産業
石油&ガス業界における断熱材下の腐食の検出と監視
断熱材下の腐食 (CUI) は、さまざまな部門、特に石油化学および石油&ガス業界において、重要な課題です。 広く見られるこの問題は何層にも重なった断熱材の下に隠れており、定期的なメンテナンスが行われるまで見つからないことがよくあります。この問題を見落とすと、安全性の低下・環境破壊・操業の中断・経済的損失・規制違反・資産寿命の短縮・メンテナンス課題の増加につながり、最終的にはケガや死亡事故という重大なリスクをもたらす可能性があります。報告によると、CUI はパイプライン修理費用の 40% から 60% を占めており (Dey, n.d.)、業界支出は年間数千億ドルにのぼります。
このホワイトペーパーでは、根強い CUI の問題を扱います。断熱材下の腐食の早期発見と継続的監視に極めて重要な先進センサ技術と監視技術を探求し、潜在的なリスクを事前に軽減し、その結果、資産の完全性を維持するとともに、石油&ガス業界の継続的かつ安全な操業を可能にします。
断熱材下の腐食の概要
CUI は、通常、パイプラインなどの炭素鋼または低合金鋼で製造された断熱機器で発生する外部腐食です。このタイプの腐食の発生には、次の 2 つの条件が必要です。
- 水分の存在
- 酸素の供給
CUI は、腐食プロセスに大きな影響を与える温度変動の中で稼動するプロセス プラントや精製所において最もよく見受けられます。また、システムが腐食性物質に曝露されてパイプ表面と接触することも腐食の原因となります。
断熱材の中心にあるパイプは通常鋼製であり、断熱材はパイプの周りに巻き付けられた材料または材料の組み合わせで構成されています。それにより、熱エネルギーの伝達が大幅に抑制されます。このように、エネルギー損失を効果的に低減することで大幅なコスト削減に貢献します。
保温および保冷配管
保温材は、加熱された流体からのエネルギー伝達を防止します。この断熱材の主な機能は保温です。また、高温表面から作業者を保護します。一般的に使用される保温材には、ミネラルウール、グラスウール、ケイ酸カルシウムなどがあります。
一方、保冷材は外部環境から配管への熱伝達を低減し、凝縮も抑制します。広く使用されている保冷材には、ポリウレタン フォームやゴム フォームなどがあります。
保温材と保冷材の両方の組成と機能を理解することで、断熱材下の腐食の複雑な問題におけるそれらの役割についての基本的な知識を得ることができます。断熱材の主な役割はエネルギー伝達を制御することですが、特定の環境条件や動作条件と組み合わされることで、予期しない腐食の原因となる環境を作り出してしまいます。
断熱パイプに影響を及ぼす腐食性の環境条件。
従来の CUI 検出
さまざまな要素が相互に作用して CUI を促進します。 これらの要素が相互に作用することで複雑な因果関係が絡み合って問題を悪化させ、検出と管理が困難になります。これらの要素の相互作用をさらに綿密に分析し、その複雑な相互作用がどのように CUI の発現を促進しているかを明らかにしましょう。
まず、環境条件が CUI の発生に大きく影響します。湿度・温度変動・塩水噴霧や産業汚染物質への曝露は、断熱材に水が侵入する可能性を高める可能性があります。これは CUI の必要条件になります。これらの状況が機器の使用温度と組み合わされることで、腐食に最適な状況が生じることがあります。
もう 1 つの重要な要因は、断熱材の品質と種類です。前述したように、断熱材には大きなばらつきがあり、有効性や水分の保持が CUI を助長する可能性があります。たとえば、多孔質断熱材 (親水性) や独立気泡 (疎水性) は、さまざまなかたちで CUI の形成を助長します。
断熱機器の材料特性、特に耐腐食性は、CUI の発生において極めて重要な役割を果たします。炭素鋼や低合金鋼は湿気にさらされると錆びやすく、この作用は高温によって悪化します。
