２０２３年度 ＪＰＥＣフォーラム

新たな水素特性判断基準の導入に関する研究開発
２０２３年５月１０日
一般財団法人石油エネルギー技術センター
水素エネルギー部 水素利用推進室―禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２３―

超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業／
国内規制適正化に関わる技術開発／
新たな水素特性判断基準の導入に関する研究開発【事業参加者一覧】
一般財団法人石油エネルギー技術センター（JPEC）
高圧ガス保安協会（KHK）
国立大学法人九州大学
一般財団法人金属系材料研究開発センター（JRCM）
日本製鉄株式会社
日鉄ステンレス株式会社
愛知製鋼株式会社
株式会社日本製鋼所（JSW）
国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）

2

目 次
１．本NEDO事業の概要
２．事業体制
３．各テーマの検討結果（１）汎用ステンレス鋼の使用範囲拡大（２）汎用ステンレス鋼の冷間加工（３）汎用ステンレス鋼の溶接（４）低合金鋼の高温適用

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１．本NEDO事業の概要

背景

水素事業者の規制緩和要望に基づく研究事業＜低合金鋼＞【規制改革実施計画との関係】

2013年6月閣議決定＜汎用ステンレス鋼＞

・HRSでの低合金鋼の使用

2017年6月閣議決定＜No.39＞＜No.4＞＜No.33＞

水素特性判断基準にかかる例示基準の改正等の検討

水素スタンドにおける微量漏えいの取扱いの見直し

・鋼種の拡大（汎用ステンレス）

・継手の信頼性向上（溶接）水素スタンドの使用可能鋼材に係る性能基準の整備
2017年
技術文書制定（⇒蓄圧器）
JPEC-TD 0003(2017）2018-2022
NEDO鋼材事業(1)使用可能範囲拡大
例示基準改正への貢献(2)冷間加工(3)溶接(4)高温適用

使用方法の拡大

用途の拡大（圧縮機）

使用方法の拡大4

１．本NEDO事業の概要

背景・本NEDO事業において研究開発を進めている鋼種＝インフラ業界からの要望に基づく・例示基準の改正等、規制緩和に資する水素特性データの取得を行う

金属材料

材料の種類
SUS316系

使用機器
継手、配管等ステンレス鋼

業界要望
例示基準の改正
冷間加工材の基準化
溶接の技術文書化

低合金鋼

SUS304、305系 継手、配管等例示基準化

SNCM439

技術基準の高温化改正

蓄圧器等

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２．事業体制

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体制

２．事業体制

一般財団法人石油エネルギー技術センター

汎用ステンレス鋼(1)使用可能範囲拡大(2)冷間加工

汎用低合金鋼(3)溶接(4)高温適用

JPEC （全体統括、基準化検討、試験計画、鋼種選定等）
KHK （ステアリング委員会の運営、基準化検討、国内外の基準調査等）
・研究実施場所:鉄鋼材料研究部(西新橋、尼崎)（高圧水素環境での試験等）
九州大学 ・研究項目:ステンレス鋼冷間加工材の特性評価、試験結果考察

JRCM（冷間強加工材の評価等）

JSW（試験、基準化検討等）

日本製鉄・日鉄ステンレス（冷間加工・溶接に関わる水素適合性評価等）

再委託先:NIMS（金属組織解析）

愛知製鋼 （SUS305）

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３．各テーマの検討状況

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（１）汎用ステンレス鋼の使用可能範囲拡大
絞り ⇒ 伸びを指標とした新たな水素適合性基準の確立
高圧水素設備で安全に使用できる材料の要件:
高圧水素ガス環境下における「強度」「延性」「疲労限度」の確保＜絞り指標＞＜伸び指標＞

水素中における・強度低下なし（RTS=1）・規格材料並みの絞りの確保
材料の絞り×RRA≧ 材料規格値
・疲労限度の確保

絞り ≧75%（形状全て）と規定、RRA ≧0.8を満たすNi当量を要求
RRA=0.8に対応するNi当量-45℃:Ni当量=28.5%-10℃:Ni当量=27.4%
20℃:Ni当量=26.3%

