高温腐食と低温腐食

金属の腐食は、素材の性質や使用条件、周囲の環境など多くの要素の影響を受けます。その中でも、燃料を燃焼させて生成された燃焼ガスの影響を受ける腐食は特徴的なものです。ここでは、重油燃焼機関などの高温環境での金属に見られる高温腐食と、燃料中の硫黄分により金属が腐食を受ける低温腐食についてご紹介します。

高温腐食とは

高温腐食とは、400度を越すような高温環境下での腐食のことをいいます。高温腐食には、どのような特徴があるのでしょうか。

高温腐食のメカニズム

高温環境には、温度、高温ガス、溶融塩など、金属の腐食の誘因となるさまざまな要素があります。工業・建築に使用される金属の場合、高温の環境下では温度によって全てのものが酸化を起こすかもしれません。このような高温環境において金属が酸化することが高温酸化です。

高温酸化の直接的要因となるものは、高温の空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素などがあります。一般に、高温環境下にある金属は環境中の酸素を用いて生成した酸化皮膜に覆われていて、この酸化被膜が環境と金属との直接の接触を防ぎ、腐食防止の役割を担っているのです。

ところが、この環境中に特に腐食の誘因となる物質が含まれていると、温度の上昇によってこの化合物が融解して酸化被膜に付着し、膜は破壊され、腐食が起こります。これが、高温腐食の基本的なメカニズムです。

炭素鋼の高温腐食

高温酸化の一例として、例えば炭素鋼は、500℃から550℃以上の環境においては酸化速度が増します。このとき、570℃以下では内層にマグネタイト、外層にヘマタイトの酸化物を生成しますが、570℃以上で発生する酸化物は、ウスタイトが最内層、マグネタイトが中層、ヘマタイトが外層です。

3つの物質の構成割合としては、ウスタイトが大半を占めますが、やがて炭素鋼が冷却されて570℃以下に下がると、マグネタイトと鉄に分解されます。このような場合、酸化が起こる温度によって酸化物として生成される物質に大きな違いが出てくるのです。

高温腐食が起こるケース

高温腐食が見受けられるケースとしては、発電用ガスタービン、蒸気タービン、ディーゼルエンジン、ジェットエンジン、エチレン製造装置など、石油や低質重油などを燃焼する場合での発生が多く見受けられます。例えば、低質重油では五酸化バナジウム、硫酸ナトリウム、塩化ナトリウムなどの化合物が高温腐食になる原因です。

高温腐食においては、原因物質となる化合物にはさまざまな種類がありますが、それらの化合物の融点はそれぞれ異なるため、温度帯によって全く別の原因物質による腐食を示します。高温腐食を防ぐには、高温環境下でも機械的性質に変化を受けにくい耐熱合金や、耐熱鋼を使用するなどの対策をしなければなりません。

低温腐食とは

低温腐食とは、燃料の燃焼において燃料中の硫黄分を原因物質として起こる腐食です。低温腐食のメカニズムとはどのようなものでしょうか。

低温腐食のメカニズム

硫黄分を含む燃料を燃焼させる場合、燃焼に際して二酸化硫黄(亜硫酸ガス)が生成されます。二酸化硫黄は燃焼ガスとして排出処理されますが、このうち、ガス中でさらに三酸化硫黄へと酸化したものは、環境中に含まれる水蒸気によって硫酸蒸気へと変質します。硫酸蒸気は、濃度や燃焼圧力、水分などによって露点がさまざまに異なる物質です。しかし、環境温度が露点を迎えると硫酸水溶液へと結露しますが、この現象を低温腐食(硫酸露点腐食)と呼びます。

低温腐食が起こるケース

低温腐食は、ディーゼルエンジンのピストン外表面、ガス通路、シリンダー内面などで起こります。これらのエンジン内部の部位は、一見するとむしろ高温環境下にあると思うかもしれません。実は冷却水などの冷却機構によって一定の低温に保たれており、更に硫酸蒸気と常に接している状態に陥りやすく、しばしば硫酸水溶液による激しい腐食の被害を受けるのです。

高温腐食と低温腐食では、腐食の起こるメカニズムや原因物質が全く異なることがわかります。特に機械に発生した腐食を調査する際は、腐食部位の温度が腐食対策のための重要な指標となるので、温度を確認してください。


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