金属への水素の影響：水素脆化
水素技術の継続的な進歩に伴い、材料試験は新たな課題に直面しています。輸送および保管中の金属材料への水素の影響 (水素脆化) により、それらは包括的な試験を受ける必要があります。水素ガスの主な輸送手段はパイプラインとタンクです。ここで、ASME B31.12は、水素運搬パイプおよびパイプラインの試験の主要な規格として、材料試験において中心的な役割を果たしています。
- ガス状水素は、輸送前または貯蔵目的で、水素タンクまたは水素ボンベで圧縮されます (200 ～ 700 バール)。この圧力レベルで最大限の安全性を確保するには、水素脆化に対して材料の機械的安定性を確保する必要があります。安全要件を最大限に満たすためには、使用する材料を特徴付けなくてはなりません。
- パイプラインは、大量の水素を長距離にわたって輸送するのに理想的です。既存の天然ガスパイプラインは、改造を加えたものであり、水素輸送の効率的なソリューションです。ここでは、天然ガスと水素の両方の既存のインフラストラクチャを最適に使用するために、材料の特性評価が安全基準を満たす上で重要な役割を果たします。天然ガスに水素を混合することも可能です。新しいインフラストラクチャの開発と適応では、水素脆化特性の観点から、使用されるコンポーネントの強度を知ることが重要です。
水素脆化と高圧水素環境下での材料挙動は、品質管理と新材料開発の核となる要素です。
水素脆化とは何ですか？
水素脆化とは、水素が金属に浸透し、金属が延性（伸びやすさ、成形性）を失い、時間の経過とともに脆くなることです。これにより、金属の降伏強度または各コンポーネントの設計応力を下回る早期故障が発生します。つまり、素材は徐々に疲労していきます。
水素の発生源に応じて、2種類の水素脆化 (HE) が区別されます。
- 内部水素脆化ここでは、製造プロセス中に水素が材料に浸透します
- 水素環境脆化（HEE）これには、水素が環境から吸収され、材料の脆化を促進するプロセスが含まれます。
水素の影響下における金属の挙動（水素脆化）を決定するための試験方法
水素の影響下における金属の挙動を調べるために、多くの標準化された試験方法が使用されています。ZwickRoell は、次のような種類の試験に適した試験ソリューションを提供しています：
- ASTM F519規格は、水素の影響下における高強度金属材料の挙動（水素脆化、めっきプロセス）を評価するための持続荷重による機械的試験方法を規定しています。
- 規格では、水素脆化による遅れ破壊に対する高強度金属材料の感受性を決定するための加速試験方法について説明しています。
- ASTM E1681 規格は、金属材料の環境誘起クラックのしきい応力強度係数を決定する方法を定義しています。この試験方法は、水素環境でのパイプ試験およびパイプライン試験の文脈において、ASME B31.12 規格でも規定されています。
その他の条件の中でも、次の標準試験が水素環境で実行されます。
- 引張試験：ASTM E8 金属引張試験（ISO 6892-1 にも準拠）
- クリープ試験：ASTM E139 金属材料のクリープ、クリープ破断および応力破断試験の実施に関するガイドライン、ISO 204 引張における一軸クリープ試験、ASTM E1457 金属のクリープクラック成長時間を測定するための標準試験方法
- SSRT (低速ひずみ速度試験): ASTM G129, ASTM G142
- クリープ疲労/クリープ疲労き裂成長：ASTM E2714, ASTM E2760
- 破壊力学ASTM E399 K1C臨界応力拡大係数, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 クラック進展速度
- 低サイクル疲労 / LCF: ASTM E606
- 高サイクル疲労 / HCF: DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Tests such as ISO 9015 – アーク溶接継手の硬さ試験、ISO 22826 – ビッカースおよびヌープ法によるレーザーおよび電子ビーム溶接狭幅継手の硬さ試験、ISO 2639– 浸炭および硬化層の深さの測定および検証などの試験
圧縮水素環境のシミュレーションのための試験システムとオプション
ツビックローエルは、パイプラインとタンクが水素によって引き起こされる亀裂の影響を受けやすい程度を正確に判断するためのソリューションを提供します。試験と調査から得られた結果は、その後、構造材料の最大限の安全性を確保するために、水素輸送および貯蔵インフラストラクチャの破壊力学に基づく設計アプローチに組み込まれます。
これらの試験には、最大 100 kN のクリープ試験機、静的万能試験機、サーボ油圧試験システムが使用されます。多種多様な試験には、引張試験、疲労試験、破壊力学調査が含まれ、水素オートクレーブ (最大 400 bar; 特殊バージョンは最大 1,000 bar) または中空試験片アダプター (中空試験片技術; 最大 200 bar) を介して、水素環境で最大 1,000 bar の圧力で85 ℃～ +150 ℃の範囲 で実行されます。
安全規格の概要
- GB/T 26466: 高圧水素貯蔵用 固定平鋼リボン巻容器
- GB/T 35544: 陸上車両の燃料としての圧縮水素のセオンボード貯蔵用 アルミニウムライナー付きの完全にラップされた炭素繊維強化シリンダー
- GB/T 34542: ガス状水素の貯蔵および輸送システム - パート 1：一般要件
- EN 17533：ガス状水素 - 固定貯蔵用のシリンダーとチューブ
- EN 17339：可搬型ガスボンベ - 水素用の完全に包まれた炭素複合材ボンベとチューブ
- ISO 19881：ガス状水素 - 陸上車両用燃料コンテナ
- CGA G-5.4-2019 ユーザーロケーションでの水素配管システムの規格
- CGA G-5.6-2005 水素パイプラインシステム
- CGA G-5.8-2007 消費地での高圧水素配管システム
- ASME B31.12- 2019 水素配管とパイプライン
- ASME STP-PT006-2017 水素配管およびパイプラインの設計ガイドライン
