水素対応パイプライン: 高水素ブレンドにおける溶接パイプの性能の比較

水素サービス用のパイプラインを設計または改修するには、材料工学ロジックの根本的な変更が必要です。より高い降伏強度が効率に等しい天然ガスとは異なり、水素サービスは材料の強度を負債に変えます。原子状水素と鋼の微細構造の間の相互作用により、「水素対応」は認証ラベルではなく、微細構造、硬度、破壊靱性の厳密な計算であることがわかります。

強度のパラドックス: なぜ高級鋼は H2 で性能が悪くなるのか

水素パイプライン工学の最も直観に反する側面は、高強度低合金 (HSLA) 鋼の劣化です。グレード X70 または X80 API 5L パイプは、肉厚を減らすための最新の炭化水素トランスミッションの標準ですが、多くの場合、高圧水素には適していません。

引張強さが増加すると、なぜ水素脆化のリスクが高まるのでしょうか?

水素脆化 (HE) は、原子状水素が鋼格子内に拡散することによって引き起こされ、転位、粒界、介在物などの「トラップ サイト」に水素が蓄積します。高張力鋼は、転位密度の増加と複雑な微細構造によってその特性を実現します。水素環境では、これらの機能が水素の貯蔵庫として機能し、亀裂発生の閾値を大幅に下げます。

さらに、調査によると、疲労亀裂成長率 (FCGR) は H2 環境のグレード間で同様ですが、 破壊靱性 (K1H) は X70 の方が X52 よりも大幅に低下します。これにより、高強度パイプにおいて致命的な亀裂サイズ (致命的なジッパー破壊を引き起こす欠陥サイズ) が危険なほど小さなレベルにまで減少します。

溶接シームの完全性: 水素サービスにおける ERW と LSAW

縦方向の溶接シームは、水素パイプラインの主な脆弱点です。パイプの製造プロセスによって、この継ぎ目の微細構造と水素誘起亀裂 (HIC) に対する感受性が決まります。

ERW パイプは 100% 水素輸送に安全ですか?

電気抵抗溶接 (ERW) パイプは、一般に、特に高圧での純粋な水素の供給には注意が必要です。 ERW プロセスに固有の急速冷却により、異方性の靱性特性を備えた結合線が生成される可能性があります。溶接後熱処理 (PWHT) を行ったとしても、ボンド ラインには、HIC または「溝腐食」の開始点となる酸化物や介在物が含まれていることがよくあります。クラス 3 またはクラス 4 の重要な場所、またはブレンドが 20% を超える場合は、ERW ではフィラー金属の制御が不足しているため、シームレスまたは LSAW が工学的に優先されます。

LSAW は水素割れに対する優れた耐性を備えていますか?

長手方向サブマージアーク溶接 (LSAW) パイプでは、溶接金属の微細構造を制御するように設計された特定の溶加材の導入が可能です。アシキュラーフェライトの形成を促進し、ベイナイトやマルテンサイトを抑制するワイヤを利用することで、エンジニアは自生ERWプロセスよりも効果的に溶接部の靱性を母材金属に合わせることができます。ただし、フラックスの選択は重要です。高酸素フラックスは、主な水素トラップとなる酸化物介在物を残す可能性があります。

水素対応パイプラインに関するよくある質問: 高水素混合物における溶接パイプの性能の比較

水素混合用の既存のパイプラインをどのように検証するのでしょうか?

検証には、ASME B31.12 要件に対する元の工場試験レポート (MTR) の「ギャップ分析」が必要です。最も重要な欠落データ ポイントは通常、溶接 HAZ の炭素当量 (CE) と靭性です。 MTR が利用できない場合は、硬度および化学分析のためのフィールド非破壊検査 (NDT) が必須です。炭素当量が 0.43 を超えると、溶接性と HE に対する感受性が大きな懸念事項になります。

溶接パイプの疲労寿命に対する水素の影響は何ですか?

