JP2014218731A - パイプラインのカソード防食方法及びカソード防食装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプラインのカソード防食方法において、防食対象物の管対地電位を常時適正な範囲に保つことができること、防食電流のリプル含有率を極力小さくすることで安定的な制御を可能にし、また、高効率で電力損失が少ない制御を可能にする。【解決手段】パイプラインＰ周辺の電解質に設置された照合電極ＥｒとパイプラインＰ間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、パイプラインＰに接続され当該パイプライン周辺の電解質中に設置されたアノードから防食電流を出力する外部電源カソード防食装置１の出力電圧を制御するパイプラインのカソード防食方法であって、交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力工程と、平滑直流電圧出力工程によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御工程を有し、出力電圧制御工程は、検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように出力電圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部電源方式によるパイプラインのカソード防食方法及びカソード防食装置に関するものである。

外部電源方式のカソード防食方法は、直流電源（以下、これを外部電源カソード防食装置と称する）を用いて、電解質中に設けた電極をアノードとし電解質中に存在する防食対象の金属構造物をカソードとして、アノードから電解質中に防食電流を発生させ金属構造物をカソード防食するものである。一般に、外部電源カソード防食装置は、出力電圧を調整して金属構造物の対電解質電位が防食電位よりマイナス側になるように防食電流の出力を制御することが行われている。例えば、地中に埋設された金属パイプラインが防食対象の場合には、管対地電位が飽和硫酸銅電極基準で−０．８５Ｖよりマイナス側になるように出力電圧を調整することが行われている。

また、下記特許文献１に記載された従来技術には、定電位自動制御直流電源装置と照合電極と通電電極とからなり、防食対象物の適正電位を維持するように制御する定電位自動制御式電気防食装置が記載されている。この従来技術は、一つの防食対象に対しては一つの設定電位を定めて、照合電極に対する防食対象物の電位と設定電位とを比較して直流電源の出力を制御するものであり、複数の干渉防食対象物の防食状態を良好に維持するように各防食対象における設定電圧を可変調整することなどがなされている。

特開２００１−２２６７８６号公報

このような従来技術によると、計測される管対地電位が一つの設定電位の上下で頻繁に変化するような状況では、出力電圧を頻繁に上げ下げする必要があり管対地電位を設定電位に安定化させることが難しい。このため、他の防食施設からの干渉や迷走電流の変化に対しては防食対象物の管対地電位が過防食電位になったり防食電流不足電位になったりすることがあり、この状態になってから設定電位を可変調整したとしても、所定時間だけ管対地電位が適正な防食状態の範囲から外れることがある。

また、従来技術に用いられる直流電源は、一般に商用交流電源を整流したものが用いられているので、通電電極から出力される防食電流には交流電流であるリプルが現れる。このようなリプルを含む防食電流を上げ下げする制御では、管対地電位を設定電位に近づける安定した制御を行うことができない。

更に、定電位自動制御直流電源装置を用いたカソード防食方法では、交流腐食のリスクが無い或いは交流腐食のリスクが事前に解消されていることを前提としているので、防食対象物が交流誘導を受けている場合には、交流誘導低減器の設置などによって交流腐食防止対策が講じられている。この際に、防食電流に交流電流が含まれていると、防食電流が交流誘導低減器から大地に流れることになり、防食電流が余分に必要になる問題があった。

本発明は、このような事情に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、他の防食施設の干渉や迷走電流の変化に対して防食対象物の管対地電位を常時適正な範囲に保つことができること、防食電流のリプル含有率を極力小さくすることで安定的な制御を可能にし、また、高効率で電力損失が少ない制御を可能にすること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるパイプラインのカソード防食方法及びカソード防食装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

パイプライン周辺の電解質に設置された照合電極とパイプライン間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、パイプラインに接続され当該パイプライン周辺の電解質中に設置されたアノードから防食電流を出力する外部電源カソード防食装置の出力電圧を制御するパイプラインのカソード防食方法であって、交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力工程と、前記平滑直流電圧出力工程によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御工程を有し、前記出力電圧制御工程は、検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように前記出力電圧を制御することを特徴とするパイプラインのカソード防食方法。

パイプライン周辺の電解質に設置された照合電極とパイプライン間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、パイプラインに接続され当該パイプライン周辺の電解質中に設置されたアノードから防食電流を出力する外部電源カソード防食装置を備え、前記外部電源カソード防食装置は、交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段と、前記平滑直流電圧出力手段によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段を備え、前記出力電圧制御手段は、検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように前記出力電圧を制御することを特徴とするパイプラインのカソード防食装置。

このような特徴を備えた本発明によると、防食対象物であるパイプラインの管対地電位を常時適正な範囲に保つことができる。また、パイプラインの管対地電位を適正な範囲に保つに際して、防食電流のリプル含有率を極力小さくすることで安定的な制御を可能にし、また、高効率で電力損失が少ない制御を可能にする。

