化学プラント設備の腐食と防護について、どれくらい知っていますか？

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経済の発展に伴い、化学製品への需要は絶えず増加しており、ますます多くの生産設備が設計能力を超えて稼働している。そのため、現在、世界中の化学企業にとって、腐食によってプロセス設備が故障し損失が発生するのを防ぐことは、急を要する課題となっている。多くの専門家は、材料の保護と防食対策が、メンテナンスコストを削減し、工場を安全かつ安定して稼働させるための重要な保証であると考えている。 　　腐食による破壊は至る所で見られ、腐食事故も頻繁に発生している。これは、腐食が本来持つ自発的な性質に加えて、人々が腐食の危険性を過小評価し、腐食防止の重要性を十分に理解しておらず、腐食とその防止に関する科学的知識に欠けていること、そして腐食防止対策を講じないか、不適切な対策しか講じていないことが大きな原因である。 　　化学製品を生産する企業では、腐食性のある媒体が一般的に存在しており、化学製造用の機械設備は他の業界の機器よりも深刻な腐食が起こりやすい。産業分野全体で見ても、他の業界と比べて化学製品製造企業の機械設備の腐食速度は通常より速い。そのため、設計、施工、運用時の保護といったあらゆる面から積極的かつ効果的な防食対策を講じ、防食性能を高めて機器の寿命を延ばす必要がある。 現代の化学関連製造分野において、化学工業用機器の耐腐食性を向上させることは、非常に重要な実用的意義を持っている。 一、腐食について　１　腐食の定義　腐食物質は化学的または化学的作用によって消耗され、破壊される。表面的に言えば、腐食とは材料と環境の間で起こる化学的・電気化学的な作用により、材料自体の機能がある程度損なわれることです。化学工業用機械設備が腐食すると、その色合い、外形、機械的性質など、さまざまな面で異なる程度の変化が生じます。これにより化学工業用機械設備が損傷し、エネルギーや資源が大きく無駄になるため、化学工業企業の生産コストに大きな影響が及び、経済的な損失を被ることになります。したがって、積極的かつ効果的な防食対策を講じ、化学工業用機器の防食性能を向上させることは、今日の化学関連製造分野が直面している重要な課題である。2 腐食の分類
腐食：材料が周囲の環境と反応して破壊される現象。 　　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ます。 　　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すことによって生じる損傷。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、化学動力学の法則に従う。 　　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。3 腐食の危険性　化学工業において、金属は設備を製造するための主要な材料であり、強力な腐食性物質や各種の酸・アルカリ・塩類、有機溶剤、腐食性ガスなどと頻繁に接触するために腐食が起こります。腐食は、金属や合金材料に莫大な損失をもたらし、設備の使用寿命に影響を与えるだけでなく、設備の点検周期を短縮させ、非生産時間や修理費用を増加させる；腐食により、設備や配管からの漏れ・滲みがさらに深刻化し、原料や製品が大量に損失する原因となります。これにより製品の品質に影響を与え、環境を汚染し、人間の健康にも害を及ぼします；腐食によって設備が爆発したり火災が発生したりすると、設備が破壊されて生産が停止し、甚大な経済的損失をもたらすだけでなく、人命にも危険が及びます。 二、化学工業装置の防食対策　現在の防食技術には、耐食性材料の開発、表面防食技術、抑制技術、電気化学的保護などがある。 1 耐腐食材料の開発　一般機械装置を製造するための材料のほとんどは通常の炭素鋼であり、その特徴は価格が安く、供給が容易で、加工しやすいことにある。通常の条件下で使用する場合、腐食による影響はそれほど大きくありません。しかし、化学工業のように高濃度の腐食性物質が存在する環境で使用すると、耐腐食性が低いため、容易に腐食によって損傷してしまいます。一般的に使用されるQ235鋼の場合、酸性ガスや塩水噴霧環境下での腐食速度は0.5～1.0mm/年にも達する。各企業では定期的に機器の部品に防食塗装を施しているが、塗膜に傷がついたり部分的に剥がれたりすると、すぐに電気化学的な腐食が発生し、それが拡大していくため、機器の使用寿命が短くなってしまう。そのため、化学工業企業ではこの種の鋼材を機械設備の原材料として使用すべきではない。製造用の基材としては、16MnCuや09MnCuPTiなどの耐食性鋼である一般的な低合金鋼を使用すべきである。この種の鋼材は前者より高価ですが、総合的な経済効果ははるかに高いのです。統計によると、低合金鋼で製造された機器の使用寿命は、通常の炭素鋼で製造された機器の2～3倍であるため、コストパフォーマンスははるかに高いです。 　　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そ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ます。 　　金属および合金材料は構造材料の中核をなし、その中で鋼が主な位置を占めているが、鋼の耐食性には限界がある。高性能な合金および非鉄金属材料の開発と応用が急速に進展し、局所腐食や特殊環境下での腐食問題をある程度解決してきた。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、国内外で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、エンジニアリングセラミックスなどの表面被覆層がある。既存の腐食防止策の中で、表面の耐食コーティングや金属表面処理技術にかかる費用は、全腐食防止費用の約87％を占めている。