JP4823162B2 - 高圧水素耐圧部材の疲労設計方法 - Google Patents

Description

この発明は、水素スタンドの蓄圧器や圧縮機等における高圧水素機器などに用いられる高圧水素耐圧部材の疲労判定方法に関するものである。

水素ガス環境下にある高圧水素容器などでは、水素との接触による脆化の問題があり、非特許文献１では、水素損傷の分類の一つとしてＨＥＥ（Hydrogen Environment Embrittlement）が定義されている。この水素脆化に関する研究報告として、非特許文献２では、高圧水素中の引張性質を明らかにするため、熱処理により強度を変化させた試料の高圧水素雰囲気中における引張試験を行い、水素圧及び歪速度の影響について検討している。また、非特許文献３では、蓄圧器や水素圧縮器の材料（クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５））の内部に予め水素を侵入させて疲労試験を行っており、内部水素が微量の水素でも疲労強度の低下、疲労寿命の減少がみられたと報告している。さらに、非特許文献４では、各種の表面仕上（２４０ｇｒｉｔ−０．０５μアルミナ研磨）を受けた標記材料を水素及び酸素中で破裂試験を行なった結果、表面仕上が粗くなる程、水素中では漏れによる破壊が促進されたのに対して、酸素中では表面の効果は認められなかったことが報告されている。
非特許文献５では、高圧ガス保安協会基準が示されており、表面粗さによる応力集中係数を疲労解析の手順で考慮することが規定されており、非特許文献６では、ＡＳＭＥにおける圧力容器の表面粗さによる応力集中係数を疲労解析の手順で考慮する方法が記載されている。非特許文献７には、各種加工により生ずる残留応力値が記載されている。

ところで、例えば水素スタンドの蓄圧器においては、１日１００回、年間３６，５００回程度の繰り返し圧力充填が想定されており、高圧水素機器に対しては疲労を考慮した設計が必要となる。

従来、水素ガス環境を考慮しない高圧ガス設備の疲労設計方法では、供用圧力が高圧となった場合は、疲れによる応力振幅に表面粗さによる応力集中係数を乗じて疲労設計を行うことが要求されている（例えば非特許文献５の第３８頁、非特許文献６のＫＤ３２２項）。
「長時間使用した圧力容器用２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の水素脆化感受性評価」、日本圧力容器研究会議、２００１年 今出政明、福山誠司、ZHANGL WEN M、横川清志（産業技術総合研 計測フロンティア研究部門）著、「ＳＣＭ４４０鋼の室温高圧水素雰囲気下における水素脆化」、日本金属学会誌、２００５年０２月２０日発行、Ｖｏｌ．６９ Ｎｏ．２、Ｐａｇｅ．１９０−１９３、写図７、表１、参１８ 村上敬宜（九大）著、「水素利用技術の難題−水素は如何に材料の強度を弱めるか」、季報エネルギー総合工学、２００５年０７月２０日発行、Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．２、Ｐａｇｅ．２２−２９ LEWIS B A,LOUTHAN JR M R,WAGNER J, SISSON JR R D,McNITT R P,LOUTHAN III M R(Virginia Polytechnic Inst.)著、"The effect of surface finish on thedeformation characteristics of 1015 steel at 250°C"、Met Hydrogen Syst、１９８２年発行、Ｐａｇｅ．３４７−３５３ "高圧ガス保安協会基準"、超高圧ガス設備に関する基準ＫＨＫ Ｓ ０２２０、２００４年発行 ： "ASME Boiler And Pressure Vessel Code"、Section VIII Division 3、Part KD300、ｐ．３９ ："疲労強度の設計資料(II)"、表面状態、表面処理（改訂第２版）、日本機械学会、１９８２年発行

しかしながら、従来の技術においては、高圧水素ガスによる繰り返し圧力が、加工を施された耐圧部表面の疲労き裂発生と破壊に対して如何なる作用をおよぼすかは全く未知であり、材料の選択や耐圧部表面加工方法に関して、安全性を確保するための疲労設計方法が確立出来ていない。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的の一つは、疲れに対する高圧水素ガス環境の影響を、耐圧部の表面仕上げ方法と材料の引張強さから予測し、判定することを可能にした、高圧水素耐圧部材の疲労設計方法を提供することにある。

