JP2015063734A - Electric anticorrosion system and pump device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置に係り、特に犠牲陽極を用いて好適な電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置に関する。 The present invention relates to an anticorrosion system and a pump device including the same, and more particularly to an electrocorrosion system suitable using a sacrificial anode and a pump device including the same.
従来の海水環境で使用される機器の防食の例が、特許文献1に記載されている。この公報では、膨張黒鉛製シール材を装着してなる二相系ステンレス鋼製機器の防食のために、シール材が装着された二相系ステンレス鋼部の近傍にあって、該ステンレス鋼部と接合され、一体的に電導体を構成している二相系ステンレス鋼材部の海水流体と接触する側の表面に、被防食部の二相系ステンレス鋼よりも標準電極電位が低い金属材料からなる犠牲陽極を1個以上設置し、電気的に接続している。
An example of corrosion protection of equipment used in a conventional seawater environment is described in
また、犠牲陽極を海水取水ポンプに設けることが特許文献2に、犠牲陽極材料としてマグネシウム合金を用いることが特許文献3に記載されている。
Patent Document 2 describes that a sacrificial anode is provided in a seawater intake pump, and
上記特許文献1や特許文献3に記載の犠牲陽極では、犠牲陽極の表面積または設置位置を変更しないと溶出速度を制御することが出来ない。すなわち、犠牲陽極の寿命を所定値以上にするためには、予め測定した単位時間当たりの犠牲陽極の減少量に必要寿命を掛け合わせた量以上の陽極材料が必要となり、多大な犠牲陽極を設置しなければならない。その結果、犠牲陽極の取り付け場所に余裕がある、または犠牲陽極の追加等が容易な熱交換器等ではそれほど困難性はないが、海水ポンプ等の犠牲陽極の設置場所に制限が多い場合には、多大な犠牲陽極の設置位置を確保することが困難である。また、犠牲陽極を流れる防食電流の大きさは、電解質や防食対象の材質や形状、犠牲陽極の形状により決定されるので、防食対象に応じた適切な防食システム設計が制約される。
In the sacrificial anode described in
また、特許文献2に記載の海水取水ポンプ装置では、犠牲陽極による防食部位を限定することにより犠牲陽極の長寿命化を図っているが、限定された部位以外での思わぬ腐食の発生に対しては対応が困難となる。 Moreover, in the seawater intake pump device described in Patent Document 2, the sacrificial anode is made longer by limiting the corrosion-preventing site by the sacrificial anode, but against unexpected corrosion occurring outside the limited site. It will be difficult to respond.
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、海水ポンプ等のポンプ装置に用いる犠牲陽極を長寿命化して、海水ポンプ装置の電気防食システムを長寿命化することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is to extend the life of a sacrificial anode used in a pump device such as a seawater pump, and to extend the life of an anticorrosion system of the seawater pump device. is there.
上記目的を達成する本発明の特徴は、電気防食システムが、防食対象の金属部材と、この金属部材に電気的に導通して取り付けた温度制御可能な犠牲陽極と、前記防食対象の金属部材と前記犠牲陽極の温度を制御する温度制御装置とを備えることにある。 A feature of the present invention that achieves the above object is that the anticorrosion system includes a metal member to be protected against corrosion, a temperature-controllable sacrificial anode electrically connected to the metal member, and the metal member to be protected against corrosion. And a temperature control device for controlling the temperature of the sacrificial anode.
また他の特徴は、この電気防食システムを備えたポンプ装置で、防食対象の金属部材がポンプ装置のケーシングであり、ケーシングが電解質に浸漬する部分にケーシングと導通状態で犠牲陽極を取り付けたことにある。 Another feature is that the metal member to be anticorrosion is a casing of the pump device, and the sacrificial anode is attached to the portion where the casing is immersed in the electrolyte in a conductive state with the casing. is there.
本発明によれば、海水ポンプ等のポンプ装置に用いる犠牲陽極の温度を、このポンプ装置が浸漬される周囲海水温と異なる温度に制御可能としたので、犠牲陽極の溶出速度を制御でき、犠牲陽極を長寿命化できる。これにより、ポンプ装置及びそれが備える電気防食システムを長寿命化できる。 According to the present invention, since the temperature of the sacrificial anode used in a pump device such as a seawater pump can be controlled to a temperature different from the ambient seawater temperature in which the pump device is immersed, the elution rate of the sacrificial anode can be controlled, and sacrificial The life of the anode can be extended. Thereby, lifetime of a pump apparatus and the cathodic protection system with which it is provided can be extended.
金属材料を海水中のような腐食が発生しやすい環境下で使用する機器、例えば海水淡水化ポンプ設備の取水ポンプのケーシング材として使用する場合には、金属材料に腐食の発生を抑制する対策として、犠牲陽極方式の電気防食法や外部電源方式の電気防食法、表面被覆法、高耐食性材料法のいずれかを主として用いている。この中で、犠牲陽極方式の電気防食法は、比較的設置が容易で、材料コスト等も廉価な犠牲陽極を対象物に接触させるもので、近年多く使用されている。 When using metal materials as equipment for use in environments where corrosion is likely to occur, such as in seawater, such as intake pump casing materials for seawater desalination pump facilities, measures to suppress the occurrence of corrosion in metal materials Any one of sacrificial anode type anticorrosion method, external power source type anticorrosion method, surface coating method, and high corrosion resistance material method is mainly used. Among them, the sacrificial anode type anticorrosion method is a method of bringing a sacrificial anode, which is relatively easy to install and has a low material cost, into contact with an object, and has been widely used in recent years.
