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成果報告書詳細
管理番号20170000000618
タイトル平成26年度~平成28年度成果報告書 水素利用技術研究開発事業 水素ステーション安全基盤整備に関する研究開発 高圧水素ガス用高窒素高強度ステンレス鋼配管の溶接継手に関する研究開発
公開日2017/11/14
報告書年度2014 - 2016
委託先名株式会社エア・リキード・ラボラトリーズ
プロジェクト番号P13002
部署名新エネルギー部
和文要約件名: 平成 26 年度~平成 28 年度成果報告書 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「水素利用技術研究開発事業/水素ステーション安全基盤整備に関する研究開発/高圧水素ガス用高窒素高強度ステンレス鋼配管の溶接継手に関する研究開発」

本事業の目的は,水素ステーションの高圧水素ガス配管に溶接継手を導入するため,高強度オーステナイト系ステンレス鋼XM-19の溶接技術を確立し、これを配管溶接継手へ応用・実用化することである.現状多数使用されているメカニカル継手に代わり溶接継手の使用が可能となれば,水素ステーションの建設コストの低減や信頼性の向上に直結する.高圧水素ガス配管の溶接継手には,母材に比べて強度低下がないこと,水素脆化特性の顕著な悪化のないことが求められるため,冷間加工や熱処理を必要とせずに高強度であり,かつ母材では優れた耐水素脆化特性が報告されているXM-19を溶接配管継手材料として開発に用いた.ただし、本材料には強化因子として高濃度の窒素が添加されており、溶接時に窒素放出(脱窒)が生じると逆に大きな強度低下を引き起こす可能性がある。したがって本材料を使用した高圧水素ガス配管の溶接継手には,溶接時の脱窒の抑制が大きな課題となる。それに加えて、施工の容易さ,信頼性の高さ,低コストも重要であり,本研究ではTIG溶接を用いた自動溶接により作製した配管溶接継手を開発対象とした.
本事業では,高窒素オーステナイト系ステンレス鋼XM-19を用いて,引張強度が母材の規格強度である800 MPaを越える溶接継手を開発し,溶接時の材料中の窒素の挙動を含めて溶接継手の強度に対する微視組織の影響を明らかにし,また配管溶接継手の高圧水素ガス中のSSRT試験と水素チャージ材の疲労試験,高圧水素ガス圧力サイクル試験により疲労強度と疲労寿命に水素の影響が無いことを明らかにした.これらの成果を総合して,本事業の目的である水素ステーションでの使用を想定した高窒素ステンレス鋼の溶接継手を実用化できる溶接技術の確立を達成した.
高窒素高強度ステンレス鋼配管の溶接技術開発については,シールドガス成分,フィラー(インサートリング)と関連させる形で溶接電流,溶接時間を変化させて,溶接継手の引張強度が母材の規格強度を越える溶接条件を確定した.とくに溶接金属部での脱窒を抑制するため,ヘリウムに窒素を添加したシールドガスを開発した点が本事業の重要なポイントである。インサートリングには配管素材と同一の材料を用い溶接施工性を改善する形状をデザインした.なお,引張強さが母材の規格強度を上回った溶接継手については,引張試験の破断は母材部から生じた.
溶接金属の金属組織評価については,溶接部に生成する相の種類や体積率に及ぼす窒素濃度等の影響を明確化するために,XM-19の平衡状態図を作製した.その状態図により,窒素量の減少とδフェライトの生成の定量的な関係を予測した.さらに,溶接部のEPMA成分分析を行い,溶接継手における溶接部の強度低下と脱窒量との関係を明らかにした.また,溶接時間が長い方が溶接継手の引張強度が高くなった結果に対して,δフェライト相の発達が有益であることを推定した.
配管溶接継手の水素脆化特性の評価として,配管溶接継手から切り出した試験片に対する高圧水素ガス中のSSRT試験,配管溶接継手の疲労試験,高圧水素ガス圧力サイクル試験を実施した.溶接継手の引張強さが母材の規格強度を越える溶接継手について,温度-10℃,室温,50℃で高圧水素ガス中(-10℃は70 MPa,他の温度は85 MPa)でSSRT試験を実施した結果,相対絞りはいずれの条件下でも0.8を大きく越えていた.その配管溶接継手の疲労特性に対しても,水素の影響が認められないことをS-N線図,破壊力学的評価,破面観察により確認した.
英文要約Title: Research and Development on Welded Joints of a High-nitrogen and High-strength Stainless Steel Tube for High-pressure Hydrogen Gas (FY2014-FY2016) Final Report

The purpose of this project was to develop a welding technique for high strength austenitic stainless steel XM-19 allowing to introduce welded joints in high pressure hydrogen gas piping used in hydrogen refilling stations. The objective is to reduce the cost of construction and maintenance of hydrogen stations, improve their reliability and decrease the occurrence of leaks.
In this project, high strength and high hydrogen embrittlement resistant XM-19 austenitic stainless steel was used as base material to develop the welded joints. High strength of XM-19 results from high nitrogen concentration therefore nitrogen loss during welding process is a major challenge to address as it could lead to a severe loss of mechanical strength in welded joint. Another challenge is to maintain a very high resistance to hydrogen embrittlement in welded joints compared with base material. Finally, the welding process must be cost effective, easily implementable and reliable in order to be practically used in future hydrogen stations. To address these three challenges, the project was divided in three work packages: the development of the welding technique, the study of the impact of welding on the microstructure of the material and the evaluation of resistance of welded joints to hydrogen embrittlement.
During the development of the TIG welding technique, it was shown that an optimal insert ring design allows easily implementable welding resulting in mechanical strength beyond base material standard strength. Additionally, it was shown that addition of nitrogen and helium in the shielding gas are key to respectively avoid excessive loss of nitrogen in the material and maintain a good workability of the welding process.
For microstructure evaluation, an equilibrium diagram of XM-19 was prepared in order to clarify the influence of nitrogen concentration on the type and volumetric fraction of phase generated in the welded part. It was possible to quantitatively predict the impact of nitrogen loss on the formation of δ ferrite and EPMA analysis clarified the relationship between the strength reduction and the loss of nitrogen in the welded part. It was estimated that longer welding times favors δ ferrite phase formation which is beneficial to obtain high tensile strength for the welded joint.
The resistance of welded joint to hydrogen embrittlement was evaluated through fatigue testing in high pressure hydrogen gas or with hydrogen charged specimen (mechanical compression cycle test and high pressure hydraulic cycle test) and through SSRT test in high pressure hydrogen. SSRT tests performed at -10°C, 20°C and 50°C showed no effect of hydrogen embrittlement. It was also confirmed by S-N diagram, fracture mechanics evaluation and fracture surface observation that no influence of hydrogen could be observed for welded joints.
The results obtained along this project demonstrated the applicability of welded joints for practical usage in high pressure hydrogen gas piping.
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