高圧水素用高強度ステンレス鋼 HRX19

中村潤
浄佳 奈
大 村 朋 彦1)
2)
3)
平 田 弘 征
小 薄 孝 裕
照 沼 正 明4)5)
6)

よる締結のため，水素ガスが漏えいしやすいことから信頼性

. 緒

言は低く，メンテナンスコストが高くなる可能性がある．そのため，溶接による締結に対するニーズが極めて高い．

日本の将来的な二次エネルギーとして，電気，熱に加え水

こ の よ う な 背 景 の 下 に 当 社 で 開 発 し た HRX19 は ，素が中心的役割を担うことが期待されており，水素社会の実SUS316L の約1.6倍の引張強度を有しており，かつ高圧水素現に向けた取り組みが加速している． 2014 年 12 月に燃料電用材料に要求される耐水素脆化特性に優れている．さらに，池車の商用販売が開始され，燃料供給基地となる水素ステー溶接施工ができる材料である．本開発鋼は水素ステーション

ションはこれまで首都圏を中心に約 90 基建設されている．の高圧水素ライン用として 2014 年に初めて実用化に成功す

東京オリンピックは水素の可能性を世界に発信する絶好の機るとともに，世界で初めて周溶接にて施工した高圧水素ライ会であり，今後建設が加速すると考えられる．

ンとして水素ステーション建設に寄与している．これまでに燃料電池車の普及による環境負荷軽減のためには水素ステ建設された水素ステーション向けに 75 トンの使用実績があーションなどの各種機器において高圧水素環境下で使用できる．本稿では，HRX19 成分設計指針，特徴および実用化状る材料が必要とされている．また，これらの各種機器の安全況について述べる．

性を確保するためには，水素の影響を考慮した強度設計や材料選定が必要であるが，高圧水素環境中の材料強度に関する.

開発鋼の成分設計指針データは充分に得られていないのが現状である．現行の水素ステーションの高圧配管には SUS316 や SUS316L といった本開発鋼の成分設計の最大の特徴は Ni, Cr, Mn, Mo を適低強度ステンレス鋼が使用されているが，ガソリンスタンド

正化することで耐水素脆化特性を確保した上で， 0.3の Nと同様の充填時間を達成するためには，内径を大きくし，流を添加し更に Nb, V を添加することで引張強度を大幅に向路面積を拡大する必要がある．現行の低強度ステンレス鋼を上させた点である．本開発鋼は，熱処理を行い， N による用いた場合，機器の厚肉化は避けられず，機器の肉厚を抑え固溶強化，Nb, V 炭窒化物の析出強化および細粒化により高たまま，流路面積を確保するためには，高強度材の使用が必強度化を図ったオーステナイト系ステンレス鋼である．一要不可欠であるといえる．

方，材料強度が高くなるほど，水素脆化特性は低下すること

また，現行の水素ステーションでは，コーンスレッド継が知られている(1)．オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆手のような機械継手により配管を締結している．機械継手に化特性は，オーステナイト安定度を表す指標の一つとしてNi 当量式([ Ni ]＋ 0.65 [ Cr ]＋ 0.98 [ Mo ]＋ 1.05 [ Mn ]＋ 0.35

新日鉄住金株式会社
技術開発本部鉄鋼研究所
1)水素・エネルギー材料研究部主幹研究員 2)鋼管研究部主任
研究員 3)上席主幹研究員(リーディングリサーチャー)
4)接合研究部部長
鋼管事業部尼崎製造所カスタマー技術部5)主幹 6)シニアスタッフ
High Strength Stainless Steel HRX19for High Pressure Gaseous Hydrogen; Jun Nakamura, Kana Jotoku, Tomohiko Omura,Hiroyuki Hirata, Takahiro Osuki, Masaaki Terunuma(Nippon
Steel & Sumitomo Metal Corporation)
2017年10月31日受理[doi:10.2320/materia.57.69]

ま て り あ 第57巻 第 2 号(2018)Materia Japan[Si]＋12.6[C])により整理することができる(2)．高圧ガス保安法では，－45°C以上の温度域で使用される材料に対して，Ni 当量が 28.5 mass以上であることが規定されている(3)．

図に各種ステンレス鋼を対象に水素脆化特性に及ぼす Ni当量の相関について示す．これより， Ni 当量が増加するとオーステナイト安定度が高く，ひずみ誘起マルテンサイト変態しなくなることから，水素脆性破壊を示さなくなることがわかる．しかし，高窒素ステンレス鋼では上記オーステナイ
ト安定度で整理できず，塑性変形時の転位のプラナー化が局



表1C

Si0.005 0.2
0.06 1.0

図1

Mn

HRX19の化学成分(mass)．
NiCrMo

VNbN

Ni 当量

4.3 12.0 21.5 1.5 0.15 0.15 0.25 ≧32.09
6.0 
13.5 23.5 3.0 0.30 0.30 0.4

水素脆化特性に及ぼす Ni 当量の影響．

在すべりを助長し，水素脆化特性が劣化する可能性があることが報告されている(4)．転位のプラナー化は積層欠陥エネルギーが低いほど起こりやすい．そこで，塑性変形時に転位がプラナー化しないように， Ni, Mo 添加量を調整した．しかし，これら元素は添加量を上げるほど，積層欠陥エネルギーは上昇するが，水素吸収後の引張試験時に転位がプラナー化しない最適な添加量を見出した．図に HRX19 水素吸収材

