JP2007192803A - 腐食評価装置及び腐食評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】評価対象となる磁性材料が非磁性材料で覆われている場合であっても、正確に腐食の定量的評価を行う。
【解決手段】非磁性材料に覆われた磁性材料または未被覆の磁性材料の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行う腐食評価装置であって、磁路に前記磁性材料を含むような磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁性材料から漏洩する磁束を検出するＧＭＲ（Giant Magnet-Resistive effect）素子を有し、前記磁束の変化を電気信号に変換するＧＭＲセンサと、前記電気信号に基づいて磁性材料の減肉量を算出する減肉量算出手段とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、腐食評価装置及び腐食評価方法に関する。

従来、石油やガスのパイプライン、原油タンクの底板等に使用される鋼材（磁性材料）における腐食の進行状況を定量的に評価する方法の１つとして、上記鋼材に磁界を加え、漏洩磁束の変化を検出することによって鋼材の減肉量を測定する磁束漏洩法(MFL:Magnetic Flux Leakage）が用いられている。このような磁束漏洩法において、漏洩磁束を検出するセンサとしては、一般的にホール素子が利用されている。

例えば、特開２００５−３４０５号公報には、非磁性材料であるコンクリートで覆われた鉄筋の破断部を検知する技術が開示されている。この技術は、磁気センサによって鉄筋が有する残留磁気を検出し、非常に大きな漏洩磁束が生じている箇所を破断部として検知するものである。
特開２００５−３４０５号公報

ところで、上記のようにホール素子を磁気センサとして使用した磁束漏洩法では、ホール素子の磁気感度が弱いため、評価対象となる鋼材がコンクリート等の非磁性材料で覆われている場合に、漏洩磁束を精度良く検出することができず、腐食の定量的な評価を行うことが困難であった。すなわち、コンクリート等の非磁性材料で覆われた鋼材の破断部を検知することはできるが、腐食の定量的な評価を行うことはできない。

さらに、非磁性材料で覆われた鋼材の腐食を検知する方法としては、自然電位法や分極抵抗法等の電気化学的測定方法が挙げられるが、これらの方法は腐食の有無を判定することはできるが、定量的な評価を行うことはできない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、評価対象となる磁性材料が非磁性材料で覆われている場合であっても正確に腐食の定量的評価を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、腐食評価装置に係る第１の解決手段として、非磁性材料に覆われた磁性材料または未被覆の磁性材料の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行う腐食評価装置であって、磁路に前記磁性材料を含むような磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁性材料から漏洩する磁束を検出するＧＭＲ（Giant Magnet-Resistive effect）素子を有し、前記磁束の変化を電気信号に変換するＧＭＲセンサと、前記電気信号に基づいて磁性材料の減肉量を算出する減肉量算出手段とを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、腐食評価装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ＧＭＲセンサは、ＧＭＲ素子を用いたブリッジ回路からなることを特徴とする。

また、本発明では、腐食評価装置に係る第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記磁性材料に沿って２次元的に移動しつつ、所定の測定位置毎に減肉量を測定することを特徴とする。

また、本発明では、腐食評価装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記磁性材料の表面とＧＭＲセンサとの間の距離を一定に保持しつつ移動することを特徴とする。

また、本発明では、腐食評価装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜４のいずれかの解決手段において、前記磁性材料は鉄筋または鋼板であることを特徴とする。

また、本発明では、腐食評価装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜５のいずれかの解決手段において、前記非磁性材料はコンクリートであることを特徴とする。

また、本発明では、腐食評価方法に係る第１の解決手段として、非磁性材料に覆われた磁性材料または未被覆の磁性材料の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行う腐食評価方法であって、磁路に前記磁性材料を含むような磁界を発生し、ＧＭＲセンサによって前記磁性材料から漏洩する磁束を検出し、前記ＧＭＲセンサから出力される電気信号に基づいて磁性材料の減肉量を算出する、という手段を採用する。