さらに、運用慣行が要因になります。たとえば、高温と低温が頻繁に切り替わる機器は断熱材内に凝縮を生じる可能性があり、腐食に適した環境が生まれます。メンテナンスの実践も CUI の発生に大きく影響します。断熱材が損傷したままであったり、湿気の侵入が迅速に対処されなかったりすると、リスクが高まります。
CUI の予防や軽減のための効果的な戦略を策定する上で、これらの複雑な相互作用を理解することは不可欠です。 これらの戦略とその有効性について説明する前に、典型的な例である断熱パイプの構造を検討して CUI 現象を深く掘り下げてみましょう。 断熱材を物理的に固定して外部の気候条件から保護するため、断熱材の周囲に「クラッディング」と呼ばれる金属製のジャケットを貼り付けて金属帯で固定します。このジャケットは断熱材に巻き付くように設計されており、縦方向または半径方向のジョイントが形成されます。
金属クラッディング付き断熱パイプ。
降雨は一般的な原因ではありますが、CUI を誘発する水の発生源はそれだけではありません。 水は、冷却塔・蒸気や、液体をこぼす可能性のあるさまざまなプロセスから発生することもあります。 水の侵入は、クラッディングの損傷やシールの破損によって、または衝撃・鋭利な物体・落下物・パイプ上の歩行などの外力によって発生することがあります。水の侵入口ができてもすぐに気づくとは限らず、雨が降ると水の侵入は避けられません。
水と断熱材の相互作用は、材料の性質によって異なります。前述したように、断熱材が疎水性 (吸水しない独立気泡) である場合、水は流れ、断熱材とパイプとの間に残ります。この水は時間の経過とともに完全に蒸発するとは限らず、特定の場所に残ったままになることがあります。
逆に、断熱材が親水性 (スポンジのように湿気を吸収する) である場合、水はスポンジを介して熱伝導を生成し、熱運動量がパイプからクラッディングに移動し、蒸発と凝縮サイクルが生じます。その結果、水が蒸発するにつれてパイプの表面の「塩」濃度が高まります。この「塩」は、この種の断熱材のその他の天然成分と相まってパイプの保護機能を低下させ、断熱材下に塩化物応力腐食割れ (CSCC) として知られる腐食や亀裂を発生させる可能性があります。
汚染物質 (主に硫酸塩や硫酸塩) は、断熱材下によく見られるものです。これらは、断熱材から浸出する場合もあれば、外部から発生する場合もあります。高い導電率を有するそれらの水溶液が腐食作用を促進する可能性があります。
温度も極めて重要な役割を果たします。-4°C (25°F) から 149°C (300°F) の温度範囲で機能する炭素鋼は CUI のリスクが最も高いことが一般に認知されています (さまざまな資料によって指摘されています)。-4°C (25°F) 未満で継続的に稼動する機器は腐食しにくい傾向があります。水の沸点を超える 149°C (300°F) 以上で動作する機器では、基本的に炭素鋼の表面が乾燥したままであるため腐食の可能性が低くなります。
断熱材・水の浸入・汚染物質・温度変化の相互作用を把握することは、CUI の発生を理解する上で重要です。しかし、この問題が解決されないことで起こり得る事態を十分に理解しないと、理解は完全ではありません。その影響は腐食そのものにとどまらず、石油&ガス業界の財務面に加えて、健康・安全・環境の面にも影響を及ぼします。
CUI の影響は、より一般的な腐食の影響と類似しています。腐食は亀裂を促進させる場合があり、最終的には石油製品の破損やパイプラインの漏れにつながる可能性があります。このことは、汚染の可能性によって周辺環境に重大な脅威を与えるだけではなく、漏水箇所の近くに住む人々に健康被害をもたらします。また、火災や爆発のリスクは、それでなくても危機的な状況に別の危険な要素を加えることになります。
このような損傷は、危険であるというだけではなく、大きな損害も伴います。これらの不具合の修理には、資本支出と運用経費 (CAPEX および OPEX) の観点から経済的に負担がかかるとともに、修理を実施する技術者に危険な作業を強いることになります。次のセクションでは、CUI を防止・軽減して、これらのリスクを効果的に制御する戦略について説明します。