電気防食法は、腐食作用における電子移動を制御する防食方法である。犠牲陽極方式の電気防食法では、防食の対象となる機器の構造部材として用いられる金属材料に、標準電極電位が低い、すなわちより電位が卑な金属材料を接触させる。標準電位が卑な金属材料は、溶液環境中で防食対象の金属材料と同じ電位になるように金属イオンを溶出し、電子を防食対象の金属材料側に移送する。その際、防食対象の金属材料は、電子供給を受けてアノード溶解反応が減少するカソード側に電位を移動させ、アノード腐食反応を抑制する。この金属材料に接触させる標準電位が低い卑な金属材料が犠牲陽極である。 The cathodic protection method is an anticorrosion method for controlling electron transfer in the corrosive action. In the sacrificial anode type anticorrosion method, a metal material having a low standard electrode potential, that is, a lower potential, is brought into contact with a metal material used as a structural member of a device to be protected against corrosion. A metal material having a low standard potential elutes metal ions so as to have the same potential as the metal material to be protected in a solution environment, and transfers electrons to the metal material side to be protected. At that time, the metal material to be protected against corrosion moves the potential to the cathode side where the anodic dissolution reaction is reduced by receiving an electron supply, thereby suppressing the anodic corrosion reaction. A base metal material having a low standard potential to be brought into contact with the metal material is a sacrificial anode.
防食対象の金属材料は、鋳鉄や圧延鋼、機械構造用炭素鋼、ダイス鋼、ニッケル鋳鉄等の鉄鋼材料、青銅や黄銅等の銅合金、キュプロニッケルやモネルなどのニッケル基合金である。また、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼、二相系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼等のステンレスの圧延鋼または鋳造鋼も防食対象となる。一方、犠牲陽極の材料としては、炭素鋼やアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、およびこれ非鉄金属を主成分とする合金が用いられる。なお、犠牲陽極は溶出反応にともない消耗する。また、構造部材は腐食する可能性を有しているので、防食の対象となる海水ポンプのインペラ等では、標準電位が卑でかつ大面積を有する犠牲陽極に接触させて、腐食を抑制する。 The metal materials subject to corrosion protection are steel materials such as cast iron, rolled steel, carbon steel for machine structures, die steel, nickel cast iron, copper alloys such as bronze and brass, and nickel-based alloys such as cupronickel and monel. Austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, duplex stainless steel, martensitic stainless steel, precipitation hardened stainless steel, and other stainless rolled steel or cast steel are also subject to corrosion protection. On the other hand, as a material for the sacrificial anode, carbon steel, aluminum, zinc, magnesium, and an alloy mainly composed of this non-ferrous metal are used. The sacrificial anode is consumed with the elution reaction. Further, since the structural member has a possibility of corroding, the impeller of a seawater pump to be subjected to corrosion prevention is brought into contact with a sacrificial anode having a low standard potential and a large area to suppress the corrosion.
このような犠牲陽極を用いた防食システムおよび防食システムを有するポンプ装置の例を、以下図面を用いて説明する。図1は、海水淡水化システム80を示す図であり、図1(a)は海水淡水化システム80の一実施例のブロック図である。図1(b)は、図1(a)のX部拡大図である。海水淡水化システム80は、ポンプ装置として海水取水ポンプ30を備えている。
An example of the anticorrosion system using such a sacrificial anode and a pump device having the anticorrosion system will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a
海水淡水化システム80では、導水路41を通じて海水5を海岸40近くに設けた吸込み槽42に導いている。吸込み槽42には、ポンプ装置30の吸込み部を含む主要部が浸漬されている。ポンプ装置30の吐出側には吐出配管43が接続されており、吐出配管43はポンプ装置30が吸込んだ海水中の砂等の異物をろ過する二層ろ過器44に導かれている。
In the
二層ろ過器44で濾過された海水5は、ろ過海水槽45に導かれる。そして、ろ過海水槽45に備えられたポンプ46により、保安フィルタ47に供給される。保安フィルタ47で鉄粒などの異物が除去された海水は、動力回収タービン50が接続された高圧ポンプ49に送られる。高圧ポンプ49で加圧された海水は、配管48を経由してRO膜(逆浸透膜)モジュール52に供給され、塩分等を除去されて真水となって配管53を経て生産水槽54に蓄えられる。一方、RO膜モジュール52で水分を減少させて濃縮された濃縮水は、配管51から動力回収タービン50に導かれ、高圧ポンプ49を駆動する動力の一部として回収される、動力回収タービン50で動力回収されて低圧となった濃縮水は、配管55からこの海水淡水化システム80外に送られる。
The
ここで、詳細を後述するように、ポンプ装置30の揚水管の内外面は海水に浸漬する。また、高圧ポンプ49やポンプ46の内面は、海水に接している。そのため、腐食が発生しやすい環境下にある。さらに、高圧ポンプ49から下流の配管部分は金属配管が用いられており、5MPa以上の内圧で海水が流動している。これらの金属配管では、塩濃度に依存する腐食現象が時間経過とともに発生し、特に、配管結合部であるフランジ部や、表面組織と表面粗さが不均一となる溶接部では反応速度が大きな腐食が進展する場合がある。これらの腐食の発生を防止するために、本発明に係る防食システム70が必要となっている。
Here, as will be described in detail later, the inner and outer surfaces of the pumping pipe of the
ポンプ装置30である海水取水ポンプは、本実施例では立軸ポンプであり、先端部に吸込みベルマウス34が取り付けられている。吸込みベルマウス34には、ポンプケーシング33がフランジ接続されており、ポンプケーシング33は下流側で案内羽根32とフランジ接続されている。案内羽根32のさらに下流側には揚水管(コラムパイプ)31がフランジ35でフランジ接続されている。揚水管31の軸方向中間部には、海水取水ポンプ30を固定するためのフランジ39が取り付けられており、フランジ39は吸込み槽42の上部を覆うベース板42aに固定される。吸込みベルマウス34及びポンプケーシング33、案内羽根32、揚水管31は、ケーシングを構成する。
The seawater intake pump which is the
一方、ケーシング内部では、回転軸36が鉛直方向に延びており、回転軸36の最下端部には羽根車38が取り付けられており、羽根車ナット等で回転軸36に固定されている。案内羽根32の内周側には案内羽根流路を形成するために下流に行くに従い小径となる案内羽根内壁部37が配置されている。計測部20は、犠牲陽極3や加熱・冷却部11を有している。海水取水ポンプ30に設けた防食システム70の詳細は、後述する。
On the other hand, inside the casing, the rotating
次に、犠牲陽極の消耗量に関する重要な指標である分極曲線について、説明する。以下に、上記犠牲陽極及び陰極となる構造材料のいくつかについて、分極曲線を測定した結果を示す。海水中における金属の電位と電流密度は、固有の分極曲線で定まる。2種の金属が海水中で接すると、2種の分極曲線の交点の電位(混成電位)となり、交点の電流密度で防食電流が流れる。金属の分極は、電解質と金属の界面での電気化学反応に起因する。この電気化学反応が温度に依存するので、分極曲線も温度に依存する。すなわち、温度を制御パラメータとして、他の影響を考慮しながら最適な電気防食システムを設計することが可能になる。 Next, the polarization curve, which is an important indicator regarding the consumption amount of the sacrificial anode, will be described. Below, the result of having measured the polarization curve about some of the structural materials used as the said sacrificial anode and cathode is shown. The potential and current density of the metal in the sea water are determined by a specific polarization curve. When two kinds of metals come into contact with each other in seawater, an electric potential at the intersection of the two kinds of polarization curves (a hybrid electric potential) is generated, and an anticorrosion current flows at a current density at the intersection. The polarization of the metal is caused by an electrochemical reaction at the interface between the electrolyte and the metal. Since this electrochemical reaction depends on temperature, the polarization curve also depends on temperature. In other words, it is possible to design an optimal cathodic protection system while taking other influences into account using temperature as a control parameter.
