JP2013096958A

JP2013096958A - 地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定方法、装置及び電気防食管理方法、装置

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Publication number: JP2013096958A
Application number: JP2011242871A
Authority: JP
Inventors: Hisao Kitagawa; 尚男北川; Kenichi Haraga; 健一原賀
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】直流成分のみを用いた簡単な構成により、地中埋設管の塗覆装損傷部の電位を推定可能とする。
【解決手段】所定の深さｄにある地中埋設管１の塗覆装損傷部２の直上地表面の第１の照合電極１４ａと、該第１の照合電極１４ａから任意の距離ｇだけ離れた第２の照合電極１４ｂの間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管１と前記照合電極１４ａ、１４ｂとの直流の電位差Ｖを、直流電圧計１３を用いて測定し、測定された地表面電位差ΔＶから求めた塗覆装損傷部２に流入する直流電流Ｉと予め求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓを用いて塗覆装損傷部２の電位Ｖ_Feを導出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定方法、装置、及び、該電位推定方法を利用した電気防食管理方法、装置に関する。

地中埋設管の電気防食効果を評価する指標として、防食電位がある（非特許文献１参照）。例えば、地中埋設管が炭素鋼製であると、飽和硫酸銅電極を照合電極として用いた場合−０．８５Ｖより卑になれば防食できる。

なお、地中埋設管単独の電位の計測はできないため、環境や温度により電位変化の少ない照合電極を、測定対象となる地中埋設管の近傍に設置し、照合電極と地中埋設管の間の電位差を読み取り、対象となる地中埋設管の電位としている。

又、関連する先行技術として、特許文献１には、図１（特許文献１の第１図に対応）に示す如く、地中埋設管１の塗覆装損傷部２の近接ターミナル（埋設管に結線される導線）５と、地中に差し込んだ２本の照合電極４ａ、４ｂの間の電位差（管対地電位）を、多チャンネルデジタル電圧計３でそれぞれ測定し、図２（特許文献１の第５図に対応）に例示する直流電位の変化を示すグラフにプロットして、その傾きから、防食効果を評価するのに必要な直流電流密度（防食電流密度）を算出する方法が記載されている。

又、特許文献２には、地中埋設管に特定周波数の交流電流を流したときに塗覆装損傷部の周辺に生ずる交流電位分布を、該塗覆装損傷部周辺の地中に差し込んだ複数の照合電極により検出し、解析することによって、地中埋設管の塗覆装損傷部面積を測定する技術が記載され、非特許文献２にも、電位分布解析による塗覆装損傷部付き埋設鋼管の腐食防食評価技術が記載されている。

又、特許文献３には、負極側が土壌内に埋設された埋設管等の防食対象物に接続されるとともに、正極側が土壌内に備えられる対極に接続される外部電源を設け、土壌側より防食対象物側へ防食電流を供給して電気防食される防食対象物の防食電位推定方法において、防食電流として正弦波交流を全波整流した電流を使用し、防食対象物と土壌表面間の電位を測定し、電位の直流成分及び交流成分を検出し、直流成分と交流成分の定数倍との和を、防食対象物の防食電位と推定する技術が記載されている。

又、特許文献４には、カソード防食されたパイプラインに接近して鋼製プローブと飽和硫酸銅電極を埋設して前記鋼製プローブと飽和硫酸銅電極間のＯＮ、ＯＦＦ電位及び鋼製プローブとパイプライン間の直流電流を同時に測定することにより、これらの値から防食レベルを評価する際、この測定タイミングに同期して前記鋼製プローブとパイプライン間の交流電流の値を測定し、この値を基にして交流腐食レベルを評価する技術が記載されている。

又、特許文献５には、被覆鋼管の基準位置に埋設した印加電極と管体との間に一定電圧のＭ系列信号を印加し、計測区間毎に検出した管対地電位と管対管電位及び管体の導電率から演算した接地抵抗の変化から被覆鋼管の損傷有無を判定し、管対管電位の変化から損傷が発生した計測区間を特定する技術が記載されている。