CUI は断熱材下に隠れているというその性質から発見が容易ではなく、多くの場合、手遅れになってから初めて明るみに出ます。CUI を検出する従来の方法は単純な方法から高度な方法まで多岐にわたり、いずれも、重大な損害が発生する前に腐食を発見することを目的としています。
CUI を検査する最も一般的で直接的なアプローチは、断熱材の一部を切断して非破壊試験または目視検査を可能にすることです。
CUI の検出には次の方法が一般的に採用されており、それぞれに長所と短所があります。
- 目視検査: 最初に行う最も簡単な方法は、断熱材を取り外してパイプの表面の状態を確認してから、断熱材を元に戻すことです。研究によると、断熱材を除去して CUI が見つかることはほとんどありません。 その他の課題として、アスベストが存在する状態での断熱材の取り扱いに関わるリスクや、配管を使用中の場合に断熱材に与える影響に関わるリスクがあります。
- 断熱材を除去しない検査: この技法では、断熱材を除去して復元する必要がないため、検査のコストが大幅に削減されます。このアプローチには、通常、非破壊評価 (NDE) 法が使用されます。
- 非破壊評価 (NDE): NDE には、材料特性、コンポーネント、プロセス ユニット全体の評価に使用されるさまざまな非侵襲的な検査技術が含まれます。CUI の検査では、パルス渦電流 (PEC) やデジタル X 線撮影など、さまざまな方法が使用されます。通常、1 つの手法を単独で使用することはありません。複数の手法を組み合わせることで最適な結果を得ることができます。
- パルス渦電流 (PEC): PEC 装置が電磁気力で動作し、断熱材を介してパイプの平均肉厚を効果的に特定します。これにより、CUI を検出して位置を特定することができます。PEC の主な利点は、断熱材の除去や物体の表面処理を行わずに、断熱された物体の減肉を全般的に認識できることです。
- ガイド波 (GW): 長いパイプで CUI を評価するための代替技術です。パイプに沿って伝搬する低周波超音波ガイド波を利用します。内部腐食と外部腐食のどちらも検出できますが、ガイド波センサがパイプと直接接触している必要があるため、断熱材の一部を除去してセンサを取り付ける必要があります。
- リアルタイム デジタル X 線撮影: 断熱パイプの片側で X 線が放射され、パイプ・クラッディング・断熱材を通過して、反対側でセンサが X 線を受信します。センサが受け取った X 線はリアルタイム画像に変換され、内部または外部の腐食やパイプの欠陥などの異常を表示します。この方法は、クラッディングを除去せずに適用でき、リアルタイムの情報を提供します。
- サーモグラフィー: 石油化学業界で使用されます。物体の赤外線画像を示し、断熱パイプの温度に影響を与える断熱材の不具合、水の浸入・ガス・液体漏れによって浪費された可能性のあるエネルギーを検出します。
溶接ジョイントの非破壊評価のために X 線装置を施工する専門家。
上記の方法にはそれぞれ固有の強みがありますが、 いずれも固有の限界があり、断熱材下に隠れている CUI を見つける効果がなくなることがあります。目視検査は簡単ですが、表面の状態が明らかになるだけであり、内部深くに潜む腐食を見落とす可能性があります。また、検査中に断熱材を除去して復元するにはかなりのコストがかかり、アスベストの管理など、作業上の課題も生じます。(Texas Nondestructive Testing Academy & Level III Services, n.d.)
非破壊評価 (NDE) 法は断熱材に損傷を与えることなく材料特性を評価できる手法ですが、それぞれの性質上、限界があります。たとえば、パルス渦電流 (PEC) システムから減肉に関する貴重な手掛かりを得ることができますが、局部的な腐食や小さなくぼみを正確に検出できない場合があります。(Texas Nondestructive Testing Academy & Level III Services, n.d.)
