CCUS向けステンレス鋼：二酸化炭素の回収・輸送における材料選定

カーボン・キャプチャー、ユティライゼーションおよびストレージ（CCUS）における材料選定は、一つの事実に帰着します。すなわち、CO₂そのものは問題ではなく、それに混入する水分、酸、微量不純物が真の課題であるということです。アミン系回収プロセスや湿潤CO₂環境では、316Lステンレス鋼が主力材料として広く用いられています。一方、水分、H₂S、酸素などの不純物を含む高密度または超臨界CO₂パイプラインでは、デュプレックス鋼2205が耐食性・強度面で十分な性能を発揮し、特に過酷な条件下では、さらに高い強度と塩化物応力腐食割れ（SCC）耐性を備えたスーパー・デュプレックス鋼2507が採用されます。浙江温强不锈钢有限公司（Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.）では、これらの全グレードに対応する配管、チューブおよび継手を、完全な材質トレーサビリティを確保した状態で供給しています。

CO₂系における腐食化学
乾燥した純粋な二酸化炭素（CO₂）は、ステンレス鋼にほとんど影響を与えません。しかし、水が加わると状況は一変します。CO₂が水に溶けると炭酸が生成され、pHが低下し、全体的な腐食だけでなく局所的な腐食も引き起こされます。CO₂回収プラントでは、MEAやMDEAなどの高温アミン系溶媒がCO₂を吸収しますが、酸性ガスの吸収量増加、酸素の混入、および熱安定性塩や分解生成物の蓄積など、複数の経路を通じて腐食性が高まります。特に腐食が激しいのは、再沸器、濃液・希薄液熱交換器、ストリッパー上部、および再生器回路であり、これらの部位では温度と酸性ガス濃度の両方が最も高くなります。
輸送はまったく別次元の課題です。パイプラインでは、二酸化炭素を高密度または超臨界状態で押し流すことで、より大量のCO₂を移送します。流体を本当に乾燥させた状態に保てば、幹線部には炭素鋼が経済的に使用可能ですが、不純物の存在はこの判断を根本から覆します。水が溶解限界を超えると、遊離水相として析出し、H₂S、O₂、NOₓ、SOₓなどと混合すると、炭酸、硫酸、硝酸などの強酸を生成し、これらは鋼材を急速に腐食させます。そのため、配管の入口部、バルブ、計装配管、および相挙動や異常時に遊離水が生じ得る箇所には、ステンレス鋼製部品が採用されます。
不純物どうしがどのように反応するかは、それぞれの不純物の含有量と同じくらい重要です。たとえば、酸素やNOₓは硫黄種と反応して単体硫黄や強酸を生成しますが、こうした生成物は、個別の不純物だけでは決して生じません。このため、規格では、各不純物を個別に制限するのではなく、不純物全体の総量（複合不純物許容範囲）を上限で規定する傾向が強まっています。だからこそ、現実的に想定される最悪の条件（平均的な原料組成ではなく）に耐えられるよう、湿潤部の材質を選定することが、合理的なプロジェクト設計の基本となります。

グレード選定：316Lとデュプレックス鋼の比較
モリブデンを添加した316Lは、点食耐性に優れ、湿潤CO₂、アミン回路、および中程度の塩化物環境に対応可能です。加工性が良く、ガス処理分野では長年にわたり実績があります。ただし、塩化物濃度、温度、または応力が高まり、点食、すき間腐食、あるいは塩化物応力腐食割れ（SCC）のリスクが顕著になる場合には、その限界が明らかになります。
デュプレックス鋼2205は、こうした課題に対応するための選択肢です。オーステナイト＋フェライトの二相組織により、316Lの約2倍の降伏強度を有し、配管の肉厚を薄く・軽量化できるほか、塩化物による点食および応力腐食割れに対する耐性も大幅に向上します。不純物や塩化物が極めて厳しい条件下では、スーパー・デュプレックス鋼2507を採用することで、点食耐性相当数（PREN）をさらに高め、最も過酷な注入・輸送用途にも対応できます。

