バルブの腐食の原因と対策

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腐食はバルブの損傷を引き起こす重要な要因の一つであるため、バルブの使用においては防食保護が最優先で考慮されるべき事項です。腐食とは、さまざまな環境の影響によって材料が損傷し、劣化することです。金属の腐食は主に化学的腐食および局部化学的腐食によって引き起こされ、非金属材料の腐食は一般に直接的な化学的・物理的作用による破壊である。 一、バルブの腐食形態　金属製バルブの腐食には、均一腐食と局部腐食の2つの形態がある。均一腐食の速度は、年間平均腐食率で評価することができる。金属材料、黒鉛、ガラス、セラミックス、コンクリートは、腐食速度の大きさに応じて4つの等級に分けられる。腐食速度が0.05mm/a未満のものは優良、0.05～0.5mm/aのものは良好、0.5～1.5mm/aのものはまだ使用可能、1.5mm/aを超えるものは不適用である。バルブのシール面、バルブステム、ダイアフラム、小さなばねなどの部品には一般的に第1等級の材料が使用され、バルブ本体やバルブカバーなどには第2または第3等級の材料が適している。高圧、劇毒、可燃性、爆発性、放射性の媒体に使用されるバルブには、腐食性が非常に低い材料が選ばれる。 1、均一腐食　　均一腐食は金属の全表面で起こる。ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどが酸化環境下で形成する保護膜のように、膜の下の金属は均一に腐食する。もう一つの現象として、金属表面の腐食による剥離があり、この種の腐食は最も危険です。 2、局部腐食　局部腐食は金属の特定の部分で発生し、その形態には孔食、隙間腐食、粒界腐食、剥離腐食、応力腐食、疲労腐食、選択的腐食、摩耗腐食、気泡腐食、振動摩耗腐食、水素腐食などがある。 点食は通常、不動態膜または保護膜を持つ金属に発生し、金属表面の欠陥や溶液中に存在する不動態膜を破壊する活性イオンによって不動態膜が局部的に破壊され、金属内部へと侵入して腐食孔となる。これは金属にとって最も破壊的で潜在的な危険性が高い腐食形態の一つである。 隙間腐食は、溶接部、リベット接合部、ガスケットの下、または沈着物の下などの環境で発生し、それは孔食の一種の特殊な形態である。防止方法は隙間をなくすことです。 粒間腐食とは、表面から結晶境界に沿って金属の内部へと進行し、結晶境界が網目状に腐食する現象です。粒間腐食が発生するのは、粒界に不純物が析出することに加え、主に熱処理や冷間加工が不適切であることが原因です。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の両側にはクロム欠乏域が生じやすく、腐食を受けやすい。オーステナイト系ステンレス鋼の粒間腐食は、よく見られるかつ最も危険な腐食形態です。オーステナイト系ステンレス鋼製バルブに粒界腐食が発生するのを防ぐ方法としては、「固溶化焼入れ」処理、すなわち約1100℃まで加熱して水中で急冷すること、またチタンとニオブを含み炭素含有量が0.03％以下のオーステナイト系ステンレス鋼を選用し、炭化クロムの生成を抑えることが挙げられる。 剥離腐食は層状構造において発生し、まず腐食が垂直方向に内部へ進行し、その後表面に平行な物質が腐食される。腐食生成物の膨張力によって、表面が層状に剥がれ落ちる。 応力腐食とは、腐食と引張応力が同時に作用することで生じる破壊です。応力腐食を防ぐ方法；熱処理によって溶接や冷間加工によって生じる応力を除去または低減し、不合理なバルブ構造を改善して応力集中を避け、電気化学的保護や防食塗料の塗布を行う。