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不純物（H₂S等）・異常状態が CO₂ 配管健全性に与える影響と試験設計

  • 山崎行政書士事務所
  • 10月5日
  • 読了時間: 7分
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――脆化／腐食・減圧冷却・相挙動の多物理場連成を、小型FBR（full‑bore rupture）試験と解析で同定する実務フレーム――

要旨（Abstract）

CCUS の拡大に伴い、CO₂ 配管は純度100%ではない流体（H₂S、H₂O、O₂、N₂、CH₄、NOₓ、SO₂ 等）を気体～液体～超臨界で扱う。これら不純物は、(i) 材料側（一般腐食／局部腐食、SSC/HIC 等の脆化機構、靭性低下）、(ii) 流体側（減圧曲線・音速・Joule‑Thomson 係数 μJT・相変化）、(iii) 運用側（急減圧での極低温・ドライアイス生成、計装凍結）に同時に影響する。本稿は、最新規格の要件（ISO 27913:2024 等）を踏まえ、小型FBR試験×多相熱流体解析×破壊力学を一体化した同定手順を提案する。結論として、組成ウィンドウ（H₂S・H₂O・非凝縮ガス）を明示した上で、RDF（走行延性亀裂）停止確率と腐食・脆化余寿命を同一KPIで管理し、実機組成・温度・背圧のばらつきを試験—解析—運用で往復同化することを推奨する。

1. 背景と規格観点（設計の“土俵”をそろえる）

  • CO₂流の品質管理：ISO 27913:2024 は不純物合計≦5 mol%、流量・不純物測定、流下分岐統合時の品質保証、破断停止設計、減圧影響の付属書等を明確化。運用純度は配管健全性のみならず圧送・相安定の観点からも管理対象。

  • 破断制御：RDF 停止は二曲線法（材料曲線 vs 減圧曲線）が実務の基幹。不純物は減圧曲線（音速・相変化）を、低温化は材料曲線（靭性）を変えるため、連成評価が必須。

  • 脆化・腐食：H₂S を含む湿潤環境ではSSC/HIC 試験（NACE TM0177/TM0284）で材料適格を確認。乾燥 CO₂ では一般腐食は低いが、凝縮水・酸性種の局在で局部腐食が立ち上がる。

2. 影響メカニズムの分解（何が、どこに効くか）

2.1 H₂S（数10–数100 ppmv級も対象）

  • 腐食：微量でも水が共存すれば炭酸系＋硫化物系の酸性化で腐食速度が上がり得る。一方でFeS皮膜が形成される条件では平均腐食が低下することもあるが、皮膜不均一→局部化のリスクが増す。

  • 脆化：湿潤条件下ではSSC/HIC 感受性が立ち上がる。実機は硬さ上限制御・溶接金属の水素割れ対策・残留応力管理を含む**“sour”作法**が前提。

  • 流体物性：H₂Sは臨界特性・μJTを変え、減圧冷却の深さや二相領域を変動させる（→温度最低値・ドライアイス生成挙動に寄与）。

2.2 H₂O（凝縮・侵入）

  • 乾燥時は腐食小だが、局所凝縮（絞り・急減圧・低所滞留）や脱水装置トリップ／水スラグで炭酸腐食が立ち上がる。O₂/NOₓ/SO₂の混入で酸性度がさらに上がりpitting/SSCを誘発。

  • 相挙動：水は固相・水和物・氷／ドライアイス共析で流動阻害・配管内アイスプラグを引き起こす。

2.3 非凝縮ガス（N₂、CH₄、H₂ 等）

  • 減圧曲線：音速・μJT・密度が変わり、減圧“プラトー”の形状が変化。一般にN₂/CH₄の増加はμJT低下方向が多く、冷却度合いやRDF停止要求靭性がシフトする。

