1前言
日本于2021年10月發(fā)布的《第六次能源基本計劃》將氫氣定位為新資源，加快在社會應(yīng)用，并提出擴大在需求方（發(fā)電、運輸、工業(yè)、民生部門）的氫氣利用。2023年6月修訂的《氫基本戰(zhàn)略》將氫作為實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵能源，強調(diào)了在氫供應(yīng)和利用方面構(gòu)建氫供應(yīng)鏈的必要性。推進對應(yīng)這一要求的研發(fā)是必不可少的。
一般財團法人碳中和燃料技術(shù)中心（2024年4月由一般財團法人石油能源技術(shù)中心更名），從2003年度開始，通過國立研究開發(fā)法人新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的委托業(yè)務(wù)，與共同研究者一起實施了關(guān)于氫供應(yīng)鏈中，主要用于向FCV（燃料電池汽車）充氫的加氫站可使用鋼材的相關(guān)研究開發(fā)，并將取得的成果與一般高壓氣體安全規(guī)則相關(guān)例示標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)）的修訂相關(guān)聯(lián)。
本文概述了用于加氫站的鋼材中奧氏體不銹鋼SUS316和SUS316L的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
2奧氏體不銹鋼SUS316和SUS316L技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
2.12019年之前的SUS316和SUS316L的一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)制定、修改內(nèi)容的變化
圖1示出了SUS316和SUS316L的一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)化的演變。在35MPa加氫站的時代，SUS316L的使用得到認(rèn)可（圖1的①）。
之后，2012年美國加氫站設(shè)置在蓄壓器上的釋放閥破損，氫氣全部泄漏，發(fā)生了火災(zāi)事故。日本作為對策，對氫脆化安全性確認(rèn)的材料補充了一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)。此外，在加氫站向FCV填充的最高壓力從35MPa上升到70MPa時，為了將高壓氫氣冷卻至最大-40℃，引入了預(yù)冷卻器。如圖2中溫度對SUS316系的相對斷面收縮率的影響所報告的那樣，在低溫區(qū)域中氫的影響顯著。在材料的力學(xué)性能即抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率中，斷面收縮率最容易受氫的影響。因此，將斷面收縮率作為材料選擇標(biāo)準(zhǔn)，采用SSRT（低應(yīng)變速率拉伸試驗）的相對斷面收縮率，以及表示奧氏體穩(wěn)定度的Ni當(dāng)量的思路，Ni當(dāng)量為28.5%以上且斷面收縮率的實測值在75%以上時，表示在-40~85℃的范圍內(nèi)可以使用。根據(jù)這些研究的結(jié)果，如圖1中②所示，附加了按照使用溫度區(qū)分的Ni當(dāng)量限制，并于2012年12月修改了一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)。
在2013年度-2017年度實施的NEDO“氫氣利用技術(shù)研發(fā)業(yè)務(wù)/燃料電池汽車及氫供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的國內(nèi)法規(guī)合理化，國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)、國際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)研發(fā)/擴大加氫站用金屬材料鋼種的相關(guān)研發(fā)”中，新獲取了為擴大SUS316、SUS316L的可用范圍而缺少的低溫區(qū)和高溫區(qū)的數(shù)據(jù)。此外，還調(diào)查了工業(yè)用氫氣出貨設(shè)備、制造設(shè)備的配管、閥門等的使用材料及壓力、溫度范圍等使用條件。氫氣壓力在25MPa以下且常溫使用條件下，使用碳鋼、SUS304、SUS316和SUS316L等一般流通的通用鋼。過去30多年，沒有因材料的氫脆化引起的事故實例，沒有問題的使用實例有很多。在重油直接脫硫裝置等石油精煉設(shè)備中，即使氫的上限壓力達到20MPa左右，通用鋼也可以長期沒有問題的使用。根據(jù)上述長期安全使用的實際業(yè)績，在一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)的修改中，SUS316、SUS316L（Ni當(dāng)量材）使用范圍可以擴大到-45~250℃的溫度區(qū)域，并且常用壓力超過了20MPa的范圍（圖1的③）。
此外，在該NEDO業(yè)務(wù)中，與其他NEDO業(yè)務(wù)合作，通過提出SUH660和XM-19，作為可使用鋼種的擴大，實現(xiàn)了一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)化（表1和表2）。
2.2現(xiàn)行SUS316、SUS316L的一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)
在2018年度-2022年度實施的NEDO“氫氣利用技術(shù)研發(fā)業(yè)務(wù)/燃料電池汽車及氫供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的國內(nèi)法規(guī)合理化、國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)、國際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)研發(fā)/擴大加氫站用金屬材料鋼種的相關(guān)研發(fā)”中，進一步研究了SUS316、SUS316L使用范圍的擴大。在高壓氫氣環(huán)境下，必須使用確保強度、延展性和疲勞特性的材料。對于上述斷面收縮率標(biāo)準(zhǔn)，使用伸長率作為有關(guān)延展性的新指標(biāo)，以在材料中要求超過JIS標(biāo)準(zhǔn)值的一定伸長率的條件，在低溫（-45℃）、高壓（82MPa）下的SUS316、SUS316L的Ni當(dāng)量即使從28.5%下降到26.9%，也確認(rèn)了可以安全使用材料。另外，在-45℃氫氣中對SUS316L鋼進行疲勞試驗，確認(rèn)了疲勞限度與大氣中相比沒有降低。通過提出圖3所示的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2020年11月對一般規(guī)則示例標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂。
3今后發(fā)展
在2023年度開始實施的NEDO“構(gòu)建競爭性氫氣供應(yīng)鏈的技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)/整備共同基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)開發(fā)/構(gòu)建氫社會的鋼材研究開發(fā)”中，與共同研究人員一起，重新審視26.9%的Ni當(dāng)量限制，以可以在35MPa加氫站使用沒有Ni當(dāng)量限制的SUS316L為目的進行研究開發(fā)。
圖4示出了有關(guān)SUS316L的成分分析調(diào)查結(jié)果。圖中同時表示了上述一般規(guī)則例示標(biāo)準(zhǔn)的制定、修訂變化。如果Ni當(dāng)量可以降低到26.3%，則可以使用市面上大致的SUS316L。目前，正在對Ni當(dāng)量26%附近的鋼材數(shù)據(jù)進行采集和分析，探討降低Ni當(dāng)量至26.3%的氫相容性判斷標(biāo)準(zhǔn)，同時為進一步擴大鋼種進行新的數(shù)據(jù)分析。
