破断したAlloy 400パイプの分析：海洋用コンデンサー用途における一般的な損傷モード

破断したAlloy 400パイプの分析：海洋用コンデンサー用途における一般的な損傷モード

海洋用コンデンサシステムにおけるアロイ400（モンエル400）パイプの漏洩または損傷は、単なるメンテナンス上の問題にとどまらず、診断の手がかりとなります。このニッケル・銅合金は海水中の一般的な耐食性および優れた機械的特性からよく選ばれますが、コンデンサ用途での性能には明確な限界があります。なぜ損傷するのかを理解することは、修理・交換・再仕様設定のいずれを行うかを判断する上で極めて重要です。

このような環境下でのアロイ400の損傷は、均一腐食に起因することはめったにありません。むしろ局所的かつ激しく、特定の環境条件や設計上の欠陥に起因する場合が典型的です。

主な損傷モード：メカニズムとその証拠

1. 停滞状態／堆積物下における点食および隙間腐食

• メカニズム： Alloy 400は保護的な不動態皮膜に依存しています。塩化物、低酸素、酸性条件が堆積物（泥、生物汚損、腐食生成物）下またはすきま（ガスケット下、チューブシート部など）内で重なると、この皮膜が局所的に破壊されます。これにより非常に激しいピット腐食が発生します。

• 特徴的な兆候： 沈殿物がたまりやすいチューブの下半分や支持点に見られる孤立した深さのあるピット。すきま腐食はガスケット接触面やチューブとチューブシート接合部で明確に局在しており、周囲の金属はほとんど影響を受けていないように見えることがあります。

• 根本原因： システムの洗浄頻度が低い、ろ過が不十分、流速が低くて沈降を許してしまう、または生物汚損防止対策が不十分であることが原因です。

2. 汚染水または通気水中における応力腐食割れ（SCC）

• メカニズム： Alloy 400は以下の条件下でSCCに対して感受性があります。 両方 引張応力（曲げ・溶接による残留応力または運転中の応力）および特定の腐食因子が存在する場合。海洋環境において特に重要な因子は次のとおりです。

  • 硫化水素（H₂S）： 汚染された港湾や生物的に活性の高い無酸素沈殿物で一般的です。

  • 遊離アンモニア (NH₃): 特定のプロセス凝縮水ストリームや生物学的活動から存在する場合があります。

  • 亜水銀塩: あまり見られないが強力な原因物質です。

• 特徴的な兆候： 細かく分岐した割れ目で、しばしば粒界に沿って生じます。割れ目は通常、応力が最も高くなる部分や既存のピッティング部位から発生します。破損は脆性的に見え、延性変形はほとんどありません。

• 根本原因： これらの汚染物質を含む水に対して不適切な材料選定を行い、さらに製造による残留応力が除去されていないこと。

3. 高流速または乱流部位における侵食腐食

• メカニズム： 保護皮膜が高流速、乱流、またはスラリーを含む水によって機械的に剥離されます。これは特に以下の箇所で顕著です:

  • パイプの曲がり部やエルボ部。

  • コンデンサチューブの入口端（衝撃腐食）。

  • 流量制御バルブまたは部分的に閉じられたバルブの下流側。

• 特徴的な兆候： 光沢があり、溝状または波打った特徴的な外観で、流れの方向に沿ったパターンを示すことが多い。壁は薄く滑らかになるが、ピット腐食のようなギザギザした形状とは異なる。

• 根本原因： 合金400の推奨流速（清浄な海水では一般的に約5～6フィート/秒が閾値）を超えるシステム設計、または混入した固体物（砂、キャビテーション気泡）が予期せず存在すること。

4. 異種金属接触腐食

• メカニズム： 合金400は炭素鋼やアルミニウムなどの多くの一般的な工学材料よりも陰極的（より貴）である。これらの材料と導電性の海水電解質中で直接接続された場合、それらの腐食が促進される。逆に、チタンや黒鉛などより貴な材料と接続された場合には、合金400が陽極となり腐食する可能性がある。

• 特徴的な兆候： 接合部における貴さの低い金属の重度の局所的腐食（例えば、炭素鋼製パイプサポートがAlloy 400製パイプに接触している部分で崩壊している状態）。Alloy 400がアノードである場合、接続部付近で加速的な板厚減少が生じる。

• 根本原因： 異種材料システムにおいて適切な電気的絶縁（絶縁フランジ、ガスケット、スリーブ）が施されていないこと。

フォレンジック分析と意思決定の手順

故障に直面した場合には、体系的なアプローチが重要である：

1. 外観およびマクロ的検査： 位置、腐食パターン（一般的か局所的か）、溶接部、狭隘部、または流動パターンとの関連性を記録する。

2. 環境のレビュー： 水質化学成分を分析する。清浄な海水の仕様だけでなく、実際の使用条件を確認すること。汚染物質（H₂S、NH₃）、酸素含有量、pH、沈殿物の量を検査する。流速データおよび運転サイクル（頻繁な停止・再始動は堆積物下腐食を促進する）を確認する。

3. 材料の確認： 合金が実際にAlloy 400であることを確認してください（PMI：陽性材料識別を使用）。適切な熱処理もチェックしてください。応力除去の実施状況について、製造記録を確認してください。

4. 顕微鏡的分析： 金属組織学を用いて、マイクロレベルでの損傷モード（点食、SCC亀裂進展経路、浸食パターン）を確認します。

対策と再設計：損傷原因からの脱却

分析結果に基づき、是正措置を決定します。

• 点食／隙間腐食の場合： ろ過装置の性能向上、定期的な洗浄手順の導入、流速の均一化を確保し、重要部位ではより隙間腐食に強い合金へのアップグレードを検討します。 合金625 重要部位向け。

• 応力腐食割れ（SCC）の場合： 可能であれば腐食環境因子を排除するか、または すべての製造されたAlloy 400部品に対して完全な応力除去焼鈍を義務付ける 汚染された水域での新仕様については、SCC耐性合金（例： Alloy 825または625 .

• 浸食腐食対策： 流速を低下させ、乱流を生じる形状を排除する設計変更を行うか、より硬く浸食に強い材料を指定してください。 合金 K-500 （400の析出硬化版）がここでは時折使用される。

• 異種金属腐食対策： 適切な絶縁を施すか、より電気化学的に適合した材料系に切り替えてください。

結論：用途選定の失敗であり、必ずしも材料そのものの問題ではない

Alloy 400は普遍的に悪い選択肢ではない。それはあくまで 文脈に依存する 一つの例として、海洋用コンデンサでのその故障は、しばしば使用条件が汚染された環境、滞留状態、高流速、または不十分な絶縁といった適用範囲外の条件下に逸脱していることを示している。

エンジニアや運転担当者にとっての教訓は明確である：アロイ400は、積極的な環境管理と細心の fabrication プラクティスを必要とする。こうした管理が保証できない場合、あるいは繰り返し発生する故障のトラブルシューティングを行う場合には、より堅牢で特定の用途に特化した合金へ仕様を変更することが、長期的には最も費用対効果の高い解決策となることが多い。初期段階で高品位な材料への投資を行うことは、停止時間の排除、メンテナンスの低減、およびシステムの完全性の保証を通じて、多くの場合、元が取れるものとなる。