水素中における・強度低下なし（RTS=1）・規格材料並みの伸びの確保
材料の伸び×REL≧ 材料規格値
・一様伸びの確保
・疲労限度の確保
詳細:2021年度JPECフォーラムで解説

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（１）汎用ステンレス鋼の使用可能範囲拡大＜伸び指標の水素適合性基準に基づく材料範囲の拡大（-45℃）＞
・本事業の検討結果 ⇒ 2020年例示基準改正に寄与
絞り規制の撤廃…Hi-Ni材はJIS規格適合で使用可

形状に応じた伸び規定
必要Ni当量の低減化（新）施行済
温度範囲

（旧）
温度範囲
-45℃～250℃-10℃～250℃
20℃～250℃

絞り

伸び28.5％以上-45℃～250℃
絞り
材料規格
（60％）
に対し75％以上

伸び材料規格の通り

Ni当量-10℃～250℃

28.5％以上

20℃～250℃

27.4％以上

温度範囲

26.3％以上-45℃～250℃

Ni当量

材料規格の通り

材料規格の通り

27.4％以上
26.3％以上

材料形状

伸び棒・板

57%以上

管

50%以上

鍛鋼

42%以上

Ni当量

26.9％
以上

10（１）汎用ステンレス鋼の使用可能範囲拡大＜適材適所化:さらなる範囲拡大＞
・その他の例示基準温度帯（-10℃、20℃）における伸び指標の適用-10℃:Ni当量 26.0%以上
20℃:Ni当量 24.6%以上（材料の必要伸びは-45℃の場合と同じ）・鋼種の拡大SUS305も、SUS316/316Lと同じNi当量規制を適用可能（圧力容器のJIS規格改定が必要）とすることで安全に使用可能との結論を得た。

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(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜水素インフラにおける冷間加工材のニーズ＞
・曲げ ・成形 ⇒材料を製品形状に近づけ、継手の使用や切削ロスを低減
・高強度化⇒薄肉化、軽量化＜冷間加工の懸念＞
冷間加工による金属組織変化 ⇒水素適合性への影響＜検討内容＞
・各種冷間加工材の水素適合性・許容引張応力の設定

12(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜水素適合性に関する冷間加工の影響（SUS316L） ＞

測定条件:-40～-45℃、100MPa

Ni当量28.6％

Ni当量26.6％

冷間加工度（減面率）40%までRELは低下しない
RTSの方が冷間加工による影響を受けにくい
冷間加工度40%まで母材の水素適合性を維持

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(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜管の曲げに関する水素適合性の検討＞
・4D曲げKHKS0220:減肉率10%を超えないこと
実際の4D曲げで減肉率5%程度

・4D未満の曲げ（減肉率:100(t0-tf)/t0））『高圧ガス特定設備等の試験検査に関する質疑応答集』(KHK)⇒曲げ単体で冷間加工度40%（減肉率40%）を超えない
影響なし＝水素適合性に配慮した曲げ後の熱処理は不要

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(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜大型の冷間加工材を用いた水素適合性等の検討＞
・大規模な水素の利用 ⇒ 高圧水素機器・部品の大型化・重量化
・大型の冷間加工材 ⇒ 材料内部の不均一性

5.5

SUS316L（Ni当量27.2％）

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試験片採取位置

試料（冷間引抜材）

5.5⇒ 材料内部の水素適合性・強度分布を検証

2011：材料中心から0mm10mm：
〃
：
〃15mm
20mm：
〃
25mm：
〃
：
〃35mm

115.5

加工後サイズ:20～80㎜

1511

加工度:20および4015

SSRT試験結果（SUS316L,V CW20% −45℃ 材料径・試験片採取位置依存性）＜水素適合性＞
材料中心からの試験片採取位置 [mm]010152025350(R方向)

Relative tensile strength, RTS

1.5* CW0%

0.5SUS316L, V (CW20%, Nieq = 27.2 mass %)In 106 MPa H2 at 45 oC

Relative elongation, REL* CW0%*

10.5SUS316L, V (CW20%, Nieq = 27.2 mass %)In 106 MPa H2 at 45 oC

0020406080
Diameter of material [mm]100Relative reduction of area, RRA

01.5

*

1020406080
Diameter of material [mm]1001.5* CW0%*10.5SUS316L, V (CW20%, Nieq = 27.2 mass %)In 106 MPa H2 at 45 oC

0020406080
Diameter of material [mm]

 材料径や試験片採取位置によらず，RTS，RELおよびRRAに対して，水素の影響は認められなかった．

10016(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜冷間引抜材内部の引張強さ＞
Φ20Φ40Φ62

