メタノール合成塔の内部漏れ問題に関する考察

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メタノール合成塔の内部漏れ問題に関する考察　時柯　要約：メタノール合成塔の使用過程で発生する漏れの原因を分析し、その対処策について研究することで、メタノール合成塔の製造および使用に役立つ情報を提供する。キーワード：パラメータ、欠陥検出、き裂、応力、原因、対処、措置
1. はじめに
化学製造企業にとって、その重要な設備の運用の安定性、信頼性、および効率性は、企業の存続に不可欠な要素である。メタノール製造装置において、メタノール合成塔はその装置の核心的かつ重要な設備であり、故障が発生するとシステム全体の運転に影響を及ぼします。また、この設備の製造は困難で工期も長く、コストも高額です。あるメタノール製造プラントのメタノール合成塔は3基が連結されて1基の塔となっており、そのうち1基は2000年6月に運転を開始した。この合成ガス反応器は管殻式で、銅系触媒が管内側に設置されている。合成ガスが管内を流れながら銅系触媒と接触し、反応によってメタノールが生成される。ケーシング側はボイラー水で、チューブ側の反応熱を除去し、同時に副生蒸気を生成する。この塔は運用中にドライヤーからの不凝縮ガスのオンライン監視でサンプルを採取したところ、COガスが検出され、複数回のサンプル分析により内部漏れが発生していると判断された。点検の際、このタービンでは管板の角溶接部および基材に多数のひび割れ欠陥が見つかり、伝熱管の渦流探傷によって12本の伝熱管に異なる程度の外壁欠陥があることが判明した。2メタノール合成塔のパラメータおよび状況については表1を参照。 メタノール合成塔の伝熱管材質はSAF2205二相ステンレス鋼で、合計2292本の伝熱管があります；列管長さ7m、列管規格Ф44×2mm。管板の基層厚さは70mmで、材質は20MnMoNi55です。過渡層にはE309Lワイヤーを用いて2mm溶着し、表層にはE308MoLを用いて5mm溶着します。3欠陥検出状況：合成塔で内部漏れが発見された後、触媒の取り外しを行い漏れの有無を調査した。合成塔の外側配管に対する水圧試験を2.8MPaまで行ったところ、上部管板に2か所の漏れ箇所が見つかった。そのうち1か所は管束の角溶接部のひび割れで、もう1か所は管板の溶着層の砂目であった。管殻式装置の管板、管板の角溶接部、および伝熱管に対して用いられる非破壊検査手法には、表面検査、磁気探傷、X線探傷、渦流探傷などがある。本合成塔の構造および材質の特殊性を考慮し、装置の欠陥をより包括的に発見するため、まず管板に対して100％PT検査を実施した。その結果、1か所の亀裂と12か所の気孔疑いの箇所が見つかった（微小な欠陥は処理しなくてもよい）。管群については、渦流探傷と内視鏡による表面検査を組み合わせた方法で検査が行われ、その結果は表2および図1に示されている。 水圧試験で漏れが見つかった2か所の欠陥と、PT検査で見つかった1か所のき裂欠陥について、手動のサンドペーパーで研磨したところ、2か所の管板のき裂は伝熱管の角溶接部の割れであることが判明し、3mm程度まで研磨するとき裂は消えた。また、管板の砂目を表面研磨したところ、多数の隠れた亀裂が見つかり、表面の溶着層を7mm研磨した後も、管板の基材には依然として多数の亀裂欠陥が存在していることが判明した。4 原因分析 上記の欠陥状況について、装置の使用状態も踏まえて総合的に評価・分析した結果、合成塔に多くの欠陥が生じた原因は以下の通りである。（1）長期運転による疲労き裂。疲労き裂は、一般的に幾何学的な形状が不連続な場所や、応力集中が起こりやすい位置で発生します。この合成塔はすでに約20年間連続して使用されており、管板の角溶接部は長期にわたり圧力の変動、温度の変化、沸騰ボイラーの水による衝撃などの外部荷重に繰り返しさらされている。