本発明によれば、ホール素子を用いた磁気センサよりも高磁気感度を有するＧＭＲセンサを用いることにより、評価対象となる磁性材料が非磁性材料で覆われている場合であっても、高精度に漏洩磁束を検出することができる。その結果、鉄筋や鋼板等の磁性材料の減肉量を精度良く算出できるため、正確に腐食の定量的評価を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る腐食評価装置の構成ブロック図である。なお、本腐食評価装置Ｄは、コンクリートＣ（非磁性材料）で覆われた鉄筋Ｓ（磁性材料）の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行うものである。

図１に示すように、本腐食評価装置Ｄは、Ｎ極側磁石１、Ｓ極側磁石２、ＧＭＲ
（Giant Magnet-Resistive effect）センサ３、直流電源４、電圧測定部５、減肉量算出部６、表示部７及びデータレコーダ８から構成されている。

Ｎ極側磁石１及びＳ極側磁石２（磁界発生手段）は、例えば永久磁石であり、両磁石の間において鉄筋Ｓを含む磁路を形成する磁界Ｍが発生するように、離間してコンクリートＣ上に各々配置されている。

ＧＭＲセンサ３は、巨大磁気抵抗効果により高磁気感度（つまり磁気の変化に対して大
きな抵抗変化を示す）を有するＧＭＲ素子を用いたブリッジ回路から構成されるものである。図２に、このようなＧＭＲセンサ３の等価回路を示す。この図に示すように、ＧＭＲセンサ３は、第１のＧＭＲ素子３a、第２のＧＭＲ素子３b、第３のＧＭＲ素子３c、第４のＧＭＲ素子３d、正極電源端子３e、負極電源端子３f、第１の出力端子３g及び第２の出力端子３hから構成されている。なお、ＧＭＲ素子は抵抗素子として表記することができる。

第１のＧＭＲ素子３aの一端は第２のＧＭＲ素子３bの一端及び正極電源端子３eに接続され、他端は第３のＧＭＲ素子３cの一端及び第１の出力端子３gに接続されている。第２のＧＭＲ素子３bの一端は第１のＧＭＲ素子３aの一端及び正極電源端子３eに接続され、他端は第４のＧＭＲ素子３dの一端及び第２の出力端子３hに接続されている。第３のＧＭＲ素子３cの一端は第１のＧＭＲ素子３aの他端及び第１の出力端子３gに接続され、他端は第４のＧＭＲ素子３dの他端及び負極電源端子３fに接続されている。第４のＧＭＲ素子３dの一端は第２のＧＭＲ素子３bの他端及び第２の出力端子３hに接続され、他端は第３のＧＭＲ素子３cの他端及び負極電源端子３fに接続されている。

第１のＧＭＲ素子３a、第２のＧＭＲ素子３b、第３のＧＭＲ素子３c及び第４のＧＭＲ素子３dは、同一の特性を有しており、この内、第２のＧＭＲ素子３b及び第３のＧＭＲ素子３cには磁気シールド処理が施されている。なお、正極電源端子３eは直流電源４の正極に接続され、負極電源端子３fは直流電源４の負極に接続されている。また、第１の出力端子３g及び第２の出力端子３hは電圧測定部５に接続されている。

図１に戻って説明すると、このように構成されたＧＭＲセンサ３は、離間して設置されているＮ極側磁石１及びＳ極側磁石２の略中央部に配置され、その磁気感度軸が鉄筋Ｓに対して垂直になるように配置される。

直流電源４は、上記のようにＧＭＲセンサ３の正極電源端子３e及び負極電源端子３fに接続されており、直流電圧をこれら電源端子を介してブリッジ回路に供給する。電圧測定部５は、上記のようにＧＭＲセンサ３の第１の出力端子３g及び第２の出力端子３hに接続されており、これら出力端子間の電圧を測定し、その電圧値を示すデジタルデータ（電圧データ）を減肉量算出部６に出力する。減肉量算出部６は、上記電圧データに基づいて鉄筋Ｓの減肉量を算出し、当該減肉量を示す減肉量データを表示部７及びデータレコーダ８に出力する。表示部７は、例えば液晶モニタであり、上記減肉量データに基づいて減肉量の測定結果を表示する。データレコーダ８は、上記減肉量データを測定位置毎に記憶する。