水素は空気に比べて疲労亀裂の成長を一桁加速します。溶接されたパイプでは、溶接止端部と溶接部の溶接部の応力集中によってこの問題がさらに悪化します。標準疲労設計曲線 (SN 曲線) は、H2 サービスでは無効です。オペレーターは、溶接部に欠陥がすでに存在していることを前提として、H2 固有の FCGR データに基づく破壊力学を使用してパイプラインをモデル化する必要があります。

水素改造においてシングルパスすみ肉溶接が危険なのはなぜですか?

シングルパス溶接は急速に冷却され、熱影響部 (HAZ) に硬い、焼き戻しされていないマルテンサイト微細構造が形成されます。水素サービスにおいて、このハード HAZ は時限爆弾です。水素原子がこの領域に移動し、遅延亀裂 (低温亀裂) を引き起こします。硬度を下げ、結晶粒構造を微細化するには、マルチパス溶接またはテンパービード技術が必要です。

水素対応パイプラインのためのエンジニアリング ソリューション: 高水素混合物における溶接パイプの性能の比較

正しいパイプ製造方法を選択することが、水素脆化に対する防御の第一線となります。大口径の水素輸送には、化学制御された LSAW パイプまたは高靭性シームレス パイプが必要な微細構造の均一性を提供します。

推奨製品仕様:

• 主送電線 (高圧) の場合: 含有物を最小限に抑えるために、制限された炭素当量 (<0.10 Pcm) と真空脱ガス鋼を使用した LSAW を優先します。
  カタログを参照: 水素サービス用溶接ラインパイプ (LSAW)

• 小口径/計器ラインの場合: シームレス パイプは継ぎ目のリスクを完全に排除し、高圧ステーションの配管に適しています。
  カタログを参照: シームレスラインパイプ（API 5L Gr.B / X42）

FAQ: 水素パイプライン冶金

HAZ が水素パイプラインの最も弱い部分となるのはなぜですか?

熱影響部 (HAZ) では、マルテンサイト - オーステナイト (MA) アイランドを形成する可能性のある熱サイクルが発生します。これらの微視的なハードスポットは非常に脆く、水素の優先的なトラップとして機能し、母材金属が延性を維持する圧力で粒界破壊を引き起こします。

内部コーティングは水素脆化を防ぐことができますか?

一般的には、いいえ。原子状水素は、ほとんどのポリマーベースのコーティングやライナーに浸透できるほど小さいです。コーティングは流動効率を向上させ、大気腐食を防ぐことができますが、水素が鋼基材に到達するのを防ぐための主要な障壁として依存すべきではありません。

Charpy V-Notch (CVN) テストが H2 検証には不十分なのはなぜですか?

標準的な CVN テストでは衝撃エネルギーが測定されますが、これは水素環境における破壊靱性 (K1H) と完全には相関しません。鋼は空気中では高い CVN エネルギーを持つ可能性がありますが、H2 中では靭性が大幅に低下します。加圧 H2 環境での破壊力学試験 (CTOD など) が唯一の正確な検証方法です。

ASME B31.12 では溶接後熱処理 (PWHT) が必要ですか?

B31.12 は、PWHT が硬度値を 237 BHN 未満に下げることを強く推奨しています。溶接手順によって硬度を制御できる場合は、すべての厚さに対して必須ではありませんが、HAZ が焼き戻され、水素割れに耐性があることを確認する最も信頼できる方法です。

「材料性能係数」はパイプの選択にどのように影響しますか?

ASME B31.12 の材料性能係数 ($M_f$) は、H2 中での靱性の低下を考慮して、高強度鋼の許容設計圧力にペナルティを課します。たとえば、X52 の $M_f$ は 1.0 (ペナルティなし) ですが、X70 では定格が下げられ、より厚い壁の使用が強制され、上位グレードの軽量化が効果的に無効になる可能性があります。