図2〜図5に各材料について、分極特性を測定した結果を示す。分極特性の測定に当たっては、海水として人工海水(八洲薬品製アクアマリン)を使用した。また試験条件は、溶存酸素を大気飽和とし、海水の流速VをV=0(m/s)、pHを8.2に調整した。電気伝導度ECはEC=5(S/m)とした。 2 to 5 show the results of measuring polarization characteristics of each material. In measuring the polarization characteristics, artificial seawater (Aquamarine manufactured by Yashima Pharmaceutical) was used as seawater. The test conditions were adjusted so that dissolved oxygen was saturated with air, the flow rate V of seawater was V = 0 (m / s), and the pH was 8.2. The electrical conductivity EC was EC = 5 (S / m).
図2は、ステンレス鋼SUS316Lのカソード分極特性を対数近似したグラフであり、海水温度をパラメータとして測定した結果である。ステンレス鋼SUS316Lは、図1に示した海水取水ポンプ30の揚水管31等に従来から使用されている材料であり、防食対象の金属候補として試験した。電気防食システムを使用するステンレス鋼SUS316L製の配管の電位、および配管に付設した犠牲陽極の電位から、配管と犠牲陽極間の電流は、図2に示したカソード分極曲線と後述する犠牲陽極のアノード分極曲線の交点から求まる。
FIG. 2 is a graph obtained by logarithmically approximating the cathode polarization characteristics of stainless steel SUS316L, and is a result of measurement using seawater temperature as a parameter. Stainless steel SUS316L is a material conventionally used in the
ステンレス鋼SUS316Lのカソード分極は、電流密度が101(μA/cm2)程度までは海水温度の違いによる分極電圧の違いはわずかであるが、電流密度が101〜102(μA/cm2)間で温度依存性が高くなると共に、その分極電圧の変化量も大きくなる。そして、電流密度が102(μA/cm2)を超えると分極電圧の温度依存性は残るが、変化量は比較的少なくなる。 The cathode polarization of stainless steel SUS316L has a slight difference in polarization voltage due to the difference in seawater temperature up to a current density of about 10 1 (μA / cm 2 ), but the current density is 10 1 to 10 2 (μA / cm 2). ) Increases in temperature dependence, and the amount of change in the polarization voltage also increases. When the current density exceeds 10 2 (μA / cm 2 ), the temperature dependence of the polarization voltage remains, but the amount of change is relatively small.
図3に、配管材料の他の候補材である二相ステンレス鋼S31803について、図2と同様に試験した結果を、カソード分極特性を対数近似したグラフで示す。海水温度をパラメータとした。二相ステンレス鋼S31803は、より耐食性を求められる海水ポンプの材料として利用が進んでいる。この図3においても、分極電圧は、電流密度が101〜102(μA/cm2)間で温度依存性が高くなると共に、その分極電圧の変化量も大きい。また、図2、図3のいずれにおいても、分極電圧の変化が大きい電流密度が101〜102(μA/cm2)間で、海水温度が40℃の場合に、最も分極電圧が大きくなる。換言すれば、同一の電圧条件では、電流密度が最も小さくなる。 FIG. 3 shows a result of testing the duplex stainless steel S31803, which is another candidate material for the piping material, in the same manner as in FIG. Seawater temperature was used as a parameter. Duplex stainless steel S31803 is increasingly used as a material for seawater pumps that require more corrosion resistance. In FIG. 3 as well, the polarization voltage becomes highly temperature-dependent between current densities of 10 1 to 10 2 (μA / cm 2 ), and the amount of change in the polarization voltage is large. Moreover, in any of FIG. 2 and FIG. 3, when the seawater temperature is 40 ° C. between a current density of 10 1 to 10 2 (μA / cm 2 ) with a large change in the polarization voltage, the polarization voltage becomes the largest. . In other words, the current density is the smallest under the same voltage condition.
図4に、犠牲陽極の候補材である亜鉛合金について、アノード分極特性を対数近似したグラフを示す。海水温度をパラメータとして試験した結果である。試験条件は、カソード分極特性の試験と同じである。亜鉛合金としては、三井住友金属伸銅製のZAP−A(EL)(以下、亜鉛合金と称す)を使用した。この亜鉛合金は、純亜鉛にアルミニウムを合金元素として添加した組成を有している。 FIG. 4 shows a graph in which the anodic polarization characteristics are logarithmically approximated for a zinc alloy that is a candidate material for a sacrificial anode. It is the result of having tested seawater temperature as a parameter. The test conditions are the same as in the cathode polarization characteristics test. As the zinc alloy, ZAP-A (EL) (hereinafter referred to as a zinc alloy) manufactured by Sumitomo Mitsui Metals Copper Alloy was used. This zinc alloy has a composition obtained by adding aluminum as an alloy element to pure zinc.
