低温压力容器とは？ 設計、材料、用途

核心的な質問に答える：低温圧力容器とは何か、そして-46℃未満での安全な運用にはどのような材料や設計の変更が必要か？ 低温圧力容器とは、ASME Section VIII規格に準拠した、-46℃未満での使用を想定して設計された容器です（この温度は炭素鋼が脆性挙動を示す境界温度です）。安全な運用には、低温靭性が検証された材料が必要です。*最低設計金属温度（MDMT）*が材料選定の基準となります。-46℃未満では、ASME Section VIII UG-84に従ってシャルピーVノッチ（CVN）衝撃試験で検証された正規化処理されたファイングレイン炭素鋼（SA-516 Gr.70N）が必要です。-104℃未満では、9%ニッケル鋼（SA-353）またはオーステナイト系ステンレス鋼（304L/316L）が使用されます。-196℃未満では、LNG（-162℃）、液体酸素（-183℃）、液体窒素（-196℃）の用途には、オーステナイト系鋼、アルミニウム（5083）、または9%Ni鋼のみが適しています。

1. 低温用途における主要設計原則

低温容器の設計は、脆性破壊の防止に重点を置いています。脆性破壊とは、亀裂が塑性変形をほとんど伴わずに、ほぼ音速で容器壁を伝播する壊滅的な破壊モードです。安全な運用は、以下の3つの冶金学的および設計原則によって支配されます：

• **シャルピーVノッチ衝撃靭性検証：** ASME Section VIII UG-84は、MDMT以下でのCVN衝撃試験を義務付けています。試験片（10*10*55 mm、2 mmのVノッチ、ASTM E23に機械加工）は振り子ハンマーで打撃されます。吸収エネルギー（ジュール単位）は、材料厚さに基づく最低規定値を上回る必要があります。-46℃でのSA-516 Gr.70Nの場合、最低CVNは18-27 J（厚さによる）です。-196℃での9%Ni鋼（SA-353）の場合、安定化されたオーステナイト相により、40-70 JのCVN値が達成可能です。*横方向伸び*（最低0.38 mm）と*せん断破壊外観*（全サイズ試験片で最低70%）は、二次的な合格基準となります。
• **延性脆性遷移温度（DBTT）の制御：** BCC（体心立方）金属、すなわち炭素鋼、低合金鋼、クロムフェライト系鋼は、破壊モードが延性（微小空洞合体）から脆性（劈開）に移行するDBTTを示します。炭素鋼のDBTTは約-20℃から-40℃であるため、-46℃未満での使用には、オーステナイト系材料（FCC構造、DBTTなし）またはDBTTを-196℃未満に低下させるニッケル添加が施された9%Ni鋼が必要です。*50% FATT（破壊外観遷移温度）*、すなわち延性破壊と脆性破壊が50%ずつ観察される温度は、MDMTより少なくとも15-30℃低くなければなりません。ファイングレイン処理（ASTM E112、結晶粒度No.5以上）と正規化熱処理は、DBTTを10-20℃低下させます。
• **熱応力と熱膨張差の管理：** 低温容器は、冷たい内側容器と常温の外側ジャケットまたは支持部との間に極端な熱膨張差を経験します。-162℃の9%Ni鋼内側容器と+20℃の炭素鋼外側容器の場合、熱収縮差は約2.7 mm/mの長さとなり、すべての配管にフレキシブル接続（ベローズまたはフレキシブル金属ホース）が必要です。*ASME Section VIII 付録3*は、低温容器の支持スカートの設計について説明しています。スカートとシェル接合部には、金属温度における降伏強度以下の熱応力に制限するための熱遷移部を含める必要があります。パーライト粉末断熱材（真空中で熱伝導率0.02-0.04 W/mK）は、二重壁LNG貯蔵タンクの内外容器間の環状空間を充填します。

