부식 저항성 FRP 레진으로 석유화학 플랜트 내구성 강화

복합소재는 고부식 환경에서 내구성이 뛰어나지만, 최적의 성능을 위해서는 각 응용 분야에 적합한 레진을 선택하는 것이 필수적입니다. SABIC(사우디아라비아 리야드) 자회사 페트로케미아(Petrokemya)의 사우디아라비아 주베일 석유화학 단지는 에틸렌, 스티렌, 염소, 조공업용 에탄올 등 다양한 원료 화학물질을 생산합니다. 생산 공정을 위해 이 단지는 염산에 노출되어도 부식되지 않아야 하는 여러 대형 구성품과 파이프가 있는 연소 장치를 필요로 했습니다.

연소 장치 퀀치 탱크, 스크러버, 배기 탱크 및 관련 용기와 배관의 설계 및 제조는 내식성 장비 제조업체 올레아리스(Ollearis, 스페인 마르토렐레스), 계약업체 중국 천진 엔지니어링(TCC, 중국 톈진), 엔지니어링 회사 존 징크 햄워시 연소(John Zink Hamworthy Combustion, 미국 오클라호마주 털사) 팀이 맡았습니다. 이 구성품들은 염산 접촉 견디기, 여러 설계 과제 충족, 비용 효율적 솔루션이어야 했습니다.

유리섬유 강화 복합소재가 고부식 화학물질을 견디면서 특수 금속 합금보다 비용 효율적인 솔루션을 제공하는 소재로 선택되었습니다. 모든 주요 구성품은 유리섬유 강화 플라스틱(FRP)으로 제작되었으며, 인양 및 고정 러그(스테인리스강), 스프레이 노즐(열가소성 또는 금속), 스크러버 패킹 등 몇 가지 예외를 제외하고는 모두 FRP로 제작되었습니다.

성능 요구사항을 충족하면서 가장 경제적인 솔루션을 제공하기 위해 올레아리스는 AOC(미국 테네시주 콜리어빌)의 아틀락(Atlac) 레진 세 가지를 선택했습니다. "우리는 AOC 내화학성 가이드와 AOC 기술 서비스 팀의 전문 지식을 활용해 레진 유형을 선정했습니다. 고객이 상세히 제시한 취급 유체와 설계 온도를 고려하여 제안된 레진이 요구 조건에서 잘 작동할지 확인해야 했습니다."라고 올레아리스 기술 매니저 아드리아노 우레냐(Adriano Ureña)는 설명합니다.

올레아리스는 가스 세정 공정의 첫 단계인 퀀치 탱크에 아틀락 590 에폭시 노볼락 레진을 선택했습니다. 탱크는 높이 11.8m, 내부 직경 3m입니다. 과제는 운전 시 연소 장치의 배기 가스가 약 300°C로 이 퀀치 탱크에 유입된 후, 가스 입구 근처 노즐에서 분사되는 물로 매우 빠르게 냉각된다는 점입니다. 아틀락 590은 염산 용액에 대한 저항성과 요구되는 고온에서의 강도 유지력을 위해 선택되었습니다.

높이 14.10m 스크러버, 정화된 가스가 배출되는 높이 39.7m 배기 스택, 스크러버와 퀀치 탱크를 연결하는 길이 1.45m 덕트에는 아틀락 430 비스페놀 A 에폭시 비닐 에스테르 레진이 선택되었습니다. 이는 비교적 덜 까다로운 온도 조건(스크러버와 배기 스택의 설계 온도 최대 85°C)에 부합하는 다용도 표준 제품입니다. 스크러버는 퀀치 탱크에서 유입되는 염산 용액과 산을 중화하는 세정수에 포함된 수산화나트륨 용액에 노출됩니다. 배기 스택도 소량의 염산과 젖은 염소가 포함된 공기에 노출됩니다.

스크러버와 퀀치 탱크 주변 배관 시스템에는 아틀락 383 불포화 비스페놀 A 폴리에스터가 산 및 알칼리성 유체에 대한 내화학성과 표준 비닐 에스테르 레진보다 낮은 비용으로 선택되었습니다.

퀀치 탱크, 스크러버, 스택의 원통 부분은 습식 필라멘트 와인딩과 외부 양방향 직조 원단 층을 동시에 적용하는 하이브리드 제조 공정으로 제작되었습니다. 이 조합은 원주 방향(필라멘트 와인딩에서)과 축 방향(부품 축과 정렬되는 직물에서) 모두에서 더 나은 기계적 특성을 가진 부품을 생산했습니다. 직조 원단 추가는 부품당 유리섬유 중량 비율을 완전 필라멘트 와인딩 부품의 70%에서 55%로 낮췄습니다. 이는 부품당 부식 저항성 레진 양을 증가시킵니다. 기타 구성품은 핸드 레이업으로 제작되었습니다.

설계 과제 해결

올레아리스는 이 프로젝트 장비 설계 시 여러 과제에 직면했습니다. 한 가지 과제는 퀀치 탱크 내부 표면에 레진이 풍부한 내식 배리어 층을 포함해야 하는데, 이는 운전 중 열충격으로 인한 크레이징(미세 균열) 위험을 안고 있었습니다. 팀은 탄소섬유 표면 베일로 내식 배리어를 보강하여 부품의 열충격 저항성을 개선했습니다.

두 번째 과제는 스크러버 내부의 패킹 무게를 지탱하는 방법을 찾는 것이었습니다. 패킹은 스크러버를 통과하는 공기에서 가스를 제거하는 소재입니다. 이를 해결하기 위해 올레아리스는 패킹 아래에 복합소재 격자를 설치하고, 복합소재 레지와 두 개의 복합소재 빔으로 지지했습니다. 레지와 빔은 중공 직사각형 단면을 가지며, 레지는 폴리우레탄 폼으로 채워졌습니다. 레지는 필라멘트 와인딩된 원통형 스크러버에 한 조각으로 직접 제조되었습니다. 제조 후 접합하면 패킹 무게 하중으로 인한 디본딩 위험이 있습니다. 빔은 스크러버 쉘에 접합된 특수 설계 복합소재 노즐로 지지됩니다.

세 번째 설계 과제는 퀀치 탱크와 스크러버가 진공 하에서 운전되지만 바닥이 평평하다는 점이었습니다. 평평한 복합소재 패널은 압력과 진공에 대한 저항이 약해 보통 매우 두꺼워야 하중을 견딜 수 있어 제조 비용이 비쌉니다. 프로젝트 목표를 달성하기 위해 올레아리스는 레진 함침 3D 유리섬유 직물 코어와 복합소재 스킨 층으로 된 샌드위치 구조를 개발해 고체 복합소재 부품의 비용과 무게를 줄이는 더 저렴한 솔루션을 마련했습니다.

이 프로젝트의 복합소재 구성품은 2016년 설계 및 납품되었고, 최종 설치는 2017년 완료되었습니다.