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耐腐食性ガス圧縮機部品のタンタルインゴット
ガス圧縮機の様々なコンポーネントの材料選択は、長期にわたる耐久性、信頼性、および効率にとって重要です。タンタルインゴットは、高温安定性と卓越した耐食性を併せ持つため、侵食性媒体による攻撃を受ける部品において、最良の選択として浮上してきた。
図1 ガスコンプレッサ図 [1］
腐食環境でタンタルを使用する理由
1.卓越した耐食性
タンタルは、主に強酸媒体や攻撃的な化学試薬に対して、最も耐食性の高い金属の一つです。実際、タンタルは他の元素と同様に酸性の気体や液体に対して耐性があり、そのため、空気やガス中に腐食性分子が含まれる可能性のあるガス圧縮機に適しています。例えば、石油化学精製所では、硫黄を含むガスは数時間以内に耐性の低い材料を急速に破壊する可能性があります。タンタルは、その表面に安定した保護酸化物層を形成することで、さらなる腐食を防ぎます。これにより、コンプレッサー部品の寿命が延び、アイドル期間が短縮されます。
2.高温での優れた性能
ガス圧縮機の多くは、特にエネルギー関連産業において、高温条件にさらされます。タンタルは融点が3,017℃と非常に高いため、非常に高い温度下で使用することができます。そのため、タンタルインゴットは、高温で作動するローターやピストンのようなコンプレッサー部品の製造に理想的であると考えられており、最大限の効率を保証します。
3.優れた耐久性と強度
タンタル固有の強度と耐久性は、継続的な機械的ストレスにさらされる部品に非常に適しています。ガス圧縮機では、ローターやバルブなどの部品は非常に高いせん断力と機械的摩耗にさらされます。タンタルの優れた引張強度と耐疲労性は、摩耗を最小限に抑え、極端な運転条件下でも部品を長持ちさせる傾向があります。
ガス圧縮機におけるタンタルの一般的な用途
1.コンプレッサーのローターとブレード
ガス圧縮機のローターとブレードは、高速回転とガス流中の研磨粒子による絶え間ない衝撃のため、常に磨耗と損傷にさらされています。耐摩耗性に優れたタンタルは、腐食と機械的応力を同時に受けるローターやブレードに使用されます。タンタルは融点が高いため、高温で運転されるコンプレッサーでも構造的な完全性を保つことができます。
2.シールとバルブ部品
ガス圧縮機のシールと弁は、圧力を保持し、ガス漏れを防ぐために必要な密閉性を提供します。多くの腐食性環境では、シールが設計されたガスによって、これらの部品が破壊されます。タンタルは、シール、バルブシート、バルブボディの製造に使用され、腐食性ガスに対する耐性があるため、性能が長持ちし、漏れや故障を防ぎます。その可鍛性と成形性は、今日のコンプレッサーシステムで必要とされる複雑な形状の精密製造を可能にする。
3.高圧部品
ガス圧縮機は非常に高い圧力下で作動するため、圧縮室、フランジ、シリンダーヘッドなどの部品に非常に高い応力がかかります。タンタルは変形しにくく、極端な圧力変化にも耐えられるため、このような重要な部品に適しています。通常、材料応力や腐食によって故障が発生するような用途でも、タンタルを使用することで、構造的な完全性と寿命を維持することができます。
4.熱交換器の構成部品
ガス圧縮機は、圧縮中または圧縮後に温度変化が発生する多くの産業で熱交換器と共に使用されています。腐食性の高温ガスと接触する熱交換器のチューブやバッフルは、タンタルの優れた耐食性と優れた耐熱衝撃性を利用しています。これにより、腐食が他の材料を劣化させるような激しい熱サイクル下でも、構造的完全性と信頼性の高い熱伝達性能が保証されます。
耐食性：タンタルと他の材料
ステンレス、チタン、ニッケルベースの合金は、ガスコンプレッサに広く使用されていますが、耐食性と高温安定性ではタンタルに及びません。以下は、タンタルと他の材料との簡単な比較です。その他の金属製品については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
|
特性 |
タンタル |
ステンレス鋼 |
チタン |
ニッケル合金 |
|
耐食性 |
良好（酸性、アルカリ、塩素） |
良好（ただし硫酸、塩素に侵されやすい） |
良好（塩水では耐食性） |
良好（ただし酸性環境に弱い） |
|
高温耐性 |
優（3,017℃まで） |
中程度（1,400℃～1,500） |
中程度（1,600） |
優れる（1,300℃～1,400） |
|
強度 |
高い引張強さ |
中程度 |
高い強度重量比 |
強度は高いが、高温でクリープしやすい |
|
成形性 |
加工が難しい |
溶接と加工が容易 |
溶接と加工が容易 |
溶接と加工が容易 |
|
耐久性 |
高い（寿命が長い） |
中程度（摩耗や腐食に弱い） |
中程度（耐摩耗性） |
中程度（耐摩耗性はあるが、耐食性はタンタルより劣る） |
結論
タンタルインゴットは、優れた耐食性と高温下での安定性が要求されるコンプレッサー用途で最大の利点を提供する。ステンレス鋼製やチタン製を含む他の材料にも適所はありますが、タンタルは、高性能、信頼性、長寿命が重要な、非常に過酷な産業環境向けの主要材料であり続けています。
参考文献
[1] Eugene "Buddy" Broerman, Tim Manthey, Jürgen Wennemar, Justin Hollingsworth, Chapter 6 - Screw Compressors, Editor(s): Klaus Brun, Rainer Kurz, Compression Machinery for Oil and Gas, Gulf Professional Publishing, 2019, Pages 253-307, ISBN 9780128146835.
Dr. Samuel R. Matthews
