成果報告書詳細
管理番号20100000001974
タイトル平成20年度~平成21年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 次世代技術開発・フィージビリティスタディ等 革新的な次世代技術の探索・有効性検証に関する研究開発 水素ガス輸送用パイプラインの信頼性評価技術の研究開発   
公開日2011/6/29
報告書年度2008 - 2009
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P08003
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、高張力鋼管の水素脆化感受性に対する評価を行い、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、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、水素ガスパイプラインにおいてき裂伝播を防止するための条件について定量的な評価を行った。
 まず、高強度X65鋼管材料に対して、オートクレーブにより水素チャージを行い、準静的、及び、動的落重試験を実施し、延性き裂成長におけるJ積分抵抗曲線に及ぼす水素の影響を調査した。水素ガスパイプラインで想定される現実的な圧力と温度の上限条件では鋼中に拡散侵入する水素の濃度は高々0.01ppm程度以下と低く、準静的・動的条件ともに水素脆化はほとんど現れなかった。比較のために行った左記条件よりもさらに厳しいチャージ条件(オートクレー部の上限条件)では、水素濃度は0.2ppm程度であり、準静的条件において延性き裂抵抗曲線の勾配が低下した。破面上にも影響が認められた。しかしながら、その影響は大きくなく、また、動的な条件では水素の影響は顕著ではなかった。今回調査した強度レベルの鋼管において現実的な条件では水素脆化は懸念する必要はないと考えられるが、より厳しい条件では水素脆化が顕在化する可能性があるので、限界条件の見極めのためには、さらに詳細な調査が必要であることを指摘した。
 次に、大口径の鋼管を用いた水素ガスパイプラインの実大バースト試験を行った。供試した鋼管はグレードX65、外径559mmのUOE鋼管である。水素ガス圧力を16MPaとし、他工事損傷を想定して長さが700mmの初期き裂を瞬時に形成させた後の延性き裂伝播挙動を計測した。延性き裂は約200m/sの速度で軸方向に伝播したが、300~600mm程度伝播後、き裂分岐、または、周方向への逸脱によりき裂が停止した。水素ガスパイプラインにおいて高速延性破壊は長距離伝播しないことを実証した。
 以下に述べる数値計算モデルの構築にあたり、小規模バースト試験を実施してパイプの破壊状況と破壊後の変形形状を計測した。モデルパラメータの設定に適用するとともに、き裂伝播状況のデータをモデルの妥当性検証に用いた。
 水素ガスパイプラインの損傷によりき裂開口部から水素ガスが漏出することを想定して、燃焼ガスの熱輻射に関する机上検討を行った。このために、ガスの漏出速度と燃焼に関する非定常のモデルを構築した。同一条件で比較すると、天然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熱輻射が小さいという結果が得られた。ただし、詳細な検討を行うためには、熱輻射の計測とそれに基づいたモデルの高精度化が必要であることを指摘した。
 次に、水素ガスパイプラインにおける高速延性き裂伝播と停止をシミュレーションできる数値計算モデルを開発した。本モデルは、従来の手法とは異なり、パイプの変形や破壊に関する物理的考察にもとづいているために、ガス種、パイプの口径や強度、圧力などに限定されず、広い範囲に適用できるものであり、特に、水素ガスパイプラインの評価に適している。本モデルは水素ガスパイプラインを含む多くの実大バースト試験結果を説明できることから、その有効性が確認された。
 水素ガスパイプラインと天然ガスパイプラインを上記の数値計算モデルで比較した結果、同一靭性(き裂伝播抵抗値)で比較すると、天然ガスパイプラインよりも水素ガスパイプラインのほうがき裂伝播距離が短く、調査した範囲では長距離伝播することはない結果となった。水素ガスはメタンガスに比べて音速が極めて高く、き裂が開口した際の減圧がより早期に生じるために、き裂を進展させる駆動力が早期に低下するのがその理由である。高速延性き裂伝播現象に関する限り、天然ガスパイプラインと同レベルの靭性を確保しておけば、水素ガスパイプラインでき裂が長距離伝播することを防止できると結論した。
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 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 established for hydrogen gas pipelines as well.
From the above standpoint, the authors conducted a research program, in which, firstly, susceptibility of high-strength linepipe steel to hydrogen embrittlement was evaluated, secondly, full-scale burst test of hydrogen gas pipeline was conducted to observe dynamic crack propagation, thirdly, numerical simulation model was developed for quantitative analysis of crack propagation and arrest in hydrogen gas pipelines.
High-strengh X65 linepipe steel was subjected to hydrogen charging in a autoclave and quasi-static and dynamic fracture testing for evaluating the influence of hydrogen on J-resistance curve during ductile crack growth. Under the combination of hydrogen pressure and temperature corresponding to upper bound condition in actual pipelines, concentration of hydrogen absorbed in the steel was as low as 0.01mass ppm at the highest, and almost no indication of hydrogen embrittlement was found in the quasi-static and dynamic fracture tests. Under the most severe charging condition, corresponding to the upper limit of the autoclave, concentration of hydrogen was about 0.2mass ppm and the tested steel exhibited a decrease in the slope of ductile crack growth resistance curve. Some change in fracture surface was also observed. However, the extent of the influence was not considerable, especially for dynamic fracture testing. It was concluded that hydrogen embrittlement was little under the condition tested in the present study. However, further study should be necessary for clarifying the limiting condition for hydrogen embrittlement susceptibility.
Full-scale burst test of hydrogen gas pipeline was conducted using large-diameter linepipe. Tested steel pipe was grade X65 UOE pipe with outer diameter of 559mm. The line pressure was set at 16MPa. A 700mm long initial crack was introduced for simulating a crack caused by a third party construction work accident and crack propagation behavior was observed. A ductile shear crack propagated in the axial direction with a velocity of about 200m/s but was arrested after propagating for 300 to 600mm length, by either crack branching or crack deviation into circumferential direction. It was demonstrated that dynamic ductile fracture does not propagate long in hydrogen gas pipelines.
For establishing the following numerical model of dynamic crack propagation, small-scale burst tests were conducted, in which deformation and fracture behavior was measured. Some parameters were acquired from the tests and the test results were applied for testing the applicability of the numerical model.
A numerical study was conducted for evaluating the thermal radiation of combusting hydrogen gas which escapes from a pipe through fractured crack mouth in hydrogen gas pipelines. A non-steady model of gas escape and combustion was established for this purpose. It was concluded from the analysis that thermal radiation was lower in hydrogen gas pipelines than in natural gas pipelines under the same assumed condition. Experimental measurement and more accurate calculation, however, should be necessary for obtaining concrete conclusions.
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