この概要では、水素配管システムの安全な設計に関する推奨事項を示します。
水素は揮発性が高く、漏れやすい液体です。非常に危険で致命的な性質を併せ持ち、制御が難しい揮発性の液体です。これらは、材料、ガスケット、シール、そしてシステムの設計特性を選択する際に考慮すべき傾向です。本稿の焦点は、ガス状水素の分配に関するものであり、水素、液体水素、あるいは液体水素（右サイドバー参照）の生成ではありません。
水素と水素空気の混合気を理解するのに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つの方法で燃えます。
デフラグレーション。デフラグレーションは、炎が亜音速で混合気中を移動する一般的な燃焼モードです。例えば、水素と空気の混合気の自由雲が小さな点火源によって点火された場合に発生します。この場合、炎は秒速10フィートから数百フィートの速度で移動します。高温ガスの急速な膨張により、雲の大きさに比例した圧力波が発生します。場合によっては、衝撃波の力によって進路上にある建物の構造物やその他の物体が損傷し、負傷者が出るほどになることがあります。
爆発します。爆発すると、炎と衝撃波が超音速で混合気中を伝わります。デトネーション波の圧力比は、デトネーションよりもはるかに大きくなります。その力の増加により、爆発は人、建物、そして周囲の物体にとってより危険です。通常の爆燃は、限られた空間で点火すると爆発を引き起こします。このような狭い空間では、最小限のエネルギーで点火が可能です。しかし、無制限の空間で水素と空気の混合気をデトネーションするには、より強力な点火源が必要です。
水素と空気の混合気におけるデトネーション波の圧力比は約20です。大気圧では、圧力比20は300psiに相当します。この圧力波が静止物体に衝突すると、圧力比は40～60に増加します。これは、静止物体からの圧力波の反射によるものです。
漏れやすい。H2ガスは粘度と分子量が低いため、漏れやすく、様々な材料に浸透したり浸透したりする傾向があります。
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、水素ガスはすぐに上昇して拡散し、漏れの兆候さえも見えにくくなります。しかし、これは諸刃の剣でもあります。屋外設置の場合、水素漏れ箇所の上方または風下で溶接を行う際、事前に漏れ検査を実施しないと爆発が発生する可能性があります。密閉空間では、水素ガスは天井から下方に上昇して滞留する可能性があり、この状態では水素ガスが大量に蓄積され、地面近くの発火源と接触する可能性が高くなります。
偶発的な火災。自己発火とは、ガスまたは蒸気の混合物が外部からの発火源なしに自然発火する現象です。「自然発火」または「自発燃焼」とも呼ばれます。自己発火は圧力ではなく温度に依存します。
自然発火温度とは、燃料が空気または酸化剤と接触した際に、外部からの発火源がない場合、点火前に自然発火する最低温度です。単一粉末の自然発火温度とは、酸化剤がない場合に自然発火する温度です。空気中の水素ガスの自然発火温度は585℃です。
点火エネルギーとは、可燃性混合物中における炎の伝播を開始するために必要なエネルギーです。最小点火エネルギーとは、特定の温度および圧力において特定の可燃性混合物を点火するために必要な最小エネルギーです。1気圧の空気中における水素ガスの最小火花点火エネルギーは、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、または粉塵の爆発が発生する最大および最小濃度のことです。爆発限界は、環境の大きさと形状、そして燃料の濃度によって決まります。「爆発限界」は「爆発限界」と同義語として使用さ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 vol.% (下限) および 59 vol.% (上限) です。
配管システム（図1）を設計する際の最初のステップは、各流体の種類に必要な建材を決定することです。そして、各流体はASME B31.3のパラグラフ300(b)(1)に従って分類されます。「所有者は、クラスD、M、高圧、および高純度配管を決定し、特定の品質システムを使用する必要があるかどうかを決定する責任も負う。」と規定されています。
流体の分類は、必要な試験の程度と種類、そして流体の分類に基づくその他多くの要件を定義します。オーナーの責任は通常、オーナーのエンジニアリング部門または外部委託エンジニアにあります。
B31.3プロセス配管規格では、特定の流体にどの材料を使用するべきかは明示されていませんが、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、規格の序文には、以下の2つの記述が明確に記載されています。
上記の最初の段落、B31.3項を詳しく説明します。300(b)(1)には、「パイプライン施設の所有者は、本規則を遵守し、パイプラインが関与するすべての流体の取り扱いまたはプロセスに適用される設計、建設、検査、試験の要件を確立する全責任を負う。設置」と規定されています。では、責任に関する基本ルールと流体サービスのカテゴリーを定義する要件を定めた後、水素ガスがどのように当てはまるかを見てみましょう。