高密度・超臨界CO2パイプラインに関する考慮事項
約31℃以上、74バール以上では、CO2は超臨界状態となり、液体に近い密度と気体に近い流動性を示します。これはポンプによる送液効率が高く、一方で不純物に対して極めて厳格な制御が求められます。設計者は、自由水による腐食を防ぐため、水分含量をしばしば50ppm未満に厳しく制限します。しかしながら、起動時、減圧時、ブローダウン時などの過渡現象において、ジュール＝トムソン冷却や局所的な凝縮が生じる可能性があるため、金属材料は定常状態だけでなく、こうした一時的な条件にも耐えられる必要があります。
ステンレス鋼は、こうした運転不安定が起こりやすい箇所や小口径配管において、コスト増加が小さい一方で信頼性向上効果が大きいという点で、その採用が正当化されます。また、低温衝撃靭性も重要です。急速なブローダウンによって金属温度が周囲温度を大幅に下回ることもあり得るため、オーステナイト系の304Lおよび316Lは低温（極低温）まで靭性を維持しますが、デュプレックス系ステンレス鋼については、その低温限界についてより慎重な検討が必要です。
流体駆動摩耗がもう一つの注目点です。上流側の捕集装置から固体を運び出す流れ、あるいはバルブや絞り部を高速で通過する流れは、金属を侵食します。また、保護被膜が繰り返し剥離される場所では、浸食腐食が急速に進行します。デュプレックス鋼の高い硬度と強度が有効であり、配管形状（緩やかな曲げや十分な直管長）を工夫することで、特にリスクの高い継手部における局所的な乱流を低減できます。

製造・溶接・試験
デュプレックス系ステンレス鋼は、フェライト相とオーステナイト相のバランスを維持するために、厳密な溶接管理が求められます。過大な熱入力や冷却速度の遅延により、両相の比率が変化し、靭性や耐食性を損なう金属間化合物が析出するおそれがあるため、熱入力、パス間温度、溶接材の選定はすべて厳密に制御・確認されます。一方、316Lは炭素含有量が低いため、捕集設備で一般的な厚板部材の溶接時に発生しやすい感応化を抑制できます。
検証こそがシステムを守るものである。当社の社内試験室では、材質混同を未然に防ぐためのポジティブ・マテリアル・アイデンティフィケーション（PMI）や、化学成分および機械的特性試験、圧力保持性能を確認する水圧試験、溶接部の健全性を評価する非破壊検査を実施している。また、フェライト量測定により、デュプレックス鋼の品質管理を補完している。

CCUSに関する規格および文書
CCUSはパイプライン、圧力容器、プロセス設備の各規格が交わる領域に位置するため、関連文書は厳密なものでなければならない。当社は、オーステナイト系およびデュプレックス鋼管についてはASTM A312およびA790、チューブについてはASTM A213およびA269、溶接デュプレックス鋼管についてはASTM A928に準拠し、ASME規格およびISO 9001品質マネジメントシステムに基づいて製造を行っている。各出荷品には、EN 10204 3.1または3.2に準拠した材質試験証明書を添付可能であり、これにより各製品のロット番号（ヒートナンバー）、化学成分、機械的特性試験結果を一意に特定できる。
CCUSは急速に規模を拡大しており、長期的な貯留の信頼性が厳しく scrutinized（注目・検証）されています。このため、トレーサビリティは単なる書類作成ではなく、運用者が数十年にわたる周期的運転においても継続的に使用可能な状態であることを示すために不可欠です。湿潤環境およびアミン系用途には316Lを、高強度・高塩素濃度・不純物を含む輸送ラインにはデュプレックス鋼またはスーパー・デュプレックス鋼を採用し、さらに第三者による検証済みの認証を付与すれば、CCUSシステムは必要な耐食性余裕度を確保できます。各流体の実際の化学組成に応じて適切な鋼種を選定し、一律に特定の材質を適用するのではなく、個別最適化を行うことが、CCUSにおける材料選定の本質的な作業です。

よく 聞かれる 質問
Q：二酸化炭素（CO₂）パイプラインに炭素鋼は使用可能ですか？
A：純度が高く、水分が実質的に存在しない高密度相CO₂の幹線パイプラインでは、コスト面で炭素鋼の採用が経済的である場合があります。しかし、水分や硫化水素（H₂S）、酸素（O₂）などの不純物が存在して腐食性酸を生成する恐れのある箇所、およびバルブ、計装配管、運転異常が発生しやすい部位では、ステンレス鋼が指定されます。
Q：輸送用途で316Lではなくデュプレックス鋼2205を選択する理由は何ですか？
A：デュプレックス鋼2205は、より薄く軽量な配管に必要な降伏強度を約2倍提供するとともに、塩化物によるピッティング腐食や応力腐食割れに対する優れた耐性を備えています。これは、流体中に塩化物や不純物が含まれる場合に特に重要です。

CCUS用ステンレス鋼について、浙江温州の温強公司（電話番号：+86 577 8922 2595）へお問い合わせください。 https://www.chinawqsteel.com/