研究には低コストのための合金が含まれます。

3,000 年前に鉄が青銅に代わって金属として選ばれましたが、鉄の最も一般的に使用される形態である鋼は、現代の製造業とインフラストラクチャーの根幹を提供し続けています。 ArcelorMittal Global R&D のプレート、エネルギーおよびインフラストラクチャ製品責任者である Murali Manohar 博士、PE へのインタビューは、チューブ＆パイプ製造業者が将来どのようなものを期待できるかについての洞察を提供します。出典: ゲッティイメージズ

金属製のコンポーネントやアセンブリを開発する必要があるエンジニア、建築家、デザイナーには、選択肢が不足することはありません。何千もの金属合金が入手可能であり、世界鉄鋼協会によると、鋼だけでも 3,500 のグレードで構成されています。選択肢がたくさんあるので、さらに多くの選択肢が必要でしょうか? 確かにそうです。今は必要ないかもしれませんが、時間が経ち、社会が変化し、テクノロジーが進歩するにつれて、必要になる可能性があります。

「私たちは水素経済の準備を進めています」と、インディアナ州イーストシカゴにあるアルセロールミタル・グローバル研究開発社のプレート・エネルギー・インフラ製品責任者のムラリ・マノハール博士は語った。それは数十年先のことなので、その間、同社は引き続き取り組みを続ける。今日の石油ベースの経済における応用のための研究を実施します。それが今も健在であることを否定する人はほとんどいないでしょう。過去数年間、世界の石油産業は年間約 9,700 万バレル/日を汲み上げていました。最大の生産国である米国は日量約1,250万バレルを生産し、日量約2,050万バレルを消費している。パンデミックの影響で、2020 年はこれらの数字がいずれも若干低くなることが確実ですが、業界の見通しは堅調です。

新型コロナウイルス感染症による影響は別として、他にも多くの変化が進行中であり、それは何十年も続いています。 1つは、自動車業界の燃費基準がますます厳しくなっている外国石油への米国の依存を減らすという目標だ。より軽量な車両を製造するという大きな関心が、まったく新世代の高度な高張力鋼の研究開発につながりました。高強度、低合金鋼。アルミニウムやマグネシウムなどの他の金属の使用が増加します。

もう1つは、社会全体の二酸化炭素排出量を削減するという圧力であり、これによりガソリンや石炭の消費が抑制され、風力や太陽光発電などの代替エネルギー源の使用増加が促進されます。燃焼しても熱と水のみを生成する水素が広く使用されるようになるまでには数十年かかるため、それまでは天然ガスが橋渡しの役割を果たしている。天然ガスは、燃焼によって生成される二酸化炭素が他の化石燃料よりもはるかに少ないため、炭素排出量の削減に役立ちます。抽出技術の改善と、天然ガスを気体および液化した状態で貯蔵および輸送する費用対効果の高い能力により、新たなビジネスチャンスが生まれました。

天然ガスはどれくらい進歩しましたか? 発電に関してはかなりの成果が出ています。米国エネルギー情報協会のデータによると、2014 年以降、米国の発電量に占める天然ガスの割合は 26% から 34% に増加しましたが、同じ期間に石炭の割合は 40% から 22% に減少しました。

「鋼管業界はまさにこうした変革の真っ只中にいます」と同氏は語った。

「当社は依然として自動車業界に多額の投資を行っているが、自動車事業と非自動車事業の区別はますます明確ではなくなっている」とマノハー氏は述べた。マノハール氏によると、同社の自動車事業は依然として非常に好調だが、同社は新たなエネルギー関連の機会も模索しているという。

「私たちの目標は、パイプラインや橋などのインフラプロジェクトに備えることだ」と同氏は語った。

寒冷地での石油製品の移動。アルセロールミタルが最近注力している分野の 1 つは、より安全で信頼性の高い石油輸送であり、これには寒冷気候での用途にも重点が置かれています。トランスアラスカパイプラインのエンジニアリングと建設は、寒冷地での作業に伴う問題を示しています。

プルドー湾からアラスカ州ヴァルディーズまで延びる全長 800 マイルのパイプラインは、エンジニアリングの驚異です。そのうち約400マイルは決して凍結しない地域を通っているため、パイプラインはその区間に埋められている。残りの 400 マイルは永久凍土または不連続な永久凍土の中にあり、これは土壌が凍ったり解けたりする際に局所的な大きな動きを受け、上に盛り上がったり下に沈んだりすることを意味します。マノハール氏によると、そのような地域では、垂直方向の移動の合計は10フィートにも達する可能性があるという。