  • 運用：非凝縮ガスが多いと圧送効率低下・圧力損失↑。圧縮・昇圧側の運転点も動く。

2.4 異常状態（急減圧・低温・固相）

  • Joule–Thomson 冷却で**−70 °C級以下まで降温し得る。靭性低下／ボルト・フランジ凍結／計装不作動が同時多発。固相 CO₂ の付着は弁・計装の固着やジェット噴流様相の変化**を招く。

  • 地盤・背圧：埋設・背圧は減圧曲線にも温度回復にも効き、停止余裕を左右。

3. 解析フレーム（多物理場連成）

  1. 流体側：実在気体 EOS（PC‑SAFT/Peng‑Robinson 等、バイナリ相互作用係数同定）＋HEM（同相平衡）で1D減圧を解き、音速‑圧力曲線・温度履歴を取得。μJT・相境界は組成掃引で感度化。

  2. 構造側：二曲線法で**材料曲線 vmat(p;D,t,靭性)v_{\mathrm{mat}}(p;D,t,\text{靭性})vmat​(p;D,t,靭性)**を作成。低温靭性・壁温履歴を反映し、RDF停止は min⁡p[vmat−adec]>0\min_p[v_{\mathrm{mat}}-a_{\mathrm{dec}}]>0minp​[vmat​−adec​]>0 判定。

  3. 腐食・脆化側：露点超過確率と酸性種分圧から腐食マップ（一般腐食・pitting）とSSC/HIC 感受性を区画化。水の存在形態（微滴／膜／スラグ）で分岐。

  4. 信頼性：FORM/MCSで停止確率・腐食超過確率を評価し、組成・温度・背圧のばらつきに対する安全余裕を定量化。

4. 小型FBR（full‑bore rupture）試験の設計（“安く速く”効くスケール）

4.1 目的

  • 減圧曲線（p–t–相）とRDF開始〜アレストの感度を、不純物×温度×背圧で同定し、解析モデルを係数同定。フルスケール（既往 Spadeadam 等）とのブリッジに使う。

4.2 試験体と条件

  • 配管：DN100–150（4–6″）、長さ ≥ 60 m、材質 API 5L（sour対応 WPS）、校正欠陥で破断開始を確実化。

  • 初期状態：20–25 MPaの液相／超臨界、初期温度 5–25 °C、背圧は 0.1–0.3 MPa のレンジ。

  • 組成マトリクス（例）：

    • ベース：CO₂ 99.5%（乾燥）

    • H₂S：50 / 200 ppmv（乾燥／50 ppmv H₂O 付与）

    • 非凝縮ガス：N₂ 2 / 5 mol%、CH₄ 2 mol%

    • 酸化性不純物：O₂ 100 ppmv、SO₂ 100 ppmv（湿潤条件で限定実施）

  • 安全：二重遮断・遠隔起爆、散水・換気、固定・携行 CO₂ 検知、立入管理を徹底。

4.3 計測

  • 高速圧力（管内軸方向 10 点以上、≥10 kHz）、壁温／ガス温（埋込熱電対＋IR）、ひずみ・AE/FBG（アレスト判定）、高速可視化（噴流・固相挙動）。

  • 採気：ベント流の組成トレース（GC/FTIR）で相・μJTの実測裏付け。

  • 成果物：a_{\mathrm{dec}}(p)、T_{\min}(x,t)、アレスト距離、固相生成の空間分布。

4.4 データ→モデル同定

  • EOS係数・気液平衡・固相生成閾値をベイズ同化。低温靭性低下は DWTT/Charpy の温度依存で補間。運用レンジ外挿はフルスケール既往結果で拘束。

5. 腐食・脆化の試験設計（“sour×dense CO₂”の二重条件を再現）

  • 自動クローズドオートクレーブ：超臨界 CO₂（10–25 MPa）にH₂S 0–500 ppmv、H₂O 0–500 ppmv、O₂/NOₓ/SO₂ 微量を付与。温度 20–80 °C、静・流動を切替。EIS/重量減で一般腐食、表面分析で皮膜性状を同定。

