本概要では、水素配管システムの安全な設計に関する推奨事項を示す。
水素は揮発性が高く、漏洩しやすい性質を持つ液体です。制御が困難な揮発性液体であるため、非常に危険で致命的な性質を併せ持っています。これらの性質は、材料、ガスケット、シールの選定、およびシステムの設計特性を検討する際に考慮すべき点です。本稿では、水素ガスの分布に関するこれらのトピックに焦点を当てており、水素の製造、液体水素、または液体水素（右サイドバー参照）については取り上げていません。
水素とH2-空気の混合物を理解する上で役立つ重要なポイントをいくつかご紹介します。水素は、爆燃と爆発という2つの方法で燃焼します。
爆燃。爆燃は、炎が亜音速で混合気中を伝播する一般的な燃焼モードです。これは、例えば、水素と空気の混合気の自由雲が小さな着火源によって点火された場合に発生します。この場合、炎は毎秒10フィートから数百フィートの速度で伝播します。高温ガスの急速な膨張により、雲の大きさに比例する圧力波が発生します。場合によっては、衝撃波の力が、建物の構造物や経路上の他の物体を損傷させ、負傷を引き起こすのに十分なほどになることがあります。
爆発する。爆発すると、炎と衝撃波が超音速で混合物中を伝わる。爆轟波の圧力比は爆轟よりもはるかに大きい。力が増大するため、爆発は人、建物、および近くの物体にとってより危険である。通常の爆燃は、密閉された空間で点火されると爆発を引き起こす。このような狭い領域では、最小限のエネルギーで点火することができる。しかし、無限の空間で水素と空気の混合物が爆轟するには、より強力な点火源が必要となる。
水素と空気の混合気における爆轟波の圧力比は約20である。大気圧では、圧力比20は300psiに相当する。この圧力波が静止物体に衝突すると、圧力比は40～60に上昇する。これは、圧力波が静止障害物から反射されるためである。
漏洩しやすい性質。水素ガスは粘度が低く分子量も小さいため、漏洩しやすく、様々な物質に浸透しやすい性質があります。
水素は天然ガスの8分の1、空気の14分の1、プロパンの22分の1、ガソリン蒸気の57分の1の軽さです。つまり、屋外に設置した場合、H2ガスはすぐに上昇して拡散し、たとえ漏洩があってもその兆候は目立たなくなります。しかし、これは諸刃の剣にもなり得ます。溶接前に漏洩検知調査を行わずに、H2ガスの漏洩箇所の上または風下で屋外設備の溶接作業を行う場合、爆発が発生する可能性があります。密閉空間では、H2ガスは天井から上昇して蓄積し、地面近くの発火源に接触する前に大量のガスが蓄積される可能性があります。
偶発的な火災。自然発火とは、気体または蒸気の混合物が外部からの着火源なしに自然に発火する現象です。これは「自然発火」とも呼ばれます。自然発火は圧力ではなく温度に依存します。
自己発火温度とは、空気または酸化剤と接触した際に、外部の発火源がない状態で燃料が自然発火する最低温度のことです。単一粉末の自己発火温度とは、酸化剤がない状態でその粉末が自然発火する温度のことです。空気中の気体状水素の自己発火温度は585℃です。
着火エネルギーとは、可燃性混合物中を炎が伝播し始めるのに必要なエネルギーのことです。最小着火エネルギーとは、特定の温度と圧力で特定の可燃性混合物を着火させるのに必要な最小エネルギーのことです。1気圧の空気中の気体H2の最小火花着火エネルギーは1.9 × 10⁻⁸ BTU (0.02 mJ)です。
爆発限界とは、空気または酸素中の蒸気、ミスト、または粉塵の最大濃度と最小濃度で、爆発が発生する濃度を指します。環境の大きさや形状、および燃料の濃度によって、これらの限界は左右されます。「爆発限界」は、「爆発限界」の同義語として使われることもあります。
空気中の水素混合物の爆発限界は、18.3体積％（下限）から59体積％（上限）です。
