海水中でのチタンとステンレス鋼: 腐食とコスト

海水用途の金属材料を選択するとき、エンジニアや購買専門家はよく次のような典型的な質問に直面します。チタンとステンレスのどちらを選べばよいでしょうか？

答えは簡単ではありません。

海水は塩化物イオンを含む複合電解質であり、その塩化物濃度は約 19,000 ppm であり、通常の淡水の塩化物濃度よりもはるかに高く、通常は塩化物濃度がはるかに低いです。-海水には溶存酸素、浮遊沈殿物、微生物、有機物も含まれています。これらの要因が総合すると、孔食、隙間腐食、応力腐食割れ (SCC) を引き起こす可能性があり、m海水設備の材質選定は特に重要です。

腐食の影響は表面の損傷だけにとどまりません。沿岸発電所や海水淡水化システムでは、腐食に関連したメンテナンスや機器のダウンタイムが運用コストに重大な影響を与える可能性があります。{1}したがって、材料の選択は、最初の購入価格のみに基づいて行うべきではありません。耐用年数、メンテナンス要件、長期的な動作信頼性も考慮する必要があります。-

チタンとステンレス鋼はどちらも広く使用されている耐食性エンジニアリング材料ですが、単純に 2 つの固定された材料カテゴリとして扱うことはできません。{0} 「ステンレス鋼」には、304、316L、二相ステンレス鋼、S31254 (254 SMO) などの多くのグレードがあり、海水中での性能は大きく異なります。チタンも材料の一種であり、さまざまな使用条件に合わせて設計されたさまざまなグレードがあります。

これら 2 つの材料ファミリーの腐食メカニズムを理解することは、海水用途での耐食性、コスト、予想耐用年数をより適切に評価するのに役立ちます。

海水は複雑な腐食環境です。海洋および海水システムにおけるチタンおよびステンレス鋼の腐食性能には、いくつかの要因が影響を与える可能性があります。

塩化物濃度:

海水には約 19,000 ppm の塩化物が含まれています。塩化物濃度が高いと、特に腐食防止に不動態皮膜に依存している金属の場合、孔食や隙間腐食のリスクが高まる可能性があります。

温度：

一般に、温度が高くなると電気化学反応と腐食プロセスが加速されます。海水温度が上昇すると、材料の腐食挙動が大きく変化する可能性があります。

酸素の利用可能性:

溶存酸素は不動態皮膜の安定性と挙動に影響を与える可能性があり、局所的な電気化学的条件の違いに寄与する可能性があります。

海水の流速:

流速が高くなると、特にエルボ、バルブ、その他の局所的な流れの乱れがある領域の周囲でエロージョン{0}}腐食のリスクが高まる可能性があります。

停滞した海水:

-流れの少ない領域や停滞した領域では、酸素濃度や局所的な化学変化が生じ、孔食や隙間腐食のリスクが高まります。

隙間と堆積物:

フランジ、ガスケット、ファスナー接続部、および堆積物により、局所的な腐食環境が生じる可能性があります。これらの領域は、海水中でのステンレス鋼の耐食性を評価する場合に特に重要です。

海洋生物付着:

微生物の膜や生物学的堆積物は、特定の条件下で局所的な腐食を引き起こす可能性があります。

ガルバニック腐食:

導電性海水中で異種金属が直接的または間接的に接続されると、それらの電気化学的電位差によってガルバニック対が生じ、より活性な金属の腐食が促進される可能性があります。

このため、海水用途の材料を評価するには、2 つの金属の公称耐食性を単に比較するだけでは不十分です。

海水中でのチタンとステンレス鋼の最も重要な違いの 1 つは、不動態皮膜の挙動です。

チタン不動態皮膜

チタンの耐食性は、その表面に自然に形成される薄い二酸化チタン (TiO₂) の不動態皮膜によってもたらされます。膜の厚さはわずか数ナノメートルですが、安定性が高く、耐薬品性に​​も優れています。

不動態皮膜は損傷すると、水と酸素の存在下で急速に再形成され、下にある金属を保護し続けます。

この安定した受動的な動作が主な理由の 1 つですチタンは天然海水中での耐食性に優れています。.