図4において、同一の電位で比較すると、海水温度が40℃の場合に電流密度が最低になり、海水温度が30〜50℃の場合には、海水温度が20〜25℃の場合に比べ、大幅に電流密度が減少している。したがって、亜鉛合金製の犠牲陽極の場合には、犠牲陽極に接する海水温度が30〜50℃となるようにすれば、犠牲陽極を長寿命化できる可能性があることが分かる。さらに、40℃であれば最も長寿命を期待できる。 In FIG. 4, when compared at the same potential, the current density is lowest when the seawater temperature is 40 ° C., and when the seawater temperature is 30 to 50 ° C., compared to the case where the seawater temperature is 20 to 25 ° C., The current density is greatly reduced. Therefore, in the case of a sacrificial anode made of zinc alloy, it can be seen that there is a possibility that the life of the sacrificial anode can be extended if the seawater temperature in contact with the sacrificial anode is 30 to 50 ° C. Furthermore, the longest life can be expected at 40 ° C.
図5に、犠牲陽極の他の候補材としての炭素鋼のアノード分極特性を対数近似したグラフを示す。海水温度をパラメータにして示している。試験条件は図4の試験と同じである。炭素鋼として、SS400を使用した。図5に示した炭素鋼の場合、図4に示した亜鉛合金の場合と異なり、同一の電位で比較すると、炭素鋼はこの炭素鋼が接する海水温度が低ければ低いほど電流密度が減少している。したがって、炭素鋼を犠牲陽極に使用する場合には、炭素鋼に接する海水温度できるだけ低くすることにより、長寿命化が期待できる。 FIG. 5 shows a logarithmic approximation of the anodic polarization characteristics of carbon steel as another candidate material for the sacrificial anode. The seawater temperature is shown as a parameter. The test conditions are the same as in the test of FIG. SS400 was used as carbon steel. In the case of the carbon steel shown in FIG. 5, unlike the case of the zinc alloy shown in FIG. 4, when compared with the same potential, the carbon steel has a lower current density as the seawater temperature with which the carbon steel is in contact is lower. Yes. Therefore, when carbon steel is used for the sacrificial anode, a long life can be expected by making the temperature of seawater in contact with the carbon steel as low as possible.
次に上記結果を参照して、陰極材としてオーステナイト系ステンレス鋼であるSUS316Lを、犠牲陽極として亜鉛合金を使用した例について、発生する電流密度の海水温度による変化を求める具体的な方法を図6を用いて説明する。図6は、図2と図4を組み合わせることにより得られる。図が煩雑になるのを避けるため、ステンレス鋼SUS316Lの25℃におけるカソード分極の対数近似曲線100と、亜鉛合金の25℃におけるアノード分極の対数近似曲線101を、代表して示す。
Next, referring to the above results, a specific method for obtaining a change in generated current density due to seawater temperature in an example in which SUS316L, which is austenitic stainless steel, is used as a cathode material and a zinc alloy is used as a sacrificial anode is shown in FIG. Will be described. FIG. 6 is obtained by combining FIG. 2 and FIG. In order to avoid complication of the figure, a
海水温度25℃、犠牲陽極(亜鉛合金)温度25℃の条件でSUS316Lと亜鉛合金を海水中で短絡させたときの電位と電流密度は、図の交点から−1.074Vと97.0μA/cm2となる。同様に、亜鉛合金の20℃、30℃、40℃、50℃のアノード分極の対数近似曲線との交点を求めると、カソード曲線100上に記載した黒丸の位置となる。これらの各温度における両曲線の交点から、各温度における電位と電流密度が求まる。
The potential and current density when SUS316L and zinc alloy are short-circuited in seawater under the conditions of seawater temperature 25 ° C. and sacrificial anode (zinc alloy) temperature 25 ° C. are −1.074 V and 97.0 μA / cm from the intersection of the figure. 2 Similarly, when the intersection of the zinc alloy with the logarithmic approximate curve of anodic polarization at 20 ° C., 30 ° C., 40 ° C., and 50 ° C. is obtained, the position of the black circle described on the
ここで、近似式を用いると、計算により速やかに防食時の電位と電流密度を見積もることができる。例えば、25℃におけるカソード曲線100とアノード曲線101の交点付近を、カソード曲線100については下記式1で、アノード曲線101については下記式2で近似する。この両式を、連立方程式として解けば、交点における電位と電流密度が求まる。
Here, if an approximate expression is used, the potential and current density at the time of anticorrosion can be estimated quickly by calculation. For example, the intersection of the
近似方法としては対数近似のほか、線形近似、多項式近似、指数近似などの方法を使用できる。また、これらの近似式を用いることで有限要素法や境界要素法などの既知の手段により電位分布および電流密度分布をシミュレーションにより求め、設計することができる。なお、分極曲線を近似しないで使用してもよく、その場合高精度に防食時の電位と電流密度を見積もることができる。 As an approximation method, in addition to logarithmic approximation, methods such as linear approximation, polynomial approximation, and exponential approximation can be used. Further, by using these approximate expressions, the potential distribution and the current density distribution can be obtained by simulation and designed by known means such as a finite element method and a boundary element method. Note that the polarization curve may be used without approximation, and in that case, the potential and current density during corrosion prevention can be estimated with high accuracy.
ここで、犠牲陽極方式の電気防食システムでは、防食対象の金属部材と犠牲陽極の電解質中での電位差を駆動力として電流が発生する。電解質としては、海水以外に淡水、汽水、食塩水、塩水などでもよい。一般に、塩化ナトリウム濃度で区分すると0.05%未満が淡水、0.05%以上0.35%未満が汽水、0.35%以上0.5%未満が食塩水、0.5%以上が塩水と呼称される。海水の塩化ナトリウム濃度は0.24%から2.96%程度であり、海域により濃度差がある。一方、電解質として、任意のイオン種を含む水溶液を適用可能である。 Here, in the sacrificial anode type cathodic protection system, a current is generated using a potential difference in the electrolyte between the metal member to be protected and the sacrificial anode as a driving force. The electrolyte may be fresh water, brackish water, saline, salt water, etc. in addition to seawater. Generally, when classified by sodium chloride concentration, less than 0.05% is fresh water, 0.05% or more and less than 0.35% is brackish water, 0.35% or more and less than 0.5% is saline, and 0.5% or more is salt water. It is called. The sodium chloride concentration in seawater is about 0.24% to 2.96%, and there are differences in concentration depending on the sea area. On the other hand, an aqueous solution containing any ionic species can be applied as the electrolyte.
