令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

水素社会実現のためのプラント運転管理・点検技術の開発
Development of plant operation & maintenance technology for realizing ''hydrogen society''
技術開発部 工業材料科 工藤弘行 穴澤大樹 鈴木雅千
技術開発部 生産・加工料 柿崎正貴 尾形直秀
水素プラント設備に適したプラント運転管理・点検技術を開発するため、水素ステーションで使用されるバルブ、蓄圧器、配管継手の実験モデルを作製し、各種試験、ＣＡＥ解析を実施し、早期に故障を検知できる点検技術を提案した。また、点検技術を広く普及する観点から、CAE をカスタマイズした「点検アプリ」をベースにする点検システムを考案し、これを配信するプラットフォームを構築した。
Key words: IoT、予知保全、デジタルツイン、CAE

１．緒言（ii）圧力容器（蓄圧器）・・・水素充填に伴う繰り返し荷重により、容器内面に生じた初期き裂が進展し、表面に達することで漏洩が生じる。本研究では独自技術として DIC 画像処理による変位・ひずみ測定で、き裂の影響を捉える手法を適用する。

福島県では、福島新エネ社会構想の一環として、水素エネルギー活用に関する様々な取組みが行われている。令和２年３月には、浪江町に福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）が開所し、水素製造を開始するなど、水素活用の機運が一段と高まっている。
水素の利用に当たっては、ガス漏洩などに対する懸念があり高い安全性や長期信頼性の確保が急務となっている。また、水素関連施設の普及のためには、建設費のみならず、管理保守費の低減も必要であり、安全性と経済性を両立する技術が望まれる。
ここで期待されるのが、IoT、AI、ビッグデータ解析などを活用した新しいプラント運転管理・メンテナンス（O&M）技術である。経済産業省では、近い将来、これらの技術を活用した新しいタイプの O&M 産業が生まれると予見し、産業育成を強化している。
以上より、本事業では福島県が水素社会の実証拠点化することを活かし、いち早く水素プラント設備に適用できる運転管理・点検手法の技術や仕組みを県内企業や各機関と連携して構築することを目指し、研究開発を進めている。最終年度となる本年度は、バルブ、蓄圧器の点検技術を実証段階に向けて最適化するとともに、点検システムの構築に取り組んだ。

（iii）バルブ・・・液体水素の沸点は-253[℃]であり、異常低温による動作不良が考えられる。本研究ではCAE 解析を併用することで、センサやカメラでは測定できない製品内部の温度を推定する技術の活用を行う。
表１ 点検対象部品と故障モードの絞り込み
水素運搬形態

部品

故障モード

頻度

危険度

高圧ガス

配管継手

シール面からの漏洩

大

大

高圧ガス

圧力容器（蓄圧器）

容器からの漏洩（疲労、水素脆化）

中大

液体水素（極低温）

バルブ

異常冷却による動作不良

小大２．実験及びＣＡＥ解析
図１ 接触面漏洩の概念図

２．１．点検技術の概要
表１に本研究が点検対象とする部品を示し、各部品に対する点検技術の概要を下記に記す。

２．２．バルブ冷却試験
本研究では、IoT センシングやサーモカメラ撮影とCAE 解析を連携する点検技術を用いる。CAE 連携の実用性を検討するため、バルブ冷却試験を行った。
図２に本事業で使用したバルブ実験モデルを示す。
実験モデルは液体水素貯槽の払い出し部を模している。
実験モデルは大野ベロー工業(株)が製作したもので、バルブを構成する部材や寸法は、実際の水素ステーシ（i）配管継手・・・機械式継手では締結力低下に起因する漏洩の危険性がある。本研究では、移動式水素ステーションの配管継手に着目し、移動時の振動による締結力低下を点検対象とする。漏洩のメカニズムとして、図１に示す「接触面漏洩」の考え方を用いる。

