高圧水素ガス環境におけるパイプライン鋼の水素脆化（HE）の機構同定と耐性設計

山崎行政書士事務所
10月1日
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――現場実務の視点での提言――

要旨（Abstract）

水素社会の進展にともない、10–21 MPa級の高圧水素を扱う導管の健全性確保が急務である。本稿は、現場実務者の視点から最新知見を統合し、（i）き裂先端に到達する拡散性Hフラックスに着目した機構解釈（HELP×HEDEの相乗）、（ii）ASME B31.12 Option B／ASTM G142・E1681を核にした耐性設計フレーム、（iii）溶接HAZ・O₂微量影響・APT/TDSベストプラクティスなどメゾ〜結晶粒スケールの実装手順を提示する。さらに、「X100級の適用は原則回避（K_IH≥80 MPa√mの実測適合が条件）」等のドラスティック提言を示し、実務の判断材料を与える。[R1–R7]

1. 序論（Introduction）

水素脆化（HE）は、疲労き裂成長（FCG）の加速や破壊靭性の低下を通じて欠陥容認設計（ECA）を左右する。レビューやNIST/Sandia等の蓄積は、**高圧H₂（~21 MPa）でのFCG加速・周波数依存性・材料／継手差の実測を提示し、B31.12の改訂およびCode Case 220（圧力依存のFCG設計則）**整備を後押ししている。HAZの脆化感受性は設計上のボトルネックになりやすく、溶接条件・硬さ管理が必須である。[R4–R7, R10–R12]

2. 機構の統一解釈（Mechanistic View）

本稿では、**「き裂先端へ到達する拡散性Hフラックスの制御」を支配因子とする実務解釈を採る。き裂先端でHELP（局所塑性促進）とHEDE（界面デコヒージョン）**が相乗し、負荷履歴（ΔP・保持・周波数）、微細組織（炭化物・粒界・転位）、溶接による残留応力、ガス中不純物がフラックスと局所靭性を通じてFCG/K_IHを左右する。近年のレビューは、低周波・停止保持でFCGが顕著に加速する傾向を総括している。[R4–R6, R11]

3. 実験知見の要点（Evidence）

圧力上限とFCG：~21 MPaまでのH₂中FCGデータがB31.12の設計上限や保守側設計の根拠。周波数が低いほど加速しやすい点が重要。[R6, R12]
K_IHしきい値：ASTM E1681に基づくK_IH≥55 MPa√mはB31.12 Option Bでの適合の最低線。実用上は運用ΔP・初期欠陥に応じ70–80 MPa√m級を目標に据えるのが無難。[R1, R3, R13]
溶接継手/HAZ：HAZや溶接金属がベース材より脆化リスクが高まる事例が多い。硬さ管理（例：~250 HV級上限）と微細組織制御が有効。[R10, R14]
O₂微量の影響：低速FCG域で一時的抑制が見られる報告はあるが、高速域では効果が乏しく、そもそも安全・品質規格の観点から運用不適（実配管への混入はNG）。[R16–R19]

4. 統合“耐性設計フレーム”――現場導入の型

(A) 材料・継手の適合評価

SSRT/引張（ASTM G142）：10–21 MPa H₂、母材・溶接金属・HAZを横並びに比較。[R2]
K_IH（ASTM E1681）：55 MPa√m以上を基準（Option B最低線）、運用ΔP・初期欠陥に応じ70–80 MPa√mを設計目標。[R1, R3, R13]
FCG（da/dN–ΔK）：21 MPa H₂、R比・周波数掃引で低周波加速を把握し、Code Case 220の圧力依存曲線へ接続。[R6–R7, R12]

(B) メゾ〜結晶粒“見える化”の標準化

APT（Dラベル、クライオ移送）で炭化物/粒界/酸化膜へのH集中を定量、TDSでトラップ活性化エネルギーを分離。[R20–R21]

(C) 欠陥容認（ECA）×運用の融合

B31.12 Option B＋Code Case 220で、実運用のΔP履歴・停止保持を折り込んだ寿命推定と再検査間隔（ILI）設計。[R1, R7]