ガイド波技術では特定の箇所で断熱材を除去する必要があるため、その他の場所で発生する腐食を見逃すことがあります。さらに、損失の大きい被覆や、溶接部やクランプなどの機構からの信号反射などの要素によって信号減衰が影響を受け、検査できるパイプの長さに限度が生じる可能性があります。(Chukwuemeka, et al., 2021)
リアルタイムのデジタル X 線撮影は断熱材下の潜在的な異常を画像化できますが、初期段階の腐食を検出する感度は十分でない場合があります。また、材料の密度に関してのみ有用であり、特定のパイプ材料の腐食を効果的に見つけられない可能性があります。(Nanan, 2020)
目視検査とサーモグラフィーは耐候性能やクラッディングの損傷による CUI の潜在的なリスクを特定するのに効果的ですが、表面レベルの分析しかできず、断熱材の奥深くに隠れている腐食を見逃す可能性があります。(Fujifilm, 2022)
要するに、最大の課題は、これらの方法では、特に局部的または初期段階にある隠れた腐食を完全かつ包括的に評価できないことにあります。それぞれの方法に限界があることによって重要な領域が検査されないままになり、断熱材下で拡大を続ける CUI が見落とされる可能性があります。
CUI 検知用センサ
業界のデジタル トランスフォーメーションに端を発した モノのインターネット (IoT) デバイスや相互接続されたシステムの急速な普及により、特にワイヤレスのバッテリー駆動センサを使用して CUI を検出する革新的な技術の舞台が整いました。この技術革命が加速した主な要因は、低電力電子機器の進化を利用したバッテリー駆動のワイヤレス センサが出現したことと、LoRaWAN、NB-IoT、LTE M、Bluetooth などの消費電力が少ない「バッテリー フレンドリーな」ワイヤレス通信プロトコルが導入されたことです。
さまざまなセンシング原理が評価されています。たとえば、配管と外部クラッディングとの間や、光ファイバや EMGR などの断熱材の内部または周辺の湿気 (湿度と温度の両方) を検知するセンサがあります。しかし、課題は存在します。既存のインフラストラクチャを光ファイバで改良することの難しさや、断熱材に「犠牲」ワイヤ (ケーブル) を組み込むことの難しさなどです。
これらの「犠牲」ワイヤは電磁誘導レーダー (EMGR) と組み合わせて使用され、CUI の予兆としてケーブルが腐食して、非腐食性ケーブルがクラッディングの外側に配置されたワイヤレス モジュールに信号を送信します。これを組み込むことにより、革新的な検出方法と導入の現実的な制約をシームレスに結び付けることができます。新しい技術と従来のインフラストラクチャを融合する際の複雑さを反映するものです。
TE Connectivity は、センサに関する独自の専門知識、特にコア RH 容量性検知技術とワイヤレス トランスミッタにより、これらの課題の克服に長けています。これらのセンサは断熱パイプに戦略的に配置され、インフラストラクチャ全体の効果的なマッピングを実現します。水の浸入を検出するとともに、スマート分析を通じて、さらに非破壊評価 (NDE) 法を使用した CUI 調査が必要となる領域を簡単に特定できるようにします。この技術がどのように実際の環境に適用されるかについては、ケース スタディのセクションで詳しく説明しています。
業界の相互協力により、リアルタイム監視を強化する手段が生まれています。しかし、これらのソリューションの有効性は TE Connectivity の高度なセンサ技術と組み合わせることで大幅に増強されます。
従来のアプローチでは、多くの場合、コストとリソースを大量に使用する検査が必要になります。しかし、TE Connectivity のセンサは、このプロセスの効率化を進め、リソース消費を抑え、時間とコストの両方を節約することを目的としています。クラッディングを除去して実施した目視検査の 90% 以上で腐食は見つかりません。当社の高度なセンサ技術なら的を絞った検査を容易に実施することができ、したがって、大幅なコスト削減につながります。
さまざまな企業に独自のリスクベースの検査戦略があることがあります。重要な資産には計画的なメンテナンスと NDE 方式が引き続き使用される可能性が高いですが、重要度の低い資産は TE Connectivity のワイヤレス リモート センサを装備することで
メンテナンス コストを大幅に削減できます。