又、特許文献６には、測定対象の地中埋設管に腐食電流を供給する腐食電流供給工程と、該腐食電流の供給によって発生するＡＥ信号を検出するＡＥ信号検出工程と、検出されたＡＥ信号に基づいて腐食の有無を検出する腐食検出工程と、を備えた地中埋設管の腐食検出技術が記載されている。

又、出願人は、特許文献７で、地中埋設管の塗覆装損傷部の電流推定に際して、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上地表面又は直上から任意の距離にある地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極の間の電位差を、直流及び交流電圧計でそれぞれ測定し、該電位差から所定の式より直流電流及び交流電流をそれぞれ導出し、予め求めておいた塗覆装損傷部面積で除して前記塗覆装損傷部の直流電流密度及び交流電流密度を導出する技術を提案している。

特開平４−９５８６８号公報（第１図、第５図）特開平４−９５８６７号公報特開平６−２４９８２０号公報特開平１０−３３２６２２号公報特開２００３−２３２７６４号公報特開２００５−３５１８８４号公報特開２０１１−１９１２８８号公報

腐食防食協会編「腐食・防食ハンドブック」518頁（2000）足立他「電位分布解析による塗覆装欠陥付き埋設鋼管の陰極防食評価」腐食防食協会材料と環境，第40巻,19-25頁（1991）

しかしながら、地中埋設管の電位を測定するため、特許文献４、５、６のように、照合電極を地中埋設管近傍に設置することは難しく、通常は特許文献１、３、７のように、照合電極を地表面に置いて、地中埋設管の電位を計測する。しかし、地中埋設管と照合電極の間が離れているため、地中埋設管と照合電極の間の土壌の抵抗が加わることになり、地中埋設管の電位は計測できないという問題点を有していた。

あるいは、特許文献３、４、７のように、直流成分だけでなく交流成分も検出したり、特許文献５のように、Ｍ系列信号を印加したり、特許文献６のように、アコースティック・エミッション（ＡＥ）信号を検出するのでは、構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、直流成分のみを用いた簡単な構成により、地中埋設管の塗覆装損傷部の電位を推定可能とすることを課題とする。

本発明は、土壌の抵抗と埋設深さを勘案し、炭素鋼と照合電極の間の土壌の抵抗と流れる電流を予め予測することで、炭素鋼の防食電位に予測値を加えて基準値とするようにしたものである。

なお、本発明を現場で実施するためには、地中埋設管の塗覆装損傷部の大体の位置が針電極法あるいはピアソン法などの従来技術によりわかっていること、塗覆装損傷部の面積及び深さ位置がわかっていることが前提となる。

このような前提で、図３に示す如く、地中埋設管１の深さをｄ、照合電極１４ａ、１４ｂの間隔をｇ、大地（土壌）抵抗率をρ、直流の地表面電位差測定値をΔＶとして、次式により、塗覆装損傷部２に流入する直流電流Ｉを導出する。

地表面に照合電極１４ａ、１４ｂを設置して測定した塗覆装損傷部２と照合電極１４ａ、１４ｂの電位差をＶ、地中埋設管１の電位をＶ_Fe、照合電極１４ａ、１４ｂと塗覆装損傷部２の間の抵抗をＲとすると、次式が成立する。
Ｖ＝ＩＲ＋Ｖ_Fe （２）

ここで、塗覆装損傷部２の面積をＳ、接地面積の半径（塗覆装損傷部２を同じ面積を持つ円とみなし、その円の半径）をｒとすると、
Ｒ＝ρ／(４ｒ) （３）

その円の面積Ｓは、
Ｓ＝πｒ² （４）

よって、

となり、土壌抵抗を除去した地中埋設管１の電位Ｖ_Feを求めることができる。

本発明は、このような知見に基いてなされたもので、地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定に際して、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極の間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差Ｖを、直流電圧計を用いて測定し、測定された地表面電位差ΔＶから求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉと予め求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓを用いて塗覆装損傷部の電位Ｖ_Feを導出することで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から任意の距離にある地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極の間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差Ｖを、直流電圧計を用いて測定し、測定された地表面電位差ΔＶから求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉと予め求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓを用いて塗覆装損傷部の電位Ｖ_Feを導出することで、同じく前記課題を解決したものである。