次に、このように構成された本腐食評価装置Ｄの動作について説明する。
図３（a）は、鉄筋Ｓに減肉が発生していない、つまり腐食が発生していない場合の磁界ＭとＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧を示したものである。この図に示すように、鉄筋Ｓに減肉が発生していない場合、磁界Ｍは鉄筋Ｓに沿って均一に形成されており、つまり漏洩磁束は発生しない。

この場合、図２に示すＧＭＲセンサ３のブリッジ回路において、第１のＧＭＲ素子３a、第２のＧＭＲ素子３b、第３のＧＭＲ素子３c及び第４のＧＭＲ素子３dは全て同一の抵抗値を示す。従って、第１の出力端子３gと第２の出力端子３hとの間の電圧値、つまりＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧は零となる。この時、減肉量算出部６は出力端子間電圧＝０を示す電圧データに基づいて減肉量＝０と算出し、その算出結果を減肉量データとして表示部７及びデータレコーダ８に出力する。

一方、図３（b）は、鉄筋Ｓに減肉が発生している場合、つまり腐食が発生している場合の磁界ＭとＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧を示したものである。この図に示すように、鉄筋Ｓに減肉が発生している箇所において磁界Ｍに変化が生じる、つまり漏洩磁束が発生することになる。この漏洩磁束は減肉量が大きくなるほど大きく変化する。

この場合、図２に示すＧＭＲセンサ３のブリッジ回路において、第１のＧＭＲ素子３a及び第４のＧＭＲ素子３dの抵抗値は上記漏洩磁束の変化に応じて変化するが、第２のＧＭＲ素子３b及び第３のＧＭＲ素子３cには磁気シールド処理が施されているため抵抗値は変化しない。従って、ブリッジ回路に不平衡が生じ、ＧＭＲセンサ３の出力端子間に漏洩磁束の変化に応じた（つまり減肉量に比例した）電圧が生じることになる。すなわち、ＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧Ｖ_０と減肉量Δｄとの間には、下記関係式（１）が成立する。なお、下記関係式（１）において、ｋは比例定数である。
Δｄ＝ｋ・Ｖ_０ ・・・・・・（１）
よって、減肉量算出部６は上記関係式（１）より減肉量Δｄを算出し、その算出結果を減肉量データとして表示部７及びデータレコーダ８に出力する。
なお、鉄筋Ｓが破断していた場合、非常に大きな漏洩磁束が発生し、ＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧Ｖ_０も非常に大きな値となるため、所定の閾値を予め設定しておき、当該閾値を超えるような出力端子間電圧Ｖ_０が生じた場合は、鉄筋Ｓは破断していると判定し、その結果を表示部７に表示させ、データレコーダ８に記憶させる。

上記ＧＭＲセンサ３は、例えばシリコンを材料とするホール素子の５０〜１００倍もの磁気感度を有しているため、鉄筋ＳがコンクリートＣで覆われている場合であっても漏洩磁束を高精度で検出することが可能である。その結果、上記のようにＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧を基に算出される減肉量Δｄも信頼度の高い値となる。以上のように、本実施形態の腐食評価装置Ｄによれば、評価対象となる鉄筋ＳがコンクリートＣ等の非磁性材料で覆われている場合であっても、漏洩磁束を精度良く検出することができ、正確に腐食の定量的評価を行うことが可能である。

