高圧水素加圧制御弁の選定上のポイント

水素は還元性、爆発性、可燃性など多くの特性を持っており、高温下では水素分子が原子状に分解され、鋼材の中に容易に侵入して拡散することができる。これらの条件の下では、鋼中での水素の拡散は非常に速く、水素は鋼中の炭素と反応して表面脱炭や内部脱炭、さらには微小な亀裂を引き起こす。 水素が金属材料に与える影響 （1）水素ボルバージング 定義：水素原子が金属内部に拡散し（ほとんどは容器壁を通って）、反対側で水素分子となって放出されること。水素原子が鋼材の内部の空孔に拡散し、そこで水素分子を形成すると、水素分子は拡散できないため蓄積されて巨大な内圧が生じ、鋼材の表面が膨らんだりさらには破壊されたりする現象を水素膨れと呼びます。低強度鋼、特に多量の非金属介在物を含む鋼は、水素バブリングが最も発生しやすい。 水素ボルバングを引き起こす腐食環境：媒体には通常、硫化水素やヒ素化合物、シアン化物、リンイオンなどの毒素が含まれており、これらが水素放出反応を妨げる。　 予防措置：作業環境中の有毒物質を除去する；除去できない場合は、空孔の少ない鎮静鋼を選択する；水素透過性が低いオーステナイト系ステンレス鋼を使用することもできる；またはニッケルライニング、プラスチック保護層、グラスファイバー製ライニングなどを使用する；時々、腐食抑制剤を加える。 （2）水素脆性 定義：水素脆性とは、鋼中に溶解している水素が水素分子として凝集し、応力集中を引き起こすことで、鋼の強度限界を超え、金属の結晶格子が大きく変形し、鋼の内部に微細な亀裂が生じる現象で、ホワイトスポットとも呼ばれる。水素脆化は予防しかできず、治療はできない。水素脆化が一度発生すると、取り除くことはできない。 回避および排除の措置 1.水素脆性に対して感受性の低い材料を選択する。例えば、NiやMoを含む合金鋼を使用する。 2. 金属中の吸収水素量を減らす。酸洗いを行う場合は、酸洗い液に腐食抑制剤を加える必要があります；脱脂時には、化学的脱脂、洗浄剤、または溶剤を用いて脱脂する；電気めっき時、アルカリ性めっき液や高電流のめっき液では水素の浸透量は少ない。 3. 低水素拡散性および低水素溶解度を持つめっき皮膜の採用 一般的に、Zn、Cd、Sn、Pbの電気めっきを行う際には、鋼材中に浸透した水素が残りやすいとされている。一方、Cu、Mo、Al、Ag、Au、Wなどの金属めっき皮膜は低水素拡散性および低水素溶解度を有しているため、水素の浸透が少ない。 4.メッキ前の応力除去とメッキ後の脱水素による水素脆性のリスク排除など （3）水素腐食 定義：高温高圧環境下で、水素が金属内部に侵入し、ある成分や元素と化学反応を起こして金属が破壊される現象を水素腐食という。 予防策：耐水素鋼を使用する。16MnR（HIC）、15CrMoR（1Cr-0.5Moに相当）、14Cr1MoR（1.25Cr-0.5Moに相当）、2Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-0.25V、3Cr-1Mo-0.25Vなどを使用できる。耐水素鋼中のCrとMoは安定した炭化物を形成するため、水素と炭素が結合する機会が減少し、メタンガスの生成が防がれる。 実際、水素腐食は理論上は上記の3種類に分けられるが、実際には3つの腐食がほぼ同時に存在する。したがって、水素腐食環境（水素雰囲気）にさらされる機器は、一般的にナルソン曲線に基づいて材料を選定し、特に注意を払う必要がある。 一般的な耐水素材料には、オーステナイト系ステンレス鋼、沈殿強化オーステナイト合金、低合金鋼、アルミニウム合金、銅合金などがある。 **水素設計規範GB50177-2005における水素配管内のバルブに関する規定によると、バルブはボールバルブやストップバルブを使用することが望ましい。 :時間：設計圧力（MPa）　材料 ＜0.1　バルブ本体はダクタイル鋳鉄または鋳鋼を使用。シール面は合金鋼、またはバルブ本体と同じものを使用。0.1～2.5　バルブシャフトは炭素鋼を使用。バルブ本体は鋳鋼を使用。シール面は合金鋼、またはバルブ本体と同じものを使用。＞2.5　バルブ本体、バルブシャフト、シール面はすべてステンレス鋼を使用。高温高圧の条件下では、配管やバルブの材質として最も多く使用されるのはオーステナイト系ステンレス鋼などの低炭素ステンレス鋼や低合金鋼（Mo鋼、Cr-Mo鋼）である。 それに加えて、経済的な観点や応力の面から考えると、低炭素ステンレス鋼は価格が高く、かつ応力腐食割れを引き起こしやすいため、材料としては低合金鋼が主に選ばれます（例：石油精製所、石油化学工場、合成アンモニア工場など）。

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