成果報告書詳細
管理番号20110000001597
タイトル平成18年度~平成19年度成果報告書 水素安全利用等基盤技術開発 水素に関する共通基盤技術開発 国際共同研究ー水素ガスパイプライン高速破壊防止技術の研究開発
公開日2011/11/9
報告書年度2006 - 2007
委託先名国立大学法人東京大学大学院工学系研究科
プロジェクト番号P03015
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約低コストで安全性の高い水素運搬技術の開発は水素の製造・利用技術の開発とともに水素社会を実現するために極めて重要である。大量輸送を前提とした場合にはガスパイプラインによる輸送が最も低コストで現実的な選択肢であると考える。
 パイプラインによる天然ガスの輸送は世界的に広く適用されているが、このような高圧ガスパイプラインの信頼性で最も重要なものは、100m/s以上の高速で長距離にわたってき裂が伝播する高速不安定破壊の防止である。水素ガスパイプラインにおいてもこのような破壊を防止するための信頼性設計基準を確立する必要がある。
 かかる観点から、本研究では、水素ガスパイプラインの実大高速き裂伝播試験を実施して水素ガスパイプラインにおける高速破壊挙動を確認するとともに、水素ガスパイプライン高速き裂伝播現象を再現する数値計算モデルを開発し、定量的な評価手法を可能とすることを目的とした。
 外径267mm、肉厚6mmのX65高張力鋼管を用いた水素ガス、及び、比較メタンガスの
実大高速き裂伝播試験を実施した。内圧は12MPaとし、長さ300mmの初期き裂を瞬時に生成して、その後の動的き裂伝播の挙動を観察した。き裂はガス種に依らず約200m/sの速度で伝播した後、停止に至った。き裂伝播距離は、水素ガスの実験で約0.6~0.7mであったのに対して、メタンガスの実験では約0.9mと、水素ガスの実験のほうがき裂停止距離が短かった。鋼管内部のガス圧力の動的計測の結果、初期圧力における音速はメタンガスで約460m/s、水素ガスで約1460m/sであり、これに伴って水素ガスのほうがメタンガスよりも減圧が早期に生じることを確認した。
 ガスの減圧挙動と鋼管材料の高速き裂伝播を連成したガスパイプライン高速き裂伝播の数値計算モデルを開発し、水素ガスパイプライン、及び、比較としてメタンガスパイプラインにおける高速き裂伝播のシミュレーションを実施した。計算においては、実験室規模の高速破壊試験を実施してパイプライン用鋼材の高速き裂伝播抵抗値を測定し、これをシミュレーションに適用した。シミュレーションの結果、実大高速き裂伝播試験結果を再現できることを確認した。本数値計算モデルにより、メタンガスパイプラインに比べて水素ガスパイプラインのほうがガスの減圧が早期に生じ、き裂進展力が早期に低下するために、き裂が早期に停止することを定量的に把握することができた。
 以上の結果から、高圧ガスパイプラインの高速き裂伝播を抑制する観点からは、メタンガスパイプラインに必要とされる鋼管材料のき裂伝播抵抗靭性値を有していれば、水素ガスパイプラインにおいてもき裂伝播を阻止できることを世界で初めて実証した。
 将来、水素ガスパイプラインの信頼性設計指針を確立するためには、より大口径・高圧の水素ガスパイプライン実大強度試験を実施することによりデータを蓄積すること、ガスパイプライン高速き裂伝播の数値計算モデルの精度向上と口径や圧力の適用範囲を拡大すること、水素ガスパイプライン用鋼管材料に侵入する水素の影響を考慮した鋼管材料のき裂伝播抵抗値の測定法確立と評価を実施すること、さらに、き裂発生抑制性能に関する検討も行い、総合的な評価を実施する必要がある。
英文要約For realizing the hydrogen economy, technologies of hydrogen transport and delivery, as
well as those of hydrogen production and utilization, should extensively be developed. Mass
transport of hydrogen by gas pipelines might be most feasible among various ways of
transporting hydrogen.
Transport of natural gas by the pipelines has been widely used in the world. Prevention of
unstable, e.g. faster than 100m/s, and long crack propagation has been acknowledged as one of
the most important issues for maintaining safety and reliability of the natural gas pipelines and
standards and codes have been developed and utilized in the natural gas industry. Standards and
codes based on the same engineering philosophy should be applied to the hydrogen gas
pipelines as well.
 From the standpoint mentioned above, full-scale burst tests of hydrogen pipelines were
conducted. In addition, a numerical model which simulates the gas decompression behavior
and crack propagation in the hydrogen pipelines was developed for enabling quantitative
evaluation of various parameters on the crack propagation behaviors.
 Full-scale burst tests of hydrogen gas pipeline and methane gas pipeline, for comparison,
were conducted using X65 high-strength steel pipes with outer diameter of 267mm and wall
thickness of 6mm. Initial crack of 300mm length was introduced instantaneously by a shaped
charge under the initial line pressure of 12MPa and subsequent gas decompression and crack
propagation behaviors were dynamically measured. Maximum crack velocity was
approximately 200m/s, irrespective of the gases. The propagated crack length was shorter in
the hydrogen gas test than the methane gas test: 0.6 to 0.7m for the hydrogen gas test as
compared with 0.9m for the methane gas test. Dynamic gas pressure measurements indicated
that sonic velocity in the hydrogen gas was 1460m/s as compared with 460m/s in the methane
gas and that the gas decompression took place earlier in the hydrogen gas test than the methane
gas test.
 A numerical model which simulates the gas decompression and crack propagation behaviors
of a pressurized pipe was newly developed and applied to the simulation of the full-scale burst
tests. Unstable crack propagation resistance of the pipe material which was determined by the
laboratory dynamic fracture test was fed into the model. The simulation results showed good
correlation with the experimental results in terms of the gas decompression and crack
propagation behaviors. It was demonstrated by the model that the gas was decompressed
earlier and crack driving force decreased earlier thereby the crack being arrested at shorter
distance in hydrogen gas pipelines than in methane gas pipelines.
 From the above experiments and the numerical model, it was verified first in the world that
the crack could be arrested in hydrogen gas pipelines if the pipe material possesses the same
level of crack propagation resistance required for methane gas pipeline materials.
 For establishing the standards and codes for the reliability of hydrogen gas pipelines
in the future, it is necessary to accumulate full-scale experimental data, especially
those for larger diameter pipes and higher pressure, to increase the accuracy and range
of applicability of the numerical model, to establish testing method to measure
unstable crack propagation resistance of pipe materials under the influence of
hydrogen and to evaluate overall performance of the pipe including the reliability
analysis against crack initiation as well as crack propagation.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る