次に、本腐食評価装置Ｄを用いて、鋼とコンクリートとの複合構造体である合成床版の腐食評価実験を行った結果について説明する。
図４（ａ）は、リファレンスとして使用した合成床版の試験体１００の側面図及び正面図である。この試験体１００は、高さ２６６ｍｍ、横５２３．６ｍｍ、縦１４３．６ｍｍのコンクリート片１００ａに直径１６ｍｍの異型鉄筋１００ｂを導入したものである。なお、異型鉄筋１００ｂは、コンクリート片１００ａの最上面から深さ５０ｍｍの位置に導入した。一方、図４（ｂ）は、腐食による減肉を模擬するために、予め機械加工によってノッチＮ１（深さ２ｍｍ）、Ｎ２（深さ３ｍｍ）、Ｎ３（深さ４ｍｍ）を付与した異型鉄筋２００ｂとコンクリート片２００ａとの複合構造体である試験体２００の側面図及び正面図である。この試験体２００の外形寸法は上記試験体１００と同様である。

そして、これらリファレンスの試験体１００及び減肉を模擬した試験体２００の上面に、腐食評価装置ＤのＧＭＲセンサ３を配置し、図４に示す走査方向に沿ってＧＭＲセンサ３を走査させ、各センサ位置におけるＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧Ｖ_０を測定した。なお、走査を容易にするためにＧＭＲセンサ３を各試験体の上面から５ｍｍ浮かせて走査を行った。また、ＧＭＲセンサ３の入力電圧、つまり直流電源４から供給される直流電圧は２５Ｖとした。

図５は、横軸をセンサ位置、縦軸をＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧Ｖ_０とした出力端子間電圧Ｖ_０−センサ位置特性図である。この図５に示すように、ノッチを付与していないリファレンスの試験体１００と比較して、ノッチＮ１〜Ｎ３を付与した試験体２００では、各ノッチ位置において出力端子間電圧Ｖ_０に変動（谷部分）が生じていることがわかる。図６は、各ノッチ位置における出力端子間電圧Ｖ_０の谷部分を拡大したものである。図６に示すように、ノッチＮ１（深さ２ｍｍ）では出力端子間電圧Ｖ_０に信号幅約３．０ｍＶの変動が生じ、ノッチＮ２（深さ３ｍｍ）では出力端子間電圧Ｖ_０に信号幅約３．８ｍＶの変動が生じ、また、ノッチＮ３（深さ４ｍｍ）では出力端子間電圧Ｖ_０に信号幅約５．４ｍＶの変動が生じていることがわかった。

これら各ノッチ位置における出力端子間電圧Ｖ_０の変動分とノッチ深さとの相関関係を図７に示す。この図７において、横軸はノッチ深さであり、縦軸は出力端子間電圧Ｖ_０の変動分（信号幅）である。この図７に示すように、ノッチ深さ、つまり減肉量ΔｄとＧＭＲセンサ３の出力端子間電圧Ｖ_０の変動分とはほぼ比例関係にあることが確認できた。すなわち、この腐食評価実験により、評価対象となる磁性材料が非磁性材料で覆われている場合であっても、本腐食評価装置Ｄを用いて定量的に腐食評価が可能であることが実証された。

次に、このような腐食評価装置Ｄの応用例について説明する。
〔応用例１〕
図８は腐食評価装置Ｄの応用例１を示したものである。この図に示すように、プログラム制御により自走可能な台車１０の内部に腐食評価装置Ｄを設置する。このような台車１０を、鉄筋Ｓを覆うコンクリートＣ上に沿って２次元的に移動させ、予め設定した測定位置の減肉量を順次測定させる。そして、各測定位置で測定された減肉量を腐食評価装置Ｄのデータレコーダ８に順次記憶させる。また、漏洩磁束の検出精度を保持するためには、鉄筋Ｓの表面とＧＭＲセンサ３との距離（測定ギャップ）を一定に保つことが好ましいが、コンクリートＣ表面の測定位置によっては必ずしも水平状態になっているとは限らない。そこで、台車１０は、測定位置毎に上記測定ギャップを補正する機能を有し、漏洩磁束の検出精度の維持を図っている。

上記のような応用例１により、広範囲に亘る腐食評価を短時間で効率良く行うことが可能である。なお、プログラム制御の台車１０に限らず、有線又は無線操作によって走行する台車を用いても良い。

