産業用ガスの低温貯蔵タンク

極低温を維持するという課題

液化天然ガス（LNG）、液体窒素、液体酸素——これらは通常の大気圧タンクで保管できるような商品ではありません。マイナス150℃以下の超低温では、物性が変わります。材料はもろくなり、断熱性能が極めて重要になります。さらに、貯蔵物質自体が継続的に気化（ボイルオフ）しようとするのです。低温貯蔵タンクはこうした課題に対する工学的解決策であり、長年にわたり進化を遂げ、産業分野において最も高度な耐圧容器の一つとなっています。

その規模は驚異的です。大型のLNG貯蔵タンク1基で、液体を16万立方メートルも収容できます——これは中規模都市数日分の供給量に相当します。一方、50立方メートルの液体窒素タンクは、単一の病院や電子機器製造工場を対象としています。しかし、サイズがいかなるものであれ、根底にある物理法則および工学的原理は同じです。

タンクの種類：単層構造からメンブレン構造まで

極低温貯蔵タンクには、安全性に対する考え方およびコスト構造が異なる複数の構成方式があります。 .

単層構造タンク は最も基本的な設計です。単層壁または二重層壁のタンクで極低温液体を収容し、漏洩が発生した場合には、外部のバーミ（盛土）またはダイク（堤防）によって液体を囲い込むことを想定しています。これは最も低コストな選択肢ですが、囲い込みエリアのために広大な敷地を必要とします。

二重構造タンク 一次タンクの周囲に二次壁を追加します。内側タンクから液体が漏れ出た場合、外側壁が液体を捕捉し、蒸気を遮断する密閉構造を提供します。これにより、大規模なバーム（盛土）を設置する必要がなくなり、敷地面積を削減できます。

完全密閉型タンク 大規模なLNG貯蔵における最新技術を代表するものです 内側タンクおよび外側タンクの両方が液体を収容するよう設計されており、外側タンクはさらに蒸気を遮断する密閉機能も備えています。内側タンクが破損した場合でも、外側タンクが全内容物を安全に保持します。これらのタンクは最も高価ですが、最高レベルの安全性を提供し、多くの規制当局が大規模貯蔵にこれを義務付けています。

メンブレーン式タンク 断熱材と外側のコンクリートシェルで支持された薄型ステンレス鋼製メンブレーンを用います 元々LNG運搬船向けに開発されたこの設計は、陸上への適用が進み、完全密閉型タンクに比べて材料重量が軽量でありながら優れた密閉性能を実現しています。

低温貯蔵を規定する規格

低温貯蔵タンクは、多数の規格が裏付けされて初めて建設されます。主な規格文書には以下があります :

• API 625 – LNG貯蔵タンクの設計および建設に関する主要な規格であり、材料から試験に至るまでを網羅

• EN 14620 – 全包囲型LNGタンクの建設に関する欧州規格

• NFPA 59A – 火災防護、配置間隔、危険防止に関する安全規格

• BS 7777／EEMUA – 低温貯蔵タンクの設計に関するガイドライン

API 625は、世界中で最も広く認知されている規格です 。この規格では、設計圧力、材料、断熱要件および試験手順が定められています。大規模プロジェクトにおいてAPI 625への適合は任意ではなく、保険契約および融資契約に明記されています。

ボイルオフ：避けられない損失

極低温貯蔵に初めて触れる方には意外な事実ですが、タンク内の製品は常に沸騰しています。最良の断熱材を用いても、わずかに熱がタンク内に侵入し、液体の一部が気化します。これを「ボイルオフガス（BOG）」と呼び、その管理は運用担当者の最も重要な責務の一つです。

LNG貯蔵タンクにおける業界標準の許容ボイルオフ率は、通常、タンク容量の1日あたり0.2％以下です。大型の完全密閉型タンクでは、表面積対体積比が大きさとともに改善されるため、より低い値（1日あたり0.05～0.08％）を達成できます。たとえば、16万立方メートルのタンクが1日あたり0.08％の割合でボイルオフする場合、1日に約128立方メートルのLNGが失われます。これは決して軽微な量ではなく、数千世帯分の暖房に十分なガス量に相当します。