(D) 溶接WPSの要点

HAZ硬さ上限（~250 HV）、HLAW等でAF（アシキュラフェライト）＋HAGB高密度を志向。[R14, R22–R23]

(E) CP（カソード防食）運用窓

IRフリー“OFF電位”管理と過防食回避をECAに連結（ISO 15589‑1参照）。[R24]

(F) 材料置換の局所適用

高リスク箇所には**オーステナイト系（例：316L）**の局所採用でHEリスク低減（ただし熱処理・溶接条件に依存）。[R25–R26]

5. ドラスティック提言（Bold Propositions）

「X80を上限、X100以上は禁止」—使用条件はK_IH≥80 MPa√mの実測適合　根拠: B31.12の55 MPa√mは最低線に過ぎない。高強度ほどFCG加速・靭性低下の影響が大きい。80 MPa√m級を満たせない場合は信頼性優先で不採用。[R1, R3, R6–R7]
「継手がボトルネック」—HAZ/溶接金属のK_IH・FCGを最優先で評価　根拠: HAZの微細組織・硬さが支配。HAZ硬さ~250 HV管理とAF生成をWPSに組み込む。[R10, R14, R22–R23]
「O₂ドーピング抑制効果」は研究室限定**（実運用は不採用）**　根拠: 低速域で抑制例はあるが、安全・品質規格（ISO 14687）の観点から実配管での混入は原則NG。[R16–R19]
「トラップ工学」—可逆トラップを“不可逆寄り”に誘導　根拠: 微細炭化物/炭窒化物導入で有効拡散係数を低減。APT/TDSで定量ループを確立。[R20–R22]
「CPの過防食回避」を設計拘束条件に格上げ　根拠: 過負極化はH侵入を促進。ISO 15589‑1の留意事項に沿いOFF電位管理をECAへ紐づけ。[R24]

6. 90日実装計画（試験→可視化→設計）

Week 0–2｜供試体設計：母材（L/T両方向）・溶接金属/CGHAZ/FGHAZでSSRT・CT・FCG片を採取。
Week 2–6｜H₂環境機械試験：ASTM G142（SSRT/引張）、ASTM E1681（K_IH）、21 MPa H₂ FCG（R・周波数掃引）。[R2–R3, R6]
Week 2–8｜メゾ可視化：APT（Dラベル・クライオ）/TDS/EBSDでトラップ・酸化膜・粒界のH濃化を定量。[R20–R21]
Week 6–10｜ECA：B31.12 Option B＋Code Case 220でΔP時系列・停止保持を入れた寿命評価、ILI間隔設定。[R1, R7]
Week 8–12｜WPS/運用最適化：HAZ硬さ上限・AF/HAGB化、プリヒート・入熱管理。CP OFF電位運用窓の設定。[R14, R22–R24]

7. 討議（Discussion）

本稿は、規格下限（B31.12の55 MPa√m）を“最低線”とし、実運用ΔP・停止保持・周波数依存をCode Case 220で正面から扱う設計哲学を取る。HAZ起点・低周波域のFCG加速・不純物影響の条件依存など実務に効く要因を、APT/TDS可視化とECAに束ねて評価系を閉じることが肝要である。ステンレス（316L等）は局所的に有効だが、熱処理・溶接・低温挙動への配慮を欠かせない。[R6–R7, R10, R20–R21, R25–R26]

8. 結論（Conclusions）

結論：“き裂先端へ到達するHフラックスを小さくする”という設計思想のもと、材料・継手適合（G142/E1681）→メゾ可視化（APT/TDS）→ECA（Code Case 220）→WPS/CP運用を連結すれば、10–21 MPa級の導管でも“許容欠陥の下で健全運用”は現実的である。高強度鋼（X100級）の適用は慎重に（K_IH≥80 MPa√m実測が条件）。O₂微量による研究室的抑制は現場運用に持ち込まない。