又、前記の方法で推定された電位を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理方法を提供するものである。

又、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極と、前記照合電極の間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差Ｖを測定する直流電圧計と、測定された地表面電位差ΔＶから求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉと予め求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓを用いて塗覆装損傷部の電位Ｖ_Feを導出する手段と、を備えたことを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定装置を提供するものである。

又、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から任意の距離にある地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極と、前記照合電極の間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差Ｖを測定する直流電圧計と、測定された地表面電位差ΔＶから求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉと予め求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓを用いて塗覆装損傷部の電位Ｖ_Feを導出する手段と、を備えたことを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定装置を提供するものである。

ここで、前記照合電極を導電性車輪で構成し、該照合電極及び直流電圧計を走行可能な車両に搭載することができる。

本発明は、又、前記の装置で推定された電位を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理装置を提供するものである。

本発明によれば、直流成分のみを用いた簡単な構成により、地中埋設管の塗覆装損傷部の電位を推定できる。

特に、照合電極を導電性車輪で構成して、装置を走行可能な車両に搭載した場合は、現場への移動が極めて容易である。

特許文献１に記載された、従来の電気防食効果評価方法を実施する装置の概略構成を示す図前記評価方法で用いる直流電位の変化を示すグラフ本発明の第１実施形態を示す図実施例における、プローブに直流を印加したときの水槽実験回路を示す図同じくプローブの電位の実測値と計算値を示す図本発明の第２実施形態を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図３に示す塗覆装損傷探査装置１０を用いて、所定の深さｄにある炭素鋼製の地中埋設管１の塗覆装損傷部２の直上地表面の第１の照合電極１４ａと、該第１の照合電極１４ａから任意の距離ｇだけ離れた第２の照合電極１４ｂの間の直流の地表面電位差ΔＶ、及び、前記地中埋設管１と前記第１、第２照合電極１４ａ、１４ｂとの直流の電位差Ｖを、直流電圧計１３を用いて測定し、測定された地表面電位差ΔＶから、後出式より塗覆装損傷部２に流入する直流電流Ｉを導出し、予め従来技術により求めておいた塗覆装損傷部面積Ｓから塗覆装損傷部２の電位Ｖ_Feを導出するようにしたものである。

以下、本発明の原理を説明する。

図３に示す如く、地表面からの塗覆装損傷部２までの深さがｄのとき、地表面に現れる電位Ｖ（ｘ，ｙ）は、地表面のある一点を基準とし、管軸方向をｘ、水平方向で管軸方向と垂直な方向をｙ、深さ方向をｚ、塗覆装損傷部２に流れる電流をＩ、大地（土壌）抵抗率をρとすると、電流の流出側である陽極（アノード）が電流の流入側である陰極（カソード）から十分離れた位置に設置されている場合、無限遠を基準とする相対的なポテンシャルから次式で表される。なお、図３において、地中埋設管１は陰極となるが、陽極は陰極から十分離れているため図示省略している。

図３に示した塗覆装損傷探査装置１０は、地中埋設管１と接地電極（照合電極１４ａ、１４ｂ）との間に例えば直流電圧を印加する電源（図示省略）により、塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉによって形成される直流の地表面電位差ΔＶを電位差法を用いて計測する直流電圧計１３を有する。塗覆装損傷探査装置１０は、又、予め塗覆装損傷部２の面積Ｓを求めるか、記憶しておく。