最小強度:材料寸法が異なる場合でも比較的一致
CW
20％

CW
40％

中心との距離004

0 12 17 24.3

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最弱部位置:場所が一定しない
強度

721~724749~751

中心との距離741~744723~726014

最小強度:材料寸法により異なる

強度
976~997719~723823~831

最弱部位置:概ね中心部分で一致

04

989~991715~717743~747954~958958~968

891~900

0 12 17 24.3

896~899911~912938~94317(2)汎用ステンレス鋼の冷間加工＜許容引張応力設定における課題＞
加工の影響が一定でないことに起因・最弱部位置
・最小強度
また、

⇒

試験片位置を決定できず、材料強度を定義できない

冷間加工度、材料寸法の他、加工方法（冷間圧延・冷間引抜）の影響も受ける
材料内部の塑性変形度の差異か⇒ 今後の課題＜管の許容引張応力＞
小径管等、材料全体で試験可能な場合⇒

材料強度の定義可能

冷間加工（管）の許容引張応力表（案）を作成

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(3)汎用ステンレス鋼の溶接母材

溶接金属
溶接部

母材

母材、溶接金属、溶接部の水素適合性を評価
溶接後熱処理なし（As weld）⇒As weldでの使用を目的とした検討

・下記の母材・溶接金属の組合せを検討
母材

成分狙い

水素適合性

a)SUS316L(a)低Ni当量

軽微な水素脆化の可能性△b)SUS316L(b)高Ni当量

水素脆化なし◎c)SUS304L

比較材

水素脆化あり×d)SUS304LN

比較材

水素脆化なし○溶接金属成分狙い水素適合性A)YS316L

低Ni当量軽微な水素脆化の可能性△B)YS309LMo

高Ni当量水素脆化なし◎C)YS308L

比較材

水素脆化あり×D)YS308LN

比較材

水素脆化なし○19

(3)汎用ステンレス鋼の溶接＜As weldで使用するための課題＞
高圧水素配管に使用できる材料
一般則例示基準で例示＜溶接前の状態＞

オーステナイト相・フェライト相に分離

溶接

オーステナイト相フェライト相

オーステナイト

Ni・SUS316L
・XM-19

溶体化処理

成分の偏析

（溶融・急冷）

この状態（As weld)での水素適合性判断が必要
溶接技術指針で紹介

20

(3)汎用ステンレス鋼の溶接＜溶接技術指針＞

概要:As weldの溶接継手を対象に、溶接部の水素適合性の判断方法と基準に関する解説
JPECホームページから入手可能

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(3)汎用ステンレス鋼の溶接溶接健全性が確認できている好適事例の使用①Ni当量≧28.5%のSUS316L とYS309LMo を使用している

それ以外の材料の使用②溶接部の初層でオーステナイト相、フェライト相の形態要件を満たしている③SSRTによる水素適合性の評価で、水素中で強度・延性が低下しない（RTS=1、RRA＝1）

As weldの溶接継手で高圧水素環境で使用可能

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(3)汎用ステンレス鋼の溶接＜As weldでの水素適合性判断基準＞②溶接金属部分のオーステナイト相・フェライト相の要件
・溶接金属のオーステナイト相:Ni当量（平山式）26.8%以上であること

低温高圧水素中で強度・延性・疲労が確保できる（伸び基準の水素適合性を満たすオーステナイト相）

溶接金属のEPMA・EBSDで判断する

Ni当量を確認する場所は凝固モードで変わる
FAモード:δフェライトの近傍
AFモード:オーステナイト粒内の中央

オーステナイト相のNi当量が、低くなり易い所で26.8%以上

・溶接金属のフェライト相:溶接金属内で連通せずオーステナイト中に分散
参考（光学顕微鏡像）
引用:溶接学会論文集31 (2013)251.

