JP2012017993A - 不動態判定方法 - Google Patents

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博之 齋藤
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Abstract

【課題】金属腐食系の電気化学的な等価回路の構成などを必要とせずに、より容易に不動態被膜の状態が測定できるようにする。
【解決手段】ステップＳ１０１で、金属構造体の一方の側より気体を供給する。例えば、金属構造体は鉄鋼板であり、供給する気体は水素である。次に、ステップＳ１０２で、金属構造体の他方の側で、金属構造体を透過した上記気体の量を測定する。例えば、供給された気体が鉄鋼板を透過した量を測定する。ここで、透過する気体の測定は、例えば、金属構造体の他方の側の表面に電解質を接触させ、この電解質中に配置した電極と、電解質が接触している金属構造体の表面との間に流れる電流量を検出することで行える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄鋼やアルミニウムなどの金属表面の不動態の状態を判定する不動態判定方法に関する。
鉄鋼やアルミニウムなどの金属は、特定の条件下で表面に不動態被膜を形成し、腐食が起きなくなることが知られている。例えば、鉄は、濃硝酸中に浸漬してもすぐに溶解（腐食）しない状態となる。これは、濃硝酸中では、鉄の表面に厚さ数ｎｍの耐食性に優れた酸化被膜である不動態被膜が形成されためである。このように、不動態被膜が形成される環境では、鉄鋼などの金属は実質的に腐食しない状態となるが、不動態被膜が形成されない環境では、腐食が起きる状態であり問題となる。
このため、金属表面に不動態被膜が形成されている状態を測定できれば、腐食の可能性の判定を行うことができる。このような測定の方法として、金属とこの金属が配置されている環境とが接している界面について、金属を電極として振幅１０ｍＶ前後の小さな交流電圧を印加して電流応答を測定する技術が提案されている（非特許文献１参照）。この測定方法によれば、測定される電気抵抗により不動態の有無が判定できるため、広汎に用いられている。
宮田 恵守、斎藤 博之、「電位ステップ法を用いたコンクリート中鉄筋の腐食速度測定」、材料試験技術、ｖｏｌ．４４、ｎｏ．３、１９９９年
しかしながら、上述した測定方法では、金属と環境との間の金属腐食系の電気化学的な等価回路の構成が事前に理解できていないと、電流応答より不動態被膜の抵抗が分離できないという限界がある。このため、簡単に用いることができないという問題がある。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、金属腐食系の電気化学的な等価回路の構成などを必要とせずに、より容易に不動態被膜の状態が測定できるようにすることを目的とする。
本発明に係る不動態判定方法は、金属構造体の一方の側より気体を供給する第１ステップと、金属構造体の他方の側で、金属構造体を透過した気体の量を測定する第２ステップと、測定された気体の量により、金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜の状態を判定する第３ステップとを少なくとも備える。
上記不動態判定方法において、第３ステップでは、金属構造体の一方の面に不動態被膜が形成されている状態で透過した気体の量の測定結果を基準量とし、この基準量より測定された気体の量が多い場合、金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜が破壊されているものと判定すればよい。
上記不動態判定方法において、第２ステップでは、金属構造体の他方の側の表面に電解質を接触させ、この電解質中に配置した電極と、電解質が接触している金属構造体の表面との間に流れる電流量により気体の量を測定するようにすればよい。なお、気体は、水素であればよく、金属構造体は、鉄鋼から構成されていればよい。
以上説明したように、本発明によれば、金属構造体を透過した気体の量を測定するようにしたので、金属腐食系の電気化学的な等価回路の構成などを必要とせずに、より容易に不動態被膜の状態が判定できるようになるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態における不動態判定方法を説明するためのフローチャートである。 図２は、地表に置かれた炭素鋼からなる構造物が水溜まりに接触している状態を示す地表の法線方向の断面図である。 図３は、炭素鋼からなる構造物が水溜まりに接触している状態を示す地表に平行な断面を示す断面図である。 図４は、気体の発生および気体の測定を説明するための説明図である。 図５は、構造物の内壁面と電解質中の電極との間に流れる電流の測定結果を示す特性図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における不動態判定方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、金属構造体の一方の側より気体を供給する。例えば、金属構造体は鉄鋼板であり、供給する気体は水素である。
次に、ステップＳ１０２で、金属構造体の他方の側で、金属構造体を透過した上記気体の量を測定する。例えば、供給された気体が鉄鋼板を透過した量を測定する。ここで、透過する気体の測定は、例えば、金属構造体の他方の側の表面に電解質を接触させ、この電解質中に配置した電極と、電解質が接触している金属構造体の表面との間に流れる電流量を検出することで行える。この電流量の測定では、例えば、気体として水素を用いた場合に効果的である。この場合、金属構造体の一方の側より供給されて金属構造対中に拡散した水素を、電解質で取り出している（引き抜いている）ともいえる。
次に、ステップＳ１０３で、測定された気体の量により、金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜の状態を判定する。金属構造体の一方の面に、不動態被膜が形成されている状態と、不動態被膜が破壊されている状態とでは、気体の透過量が異なるので、透過する気体の量を測定することで、不動態被膜の状態が判定できる。例えば、金属構造体の一方の面に不動態被膜が形成されている状態で透過した気体の量の予め測定しておき、この測定結果を基準量とする。ステップＳ１０３において、測定される気体の量が基準量より多い場合、金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜が破壊されているものと判定すればよい。