そして、本発明は、非特許文献１に記載される水素損傷の分類の１つとして定義されている、ＨＥＥ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）の疲労に対する影響、設計方法等を可能にし、高圧水素ガス環境下で使用される高圧ガス設備の疲れに対する高圧水素ガス環境の影響有無を判定可能にする。

すなわち、本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法のうち、第１の発明は、高圧水素ガス環境下にあるフェライト鋼製の高圧水素耐圧部材の疲労設計方法であって、前記フェライト鋼の大気中にて示される材質の引張強さが９５８〜１１４４ＭＰａの範囲にあり、かつ前記水素ガス環境圧力が４５ＭＰａ迄の範囲において、前記高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力ＳＨ（ＭＰａ）を下記式により求めることを特徴とする。
ＳＨ（ＭＰａ）＝２５７７−１．８９２５×Ｓｕ（ＭＰａ） …式（１）
ただし、Ｓｕは、前記フェライト鋼の大気中にて示される材質の引張強さを示す。

第２の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第１の本発明において、前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力に基づいて前記高圧水素耐圧部材の高圧水素ガス環境下での疲労特性を判定することを特徴とする。

第３の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第１または第２の本発明において、前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力に基づいて前記高圧水素耐圧部材に対する高圧水素ガス環境の影響を判定することを特徴とする。

第４の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記高圧水素耐圧部材の耐圧部表面層下における残留応力を考慮した平均応力と、前記耐圧部表面に生じる応力振幅とによって前記耐圧部表面において応力振幅を与える主応力差のサイクル中の上限値を求め、該上限値と、前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力との比較に基づいて前記耐圧部表面における疲労特性に対する高圧水素ガス環境の影響を判定することを特徴とする。

第５の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第４の本発明において、前記残留応力が、耐圧部表面加工の際に表面層下に生じたものであることを特徴とする。

第６の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第４または第５の本発明において、前記応力振幅は、前記耐圧部表面の表面粗さによる応力集中係数に公称応力振幅を乗じて求められることを特徴とする。

第７の本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法は、前記第６の本発明において、予め表面仕上げ方法と表面粗さとの関係を定めておき、前記耐圧部表面に施す表面仕上げ方法によって前記応力振幅を求める表面粗さを推定することを特徴とする。

以上説明したように、本発明の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法によれば、高圧水素ガス環境下にあるフェライト鋼製の高圧水素耐圧部材の疲労設計方法であって、前記フェライト鋼の大気中にて示される材質の引張強さＳｕが９５８〜１１４４ＭＰａの範囲にあり、かつ前記水素ガス環境圧力が４５ＭＰａ迄の範囲において、前記高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力ＳＨ（ＭＰａ）を、
ＳＨ（ＭＰａ）＝２５７７−１．８９２５×Ｓｕ（ＭＰａ） …式（１）
により求めるので、高圧水素ガス環境下で高圧水素ガス環境が高圧水素耐圧部材に対し、疲労特性に与える影響を予測、判定をすることができ、水素ガス環境の影響による高圧水素ガス設備の疲れ破壊を未然に防止し、安心、安全な水素エネルギー社会の早期実現に資する効果がある。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本実施形態における、疲れに対する高圧水素ガス環境の影響を、耐圧部の表面仕上げ方法や材質の引張強さから予測し、判定するためのフロー図である。
なお、提供される材料としては、フェライト鋼で構成される部材を用意し、耐圧部表面に表面加工が施され、その後、適宜の仕上げ加工が施される。
なお、本発明としては、対象とされる部材は、フェライト鋼で構成されていることに限定をされるが、フェライト鋼の組成自体が特定のものに限定をされるものではない。ここで、フェライト鋼の定義としては、Ｎｉ基合金やオーステナイト系ステンレス鋼と区別する呼称として用いられ、ＣｒＭｏ鋼やＮｉＣｒＭｏ鋼などの焼戻ベイナイト鋼、焼戻マルテンサイト鋼も含まれる。
また、上記表面加工としては、切削加工や研削加工等があり、仕上げ加工としては研削仕上げ、バレル研磨仕上げ、電解研磨仕上げ、バフ研磨仕上げ等が例示されるが、本発明としては、これらの種別が限定されるものではなく、これら加工の有無が限定されるものでもない。

