溶接部の腐食を防ぐ方法： 7つの実践的な方法
まず、材料とその使用環境から始めましょう。溶接腐食を防ぐには、適合する材料と溶加材を選定し、溶接を適切に管理し、隙間や汚染物質を除去し、暴露環境に応じて必要な表面処理または保護システムを適用する必要があります。熱処理と陰極防食は特定の用途には有効ですが、どちらもあらゆる溶接に適用できる万能な処理方法ではありません。
溶接されたカラーに亀裂があり、写真家はこれを応力腐食割れと特定した。写真：CEphoto、Uwe Aranas、CC BY-SA 3.0。このレイアウト用にトリミングおよび重ね合わせ。
なぜ腐食は溶接部の周囲に集中するのでしょうか？
溶接継手には、異なる履歴を持つ領域が存在する。溶接金属は溶融・凝固したが、熱影響部（HAZ）は溶融せずに加熱された。溶加材の希釈度、局所的な微細構造、残留応力、表面状態などによって、これらの領域は同じ環境下でも異なる挙動を示す可能性がある。
弱点は必ずしも熱影響部（HAZ）とは限りません。腐食は溶接金属、溶融境界、ルートクレビス、またはコーティングの破損箇所に沿って発生する可能性があります。材料、製造方法、および保護が適切であれば、溶接は良好な性能を発揮します。TWIの海洋溶接に関するレビューでは、冶金とコーティングの詳細の両方が重要である理由を説明しています。
露出した接合部全体をよく見てください。キャップ、トウ、両方の熱影響部、根元、裏打ち部の詳細、および周囲のコーティングをそれぞれ個別に検査してください。きれいなキャップでも、酸化した根元や液体が溜まった隙間が隠れている場合があります。
汚れと損傷を区別しましょう。ステンレス鋼の錆は鉄の溶出によるものですが、穴やひび割れは別の調査が必要です。洗浄によって有用な証拠が失われる前に、状態を写真に撮って記録しておきましょう。
このガイドでは、一般的な炭素鋼およびステンレス鋼の加工に焦点を当てています。アルミニウム、ニッケル合金、その他の材料については、それぞれの材料に応じた手順が必要です。
どこから始めればいいですか？
処理方法を選択する前に、グレード、充填材、目地の詳細、および暴露状況を記録してください。温度、塩化物または洗浄剤、湿潤乾燥サイクル、堆積物、埋設または浸漬についても記録してください。この表は、次の調査を選択するのに役立ちます。外観だけでは原因を特定することはできません。
画面が小さい場合は、表を左右にスクロールしてください。表にフォーカスを合わせると、矢印キーを使用できます。
| 何が見える | それが何を示唆するか | 最初のチェック |
|---|---|---|
| ステンレス鋼の溶接部の変色、熱による変色、またはピット | 鉄の転移、酸化物による耐食性の低下、または等級に不適切な暴露 | 緩んだ汚れと金属の損失を区別し、根元を検査し、洗浄、遮蔽、およびサービス用化学薬品について検討する。 |
| 塗装された溶接部に沿って錆や膨れが生じる | 汚染、不適切な準備、または不規則な形状での不十分なコーティング | 溶接部のピークとトゥ、コーティングの連続性、準備記録、および規定の膜厚を検査する。 |
| ラップ内での攻撃、詳細の裏付け、または預金 | より攻撃的な局所化学反応を伴う隙間または液体の滞留 | 液体がどこから侵入し、どこに滞留し、どこから排出されるかを特定し、清掃や修理のためのアクセス状況を評価する。 |
| 溶接部または溶融線付近の溝 | 組成、微細構造、または局所的な露出に関連した優先的な攻撃 | 攻撃を受けた箇所を材料／溶加材の記録および溶接手順と比較し、対象を絞った検査を実施する。 |
| 一般的な腐食が限定的な亀裂 | 応力腐食割れ、またはその他の割れメカニズムの可能性 | 表面洗浄や研磨を行う前に、部品の状態評価を実施してください。写真だけでは、部品の修理・使用許可は得られません。 |
以下の設定項目は、それぞれ異なる原因に対応しています。7つすべてを無差別に適用するのではなく、該当する組み合わせを選択してください。
用途に適した母材と充填材を選択してください。
機械的性能と耐食性の両方を考慮して選択してください。溶加材は健全で強固な接合部を形成する一方で、溶加材の材質、温度、母材からの希釈に対しては反応が悪くなる場合があります。異種金属溶接の場合は、溶着部の化学組成と隣接材料を総合的に評価してください。