上記図2ないし図6においては、海水温度と犠牲陽極及び構造材である陰極材の温度がすべて同じである条件で、犠牲陽極に発生する電流密度を求めている。本発明では、犠牲陽極の消耗量を抑制するために、犠牲陽極のみ温度を調整可能にしている。以下に、犠牲陽極の温度を海水温度に対して変化させた場合の試験結果について説明する。 2 to 6, the current density generated in the sacrificial anode is obtained under the condition that the seawater temperature and the temperature of the sacrificial anode and the cathode material as the structural material are all the same. In the present invention, in order to suppress the consumption amount of the sacrificial anode, only the temperature of the sacrificial anode can be adjusted. Below, the test result at the time of changing the temperature of a sacrificial anode with respect to seawater temperature is demonstrated.
図7に、海水取水ポンプを模擬した電気防食システムの試験装置を模式図で示す。図7(a)は第1の試験装置61の図であり、図7(b)は第2の試験装置62の図である。双方の試験装置61、62では、陰極材である模擬配管1と犠牲陽極3の双方の表面を、人工海水6に接するようにした。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a test apparatus for an anticorrosion system simulating a seawater intake pump. FIG. 7A is a diagram of the
すなわち、第1の試験装置61では、水7が収容されたウォーターバス8内に人工海水6が所定量だけ蓄えられた容器21を設置する。容器21内には、ケーブル15eを支持手段に兼用して配管模擬部材1の試片が吊り下げられている。同様に犠牲陽極3が、ケーブル15fを支持手段に兼用して、容器21内に吊り下げられている。犠牲陽極3の一方の面には、熱伝導シート10を介して加熱・冷却部11が取り付けられている。加熱冷却部11は、ケーブル15bにより制御部13に接続されている。犠牲陽極には、温度検出器12aが付設されており、温度検出器12aが検出した温度情報はケーブル15cを介して制御部13に入力される。制御部13は、ケーブル15aにより電源14に接続されている。配管模擬部材1と犠牲陽極3は、無抵抗電流計9を介して、ケーブル15e、15fで接続されている。
That is, in the
第2の試験装置62は、上記第1の試験装置61と同じ構成要素を備えると共に、さらに第2の温度検出器12bも備えている。第2の温度検出器12bは、人工海水6の温度を検出するもので、第2の温度検出器が検出した温度情報は、ケーブル15を用いて制御部13に入力される。
The
なお、上記試験装置61、62では、模擬配管1と犠牲陽極3とを無抵抗電流計9とケーブル15e、15fとを用いて電気的に導通させているが、模擬配管1と犠牲陽極3とを導電性のボルト4で固定したり、直接、模擬配管1と犠牲陽極3を接触させたりすることもできる。これらの構成により、犠牲陽極3は、模擬配管1を模擬配管材料自身の浸漬電位より低くすることができる。
In the
第1、第2の試験装置61、62では、温度制御装置17を設け、犠牲陽極3の人工海水6に接している部分の温度を制御できるようにした。温度制御装置17は、犠牲陽極3に付設する計測部20と海水取水ポンプ設置部を模擬した部分に配置される制御部16とを有している。計測部20は、加熱・冷却部11および温度検出器12a、12bで構成され、制御部16は制御部13と電源14で構成される。
In the first and
加熱・冷却部11には、直接人工海水6に触れないようシールした電熱線を用い、犠牲陽極3と熱的に接触する場所に設置した。なお加熱・冷却部11には、ペルチェ素子や熱交換器などを用いることもできる。加熱・冷却部11と犠牲陽極3との間の熱抵抗を減少させるために、図に示すように、熱伝導シート10で接着するのがよい。または、熱伝導グリスを用いてもよい。
The heating /
温度検出器12a、12bには、シース入りの熱電対を用いた。シース入り熱電対の代わりに、シース無しの熱電対や抵抗式温度計など、種々の方法を用いることができる。温度検出器12a、12bで測定した温度情報を制御部13に入力して、フィードバック制御により犠牲陽極3の表面温度を所定の温度に制御した。
Thermocouples with sheaths were used for the
温度情報は、制御部16に設けた図示しない画像処理装置に付設した表示装置で可視化して表示した。この温度情報は、犠牲陽極3の表面温度を監視するのに使用した。なお、温度情報を記録装置に記録した後、情報として出力することもできるようにした。温度検出器12は、犠牲陽極3が人工海水6と接する部分の温度を測定できるよう、犠牲陽極3が人工海水6と接する面に配置した。この場合、温度検出器12a、12bの面積をできるだけ小さくする。
The temperature information was visualized and displayed by a display device attached to an image processing device (not shown) provided in the
制御部13は、温度検出器12a、12bからの情報に基づき加熱・冷却部11の出力を制御する。電源14は、犠牲陽極3及び制御部13に電力を供給する。制御部13および電源14は、上記試験装置61、62のように犠牲陽極3から離れた部分に設置するのがよく、直接人工海水6に触れない場所に設ける。
The
図8に、第1の試験装置61を用いて防食試験をする際に、温度制御装置17を制御する手順を、フローチャートで示す。なお、第1の試験装置61では、犠牲陽極3が人工海水6に接している部分に、犠牲陽極3の温度を測定する第1の温度検出器12aを設置した。
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for controlling the
ステップS110で、使用する犠牲陽極3の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値(加熱・冷却部11として加熱手段を用いる場合)または最大値(加熱・冷却部11として冷却手段を用いる場合)となる設定温度T0を、制御部13から入力する。次に、犠牲陽極3が海水に接している部分に取り付けた第1の温度検出器12aを用いて、犠牲陽極の温度T1を測定する(ステップS120)。制御部13は加熱・冷却部13を用いて2つの温度T0、T1の偏差が少なくなるように温度制御する(ステップS130)。続いて、第1の温度検出器12aを用いて、犠牲陽極の温度T1’を測定する(ステップS140)。設定温度T0とT1’とをステップS150で比較する。2つの温度T0,T1’の差が許容温度範囲であれば、フローを終了し、次の温度計測点に移行する。温度差が許容温度範囲外であれば、ステップS120に戻る。全ての計測点での計測が終わったら、試験を終了する。
