硫化物応力腐食割れが炭素鋼の溶接部を突然破壊する理由

硫化物応力腐食割れと炭素鋼の溶接部が抱えるリスクの全貌

強度が高い炭素鋼ほど、硫化物応力腐食割れで先に破断します。

硫化物応力腐食割れ（SSC）の基本メカニズムと炭素鋼への影響

硫化物応力腐食割れ（SSC：Sulfide Stress Cracking、またはSSCC：Sulphide Stress Corrosion Cracking）は、硫化水素（H₂S）を含む湿潤環境に置かれた炭素鋼や低合金鋼が、引張応力の作用下でほぼ予告なく突然破壊する現象です。石油・ガスのプラントや油井管、ラインパイプなどで繰り返し確認されてきた重大な損傷モードで、1940年代から現場での問題として認識されています。

割れのメカニズムは大きく4段階で進行します。まず、湿潤なH₂S環境下で鋼材表面が腐食し、硫化鉄（FeS）と水素原子（H）が生成されます。ここで注意が必要なのは、発生するのが分子状水素（H₂）ではなく「水素原子（H）」であるという点です。H₂Sは鋼表面付近で原子状水素が分子に再結合するのを阻害する触媒として作用するため、通常の腐食反応と比べて100倍以上もの水素原子が鋼内部に侵入しやすくなります。侵入した水素原子は鋼の内部へ拡散し、転位の動きを阻害するとともに結晶粒界の結合力を低下させます。これが水素脆化です。脆化した鋼材に引張応力が加わると、塑性変形をほとんど示さないまま一気に破断します。これがSSCの最大の怖さです。

割れの見た目は「脆性破壊」そのものです。延性破壊のような断面の絞りがなく、ほぼ平坦な破断面が現れます。しかも破断前の目視変形がほとんど見られないため、割れが進行していても外観上は気づきにくいという特徴があります。これは現場にとって大きなリスクです。

つまり「見た目が正常でも内部では割れが進んでいる」ということですね。

SSCが特に起きやすいのは溶接部です。溶接の際には溶接金属や熱影響部（HAZ：Heat Affected Zone）が急熱・急冷されるため、マルテンサイト組織が形成されやすく硬度が局所的に高くなります。また溶接後の冷却過程で引張残留応力が発生します。硬度上昇と引張残留応力という2つの条件が、H₂S湿潤環境（環境因子）と重なると、SSC発生の三拍子がそろってしまいます。

溶接学会の技術資料では、炭素鋼・低合金鋼の湿潤硫化水素サービスにおけるSSCリスクが詳しく解説されています。

Q炭素鋼・高張力鋼の溶接部における使用環境と硬さ制限 | 溶接情報センター（一般社団法人 溶接学会）

硫化物応力腐食割れとHICの違い：現場で混同しがちな2つの損傷

湿潤H₂S環境では、SSCのほかに水素誘起割れ（HIC：Hydrogen Induced Cracking）も発生します。名前も発生環境も似ているため、現場での混同が起きやすい損傷です。しかし両者の性質は根本的に異なります。これは条件です。

最大の違いは「応力の有無」です。SSCは引張応力が発生の必須条件ですが、HICは外部応力や残留応力がなくても発生します。鋼材の内部に水素が蓄積され、非金属介在物（MnSなど）を起点に鋼の圧延方向と平行に割れが進展するのがHICです。割れが複数の層で発生してそれらが連結すると「ステップ割れ（SOHIC：Stress Oriented HIC）」と呼ばれる階段状の亀裂になります。表面近傍では「ブリスター（膨れ）」として観察されることもあります。

一方でSSCは溶接部・HAZの高硬度部分、あるいは高強度ボルトのような引張応力が集中する部位から発生します。割れは応力に対して垂直方向に進展し、粒界割れまたは擬へき開破面を呈します。

比較項目	SSC（硫化物応力腐食割れ）	HIC（水素誘起割れ）
引張応力	✅ 必須	❌ 不要
発生場所	溶接部・HAZ・高強度ボルト	鋼板内部（介在物起点）
割れの方向	応力に垂直	圧延方向に平行
材料硬度	高硬度材ほど危険	軟鋼（低強度材）でも発生
割れ形態	脆性割れ（粒界/擬へき開）	ステップ割れ・ブリスター
主な規格	NACE MR0175/ISO 15156	NACE TM0177ほか

注目すべきは「低強度・低硬度の炭素鋼でも安心できない」という点です。低硬度材ではSSCの感受性は低くなりますが、逆にHICやステップ割れを起こしやすくなります。つまり、どの強度帯にいてもH₂S湿潤環境下では何らかの水素関連割れリスクが残ります。SSCかHICかで対策の方向性が変わるため、まずどちらの損傷モードかを正確に特定することが先決です。

