熱可塑性複合材パイプが深海作業に革命をもたらす

Airborne Oil & Gas（AOG、オランダ、アウムイデン）とMagma Global Ltd.（英国、ポーツマス）のウェブサイトニュースページを見ると、2018年が深海用途向け熱可塑性複合材パイプ（TCP）の二大メーカーにとって画期的な年だった印象を受けます。しかし、2019年のこの成長著しい複合材市場に関するニュースが、前年を凌駕する可能性も十分にあります。

AOGの2018年主な成果

6月、南米の主要オペレーター向けに炭素繊維/ポリフッ化ビニリデン（PVDF）ライザー（海底生産システムと海上生産船を接続するパイプ）の認定プログラムを開始。Subsea 7（ルクセンブルク）という大手海洋設置請負業者と協力しました。8月、ガラス繊維/高密度ポリエチレン（HDPE）フローライン（井戸口をさらなる処理設備に接続するパイプ）の炭化水素（フルウェルボア）サービスでの世界初パイロット設置に至る広範な5年間認定プログラムの後、Petronas（マレーシア、クアラルンプール）がAOGのTCPフローラインを技術成熟度レベル6（ベータプロトタイプ検証）達成と認定。「2019年にはTRL 7（パイロットシステム実証）到達を期待している」とAOG CCOのマーティン・ファン・オンナ氏は報告しています。これらの成功した認定とパイロットプログラムに加え、AOGは特にガラス繊維/HDPE TCPで商業的実績を伸ばしています。

Magmaの2018年も同様に多忙

3月、Tullow GhanaがTEN海洋油田開発向け2.5kmフローラインでMagmaと契約。5月、Ocyan（ブラジル、リオデジャネイロ）というオフショアサービス会社と協力し、Magmaの炭素繊維/ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）m-pipeを採用した複合マルチボアハイブリッドライザー（CMHR）設計を完了し、サードパーティ検証を取得。MagmaとOcyanはブラジル深海開発向けにCMHRを入札中。8月、Equinor（ノルウェー、スタバンゲル）との共同イニシアチブが、英国政府資金源Innovate UKから1,050万ポンドの資金を獲得し、ジャンパー（フローラインおよび/または海底施設を接続するパイプ）向けオールMagmaソリューションの認定を推進。11月、エネルギー研究所（英国、ロンドン）が2018年イノベーション賞をMagmaのm-pipeに授与。深海埋蔵量での石油・ガス生産課題の解決と再利用可能性が評価されました。

2019年、AOGとMagmaは花開く複合材市場に対応するため、生産能力大幅増強を計画しています。「特に昨年後半は、需要が非常に速く伸びており、非常に急速に成長する必要がある」とファン・オンナ氏は断言します。

TCPの魅力

この急成長の背景には、深海石油・ガス用途でのTCP展開の比較的短い歴史があります。TCPは強化熱可塑性パイプ（RTP）とは異なることに注意が必要です。RTPは1990年代から存在し、熱可塑性ライナーを非接着のアラミドまたはガラス繊維複合材でオーバーラップし、熱可塑性でコーティングしたものです。TCPより低圧力・低温度用途に使用されます。TCPも同様の材料セットで構成されますが、より高圧力と広い温度範囲に適しています。理由は二つ。第一に、一部のTCPはPEEKのような高性能熱可塑性樹脂や炭素繊維のような高強度補強材を使用。第二に、TCP層は溶融融着製造プロセスで互いに「接着」されており、同じ材料で作られたRTPより高性能特性を発揮します。

わずか11年前、ファン・オンナ氏が回想するように、深海用途でTCPは「一切」展開されていませんでした。2009年、AOGが最初のオフショアTCPダウンライン（海底へ流体を汲み上げ、海底パイプラインや海底井戸へ注入する用途）を開発・展開。2012年にフルサケールTCP生産サイトを建設。2018年までに、AOGは生産能力を3ラインに拡大し、ガラス繊維/HDPE（65℃/150°F、5ksiまで）、炭素繊維/ポリアミド12（80℃/180°F、10ksiまで）、炭素繊維/PVDF（121℃/250°F、15ksiまで）の製造能力を備えています。

一方、Magmaは2009年設立、2012年にm-pipe展開開始、2016年に英国ポーツマスで生産サイトを開設。5周年記念式典でCEOのマーティン・ジョーンズ氏は「航空業界は炭素繊維使用が標準になった良い前例だ。石油・ガスでも今まさにそれが起きている。全主要オペレーターと現在取り組み中だ」とコメントしました。