図3

HRX19 の水素脆化特性(6)．

図4

SSRT 後破面観察結果例．の引張試験時の転位観察結果を示す．水素吸収した HRX19の転位構造はプラナー化していないことを確認した．さらに，耐水素脆化特性を向上させるために， Cr, Mn などの他の合金元素を調整し， Ni 当量を 32.09 [ mass ]以上を実現した．表に HRX19 の化学成分を示す．

. 開 発 鋼 の 特 徴
水素脆化特性

高圧水素用の金属材料の耐水素脆化特性の評価には低ひずみ速度引張試験(Slow Strain Rate Test, SSRT)が用いられる(5)．SSRT では板状あるいは丸棒の引張試験片を水素中および大気中(もしくは不活性ガス中)で低ひずみ速度で引張と同等以上の優れた水素脆化特性を有する．本試験条件で最り，絞りや伸びの値を比較する．一般的に，大気中(不活性も過酷な環境である－ 50 °C ， 100 MPa 水素中 SSRT 後の破ガス中)の絞りの値に対する水素中の絞りの値の比を示す相面観察結果を図に示す．水素中の破面には不活性ガス中と対破断絞りが高いほど耐水素脆化特性に優れる．HRX19 の同様にディンプルが観察され，過酷な高圧水素環境下におい評 価 に は ， 最 大 100 MPa 高 圧 水 素 ガ ス 中 で － 50 °Cからても水素脆性破壊しないことが確認できる．この結果より，

150°
Cにおいてひずみ速度 3×10－6 s－1 で試験を実施した．

－50°
C, 100 MPa 高圧水素環境下においても極めて優れた水図に高圧水素中における SSRT の結果を示す(6) ．比較として Ni 当量 28.9 の SUS316L の結果もあわせて示す．
Ni 当量が32を超える HRX19 は，－50～150°Cの広い範囲で相対破断絞りは 90 を超える値を示しており， SUS316L

図2

素脆化特性を示すことがわかる．


溶接性

HRX19 溶接継手は溶接時の脱 N を防ぐため，一般的に用HRX19 水素吸収材の転位構造．

新技術・新製品

図7
図5

水素ステーション適用例(東京ガス株式会社様ホームページより引用)．

HRX19 ノンフィラー溶接継手の引張強度特性．

年より図に示す高圧水素ラインに世界で初めて溶接施工を用いて適用された実績があり，溶接施工を用いた高圧水素部材など数多く採用されている．国内の水素インフラ分野において累計 75 トンの採用実績があり，水素社会基盤構築に向けて大きく寄与している．また，今後水素社会が到来する際は， CO2 削減など環境負荷低減に大きく寄与していくことなる．

.

対外発表および特許

本開発鋼にかかわる研究は，日本鉄鋼協会講演会(7)や高圧力技術協会セミナー(8)および ASME PVP(9)における発表をはじめ，国内外で多数発表がある．本開発鋼にかかわる特許
図6

HRX19 溶接継手の水素脆化特性．

いられる Ar シールドガスに N2 ガスを混合し，溶接施工をは，特許第 5131794号，特許第 6004140号などが国内，海外で権利化されている．

文

献行う必要がある．図に HRX19 のノンフィラー溶接継手の引張試験結果の一例を示す．HRX19 溶接継手では，シールドガスへの窒素混合率と溶接入熱を管理することにより，母材同等の引張強度を確保可能である．溶接後熱処理を行わないことから溶接ままの状態で設計することが可能であり，工場内など限られた環境のみならず，現地施工も可能となり，広範囲に使用することが期待できる．図に HRX19 溶接継手の水素脆化特性を示す．各試験温度において，HRX19 母材と同様に，水素脆化特性は極めて良好であることがわかる．

. 実 用 化 状 況
本開発鋼はすでに実用化，量産されており，水素ステーシ( 1 ) 松山晋作遅れ破壊，日刊工業新聞社，(1989).
( 2 ) 平山俊成，小切間正彦日本金属学会誌，34(1970), 826829.
( 3 ) 山田敏弘，小林英男高圧ガス，49(2012), 885893.
( 4 ) H. Nakagawa: Proceedings of ASME PVP 2007, Paper No.
200726462, (2007).
( 5 ) 大村朋彦，小林憲司，宮原光雄，工藤赳夫材料と環境， 55(2006), 139145.
( 6 ) 中村 潤，浄+佳奈ふぇらむ，21(2016), 611.
( 7 ) 中村 潤，宮原光男，大村朋彦，仙波潤之，脇田昌幸日本鉄鋼協会秋季講演大会，“水素エネルギー関連構造材料研究開発の新展開”，討73，(2012).
( 8 ) 中村 潤 HPI セミナー“水素社会に向けた材料強度評価技術の新展開”，日本高圧力技術協会，(2017).
( 9 ) J. Nakamura, T. Omura, Y. Tomio, H. Hirata, M. Terunuma,
E. Dan and T. Osuki: Proceedings of ASME PVP 2013, Paper
No. 201397365, (2013).

ョンの高圧水素ラインに 2014 年より採用されている． 2015

ま て り あ 第57巻 第 2 号(2018)Materia Japan