水素ガスは揮発性液体として作用し、漏れが生じる可能性があるため、液体サービスにおいては、B31.3分類において通常の液体またはクラスM液体とみなされます。前述の通り、流体取扱の分類は船主の要件であり、B31.3第3項に記載されている選定されたカテゴリーのガイドラインを満たす必要があります。300.2「油圧サービス」セクションにおける定義。通常の流体サービスおよびクラスM流体サービスの定義は以下のとおりです。
「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可能な流体サービス。つまり、クラス D、M、高温、高圧、または高流体清浄度の規制の対象ではありません。」
（１）この液体の毒性は非常に強く、たとえ直ちに回復措置を講じたとしても、漏れた液体のごく微量に一度さらされると、それを吸入したり接触した人に重篤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、運転条件および場所を考慮した後、所有者は、流体の通常使用に対する要件では、人員を暴露から保護するために必要な気密性を提供するのに不十分であると判断した。」
上記のMの定義において、水素ガスは毒性液体とはみなされないため、(1)項の基準を満たしません。しかしながら、(2)項を適用することにより、本規則は「…配管設計、経験、運転条件および設置場所…」を適切に考慮した上で、油圧システムをMクラスに分類することを許可しています。所有者は、通常の流体の取り扱いについて判断することを認めています。これらの要件は、水素ガス配管システムの設計、建設、検査、試験におけるより高いレベルの完全性を求める要件を満たすには不十分です。
高温水素腐食（HTHA）について議論する前に、表1をご参照ください。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は低温でも高温でも発生する可能性があります。OHは腐食の一種と考えられており、様々な原因で発生し、幅広い材料に影響を与えます。
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）、水素気泡割れ（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）、軟質部割れ（SZC）、および高温水素腐食（HTHA）に分類されます。
水素脆化は、最も単純な形では、金属の粒界が破壊され、原子状水素の浸透によって延性が低下するメカニズムです。この現象の発生過程は多様で、それぞれの名前で部分的に定義されています。例えば、HTHA（脆化には高温高圧の水素が同時に必要）やSSC（原子状水素が密閉ガスとして生成され、酸腐食によって水素が金属ケースに浸透し、脆化につながる可能性があります）などがあります。しかし、全体的な結果は、上記のすべての水素脆化の場合と同じで、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、液体の揮発性を考慮すると、潜在的に壊滅的な事象を引き起こす可能性があります。
水素ガス供給用の材料選定においては、壁厚と機械的接合部の性能に加え、主に2つの要素を考慮する必要があります。1. 高温水素（HTHA）への曝露、2. 潜在的な漏洩に関する深刻な懸念です。どちらの問題も現在議論されています。
分子状水素とは異なり、原子状水素は膨張するため、高温高圧にさらされ、潜在的なHTHA（高温高熱事故）の原因となります。このような条件下では、原子状水素は炭素鋼製の配管材料や機器に浸透し、金属溶液中の炭素と反応して粒界でメタンガスを生成します。ガスは逃げることができないため膨張し、配管や容器の壁に亀裂や割れ目が生じます。これがHTGAです。図2では、HTHAの結果が明確に示されています。8インチの壁に亀裂や割れ目がはっきりと確認できます。これは、これらの条件下で破損する公称サイズ（NPS）の配管部分です。
炭素鋼は、運転温度が500°F（約235℃）未満に維持される場合、水素ガス供給に使用できます。前述のように、HTHA（水素爆発危険度）は、水素ガスが高分圧かつ高温に保持されたときに発生します。水素分圧が約3000psi（約3,000MPa）で温度が約450°F（約225℃）を超えると予想される場合（図2の事故発生状況）には、炭素鋼の使用は推奨されません。
図3の修正ネルソンプロット（API 941から一部引用）からわかるように、高温は水素強制力に最も大きな影響を与えます。最高500°F（約230℃）の温度で運転される炭素鋼では、水素ガス分圧が1000psiを超える場合があります。
図 3. この修正ネルソン チャート (API 941 から改変) を使用すると、さまざまな温度での水素サービスに適した材料を選択できます。
図3は、運転温度と水素分圧に応じて、水素腐食を確実に回避できる鋼材の選択を示しています。オーステナイト系ステンレス鋼は水素腐食（HTHA）の影響を受けにくく、あらゆる温度・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、水素用途に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）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では必要ありません。