TCPの採用拡大は、従来パイプに対する多数のコスト削減メリットに起因します。例えば、材料コストは高いものの、AOGの最高性能炭素繊維/PVDFフローラインは、金属フローライン比で据付コスト30%削減を報告。同様に、Calash（英国ロンドン）の商業レビューでは、m-pipeと鋼管の単列オフセットライザー（SLOR）用途比較で、据付コスト11%削減を推定。これらの節約は、TCPのいくつかの特性により、輸送、準備（エンドフィッティング取り付け等）、設置が他材料パイプより大幅に安価になることに起因します。

複合材によくある最初の特性は軽量さ（TCPは鋼管の1/10程度）ですが、軽量さと柔軟性の組み合わせが決定的な利点を生みます。パイプを比較的小型のドラムや海底パレットにスプールできるためです。これにより、小型船舶で長距離TCPを輸送・設置可能になり、従来の重量物揚重船展開が高コストとなる遠隔オフショアロケーション（西アフリカ沖など）で物流・経済的な恩恵をもたらします。TCPの溶融融着能力によるもう一つのコスト削減メリットは、現場でパイプ端末処理とエンドフィッティング設置が可能なことです。

TCPは高強度、柔軟性、容易な端末処理の組み合わせを提供し、従来金属パイプ（強いが剛性）と非接着層のヘリカル金属ワイヤーと押出熱可塑性で作られるフレキシブルパイプ（柔軟だが重く、現場端末処理が非常に高コスト）の長所を兼ね備えています。TCPは、外部条件と内部流体による内部条件の両方から、深海用途の要求される圧力と温度を効率的に処理できます。TCPの熱可塑性ライナーは摩擦係数が低いため高流量を実現。最後に、腐食耐性と疲労耐性という2つの重要特性により、エネルギー企業がより頻繁に深層で見つかるサワー（酸性）原油を輸送する中でも、TCPは高い耐久性を発揮します。

パイプ生産の加速

需要加速に備え、AOGは生産能力を5倍にする3か年プログラムの1年目にあります。「10以上の個別施策を実施し、すべてが生産能力増強につながる」とファン・オンナ氏。

TCPはAOGで3つの連続工程で製造されます。第一に熱可塑性ライナーを押出。次に、インシチュ統合付き自動テープレイ（ATL）で、繊維強化熱可塑性テープを数層〜100層巻き付け、各層を前層に溶融融着。最後に、コーティング押出ダイを通します。これは通常の共押出ではないとファン・オンナ氏は説明します。「外側複合層を溶融し、コーティングをラミネートに圧力成形する。結果として、コーティングとラミネート間に高せん断強度を持つパイプが得られ、顧客がどこでもTCPを端末処理でき、高強度・耐久性・保護性のあるコーティングを維持できる。」

AOGは巻き付けステーション追加（能力増強の明確な方法）に加え、押出と巻き付け速度を向上させています。独自の自動検査システムを生産ラインに統合し、生産速度向上でも一貫した特性と性能を保証しています。

Magmaの製造プロセスもAOGに類似しています。Magma m-pipeは約25%炭素繊維、25% S2ガラス繊維、50% PEEKで構成。Magmaは自社製造プロセスを「完全自動化ロボット3Dレーザープリントプロセス」と呼んでいます。PEEK製スムーズボア内管前駆体を押出し、その上にATLプロセスでレーザーを用いてガラス繊維/PEEKと炭素繊維/PEEKテープを交互に層ごと溶融融着します。MagmaはPEEKを選択しました。同社はVictrex（英国ランカシャー）から調達しています。非常に高い疲労耐性があるためです。補強材は東レインダストリーズ（東京、日本）が供給。Magmaは内部ポーツマス生産ラインだけでなく、移動式イン・カントリー製造モジュール（ICMM）でも生産需要に対応しており、最初のICMMもポーツマスで稼働中。ライザー用途では特に物流的・財務的に現地生産を好むため、更なるICMM展開を予定しています。

商業的成功が目前に

重要なのは、TCP開発と並行して、深海用途TCPの設計・認定に関する正式規格が策定されたことです。この規格への道のりは骨の折れるものでしたが、結果としてエネルギー専門家の間で製品の長期性能と期待使用コストへの大きな信頼を生む文書とガイドラインが出来上がりました。パイプ故障が許されない、高度に規制され厳しく監視されるオフショア石油・ガス生産業界では、こうした信頼が不可欠だと想像できます。ファン・オンナ氏によれば、規格は基材認定、設計手法、製造技術をカバーしています。AOGは、自社TCP基材と製造品質が、航空宇宙で使用されるベンチマークのオートクレーブ硬化複合構造と同等であることを実証できました。

AOGの認定アプローチは、「すべての基材について個別に認定を実施。その後、それら認定済み材料を使用して任意サイズのパイプを設計・製造する」というものでした。認定達成とTRLレベル上昇を経て、TCPは2019年から大量製品の段階に入るとファン・オンナ氏は確信しています。