In step S110, the minimum value of the test range determined in advance according to the material of the
図7(b)に示した第2の試験装置62では、図7(a)に示した第1の試験装置の構成に加え、犠牲陽極3の近傍の人工海水温度T2を測定する第2の温度検出器12bを設置した。第2の温度検出器12bには、第1の温度検出器12aと同様のものを用いた。2つの温度検出器12a、12bが検出した温度信号を、制御部13に入力した。この第2の試験装置62を用いた試験では、検出温度の差(絶対値)が所定範囲内になるように、犠牲陽極3の温度を制御部13が制御した。
In the
図9に、第2の試験装置62を用いた試験方法を、フローチャートで示す。すなわち、ステップS210で、海水温度T2を25、30、40、50℃のいずれかにし、使用する犠牲陽極3の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値(加熱・冷却部11として加熱手段を用いる場合)または最大値(加熱・冷却部11として冷却手段を用いる場合)となる温度T1との差ΔTを、制御部13から入力する。次に、犠牲陽極3の近傍の海水温度T2を測定する第2の温度検出器12bを用いて海水温度T2を測定する(ステップS220)。
FIG. 9 is a flowchart showing a test method using the
犠牲陽極3が海水に接している部分に取り付けた第1の温度検出器12aを用いて、犠牲陽極の温度T1を検出する(ステップS230)。制御部13は、加熱・冷却部を用いて、2つの温度T2、T1の温度差ΔTが予め定めた値に近づくように温度制御する(ステップS240)。続いて、第1の温度検出器12aを用いて、犠牲陽極3の温度T1’を測定する(ステップS250)。
Using a
第2の温度検出器12bが検出した海水温度T2と犠牲陽極の温度T1’とを、ステップS260で比較する。2つの温度T2、T1’の差が予め定めた温度差ΔTの許容範囲であればフローを終了し、次の温度差ΔTが得られる温度計測点に移行する。2つの温度T2、T1’の差が設定温度許容温度範囲外であれば、ステップS230に戻る。全ての計測点での計測が終わった(ステップS260)ら、試験を終了する。
The temperature T 1 'of the sea water temperature T 2 and the sacrificial anode
以上説明した2つの試験装置及び2つの試験方法を用いて、陰極の配管部材としてステンレス鋼SUS316Lおよび二相ステンレス鋼S31803を、犠牲陽極材として亜鉛合金及び構造用炭素鋼SS400を用いて試験した結果を以下に説明する。 Results of testing using stainless steel SUS316L and duplex stainless steel S31803 as cathode piping members, zinc alloy and structural carbon steel SS400 as sacrificial anode materials using the two test apparatuses and two test methods described above Is described below.
(A系列)
陰極材となる模擬配管1にステンレス鋼SUS316Lを、犠牲陽極3に亜鉛合金を用いた場合である。第1の試験装置61及び第1の試験方法を用いて、海水温度T2を25〜50℃の間で変化させ、犠牲陽極3の温度T1を20〜50℃の間で変化させた。模擬配管1と犠牲陽極3の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管1と犠牲陽極3間に流れる電流密度を測定した。なお、以下の一連の試験では、ポンプ内部の海水が羽根車から与えられる動力により温度上昇する場合を考慮して、海水温度T2が50℃まで上昇する場合も試験した。
(A series)
This is a case where stainless steel SUS316L is used for the
この試験結果をまとめたのが、表2である。表2で「×」印は、犠牲陽極3の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極3の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極3の動作温度として特に効果が優れていることを示している。犠牲陽極3の動作温度の適/不適は、犠牲陽極3の温度T1を20~50℃の間で変化させた場合に、電流密度が小さくなった範囲を適と判断した。
Table 2 summarizes the test results. In Table 2, “X” indicates that the operating temperature of the
表1に示した通り、試験番号A1〜A20の範囲では、犠牲陽極3の温度T1が30℃以上であって50℃以下になると、犠牲陽極3の温度T1が20℃または25℃の場合と比較して、ステンレス鋼SUS316Lの模擬配管1と犠牲陽極の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極3の温度T1を所定温度よりも高い温度に温度制御すれば、犠牲陽極3の長寿命化を期待できることが分かった。
As shown in Table 1, in the range of test numbers A1~A20, when the temperature T 1 of the
(B系列)
陰極材となる模擬配管1にステンレス鋼SUS316Lを、犠牲陽極に構造用炭素鋼SS400を用いた場合である。第2の試験装置62及び第2の試験方法を用いて、海水温度T2を25〜50℃の間で変化させ、犠牲陽極3の温度T1を、冷却手段としてペルチェ素子を用いて10〜50℃の間で変化させた。ここで、犠牲陽極3の温度T1を検出する第1の温度検出器12aと、海水温度T2を検出する第2の温度検出器12bが検出した温度信号に基づき、犠牲陽極3の温度T1を海水温度T2より低くなるよう温度制御した。さらに、模擬配管1と犠牲陽極3の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管1と犠牲陽極3間に流れる電流密度を測定した。
(B series)
This is a case where stainless steel SUS316L is used for the
試験結果をまとめて、表4に示す。表4で「×」印は、犠牲陽極3の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極3の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極3の動作温度として特に効果が優れていることを示している。なお、「−」は、効果が得られないことが予測できたので、試験しなかったことを示している。犠牲陽極3の動作温度の適/不適は、海水温度T2と犠牲陽極3の温度T1とが同一であるときの電流密度を基準に、それよりも電流密度が低下していれば適と判断した。
