탄소섬유, 엔지니어링의 경이

• 탄소섬유는 가장 혹독하고 도전적인 환경에서도 강도와 내구성에서 탁월한 성능을 발휘
• 아람코는 다수 부문에서 새로운 탄소섬유 복합소재 응용분야의 설계와 개발을 시작
• 자동차∙항공우주에서 풍력∙도시개발에 이르기까지 탄소섬유는 많은 산업 부문을 혁신할 잠재력 보유

1860년 조셉 윌슨 스완 경 (Sir Joseph Wilson Swan)은 초기 백열 전구에 사용하기 위해 탄소섬유를 발명했다. 이 새로운 소재는 높은 내열성을 갖추고 있어 이상적인 전기 전도체로 자리잡았다. 그러나 1900년대 초까지 텅스텐이 전구 필라멘트 재료로 선호되었으며, 탄소섬유는 대략 반세기 동안 제대로 활용되지 않았다.

탄소섬유는 일반적으로 석유나 아크릴로니트릴이라는 화학물질, 또는 두 가지 모두로 만들어진다. 강도 대 중량비가 높아 경량 부품, 낮은 열팽창 계수, 전기 전도성, 화학적 불활성을 필요로 하는 산업에 적합하다.

아람코는 이미 성능 개선과 유지보수∙운영 비용 절감을 위해 운영 전반의 다양한 응용분야에 탄소섬유 기반 복합제품을 선택적으로 적용하기 시작했다. 탄소섬유는 고유한 이점을 기반으로 이미 항공우주 및 재생에너지 부문에서 각광받는 소재가 되었으며, 향후 몇 년간 그 역할이 더욱 확대될 수 있다.

강도와 내구성 측면에서 탄소섬유는 가장 혹독하고 도전적인 환경에서도 탁월한 성능을 발휘한다. 예를 들어, 탄소섬유 기반 복합 파이프는 탄소강보다 가벼워 부식 관리 필요성이 적고, 작업 중 검사 요구사항이 적다. 또한 무게가 가볍다는 것은 운송에 필요한 에너지가 적고 따라서 필요한 연료가 적음을 의미한다.

탄소섬유는 또한 더 가벼운 자동차를 만드는 데 사용되어 자동차 연비를 향상한다. 또한 항공우주산업, 풍력 터빈 블레이드 제조, 건축 및 건설 분야에서 경쟁 우위를 제공한다.

탄소섬유 기반 제품은 타 소재보다 전체 수명주기 비용이 낮다. 제품 수명주기와 관련하여 아람코는 제조, 설치, 운송, 전체 운영 수명주기를 포함하여 전체 사용기간에 걸쳐 프로젝트를 고려한다.

복합소재는 이미 석유·가스 산업에서 탄소강 및 합금 소재의 대체품으로서 새로운 역할을 하고있다. 아람코는 수명주기 비용을 낮추고 내식성을 향상시키기 위해 네트워크 전체에 총 연장 10,000km가 넘는 비금속 파이프를 설치했다.

또한 부식을 해결하고 장기적인 무결성을 보장하기 위해, 다운홀 응용분야 및 플랜트 설정에 다운홀 튜빙 및 밸브와 같은 비금속 제품이 이미 적용되어 있다.

또한 아람코는 석유·가스 응용분야에 비금속 열가소성 복합 파이프 (TCP)를 사용하기 시작했다. TCP는 유정의 육상 정두 파이프로 사용되어 왔으며, 전통적 비금속 복합 파이프에 비해 더 가볍고 강도가 높으며 고압에서 사용 가능하다. 또한 강철보다 유연성과 피로 저항이 더 높다.

압력 등급이 3,000 PSIG (평방인치당파운드계기압력)인 이 차별화된 응용분야는 높은 치수 정확도를 유지하는 동시에 리드타임을 크게 단축한다. 또한 유정을 재 가동할 수 없는 경우에 스풀을 재제작하는 것과 같은 개수 (改修) 문제를 해결하여, 연속 생산량 달성에 도움을 준다.

최근 자동차 산업에서 탄소섬유에 대한 관심이 높아졌다.

탄소섬유 강화 플라스틱은 강철보다 가벼우며, 탄소섬유 복합소재의 가벼운 무게는 에너지를 절약하고 전력 소비를 감소하며 업계의 탄소발자국을 줄인다. 이는 오늘날 자동차 산업이 달성하기 위해 노력하고 있는 부분이다.

아람코는 수소 저장탱크와 같은 응용분야에서 새로운 탄소섬유 및 폴리머 기반 기술 개발을 추진 중이다. 탄소섬유가 자동차 산업의 경이로운 소재로 자리잡게 한 특성은 항공 분야에도 이상적이다. 예를 들어, 항공우주 산업에서는 항공기 날개의 윈드 트리머를 탄소섬유로 만들어 강도를 높인다.

건설 부문에는 비금속 소재의 엄청난 성장 기회가 있다. 탄소섬유는 복합 철근과 탄소섬유 강화 폴리머부터 바닥재와 복합 클래딩에 이르기까지 모든 것을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 아람코는 탄소섬유를 교량, 데크, 클래딩에 활용한다.

2018년 아람코는 자잔경제도시 프로젝트의 연장 21km 우수 배수로에 유리 섬유 강화 폴리머 (FRP) 철근을 사용했으며, 이는 세계 최대 규모의 FRP 적용 사례이다. 탄소섬유 강화 철근은 강성과 열성형 가능성을 기반으로 새로운 지평을 열고 있다.

포장 산업은 특히 재활용 탄소섬유 소재 분야에서 탄소섬유가 잠재력을 보유한 또 다른 영역이다. 비금속 소재 활성화를 위한 노력의 일환으로 아람코는 시설, 창고, 석유 플랫폼에 7,500개 이상의 플라스틱 팔레트를 설치했다.