〔応用例２〕
図９は腐食評価装置Ｄの応用例２を示したものである。この図に示すように、応用例２
の腐食評価装置Ｄは、Ｎ極側磁石１、Ｓ極側磁石２及びＧＭＲセンサ３を備えたプローブ２０と、当該プローブ２０とケーブル２１を介して接続され、直流電源４、電圧測定部５、減肉量算出部６、表示部７及びデータレコーダ８を備えた操作ボックス２２とで構成されている。ＧＭＲセンサ３と直流電源４及び電圧測定部５とはケーブル２１によって接続されている。作業者３０は片手に持ったプローブ２０を、鉄筋Ｓを覆うコンクリートＣ表面に沿って所望の測定位置に移動させ、この時操作ボックス２２上の表示部７に表示される減肉量を目視で確認して腐食の進行状況を把握する。

上記のような応用例２によれば、応用例１の台車１０が走行できないような狭い場所の減肉量を測定したい場合や、複雑な立体構造を有する鉄筋Ｓの減肉量を測定したい場合、
測定位置の数が少ない場合などに効果的に腐食評価を行うことが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、コンクリートＣに覆われた鉄筋Ｓを想定したが、その他の非磁性材料に覆われた磁性材料であっても本発明を適用可能である。また、非磁性材料に覆われていない磁性材料の腐食評価を行うことももちろん可能である。

（２）上記実施形態では、ＧＭＲ素子のブリッジ回路からなるＧＭＲセンサ３を想定したが、これに限らず、漏洩磁束の変化を電気信号に変換するものであれば他の回路構成であっても良い。また、ブリッジ回路の電源は直流電源を用いたが、交流電源を用いても良い。

本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄの構成ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るＧＭＲセンサ３の回路構成図である。 本発明の一実施形態に係る減肉量測定原理の説明図である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄを用いた腐食評価実験の第１説明図である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄを用いた腐食評価実験の第２説明図である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄを用いた腐食評価実験の第３説明図である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄを用いた腐食評価実験の第４説明図である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄの応用例１である。 本発明の一実施形態に係る腐食評価装置Ｄの応用例２である。

符号の説明

Ｄ…腐食評価装置、１…Ｎ極側磁石、２…Ｓ極側磁石、３…ＧＭＲ（Giant Magnet-
Resistive effect）センサ、４…直流電源、５…電圧測定部、６…減肉量算出部、７…表示部、８…データレコーダ、１０…台車、２０…プローブ、２１…ケーブル、２２…操作ボックス、３０…作業者

Claims (7)

1. 非磁性材料に覆われた磁性材料または未被覆の磁性材料の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行う腐食評価装置であって、
   磁路に前記磁性材料を含むような磁界を発生する磁界発生手段と、
   前記磁性材料から漏洩する磁束を検出するＧＭＲ（Giant Magnet-Resistive effect）素子を有し、前記磁束の変化を電気信号に変換するＧＭＲセンサと、
   前記電気信号に基づいて磁性材料の減肉量を算出する減肉量算出手段と
   を具備することを特徴とする腐食評価装置。
2. 前記ＧＭＲセンサは、ＧＭＲ素子を用いたブリッジ回路からなることを特徴とする請求項１記載の腐食評価装置。
3. 前記磁性材料に沿って２次元的に移動しつつ、所定の測定位置毎に減肉量を測定することを特徴とする請求項１または２記載の腐食評価装置。
4. 前記磁性材料の表面とＧＭＲセンサとの間の距離を一定に保持しつつ移動することを特徴とする請求項３記載の腐食評価装置。
5. 前記磁性材料は鉄筋または鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の腐食評価装置。
6. 前記非磁性材料はコンクリートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の腐食評価装置。
7. 非磁性材料に覆われた磁性材料または未被覆の磁性材料の減肉量を測定することで腐食の定量的評価を行う腐食評価方法であって、
   磁路に前記磁性材料を含むような磁界を発生し、
   ＧＭＲセンサによって前記磁性材料から漏洩する磁束を検出し、
   前記ＧＭＲセンサから出力される電気信号に基づいて磁性材料の減肉量を算出する
   ことを特徴とする腐食評価方法。

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