配管システム（図1）を設計する際、最初のステップは、流体の種類ごとに必要な建築材料を決定することです。そして、各流体はASME B31.3の300(b)(1)項に従って分類されます。同項には、「所有者は、クラスD、M、高圧、高純度配管を決定し、特定の品質システムを使用するかどうかを決定する責任も負う」と記載されています。
流体の分類は、必要な試験の程度や種類、その他多くの要件を流体のカテゴリーに基づいて定義します。通常、この責任は所有者のエンジニアリング部門、または外部委託のエンジニアが負います。
B31.3プロセス配管規準は、特定の流体に対してどの材料を使用すべきかを所有者に指示するものではありませんが、強度、厚さ、および材料接続要件に関するガイダンスを提供しています。また、規準の序文には、以下の2つの記述が明確に示されています。
そして、上記の最初の段落、段落 B31.3 をさらに詳しく説明します。300(b)(1) には、次のように記載されています。「パイプライン設備の所有者は、この規定を遵守し、パイプラインが一部となっているすべての流体処理またはプロセスを規定する設計、建設、検査、試験要件を確立する責任を単独で負います。」そこで、責任に関するいくつかの基本ルールと流体サービスカテゴリを定義するための要件を定めた後、水素ガスがどのように該当するかを見てみましょう。
水素ガスは漏洩する可能性のある揮発性液体であるため、液体サービスに関するB31.3のカテゴリーでは、水素ガスは通常の液体またはクラスM液体とみなされます。上記のとおり、流体処理の分類は、B31.3の第3項に記載されている選択されたカテゴリーのガイドラインを満たしている限り、所有者の要件です。300.2 「油圧サービス」のセクションの定義。通常の流体サービスとクラスM流体サービスの定義は次のとおりです。
「通常の流体サービス：この規格の対象となるほとんどの配管に適用される流体サービス。つまり、クラスD、M、高温、高圧、または高清浄度の流体に関する規制の対象とはなりません。」
（１）この液体の毒性は非常に高く、漏洩によって生じたごく少量の液体に一度でも曝露すると、吸入または接触した人に、たとえ直ちに回復措置が講じられたとしても、深刻な永久障害を引き起こす可能性がある。
（２）パイプラインの設計、経験、運転条件、および設置場所を考慮した結果、所有者は、流体の通常使用における要件では、作業員を暴露から保護するために必要な気密性を確保するには不十分であると判断した場合。
上記のMの定義において、水素ガスは有毒液体とはみなされないため、(1)項の基準を満たしていません。しかし、(2)項を適用することにより、本規程は「…配管設計、経験、運転条件および場所…」を十分に考慮した上で、油圧システムをMクラスに分類することを認めています。所有者は、通常の流体処理の決定を許可します。これらの要件は、水素ガス配管システムの設計、建設、検査、点検および試験におけるより高いレベルの完全性に対するニーズを満たすには不十分です。
高温水素腐食（HTHA）について説明する前に、表1を参照してください。この表には、HTHAを含む一般的な腐食異常である水素脆化（HE）に関する6つの文書を含む、規格、基準、規制が記載されています。OHは低温と高温の両方で発生する可能性があります。腐食の一形態とみなされ、さまざまな方法で開始され、幅広い材料に影響を与える可能性があります。
HEにはさまざまな形態があり、水素割れ（HAC）、水素応力割れ（HSC）、応力腐食割れ（SCC）、水素腐食割れ（HACC）、水素バブリング（HB）、水素割れ（HIC）、応力指向性水素割れ（SOHIC）、進行性割れ（SWC）、硫化物応力割れ（SSC）、軟質ゾーン割れ（SZC）、高温水素腐食（HTHA）に分類できます。
