バッチ系化学プラントの設備に使う主要材質(material)について紹介します。
材料に関する知識は化学プラントのエンジニアなら必須です。
特に機械系の設備エンジニアは、子の材質をいかに上手く使いこなせるかがスキルの1つ。
材質は種類が多いだけに、必要なものに絞って理解していきましょう。
鉄鋼材料
鉄鋼は鉄に色々な元素を混ぜた物です。
元素の組み合わせが多いだけに、鉄鋼の種類は非常に多いです。
その中でも化学プラントで使用する鉄鋼材料を見ていきましょう。
構造用鋼
構造用鋼とは建物や装置に使う鉄鋼のことです。
- SS 一般構造用圧延材
- SM 溶接構造用圧延材
- SB ボイラ用圧延材
- SPV 圧力容器用鋼板
- SLA 低温圧力容器用炭素鋼鋼板
SS400があまりにも有名でしょう。
SM材やSLA材も低温系で使用します。
鋼管
鋼管とは配管に使う鉄鋼のことです。
SGPがあまりにも有名で、あとはSUSが耐食配管としてよく使いますね。
どうでもいいことですけど、低温用とか高温用という表現を見ると、ちょっとワクワクしませんか？
構造用合金鋼
構造用合金鋼とは構造鋼を強化した合金鋼です。
強化するための元素を添加しています。
- SCr クロム鋼鋼材
- SCM クロムモリブデン鋼鋼材
- SNC ニッケルクロム鋼鋼材
- SNB 特殊用合金鋼ボルト鋼鋼材
- SNCM ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材
CがクロムCr、MがモリブデンMo、NがニッケルNiであることが分かれば、記号と名称のリンクはできますね。
特殊用途鋼
特殊用途鋼は言葉どおり特殊用途です。
- SUS-B ステンレス鋼棒
- SUS-HP 熱間圧延ステンレス鋼板
- SUS-CP 冷間圧延ステンレス鋼板
- SUJ 高炭素クロム軸受鋼鋼材
耐熱鋼
耐熱鋼は言葉どおり熱に強い鉄鋼です。
- SUH-B 耐熱鋼棒
- SUH-P 耐熱鋼板
鋳鋼
鋳鋼は鋳造で作る鉄鋼です。鋳物と呼ぶことが多いです。
- SC 炭素鋼鋳鋼品
- SCS ステンレス鋼鋳鋼品
- SCH 耐熱鋼鋳鋼品
鋳鉄
鋳鉄は鋳造で作る鉄です。鉄鋼ではなく鉄。
- FC ねずみ鋳鉄品
- FCD 球状黒鉛鋳鉄品
FCMB 黒心可鍛鋳鉄品という種類は昔は使用していました。
高級材質
高級材質というと以下の種類があります。
- ハステロイC
- 二相ステンレス SUS329J4L
- チタン
- ジルコニウム
いずれも超高価・長納期です。
ハステロイCは高級材質としてはあまりにも有名。
バッチ系化学プラントで使う材質(material)
化学装置に使用する材料として上で紹介した材料は33種類！多いですよね。
現場レベルではこんなに多くの種類を使い分けている余裕はありません。
実際にバッチ系化学プラントで使用している物に限定してみましょう。
- SS 一般構造用圧延材
- SM 溶接構造用圧延材
- SGP 配管用炭素鋼鋼管
- SUS-TP 配管用ステンレス鋼鋼管
- SCS ステンレス鋼鋳鋼品
- FC ねずみ鋳鉄品
- FCD 球状黒鉛鋳鉄品
構造・配管・鋳造という3種類と鉄・ステンレスという2種類の組み合わせて、
下の表のようにまとめることができます。
| 構造 | 配管 | 鋳造 |
| SS,SM | SGP | FC,FCD |
| – | SUS,ハステロイC | SCS |
ここまでくると、かなり整理できますね。
- SMがSSの派生形であること
- SGPWやSTPGがSGPの派生形であること
- FC/FCD/SCSがSGP/SUSの親戚であること
この辺りを知っているだけで実務として使いやすいです。
非鉄金属
鉄以外にも金属材料はいっぱいあります。
これを非鉄金属と呼びます。
バッチ系化学プラントで使う範囲でまとめました。
銅
化学プラントでの銅の使い道は大きく2つです。
配線とトレースです。
配線は電気伝導率の高さを狙ったものです。
電気配線・制御配線に大活躍します。
配管トレースに銅を使うのは施工性の良さと熱伝導率の高さを狙っています。
銅はアンモニアに対する腐食性がなく、アセチレンと接触すると不安定な物質を形成します。
トレースなら銅というのが施工者側の常識で、トレースなら鉄というのが化学屋の常識です。
鉄管でトレースができずに、銅だと問題がある場合は、二重管の出番ですね。
アルミ
アルミは鉄より軽く電気伝導率や熱伝導率が高いことが特徴です。
バッチ系化学プラントではこの目的でアルミを使うことはありません。
アルミを使う目的、それは軽さ。これだけです。
地面を這った配管を避けるための階段や、高所で作業するための作業架台は鉄が普通です。
でも、鉄って重たいですよね。
鉄の架台を付けてしまうと、取り除くことができません。
移動式の架台は製造現場では非常に好まれます。