鉄鋼業界で 30 年以上の経験を持つムラリマノハール博士は、アルセロールミッタルグローバル R&D チームの主要メンバーを務めています。 20 人以上のエンジニアリングおよび技術専門家からなるチームを率い、プレート、エネルギー用熱間圧延コイル、工業製品、管状製品の分野で、装置、研究活動、顧客および企業事業部門への技術サポートを担当しています。

ただし、パイプラインは隆起や沈下を受けません。地上に設置された 400 マイルのパイプラインは、78,000 本の垂直支持部材によって支えられており、その支持部材がすぐ近くの土壌を冷却し、一年中凍った状態を保っています。土壌は凍ったり解けたりしないので、上昇したり下降したりすることはありません。

古い用途向けに新しい合金を設計する。別のそのようなパイプラインが垂直サポートなしで設計されたらどうなるでしょうか? もしそうなら、季節の変化に伴う定期的および極端な変位に耐える必要があります。

アルセロールミタルの最近の目標の 1 つは、必要な内圧に耐える十分な強度、亀裂 (開始と伝播の両方) を防ぐのに十分な耐破壊性、および十分な延性という 3 つの特性を備えた石油パイプライン用途のパイプの製造に使用できる鋼材を開発することです。局所的な激しい繰り返しの動きに伴う負担を吸収します。

数十年にわたる冶金加工の発展を見ると、鋼をより強くすることの難しさがわかります。

「1960年代までは、合金鋼の強度を高める唯一の方法は炭素含有量を増やすことでした」とマノハール氏は語った。「欠点は、炭素を添加すると鋼の脆性破壊に対する耐性も低下することです。」平たく言えば、炭素が増えると強度が増し、硬度が増し、脆さが増すことを意味します。状況を複雑にしているのは、寒冷地でのこのような鋼の使用です。「温度が下がると、脆性破壊に抵抗する能力も低下します」と彼は言う。

マノハール氏によると、1970年代半ばに、鉄鋼の強度を変更するための新しい戦略が登場した。冶金学者は、鋼の粒度を制御することで材料の強度と脆性破壊に対する耐性を向上できることを発見しました。言い換えれば、もっと厳しくなるでしょう。そのためには、冶金学者は鋼の個々の粒子が過度に成長するのを防ぐ方法を見つけなければなりません。

鋼を加工する場合、結晶粒径の制御は、鋼を冷却する前の処理温度とその温度での滞留時間を制御することによって決まります。冷却プロセスは、オーステナイト化後に特定の温度に設定された液体に突然浸漬する焼き入れの場合もありますが、焼き入れが唯一の選択肢ではありません。粒度を制御するもう 1 つの方法は、ミルの仕上げセクションで使用される加速冷却を含む熱機械制御処理です。

「加速冷却では、製造の最終段階で水のジェットを使用して鋼を冷却します」と彼は言いました。このような方式では、指向性ノズルと、フィードバックシステムと適応アルゴリズムで制御される中間圧力で流れる水を使用します。

この分野の研究により、炭素含有量を減らしながら強度を高めることが可能になりました。つまり、前述の高張力低合金鋼の開発に貢献したのです。

そこから、アルセロールミタルの研究は、鋼の厚さを大幅に、たとえば厚さ 10 インチから 1/2 インチに減らす圧延プロセスに焦点を当てています。各パスで行われる仕事量と各パスの温度は、材料の特性を決定するのに役立ちます。これでアルセロールミタルの研究は終了しますが、研究はこの段階を過ぎても続きます。最終的な目標は、管やパイプを作るために圧延された後の金属の特性についてできる限りのことを学ぶことです。

「各パイプ工場は異なるため、当社の材料が各工場で確実に機能するようにしたいと考えています」と彼は言いました。複数の管パイプメーカーとの情報交換や連携に加え、独自の研究も行っています。

この目的を達成するために、同社はプレートまたはコイルを管状の形状に丸めてテストするための 2 つの設備に投資しました。 1 つ目は、プレートをシリンダーに成形する 4 ロールプレートベンディングマシンです。これはアルセロールミタルの研究活動の重要な部分であり、同社がチューブやパイプの特性を獲得した後に鋼材をテストする方法を提供します。同社のコミュニケーションおよび企業責任の専門家であるシーラ・コーエン氏によると、これは米国で鉄鋼メーカーがエネルギー製品の試験に使用するこの種の装置だけであるという。通常、このようなテストを実施するのは各顧客の責任です。

