炭素捕集・貯留（CCS）：新興産業における耐食性ステンレス鋼の役割

炭素回収・貯蔵（CCS）：今後成長が期待される産業における耐腐食性ステンレス鋼の役割

経済からの脱炭素化への競争が、気候技術の最前線に炭素回収・貯蔵（CCS）を押し上げています。その概念は単純明快です。発電所や産業施設といった発生源から二酸化炭素（CO₂）の排出を捕集し、大気中に放出される前に輸送して地下に安全に貯蔵するのです。

しかし、実際の運用は決して簡単ではありません。特にプロセス固有の不純物や水分と混ざった場合、CO₂は非常に腐食性が高くなります。これは材料選定において極めて大きな課題であり、耐腐食性合金、特に高機能ステンレス鋼を正しく選定することは、単なる運用上の細節ではなく、システム全体の実現可能性を左右する要となっています。

本記事ではCCSバリューチェーン内で見られる腐食性環境について分析し、長期的な健全性、安全性、コスト効果を確保するために適切なステンレス鋼種を選定するための実用ガイドを提供しています。

コアチャレンジ：なぜCO₂は非常に腐食性なのか

純粋で乾燥した状態のCO₂は比較的無害です。問題は水と接触したときに始まります。捕集されたCO₂ガスは一般的に効率的な輸送のために超臨界または高密度相流体に圧縮されます。このプロセスでは熱が発生し、多くの場合不純物を100％除去することはできません。

CO₂がごく微量の水（H₂O）と混合すると 炭酸（H₂CO₃）を生成します。 :
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

この酸によりpHが低下し、腐食が始まります。さらに一般的な排ガス中の不純物によって状況は一層深刻になります。

• 硫黄酸化物（SOx） と 窒素酸化物 (NOx) 硫酸および硝酸を生成し、非常に攻撃的な酸性環境を作り出します。

• 塩化物 燃料または空気由来の（不純物）は、甚大な点食や隙間腐食を引き起こす可能性があります。

• 酸素 (O₂) , 少量であっても強力な陰極反応物であり、腐食速度を加速させる可能性があります。

この要因の組み合わせにより、産業用配管や容器で一般的に使用される炭素鋼は、CCSシステムの多くの部分において、腐食防止プログラムが実施されない限り使用に耐えないものとなっています。このような状況において、ステンレス鋼が極めて重要になります。

ステンレス鋼種のCCSバリューチェーンにおける対応関係

材料の選定は、プロセスの特定フェーズやCO₂流の正確な組成に大きく依存します。

1. 回収：もっとも過酷な環境

回収工程では、すべての腐食性不純物（SOx、NOx、塩化物、酸素）の濃度がもっとも高い、未処理の排ガスを処理します。

• 主な用途: 吸収塔、ストリッパー、熱交換器、配管、ポンプ、弁などの機器。

• 腐食の種類： 一般的な酸による腐食、点食、隙間腐食、応力腐食割れ（SCC）など。

• 推奨鋼種：

  • 標準オーステナイト系（304/304L、316/316L）： 不純物が適切に除去される場合や、腐食環境がそれほど過酷でない箇所には適している可能性があります。ただし、塩化物による孔食や応力腐食割れの危険性があるため、採用が難しい場合もあります。

  • 二相ステンレス鋼（例：2205 / UNS S32205/S31803）： 吸収塔の島設備において、頼れるコストパフォーマンスに優れた素材です。ダブルックス鋼の特徴は以下の通りです：

    • 応力腐食割れに優れた耐性を有しています。

    • 高い機械的強度を持ち、肉厚を薄くして重量を節減することが可能です。

    • 孔食および隙間腐食に良好な耐性を示します。特に316Lと比較して優れています。

  • スーパー二相（例：2507 / UNS S32750）およびスーパー オーステナイト系（例：904L / N08904）： より過酷な環境、特に塩化物や酸の含有量が高い環境において、これらのグレードは耐食性が大幅に向上します。

  • ニッケル合金（例：合金625 / N06625）： ポンプの輪盤や圧縮機の刃や 汚染が激しい地域など 重要な高圧部品に使用されます

2. 信頼性 輸送:パイプライン と 圧縮

捕獲後,CO2は乾燥し,超臨界状態まで圧縮されます. 乾燥 は 腐食 性を 軽減 する が,その 過程 は 必ずしも 完璧 で は あり ませ ん.また 乱れ た 状態 に は 湿気 が 入り込ん で いる こと も あり ます.