腐食抑制剤の添加や圧縮応力の付与などの措置。 腐食疲労は、交番応力腐食の相互作用が生じる部位で発生し、金属を破壊します。熱処理によって応力を除去または低減したり、表面にサンドブラスト処理や電気めっき（亜鉛、クロム、ニッケルなど）を施したりすることができるが、めっき層に引張応力や水素の拡散が生じないように注意する必要がある。 選択的腐食は、異なる成分や不純物を含む材料において、特定の環境下で一部の元素が腐食して溶出し、残った腐食しなかった元素がスポンジ状になる現象です。よく見られるのは、真鍮の亜鉛除去、銅合金のアルミニウム除去、鋳鉄の黒鉛化などです。 摩耗腐食は、流体による金属の摩耗と腐食が交互に作用して生じる腐食形態であり、バルブによく見られる腐食の一種で、主にシール面で発生します。防止方法：耐腐食性と耐摩耗性に優れた材料を使用し、構造設計を改善し、カソード防食などを採用する。 キャビテーション腐食は、エアエロージョンとも呼ばれ、摩耗腐食の特殊な形態です。それは流体中に発生する気泡で、破裂する際に生じる衝撃波の圧力は400気圧にも達し、金属の保護膜を破壊し、さらには金属粒子を引き裂くことさえある。そして再び腐食して膜を形成し、このプロセスが繰り返されることで金属が腐食していく。気泡腐食を防ぐ方法としては、気泡腐食に耐える材料の使用、高い表面粗さを持つ加工面、弾性保護層、およびカソード保護などが挙げられます。 摩耗腐食とは、互いに接触している2つの部品が同時に荷重を受け、振動や滑りによって接触面が損傷することです。摩耗振動腐食は、ボルト接続部、バルブシャフトと閉止部品の接続部、ボールベアリングと軸との間などで発生します。潤滑剤を塗布して摩擦を減らしたり、表面にリン酸処理を施したり、超硬合金を使用したり、スプレーウェーリング処理や冷間加工によって表面の硬度を高める方法で保護することができる。　　腐食とは、化学反応によって生成された水素原子が金属内部に拡散し、それによって引き起こされる損傷であり、その形態には水素気泡、水素脆性、水素侵食がある。 高強度鋼および非金属を含む鋼は、水素による気泡発生が起きやすい。石油に硫化物や水素化物が含まれていると、水素の気泡が発生しやすくなります。気孔のある沸騰鋼の代わりに気孔のない鎮静鋼を使用し、ゴムやプラスチックで保護するとともに、防食剤などを加えることで気泡の発生を防ぐことができる。 高強度鋼では格子が著しく変形し、水素原子が侵入すると格子間隔がさらに広がり、機械的脆性を引き起こす。ニッケルと鉛を含む合金鋼を使用し、水素脆性が大きい高強度鋼の使用は避けるべきであり、溶接、電着、酸洗いの際には水素脆性の発生を避けるか、または減少させる必要がある。高温・高圧下で水素が金属内部に侵入し、ある元素と化学反応を起こして金属を破壊する現象を、水素腐食と呼ぶ。オーステナイトステンレスは高温水素腐食に完全に耐える。 3、非金属の腐食　非金属の腐食は金属の腐食と同様であり、ほとんどの非金属材料は非導体であるため、一般的に電気化学的な腐食は起こらず、純粋な化学的または物理的な作用による腐食が生じる。これが金属の腐食との主な違いである。非金属の腐食は必ずしも重量減少につながるわけではなく、むしろ重量増加となることが多い。一方、金属の腐食では重量減少が主な特徴である。非金属の腐食の多くは物理的な要因によって引き起こされるが、金属の腐食においては物理的な要因によるものはほとんど見られない。非金属の内部腐食はよく見られる現象だが、金属の腐食では表面腐食が主である。　　金属材料が媒質と接触すると、溶液やガスが徐々に材料の内部に拡散し、非金属に一連の腐食変化を引き起こす。非金属材料の種類や品種によって、その腐食の形態はそれぞれ異なる。