最も単純な形で言えば、水素脆化は金属の結晶粒界を破壊するメカニズムであり、原子状水素の浸透によって延性が低下します。この現象は様々な形で発生し、それぞれの名前で部分的に定義されています。例えば、HTHAでは、脆化には高温高圧の水素が同時に必要であり、SSCでは、原子状水素が密閉ガスとして生成され、酸腐食によって発生した水素が金属ケースに浸透し、脆化を引き起こす可能性があります。しかし、上記で説明したすべての水素脆化の場合において、全体的な結果は同じであり、金属の強度が許容応力範囲を下回る脆化によって低下し、液体の揮発性を考えると、潜在的に壊滅的な事象を引き起こす可能性があります。
壁厚や機械的接合部の性能に加え、水素ガス用途の材料選定においては、主に2つの要素を考慮する必要があります。1つ目は高温水素（HTHA）への曝露、2つ目は漏洩の可能性に対する深刻な懸念です。これらの2つのテーマは現在議論中です。
分子状水素とは異なり、原子状水素は膨張し、高温高圧にさらされるため、HTHA の可能性が生じます。このような条件下では、原子状水素は炭素鋼配管材料または機器に拡散し、金属溶液中の炭素と反応して粒界でメタンガスを形成します。逃げ場を失ったガスは膨張し、パイプまたは容器の壁に亀裂や隙間を生じさせます。これが HTGA です。図 2 では、8 インチの壁面に亀裂や隙間がはっきりと確認でき、HTHA の結果が明確に示されています。これは、これらの条件下で破損する公称サイズ (NPS) パイプの部分です。
炭素鋼は、運転温度が500°F以下に維持されている場合、水素サービスに使用できます。前述のように、HTHAは水素ガスが高分圧かつ高温に保たれている場合に発生します。水素分圧が約3000psi、温度が約450°Fを超える場合（図2の事故状況）には、炭素鋼の使用は推奨されません。
図3に示す修正ネルソンプロット（一部はAPI 941から引用）からわかるように、高温は水素圧に最も大きな影響を与えます。炭素鋼を500°Fまでの温度で使用する場合、水素ガス分圧は1000psiを超えることがあります。
図3。この修正ネルソンチャート（API 941を基に作成）は、様々な温度における水素サービスに適した材料を選択するために使用できます。
図3は、運転温度と水素分圧に応じて、水素攻撃を確実に回避できる鋼材の選択肢を示しています。オーステナイト系ステンレス鋼は高温水素化処理（HTHA）に対して耐性があり、あらゆる温度と圧力において良好な材料です。
オーステナイト系316/316Lステンレス鋼は、水素関連用途において最も実用的な材料であり、実績も豊富です。炭素鋼の場合、溶接中に残留水素を焼成し、溶接後の熱影響部（HAZ）の硬度を低減するために溶接後熱処理（PWHT）が推奨されますが、オーステナイト系ステンレス鋼には必須ではありません。
熱処理や溶接による熱影響は、オーステナイト系ステンレス鋼の機械的特性にほとんど影響を与えません。しかし、冷間加工によって、強度や硬度といったオーステナイト系ステンレス鋼の機械的特性を向上させることができます。オーステナイト系ステンレス鋼からパイプを曲げたり成形したりすると、材料の塑性が低下するなど、機械的特性が変化します。
オーステナイト系ステンレス鋼を冷間成形する場合、固溶化処理（約1045℃まで加熱後、急冷または急速冷却）を行うことで、材料の機械的特性を元の値に戻すことができます。また、冷間加工後に生じる合金偏析、鋭敏化、シグマ相も除去されます。固溶化処理を行う際は、急速冷却を適切に行わないと、材料に残留応力が再び発生する可能性があることに注意してください。
H2 サービスに適した材料の選択については、ASME B31 の表 GR-2.1.1-1 配管およびチューブアセンブリ材料仕様インデックスと GR-2.1.1-2 配管材料仕様インデックスを参照してください。パイプは良い出発点です。
水素は標準原子量が1.008原子質量単位（amu）であり、周期表上で最も軽く最小の元素であるため、漏洩しやすく、甚大な被害をもたらす可能性があります。したがって、ガスパイプラインシステムは、機械的な接続を最小限に抑え、真に必要な接続を改善するように設計する必要があります。
