耐食性FRP樹脂で石油化学プラントの耐久性を向上

複合材料は高腐食環境での耐久性で知られていますが、最適な性能を得るには、用途ごとに適切な樹脂を選択することが不可欠です。SABIC（サウジアラビア、リヤド）子会社Petrokemyaのジュベイル石油化学コンプレックスでは、エチレン、スチレン、塩素、粗工業用エタノールなど多様な原料化学品を生産しています。生産プロセスのため、塩酸に耐えられる大型コンポーネントと配管を備えた燃焼ユニットが必要でした。

燃焼ユニットのクエンチタンク、スクラバー、排気タンク、関連容器と配管の設計・製造は、耐食性機器製造業者Ollearis（スペイン、マルトルレス）、請負業者China Tianchen Engineering Corp.（TCC、中国、天津）、エンジニアリング会社John Zink Hamworthy Combustion（米国オクラホマ州タルサ）を含むチームに任されました。これらのコンポーネントは、塩酸との接触に耐え、いくつかの設計課題を満たし、コスト効率の良いソリューションであることが求められました。

ガラス繊維強化複合材料は、高腐食性化学物質に耐え、特殊金属合金よりもコスト効率の良いソリューションを提供できる材料として選ばれました。すべての主要コンポーネントは、リフティングラグとホールドダウンラグ（ステンレス鋼）、スプレーノズル（熱可塑性または金属）、スクラバーパッキンなどの少数の例外を除き、繊維強化プラスチック（FRP）で構築されました。

最も経済的なソリューションを提供しながら性能要件を満たすため、OllearisはAOC（米国テネシー州コリアビル）の3種類のAtlac樹脂を採用しました。「AOC耐薬品性ガイドとAOCテクニカルサービスチームの専門知識を用いて、クライアントが詳細に指定した取扱流体と設計温度を考慮し、樹脂タイプを選定しました。提案された樹脂が必要な条件下で良好に機能することを確認する必要がありました」と、Ollearisテクニカルマネージャーのアドリアーノ・ウレーニャ氏は説明します。

クエンチタンクには、ガス洗浄プロセスの第一段階であるクエンチタンクに、Atlac 590エポキシノボラック樹脂が選ばれました。タンクは高さ11.8メートル、内径3メートルです。課題は、運転時に燃焼ユニットからの排ガスが約300℃でこのクエンチタンクに入り、ガス入口付近のノズルから噴霧される水で非常に急速に冷却されることです。Atlac 590は、塩酸溶液への耐性と、必要な高温での強度保持のために選ばれました。

高さ14.10メートルのスクラバー、清浄ガスが放出される高さ39.7メートルの排気スタック、スクラバーとクエンチタンクを接続する長さ1.45メートルのダクトには、Atlac 430ビスフェノールAエポキシビニルエステル樹脂が選ばれました。これは、これらのコンポーネントの比較的緩やかな温度条件（スクラバーと排気スタックの設計温度は最大85℃）に適した汎用的な標準製品です。スクラバーは、クエンチタンクからの塩酸溶液と、酸を中和するために使用されるスクラバー水に含まれる水酸化ナトリウム溶液にさらされます。排気スタックも、少量の塩酸と湿った塩素を含む空気にさらされます。

スクラバーとクエンチタンク周辺の配管システムには、標準ビニルエステル樹脂よりも低コストで酸と苛性流体に対する耐薬品性を持つ、Atlac 383不飽和ビスフェノールAポリエステルが選ばれました。

クエンチタンク、スクラバー、スタックの円筒部分は、湿式フィラメントワインディングと外層の双方向織布を同時に施すハイブリッド製造プロセスで製造されました。この組み合わせにより、ホープ方向（フィラメントワインディング由来）と軸方向（織布由来、部品軸に沿う）の両方で優れた機械的特性を持つ部品が生産されました。織布の追加により、部品あたりのガラス繊維重量比が、完全フィラメントワインディング部品の70%から55%に減少し、部品あたりの耐食性樹脂量が増加しました。その他のコンポーネントは手積みで製造されました。

設計課題の解決

Ollearisは、このプロジェクトの機器設計でいくつかの課題に直面しました。一つは、クエンチタンクの内面に樹脂リッチな耐食バリア層を含める必要があり、運転中の熱衝撃によるクレージング（微細亀裂）のリスクをもたらしました。チームは、カーボンファイバーサーフェシングベールで耐食バリアを補強することで、コンポーネントの熱衝撃耐性を向上させました。

二つ目の課題は、スクラバー内部のパッキング（スクラバーを通過する空気からガスを除去する材料）の重量を支える方法を見つけることでした。これを解決するため、Ollearisはパッキングの下に複合材グレーティングを設置し、複合材レッジと2本の複合材ビームで支持しました。レッジとビームは中空長方形断面を持ち、レッジはポリウレタンフォームで充填されています。レッジは、フィラメントワインディングされた円筒形スクラバーに一体化してワンピースで製造されました。製造後の接着は、パッキング重量による荷重で剥離リスクをもたらすためです。ビームは、スクラバーシェルに接着された特別に設計された複合材ノズルで支持されています。

三つ目の設計課題は、クエンチタンクとスクラバーが真空下で動作するが、底部が平らであることです。平らな複合パネルは圧力と真空に対する抵抗が弱く、通常このような荷重に耐えるには非常に厚くする必要があり、製造コストが高くなります。プロジェクト目標を達成するため、Ollearisは、樹脂含浸3Dガラス繊維布コアを複合スキン層で挟んだサンドイッチ構造を開発し、ソリッド複合部品のコストと重量を削減する、より安価なソリューションを採用しました。

このプロジェクトでは、複合コンポーネントは2016年に設計・納入され、最終設置は2017年に完了しました。