Fe系形状記憶合金管継手は、炭素鋼のアルカリ配管における応力腐食割れを防ぐことができる

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Fe系形状記憶合金製の管継手は、炭素鋼製のアルカリ配管における応力腐食割れを防ぐことができる。1．概要　ある石油化学会社の精製工場では、生産装置に30％～40％の濃度のアルカリ液を供給するためにアルカリ配管が使用されている。この配管の材質は炭素鋼で、接続方法は溶接であり、作業圧力は0.6～0.7Mpa、作業方式は間欠式である。冬季の運転時には、0.3Mpaの圧力を持つ蒸気による加熱が必要である。アルカリ液の温度が高いため、配管の溶接部が割れ、アルカリ液が頻繁に漏れ出し、生産が大変困難になる。同時に漏れ出たアルカリ液が他の配管を腐食させ、毎年の修理費用は莫大であり、この問題は94年前から解決されていない。2．腐食原因の分析 一般の炭素鋼はアルカリ溶液中で、Fe₃O₄またはFe₂O₃を主成分とする表面膜を形成する。同時に、結晶境界部に炭化物や窒化物が析出するため、その部分の表面膜が不安定になり、容易に溶解してしまう。外部応力の作用により結晶境界にき裂が生じ、新たに露出した鉄がFeO2－に選択的に溶解し、応力腐食が発生する。 　　炭素鋼は、NaOH溶液の濃度が5％を超えるすべての濃度範囲でアルカリ脆性が発生する可能性があり、特に30％前後の濃度で最も危険である。アルカリ脆性が発生する最低温度は50℃で、沸点付近の高温域で最も発生しやすい。図1を見てください。 　　配管の使用中、夏季や配管が加熱されていない場合、濃度が30～40％のアルカリ液ではアルカリ脆化は起こらない；一方、冬期に配管が加熱されて温度が50℃を超え、アルカリ濃度が依然として30～40％の場合、アルカリ脆化が発生する。なぜなら、実際のアルカリ配管は加熱されると多くの場合50℃を超えるからである。 　　また、アルカリ溶液は非常に濃縮された状態でなければ、以下の反応によって鉄を溶解させることはありません。
　3Fe+7NaOH→Na3FeO3·2Na2FeO2+7H
　Na3FeO3·2Na2FeO2+4H2O→7NaOH+Fe3O4+H
　7H+H→4H2
　3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
この配管では約10日ごとにアルカリが供給されるため、溶接部にアルカリ液が析出しやすくなります。パイプは一般的に片面溶接で、内壁には未溶着部があり、隙間が存在する。時間が経つにつれてアルカリ液が濃縮され、溶接部に蓄積し、そこが最初に腐食する。さらに、溶接部には金属の不動態膜が存在しなくなり、新鮮な金属表面が露わになることが多い。電気化学的腐食の原理により、その部分の金属表面は常に陽極となり、腐食状態にある。 　　元の配管の接合部は溶接によって作られており、溶接部付近の金属組織は基材のそれよりも結晶粒が大きい。さらに、溶接による組織の不均一性や溶接後に多くの欠陥が存在するため、溶接部と基材金属の表面の機械的性質や化学組成に大きな差が生じる。 　　この配管は、50℃以上の状態で使用と停止を繰り返すと、アルカリ液の濃縮と高温度という二重の影響により、すぐに応力腐食割れが発生し、冬場に配管からの漏れが頻繁に起こる。 3. 材料選定の根拠　いくつかの防食方法を比較した結果、「Fe系形状記憶合金管継手」が最も優れた効果を示した。形状記憶合金の効果とは、材料が変形した後（通常はMs温度以下またはMs付近）、一定以上の温度に加熱すると元の形状に戻ることを指します。形状記憶効果を持つこのような材料は、記憶材料と呼ばれます。 鉄系形状記憶合金を用いた配管接続の原理は図2に示されている。室温で管継手を拡孔変形させると、変形後の管継手の内径は接続される管の外径よりも大きくなるため、接続される管を管継手の中により容易に挿入することができる。その後、管継手を一定の温度（Af以上）まで加熱すると、管継手は元の小口径の形状に戻ろうと収縮し、管をしっかりと締め付ける。接続管を接続する目的を達成する。 鉄系形状記憶合金の継手を用いて配管を接続することで、溶接によって引き起こされる金属組織の変化や、配管の溶接部の応力腐食割れを防ぐことができる。 4．適用効果 この配管は10年以上使用されているが、漏れの発生は見られておらず、この方法を用いれば配管の応力腐食問題を完全に解決でき、かつコストも比較的安いことがわかる。