・フェライト相が分散⇒ 水素適合性に影響しないとの研究報告あり
・フェライト相でき裂進展し、溶接部が破断する現象はNG

レーシーフェライト:×

バミキュラーフェライト:〇

水素に強いオーステナイト相 ＆ 阻害しないフェライト相23

(3)汎用ステンレス鋼の溶接＜As weldでの水素適合性判断基準＞③SSRTによる溶接部の水素適合性の直接的評価〇SUS316L管 ノンフィラー溶接による実例
・直径14.3、t=1.5、Ni当量26.6％
・心金を使用し固定、管の内外の気圧・雰囲気を等しくするため心金に通気口を設ける
・試験片（溶接継手）全⾧10㎝、余盛は削除（本事例では破断箇所の特定のため溶接部両端、心金付近等に複数の標線を設置）【判定基準】
溶接における伸び値の規定が無いため、延性を示す指標が大気中＝水素中であること

温度
室温

低温

-45℃

試験片雰囲気

破断位置

0.2％耐力(MPa)

引張強さ(MPa)

伸び(％)

絞り(％)

素管

水素 100MPa

C 中央2425758965

溶接接手

大気

C 中央

2445515049

溶接接手

水素 100MPa

C 中央

2355655641

素管

水素 100MPa

C 中央

315

7209765

溶接接手

窒素

C 中央

302

6846440

溶接接手

水素 100MPa

C 中央3026966144

破断位置:
全て中央（溶接部）

RTS≒1 REL≒1 RRA≒124

（４）低合金鋼技術文書の改訂

1 適用範囲本技術文書においては、水素スタンドで使用される鋼製蓄圧器の詳細基準事前評価申請を想定し、高圧水素環境下での⾧期使用を鑑み、現行の特定設備検査規則及び特定設備の技術基準の解釈の規定以外に考慮すべき注意事項及び判定根拠を技術文書として例示する。
常用の圧力 :
設計圧力 :
設計温度
構造::

40MPaを超える圧力とする。
高圧水素環境下で当該材料特性を評価した際の試験圧力を超えないこと。
下限温度を-30℃、上限温度を200℃と想定する。
溶接構造を有する蓄圧器は除く。

・SNCM439等の低合金鋼が対象
・上限温度を85℃⇒200℃に改訂
・適用範囲に圧縮機を追加
・最新版はJPECホームページより入手可

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本事業の成果と課題

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本事業の成果と課題
テーマ

検討予定項目

汎用ステンレス鋼（１）使用可能範囲拡大

・伸びの指標の水素適合性基準の確立
・-45℃における使用可能範囲拡大案の作成⇒ 例示基準化に寄与-45℃で使用可能なSUS316/316LのNi当量の低減
28.5％ ⇒ 26.9%
・適材適所化検討の使用可能範囲拡大案の作成
20℃ Ni当量 26.3％ ⇒ 24.6%-10℃ Ni当量 27.4％ ⇒ 26.0%
SUS305の例示基準への追加（２）冷間加工材

・冷間加工度と水素適合性の関係性の明確化
SUS316/316L例示基準材:冷間加工度40%まで許容
水素適合性に配慮した曲げ後の熱処理の必要なし
・大型の冷間加工材を用いた検討
冷間加工材内部における水素適合性:均一
機械的特性:材料寸法、冷間加工度、加工方法等により不均一、傾向の不一致
・許容引張応力案の検討
棒・板材:材料強度の決定方法・測定方法 ⇒今後の課題
管:許容引張応力表案の作成

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本事業の成果と課題
テーマ

検討予定項目（３）溶接・溶接技術指針の作成
As weld溶接継手に関する水素適合性の確認が不要な材料組合せの例示
溶接金属部分の水素適合性の判断方法

汎用低合金鋼（４）高温適用

・200℃における水素適合性を検討
・低合金鋼技術文書（JPEC-TD0003）の改訂
対象に圧縮機を追加

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ご清聴ありがとうございました

謝辞
以上の発表に関する技術開発成果は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO＊）からの委託事業「超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業」（プロジェクトコード:P18011）の結果得られたものです。
＊New Energy and Industrial Technology Development Organization