前記塗覆装損傷探査装置１０が第１実施形態のように地中埋設管１の直上にあるとき、ｙ＝０であるので（８）式は次式で与えられる。

ここで、第１の照合電極１４ａが塗覆装損傷部２の直上（即ち、ｘ＝０）に位置するとき、第１の照合電極１４ａが検出する地表面電位Ｖ（０）は次式で与えられる。

照合電極間隔をｇとすると、このときの第２の照合電極１４ｂが検出する地表面電位Ｖ（ｇ）は次式で与えられる。

従って、第１と第２の照合電極１４ａ、１４ｂが検出する地表面電位の差ΔＶ（＝Ｖ（０）−Ｖ（ｇ））は次式で与えられる。

直流の地表面電位差測定値ΔＶは、塗覆装損傷探査装置１０で計測できることから、大地（土壌）抵抗率ρが分かれば、次式により塗覆装損傷部２に流れる直流電流Ｉを計算できる。

直流電圧計１３で測定した塗覆装損傷部２と第１、第２の照合電極１４ａ、１４ｂの電位差Ｖと、（１３）式で求めた直流電流Ｉと、従来技術で求めた塗覆装損傷部面積Ｓとから、塗覆装損傷部２に露出した地中埋設管１の電位Ｖ_Feを次式により導出することができる。

以上のように、塗覆装損傷部深さｄ、照合電極間隔ｇ、大地（土壌）抵抗率ρ、前後の照合電極１４ａ、１４ｂが検出する地表面電位差ΔＶなどの値から、塗覆装損傷部２に露出している地中埋設管１（炭素鋼）の電位Ｖ_Feを計算で求めることができる。

以上の計算では、塗覆装損傷部２を半球（本来は円盤として仮定した方が実情と近いものの、半球の方が積分を考えやすい）として仮定しており、この場合、陰極となる塗覆装損傷部２の接触抵抗Ｒは次式のようになる。

ここで、ｒは半球の半径である。

この場合、直流の地表面電位差ΔＶから算出される電流Ｉは、前出（１３）式で表される。

一方、塗覆装損傷部２を円盤として仮定すると、陰極となる塗覆装損傷部２の接触抵抗Ｒは次式のようになる。

ここで、ｒ’は円盤の半径である。

この場合、直流の地表面電位差ΔＶから算出される電流Ｉは、次式で表される。

更に、塗覆装損傷部２（陰極）の接触抵抗Ｒは、該塗覆装損傷部２の表面積をＳ’として次式で表すこともできる。

このため、塗覆装損傷部２の接地抵抗の計算方法が変わっても、電流Ｉを計算することができる。

［実施例］
地表面電位の測定による塗覆装損傷部面積と塗覆装損傷部電流密度の評価に、水槽を用いた模擬試験を行った。

（１）プローブ電位推定
図４に示す実験回路を用い、水槽２１内に沈めたプローブ（ＳＳ４００製）２２に、直流電流、及び、塗覆装損傷部面積Ｓを測定するために発振器（ＯＳＣ）２５で発生させた交流電流を、発振器であるポテンショ・ガルバノスタット２６を通じて印加したときの照合電極２８ａ、２８ｂ間の直流・交流水面電位差ΔＶ（Ｅ）を直流・交流電圧計２９で測定して、（１３）式と（１４）式からプローブ直流電流Ｉ及びプローブ電位Ｖ_Feを算出した。図において、ポテンショ・ガルバノスタットのＣＥは、対極：Counter Electrode(CE)に、ＷＥは、作用極：Working Electrode（WE）に接続した。３０は対極（ＳＵＳ製）である。

図５に、プローブ電位の実測値に対する計算値をそれぞれ示す。

ここで、直流・交流電圧計２９を用いたのは、塗覆装損傷部面積Ｓを測定するためであり、塗覆装損傷部面積Ｓが既知であったり、他の方法で求める場合は、交流電圧を印加したり測定する必要はない。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態の塗覆装損傷探査装置２０は、地上を自力で走行可能な二輪車で構成され、地中埋設管１と接地電極である照合電極（前車輪電極２４ａ、後車輪電極２４ｂ）との間に、直流と例えば商用周波数以外の交流信号電圧を印加する車載電源（図示省略）と、塗覆装損傷部２に流れる電流によって形成される地表面電位差を電位差法を用いて計測する車載の直流及び交流電圧計（図示省略）を有する。

この塗覆装損傷探査装置２０で使用している車輪電極２４ａ、２４ｂは導電性ゴム製であり、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の直流の地表面電位差を測定することができる。