移動しやすくするためには軽い方がいい。そこでアルミの出番です。
アルミの成形は難しく、鉄よりもコストも納期も掛かります。
市況に出回っているアルミ踏み台以外に、カスタム品をアルミで作るのは辞めた方がいいでしょう。
カスタム品は鉄で作るしかありません。
でも、カスタム品って化学プラントで大活躍なのですよね。
チタン
非鉄金属としてチタンを使うことがあります。
チタンは耐食性が極めて高いです。
扱いが若干問題があり、コストも納期も掛かるのがチタン。
バッチ系化学プラントでは使うのは、プレート式熱交換器くらいでしょう。
普通は取り扱うことがありません。
非金属材料
金属材料意外として非金属材料を見ていきましょう。
セラミック
セラミックとはシリコンカーバイド(SiC)やアルミナ(Al2O3)が有名です。
セラミックは金属と同じように強度が強いですが、電気を通しません。
耐食性が高いものも多いです。
化学プラントではメカニカルシールの材質に重宝します。
合成樹脂
合成樹脂とは非常に幅広いです。
熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂という区分が最初に出てきます。
その後に、樹脂の詳細が登場します。
樹脂としてはフェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂などがあります。
ビニル樹脂・ポリエチレン樹脂・ポリプロピレン樹脂などは配管材料で登場しますね。
バッチ系化学プラントではほぼ排水系統に限定されています。
フッ素樹脂といえばPTFE。
高耐食で有名です。
PTFE単体としても使いますが、材料に混ぜ込んで使用するなど応用性も非常に高いです。
PTFE単体の場合はガスケットが有名ですね。
FRPもこの分類に該当します。
合成ゴム
ゴムというと輪ゴムを想像するでしょう。
天然ゴムをイメージしてしまいがちですが、化学プラントでは合成ゴムです。
合成ゴムとしては、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、パーフロロエラストマー、フッ素ゴムなどがあります。
NBR,CR,EPDMは耐食性が低いゴムで、オイルシールなどのシール材に使います。
パーフロ・フッ素ゴムは耐食性のシール材としてガスケットやOリングに使います。
バッチ系化学プラントのような特殊な耐食性がいる環境では、パーフロ・フッ素ゴムの出番が強いです。
ここはもっと専門的な知識が必要です。
FKMを妄信し過ぎないことがポイントですね。
2021年から22年にかけてフッ素系の需要が非常に高まっていて、パーフロなどの特殊材は入手が非常に困難になっています。そんな時にはFKMで代用するなどの妥協が必要かもしれません。参考：PTFEが入手できない
不浸透黒鉛
不浸透黒鉛は、カーボンに合成樹脂を混ぜ込んだものです。
カーボン自身は熱や腐食に強いですが、中身がスカスカなのが難点。
ここに樹脂を混ぜ込んで密閉性を上げた物が不浸透黒鉛です。
バッチ系化学プラントでは熱交換器や塔に限定されています。
というのも環境が良くなかったり、金額が高かったり、割れたり・・・と
デメリットが目立つからです。
樹脂の組み合わせによって性質を変えることが可能です。
これを利用して過酷な環境では不浸透黒鉛を使わざるを得ない、という場合があります。限定的ですけどね。
グラスライニング
グラスライニングは言葉どおりガラスをライニングしたもの。
ガラスはバッチ系化学プラントでは非常に多く使います。
酸に強い
このメリットがバッチ系化学プラントの生産レシピにマッチしているからです。
バッチ系化学プラントでは多くの酸を使い、腐食性が高い薬液を使います。
ここに、いちいち高級な耐食性金属を使っていると、コストが高すぎてビジネスが成立しません。
これを安価にするためにグラスライニングがあります。
グラスライニングは鉄にガラスをライニングしたもの。
- 鉄は強度が高いが、腐食しやすい。
- ガラスは強度が低いが、腐食しにくい。
という良いとこ取りをしたものが、グラスライニングです。
化学プラントの設備では、良いとこ取りの製法って本当に多いですね。
グラスライニングは化学装置や配管に数多く使っています。
参考
最後に
化学プラントの設備で使用する主要材料について紹介しました。
鉄鋼・非鉄金属・金属に分類しています。
SS400・SGP・SUS304・SUS316L・カーボン・ガラス・PTFEくらいが基本です。
機械系エンジニアは設備の材質について知識と判断の両方を求められます。
知識だけを持っている研究者ではありません。製造部と協力して運転のために知恵を絞りましょう。
化学プラントの設計・保全・運転などの悩みや疑問・質問などご自由にコメント欄に投稿してください。（コメント欄はこの記事の最下部です。）
*いただいたコメント全て拝見し、真剣に回答させていただきます。