策 現在の腐食防止技術には、耐食性材料の開発、表面腐食防止技術、電気化学的保護などがある。 1）耐食材料の開発 耐食材料の開発研究は、防食技術の進歩における突破口であり、人類のあらゆる時代の技術進歩は、これと密接に関連している。耐食材料は主に金属材料、高分子材料、無機非金属材料に分類される。 金属および合金材料は構造材料の中核をなし、その中で鋼が主流を占めているが、鋼の耐食性には限界がある。高性能な合金や非鉄金属材料の開発と応用が急速に進展し、局部的な腐食や特殊な環境下での腐食問題をある程度解決している。モリブデン含有量が高い耐食合金、二相ステンレス鋼、高純度フェライト系ステンレス鋼、ニッケル系合金、低合金鋼、チタンおよびチタン合金など。 耐食性非金属材料　現在、国内外の耐食性非金属材料は化学工業の生産において非常に広く利用されている。非金属材料は優れた耐食性を持ち、機械的性質は強化などの方法で補うことができるため、一部の分野では鋼材に代わる傾向にあります。現在開発が進められているものには、耐食性プラスチック、グラスファイバー強化プラスチック、黒鉛、エナメル鋼、エンジニアリングセラミックスなどがあります。 2）表面防食技術 現在の防食対策の中で、表面耐食コーティングと金属表面処理技術にかかる費用は、全防食費用の約87％を占めている。 適切な表面防食技術を採用することは、機器の使用寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減し、機器管理のレベルを向上させるために不可欠な手段です。同時に、表面防食技術を採用することで、**全体の材料の耐食性が向上しました。化学工業や石油化学工業でよく用いられる表面防食技術には、塗装、ライニング、メッキ、浸透処理、そして近年開発されたさまざまな高度な技術があり、その中でも塗装とライニングが最も広く利用されている。 3）耐食塗料 耐食塗料の開発は、常に注目されてきた研究分野であり、化学工業においては、建築物、構造物、装置、貯蔵タンクの内壁および外壁、ならびに給水・給油・送気パイプラインに主に使用される。統計によると、防食コーティングの損傷のうち、基材の表面処理が不適切であるケースが約75％を占めているため、表面処理の品質に重点を置くことが急務である。亜鉛含有塗料、高度防食塗料、耐高温塗料、セラミック系塗料、錆付き塗装用塗料、フッ素樹脂塗料など、将来性のあるいくつかの塗料は、現在国際的に最も注目されている研究対象の塗料です。 4）装置表面工学技術　亜鉛メッキ層の不動態化は非常に活発な分野であり、ここ10年間に登場した低クロムまたは無クロムのカラー不動態処理、ブラック不動態処理、ミリタリーグリーン不動態処理、および強力不動態処理（シリコン樹脂やその他の樹脂を含む複合不動態層）により、亜鉛メッキ層の海洋大気、工業大気環境、さらには工業用水や河川水といった環境における耐食性が**向上する。 化学メッキとは、金属塩と還元剤を同一の溶液中で自己触媒的な酸化還元反応を起こさせ、固体表面に金属のメッキ層を形成する成膜技術です。化学メッキによるニッケルリン合金および三元ニッケル系合金は、電気めっき製品よりも優れた耐食性と多様な選択肢を持ち、現在、国内外で最も急速に発展している表面処理技術の一つです。 スプレー塗装。スプレー塗装とは、炎、プラズマ、アークスプレーを利用して、材料や製品に金属、合金、無機物、有機物からなる耐食性・耐摩耗性のある表面層を形成する加工技術です。 化学熱処理。化学熱処理、特にアルミニウム浸透処理やクロム浸透処理は、ここ10年以上にわたり化学プラントの機器の耐食性向上に広く応用されてきている。 リン酸処理。リン酸処理は塗装の重要な前処理工程として、長年にわたり利用されてきています。過去10年以上にわたり、アルカリ金属三元系の低温または常温リン化によって、リン化技術は質的な進歩を遂げました。 5）電気化学的防食　電気化学的保護とは、外部からの電流を利用して金属（合金を含む）の腐食電位を変化させ、その腐食速度を低下させる防食技術である。電気化学的防食は、カソード防食とアノード防食に分けられる。 電気化学的保護技術は、化学工業における腐食防止分野で広く注目され、活用されており、効果的で経済的かつ実用的な腐食防止手段です。 カソード防食は主に水や土壌中の金属構造物に使用されますが、一般的には装置の構造がシンプルで、腐食性がそれほど強くない環境で用いられる必要があります。カソード防食は、一般的な均一腐食を防ぐだけでなく、一部の材料における点食、粒界腐食、衝撃腐食、選択的腐食なども防ぐことができます。 アノード保護とは、保護したい金属部品を外部の直流電源の正極に接続し、電解液内でその金属部品をある一定の電位までアノード分極させることで、安定した不動態を形成・維持し、アノード溶解を抑制して腐食速度を大幅に低下させ、機器を保護する方法です。アルミニウム化特性のない金属には、アノード保護を適用できない。 主な用途は、硫酸製造における構造物で、炭素鋼製のタンク、各種熱交換器、三酸化硫黄発生装置などです。アンモニア水およびアンモニウム塩溶液内の構造物、炭化塔、アンモニア水タンクなど。 強い酸化性の媒体では、まずアノード保護を採用することを検討する；アノード保護とカソード保護の両方が可能で、その効果に大きな違いがない場合は、カソード保護を優先的に検討すべきである；水素脆化を無視できない場合は、アノード保護を採用する必要がある。