本発明の実施形態に係るパイプラインのカソード防食方法及びカソード防食装置を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係るパイプラインのカソード防食方法の出力電圧制御工程を説明する説明図である。 本発明に係るカソード防食方法の実施例を示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係るパイプラインのカソード防食方法及びカソード防食装置を説明する説明図である。防食対象のパイプラインＰをカソード防食するカソード防食装置１００は、パイプラインＰに接続される外部電源カソード防食装置１と照合電極ＥｒとアノードＡｎを備えている。

パイプラインＰは、電解質（土壌）中に埋設された金属パイプラインである。外部電源カソード防食装置１は、パイプラインＰの比較的広い範囲にカソード防食電流を供給することができるものである。ここで用いられる照合電極Ｅｒは、パイプラインＰ周辺の電解質に設置され、照合電極ＥｒとパイプラインＰ間の管対地電位を常時検出するためのものであり、長期耐久性の点からＺｎ又はＭｇなどの金属電極が用いられることが多い。この照合電極Ｅｒは、カソード防食を行う前のパイプラインＰにおいて最もプラスよりの管対地電位が検出される地点を特定して設置される。アノードＡｎは、パイプラインＰ周辺の電解質中に設置されている。

外部電源カソード防食装置１は、照合電極ＥｒとパイプラインＰ間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、アノードＡｎからカソード防食電流を出力するものであり、リード線Ｌ１を介して照合電極Ｅｒと電気的に接続する接続端子１ａと、リード線Ｌ２を介してパイプラインＰと電気的に接続する接続端子１ｂと、リード線Ｌ３を介してアノードＡｎと電気的に接続する接続端子１ｃと、リード線Ｌ４を介してパイプラインＰと電気的に接続する接続端子１ｄを備えている。接続端子１ａと接続端子１ｂは電圧計２５を介して接続されている。管対地電位検出手段２４は、電圧計２５によって検出される管対地電位を出力する。接続端子１ｃと接続端子１ｄ間にはアノードＡｎから防食電流（出力電流）を出力するための出力電圧が印加される。また、必要に応じて、リード線Ｌ３には防食電流である出力電流を計測するためのシャント１５を設けることができる。

このような外部電源カソード防食装置１は、交流電源２から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段１０と、平滑直流電圧出力手段１０によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段（スイッチング回路１４及び比較・調整手段２０）を備える。

平滑直流電圧出力手段１０は、交流電源２からの出力電圧を変圧する変圧回路１１と変圧された出力電圧を整流する整流回路１２と整流回路１２の出力電圧を平滑化する平滑回路１３を備える。平滑直流電圧出力手段１０の構成例を示すと、単相１００Ｖ，５０又は６０Ｈｚの交流電源２の入力電圧を変圧回路１１が６０Ｖに変圧し、その後、整流回路１２で全波整流する。全波整流は、例えばダイオード・ブリッジを用いて行われる。全波整流後には、コンデンサを含む平滑回路１３で出力電圧のリプル含有率を極力小さくする。この平滑直流電圧出力手段１０から出力される出力電圧は、リード線Ｌ３，Ｌ４間に印加される。

出力電圧制御手段（スイッチング回路１４及び比較・調整手段２０）は、電圧計２５によって検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように出力電圧を制御する。具体的には、出力電圧制御手段は、平滑直流電圧出力手段１０の出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチング回路１４と、スイッチング回路１４のデューティ比を調整する比較・調整手段２０を備えている。

スイッチング回路１４は、設定周波数のスイッチング周期の中でスイッチングオン時間とスイッチングオフ時間が調整自在に設定されており、スイッチングオン時間と設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比が調整自在になっている。

比較・調整回路２０は、ゲート出力回路２１と比較回路２２を備え、管対地電位検出手段２４で検出された管対地電位を制御管対地電位幅設定手段２３で設定された上限・下限設定値と比較して、前述したデューティ比を調整する。

カソード防食装置１００を用いたカソード防食方法を説明する。カソード防食装置１００を作動させると、平滑直流電圧出力手段１０によって交流電源２から供給された電圧が平滑な直流電圧となって出力される（平滑直流電圧出力工程）。そして、平滑な直流電圧となった出力電圧は前述した出力電圧制御手段によって制御される（出力電圧制御工程）。