溶接されたオーステナイト系ステンレス鋼機器の場合、304Lや316Lなどの低炭素グレードを使用することで、鋭敏化（炭化物形成に伴う粒界付近のクロム欠乏）に対する感受性を低減できます。ただし、この合金は塩化物孔食、隙間腐食、応力腐食割れに対して耐性があるわけではありません。「L」という接尾辞は、特定の冶金学的懸念事項に対応するものであり、すべての腐食メカニズムに対応するものではありません。
- 追跡可能な記録から、卑金属の品位と状態の両方を確認してください。
- 実際の暴露状況に応じて、溶加材の分類と溶接手順を選択してください。
- 二相ステンレス鋼の場合、必要に応じて溶接金属の相バランスおよび材料固有の受入試験を含めること。
- 異種材料の場合は、希釈率と露出した金属部分を確認してください。「最も貴な充填材を使用する」というのは、信頼できる選択ルールではありません。
承認されたグレード、溶加材、および使用条件は、図面または製作仕様書に記載してください。薄板溶接プロセスの詳細については、「304ステンレス鋼薄板溶接ガイド」を参照してください。
技術的背景：オーステナイト系ステンレス鋼溶接および二相系ステンレス鋼溶接に関するTWI。
熱入力、層間温度、シールドを制御する
必要な資格証明に裏付けられた溶接手順仕様書（WPS）を使用してください。WPSは、入熱量、パス間の温度、溶加材、シールド、ルート保護、溶接順序など、接合部に影響を与えるプロセス変数を管理する必要があります。
熱入力が低いほど良いとは限らない。二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトという2つの主要な相から構成されている。TWI社によれば、溶接部の急速冷却は過剰なフェライトの残留を招き、高温での長時間の保持は有害な相の生成を促進する可能性がある。許容範囲は、鋼種、板厚、および溶接方法によって異なる。単一の熱入力制限値で全ての鋼種に対応できるわけではない。
ステンレス鋼管の場合は、手順に従って高温の根元部分を保護してください。適切な遮蔽は酸化を軽減しますが、ガス設定だけでは根元部分の状態が良好であるとは限りません。実際に作動流体と接触する表面を点検してください。
溶接入熱計算ツールは、記録された設定値を比較するのに役立ちます。単位長さあたりのエネルギー量が同じであっても、異なるプロセス間で溶け込み深さ、冷却履歴、耐食性が同じになるとは限りません。
出典: TWI デュプレックスガイダンスと根の酸化と熱着色。
隙間や液体が溜まった箇所を取り除く
腐食防止は接合部の設計段階から始まります。狭い隙間には液体や堆積物が溜まりやすく、清掃、塗装、検査が困難になります。その結果、隠れた環境は周囲の液体よりも腐食性が高くなる可能性があります。
重ね継手、断続溶接、裏当てリング、およびプロセス側ルート部を点検してください。湿潤環境または衛生環境においては、適切な連続完全溶融接合部により、表面処理では届かない隙間を解消できる場合があります。継手の設計は、荷重経路と設計要件によって決定されます。
- 洗濯と乾燥のための排水設備とアクセス経路を確保してください。
- プロセス液が侵入して滞留する可能性のある、密閉されていない隙間を避けてください。
- 塗装作業を行うためのアクセスを確保し、溶接部のつま先と隣接する端部を検査する。
- 指定された飛沫や鋭利な突起物を除去し、規定の壁厚または溶接寸法を下回るように研磨しないでください。
液体の一滴を描いた図解は、液体がどこから入り、どこにとどまり、どのように流れ出ていくのかを理解する上で役立ちます。
表面処理へのアクセスもASTM A380/A380Mの一部であり、閉じ込められた洗浄剤が独自の問題を引き起こす。
溶接部を清掃し、ステンレス鋼の表面を修復する
指定された表面処理を行う前に、油分、溶接残渣、および汚染物質を除去してください。ステンレス鋼製の工具および研磨材は、炭素鋼製の作業とは分けて保管してください。ステンレス鋼の腐食が発生する環境では、目視可能なキャップと露出したルートの両方で熱による変色を確認してください。
洗浄、酸洗、不動態化処理はそれぞれ異なる役割を担っています。光沢のある仕上がり、除去されたカラーバンド、そして遊離鉄試験の合格も、それぞれ異なる結果です。
| 操作 | 目的 | それが確立しないもの |
|---|---|---|
| 洗浄／脱脂 | 後々の処理を妨げる油、グリース、その他の汚染物質を除去してください。 | 付着した熱による変色、スケール、またはクロム欠乏表面層の除去。 |