以下に、図１のフロー図に基づいて、判定の手順を説明する。
ステップＳ１では大気中における材料の引張強さＳｕ値を対象材料について実際に強度試験を行うか、機器の成績書などから求める。すなわち、材料の引張強さは、データとして取得できるものであればよく、その取得方法が限定されるものではない。

上記ステップＳ１に続いて、ステップＳ２では、高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力を上記ステップＳ１によって得た、材料の大気中引張強さにより求める。その手順を以下に説明する。
図２には、異なる引張強さを有する市販のフェライト系低合金鋼について、疲労寿命比（水素ガス下／大気下）におよぼす繰り返し上限応力の影響を示す。これより高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力Ｓ_Ｈを各々の引張強さを有する材料について求め、高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力Ｓ_Ｈは材料の引張強さに依存することを示す。その引張強さ依存性が図３の様に表され、その依存性を引張強さＳｕが９５８〜１１４４ＭＰａの範囲において、式（１）により求めることが出来る。

一方、ステップＳ４〜Ｓ５では、耐圧部表面粗さによる応力集中を考慮し、非特許文献５または非特許文献６に示されるような既知の方法（表面粗さ−応力集中係数の関係を示す線図）により、表面粗さＲ_ｍａｘ値より応力集中係数Ｋｒを求める。なお、表面粗さＲ_ｍａｘは、既知の測定方法により測定するものであってもよく、また、表面の仕上げ方法から推定するものであってもよい。該推定においては、予め表面仕上げ方法とＲ_ｍａｘとの関係を設定しておくことで、容易に推定が行われる。なお、この実施形態では、表面粗さは、最大高さＲ_ｍａｘにより評価しているが、本発明としては表面粗さの評価方法がこれに限定されるものではなく、中心線平均粗さ、十点平均粗さなどにより評価するものであってもよい。上記表面粗さから応力集中係数を求める場合、該当する評価方法の表面粗さと、応力集中係数との関係を示す線図を利用することができる。
上記Ｋｒを、繰り返し圧力により耐圧部表面に発生する応力の振幅（公称応力振幅）Ｓ_ａに乗じる。

また、一方で、ステップＳ６では、加工により表面層に生ずる残留応力Ｓｍ’をＸ線測定法等により評価を行う。Ｘ線測定が困難な場合は、非特許文献７などにより、研削加工、研磨加工による残留応力値等を参考に推定すればよい。すなわち、本発明としては残留応力を求める方法は特に限定されない。

次いで、ステップＳ７では、疲れ応力による平均応力Ｓｍ０に表面層に生ずる残留応力Ｓｍ’を加えて平均応力Ｓ_ｍと見なす。

ステップＳ８では、図４に示される、応力振幅−平均応力平面上において、ステップＳ２で求まる応力振幅Ｋｒ×Ｓ_ａを縦軸に、ステップＳ７で求まる平均応力Ｓ_ｍを横軸にプロットする。繰り返し応力の上限が、Ｓ_Ｈを通り、グラフの垂直方向と４５°の傾きを持つ限界線の領域より外にある場合は、疲れに対する水素ガス環境の影響有り（ＨＥＥ 有り）と判定され、領域の内側にある場合は、疲れに対する水素ガス環境の影響なしと判定される。

上記判定は、高圧水素ガス機器の疲労設計に反映させることができる。また、上記判定で影響有りと判定される場合、上記影響がなしと判定されるための設計変更を行うことができる。例えば、材料の選定によって、９５８〜１１４４ＭＰａの範囲内において引張強さの異なる材料を選定し、水素ガス環境の影響なしと判定されるための設計を行うことができる。引張強さを変更した場合にも、上記ステップＳ１〜Ｓ８によって水素ガス環境の影響有無の判定を行うことができる。

また、上記判定で影響有りと判定される場合、上記影響がなしと判定されるための対処を行うことができ、例えば、加工残留応力の除去を行うために焼鈍などの熱処理などを行うことができる。また、耐圧部表層に圧縮応力を付与することで、残留応力を軽減することができる。圧縮応力付与の方法は特に限定されず、自緊等により行うことができる。また、その他の対処として、表面粗さの解消（表面粗さの低減）のために研磨などをおこなうことができる。これらの対処は、平均応力や応力振幅を小さくすることができ、疲れ破壊限界応力に対する安全度を高める方向に作用する。