又、商用周波数以外の交流信号電圧を印加して予め塗覆装損傷位置と損傷面積Ｓを求める。

次に、電源により塗覆装損傷部２を防食するための、防食電流Ｉを求める。交流信号を停止し、前記塗覆装損傷探査装置２０が地中埋設管１の直上を走行しているときは第１実施形態と同様にｙ＝０であるので、前出（８）式は前出（９）式で表される。

ここで第１の照合電極である前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２の直上に位置するとき、前車輪電極２４ａが検出する地表面電位は、前出（１０）式で与えられる。

このときに第２の照合電極である後車輪電極２４ｂが検出する地表面電位は、車輪電極間隔をｇとすると、前出（１１）式で与えられる。

従って、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の地表面電位差ΔＶは、前出（１２）式で与えられる。

ΔＶは、塗覆装損傷探査装置２０で計測できることから、大地（土壌）抵抗率ρが分かれば、前出（１３）式により、塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉを計算できる。

ここで前出（１０）式は、前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２の直上に位置する時を想定しているが、照合電極が塗覆装損傷部２の直上でなくても、塗覆装損傷部２の直上との距離が分かっていれば電流Ｉを計算することができる。即ち、前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２からＧだけ離れている場合、（１０）式は次式のようになる。

このときの後車輪電極２４ｂが検出する地表面電位は、車輪電極間隔をｇとすると次式のようになる。

従って、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の地表面電位差ΔＶは次式で与えられる。

ΔＶは、塗覆装損傷探査装置２０で計測できることから、次式により塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉを計算できる。

本実施形態においては、塗覆装損傷探査装置２０が二輪車と一体化され、自走可能とされているので、現場への移動が極めて容易である。なお、二輪車でなく、三輪車や四輪車と一体化したり、走行手段とは別体の可搬型や据置型とすることも可能である。又、塗覆装損傷部２の面積Ｓがわかっているときは、交流信号の印加及び検出は不要である。

なお前記実施形態においては、いずれも、本発明が炭素鋼製の鋼管に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、金属管一般に適用できる。又、損傷は欠陥によるものも含む。

１…地中埋設管
２…塗覆装損傷部
１０、２０…塗覆装損傷探査装置
１３…直流電圧計
１４ａ、１４ｂ…照合電極
２４ａ…前車輪電極（第１の照合電極）
２４ｂ…後車輪電極（第２の照合電極）

Claims

所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極の間の直流の地表面電位差、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差を、直流電圧計を用いて測定し、測定された地表面電位差から求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流と予め求めておいた塗覆装損傷部面積を用いて塗覆装損傷部の電位を導出することを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定方法。
所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から任意の距離にある地表面の第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極の間の直流の地表面電位差、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差を、直流電圧計を用いて測定し、測定された地表面電位差から求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流と予め求めておいた塗覆装損傷部面積を用いて塗覆装損傷部の電位を導出することを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定方法。
請求項１又は２に記載の方法で推定された電位を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理方法。
所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上地表面の第１の照合電極と、
該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極と、
前記照合電極の間の直流の地表面電位差、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差を測定する直流電圧計と、
測定された地表面電位差から求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流と予め求めておいた塗覆装損傷部面積を用いて塗覆装損傷部の電位を導出する手段と、
を備えたことを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定装置。
所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から任意の距離にある地表面の第１の照合電極と、
該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた第２の照合電極と、
前記照合電極の間の直流の地表面電位差、及び、前記地中埋設管と前記照合電極との直流の電位差を測定する直流電圧計と、
測定された地表面電位差から求めた塗覆装損傷部に流入する直流電流と予め求めておいた塗覆装損傷部面積を用いて塗覆装損傷部の電位を導出する手段と、
を備えたことを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定装置。
前記照合電極が導電性車輪でなり、該照合電極及び直流電圧計が走行可能な車両に搭載されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の地中埋設管の塗覆装損傷部の電位推定装置。
請求項４乃至６のいずれかに記載の装置で推定された電位を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理装置。