漏洩箇所を最小限に抑えるには、機器、配管要素、継手のフランジ接続部を除き、システム全体を溶接する必要があります。ねじ接続は、可能な限り、できれば完全に避けるべきです。何らかの理由でねじ接続を避けられない場合は、ねじシール剤を使用せずに完全にねじ込み、その後溶接部をシールすることをお勧めします。炭素鋼管を使用する場合は、管継手を突合せ溶接し、溶接後熱処理（PWHT）を行う必要があります。溶接後、熱影響部（HAZ）の管は、常温でも水素攻撃にさらされます。水素攻撃は主に高温で発生しますが、PWHT工程により、常温でもこの可能性を完全に低減、あるいは排除することができます。
全溶接システムの弱点はフランジ接続部です。フランジ接続部の高い気密性を確保するには、カムプロファイルガスケット（図4）または別の形状のガスケットを使用する必要があります。複数のメーカーがほぼ同じ方法で製造しているこのパッドは、非常に柔軟性があります。柔らかく変形可能なシール材の間に、歯付きの全金属製リングが挟まれた構造になっています。歯によってボルトの荷重が狭い領域に集中し、応力を抑えながらしっかりと密着します。フランジ表面の凹凸や運転条件の変動にも対応できるように設計されています。
図4．カムプロファイルガスケットは、金属芯の両面に軟質充填材を接着した構造になっている。
システムの健全性において、もう一つ重要な要素はバルブです。ステムシール部や本体フランジ部からの漏れは深刻な問題となります。これを防ぐためには、ベローズシール付きのバルブを選択することをお勧めします。
以下の例では、1インチのスクール80炭素鋼管を使用し、ASTM A106 Gr B に準拠した製造公差、腐食および機械的公差を考慮すると、最大許容使用圧力 (MAWP) は、300ºF までの温度で 2 段階で計算できます (注: 「…300ºF までの温度…」の理由は、ASTM A106 Gr B 材料の許容応力 (S) は、温度が 300ºF を超えると劣化し始めるため、式 (1) では 300ºF を超える温度に調整する必要があるためです。)
式（１）を参照して、最初のステップはパイプラインの理論破裂圧力を計算することです。
T = パイプの肉厚から機械的公差、腐食公差、製造公差を差し引いた値（インチ単位）。
プロセスの2番目の部分は、式(2)に従って結果Pに安全係数S fを適用することにより、パイプラインの最大許容使用圧力Paを計算することです。
したがって、1インチのスクール80材を使用する場合、破裂圧力は次のように計算されます。
ASME圧力容器勧告セクションVIII-1 2019、第8項に従って、安全係数Sf 4が適用されます。UG-101は次のように計算されます。
結果として得られるMAWP値は810psiです。インチはパイプのみを指します。システム内で最も定格の低いフランジ接続部またはコンポーネントが、システム内の許容圧力を決定する要因となります。
ASME B16.5によると、150炭素鋼フランジ継手の最大許容使用圧力は-20°F～100°Fで285 psiです。クラス300の最大許容使用圧力は740 psiです。これは、以下の材料仕様例に従ってシステムの圧力制限係数になります。また、静水圧試験の場合のみ、これらの値は1.5倍を超えることがあります。
基本的な炭素鋼材料仕様の例として、設計圧力740psi・インチ以下の周囲温度で動作するH2ガス供給ラインの仕様には、表2に示す材料要件が含まれる場合があります。仕様に含めるべき注意が必要なタイプは以下のとおりです。
配管自体以外にも、継手、バルブ、ライン機器など、配管システムを構成する要素は数多くあります。これらの要素の多くはパイプラインとしてまとめられますが、詳細に説明するには、この記事で扱えるページ数よりも多く必要になります。