事業課題名「水素社会実現のためのスマート O&M 技術の開発」[平成２９～令和元年度][福島新エネ社会構想等推進技術開発事業 産総研連携強化型技術開発事業]-1-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ョンで使用されているものと同一である。通称、「首下」と呼ばれる細長い部品が特徴である。
これまでの研究により、フランジ部の温度がバルブ全体の温度分布を代表するとの知見が得られている。
本年度は、より実用化に適した測定点として、図３に示すようにボルト頭部に熱電対を埋め込み、IoT センサ測定点とする検討を行った。温度測定はナショナルインストルメンツ社製 CompactDAQ システムを使用し、サンプリング速度１サンプル/秒とした。
図４は、組込み用途向け小型サーモカメラである。
据置型の装置に比べて、測定可能な温度範囲が狭いことが課題であるが、CAE との連携が可能か検討した。

図２ バルブ実験モデル

２．４．蓄圧器実験モデルによるＤＩＣ測定試験
図６に、本研究で使用した蓄圧器実験モデルを示す。
このモデルは移動式水素ステーションの製造実績が豊富な大陽日酸エンジニアリング(株)会津若松事業所が製作したもので、部材や寸法は実際の移動式水素ステーションと同一である。蓄圧器の代替として直径約400[mm]、板厚 5[mm]の模擬容器が取り付けられている。
本研究で使用する画像処理ソフトウェア VIC-3D は、照明やピントなどの撮影条件などから、期待精度を mm単位で算出できる。そこで、図７に示すように模擬容器を対象に期待精度を調べる DIC 視野確認試験を行った。測定距離は 0.5[m]、1[m]、3[m]、8[m]の４条件、レンズは焦点距離 17[mm]、35[mm]の２条件とした。
また、DIC 測定精度検証のため、図８に示すように円弧試験片を用いた試験を行った。円弧試験片は、模擬容器と同一の曲率を持ち、幅 100[mm]、板厚 5[mm]である。試験片の一端を支持固定し、他端を DIC 測定面とした。DIC 測定面の内径側にひずみ変換式変位計を取り付け、測定面内径部を指で押した時の変形を測定した。測定距離は１[m]、レンズは焦点距離 17[mm]とした。変位は約 0.02[mm]～約 2[mm]の５条件とした。

図３ ボルトへの熱電対の取付状況

図６ 蓄圧器実験モデル

図４ 組込み用途向け小型サーモカメラ
図７ 蓄圧器模擬モデルの DIC 測定試験状況

２．３．バルブ実験モデルのＣＡＥ伝熱解析
IoT と CAE と連携した点検技術の検討のため、バルブ実験モデルの CAE 伝熱解析を実施した。図５に CAE解析モデルを示す。解析ソフトウェアとして COMSOLMultiphysics を使用し、伝熱解析において課題となる熱伝達係数の逆同定を効率よく行うため、指定したパラメータの組合せを一括して計算する「パラメトリッ
クスイープ機能」を用いた。

図８ DIC 測定精度試験状況

２．５．蓄圧器のＣＡＥ破壊力学解析
蓄圧器にき裂が生じた場合の影響を調べ、点検技術の参考とするため、CAE 破壊力学解析を実施した。図９に、蓄圧器の CAE 解析モデルを示す。解析ソフトウ
ェアは、破壊力学解析機能を持つ ANSYS Mechanical を

図５ バルブ実験モデルのＣＡＥ解析モデル-2-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告用いた。直径 400[mm]、全長 2500[mm]、板厚 30[mm]、ステンレス鋼製とした。図中に拡大して示したように、内径部に板厚の３分の１の長さを持つ半楕円き裂を作成した。内圧条件を 70[MPa]として、破壊力学パラメータである応力拡大係数を算出した。