特に生産の変動や装置の点検により、停止・起動が数十回も行われ、装置の起動・停止時には温度や圧力が大きく変動する。さらに、管板の角溶接部は応力集中が著しい位置にあるため、疲労亀裂が生じやすい。これもまた、合成塔の管板の角溶接部に亀裂が生じる原因の一つです。（2）温度差応力の作用。メタノール合成塔の触媒充填時には、反応効率をできるだけ高めて生産能力を最大化し、消費量を削減するため、一般的に上部管板よりも一定の高さの位置にも触媒を充填します。これは、新しく投入された触媒が加熱還元されることで体積が縮小し、管内の触媒に空隙が生じるのを補うためです。しかし、充填が均一でないことや、加熱還元過程における体積変化に差異があるため、管板上の伝熱管間で触媒の分布が均一でなくなります。製造過程で触媒が合成ガスと反応して大量の熱が発生し、管板上に残った触媒の反応熱が適時に除去されないため、局所的に高温領域が生じます。温度差によって管板と伝熱管の間に異なる温度層が形成され、その結果、大きな温度差応力が生じます。このような温度差による応力が、管板の角溶接部にき裂が生じる原因となる。（3）基層高強度鋼の水素脆性傾向。水素腐食が発生する条件は、主に水素分圧、温度、作用時間、および鋼の化学組成です。有名なネルソン曲線および実際のデータによると、炭素鋼の場合、水素分圧が1MPa未満であるか、温度が200℃未満のときにのみ、水素腐食は発生しない。管板の基材は20MnMoNi55高強度耐熱鋼であり、材料の成形性と靭性が低下し、脆性が上昇し、極めて強い水素脆化の傾向を持つ。メタノール合成塔の媒体の大部分は水素であり、長期にわたる高水素分圧および高温反応の環境下では、装置材料に水素腐食が生じ、大きな危険因子となる。（4）管板構造。この装置の管板の直径は2800mm、厚さは77mmであり、製造過程において管板の両面が均等に加熱されないため、ある程度の温度差が生じます。また、厚さが増すにつれてこの温度差はさらに大きくなり、巨大な熱応力が発生します。また、このメタノール合成塔は固定管板式であり、タンク本体の材質は20MnMoNi55、伝熱管の材質はSAF2205である。これら2つの材料の熱膨張係数は異なるため、さまざまな運転条件下での熱膨張や収縮によって生じる応力による被害が非常に大きい。上記のように温度変化によって生じる応力も、チューブバンドの角溶接部に亀裂が発生する原因の一つである。（5）装置本体の構造。メタノール合成塔の熱交換管の規格はФ44×2mmで、構造は固定管板式であり、合計3層の支持板が設置されており、板間隔はそれぞれ1770mm、1720mm、1720mmです。渦流探傷の結果、伝熱管の外壁に欠陥が見つかり、そのうち50％以上の欠陥が支持板付近に存在していました。したがって、長期間の運転において振動により伝熱管と支持板との間に摩擦が生じ、伝熱管の外壁が局部的に摩耗して薄くなります。この状態が長期にわたって続くと、装置の使用に甚大な安全上のリスクをもたらします。5 欠陥の処理および予防措置 各種検査手法によって発見された合成塔の欠陥について、合成塔が引き続き安全に運転できるよう、存在する欠陥を以下の方針に従って修正処理を行う。（1）き裂欠陥の処理。第一歩として、まずPT検査によってき裂欠陥の位置と範囲を特定する；第二段階として、まずディスクドリルで亀裂の両端に止裂孔を開けた後、手動のサンダーで亀裂を研磨し、PT検査によって亀裂が完全になくなったことを確認する；第三段階として、アスベストマットを用いて熱交換管を封じ、溶接前の予熱を行い、予熱温度が150℃以上になるようにする。その後、手動アルゴンアーク溶接によって補修を行い、脱水処理を施す。（2）管束の薄肉欠陥。第一段階として、薄肉の列管を選定し、溶接前に清掃を行う。ステンレス専用のサンドペーパーを使用して、管口周辺20mm以内の汚れを磨き取り、金属特有の光沢を現す；第二段階として、上下の管口で直接研磨して伝熱管の内壁を清掃し、金属光沢を現す；第三段階として、封止が必要な列管の内壁にドリルを使ってΦ8mmの小さな穴を開けます。