2. 低温圧力容器の主要な種類

低温容器は、含有する液化ガス、対応するMDMT、および材料戦略によって分類されます。3つの主要な用途カテゴリが、産業設備の大部分を占めています：

• **LNG貯蔵・処理容器（MDMT -162℃）：** これらの二重壁平底タンク（容量1,000～200,000 m³）は、-162℃で液化天然ガスを貯蔵します。内側容器は9%Ni鋼（SA-353）で、壁厚は工場製作の圧力容器（500 m³まで）で10～25 mm、または小型のプロセス容器ではステンレス鋼304Lです。外側容器（炭素鋼）にはパーライト真空断熱材が含まれており、大型貯蔵タンクの蒸発率を1日あたり0.05～0.1%に低減します。ASME Section VIII Division 1（低温補助要件付き付録）またはAPI 620 付録Qが設計を規定しており、すべての溶接部に100% UT検査を実施し、550～585℃（9%Ni鋼の焼き戻し組織を維持するためにAc1温度以下）で応力除去PWHTを実施します。
• **極低温ガス処理容器（MDMT -104℃～-196℃）：** これらのASME容器は、空気分離装置（ASU）、エチレンコールドボックス、窒素液化プラントで使用されます。-104℃までの用途（エチレン冷凍）には、3.5%Ni鋼（SA-203 Gr.D）または304Lステンレス鋼が指定されます。-196℃の用途（液体窒素、酸素、アルゴン）には、完全にオーステナイト系の304L/316Lまたはアルミニウム5083-Oが使用されます。これらのFCC金属はDBTTを持たないためです。プレートフィン熱交換器（アルミニウムろう付け、約100層、体積6～12 m³）は、コンパクト化のためにシェル＆チューブ熱交換器に取って代わります。9%Ni鋼の-162℃における*平均比熱*は0.45 kJ/kgK（常温で0.50）であり、*熱膨張係数*は1.2*10⁻⁵ /℃であるため、支持部での熱遷移部が必要です。
• **液体水素・ヘリウム容器（MDMT -253℃～-270℃）：** これらの超低温容器は、液体水素（-253℃）にはオーステナイト系ステンレス鋼304Lまたは316Lを、液体ヘリウム（-269℃）にはオーステナイト系鋼またはアルミニウムを使用します。真空断熱設計（内側容器と多層断熱材—交互に配置されたアルミニウム箔とガラス紙のMLI、30～100層—を真空ジャケット付き外側シェル内に配置）は、熱漏れを<1 W/m²に低減します。液体ヘリウムの場合、ヘリウムの蒸発潜熱はわずか2.18 kJ/L（LNGの226 kJ/Lと比較して）であるため、0.5～2.0 W/m²の熱流束を達成する*スーパーインシュレーション*が不可欠です。蒸発率は、10～50 m³の輸送容器で1日あたり0.3～1.0%が一般的で、アクティブなベントがあります。低温圧力容器材料比較マトリックス

材料グレード

Q: 最低設計金属温度（MDMT）とは何ですか、なぜ重要ですか？

A: MDMTは、起動、停止、異常状態を含め、容器が圧力下で運用されると予想される最低金属温度です。ASME Section VIIIは、すべての耐圧材料がMDMT以下で検証されたシャルピーVノッチ衝撃靭性を持つことを要求しています。炭素鋼容器をMDMT未満で運用すると、事前の塑性変形なしに壁をほぼ音速で伝播する亀裂である、壊滅的な脆性破壊のリスクがあります。MDMTは容器の銘板に刻印されており、ASME Section VIII UG-20(f)またはCode Case 2216に従った工学的解析なしに超えてはなりません。

Q: なぜLNG貯蔵容器にステンレス鋼ではなく9%ニッケル鋼が使用されるのですか？

A: 9%Ni鋼（SA-353）は最適なバランスを提供します。DBTTが-196℃未満（LNGの-162℃に適している）、オーステナイト系ステンレス鋼よりも高い強度（304Lの205 MPaに対し降伏強度515 MPa、これにより壁厚を薄くしコストを削減できる）、オーステナイト系グレードよりも低い熱膨張（支持部での熱応力を低減）を備えています。9%Niの添加は、焼き戻しマルテンサイトマトリックス間の残留オーステナイト相を安定化させ、低温靭性を提供します。9%Ni鋼のコストは炭素鋼の約3倍ですが、ステンレス鋼の約0.5倍であり、大型LNG貯蔵タンクにとって経済的な選択肢となります。

Q: 多層断熱材（MLI）とは何ですか、どのようにして極低温容器の熱漏れを低減するのですか？

A: MLIは、内側と外側容器間の真空環に設置された、反射率の高いアルミニウム箔（厚さ12～25 µm）と低熱伝導性スペーサー材（ガラス紙またはポリエステルネット、厚さ0.05～0.15 mm）を30～100層交互に重ねたものです。各箔層は赤外線の95～97%を反射し、30層以上あれば、残りの放射熱伝達は裸の真空と比較して200～300倍低減されます。高真空（<10⁻³ mbar）で適切に設置されたMLIの実効熱伝導率は0.00005～0.0002 W/mKであり、大型LNGタンクでは0.05～0.1%/日の蒸発率、小型LH2輸送容器では0.3～1.0%/日の蒸発率を達成します。

Q: ASMEの衝撃試験免除とは何ですか、低温容器にどのように適用されますか？A: ASME Section VIII UG-20(f)および図UCS-66は、材料厚さとMDMTに基づいた衝撃試験免除を提供しています。薄い材料（<10 mm）は、-48℃程度の温度では免除される場合があります。これは、*基準温度*（厚さ、降伏強度、適用応力から導出される）がDBTTを上回るためです。しかし、-46℃未満で運用される容器の場合、免除はほとんど適用されません。ほとんどの厚さと材料グレードで、MDMTでの衝撃試験が義務付けられています。Code Case 2216は、破壊力学解析（API 579-1/ASME FFS-1に従った*破壊評価線図*を使用）が十分な欠陥許容性を示す場合、衝撃試験なしでMDMTを低減することを許可していますが、これには高度な工学的解析と規制当局の承認が必要です。

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