ステンレス不動態皮膜

ステンレス鋼は、クロム-を多く含む酸化物不動態皮膜を利用して耐食性を高めています。この不動態皮膜が安定していれば、ステンレス鋼は優れた耐食性を発揮します。

ただし、塩化物-を含む海水では、特に隙間や堆積物の下で、塩化物イオンが不動態状態の局所的な破壊を促進する可能性があります。これにより、孔食や隙間腐食のリスクが高まります。

したがって、ステンレス鋼の海水性能は特定のグレードに大きく依存します。{0}L と S31254 (254 SMO) などのより高い合金グレードでは、耐食性が大きく異なる場合があります。-

比較すると、チタンは非常に安定した不動態皮膜を維持し、天然海水や多くの高塩化物環境において、孔食、隙間腐食、応力腐食割れ（SCC）に対して優れた耐性を示します。-

このため、チタンは信頼性が重要な長期にわたる海水サービスや用途にとって特に魅力的です。{0}

ステンレスは単一の素材ではなく「ファミリー」です。ステンレス鋼のグレードが異なると、海洋および海水環境における耐食性のレベルが大きく異なります。

PRENとは何ですか?

PREN (孔食抵抗相当数) は、局所的な孔食に対する耐性の比較指標として一般的に使用されます。

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

一般に、PREN が高いほど、局所的な孔食に対する耐性が優れていることを示します。

ただし、PREN は海水サービスの独立した資格としてではなく、比較指標として使用されるべきです。実際の性能は、温度、塩化物濃度、酸素の利用可能性、表面状態、流れ、隙間の形状、溶接、その他の設計要素にも依存します。

重要な点は、316L はステンレス鋼ファミリーの 1 つのメンバーに過ぎないということです。これは海洋用途で考慮される最も一般的なステンレス鋼グレードの 1 つですが、すべてのステンレス鋼の性能を表すものではありません。

沿岸または海水環境で作業している場合は、PREN のみに基づいてステンレス鋼グレードを選択しないでください。スーパー二相ステンレス鋼などのより高い PREN グレードは、局所的な腐食に対する耐性が大幅に優れている可能性がありますが、実際の使用条件とシステム設計を評価する必要があります。

ほとんどのステンレス鋼とは異なり、チタンは天然海水中で非常に安定した不動態を維持します。したがって、長期にわたる均一な腐食速度は通常非常に低くなります。-特定の腐食環境や設計要件に合わせて、さまざまなチタン グレードが合金化されています。

グレード2チタン(市販の純チタン): 標準的な海水環境における主な選択肢

• 海水腐食速度: < 0.0001 ～ 0.0005 mm/年
• 臨界隙間腐食温度: 82 度
• 天然海水では孔食や隙間腐食は観察されません
• 密度: 4.51 g/cm3 (ステンレス鋼の約 56%)
• 用途: 海水配管、熱交換器、凝縮器、淡水化装置

グレード 7 および 12: より厳しい動作条件向けの選択肢

海水システムに高温、隙間、堆積物、または複雑な化学環境が含まれる場合、特定の動作条件に基づいて耐食性が強化されたチタン グレードが検討されることがあります。

• 7年生：パラジウムを少量添加した商業用純チタン。主に、特定の攻撃的な腐食性媒体における耐食性を強化するために使用されます。
• 12年生: モリブデンとニッケルの添加により特定の環境での耐食性が向上し、高温または複雑な腐食条件下で利点が得られます。{0}}

グレード 7 および 12 は、一般的な海水用途向けのグレード 2 の単なる「アップグレード バージョン」ではないことに注意することが重要です。材料の選択は、温度、海水の流速、隙間の形状、汚染物質、特定の化学組成などの要因に基づいて行う必要があります。

これは、チタンとステンレス鋼を比較する際の重要な違いを強調しています。グレード 2 自体は、多くの海水環境において耐食性のかなりの余裕を提供しますが、ステンレス鋼を選択するには、316L、2205、254 SMO、2507 などの特定のグレードの中から選択する必要があります。

次の表は、さまざまな海水条件でチタンとステンレス鋼を比較するための一般的な出発点を示しています。

海水耐食性と長期信頼性が初期の材料コストよりも重要な場合、{0}}グレード 2 チタンは非常に魅力的な代替品となり得る.

ステンレス鋼は、{0}304 や 316L から二相ステンレス鋼やスーパー オーステナイト系ステンレス鋼まで、-幅広い耐食性を備えた多様な材料ファミリーです。

316L は海洋用途の最も一般的な出発点の 1 つですが、海水への適合性は、温度、流れの状態、隙間の形状、およびその他の要因に大きく依存します。 254 SMO などの高性能グレードでも、隙間や停滞した海水では腐食のリスクに直面する可能性があります。-

チタンは、従来の多くのエンジニアリング金属と比較して、海水中で非常に高い耐食性を示します。初期の材料コストは 316L よりも高くなりますが、腐食速度が非常に低く、耐用年数が長く、腐食に関連したメンテナンス要件が低いため、ライフサイクル全体のコストを考慮すると経済的に魅力的です。{2}}

Zecheng Metal はチタン製品の製造を専門としています。どのチタン グレードまたは製品がお客様の用途に適しているか不明な場合は、弊社チームまでお問い合わせください。info@zctitanium.com。