腐食の形態には、溶解、膨潤、気泡、軟化、分解、変色、変質、老化、硬化、破断などの現象が現れます。しかし、総合的な観点から見ると、非金属の耐腐食性は金属材料より**著しく優れていますが、非金属材料の強度や耐熱性は金属材料より劣っています。 二、金属バルブの防食対策　電気化学的腐食はさまざまな形態で金属を腐食させる。これは二種類の金属間でのみ起こるわけではなく、溶液の濃度差や酸素の溶解度の差、金属内部組織の微細な違いなどによっても電位差が生じ、腐食が促進される。ある金属は元々耐食性がないが、腐食すると非常に優れた保護膜、すなわち不動態膜を生成し、媒体による腐食を防ぐことができる。このことから、金属製バルブの防食を実現するためには、一つ目として電気化学的腐食を排除すること、二つ目として電気化学的腐食を排除できない場合には金属表面に不動態膜を形成させること、三つ目として電気化学的腐食が起こらない非金属材料を選んで金属材料の代わりに用いることが必要である。ここでは、いくつかの防錆方法を紹介します。 1. 媒質に応じた耐食材料の選定　「バルブの選定」の項目では、バルブによく使用される材料が適した媒質について一般的な説明を行いましたが、実際の製造現場においては、媒質の腐食は非常に複雑です。同じ媒質で使用されるバルブの材料であっても、媒質の濃度や温度、圧力が異なれば、媒質による材料の腐食度も変わってきます。媒体温度が10℃上昇するごとに、腐食速度は約1〜3倍増加する。媒体の濃度はバルブ材料の腐食に大きな影響を与えます。例えば、鉛は濃度が低い硫酸中ではほとんど腐食しませんが、濃度が96％を超えると腐食が急激に進行します。一方、炭素鋼は逆に、硫酸濃度が約50％の時に腐食が最も激しく、濃度が6％以上になると腐食はかえって急激に減少する。アルミニウムが濃度80％以上の濃硝酸中では腐食性が非常に強いが、中・低濃度の硝酸中では逆に腐食が深刻になるのと同じである。ステンレス鋼は希硝酸に対して耐食性が強いものの、95％以上の濃硝酸中では逆に腐食が進行する。　　上記の例からわかるように、バルブの材質を正しく選定するには、具体的な状況に応じて腐食に影響を与えるさまざまな要因を分析し、関連する防食マニュアルに従って材質を選ぶ必要がある。 2、非金属材料の採用　非金属は耐腐食性に優れており、バルブの使用温度と圧力が非金属材料の要求を満たしていれば、腐食問題を解決できるだけでなく、貴金属の節約にもつながる。バルブのバルブボディ、バルブカバー、ライニング、シール面などは、一般的に非金属材料で作られており、ガスケットやパッキンも主に非金属材料で作られている。バルブのライニングにはポリテトラフルオロエチレン、塩化ポリエーテルなどのプラスチックや、天然ゴム、クロロプレンゴム、ナイロンゴムなどのゴムが使用され、バルブ本体やバルブカバーの主体は一般的に鋳鉄や炭素鋼で作られている。バルブの強度を保証すると同時に、腐食からも守ります。クランプバルブも、ゴムの優れた耐腐食性と優良な変形性に基づいて設計されています。現在、ナイロンやポリテトラフルオロエチレンなどのプラスチックがますます多く使用されており、天然ゴムや合成ゴムはさまざまなシール面やシールリングとして、各種バルブに用いられている。これらシール面として使用される非金属材料は、耐腐食性に優れるだけでなく、シール性能も高く、特に粒子を含む媒体の中での使用に適している。もちろん、その強度と耐熱性はどちらも低く、適用範囲は限られている。フレキシブルグラファイトの登場により、非金属が高温領域に進出することとなり、長年解決が難しかった充填剤やガスケットの漏れ問題が解消されただけでなく、優れた高温用潤滑剤としても機能します。 