これにより、運転中に列管内の圧力がシェルサイドと同じになり、封止された列管がその後の運転で圧力を受けないようにしつつ、内外の温度バランスを保つことができます；第四段階として、管の両端に栓を挿入し、手動アルゴンアーク溶接で角溶接を行い、層間温度が150℃を超えないように制御する。すべての欠陥処理が完了した後、100％PT検査を行い、水圧試験も実施して、処理が適切であることを確認します。メタノール合成塔の使用および点検作業において、欠陥の検出とその原因分析を通じて、機器の製造時の選定や使用・保守においてさまざまな欠陥が生じるのを効果的に防ぐためには、以下の点から取り組むことを提案する。（1）装置の材料選定においては、材料の安全な使用限界内で水素腐食に対する耐性が高い材料を選択する。ネルソン曲線からわかるように、鋼中のクロム、モリブデン、バナジウムなどの元素の含有量が高いほど、高温水素腐食に対する耐性は向上する。これらの元素は炭素の安定剤であり、鋼にこれらの元素を加えることで炭素元素と安定した合金炭化物を形成し、それによって鋼のメタン化傾向を低減することができる。同時に、鋼中に分散した非金属不純物が含まれないよう厳重に避ける必要があります。水素やメタンはこれらの場所に集まりやすく、それによって金属がもろく破断する原因となります。また、鋼の熱処理状態も高温水素腐食に大きな影響を与えます。機器の製造過程において、鋼板の正常化処理および溶接後の熱処理の品質も、機器に水素誘起き裂が発生する重要な要因となります。（2）この合成塔の管群と管板の接続形態は、強度溶接＋接着膨張を採用しており、この構造により列管の角溶接部が高温領域に位置するため、熱衝撃を受けやすく亀裂が発生しやすい。深穴溶接を採用することを推奨します。この構造により、溶接部が低温領域に埋もれるため、熱衝撃の影響が軽減されます。（3）合理的な運転条件の制御。使用中は安定した運転を維持し、ガス量、温度、圧力の大幅な変動を避けて、ケーシング側とチューブ側の圧力差を低減する。装置の起動・停止時には、内部の温度上昇・下降速度を厳しく制御し、急激な温度変化によって生じる温度差応力を避けます。（4）より先進的かつ合理的な新型メタノール合成塔構造技術を採用する。現在、使用されているメタノール合成塔には主に2つの構造形態がある。第一の低圧メタノール合成塔は管型合成塔を採用しており、管内に触媒が充填され、管間には沸騰水が存在し、反応熱が管壁を通じて沸騰水に伝わって蒸気を発生させる。合成塔の全システムの温度条件は蒸気圧によって制御され、これにより触媒層がほぼ等温の曲線を保つようになる。この種の合成塔構造では、温度制御において避けられない読み取りの差異が生じ、その結果温度差による応力が合成塔の使用性能に影響を与える。第2の等温メタノール合成塔は、コイル内の沸騰水によって冷却される単段式等温塔である。タワー内では、スパイラル形状の蛇管が触媒層に設置され、蛇管の下部からボイラー水が供給され、上部からは中圧蒸気と循環水が排出される。水循環システムによってシステムの温度を安定させることで、合成反応の効率を高めるだけでなく、等温制御によって合成塔の局部的な場所に生じる温度差による応力も効果的に低減することができる。6 結語 メタノール合成塔は核心的な設備であり、その運転の安全性と安定性がいかに重要かは明らかである。メタノール製造プラントでは、一方で適切な工程設計を選定し、先進的な設備製造技術および構造設計を用いる必要がある；一方で、生産プロセスにおける機器の指標管理や最適化を徹底し、機器が良好かつ安定した動作状態にあることを確保しなければならない；また、生産部門として設備管理において重要な設備に特別な保護を施し、様々な手段を通じて設備の安全かつ安定した長期運用を最大限に実現します。