図２は、出力電圧制御工程を説明する説明図である。電圧計２５は設定されたデータサンプリング間隔Δｔ₀で検出電位ｅ₁，ｅ₂，…を出力する。管対地電位検出手段２４は、設定時間Δｔ_n内に検出された検出電位ｅ₁，ｅ₂，…，ｅ_n-1，ｅ_nの移動平均Ｅ₁を求めて、これを検出された管対地電位（Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃，…）として逐次比較回路２２に出力する。データサンプリング間隔Δｔ₀は、例えば０．１ｍｓに設定することができる。設定時間Δｔ_nは、０．１ｍｓ〜１００ｍｓの任意な時間を設定することができる。設定時間Δｔ_nを１ｍｓに設定した場合には、１０個の検出電位ｅ₁〜ｅ₁₀の平均値が求められ、１ｍｓ毎に検出された管対地電位が比較回路２２に出力される。

そして、比較回路２２では、検出された管対地電位を前記制御管対地電位幅の上限・下限設定値と比較して、ゲート出力回路２１を調整して出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチング回路１４のデューティ比を調整する。上限設定値Ｅｔと下限設定値Ｅｄは、制御管対地電位幅設定手段２３で設定される。上限設定値Ｅｔは防食電位に相当する値であり、下限設定値Ｅｄは過防食電位に相当する値になる。上限設定値Ｅｔと下限設定値Ｅｄの差である制御管対地電位幅Ｅｗは、例えば２００〜３００ｍＶに設定することができる。

このような出力電圧制御工程では、図示のように、検出された管対地電位が上限設定値Ｅｔに達したときにはスイッチング回路１４のデューティ比が大きくなるように制御して出力電圧を上昇させ、検出された管対地電位が下限設定値Ｅｄに達したときにはスイッチング回路１４のデューティ比が小さくなるように制御して出力電圧を降下させる。このようなデューティ比の調整による出力電圧の制御では、出力電圧を上昇させて最大出力電圧（デューティ比１）に達した場合は出力電圧の上昇は中断されその最大出力電圧が保持される状態になり、出力電圧を降下させて０Ｖに達した場合には出力電圧の降下は中断され０Ｖが維持されることになる。

出力電圧の上昇・下降速度は、十分な応答速度と制御の安定性を考慮して設定される。例えば、出力電圧の上昇速度は最大１Ｖ／ｍｓで上昇させることで十分な応答速度を確保する。これに対して、出力電圧の降下速度は上昇速度に対して比較的緩やかな速度とし、例えば２５０ｍＶ／ｍｓで降下させる。このような出力電圧の上昇降下を行うことで、十分な応答速度と高い安定性を確保することができ、パイプラインＰの管対地電位を制御管対地電位幅内に安定化させることができる。

外部電源カソード防食装置１の動作は、携帯型ＰＣなどで構成することができるカソード防食管理手段３によって管理することができる。カソード防食管理手段３には、管対地電位検出手段２４から出力される管対地電位、スイッチング回路１４によって制御される出力電圧、アノードＡｎに接続されるリード線Ｌ３に設けたシャント１５で計測される出力電流が入力される。そして、カソード防食管理手段３は、例えば、これらの入力情報に基づいて制御管対地電位幅設定手段２３の設定値の変更、総合回路抵抗（出力電圧／出力電流）の算出、検出或いは飽和硫酸銅電極以外の照合電極を用いた場合の制御管対地電位の飽和硫酸銅電極電位への換算などを行う。

カソード防食管理手段３は、図示省略したインターネットなどの通信回線を経由してカソード防食管理システムのサーバーに接続することができ、これによって、外部電源カソード防食装置１及びカソード防食手段３を遠隔監視・制御することができる。この際の遠隔監視項目は、検出或いは制御管対地電位、出力電圧、出力電流、総合回路抵抗などであり、カソード防食管理システムのサーバーから制御管対地電位幅の設定変更などを行うことができる。

図３は、前述したカソード防食方法の実施例を示している。ここでは、制御管対地電位幅を飽和硫酸銅電極基準電位で−２．１Ｖ（上限設定値）から−２．４Ｖ（下限設定値）に設定し、Ｄ１〜Ｄ８の８日間の制御を行った結果を示している。図３における（ａ）は、飽和硫酸銅電極基準に換算した制御管対地電位（Ｖ）を最大値，平均値，最小値の経時変化で示しており、（ｂ）は、出力電圧（Ｖ）を最大値，平均値，最小値の経時変化で示しており、（ｃ）は、出力電流（Ａ）を最大値，平均値，最小値の経時変化で示しており、（ｄ）は、総回路抵抗（Ω）の経時変化を示している。

ここでの最大値，平均値，最小値を求める計測方法は、以下のとおりである。１ｓ間に０．１ｍｓの間隔でサンプリングされた１０，０００個の検出値の平均値を求め１つのデータを得る。１０ｓ毎に得られる１０個のデータから平均値，最大値，最小値をそれぞれ求める。２時間毎に１０ｓ毎に求めた平均値，最大値，最小値のデータ（それぞれ７２０個のデータ）から平均値，最大値，最小値を求め、カソード防食管理手段３のメモリに保存する。カソード防食管理手段３は、１日に１回、２時間毎に保存した平均値，最大値，最小値のデータをカソード防食管理システムのサーバーに送信する。すなわち、カソード防食管理手段３は、１日につき平均値，最大値，最小値をそれぞれ１２個送信する。図３（ａ）〜（ｄ）は、このようにしてカソード防食管理手段３からカソード防食管理システムのサーバーに送信されたデータをグラフ表示したものである。