SSCとHICを含む環境割れの分類と各損傷モードの特徴について、エネルギー鋼材の専門サイトが詳しくまとめています。

環境クラッキングの種類（HIC・SSC・SOHICほか）の解説 | Future Energy Steel

硫化物応力腐食割れを防ぐ硬度管理とNACE MR0175規格の要点

SSC対策の中心になるのが「硬度管理」です。これが基本です。

NACE MR0175/ISO 15156（石油・ガス産業における腐食環境耐材料規格）では、H₂S含有環境で使用する炭素鋼および低合金鋼の硬度上限を以下のように規定しています。

• 母材・溶接金属：HRC 22以下（HV 235以下、HB 237以下）




• HAZ（熱影響部）：HV 248以下（溶接施工法確認を行った場合）




• 石油精製設備（NACE RP0472準拠）：HAZ HV 200以下が推奨される場面もある

HRC 22という数値がどれくらいの硬さかというと、一般的な焼きならし状態の炭素鋼（SS400など）はおおよそHV 130～160程度なので余裕がありますが、溶接後のHAZでは急冷によりマルテンサイトが形成されHV 400を超えることもあります。これはHRC 22の2倍近い硬さです。この領域がSSCに対して極めて敏感です。

さらに見落とされがちな事実があります。SSCは高温が不要な点です。高温水素腐食（HTHA：High Temperature Hydrogen Attack）は200℃以上で起きますが、SSCは常温・常圧でも発生します。冬場の屋外タンクや配管内の結露水でも条件がそろえば起こりえます。厳しいところですね。

もうひとつ重要な点として、カソード電気防食（陰極防食）がSSCに対しては逆効果になる場合があることが挙げられます。通常の腐食防止には有効な陰極防食ですが、SSCの観点では陰極防食が水素発生を促進するため、鋼中への水素侵入量がかえって増加し割れリスクを高めることがあります。NACE MR0175にもこの点の注意が明記されています。

現場での実務として、溶接施工前の段階から「溶接施工法確認試験（PQR/WPS）」でHAZ硬度を確認しておくことが不可欠です。溶接後に硬度超過が判明しても部分的な再施工では対処が難しく、設備の停止・修正コストが膨らみます。設計・製作段階での先手管理が、SSCによる損失を防ぐ最短経路です。

NACE MR0175/ISO 15156の適用範囲・材料要求事項の概要については以下のリンクが参考になります。

NACE MR0175/ISO 15156の概要：耐酸性材料の選定基準 | China Metal Supply

硫化物応力腐食割れを防ぐPWHTと溶接管理の実務ポイント

硬度管理と並んでSSC対策の「王道」と呼ばれるのが、溶接後熱処理（PWHT：Post Weld Heat Treatment）です。

PWHTは溶接構造物を加熱し、高温でのクリープ変形を利用して溶接残留応力を緩和する熱処理です。炭素鋼では一般的に595～635℃程度に加熱して一定時間保持したのち炉中で徐冷します。これにより溶接残留応力が降伏応力以下まで低下するとともに、HAZのマルテンサイト組織が焼き戻されて硬度が下がります。これは使えそうです。

ただし、PWHTにはいくつかの注意点があります。

• 加熱温度が低すぎると残留応力の緩和が不十分になる




• 過度な加熱は溶接部の靭性を逆に低下させるケースがある




• 局所加熱（局部PWHT）では熱の分布に不均一が生じやすい




• 大型構造物では全体加熱が困難な場合があり、施工計画に工夫が必要

PWHTと並行して有効な対策として、ショットピーニングがあります。溶接部の表面に鋼球（直径0.5mm前後のショット粒）を高速で吹き付け、表層に圧縮残留応力を付与することで引張残留応力を相殺します。PWHTのように全体加熱が必要なく、局所的な補強が可能な点が現場での強みです。

溶接管理の観点では「予熱」も重要です。予熱を適切に行うことで冷却速度が下がり、HAZのマルテンサイト生成を抑制して硬度上昇を防げます。また、低水素系溶接材料（低水素電極・フラックス入りワイヤ）の使用と適切な保管（ベーキング）により、溶接時の拡散性水素量を最小化することが求められます。

予熱温度はどうすればいいでしょうか？炭素当量（Ceq）や溶接パス間の拘束度によって変わりますが、一般的な炭素鋼では最低50℃以上の予熱が推奨される場面が多く、高拘束継手では100℃以上が必要になるケースもあります。溶接施工管理者と事前に確認しておくのが原則です。