The test results are summarized in Table 4. In Table 4, “x” indicates that the operating temperature of the
表3に示した通り、試験番号B1〜B18において、犠牲陽極3の温度T1が海水の温度T2より低い場合は、犠牲陽極3の温度T1が海水の温度T2に等しい場合よりも、ステンレス鋼SUS316Lの模擬配管1と犠牲陽極3の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極3の温度T1を海水の温度T2よりも低くなるよう温度制御すれば、犠牲陽極3の長寿命化が期待できることが判明した。
As shown in Table 3, in Test No. B1~B18, when the temperature T 1 of the
(C系列)
陰極材となる模擬配管1に二相ステンレス鋼S31803を、犠牲陽極に亜鉛合金を用いた場合である。第1の試験装置61及び第1の試験方法を用いて、海水温度T2を25〜50℃の間で変化させ、犠牲陽極3の温度T1を、20〜50℃の間で変化させた。模擬配管1と犠牲陽極3の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管1と犠牲陽極3間に流れる電流密度を測定した。
(C series)
This is a case where duplex stainless steel S31803 is used for the
試験結果をまとめて、表6に示す。表6で「×」印は、犠牲陽極3の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極3の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極3の動作温度として特に効果が優れていることを示している。
The test results are summarized in Table 6. In Table 6, “x” indicates that the operating temperature of the
表1に示した通り、試験番号C1〜C20の範囲では、犠牲陽極3の温度T1が30℃以上であって50℃以下になると、犠牲陽極3の温度T1が20℃または25℃の場合と比較して、二相ステンレス鋼S31803の模擬配管1と犠牲陽極3の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極3の温度T1を所定温度、例えば30℃よりも高い温度に温度制御すれば、犠牲陽極3の長寿命化を期待できることが分かった。
As shown in Table 1, in the range of test numbers C1 to C20, when the temperature T 1 of the
(D系列)
陰極材となる模擬配管1に二相ステンレス鋼S30803を、犠牲陽極に構造用炭素鋼SS400を用いた場合である。第2の試験装置62及び第2の試験方法を用いて、海水温度T2を10〜50℃の間で変化させ、犠牲陽極3の温度T1を20〜50℃の間で変化させた。犠牲陽極3の温度T1を、冷却手段を用いて10〜50℃の間で変化させた。ここで、犠牲陽極3の温度T1を検出する第1の温度検出器12aと、海水温度T2を検出する第2の温度検出器12bが検出した温度信号に基づき、犠牲陽極3の温度T1を海水温度T2より低くなるよう温度制御した。模擬配管1と犠牲陽極3の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管1と犠牲陽極3間に流れる電流密度を測定した。
(D series)
This is a case where duplex stainless steel S30803 is used for the
試験結果をまとめて、表8に示す。表8で「×」印は、犠牲陽極3の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極3の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極3の動作温度として特に効果が優れていることを示している。「−」は、効果が得られないことが予測できたので、試験しなかったことを示している。
The test results are summarized in Table 8. In Table 8, “X” indicates that the operating temperature of the
表7に示した通り、試験番号D1〜D18において、犠牲陽極3の温度T1が海水温度T2より低い場合は、犠牲陽極3の温度T1が海水温度T2に等しい場合よりも、二相ステンレス鋼S31803と犠牲陽極3の間の電流密度が小さい。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極3の温度T1を海水温度T2よりも低い温度に温度制御すれば、犠牲陽極3の長寿命化を期待できることが分かった。特に犠牲陽極の温度を10℃まで低下させれば、電流密度が最も小さくなり、犠牲陽極3の長寿命化のために最も好ましい結果が得られた。
As shown in Table 7, in Test No. D1~D18, when the temperature T 1 of the
上記模擬配管1を使用した試験装置61、62は、そのままポンプ装置30の防食システムに適用できる。また、温度制御方法についても、人工海水温度の代わりに海水温度を測定しておけば、犠牲陽極3の温度を設定でき、修正して最適温度制御に使用できる。
The
以上の第1、第2試験装置61、62を用いた模擬配管1と犠牲陽極との組み合わせ試験結果を反映して、実際のポンプ装置30への応用を考慮した防食システムを、図10に示す。図10は、実機に転用可能な防食システムの第3の試験装置63の正面断面図である。
FIG. 10 shows an anticorrosion system in consideration of application to the
図11に、試験装置63を用いた試験方法をフローチャートで示す。まず、図11(a)に示した、犠牲陽極3を冷却する場合について説明する。すなわち、ステップS310で、使用する犠牲陽極3の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値Tmaxおよび最大値Tminを設定し、制御部13から入力する。以降、温度制御ループを開始する。ループの回数はn回目としてカウントし、初期値はn=0とする(ステップS320)。まず、電流検出器9で電流i0を検出し、第1の温度検出器12aで犠牲陽極3の温度T0を検出する(ステップS330)。次に、加熱・冷却部11で犠牲陽極を冷却した上で(ステップS340)、n+1回目、すなわち1回目のループに入り(ステップS350)、電流検出器9で電流i1を検出し、第1の温度検出器12aで犠牲陽極温度T1を検出する(ステップS360)。i0とi1を比較し(ステップS370)、i1が小さければT1とTminを比較し(ステップS380)、T1の方が高ければ再度加熱・冷却部11で冷却(ステップS340)、T1の方が低ければ所定の温度範囲に戻すため加熱・冷却部11で加熱(ステップS390)した上で、それぞれn+1回目、すなわち2回目のループに入り(ステップS350)、温度制御を同様に繰り返していく。また、i1とi0を比較し(ステップS400)、両者の差が許容温度範囲であれば電流値が最小となったと判断し、犠牲陽極3の温度T1を維持し(ステップS410)、温度制御フローを終了し、次の温度計測点に移行する。i1が大きければ冷却過剰と判断し、加熱・冷却部11で加熱した上で(ステップS390)、n+1回目、すなわち2回目のループに入り(ステップS350)、温度制御を同様に繰り返していく。全ての計測点での計測が終わったら、試験を終了する。