3、スプレー塗装　塗料は最も広く用いられる防食手段であり、バルブ製品においては欠かせない防食材料であり、識別マークとしても機能します。塗料も非金属材料に属し、通常は合成樹脂、ゴムペースト、植物油、溶剤などで調合され、金属表面に塗布されて媒体や大気を遮断し、防食の目的を達成する。塗料は、主に水、塩水、海水、大気など、腐食がそれほど激しくない環境で使用されます。バルブの内部は、水や空気などの媒体による腐食を防ぐために、一般的に防食塗料が塗られている。塗料にはさまざまな色が混ぜられており、ファーンが使用した素材を示している。バルブの塗装は、一般的に半年から1年に1回行われます。 4、腐食抑制剤の添加　腐食性の媒体や腐食生成物に少量の特殊な物質を加えることで、金属の腐食速度を**効果的に遅らせることができます。この特殊な物質を腐食抑制剤と呼びます。　　防食剤が腐食を抑制するメカニズムは、それが電池の分極を促進することにある。防食剤は主に媒体や充填材の部分で使用されます。媒体に腐食抑制剤を加えることで、装置やバルブの腐食を遅らせることができる。例えば、クロムニッケルステンレス鋼は酸素を含まない硫酸中では広い溶解範囲で活性状態となり、腐食が激しいが、少量の硫酸銅や硝酸などの酸化剤を加えることでステンレス鋼を不活性状態に変え、表面に保護膜を形成して媒体による侵食を防ぐ。塩酸中でも、少量の酸化剤を加えることでチタンの腐食を軽減できる。バルブの耐圧試験では、一般的に水が試験媒体として使用されるが、これによりバルブが腐食しやすくなる。水に少量の亜硝酸ナトリウムを加えることで、水によるバルブの腐食を防ぐことができる。アスベストパッキンには塩化物が含まれており、バルブステムを著しく腐食させる。蒸留水で洗浄する方法を用いれば塩化物の含有量を減らすことができるが、この方法は実施が非常に困難であり、一般的に普及させることはできない。エステルは特殊な用途に適している。　非金属は耐腐食性に優れており、バルブの使用温度と圧力が非金属材料の要求を満たしていれば、腐食問題を解決するだけでなく、貴金属の節約にもつながります。バルブのバルブボディ、バルブカバー、ライニング、シール面などは、一般的に非金属材料で作られており、ガスケットやパッキンも主に非金属材料で作られている。バルブのライニングにはポリテトラフルオロエチレン、塩化ポリエーテルなどのプラスチックや、天然ゴム、クロロプレンゴム、ナイロンゴムなどのゴムが使用され、バルブ本体やバルブカバーの主体は一般的に鋳鉄や炭素鋼で作られている。バルブの強度を保証すると同時に、腐食からも守ります。クランプバルブも、ゴムの優れた耐腐食性と優良な変形性に基づいて設計されています。現在、ナイロンやポリテトラフルオロエチレンなどのプラスチックがますます多く使用されており、天然ゴムや合成ゴムはさまざまなシール面やシールリングとして、各種バルブに用いられている。これらシール面として使用される非金属材料は、耐腐食性に優れるだけでなく、シール性能も高く、特に粒子を含む媒体の中での使用に適している。もちろん、その強度と耐熱性はどちらも低く、適用範囲は限られている。フレキシブルグラファイトの登場により、非金属が高温領域に進出することとなり、長年解決が難しかった充填剤やガスケットの漏れ問題が解消されただけでなく、優れた高温用潤滑剤としても機能します。 3、スプレー塗装　塗料は最も広く用いられる防食手段であり、バルブ製品においては欠かせない防食材料であり、識別マークとしても機能します。塗料も非金属材料に属し、通常は合成樹脂、ゴムペースト、植物油、溶剤などで調合され、金属表面に塗布されて媒体や大気を遮断し、防食の目的を達成する。塗料は、主に水、塩水、海水、大気など、腐食がそれほど激しくない環境で使用されます。