図１３ 振動試験取付状況

図９ 蓄圧器ＣＡＥモデル

２．６．配管継手モデルの荷重試験、振動試験
図１０に、本研究で使用した配管継手実験モデルを示す。この実験モデルは大陽日酸エンジニアリング(株)会津若松事業所が製作したもので、部材や寸法は、実際の移動式水素ステーションと同一としている。
荷重試験は図１１に示すように鉛直下向きに200[N]の荷重を付与した。図１２に示すように、継手根元にひずみゲージを貼付し、ひずみ測定を行った。
振動試験は、実製品が移動時に受ける振動の方向を踏まえ、図１３に示す加振方向とした。製品の特徴点に加速度センサを取り付け、共振点探索試験を実施した。共振点探索試験は、周波数範囲 50～1000[Hz]、入力加速度 1[m/s2]とした。

２．７．配管継手モデルのＣＡＥ解析
点検技術の検討のため、配管継手実験モデルの荷重試験と振動試験に関する CAE 解析を実施した。解析ソ
フトは COMSOL Multiphysics を用いた。図１４に配管継手の CAE 解析モデルを示す。荷重試験、振動試験に関する静解析と固有値解析を実施した。
接触面漏洩に関する詳細な検討のため、接触面のCAE 解 析 を 行 っ た 。 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア は ANSYSMechanical を用いた。図１５は解析モデルを示したもので、対称性を考慮し２分の１モデルとした。継手はカラー、ナット、パイプの３部品からなるが、簡略化のため、カラーはナットと一体化し、ねじ山形状を省略した。実験モデルに使用したフジキン(株)製の継手は円錐面の接触部において、ボディ受け側の開口角度60 度に対し、パイプ側先端の開口角度 59 度とわずかに角度を変化させているため、モデルに反映させた。

図１４ 配管継手実験モデルのＣＡＥモデル
図１０ 配管継手実験モデル

図１１ 荷重試験時の荷重方向

図１５ ＣＡＥ解析モデル（上:全体図、下：接触部拡大図）

図１２ 荷重試験時のひずみ測定状況-3-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

２．８．点検システムの構築
３年間計画の最終年度となる本年度は、実プラントや実設備での実証段階に向けた点検システムの構築を行った。
また、本事業が提案する技術は、５～１０年後に一般化する点検技術の先取りを目指したものであり、新しい点検技術の方向性を多くの関連企業に周知し、体験してもらうことも重要である。よって、点検技術を普及するための仕組みづくりについても併せて検討した。

３．２．バルブ試験モデルのＣＡＥ解析結果
バルブ試験モデルの CAE 解析結果の例として、図１８に液体水素で冷却した場合の温度分布を示す。温度分布は、冷却試験時のサーモカメラ結果と酷似しており、冷却現象をよく再現できていると考える。
次に、「パラメトリックスイープ機能」の例として、図１９に、バルブ下フランジの温度－時間グラフを示す。この例では、冷却流体の熱伝達率３条件と周囲大気の熱伝達率３条件の組合せによる９条件の計算を一括で実施している。このグラフから、冷却過程の初期においては冷却液体の熱伝達率が、終期においては周囲大気の熱伝達率が支配的であるとの知見を得ることができた。
フランジ間のシール部やボルト部の伝熱パラメータについても同様に複数条件の計算を行い、冷却実験結果に合致するように各パラメータを逆同定した。得られたパラメータを用いて再現した冷却試験の温度－時間グラフを図２０に示す。実験結果である図１６とほぼ同等のカーブを示しており、実際の冷却現象を再現できている。CAE 解析においても、ボルト温度は他の測定点との連動性が高いことが確認できた。
次に、サーモカメラの温度プロファイルと比較のた
め、CAE 解析中のバルブ中心線上の結果を取得し、図２１に座標－温度のグラフとして示した。温度プロフ
ァイルは、サーモカメラの結果と類似の形状を維持したまま、冷却に応じて移動する挙動となった。バルブ
では、形状が比較的単純で、熱伝達条件も確定的であるため、伝熱の法則に基づいた単調な温度分布しか取り得ないことを意味している。点検技術としては、サーモカメラと CAE 解析の温度プロファイルを照合することで、バルブ全体の温度を推定する手法が有望である。