| 酸洗／承認済みスケール除去 | 酸化物を除去し、適切な方法で、熱着色の下にある影響を受けた表面層を除去する。 | 合金が用途に適しているか、または亀裂や金属の欠損を修復するのに適しているか。 |
| 化学的不動態化 | 化学的に洗浄されたステンレス鋼表面を処理し、指定された不動態化結果を確認する。 | その厚い酸化物が除去されたか、あるいはその接合部があらゆる動作環境に耐えられるかのどちらかです。 |
worldstainlessのプロセス説明をASTM A380/A380MおよびASTM A967/A967Mの適用範囲と比較してください。
グレードと仕上げには、承認された手順に従ってください。まず、前処理を行い、残留物と許容できない酸化物を除去し、指定された不動態化処理を完了させ、その後、すすぎと確認を行います。化学製品は、訓練を受けた者が取り扱い、供給元の安全データシートを参照し、適切に廃棄する必要があります。これは汎用的な酸の配合ではありません。
ASTM A967/A967Mは、特に鉄などの異物を除去するための代替的な定性的な受入試験について規定しています。この試験に合格することで、処理基準が満たされていることが証明されます。ただし、これは使用状況に応じた腐食評価に代わるものではありません。
熱着色の例とその試験条件を添付
TWIの報告によると、飽和カロメル電極（SCE）に対して+300mVの印加電位で0.1%NaCl溶液中で熱着色すると、 316型ステンレス鋼溶接部の臨界孔食温度は60℃から40℃に低下する可能性がある。
これは、表面状態によって実験室での孔食試験結果がどのように変化するかを示しています。この2つの温度は、316ステンレス鋼の安全な運転限界値ではありません。TWIが提示する修復手順では、酸化物層とその下のクロム欠乏層の両方が除去されます。元の試験条件の概要をお読みください。
特定の材料ニーズに合わせて熱処理を使用する
溶接後熱処理（PWHT）は、一部の構造物において残留応力を低減したり、特定の特性を実現したりするために有効です。その必要性やサイクルは、材料、構造要件、および使用状況によって決まります。腐食の発生のみを理由として規定することはできません。
ほとんどのオーステナイト系ステンレス鋼溶接部は、通常、溶接後熱処理（PWHT）を必要としません。処理が必要な場合、応力除去、固溶化処理、安定化処理はそれぞれ異なる目的を持ちます。不適切なサイクルは有害な析出を促進する可能性があるため、加熱と冷却は同時に選択する必要があります。二相ステンレス鋼は、その相バランスが熱履歴に敏感であるため、特に注意が必要です。
応力腐食割れは、感受性の高い材料、特定の環境、そして引張応力によって発生します。適切な場合には応力を低減することで改善できますが、材料や暴露条件を変更する方がより効果的な対策となる場合もあります。既存の亀裂については、評価と補修の判断が必要です。熱処理によって亀裂が消えるわけではありません。
溶接部を完全に準備し、コーティングする
塗装された炭素鋼の場合、溶接部は平板よりも入念な注意が必要となることが多い。鋭利なエッジ、スパッタ、不規則な端部や凹部などがあると、均一な塗膜を形成するのが難しくなる。汚れや手の届きにくい箇所に厚く塗膜を塗布しても、この問題は解決しない。
必要な溶接部表面処理を完了し、油分、塩分、粉塵、錆、および剥離物を規定レベルまで除去します。コーティングシステムで要求される表面形状と塗布条件を確認します。
指定された箇所には、ストライプコートを施してください。ストライプコートは、これらの箇所に部分的に塗布するコートで、全面塗装と併用します。硬化時間、再塗装時間、塗膜厚の要件を遵守してください。
合意された手順に従って、溶接部周辺の測定困難な箇所も含め、乾燥膜厚（DFT）を測定します。ライニングや露出状況によっては、適切なホリデーテストを使用して不連続部を検出します。テスト設定はコーティングと基材に適したものでなければならず、汎用的な設定は存在しません。
メーカーの例：ヨートンのバリア80S塗布ガイドでは、スプレーファンが塗り残しをする可能性のある箇所に注意を促し、複数のストライプコートの塗布順序を説明しています。また、塗膜が厚くなりすぎないように注意を促しています。これは、選択したシステムのガイドがなぜ重要なのかを示しています。すべての溶接箇所にバリア80Sの使用を推奨しているわけではないのです。
出典：Jotun Barrier 80 S 施工ガイド、ストライプコーティングおよび品質保証。コーティングの化学組成、下地処理、厚さ、検査は、指定された暴露条件に合致している必要があります。