バルブの内部は、水や空気などの媒体による腐食を防ぐために、一般的に防食塗料が塗られている。塗料にはさまざまな色が混ぜられており、ファーンが使用した素材を示している。バルブの塗装は、一般的に半年から1年に1回行われます。 4、腐食抑制剤の添加　腐食性の媒体や腐食生成物に少量の特殊な物質を加えることで、金属の腐食速度を**効果的に遅らせることができます。この特殊な物質を腐食抑制剤と呼びます。　　防食剤が腐食を抑制するメカニズムは、それが電池の分極を促進することにある。防食剤は主に媒体や充填材の部分で使用されます。媒体に腐食抑制剤を加えることで、装置やバルブの腐食を遅らせることができる。例えば、クロムニッケルステンレス鋼は酸素を含まない硫酸中では広い溶解範囲で活性状態となり、腐食が激しいが、少量の硫酸銅や硝酸などの酸化剤を加えることでステンレス鋼を不活性状態に変え、表面に保護膜を形成して媒体による侵食を防ぐ。塩酸中でも、少量の酸化剤を加えることでチタンの腐食を軽減できる。バルブの耐圧試験では、一般的に水が試験媒体として使用されるが、これによりバルブが腐食しやすくなる。水に少量の亜硝酸ナトリウムを加えることで、水によるバルブの腐食を防ぐことができる。アスベストパッキンには塩化物が含まれており、バルブステムを著しく腐食させる。蒸留水で洗浄する方法を用いれば塩化物の含有量を減らすことができるが、この方法は実施が非常に困難であり、一般的に普及させることはできない。エステルは特殊な用途に適している。バルブシャフトの防食問題は重視されており、豊富な製造経験が蓄積されている。耐食性や耐摩耗性を高めるために、窒化処理、ホウ素浸透処理、クロムメッキ、ニッケルメッキといった表面処理技術がよく用いられる。異なる表面処理は、それぞれ適したバルブシャフトの材質や使用環境に応じて選ばれるべきである。大気や水蒸気が存在する環境で、アスベスト充填剤と接触するバルブシャフトには、ハードクロムメッキやガス窒化処理が適している（ステンレス鋼にはイオン窒化処理は適さない）。硫化水素が存在する環境では、高リンニッケルメッキを施すことで優れた防食性能が得られる。38CrMoAlAはイオン窒化やガス窒化処理を施すことで耐食性を発揮するが、ハードクロムメッキは適していない。2Cr13は調質処理を施すことでアンモニアガスに対する耐食性を持つ。ガス窒化処理を施した炭素鋼もアンモニアガスに耐えられるが、どのリンニッケルメッキもアンモニアガスには耐えられない。ガス窒化処理を施した38CrMoAlA材質は優れた耐食性と総合的な性能を持っており、バルブシャフトとして広く使用されている。　　小口径のバルブ本体やハンドホイールも、耐食性を高め、バルブを装飾するためにクロムメッキが施されることが多い。 7、熱スプレー塗装　熱スプレー塗装はコーティングを形成するための加工方法の一種であり、材料の表面保護における新しい技術の一つとなっている。これは**重点推進プロジェクトです。これは、高エネルギー密度の熱源（ガス燃焼炎、アーク、プラズマアーク、電気加熱、ガス燃焼爆発など）を利用して金属または非金属材料を加熱・溶融させ、霧状にして事前処理済みの基材表面に噴射しコーティング層を形成するか、あるいは同時に基材表面も加熱してコーティング層を基材表面で再び溶融させ、スプレー溶接層による表面強化を行う工程方法である。ほとんどの金属およびその合金、金属酸化物セラミックス、セラミックス複合材料、そして硬質な金属化合物は、1つまたは複数の熱噴射法を用いて、金属または非金属の基材上にコーティングを形成することができる。 サーマルスプレーにより、表面の耐腐食性、耐摩耗性、耐高温性などが向上し、使用寿命が延びます。