３．結果
３．１．バルブ試験モデル冷却試験結果
図１６に冷却試験時の温度-時間グラフを示す。この測定例では、図中、矢印で示すように約 25 分間の冷却を２回に分けて行い、下フランジは最低-145[℃]に達しており、定常状態に近い。ボルト部は上下フランジの中間的な温度で、他の測定点との連動性が高く、測定点として優れていることが確認できた。
組込み向けサーモカメラの測定結果として、図１７に 33 分後と 74 分後の熱画像を示す。いずれも流路に近い部分は測定下限以下となるが、首下部の温度分布を測定することは可能である。カメラ付属のソフトウ
ェアでは、熱画像中のラインカーソル上の温度プロファイルをリアルタイム表示することが可能である。バルブの温度分布は単調なので、熱画像自体を記録するより、温度プロファイルを連続的に記録する方法がデータ量削減という意味から望ましいと考える。

図１８ 温度分布（液体水素冷却の場合）
図１６ 冷却試験時の温度－時間グラフ

図１７ 冷却試験時のサーモカメラ画像

図１９ 冷却試験時の温度－時間グラフ-4-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

次に、DIC 精度確認試験の例として、約 0.1[mm]の変位を与えた場合の変位-時間グラフを図２３に示す。
DIC 測定と変位計測定はほぼ同等の結果が得られた。
微小変位では、試験テーブルや治具の変位も障壁となるため、テーブル上に基準ブロックを設置して差分を求める補正を行った。５条件の変位－時間グラフのピーク値を読み取り、表３に結果をまとめた。
また、図２４に DIC 補正値と変位計測定値の相関性を示した。測定点数が少ないものの、プラント点検分野で想定される程度の変位について、DIC 測定が実用上十分な精度を持っていることを確認した。

図２０ 冷却試験時の温度－時間グラフ

図２１ 冷却試験時の温度－時間グラフ

３．３．蓄圧器モデルのＤＩＣ試験結果
図２２は撮影距離 0.5[m]、レンズの焦点距離 17[㎜]の場合の DIC 視野確認試験結果である。図中、紫色の部分は精度が良好な範囲である。点検への応用を踏まえ、紫色領域の横幅、縦幅を X 視野、Y 視野、コンタ
ー図区分の上限値を期待精度として、表２にまとめた。
表中には実画像も併せて記載した。

図２３ DIC 精度検証試験結果（上）DIC 測定（下）変位計測定
表３ ＤＩＣ精度確認試験の結果
DIC
サンプル名 測定点ｍｍ
N121.947
N50.372
N90.126
N40.094
N100.029

DIC
基準点ｍｍ0.411
0.036
0.014
0.010.015

DIC補正値
ｍｍ
1.536
0.336
0.112
0.0840.014

変位計
ｍｍ
1.580
0.354
0.119
0.096
0.016

誤差ｍｍ-0.044-0.018-0.007-0.012-0.002

図２２ 冷却試験時の温度－時間グラフ
表２ ＤＩＣ視野確認試験結果

図２４ DIC 補正値と変位計測定値の比較

３．４．蓄圧器モデルのＣＡＥ解析結果
図２５に、き裂長さ 10[mm]の場合の変位分布図を示-5-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告す。図２５右は視点と欠陥の位置関係を示したもので、赤い三角形が欠陥を丸数字が視点を示す。き裂の影響は広範囲に及ぶため、図中橙色の四角枠の測定範囲が適切と考える。表２と照合すると、レンズ 17[㎜]、撮影距離１[m]の DIC 測定が適切である。
この時の応力拡大係数の最大値は約 55[MPa√m]であり、既知のき裂進展特性データ１）に基づくと、き裂進展速度は 1×10-6[m/cycle]前後である。
これは、1000回の FCV 充填により、き裂が 1[mm] 進展することを意味しており、このレベルのき裂の影響を捉えることができれば、漏洩事故を未然に防げると考える。