PWHTおよびショットピーニングによるSCC対策の詳細については以下の資料が参考になります。

耐SCC性｜応力腐食割れの発生要因と対策技術 | 関西メタリコン工業株式会社

硫化物応力腐食割れの検査手法と見落としやすい損傷サインの読み方

SSCは前述のとおり「外観変化が少ない」破壊モードです。割れが進行していても外から見てわかる兆候が乏しく、定期検査の精度が設備の安全を左右します。

内部の割れ・割れ進展を検出するには超音波探傷試験（UT：Ultrasonic Testing）が必要です。探触子から発した超音波が内部の割れや境界面で反射する信号を捉えます。HICのようなラメラ割れ（圧延方向の内部割れ）もUTで検出可能です。最近では位相配列式超音波（PAUT）を使うことで、より広範囲を高精度に短時間でスキャンできるようになっています。

SSC環境に置かれた設備の定期検査では、次のポイントを押さえておくことが重要です。

• ✅ 溶接部・HAZを優先的にMTまたはUTで検査する




• ✅ H₂S濃度・pH・温度の環境モニタリングを継続する




• ✅ 溶接部の硬度を定期的にポータブル硬度計で確認する（HRC 22超えは即時対処）




• ✅ 内面腐食生成物（黒色のFeSスケール）の発生状況を確認する




• ✅ 高強度ボルト・スタッドのSSC感受性も確認する（割れは溶接部以外にも波及する）

SSCはその発生の性質上、一度割れが始まると非常に短時間で貫通破断に至ることもあります。「前回検査で問題なかった」という経験則だけに頼らず、環境条件の変化（H₂S濃度上昇、pH低下など）があった場合は臨時検査を実施する体制を整えておくことが現場での損失防止につながります。

なお、SSCの試験方法はNACE TM0177として標準化されており、Method A（定荷重引張試験）、Method B（ベンドビーム試験）、Method C（C型リング試験）、Method D（双片ビーム試験）の4種類があります。それぞれ用途・適用材料に応じて選択します。

鉄鋼材料の各種損傷機構とSSC・HICの詳細分類については以下が詳しいです。

鉄鋼材料の損傷機構一覧表 ＝腐食（SCC：その1） | MatGuide（材料技術情報ポータル）

硫化物応力腐食割れを防ぐ材料選定の独自視点：「強くすれば安全」が通じない落とし穴

ここだけでしか読めない視点を紹介します。

金属加工の現場では「材料を高強度化すれば設備の信頼性が上がる」という考え方が根強くあります。確かに疲労破壊や機械的損傷に対してはその通りです。しかしSSC環境においては、この常識が完全に逆転します。

低強度・低硬度の炭素鋼（HRC 22以下を保てる材料）はSSCを起こしにくい。一方で降伏強度が高い高張力鋼や、溶接後に硬化したHAZはSSCに対して著しく脆弱です。要するに、H₂S湿潤環境で「より強い鋼を使おう」という判断が、むしろ破断リスクを高める逆転現象が起きます。

具体的な数字で示すと、一般的な炭素鋼（例：ASTM A106 Grade B）の降伏強度は約240MPaで、HRC 22相当（≒235HV）の範囲に収まりやすい材料です。ところが高強度鋼（例：API 5L X80グレード以上）では降伏強度が550MPaを超え、SSC環境での硬度管理が格段に難しくなります。つまりSSCリスクが高い環境ではあえて強度グレードを下げる選択が正解になります。

また、異種材料を接合する際の電位差も見落とされがちです。炭素鋼とステンレス鋼（CRA：耐食性合金）を同一系統に混在させると、電気化学的な電池が形成され炭素鋼側の腐食が促進されます。特にH₂S環境では水素発生がさらに助長されるため、接合部の材料組み合わせには細心の注意が必要です。

SSC対策の材料選定フローをまとめると次のとおりです。

• ⑴ H₂S含有の湿潤環境かどうかを確認する




• ⑵ 使用する炭素鋼・低合金鋼の実硬度（母材・HAZとも）をHRC 22以下に設計する




• ⑶ 溶接施工法（WPS）を確認し、予熱・PWHTの実施を標準化する




• ⑷ 高強度化が必要な場合はSSC耐性を持つCRA（Cr-Ni系合金など）への置き換えを検討する




• ⑸ 現場の環境変化（H₂S濃度・pH）を常時モニタリングする体制を整える

「軟らかい材料を選ぶ勇気」が、SSC環境では設備を長持ちさせる判断です。これは一般的な設計思想と真逆なだけに、現場でのコンセンサス形成が難しい部分でもあります。設備維持管理担当者と設計・調達担当者が同じ認識を持てるよう、NACE MR0175/ISO 15156を社内基準として明文化しておくことが、長期的な損失防止に直結します。

SSCおよびHIC・SOHIC対策における炭素鋼の材料選定・硬度管理の詳細については以下の資料が有用です。

用語解説 硫化物応力腐食割れ（SSCC）| 腐食防食・技術ガイド vol.498