2 つ目の装置はリング拡張試験機で、静水圧試験と同様の評価を実行します。圧力のかかった流体をチューブに充填し、その変形を測定して、内圧と変形の関係を示すプロットを生成します。

業界で最も一般的に使用されているテストは、チューブまたはパイプから一部を切り取って平らにする必要がある平坦化ストラップテストです。その後の試験により、材料の最小降伏強さと極限引張強さについての洞察が得られますが、平坦化プロセス自体により、調査中の特性が変化します。リング拡張テストは、平坦化プロセスに依存せず、パイプを本来の円筒形に保つため、使用開始後のパイプをより正確にテストできる可能性があります。また、あまり一般的ではない標準試験である丸棒引張試験よりもパイプの特性をより正確に表すとも考えられています。

「リング拡張試験は、業界で最も広く使用されている平坦ストラップや丸棒の引張サンプル試験と比較して、パイプの実際の挙動を示す最も代表的な試験とみなすことができます。」とマノハー氏は述べています。

1998 年に米国運輸省が作成した報告書によると、腐食による年間の直接コストは 2,760 億ドルでした。当時、このコストは国内総生産の 3.1% でした。これは本質的に、経済が順調に推移し、約 3% の成長をもたらした場合、腐食と比較して直接コストで同額の損失が発生するため、実際の結果は中立であることを意味します。

この報告書には単なるインフラストラクチャー以上のものが含まれていましたが、国の交通システムは重要な懸念領域でした。

「私たちは橋の耐食性材料を推進しています」とマノハール氏は語った。「私たちは、125 年間使用できる橋のプレートを提供できると見積もっています。」

この合金は二相ステンレス鋼で、アルセロールミタルは ASTM-A1010 (高強度マルテンサイト系ステンレス鋼) の記述に適合する費用対効果の高い耐食性材料として説明しています。当初は Duracorr として商標登録されていましたが、特別な要件が追加された A1010 グレード 50 として初めて橋に使用されました。適用を容易にするために、2017 年に構造用鋼橋材料の A709 規格にグレード 50CR として追加されました。これには、橋に必要なすべての材料特性が詳しく記載されています。そのクロム含有量は 12% で、一部の 300 および 400 シリーズのステンレス鋼で使用される 20% ～ 27% よりも大幅に少ないですが、それでも 125 年の予測寿命をサポートするには十分であり、これは印象的です。

マノハール氏は、「初期費用は高く、おそらく鋼製の同様の橋よりも2～3倍高いが、最初の再塗装後は安くなる」と述べた。塗装は腐食防止のためではなく、美観のために必要です。

パイプラインの鋼材の選択と同様、橋梁建設に適した鋼材の選択は環境によって異なります。

「耐塩性の場合、沖合および沿岸付近の用途には、HPS 70W のような高性能鋼をお勧めします。」と彼は言いました。同社の資料には、70 KPSI の最小降伏強度と溶接の予熱要件の軽減に加えて、炭素鋼よりも耐候性が高いと記載されています。 HPS 70W の ASTM の説明では、低炭素鋼の 4 倍の耐候性があることが示唆されています。

他の例は、堅牢でありながら軽量な鋼に対する継続的なニーズを示しています。今から 25 年後に建設される風力発電塔は、現在設置されているものとは大きく異なる可能性があります。特に、より深い水域にこれまで以上に高い洋上発電塔を求める要望が続く場合はそうです。また、米国の保守的な政治的立場は環境規制やビジネス規制の削減を支持していますが、自動車の製造に使用される合金を改良する研究は今後も継続されます。世界中の多くの国と一部の都市は、今後数十年間でガソリン車とディーゼル車の販売と使用を段階的に廃止することを計画しているため、電気自動車への移行により、自動車を可能な限り軽量かつ軽量に保ちたいという要望がさらに強まるでしょう。したがって、可能な限り効率的です。

一方、水素経済の実現はまだ先の話ですが、いくつかの実用化はすでに実現しています。たとえば、ドイツのハンブルクにあるアルセロールミタル工場は、直接還元鉄を使用する初の工業規模（年間10万トン）の鉄鋼生産能力となる。このプロセスは、炭素（コークス）を含む従来の鉄鉱石の代わりに水素を使用するプロセスであり、二酸化炭素の副産物。

このような研究とその後の技術開発を常に把握しているチューブ＆パイプの製造業者や製造業者は、これらの新たな課題に取り組み、収益性の高い機会に変える用意ができています。

寒冷地での石油製品の移動。古い用途向けに新しい合金を設計する。