図２５ 蓄圧器モデルの変位分布図

３．５．配管継手モデルの荷重・振動試験結果
容器弁モデル１の荷重試験の結果を、図２６に示す。
この図は荷重試験中の４点のひずみ測定結果を、縦軸に荷重、横軸にひずみのグラフとして示したものである。試験中、200[N]の荷重を負荷・除荷するサイクルを３回繰り返したが、いずれの測定点も線形関係を示し、同じ経路を往復する挙動であった。荷重が付与された鉛直方向である CH13 と CH15 で最大 40[µε]程度、水平方向の CH14 と CH16 は最大 10[µε]程度であった。
荷重負荷方向と合致した位置にひずみを貼付すれば、継手に掛かる負荷を測定できると考えられる。
振動試験例として、図２７に 100～1000[Hz]までのサイン掃引試験結果を示す。403[Hz] 、530[Hz]、671[Hz]、751[Hz]に共振点があることが分かった。輸送時の振動負荷を再現するランダム振動条件には200[Hz]までの周波数成分しか存在しないため、T 字継手など基本構造が、輸送振動に対して十分な耐振動性を持っていることと考えられる。今後の着眼点としては、基本構造以外の配管支持部に着目すべきである。

図２７ サイン掃引試験結果（加速度－周波数グラフ）

３．６．配管継手モデルのＣＡＥ解析
荷重試験を再現した CAE 解析結果例として、図２８にひずみ分布図を示す。ひずみがピークとなるのは、T 字継手に接続された配管の根元で、左右方向の配管で最大約 40[µε]、中央方向の配管で約 15[µε]である。これは図２６に示したひずみ測定値とほぼ同等である。配管継手の構造は比較的シンプルなので、試験結果と CAE 解析が一致しやすいと考えられる。
図２９に水平方向に１Ｇ加速度負荷した場合の変位分布図を示す。いずれのモデルも配管支持部での変位が大きい。これは高圧水素ガス用の配管肉厚が大きく、配管の剛性が高いことが理由と考えられる。
図３０に容器弁モデル２の固有値解析結果を示す。
図示したのは１次モードの結果で、共振周波数は442[Hz]である。この結果から明らかなように、長い配管を持つ製品の共振は配管支持部を節とする変形モードとなる。従って、実プラントの点検技術としては、配管支持部も含めた CAE 固有値解析を予め実施しておき、危険な変形モードと危険位置を絞り込むことが有効だと考えられる。

図２８ 荷重試験時のひずみ分布図

図２６ 荷重試験時の荷重－ひずみグラフ

図２９ １Ｇ負荷時の変位分布図-6-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図３０ 蓄圧器モデル２の固有値解析結果（１次モードの変位図）（ａ）締結時の場合

次に、接触面漏洩に関する CAE 解析結果を示す。
ねじ締結を再現するため、軸方向に強制変位を与えた場合の応力分布図を図３１に示す。円錐面では、非常に狭い範囲で接触が生じ、材料力学分野で良く知られる典型的な接触応力分布が生じている。
ねじ締結に加え、曲げモーメントを与えた場合の応力分布を図３２に示す。円錐接触面だけでなく、ナットとボディとの接触部などで変形が生じている。また、接触面の上下で応力分布の違いが生じている。
接触面漏洩への影響を調べるため、接触面圧に着目し、図３３に接触面圧図を示した。図３３（ａ）ねじ締結では均等な面圧が生じているのに対して、図３３（ｂ）曲げモーメント負荷では、下部の接触部面圧が低下し、接触幅も狭くなっている。このような部位では、水素ガス漏洩の危険性が高まると考えられる。
図３４は、曲げモーメント負荷時のひずみ分布を示している。図中、矢印で示したのは、図１２の荷重試
験時のひずみゲージ測定点である。この分布から分かる通り、測定点のひずみと円錐面のひずみ分布は相関性がある。従って、荷重試験など測定していたひずみゲージ測定値を基に CAE 解析と連携することで、バルブ点検技術と同様に、直接測定することはできない接触部の状況を予測することが実現可能であり、今後、追加の検証試験が必要と考える。