適切な表面防食技術を採用することは、設備の寿命を延ばし、保守費用を削減し、設備管理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、めっき、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の利用が最も広範囲に及んでいる。 　　2.1 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・外壁、ならびに水道、石油パイプライン、ガスパイプラインに主に使用されている。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。亜鉛富化塗料、高度防食塗料、耐高温塗料、セラミック系塗料、錆あり塗装用塗料、フッ素樹脂塗料など、将来性のあるいくつかの塗料は、現在国際的に最も研究が盛んな塗料です。 　　2.2ライニング技術および複合パイプ　ライニング技術は、強度の高い材料（炭素鋼、グラスファイバー製品、鋳鉄など）を構造材として使用し、耐食性に優れた材料をライニング層として用いるものである。ライニング技術には密着ライニングや緩衝ライニングなどがあり、海外では密着ライニング技術の開発が重視されている。ライニング技術は、化学プラントの設備や配管などでよく使用されます。 　　2.3その他の表面処理技術　電気めっきや化学めっきは、化学的な防食処理として利用されている。電気めっきには、主にクロムめっき、亜鉛めっき、ニッケルめっきがある。亜鉛メッキ層の不動態化は非常に活発な研究分野であり、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川水といった水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溶液内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。 　　スプレー塗装とは、炎、プラズマ、アークを利用して、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、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おいて広く利用されてきています。 　　リン処理 リン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。ここ10余年で、アルカリ金属三元系による低温または常温リン化により、リン化技術が質的に進歩した。 3 電気化学的保護　電気化学的保護とは、外部から電流を流すことによって金属（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す。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、効果的かつ経済的で実用的な腐食防止手段です。 　　陰極防食とは、金属表面に十分な陰極電流を通すことで金属の電位を負にし、金属の溶解速度を減少させる方法である。保護対象となる装置の構造形状は、一般的にあまり複雑であってはならない。構造が複雑な装置では、補助陽極に近い部分では電流密度が高く、補助陽極から離れた部分では電流密度が低くなり、十分な保護電流が得られない。保護作用すら果たさず、いわゆる「遮蔽現象」が生じる。陰極防食は主に水中や土中の金属構造物に用いられますが、一般的には装置の構造が単純で、媒体の腐食性がそれほど強くない環境で使用する必要があります。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腐食、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。 　　陽極保護とは、保護対象の金属部材を外部からの直流電源の正極に接続し、電解質溶液中で金属部材を一定電位まで陽極分極させることで、安定した不動態層を形成・維持させ、それによって陽極溶解が抑制され、腐食速度が大幅に低減し、設備が保護されるという方法である。饨化特性がない金属には、アノード保護を適用することはできない。主な用途は：1.硫酸製造における構造物、例えば炭素鋼製のタンク、各種熱交換器、三酸化硫黄発生装置など。2. 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。 4緩衝剤　　腐食抑制剤とは、ごく低い濃度で、腐食性媒体中における金属の腐食速度を**低下させる物質である。この物質は、化合物であるか、いくつかの化合物から成る複合物質である可能性があります。化学工業分野において、腐食抑制剤は主に産業用冷却水システムの腐食防止や、化学装置・配管・ボイラーなどの化学洗浄（酸洗い）時の腐食防止に使用されます。製造工程における工程上の防食にも、少量使用されている。 　　工業用冷却水システム用の腐食抑制剤　化学製造プロセスにおいては、工業用冷却水の使用量が非常に多く、かつ曝気によって冷却水中に大量の溶存酸素が含まれるため、腐食が深刻になりやすい。腐食によって水質も悪化し、貴重な水資源が消費されるため、腐食防止剤を用いて腐食を防ぐことは、大きな経済的・社会的利益をもたらす。 　　化学洗浄用の防食剤　化学装置、配管、ボイラーなどは、化学的、物理的、または生物的な影響を受けることで、その表面にスケールや錆、油汚れ、生物付着物などの汚れが発生します。これらの汚れを化学的な方法で除去し、元の表面状態に戻すプロセスを化学洗浄と呼びます。 三、結語　　要するに、化学工業企業の生産プロセスにおいて、化学機械は同企業が正常に生産を行うための不可欠な設備であり、化学機械装置が直面する防食問題も、化学関連の生産分野において次第に広く注目されるようになっている。化学工業用機器の耐腐食性を高め、その使用寿命をできるだけ長くし、化学企業の生産コストを可能な限り削減することは、今日の化学関連の製造分野が直面している重要な課題となっています。