『海川翻訳組オリジナル第1弾』長距離パイプラインにおける化学物質の熱効果分析

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1.jpg 英語のタイトル：Thermal Profiling Of Long Distance Pipelines Carrying Chemicals (Gas And Liquid) 元の記事のURL：https://www.cheresources.com/inv ... als-gas-and-liquid/ 元の記事の著者：ankur2061 翻訳者のID：@双木_DTQO 校正者のID：@Jacob（经纬）82 最終チェックを行う人のID：@henjuese パイプラインの動作に関する研究を行う際、さまざまな運転状況や環境条件におけるパイプラインの熱的影響を調べることは重要な課題です。しかし、この仕事を担う若手エンジニアのほとんどは、熱分析の実際の業務についてほとんど理解していない。実際、多くの若手エンジニアは、配管内を流れる流体媒体の輸送過程で発生しうる問題を把握するために、配管の熱解析が必要であることさえ知らないのです。 まず、以下に長距離パイプラインにおける熱効果に関連する問題を挙げます。1、ガスパイプラインの場合、パイプ内でのガスの摩擦損失によりジュール・トムソン冷却が生じ、これは等エンタルピー過程です。配管の長さがある一定値を超えると、配管内を流れるガスの温度がハイドレート生成温度以下に下がり、これによって配管内に氷結晶が生成されます。最終的には配管の一部または全体が塞がれ、輸送が中断されることになります。最悪の場合、配管が破裂し、財産の損失や人的被害を引き起こす可能性があります。高圧かつ低温のパイプライン、例えば深海海底のパイプラインは、ハイドレートの形成に適している。このような状況が発生するかどうか、そしてどのような緩和策が必要かを判断するためには、熱分析が不可欠です。 2、緊急時や日常のメンテナンス作業において、ガスパイプラインの減圧操作は、減圧条件下での熱分析研究において注意すべきもう一つの問題である。断熱減圧により、減圧源や減圧装置（バルブやスロットル）の下流で極めて低い温度が生じます。通常の炭素鋼は、極めて低い温度下で破壊的なぜい性破壊を起こす可能性があり、配管の安全性を危険にさらします。ASTM A 106やASTM A 53など、鋼管製造で一般的に使用される商用炭素鋼のグレードは、-29℃未満の温度環境には適していません。工程の過程において、配管は材料の「最低設計金属温度」、略してMDMTに基づいて分類される必要があります。炭素鋼のASTM A333 Gr.1およびGr.6は、-45℃以上の低温に適用され、この温度での衝撃試験が必要となる。 減圧過程の熱分析により、配管の予測最低温度を得ることができ、それによって管材のMDMTが定義される。例えば、減圧熱分析によって配管の温度が－29℃未満になる可能性があると判明した場合、材料の専門家は「低温炭素鋼」、略してLTCSを使用することを推奨し、低温下での材料の脆性を判断するために「シャルピーノッチ衝撃試験」を行うでしょう。減圧熱分析により、配管の温度が-46℃未満でありかつ-80℃を超え、さらに管材のMDMTを下げる場合、材料の専門家はその材料を二相ステンレス鋼（DSS）に格上げする可能性があります。通常の運転時であれ、メンテナンス中に配管が凍結温度に達する場合であれ、このときはオーステナイト系ステンレス鋼を使用する必要があります。同様に、この温度はシステムの熱分析によって決定することができる。 3、原油を輸送するパイプライン、特に高粘度かつ高アスファルテン含有量のものは、パイプラインの温度が傾点を下回る可能性がないかを確認するために熱分析が必要である。パイプラインの温度が傾点を下回ることによる詰まりは、生産の中断、高額な清掃費用、解体作業、そして多大な経済的損失を引き起こす可能性があります。熱分析によって配管の最低温度を特定した後、上記の状況が発生するのを防ぐための対策を講じることができる。 4、液化石油ガス（プロパンおよびプロパンとブタンの混合物）のパイプライン輸送は、パイプライン熱工学の研究において特に注意が必要なもう一つの分野である。高い環境温度にさらされる地上に敷設されたLPGパイプライン、または部分的に地上に敷設されたLPGパイプラインについては、作動圧力下でLPGがパイプライン内で気化しないようにするために、詳細な熱に関する研究が必要である。もし気化が起こった場合、パイプライン内でガスの閉塞や二相流が発生する可能性があるからだ。配管の終端に流量や圧力制御弁がある場合、LPGが配管内を流れるにつれて温度が上昇し、制御弁の入口付近で一部のLPGが気化することで二相流が発生します。弁の安全性の観点から、この二相流は制御弁の動作に非常に悪影響を及ぼします。要するに、LPGパイプライン内では二相流の発生は許されず、熱分析によってそのような現象が起こり得るかどうかを根本的に判断することができる。 しかし、大気環境に露出した地上に敷設された配管を熱分析する際には、実際の環境条件を入力する必要がある。これを適切に対処するため、優れたデザイナーは、百年に一度のような極端な高温や低温、または二度と起こり得ない風速ではなく、環境温度の平均的な高値と低値、そして一定期間中の平均的な高値または低値の風速（例えば夏期・冬期や1年間の平均値）を総合的に考慮します。大まかに言えば、極端な気象状況下の環境温度や風速は、大気に露出した配管の熱解析には用いるべきではない。このような極端な環境条件を採用すると、莫大な経済的コストがかかり、通常のパイプラインの運用においては不合理である。実際、環境条件が異常になると、配管の運転を停止または減圧するよう命じられます。 5、パイプラインの熱解析を行うためのパイプラインおよびプロセスシミュレーションソフトウェアは多数存在します。PIPESIM、PIPEPHASE、PIPELINE STUDIO、AFT、OLGAなど、パイプラインシミュレーション専用のソフトウェアは、パイプラインの熱に関する研究を行うための最適な選択肢です。しかし、Aspen HYSYS、UniSim、Aspen Plusなどの一般的なプロセスシミュレーションソフトウェアでもパイプラインの熱解析を行うことは可能ですが、これらのソフトウェアには一定の限界があります。 Aspen HYSYSには、あらゆる機器や配管の減圧時の熱分布を示す、非常に優れた「減圧」ツールモジュールがあります。このようなシミュレーションソフトウェアを使用する上での鍵は、ユーザーが熱分析に必要な内容を十分に理解し、正確な数値を入力することです。これには、特定の研究でソフトウェアが使用するデフォルト値の正確性を確認したり、計算対象となる具体的なケーススタディに合わせて必要に応じてこれらのデフォルト値を変更したりすることも含まれます。要するに、単なるデータ入力者ではなく、プロセスや化学工学のエンジニアとしての視点でこのようなソフトウェアを活用する必要があるのです。