（ｂ）曲げモーメント負荷した場合
図３３ 円錐接触部の面圧分布と応力分布（左）面圧拡大図（中央）面圧全体図（右）応力分布図

図３４ 曲げモーメント負荷時のひずみ分布

３．７．点検システムの構築本研究で提案した点検技術は、CAE 解析を活用する点が特徴である。この特徴を活かすため、CAE 解析ソ
フト COMSOL Multiphysics が持つ「CAE アプリケーシ
ョン（CAE アプリ）」機能を全面的に採用した点検シス
テムを考案した。この機能は、解析済みの CAE を再利用し、GUI 画面を作成するもので、数値入力やボタン操作だけで容易に CAE 計算を行うことが可能である。
我々は、これを「点検アプリケーション（点検アプリ）」として活用することとした。図３５は、バルブに関する点検アプリケーション例であり、伝熱条件を入力することで、霜層の発生状況を予測するものである。
さらに、オプション製品である COMSOL Server を用いることで、遠隔地からインターネット通信を介して「CAE アプリ」が保存されたサーバへアクセスし、Web

図３１ 締結時の相当応力分布図

図３２ 曲げモーメント負荷時の相当応力分布図-7-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ブラウザ上で「CAE アプリ」を実行することが可能である。この時、CAE 計算はサーバのコンピュータが行うため、遠隔地で使用するデバイスはスマートフォンなど計算能力に劣るもので十分である。
我々は、この仕組みをプラント点検に応用し、図３６に示すような点検フラットフォームとして共同利用することを提案する。この画面上の一つ一つの画像が、本研究の成果の一部を点検アプリケーションに作り替えて表現したものである。
図３７に著者らが考える点検システムの全体概要図を示す。IoT や AI 関連技術は、様々な要素技術の集合体であるため、全体像を把握することや、他者と技術的なアイデアを共有することが困難であるが、この図をベースにすれば、共有の助けになると考える。この
図はセンサ、データ、解析の３つの主要な技術要素を、プラント点検現場、解析拠点、サーバ拠点の３拠点に割り振った基本形と言える。インターネット通信を前提とすれば、３拠点の空間的な制限はなく、様々な組合せが想定される。この図をベースすれば、どんな組合せも基本形のバリエーションと捉えることができる。
例えば、現場作業員が表示デバイスを使用する場合は、点検現場と解析拠点が同じ場合であり、エッジコンピューティングとはサーバ拠点と解析拠点が現場近くに存在する場合である。

図３７ 点検システムの概要図

４．結言
水素プラント点検技術開発のため、水素ステーションで使用されるバルブ、蓄圧器、配管継手に関する各種試験や CAE 解析を実施するとともに、新しい点検技術を普及するための点検システムや仕組みについて検討を行い、以下の成果を得た。
①②③④
図３５ 点検アプリケーション画面例⑤⑥

バルブ実験モデルの冷却伝熱実験を実施し、ボルト部に熱電対を埋め込み温度測定をする方法、サーモカメラで首下部分の温度分布を測定する方法が有効であることを確認した。
バルブ実験モデルの CAE 解析を実施し、冷却実験時の温度分布や温度変化を再現することを確認した。
蓄圧器の DIC 測定試験、CAE 解析を行い、撮影距離 1[m]で直径全体を測定視野とする手法が、点検技術として有望であることを確認した。
配管継手に関する荷重試験や CAE 解析を行い、配管根元のひずみ測定値を基に CAE 解析を行う
ことで、継手接触部の力学的な状況を推定できる可能性を示した。
CAE 解析をカスタマイズした点検アプリケーシ
ョンをベースとする点検システムを考案した。
研究成果の一部を点検アプリケーションとして共有できるプラットフォームを構築した。

参考文献
１）日鉄テクノロジー(株)：高圧水素環境下の疲労試験,
https://www.nstec.nipponsteel.com/technology/
mechanical/fatigue/fatigue09/ (参照 2020-3-24)

図３６ 点検プラットフォームのトップ画面例-8-