  • SSC/HIC：NACE TM0177/TM0284 を濃度・pH設計して実施（材料別：母材／溶接金属／熱影響部）。硬さ・残留応力・硫化物皮膜との相関を明確化。

  • 温度サイクル：−60～+40 °Cでの熱衝撃を繰返し、低温靭性と皮膜剥離→局部腐食の連成を評価。

  • 評価指標：腐食率（mm/y）、pitting発生率、SSC/HIC 合否、低温靭性低下量を組成・水分の関数で地図化。

6. 設計・運用への落とし込み（“仕様×制御×監視”）

  1. 組成ウィンドウ：ISO 27913 を基に不純物上限・合計≦5%・水分露点・酸化性種の**“運用窓”**を明記。背圧／温度レンジと対で承認。

  2. RDF停止の信頼性：二曲線＋確率論で目標 PfP_{\mathrm{f}}Pf​（例：線路・年・km あたり）を定義し、DWTT分位×t_{\min}×アレスタの三変数で達成。

  3. 乾燥・酸性種管理：脱水・硫黄系除去のバイパス検出とインライン分析計（FTIR/近赤外）で露点・H₂S/O₂をモニタ。閾値超過で圧力・温度の自動デレーティング。

  4. 極低温対策：ベント向き・保温・アイスシェッド、低温靭性を満たすフランジ／ボルト仕様、計装ヒートトレース。

  5. 溶接・材料：sour 対応 WPS、硬さ上限制御、水素割れ対策。必要に応じて内面コーティング／CRA クラッドを局所適用。

  6. 運用 KPI：RDF 停止確率、T_{\min} 余裕、露点違反 0 件、腐食余寿命、組成逸脱の検出→対応時間。

7. ドラスティック提言（即効性のある打ち手）

  • 提言①｜“組成連動デレート”の自動化：H₂S・H₂O・非凝縮ガスのオンライン計測をSCADAに直結し、終圧・背圧・温度下限を自動再設定。

  • 提言②｜“小型FBRの型式試験”義務化：新規ライン／混合組成変更時は小型FBR 1本を係数同定用に施工。紙上評価→実証を最短で回す。

  • 提言③｜“二曲線×腐食”の統合KPI：RDF停止余裕（m/s）と腐食余寿命（年）を同一ダッシュボードで日次更新。

  • 提言④｜“sour”作法の内製：材料・溶接・硬さ・残留応力・水素管理をISO 15156 流儀で内規化、**CO₂専用の補正（低温・減圧）**を追記。

  • 提言⑤｜“季節プリセット”：夏冬の地温・背圧でμJT冷却と露点が動く。季節ごとに運用プリセットを切替、違反ゼロを堅持。

結論（Conclusions）

CO₂ 配管の健全性は、不純物×相挙動×低温冷却の多物理連成で規定される。H₂S・水分・非凝縮ガスは、腐食／脆化だけでなくRDF停止に直結する減圧曲線も変える。小型FBR試験で組成感度を短期同定し、実在気体解析×二曲線×腐食・脆化試験を往復させれば、設計—運用—監視を貫く信頼性設計が実現できる。鍵は、組成ウィンドウの明示、オンライン計測の自動デレート、RDF×腐食の統合KPIである。

参照リンク集

規格・総合

フルスケール／FBR・減圧

不純物の物性影響（μJT・相境界・運転点）

H₂S・腐食／脆化

拡散・安全・周辺

注：現地適用では、対象配管の組成レンジ（平均＋最大偏差）、温度・背圧・地温、脱水・除硫設備のトリップ統計、DWTT/Charpy・硬さ・WPSを収集し、本稿の小型FBR＋オートクレーブ試験で係数同定→二曲線＋腐食・脆化モデルに同化してください。最終判断はRDF停止確率と腐食・脆化余寿命の統合KPIで行うのが実務的です。

 
 
 

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