サーマルスプレーによる特殊機能コーティングは、断熱、絶縁（または異電気）、研削可能なシール性、自己潤滑、熱放射、電磁波遮蔽といった特別な性能を備えており、サーマルスプレーを利用して部品の修理が可能です。 8、腐食環境の制御　　いわゆる環境には広義と狭義の2種類があり、広義の環境とはバルブの取り付け位置周辺の環境およびその内部を流れる媒体のことであり、狭義の環境とはバルブの取り付け位置周辺の条件のことである。ほとんどの環境は制御できず、生産工程も勝手に変更することはできない。製品や工程などに損害を与えない場合に限り、ボイラー水の脱酸や石油精製工程におけるアルカリによるpH値調整など、環境を制御する方法を用いることができる。この観点からすれば、前述の腐食抑制剤の添加や電気化学的保護なども、腐食環境を制御するものにあたる。　 大気中にはほこり、水蒸気、煙霧が満ちており、特に製造現場では、煙突や設備から放出される有毒ガスや微粒子が、バルブをさまざまな程度で腐食させることになります。操作員は、運転手順書の規定に従って、定期的にバルブを洗浄・ブローし、定期的に給油することが、環境腐食を抑制するための有効な措置です。バルブステムに保護カバーを取り付けたり、グラウンドバルブにマンホールを設置したり、バルブの表面に塗料を塗布するなど、これらはすべて腐食性物質がバルブを侵食するのを防ぐ方法です。環境温度の上昇と大気汚染は、特に密閉された環境下の機器やバルブの腐食を促進します。できるだけ開放型の工場を使用するか、換気や冷却対策を講じて、環境による腐食を緩和すべきである。 9、加工工程とバルブの構造形態の改善　バルブの防食対策は設計段階から考慮されるべき事項であり、合理的な構造設計と正しい工程手法を備えたバルブ製品であることが求められる。間違いなく、減速バルブの腐食抑制に良い効果があります。　　したがって、設計・製造部門は、構造設計が不合理で、工程方法が正しくなく、腐食を引き起こしやすい部品について改善を行い、さまざまな運用条件の要求に適合させるべきである。　バルブ接続部の隙間は、酸素濃淡電池腐食に適した環境です。　　したがって、バルブシャフトと閉止部品の接続部には、できるだけリーディングやねじ接続の形態は用いないようにする。バルブの溶接には両面溶接を行い、連続してしっかりと溶接すること。スポット溶接やオーバル溶接では腐食が生じやすいため、バルブのねじ接続部にはポリテトラフルオロエチレン製のテープやガスケットを使用する。良好な密封ができるだけでなく、腐食もします。流れにくい媒体が死角に溜まると、バルブが腐食しやすくなります。バルブの使用時には逆さまにしないようにし、堆積した媒体を排出することに注意するだけでなく、バルブ部品を製造する際には凹みのない構造をできるだけ避け、排液孔を設けるべきです。　　異なる金属が接触すると局部電池が形成され、陽極側の金属の腐食が促進される。材料を選定する際には、金属間の電位差が大きく、かつ不動態膜が形成されないような金属同士の接触を避けるべきである。製造・加工の過程、特に溶接や熱処理において応力腐食が発生するため、加工方法の改善に注意し、溶接後はできるだけアニーリング処理などの適切な防護措置を講じる必要がある。バルブシャフトの加工面の粗さや、その他のバルブ部品の表面粗さを向上させる。表面粗さのレベルが高いほど、耐食性は強くなる。充填材やガスケットの加工工程および構造を改良し、柔軟な黒鉛やプラスチック製の充填材を使用したり、柔軟な黒鉛で作られた貼り付け型ガスケットやポリテトラフルオロエチレンで被覆されたガスケットを使用することで、密封性能が向上し、地下バルブのシャフトやフランジの密封面の腐食が軽減される。