燃料電池車(FCV)及加氫站使用的氫氣在壓力上最大達到80MPa以上。曝露于這一高壓氫氣環境下的金屬構件(管道、閥門及儲壓器等)需要考慮因微量氫氣侵入材料而導致強度及延展性下降(氫脆化)的問題，實施相關的強度設計。下面就來介紹一下與高壓氫氣環境中使用的金屬部件的強度設計思路及最新動向。更多信息請點擊，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

　　可在高壓氫氣環境中使用的材料

　　2000年前后日本國內開發的35MPa加氫站只允許使用“不受氫影響的材料”。當時在材料上有3項要求：(1)在氫氣中的慢應變速率拉伸測試(SSRT 測試)中，拉伸強度、屈服應力、延伸性及延展性與在大氣中為同等以上水平;(2)氫氣中的疲勞壽命特性與大氣中為同等程度;(3)氫中的疲勞裂紋擴展速度與大氣中為同等程度。在這些要求下，可使用的材料有奧氏體不銹鋼“SUS316L”及鋁合金“A6061-T6”。而鉻鉬鋼“SCM435”雖然也在允許之列，但必須要用超聲波探傷儀確認不存在有害缺陷，滿足這一條件后方可使用。

　　2010年前后日本開始討論70MPa加氫站并在國內各地推進相關建設，其材料使用范圍擴大到了“受氫影響少的材料”。這一時期允許使用符合一定要求的奧氏體不銹鋼，具體來說就是在SSRT測試中受氫氣影響最大的“延展性”要滿足評判標準，并且氫氣中的疲勞測試結果(疲勞壽命特性)要與大氣中為同等程度。

　　今后，要想兼顧相關部件的安全性和經濟性，使用“受氫影響但價格便宜的材料”尤為重要。2013年6月日本內閣會議通過了相關規定改革實施計劃，為了在日本國內廣泛使用鉻鉬鋼等受氫影響的鋼材，加入了擴大可用鋼材范圍的內容。筆者等根據在高壓氫氣環境下獲得的、與“SCM435”相關的一系列實驗結果，提出了使用鉻鉬鋼時的材料選擇標準，以及使用“公式型設計”及“分析型設計”時的指南。

　　在高壓氫氣環境中使用的部件的強度設計

　　高壓氣體部件的強度設計一般有基于疲勞限度設計(無限壽命設計)的“公式型設計”，以及基于有限壽命設計的“分析型設計”。這里以受氫影響的“SCM435”為例，對高壓氫氣環境中使用的構件的強度設計做一概述。

　　“公式型設計”以安全系數Fs為基礎使用無限壽命設計。已有設計標準規定的Fs值為3.5～4.0。在無限壽命設計中，在氫氣環境中不下降的疲勞限度尤為重要。筆者等在“115MPa”氫氣中對“SCM435”實施了慢應變速率測試，所獲得的應力-位移曲線及疲勞壽命數據顯示，即使是受氫影響較大的 “SCM435”，在高壓氫氣中，作為安全系數標準的拉伸強度也未下降，并且作為無限壽命設計依據的疲勞限度也未下降。因此，這種材料有望使用基于安全系數(Fs=3.5～4.0)的疲勞限度設計。

　　而“分析型設計”使用的安全系數為Fs=2.4～3.0。從美國工程師學會(ASME)在Section VIII Div.3標準中注明的設計流程圖來看，在設想有限壽命時，除了實施公式型設計所需要的材料選擇及壁厚計算之外，還必須要實施破前漏(Leak Before Break、LBB)判定及疲勞裂紋擴展等破壞力學分析。破前漏是指疲勞裂紋貫穿壁厚使內壓釋放時裂紋停留、不產生非穩定性破壞的破壞模式。要想防止伴隨疲勞破壞的重大事故，實現相關分析尤其重要。

　　筆者等在“115MPa”氫氣環境下獲得的“SCM435”的疲勞裂縫擴展特性顯示，在高壓氫氣環境中，疲勞裂縫擴展速度大幅加快。但有時疲勞裂縫擴展速度的加速在各氫氣壓力下也存在上限值。這在使用有氫影響的材料實施“分析型設計”時，成為在安全上合理決定疲勞裂縫擴展壽命的關鍵。

　　綜上所述，即使是有氫影響的“SCM435”，只要限定強度水平，便有望使用氫氣中的疲勞裂縫擴展特性和大氣中的破壞韌性值，實施基于安全系數(Fs=2.4～3.0)的“分析型設計”。而有些低合金鋼及高強度鋼在氫影響下，疲勞裂縫擴展有時會出現顯著加快，不存在加速上限值。這些材料由于沒有設計依據，因此不能實施“分析型設計”，不過，只要將來開發出在疲勞裂縫擴展上擁有加速上限值的材料，就有望在儲壓器上使用更高強度的材料。

　　海外及國際統一的動向

　　與高壓氫氣設備相關的海外標準有ASME BPVC Section VIII、Div.3、Article KD-10以及最近由加拿大標準協會(Canadian Standards Association，CSA)發布的ANSI/CSA CHMC 1-2014。Article KD-10根據大氣中的平面應變斷裂韌性測試數據，以及氫氣中的對氫致疲勞破裂的極限應力擴大系數，從中選擇較小的一個來要求極限裂紋深度。并且還根據氫氣中的疲勞裂紋擴展特性來預測構件的疲勞壽命，其極限應力擴大系數通過定負荷或定位移測試來決定。

　　CHMC 1-2014提出了安全系數倍數法，將用于大氣環境的安全系數Fs乘以“安全系數倍數SFM(Safety Factor Multiplier)”得出的數值作為氫氣中的安全系數來使用。SFM值通過在氫氣中和大氣中對切口試樣實施SSRT測試和疲勞壽命測試來求得。也就是說，對大氣中和氫氣中的拉伸強度比(SF0)，以及103、104、105次循環中的大氣中和氫氣中的時間強度比做比較，從中選擇最大的一個定義為 SFM。

　　在汽車用壓縮氫容器方面，日本2014年度在國內法規中啟用全球統一的GTR(Global Technical Regulation，全球性技術法規)Phase I標準。不過，GTR-Phase I在材料的氫適合性測試方法上尚未實現全球統一。今后，相關方法有必要在GTR-Phase II中實施統一，目前國際上正以CHMC 1-2014及SAE-J2579為基礎展開討論。

　　在高壓氫設備方面，要想兼顧安全性和經濟性，就必須進一步擴大可使用的材料，研究相關設計方法并在國際上達成統一。為了使日本成為該領域的領頭羊，在全球的氫社會構建中搶得先機，日本各相關人士將協起手來，舉日本全國之力繼續展開相關活動。