この実施例では、−２．１Ｖ（上限設定値）から−２．４Ｖ（下限設定値）に設定された制御管対地電位幅に対して、制御管対地電位の８日間の平均値は−２．２５Ｖになっており、図３（ａ）に示したように、その変動も最小限に抑えられている。このように、本発明の実施形態に係るカソード防食方法及びカソード防食装置によると、管対地電位の精緻な制御が可能になる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るカソード防食方法及びカソード防食装置によると、平滑直流電圧出力工程（手段）によって交流電流のリプル含有率を極力小さくしてカソード防食電流を出力させることができるので、防食対象となるパイプラインＰの管対地電位を設定範囲に収める精緻な制御が可能になり、また、パイプラインＰに交流誘導低減器が接続されている場合であっても、カソード防食電流が交流誘導低減器を経由して大地に流れることを抑止することができる。これによって、安定的な定電位制御が可能になると共に、高効率で電力損失が少ない制御を行うことができる。

一つの設定値と検出された管対地電位を比較して、設定値に対して管対地電位が上まわったときに出力電圧を遮断し下まわったときに出力電圧を通電する従来の定電位制御では、出力電圧の変化に対して管対地電位の変化が追従せず安定性の高い制御を行うことができない。これに対して、本発明の実施形態に係るカソード防食方法及びカソード防食装置では、所定の制御管対地電位幅を設けてその幅内に検出された管対地電位が入るような制御を行い、しかも、出力電圧をスイッチング回路のデューティ比の調整によって徐々に上昇又は降下させるようにしているので、パイプラインＰの管対地電位を制御管対地電位幅のほぼ中央に安定化させる制御を行うことが可能になる。この際、出力電圧の上昇速度を降下速度より速く設定することで、腐食リスクの迅速な回避と安定的な制御を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１：外部電源カソード防食装置，２：交流電源，３：カソード防食管理手段，
１０：平滑直流電圧出力手段，
１１：変圧回路，１２：整流回路，１３：平滑回路，１４：スイッチング回路，
１５：シャント，
２０：比較・調整手段，
２１：ゲート出力回路，２２：比較回路，２３：制御管対地電位幅設定手段，
２４：管対地電位検出手段，２５：電圧計，
Ｐ：パイプライン，Ｅｒ：照合電極，Ａｎ：アノード，
Ｌ１〜Ｌ４：リード線，１ａ〜１ｄ：接続端子

Claims (5)

1. パイプライン周辺の電解質に設置された照合電極とパイプライン間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、パイプラインに接続され当該パイプライン周辺の電解質中に設置されたアノードから防食電流を出力する外部電源カソード防食装置の出力電圧を制御するパイプラインのカソード防食方法であって、
   交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力工程と、
   前記平滑直流電圧出力工程によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御工程を有し、
   前記出力電圧制御工程は、検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように前記出力電圧を制御することを特徴とするパイプラインのカソード防食方法。
2. 前記制御管対地電位幅は、過防食電位を下限設定値とし防食電位を上限設定値とする２００〜３００ｍＶ幅に設定されることを特徴とする請求項１に記載されたパイプラインのカソード防食方法。
3. 前記出力電圧制御工程は、検出された管対地電位を前記制御管対地電位幅の上限・下限設定値と比較して、前記出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチングオン時間と前記設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比を調整し、
   検出された管対地電位が前記上限設定値に達したときには前記デューティ比が大きくなるように制御し、検出された管対地電位が前記下限設定値に達したときには前記デューティ比が小さくなるように制御することを特徴とする請求項２に記載されたパイプラインのカソード防食方法。
4. パイプライン周辺の電解質に設置された照合電極とパイプライン間の管対地電位を検出して、検出された管対地電位に基づいて、パイプラインに接続され当該パイプライン周辺の電解質中に設置されたアノードから防食電流を出力する外部電源カソード防食装置を備え、
   前記外部電源カソード防食装置は、
   交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段と、
   前記平滑直流電圧出力手段によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段を備え、
   前記出力電圧制御手段は、検出された管対地電位が設定された制御管対地電位幅内に入るように前記出力電圧を制御することを特徴とするパイプラインのカソード防食装置。
5. 前記平滑直流電圧出力手段は、交流電源からの出力電圧を変圧する変圧回路と変圧された出力電圧を整流する整流回路と当該整流回路の出力電圧を平滑化する平滑回路とを備えることを特徴とする請求項４に記載されたパイプラインのカソード防食装置。

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