• 主な用途: 主要トランスミッションパイプライン コンプレッサーのハウシング ステージ間の冷却装置 バルブ

• 腐食の種類： 乱れが水抜きを引き起こす場合,一般的腐食と穴.

• 推奨鋼種：

  • 抑制性のある炭素鋼: 長期間の陸上パイプラインでは 標準的なのが炭素鋼です 厳格で信頼性の高い脱水と腐食抑制剤注射プログラムによる わかった ステンレス材料は重要な部品を 扱うことが多いのです

  • ステンレス鋼の用途:

    • パイプライン被覆: 炭素鋼管の内面を薄い層で被覆すること 316L または ダブル相ステンレス2205 は、高価な合金管のごく一部のコストで腐食防止バリアを提供します。

    • 圧縮システム: ガスを加熱する圧縮機は局所的なホットスポットを生み出す可能性があります。中間冷却器では水が凝縮するリスクがあります。これらのシステム内の部品は一般的に 316L、2205、またはそれ以上の合金 で製造され、こうしたサイクリックな条件に対応します。

    • バルブおよび計器: 重要なバルブ、トリム、圧力センサーは頻繁に 316L または 17-4PH (析出硬化マルテンサイト系ステンレス)で信頼性を確保します。

3. 注入および貯蔵：下流工程の課題

最終ステップでは、超臨界CO₂を地質構造（例：塩水層、枯渇した油田・ガス田）に注入します。

• 主な用途: 井口設備、ダウンホール用チューブ、ケーシング、バルブ。

• 腐食の種類： 残留水または不純物による腐食、高速注入によるエロージョン・腐食、そしてしばしば塩水で満たされた地質構造への暴露。

• 推奨鋼種：

  • ダウンホール用チューブおよびケーシング： これは極めて重要な用途です。故障は許されません。炭素鋼に腐食防止剤を使用する方法が用いられていますが、近年は 耐食合金（CRAs） への移行が進んでいます。信頼性のため。

    • ダブル相ステンレス2205 チューブ用として優れた選択肢であり、ブライン中でも高い強度と優れた耐食性を発揮します。

    • スーパー二相性鋼（2507） と 合金 過酷な坑内条件や予期せぬ水の侵入リスクが高い場合に仕様として選定されることがあります。

  • ウェルヘッド機器： バルブ、クリスマスツリー、フロー配管は一般的に 二相ステンレス鋼 または 鍛造316／316L 高圧および腐食性環境に耐えるために構成されます。

実用的な選定ガイド：主要な検討事項

材質グレードの選定は、単に表から最も耐食性の高いグレードを選ぶことではありません。リスクとコストの計算です。

1. 流体組成が最重要： 最も重要な要素は、CO₂ストリームの詳細な分析です。不純物の種類および濃度（H₂O、SOx、NOx、Cl⁻、O₂）は、必要な合金性能に直接影響を与えます。

2. 総ライフサイクルコスト（LCC）： 高級ステンレス鋼およびニッケル合金は炭素鋼と比較して初期投資（CAPEX）が高いものの、大幅に低い総ライフサイクルコストを実現できます。これは、以下の必要性を排除または削減することによって達成されます：

   • 継続的な化学的腐食防止（運用コスト／OPEX）

   • 頻繁な健全性点検およびモニタリング

   • 予期せぬシャットダウンおよび交換作業

3. 安全係数： CCSにおいて、設備の故障は高圧CO₂の放出（窒息の危険）や数十億ドル規模の気候プロジェクトの停止を意味する可能性があります。ステンレス鋼などの耐食性材料が持つ本質的な信頼性は、安全性および運用上の大きな利点です。

結論：レジリエントな基盤を構築する

CCS業界は、材料の劣化による痛手を学ぶ余裕はありません。不純物を含むCO₂流の腐食性は、材料選定において積極的かつ知識に基づいたアプローチを求めるものです。

耐食性のあるステンレス鋼——汎用性に優れた316Lや強靭なダブルフェーズ2205、さらに高度な耐食性を持つスーパーアロイに至るまで——安全で信頼性が高く、経済的に実現可能なCCSインフラ構築のための必要な選択肢を提供します。価値鎖内で特定の環境に合金を慎重にマッピングすることにより、エンジニアはプロジェクトのリスクを軽減し、これらの重要なシステムが何十年にもわたり安全かつ効果的に稼働し、気候変動と闘う上での不可欠な役割を果たすことを保証できます。

結論: CCSにおいて、材料の選択は些細な技術的問題ではなく、プロジェクト全体の成功を支える根本的な戦略的意思決定です。