このように、本実施の形態によれば、気体の透過量を測定することで、不動態被膜の状態を判断しているので、金属腐食系の電気化学的な等価回路の構成などを必要とせず、測定が容易である。
以下、鉄鋼より構成された構造物の外壁面に形成されている不動態被膜を対象とした場合を例に、不動態判定方法を説明する。一例として、図２の断面図に示すように、地表２０１の上に載置された炭素鋼からなる構造物２０２の一部が、雨水により形成された水溜まり２０３に接している場合を考える。このような場合、構造物２０２が水溜まり２０３に接している領域２０４における構造物２０２の外側面における不動態被膜の状態が測定対象となる。不動態被膜が破壊しているかどうかにより、当該箇所の腐食性の有無が判断できる。
水溜まり２０３に接触している箇所では、地表に平行な断面を示す図３に示すように、構造物２０２の外壁面２２１が水溜まり２０３に接触し、内壁面２２２は接触していない。このような状態において、外壁面２２１の水溜まり２０３に接触している領域の近傍で気体を発生させ、外壁面２２１より構造物２０２に入り込んで内壁面２２２にまで拡散した（透過した）気体の量を測定すればよい。
気体の発生方法としては、例えば、図４に示すように、２つの電極４０１および電極４０２に，電源４０３より直流電流を流すことで、水溜まり２０３の水を電気分解させて水素を発生させる方法がある。このとき、炭素鋼からなる構造物２０２を一方の電極とすると効率的である。この場合、他方の電極は、白金から構成すればよい。電極４０１および電極４０２の大きさ（面積）により水素の発生量が異なるが、電極面積は１０ｃｍ2程度で十分である。電極面積が１平方ｃｍ2とした状態で発生させた水素の量でも、原理的には測定ができる。
次に、透過した気体（水素）の測定について説明する。例えば、構造物２０２の内壁面２２２に、容器４１１に収容した電解質（例えば、ｐＨ１２の水酸化ナトリウム水溶液）４１２を接触させ、この状態で、電解質４１２中に配置した電極４１３と内壁面２２２との間の電流を測定する。容器４１１は、例えばガラス容器であればよい。また、容器４１１は、電解質４１２および構造物２０２と反応しないものであればよく、ガラスに限らずプラスチックおよびセラミックなどで構成してもよい。また、電解質４１２が内壁面２２２に接触している面積が、水溜まり２０３と外壁面２２１との接触面程度となる程度に、容器４１１が形成されていればよいが、これに限るものではない。電解質４１２が内壁面２２２に接触している面積が１０ｃｍ2の数倍程度とされ、奥行きが１０ｃｍ程度とされていればよい。
ここで、電解質４１２中に接触している内壁面２２２の電位は、水素が酸化されて水素イオンになる電位に保持しておく。この電位は、例えば、電気化学ハンドブックなどに記載されているが、一例として活性化過電圧を考慮して水素基準で０Ｖとしておけばよい。このように電位を制御しておけば、内壁面２２２と電解質４１２との界面では「Ｈ⇔Ｈ+＋ｅ-」の化学反応が生じているので、水素（Ｈ）が透過してくると電子を放出する。この結果、電極４１３と電解質４１２中に接触している内壁面２２２との間に電流が生じる。
電子が流れたモル数と水素原子が透過したモル数は等しい。また、電子１モルが流れるときの電流は、ファラデーの定数から９６５００クーロンであることが既知である。従って、電極４１３と電解質４１２中に接触している内壁面２２２との間で計測される電流値は、水素の透過量に換算することができる。この水素の透過量により、外壁面２２１における水溜まり２０３との接触箇所近傍における不動態被膜の判定ができる。
また、水素量への換算を行わず、上述した電流値を継続的に測定し、変曲点が生じるかどうかを判定することでも、不動態被膜の破壊の判定が可能である。
上述した電流値の測定を実際に行った実験結果について説明する。水溜まり２０３として、ｐＨ１２に調整した水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合（実験１）と、水溜まり２０３として、ｐＨ１２に調整して３％塩化ナトリウムを加えた水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合（実験２）との２つの実験を行う。鉄鋼は、水酸化ナトリウム水溶液に接触している場合、表面に形成されている不動態被膜が安定して存在する。しかしながら、接触している水溶液に塩化物が含まれている場合、不動態被膜が安定して存在せずに破壊される。従って、実験１の結果と実験２の結果とが異なれば、不動態被膜の破壊が判断できることになる。
図５は、上述した実験の結果を示す特性図であり、図５の（ａ）が、実験１の結果を示し、図５の（ｂ）が実験２の結果を示している。両者とも、電極４０１および電極４０２との間に電位を印加し、電気分解により水素を発生させて供給を開始した時点より、電流が測定されている。しかしながら、図５の（ａ）に比較して、図５の（ｂ）の方が、大きな電流（約４倍）が流れていることがわかる。これは、実験２においては、より多くの水素が透過していることを示している。
以上の結果より、実験２の条件では、外壁面２２１の不動態被膜が破壊されているものと判断することができる。従って、例えば、上述したような電流の測定を継続的に行う中で、測定される電流値が増加すれば、不動態被膜の破壊が発生しているものと判断することができる。なお、図５に示すガス供給開始からの電流の立ち上がりの部分は、拡散により鉄鋼内部の水素が移動する時間である。従って、測定電流値が立ち上がってから安定した状態における電流値を判断の対象として用いることが重要となる。
以上に説明したように、本発明によれば、事前に、金属と環境との間の金属腐食系の電気化学的な等価回路が判明されいなくても、不動態被膜の破壊が判定できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、電気分解により発生させた水素を用いるようにしたが、これに限るものではなく。例えば、ボンベに収容した水素を、該当箇所に供給するようにしてもよい。
また、上述では、電流測定により水素の透過量を測定したが、これに限るもの出はなく、よく知られた他の気体測定技術により、金属構造体を透過した気体（水素）の量を測定してもよい。また、電解質として水酸化ナトリウム水溶液を用いたが、これに限るものではなく、他の電解質の水溶液を用いてもよい。また、上述では、鉄鋼の不動態被膜を対象としたが、これに限るものではなく。他の金属であってもよい。ただし、鉄鋼においては、例えば、水素の拡散が速いため、より迅速に測定が行えるという組み合わせの利点がある。