目標は、依然として、精製所内のすべての断熱パイプと表面部分を監視できる、堅牢かつ正確で費用対効果が高い、長寿命のセンサを設計して配備することです。TE Connectivity のセンサはすでにこれらの基準を満たし、ATEX FCE の認証も受けており、潜在的に危険な環境でも安全な動作を実現します。
センサ技術の発展とその利点
LoRaWAN などの技術を利用すると、数メートルから数キロメートルの距離からセンサ データを取得できます。ゲートウェイ、高度な分析、CUI 中心の管理戦略、腐食に特化した専門知識を活用して、作業者やメンテナンス企業が腐食を事前に検出できます。これにより、腐食が発生した部分の補修に的を絞った迅速な介入が可能になり、時間の節約とコスト削減を実現するとともにインフラの安全性を高めて寿命を延ばすことができます。
このようなシステムの組み込みは、断熱材下の腐食の予防的管理に大きな利点をもたらします。近年、湿度センサを用いたシミュレーションや室内実験が数多く行われています。期待できる結果が得られており、発生前に CUI を検出する上で湿度と温度の測定が実際に有効であることが示されています。TE Connectivity は、これらの進化の鍵となってきた、センサ技術に関する当社の専門知識を誇りに思っています。しかし、このような進化は研究室だけにとどまらず、強力な戦略的パートナーシップを通じて実用化への道を見出しています。これからさらに詳しく説明します。
KAEFER のケース スタディ
業界の重大な懸念事項の認識
近年、統合産業サービス ソリューションのリーダーである KAEFER Group が世界各地のさまざまな石油ガス企業にインタビューを行っています。共通点の 1 つは、どの企業も断熱材下の腐食 (CUI) を最優先事項として挙げていることです。この懸念は技術的な問題にとどまらず、幅広い関連事項にまで及びます。このホワイトペーパーの前半で取り上げたとおりです。このような背景から、KAEFER との協力関係が具体化し、差し迫ったこれらのニーズに対応する態勢を整えることになりました。
KIT®を介した包括的ソリューション
Blu Empowered by KAEFER は、CUI 管理のための包括的なエンドツーエンドのサービスとして KIT® (KAEFER Integrity Technology) を導入しました。KIT は、さまざまな規模の CUI プロジェクトを効果的に管理する KAEFER の専門知識を紹介しています。センサの配置や施工の精緻な最適化からシステム構成まで、KIT は完全なパッケージとして成り立っています。しかし、その能力を増幅するのは、TE Connectivity のセンサ技術です。
KAEFER の統合サービスと TE の高度なセンシングソリューションの相乗効果は、この革新的なパートナーシップの基盤を形成しています。TE のワイヤレス センサ技術には長寿命バッテリーや過酷な環境に耐える能力などの機能が組み込まれており、CUI 検出の大幅な進歩を表しています。最高の安全基準を満たすと認定されたこれらのワイヤレス センサは、LoRaWAN™ などの高度なプロトコルを使用して長距離の通信を可能にします。また、Bluetooth® Low Energy が搭載されているため、汎用性の高いリモート構成が可能です。
また、カスタマイズ可能な測定時間とインテリジェントな閾値イベント管理が組み込まれることは、このパートナーシップによる先進的アプローチの好例であり、バッテリー寿命を最適化しながらデータの信頼性と精度を向上させます。この提携は、設定された閾値に基づいてデータの測定と伝送を自律的に適応できるセンサや、バッテリー管理の自動通知によって、高い効率性を実現します。
このような技術のセンシング素子は細心の注意を払って設計されており、多くの場合、長年の実績のある MEMS 湿度ダイおよび ASIC 技術が活用されています。これは、自動車・オフロード・トラック部門を含むさまざまな業界で広く利用されているものです。重要な点は、この業界横断的用途が石油ガスなどの部門に対して大規模スケーリングの可能性を明確に示し、自動車などの業界で必要な品質レベルの提供を可能にし、効果的なデータ取得とリアルタイム監視のバックボーンとして機能することです。
KIT®における技術の高度化