適切な環境下で陰極防食を使用する
陰極防食（CP）は、埋設または浸漬された適切な金属表面を電気化学回路の陰極とすることで、それらの表面を保護できます。犠牲陽極は腐食によって保護電流を供給し、強制電流システムは外部電源を使用します。CPは、大気に露出した溶接部の保護に代わる一般的な方法ではありません。
適合性のあるコーティングは、保護電流を必要とする金属面積を減少させます。CP（保護電流）は、電流が到達可能な露出部分のみに対応できます。コーティングの剥離、シールド、電気的断線、または干渉は、設計を損なう可能性があります。
陽極または電流システム、電気接続、試験点、基準電極、および測定基準をまとめて指定します。設備の試運転を行い、その性能、コーティングの状態、および陽極の消費量を監視します。
他の機器からコピーした電圧を合格基準として使用しないでください。構造、材料、環境、基準電極、および測定方法はすべて、適用されるCP手順と一致している必要があります。
出典：AMPP陰極防食ガイドライン。
結果をどのように検証し、保護しますか？
製造前に受入基準を定義し、その後、使用時の検査基準として維持する。証拠は、単に見た目がきれいなビードを示すのではなく、想定される故障モードを裏付けるものでなければならない。
- 接合部とその露出面を確認してください。 材料および溶接記録、必要な溶接検査結果、および該当する場合はキャップ／ルートの写真またはボアスコープ記録を保管してください。
- 実際に適用された保護措置を記録してください。 表面処理の結果、コーティングの準備と膜厚の記録、硬化と導通チェック、および該当する場合はCP試運転時の測定値を保管してください。
- 損傷箇所と検査結果を照合する。 金属の損失については、マッピングされた厚さ測定を使用し、亀裂が疑われる場合は、適切な亀裂検出手順を使用してください。数回の厚さ測定だけでは、微細な亀裂を排除することはできません。
- 同じ場所を時系列で比較する。 溶接部、熱影響部、ルート部、およびコーティングの移行部における再発状況を追跡します。流体の化学組成、洗浄剤、温度、コーティングの状態、または運転条件の変更後に再評価します。
予期せぬ腐食、急速な摩耗、または亀裂が発生した場合は、証拠を保存し、修理方法を選択する前に残存する構造的完全性を評価してください。検査間隔は、実際の損傷メカニズムと故障の結果に基づいて設定してください。すべての溶接構造物に同じ間隔を適用することはできません。
滑らかなレーザー溶接部やレーザー洗浄された表面であっても、関連する接合部、表面、腐食の検査は依然として必要です。プロセス試験では、代表的な材料、ルートアクセス、表面状態、および要求される結果をテストする必要があります。
材料のグレード、厚さ、接合図、表面状態、使用環境、および受入要件をOceanplayer Laser社にお送りください。これらの詳細情報は、代表的なレーザー溶接または洗浄試験を定義するのに役立ちます。
技術情報源
上記の手順とプロセスの違いについては、参考文献を参照してください。製造および検収には、該当するプロジェクト仕様書と必要な標準規格版を使用してください。
- TWI：海洋環境における溶接部品の腐食。 溶接部の挙動、保護、および海洋環境への曝露状況。
- TWI：オーステナイト系ステンレス鋼の溶接、パート2。 感作性、低炭素グレード、および熱サイクルに関する考察。
- TWI：二相ステンレス鋼、パート1。 冷却速度、充填材、および相バランス。
- TWI：ステンレス鋼の溶接時に発生する熱変色を回避する。 根元の酸化と、前述のタイプ316の孔食の例。
- Euro Inox / worldstainless：ステンレス鋼の酸洗および不動態化処理。 表面処理手順と鉄の転移汚染。
- ASTM A380/A380M-25。 ステンレス製の部品、機器、システムの洗浄、スケール除去、酸洗、不動態化処理に関する公共サービス。
- ASTM A967/A967M-25。 化学的不動態化処理および代替的な定性的な受入試験に関する公共的な適用範囲。
- TWI：クロムニッケル系オーステナイト系ステンレス鋼のPWHT（溶接後熱処理）。 熱処理の明確な目的と限界。
- AMPP：応力腐食割れ。 合金と環境と応力の関係、および検出が困難な亀裂。
- AMPP：陰極防食。 用途、コーティングの相互作用、干渉、およびモニタリング。