Claims (5)

  1. 金属構造体の一方の側より気体を供給する第１ステップと、
    前記金属構造体の他方の側で、前記金属構造体を透過した前記気体の量を測定する第２ステップと、
    測定された前記気体の量により、前記金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜の状態を判定する第３ステップと
    を少なくとも備えることを特徴とする不動態判定方法。
  2. 請求項１記載の不動態判定方法において、
    前記第３ステップでは、前記金属構造体の一方の面に不動態被膜が形成されている状態で透過した前記気体の量の測定結果を基準量とし、この基準量より測定された前記気体の量が多い場合、前記金属構造体の一方の面に形成されている不動態被膜が破壊されているものと判定する
    ことを特徴とする不動態判定方法。
  3. 請求項１または２記載の不動態判定方法において、
    前記第２ステップでは、前記金属構造体の他方の側の表面に電解質を接触させ、この電解質中に配置した電極と、前記電解質が接触している前記金属構造体の表面との間に流れる電流量により前記気体の量を測定する
    ことを特徴とする不動態判定方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の不動態判定方法において、
    前記気体は、水素であることを特徴とする不動態判定方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の不動態判定方法において、
    前記金属構造体は、鉄鋼から構成されていることを特徴とする不動態判定方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012159485A (ja) * 2011-02-03 2012-08-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 水素透過測定装置
JP2013181936A (ja) * 2012-03-05 2013-09-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 水素吸蔵評価方法
JP2015225058A (ja) * 2014-05-30 2015-12-14 日本電信電話株式会社 酸化被膜破壊時の破壊応力推定方法および破壊応力推定装置
JP2017122633A (ja) * 2016-01-07 2017-07-13 新日鐵住金株式会社 耐水素脆化特性評価方法

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