KIT は、完全にデジタル化された CUI 監視スキームを提供します。特定された問題領域には依然として従来の検査が必要であることは事実ですが、現場の活動を自律化し、人間の介入を減らし、それによってリスクを軽減できる可能性があります。また、このシステムは、アドバイザリー サービスや、TE のバッテリー駆動のワイヤレス センサが搭載されたロボットによる自律施工の可能性など、さまざまな機能を持たせるように開発が進行中です。
データの視覚化に関しては、KIT は、最新のダッシュボードからデジタル ツイン表現まで、さまざまなオプションを提供しています。それらは高度な分析によってさらに強化され、断熱材下の腐食の予測やメンテナンス操作の推奨に役立ちます。
ロボット センサ施工用の Monkeybot
TE Connectivity のセンサ技術を KIT®に組み込むことは、単に技術を高度化するだけではありません。目に見える利益をもたらします。ケース スタディでは、メンテナンスにおける大幅なコスト削減とプラントの完全性向上が実証されています。これらはすべて、最終的に顧客価値の向上につながります。KAEFER と TE Connectivity の双方が目指していることです。
結論
断熱材下の腐食という普遍的な課題に取り組む中で、 運用効率、環境の安全性、コミュニティの豊かさに大きな影響を与えるジレンマでもある先端技術の役割は、いくら強調してもし過ぎることはありません。このホワイトペーパーでは、資本支出と運用経費 (CAPEX および OPEX) などの財務収益だけでなく、健康、安全、環境要因 (HSE) にも影響を及ぼす腐食が石油ガス部門に与える甚大な影響を解説します。
KAEFER との連携は、堅牢な CUI 管理ソリューションに対する緊急性の高い業界のニーズを認識する背景となっています。TE Connectivity の革新的なセンサ技術を取り入れた KIT® by KAEFER は、CUI 管理に対する包括的なエンドツーエンド サービスを提供します。この連携は複数部門が提携する問題解決へのアプローチの好例であり、CUI の検出と管理に関する複雑な課題に取り組むエコシステムに多様な専門知識を取り入れます。当社のワイヤレスのバッテリー駆動センサの大規模な導入は、単なる技術的な成果にとどまりません。業界に変革をもたらします。計画的なメンテナンスと不必要な目視検査の両方を減らすことができることで、安全性が高まるとともに大幅なコスト削減が実現します。
「デジタル ツイン」の開発などの資産のデジタル化によって、精度と予測可能性の飛躍的な進歩が可能になります。堅牢な分析ツールに裏打ちされた当社のセンサは既存のシステムや規格とよく合致しており、CUI の検出と防止の進歩をリードするための当社の取り組みを表すものです。センサ技術の絶え間ない進化とそれらの進歩を可能にする業界パートナーシップに対する当社の尽力を示しています。
将来を見据えた TE Connectivity の視点は明確です。最先端技術を活用して安全性と持続可能性を高めたソリューションを開拓することです。当社のワイヤレス インテリジェント センサを搭載した可視化ツールを使用することで資産の健全性を包括的に把握することができ、一般的なリスクベースのメンテナンスから、より焦点を絞ったデータ主導のアプローチへの洞察に満ちた移行が可能になります。
TE Connectivity のワイヤレス センサは、回転資産や石油ガス坑口の予知保全を可能にする状態監視用途に導入され、現在使用されています。
包括的なスマート プラットフォームが用意されており、最大 15 KHz の周波数範囲に対応する単軸および 3 軸圧電振動センサ (FFT と信号処理を統合)、パイプに固定できて 260°C の外部パイプ温度まで耐えられる温度センサ、絶対圧力または相対圧力を測定できる圧力センサが利用できます。
これらのスマート センサは、TE Sensor Toolbox を介して、またはスマートフォンと Apple App Store または Google Play Store から入手可能な TE SensorConnect アプリを使用することで、すべての設定が可能です。今後、CUI 監視ソリューションにおける当社のリーダーシップが業界変革の先頭に立って効率性と安全性の両方を新たな高みに押し上げることと確信しています。
深く根ざした専門知識および共同パートナーシップを先進技術と組み合わせることにより、今日の課題に対応するだけでなく、明日のソリューションを形作っています。