試験材として、市販の低合金フェライト鋼（ＳＣＭ４４０鋼）を用い、丸棒試験片とした。なお、試験片の引張強さをＪＩＳ Ｚ ２２４１ 金属材料引張試験方法に準じて求めた。その結果は、１０１５ＭＰａであった。
上記丸棒試験片の表面を研削加工により、表面粗さの狙い値がＲ_ｍａｘ＝１９μｍ、２６μｍ、９３μｍとなる様に加工した。なお、研削加工後の表面粗さを測定し、表１に示した。これら試験片に対し、それぞれ４５ＭＰａ超高純度高圧水素ガス環境下および大気中でそれぞれ疲労試験（試験応力Ｓ_ａ＝５００ＭＰａ、応力比Ｒ＝−１）および疲労試験（試験応力Ｓ_ａ＝４００ＭＰａ、応力比Ｒ＝−１）を行い、疲れに対する水素ガスの影響を評価した。その結果を表１に示した。

一方、図１ブロックダイアグラムに示したステップＳ１〜Ｓ８により、疲れに対する水素ガスの影響を評価した結果を表２に示した。また、各試験片について、図５の応力振幅−平均応力（Ｘ線測定残留応力）の平面図上に図示して疲れに対する高圧水素ガス環境の影響の有無を判定した結果を示した。表２および図５の判定結果は、表１の実際の水素ガス下での疲労の傾向と良好な一致を示し、耐圧部の表面仕上げ方法や材質の引張強さから疲れに対する高圧水素ガス環境の影響の有無を精度良く判定することが出来た。

本発明の一実施形態における、高圧水素ガス環境の影響を判定するフロー図である。 同じく、異なる引張り強度を有する市販のフェライト系低合金鋼について、疲労寿命比（水素ガス下／大気下）におよぼす繰り返し上限応力の影響を示す図である。 同じく、水素ガス環境下での疲れに対する破壊限界応力と材料の大気中引張強さの関係を示す図である。 同じく、応力振幅−平均応力平面図上において、高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力Ｓ_Ｈにより水素ガス環境の影響を評価することを説明する模式図である。 本発明の実施例の供試片について、応力振幅−平均応力の平面図上において、本発明により疲れに対する高圧水素ガス環境の影響の有無を判定した結果である。

Claims (7)

1. 高圧水素ガス環境下にあるフェライト鋼製の高圧水素耐圧部材の疲労設計方法であって、前記フェライト鋼の大気中にて示される材質の引張強さが９５８〜１１４４ＭＰａの範囲にあり、かつ前記水素ガス環境圧力が４５ＭＰａ迄の範囲において、前記高圧水素ガス環境下での疲れ破壊限界応力Ｓ_Ｈ（ＭＰａ）を下記式により求めることを特徴とする高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
   Ｓ_Ｈ（ＭＰａ）＝２５７７−１．８９２５×Ｓｕ（ＭＰａ） …式（１）
   ただし、Ｓｕは、前記フェライト鋼の大気中にて示される材質の引張強さを示す。
2. 前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力に基づいて前記高圧水素耐圧部材の高圧水素ガス環境下での疲労特性を判定することを特徴とする請求項１記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
3. 前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力に基づいて前記高圧水素耐圧部材に対する高圧水素ガス環境の影響を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
4. 前記高圧水素耐圧部材の耐圧部表面層下における残留応力を考慮した平均応力と、前記耐圧部表面に生じる応力振幅とによって前記耐圧部表面において応力振幅を与える主応力差のサイクル中の上限値を求め、該上限値と、前記式（１）によって求められる疲れ破壊限界応力との比較に基づいて前記耐圧部表面における疲労特性に対する高圧水素ガス環境の影響を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
5. 前記残留応力が、耐圧部表面加工の際に表面層下に生じたものであることを特徴とする請求項４記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
6. 前記応力振幅は、前記耐圧部表面の表面粗さによる応力集中係数に公称応力振幅を乗じて求められることを特徴とする請求項４または５に記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。
7. 予め表面仕上げ方法と表面粗さとの関係を定めておき、前記耐圧部表面に施す表面仕上げ方法によって前記応力振幅を求める表面粗さを推定することを特徴とする請求項６記載の高圧水素耐圧部材の疲労判定方法。

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