では、蒸発ガス（BOG）はどうなるのでしょうか？ ほとんどのターミナルでは、このガスを回収し、再液化するか、プラントの燃料ガス系に供給します。小規模な施設では、燃焼処理（フレアリング）または大気放出（ベント）が行われることもありますが、環境規制によりこうした処置は次第に制限されています。BOG管理の経済性は極めて重要です。LNGが1立方メートル蒸発すれば、その分だけ販売できない製品が生じるからです。

断熱材：真の主役

低温貯蔵タンクの性能は、その断熱システムの品質に大きく依存します。LNGタンクでは、通常、内壁と外壁の間に充填される膨張パーライト（軽量の火山ガラス）や、小規模タンク向けのポリウレタンフォームが断熱材として用いられます。また、スペースが限られ、温度差が極端に大きい液体窒素や液体酸素のタンクでは、真空断熱が採用されることがあります。

大型LNGタンクにおけるパーライト断熱材は、数フィートの厚さになることがあります。課題は単に熱的性能だけではなく、沈降です。パーライトは時間とともに沈降し、断熱空間の上部に空隙を生じさせ、その部分から熱が断熱材を迂回して侵入します。最新の設計では、沈降を示すインジケーターおよびタンクの停止時にパーライトを補充するための措置が含まれています。

見落とされがちな点の一つは、タンクの貫通部（配管、計装機器、人孔）周辺の断熱です。これらは熱が侵入する弱点であり、不十分な断熱により外側タンク表面に低温部が生じ、氷の付着、腐食、さらには構造的な問題を引き起こす可能性があります。優れたタンク設計では、貫通部に対しても本体壁と同様の厳格な断熱対策が講じられます。

材料選定：低温環境への対応

炭素鋼は極低温で脆化する。これは問題である。なぜなら、産業用の貯蔵タンクの多くが炭素鋼で製造されているからだ。解決策は、マイナス162°C以下でも靭性を維持する材料を使用することである。

LNGタンクでは、内タンクは通常、9％ニッケル鋼またはアルミニウム合金で製造される。9％ニッケル鋼は主力材料であり、マイナス196°Cまで衝撃吸収性を保持でき、適切な手順に従えば溶接も可能である。アルミニウム合金は軽量で極低温特性に優れているが、コストが高く、特殊な溶接技術を要する。

一方、外タンクは通常、炭素鋼または鉄筋コンクリートで構成される。外タンクは極低温に直接さらされることはない——断熱材によって温度が保たれる——が、万が一漏れが発生した場合、内タンク内の内容物による静水圧に耐える必要がある。

運用上の現実：マニュアルには記載されていないこと

極低温貯蔵タンクは非常に信頼性が高いが、保守不要というわけではない。最も一般的な運用上の課題は「熱的層化」——液体内部に生じる温度勾配であり、これを適切に管理しないと急激な圧力上昇を引き起こす可能性がある。オペレーターはタンク内の複数の高さで温度を監視し、攪拌装置や循環ポンプを用いて均一な温度を維持する。

もう一つの現実として、極低温タンクへの充填および排液は熱応力を発生させる。内タンクは温度変化に伴って膨張・収縮し、配管接続部はこの動きに対応できる構造である必要がある。ベローズやエキスパンションループが標準的な対策だが、これらは定期的な点検および場合によっては交換が必要である。中西部にある液体窒素施設では、充填作業中にベローズが破損し、低温ガスが放出されて6週間の操業停止を余儀なくされるという苦い教訓を得た。

製造および建設における課題

低温貯蔵タンクの製造は、標準的な耐圧容器の製造とは異なります。許容差はより厳しく、溶接手順はより高度な技術を要し、検査要件もより厳格です。内筒におけるわずか1か所の溶接欠陥でも、全体の密閉システムに影響を及ぼす可能性があります。

プロジェクトオーナーにとって、製造業者の選定は極めて重要です。低温用途に実績のある製造業者は、特殊な溶接手順や非破壊検査（NDT）の要件、および製造工程における清浄性の極めて重要な意義を十分に理解しています。グリーンファイア（GreenFir）のような、低温機器の製造実績を有する企業は、こうした専門知識と経験をすべてのタンクプロジェクトに活かします。これにより、現場での問題発生リスクが低減され、初回充填時から設計通りの性能を確実に発揮できるタンクの納入が実現します。