金属への水素の影響：水素脆化

ガス状水素: テスト要件と貯蔵および輸送の課題。

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。

標準化メソッド圧縮水素環境での試験ソリューション安全基準実際のプロジェクト例

ツビックローエルの試験ソリューション

材料試験では、最大100 kNの静的試験機および油圧サーボ試験システムを使用して、水素環境で最大1000バールの圧力の下、引張試験、疲労試験、および破壊力学の試験を行います。（温度： -85℃から +150℃)。
さらに、液体水素中の材料の破壊挙動は、低温（約22ケルビン）での静的、振動、およびクリープ荷重の下で決定されます。ここでは、静的試験機、疲労試験機、そしてクリープ試験機がその役割を果たします。クリープ試験に関してさらに詳しく。

ツビックローエルの試験ソリューション

多くの標準化された試験方法が、金属の水素影響下での挙動を評価するために使用されています。ツビックローエルではこれらのタイプの試験対して正しいソリューションを提供しています:

ASTM F519 規格は、水素影響下での高強度金属材料の挙動を評価するための持続的な荷重を伴う機械試験法を説明しています（水素脆化、めっきプロセス）。
ASTM F1624規格は、高強度金属材料の水素による時間遅延型の破損の感受性を決定するための加速試験法を説明しています。
ASTM E1681規格は、金属材料の環境助長クラックのしきい応力強度因子を決定するための方法を定義しています。この試験方法は、ASME B31.12規格においても、水素環境でのパイプテストおよびパイプラインテストの文脈で指定されています。

その他の条件の中で、以下の標準試験が水素環境で実施されます：

引張試験：金属材料に対する引張試験 ASTM E8 （およびISO 6892-1）
クリープ試験：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ASTM E139、引張り応力における一軸クリープ試験 ISO204、金属材料におけるクリープクラック成長時間の測定のための標準試験方法ASTM E1457
SSRT（低ひずみ速度試験）：ASTM G129, ASTM G142
クリープ疲労/クリープ疲労クラック成長：ASTM E2714, ASTM E2760
破壊力学：ASTM E399 K1C臨界応力強度因子、ASTM E1820、BS8571、ASTM E647 クラック成長率
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
ISO 9015 – アーク溶接ジョイントの硬さ試験、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によって溶接された狭いジョイントの硬さ試験、ISO 2639 – 浸炭および硬化したケースの深さの測定および検証などの試験

ASTM E1681

ASTM E1681 に準拠したKIH試験は、水素環境における金属材料のしきい応力拡大係数 (KIH) を決定するための破壊力学試験です。

行先 ASTM E1681

ASTM F1624

ASTM F1624 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。

行先 ASTM F1624

ASTM F519

ASTM F519 規格は、高強度金属材料の機械的水素脆化評価の試験方法を規定しています。

行先 ASTM F519

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100kNのクリープ試験機, 静的試験機と油圧サーボ試験機が使用されます。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。

オートクレーブ技術と中空試験片法の比較

	オートクレーブ	中空試験片
利点	実証済みメソッド標準試験片での試験	より低いコストより短い試験時間
ディスアドバンテージ	高いコスト特に高圧および低温での長い試験時間	試験片の形状はまだ標準化されていませんオートクレーブの結果との相関関係を決定する必要があります