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、冷間加工はオーステナイト系ステンレス鋼の強度や硬度など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加工や成形加工すると、材料の塑性低下など、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必要がある場合、溶体化処理（約1045℃に加熱した後、焼入れまたは急冷する処理）を行うことで、材料の機械的特性を元の状態に戻すことができます。また、冷間加工後に生じる合金の偏析、鋭敏化、およびシグマ相の析出も除去されます。溶体化処理を実施する際は、適切な処理を行わないと急冷によって残留応力が材料に再発生する可能性があることにご注意ください。
H2 サービスに許容される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。パイプから始めるのがよいでしょう。
標準原子量1.008原子質量単位（AMU）を持つ水素は、周期表上で最も軽く最も小さな元素です。そのため、漏れやすく、壊滅的な結果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、本当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。
潜在的な漏洩箇所を制限するには、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、完全には避けても、可能な限り避けてください。何らかの理由でねじ接続を避けられない場合は、ねじシーラント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、管継手は突合せ溶接し、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）の管は常温であっても水素腐食の影響を受けます。水素腐食は主に高温で発生しますが、PWHT工程により、常温であってもこの可能性を完全に低減し、場合によっては完全に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）などの形状のガスケットを使用する必要があります。このパッドは、複数のメーカーがほぼ同じ方法で製造しており、非常に柔軟性に優れています。歯付きの全金属製リングを、柔らかく変形可能なシーリング材で挟んだ構造です。歯によってボルトの荷重が小さな領域に集中するため、応力が少なく、しっかりとした接合が実現します。フランジ面の凹凸や動作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. Kammprofile ガスケットには、両側に柔らかいフィラーで接着された金属コアがあります。
システムの完全性にとってもう一つの重要な要素はバルブです。ステムシールとボディフランジ周辺の漏れは深刻な問題となります。これを防ぐには、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。
1インチのSchool 80炭素鋼管を使用します。以下の例では、ASTM A106 Gr Bに準拠した製造公差、腐食公差、および機械的公差を考慮すると、300°F（約160℃）までの温度範囲で最大許容使用圧力（MAWP）を2段階で計算できます（注：「…300ºF（約160℃）までの温度範囲で…」とあるのは、ASTM A106 Gr B材料の許容応力（S）は、300ºF（約160℃）を超えると劣化し始めるためです。そのため、式（1）は300ºF（約160℃）を超える温度範囲に調整する必要があります）。
式（１）を参照すると、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ある。
T = パイプの壁の厚さから機械的、腐食的、および製造上の許容範囲を引いた値（インチ単位）。
プロセスの2番目の部分では、式（2）に従って結果Pに安全係数Sfを適用して、パイプラインの最大許容動作圧力Paを計算します。
したがって、1インチスクール80の材料を使用する場合、破裂圧力は次のように計算されます。
次に、ASME圧力容器推奨事項セクションVIII-1 2019、パラグラフ8に従って、安全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。システム内で最も低い定格の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決定要因となります。
ASME B16.5によれば、150炭素鋼フランジ継手の最大許容作動圧力は、-20°F～100°Fで285 psiです。クラス300の最大許容作動圧力は740 psiです。これは、下記の材料仕様例に基づくシステムの圧力制限係数となります。また、水圧試験においてのみ、これらの値は1.5倍を超える場合があります。
基本的な炭素鋼材料仕様の例として、設計圧力 740 psi インチ未満の周囲温度で動作する H2 ガス サービス ライン仕様には、表 2 に示す材料要件が含まれる場合があります。仕様に含める際に注意が必要となる可能性のあるタイプは次のとおりです。
配管システムを構成する要素は、配管本体以外にも、継手、バルブ、ライン機器など、数多くあります。これらの要素をパイプラインにまとめて詳細に解説すると、本記事ではページ数が多くなりすぎてしまいます。