なお、図11(b)に示した、犠牲陽極3を加熱する場合は、図11(a)の説明における加熱と冷却を逆に読み換えて実施すればよい。但し、ステップS381においては、TnとTmaxを比較し、Tnの方が低ければ加熱・冷却部11で加熱(S341)、Tnの方が高ければ所定の温度範囲に戻すため加熱・冷却部11で冷却(ステップS391)した上で、それぞれn+1回目のループに入り(ステップS350)、温度制御を同様に繰り返していく。
FIG. 11 is a flowchart showing a test method using the
When the
模擬配管1の材料をステンレス鋼SUS316Lとし、犠牲陽極3を亜鉛合金とした(試験番号E1)。犠牲陽極3と模擬配管1の電流値を測定する無抵抗電流計9が検出した電流値がより小さくなるように、加熱・冷却部11を用いて犠牲陽極3の温度を制御する。25℃〜50℃の人工海水6の温度範囲では、犠牲陽極3の温度が30℃〜50℃になると電流密度がより小さくなる。そして、犠牲陽極3の温度が40℃において、電流密度が最小値を示す。
The material of the
模擬配管1の材料をステンレス鋼SUS316Lとし、犠牲陽極3を炭素鋼とした(試験番号E2)。その他の構成は、試験番号E1と同じである。25℃〜50℃の人工海水6の温度範囲では、犠牲陽極3の温度を人工海水6の温度より低い温度とした場合に電流密度がより小さくなる。そして、犠牲陽極3の温度が10℃において、電流密度が最小値を示す。
The material of the
模擬配管1の材料としてステンレス鋼SUS316Lと鋳鉄FC200の2種を用い、犠牲陽極3を亜鉛合金とした(試験番号E3)。ステンレス鋼にはすきま治具を接触させ。すきま部を設けた。さらに、白金電極を用いた外部電源方式の電気防食を組み合わせた。ステンレス鋼と炭素鋼は外部電源に対し電気的に並列で接続し、どちらも防食対象となるようにした。鋳鉄FC200の表面の電流密度が5〜100μA/cm2となるよう制御して全面腐食を抑制する。ステンレス鋼SUS316Lのすきま部の電流密度が5〜100μA/cm2となるよう制御して、すきま腐食を抑制する。
Two materials of stainless steel SUS316L and cast iron FC200 were used as the material of the
図1に示したポンプ装置30に本発明に係る防食システムを適用した場合について、以下に説明する。上記第1の試験装置61を実機に適用する場合である。図1(b)に示すように、陰極材であるコラムパイプ31と犠牲陽極3の双方の表面を、海水に接するようにする。また、コラムパイプ31と犠牲陽極3には、海水に接していない部分で、導電性のボルト4で固定する。犠牲陽極3は、コラムパイプ31をコラムパイプ材料自身の浸漬電位より低くする。
The case where the anticorrosion system which concerns on this invention is applied to the
犠牲陽極3の海水に接している部分の温度を制御するために、犠牲陽極3に付設する計測部20と海水取水ポンプ設置部に配置される制御部16とを有する温度制御装置を設ける。計測部20は、加熱・冷却部11および温度検出器12を有し、制御部16は制御部13と電源14とを有している。本実施例で特徴的なのは、コラムパイプ31と犠牲陽極3の電気的導通部における電流値を測定する電流検出器22を有していることである。
In order to control the temperature of the portion of the
海水取水用ポンプ30では、コラムパイプ31の外周面部に犠牲陽極3が配設されている。犠牲陽極3は、導電性固定具4でコラムパイプ31と電気的に導通されるとともに固定されている。犠牲陽極3に密着させた熱伝導シート10を介して、加熱・冷却部11が配設されている。
In the
さらに、犠牲陽極3の側面には、温度検出器12が配設されている。加熱・冷却部11と温度検出器12は、それぞれケーブル15b、15cで制御部13に接続されている。ケーブル15b、15cは、信号の送受信と電力供給の機能を有する。制御部13は、ケーブル15aで電源14に接続されている。これら加熱・冷却部11、および温度検出器12、制御部13、電源14、ケーブル15a〜15cを総称して温度制御装置と呼ぶ。
Further, a
なお、コラムパイプ31の内面部にも、犠牲陽極3と計測部20を設置する。このとき、ポンプ30内の流れに影響を与えないため、および犠牲陽極3を含む計測部20の脱落を防ぐために、コラムパイプ31の内面に凹部を設け、その内側に犠牲陽極3を含む計測部20を配設する。さらに、凹部のスペースを無駄にしないために、犠牲陽極3の表面とコラムパイプ31の内壁面が同一面上となるようにする。
The
もしくは、コラムパイプ31の内周面に凹部を設ける代わりに、コラムパイプ31に孔を開けて開口部を形成する。そして、この開口部にフランジを配設し、フランジと計測部20を一体としてもよい。この場合、コラムパイプ31とフランジと犠牲陽極3の間を、電気的に導通させる。コラムパイプ31の外周面部と内周面部に電極を設置し、コラムパイプ31と電極間に電圧を印加する外部電源方式電気防食とすることもできる。この場合、コラムパイプ31と電極の間を、絶縁する。
Alternatively, instead of providing a recess on the inner peripheral surface of the
以上、本発明について詳述したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. .
1…防食対象模擬部材(配管模擬部材)、3…犠牲陽極、4…導電性固定具、5…海水、6…人工海水、7…水、8…ウォーターバス、9…無抵抗電流計、10…熱伝導シート、11…加熱・冷却部、12、12a、12b…温度検出器、13…制御部、14…電源、15a〜15f…ケーブル、16…制御部、17…温度制御装置、20…計測部、21…容器、22…電流検出器、30…海水取水ポンプ(ポンプ装置)、31…コラムパイプ、32…案内羽根、33…羽根車ケーシング、34…吸込みベルマウス、35…フランジ、36…回転軸、37…案内羽根内壁部、38…羽根車(インペラ)、39…据え付け部、40…海岸、41…導水路、42…吸込み槽、42a…ベース板、43…吐出配管、44…二層ろ過器、45…ろ過海水槽、46…ポンプ、47…保安フィルタ、48…配管、49…高圧ポンプ、50…動力回収タービン、51…配管、52…RO膜モジュール、53…配管、54…生産水槽、55…濃縮水配管、61…第1の試験装置、62…第2の試験装置、63…第3の試験装置、70…防食システム、80…海水淡水化システム、100…カソード分極曲線、101…アノード分極曲線。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Priority Applications (4)
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