みなさんこんにちは、プラントエンジニアのヤンです。
現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。
学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。今回は「材料特性」について語ります。
プラントというのはその種類によって製造しているものは違います。その中でもいろいろな種類の流体などを扱っています。
その為、適切な材料を使用するために材料の特性をよく理解する必要があるのです。
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知識がないシェフが作った料理を食べたいですか？
フライパンやミキサーを持たないシェフ、または材料がどのように組み合わされるか分からずに料理を作成しようとしていることを想像してみてください。
最終的に見た目が非常にきれいで、良い香りがして、おいしい料理になる可能性はあるでしょうか？
同様に、エンジニアがどのような材料を使用するのか分からない場合、機械設計の結果はどうなるでしょうか？
材料特性について：プラント設計では材料の特性を知ることが重要
機械工学分野では、調理場と同様に、使用される材料は特定の目的にのみ有効な特性を有しています。
もちろん、それは単一の環境ではなく複数の環境にわたって使用できることがほとんどですが、中にはある特定の分野でのみ使用できる/できない材料も存在します。
エンジニアにはさまざまな素材が用意されており、常に新素材が開発されています。エンジニアリングに利用できる材料の種類の多さは、それら全ての材料の特性と、使用できる範囲を記憶することは非常に難しいです。
そのため、まず始めることは材料の基本的な特性を理解することから始めるのが、一番確実な方法です。
エンジニアが数々の材料を選択するには、材料の一般的な特性から選択することが重要ですが、選択するうえで「最も理想的な材料」を選定するには下記の点を考える必要があります。
- 材料の強度
- 材料の耐食性
- 材料の施工性（溶接性）
- 経済性
- 入手性
また、同じ材料でも格好方法が違えばその特性も違ったものになることがあります。同じ「鉄」といっても圧延材からできたものと、鋳造からできたものではその性質が大きく異なっています。
そのような加工方法による材料の違いも、使用方法に大きな違いを生みますのでエンジニアはそのようなことも知っておく必要があります。
材料特性について：金属材料
一般的に金属材料として使われるのは「鉄」ですが、純粋な鉄は強度が低いので一般的にプラント建設には使用されません。
基本的には炭素を含有させた鋼を使用することが多く、そこからいろいろな微量元素を含有させた「低合金鋼」も広く用いられています。
同様にクロムを12％以上含有させたステンレス鋼も幅広く用いられている金属材料となります。
錆びにくく（錆びないわけではない）低音から高音まで幅広く利用できる材料となります。
他にもアルミニウムやチタンなどいろいろな金属材料があります。単に「高級だから」という選定ではなく、先ほど挙げた特性を理解して採用する必要があります。
腐食に注意する
金属材料はどうしても腐食から逃げることができません。しかし、その速度は環境や人為的な操作により大きく変動します。
また腐食と言っても多くの形態があるので、その形態によって対策をたてていく必要があります。
腐食を防ぐには防食対策が必要ですが下記をよく考慮して採用する必要があります。
- 信頼性・安全性が高い
- 経済的、コストパフォーマンスがよい
- 省資源、省エネルギー
何度も言いますが金属材料は腐食から逃げることができません。しかし、大きく摩耗しては経済的にも機械的にも悪いことばかりなので、日々の点検なども重要視する必要があります。
材料特性について：非金属材料
現在では金属材料以外にもいろいろな材料が出回っています。ポリマーとセラミックスの研究は、材料科学研究の重要な部分でもあります。
プラスチックを製造するためにしばしば使用されるポリマーは、炭素、水素、および酸素のような非金属元素を含む大きな分子からなっています。
セラミックスは、金属元素と非金属元素の両方からなる硬くて脆い材料です。
セメントから工作機械用の切削工具まで、セラミック材料の多くの例があります。しかし、硬くて脆いという性質がその使用範囲を限定してしまう事もあります。
複合材料の例は、ガラス繊維がポリマー樹脂と混合されているガラス繊維です。
ガラス自体は脆く、容易に壊れますが、細い繊維に成形してポリマー樹脂と組み合わせて硬化させると、複合材料は強く耐久性が非常に大きくなります。
グラスファイバーは、車体、船体などに現在使われています。複合材料の他の例には、鉄筋コンクリート、ケブラー、合板、安全ガラス、および炭素強化プラスチックが含まれます。
単一の材料で使用するよりもはるかに優れた特性を持っています。
材料特性について：まとめ
機械工学分野では物を作るにあたって数々の材料、金属材料から無機材料、複合材料から常に最適なものを選定し使用していく必要があります。しかし、数限りない材料が存在する中で最適な材料を選定するのはある種至難の業です。
その為には、各材料の基本的な性質を理解しそこから応用して最適な材料を判断していく必要があります。
僕もプラント設計する際は数多くの「設計条件」の元で材料を選択しています。
わからない場合一番良いのは材料メーカーに聞くことです。それにより常に最新の情報を得ることができますので、材料選定の時間を短縮することができます。
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