JP2018003036A

JP2018003036A - 超音波防食システム

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Publication number: JP2018003036A
Application number: JP2014199600A
Authority: JP
Inventors: 玲緒小林; Reo Kobayashi; 大橋　健也; Takeya Ohashi; 健也大橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-01-11
Also published as: WO2016051823A1

Abstract

【課題】ポンプ、海水淡水化プラント、発電プラント等に用いる配管全般の溶接部やすき間部などのＭＩＣが発生しやすい部位に対して、既設配管に対しても簡便に設置が可能であり、ＭＩＣの発生を抑制できる防食システムを提供する。【解決手段】溶接部またはすき間部を有する鋼材の微生物腐食を防止する防食システムであって、鋼材は、溶接部またはすき間部が液体と接する接液部分を有し、鋼材の溶接部またはすき間部の非接液面に対して超音波を印加する超音波印加手段を備え、超音波印加手段として１００ｋＨｚ以下の周波数の超音波を印加することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波防食システムおよびそれを備えたプラントに係り、特に配管の溶接部またはすき間部に超音波を印加してＭＩＣを防止する超音波防食システムおよびそれを備えたプラントに関する。

従来、微生物腐食（ＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙＩｎｄｕｃｅｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎ、ＭＩＣ）と呼ばれる特異的に高い腐食速度を有する腐食形態が知られている。これは、硫酸塩還元細菌、鉄酸化細菌、メタン古細菌などのＭＩＣの原因菌となる生物が金属表面で繁殖して、他の腐食現象では説明ができないほどの大きな腐食速度を有する腐食を言う。このメカニズムは完全には解明されていないが、金属の電位貴化によるアノード電流の発生による腐食や、硫化水素などの代謝物による腐食が発生するとされている。この現象には微生物の活動が原因となっているため、微生物が金属に作用しないようにすることが第一の対策となる。また、ＭＩＣは溶接部やすき間部で特に発生しやすいことが非特許文献１に記載されている。こうした部位に局所的に集中して微生物の作用を抑えることがＭＩＣ防止に有効である。

流体の殺菌のための殺菌装置の例が、特許文献１に記載されている。特許文献１では、紫外線により流体を殺菌するため、少なくとも一つのフランジ、内管および外管を有するモジュール式の機構を持ち、かつ紫外線ランプを備える。さらに、バクテリア、微生物などの汚染物質を破壊するために追加の超音波反応装置を備えた構成も記載されている。また、超音波を配管外部から照射する方法が特許文献２に記載されている。さらに、飲用水に超音波を照射する殺菌処理方法が特許文献３に記載されている。

特表２００７−５３３４４１号公報特開２００５−１９９２５３号公報特開平１１−２６２７６２号公報

天谷尚、菊池靖志、小澤正義、幸英昭、武石義明著、「ステンレス（３０４）鋼溶接部での微生物腐食に及ぼす細菌付着挙動の影響」、溶接学会論文集第１９巻第２号Ｐ．３４５−３５３（２００１）松村吉信、中田訓浩著、「知っておきたい殺菌・除菌・滅菌技術」、生物工学会誌第８９巻１２号Ｐ．７３９−７４３（２０１２）馬場文雄、鈴木紹夫、瀬尾眞浩著、「鉄イオン存在下における純粋な硫酸塩還元菌の代謝と培地の環境変化」、材料と環境第４５巻Ｐ．５８８−５９４（１９９６）

特許文献１に記載の殺菌装置では、配管に対してフランジを介して装置を挿入する構成となっているため、既設配管に対しては配管の加工が必要となる。すなわち、配管の切断、フランジとの溶接、配管との接続といった施工が必要となり、多大な時間と費用が必要となる。また、使用中の配管には加工が出来ないため装置の設置が出来ず、設置のためには稼動停止の必要がある。また、特許文献２に記載の超音波処理装置では、ＭＩＣの原因菌の除去が可能かどうかは記載が無く不明である。さらに、特許文献３に記載の殺菌処理装置では、腐食発生を抑制するための超音波防食の施工場所や動作条件が明らかにされておらず、実際の防食施工には不十分である。

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、ポンプ、海水淡水化プラント、発電プラント等に用いる配管全般の溶接部やすき間部などのＭＩＣが発生しやすい部位に対して、既設配管に対しても簡便に設置が可能であり、ＭＩＣの発生を抑制できる防食システムを提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、配管の溶接部やすき間部などのＭＩＣが発生しやすい部位に対して外部から超音波を印加して内部の微生物を殺菌することで、ＭＩＣの抑制を図るとともに、ＭＩＣの原因菌に有効な超音波の周波数や印加時間等の条件を規定したことにある。すなわち、本発明は溶接部またはすき間部を有する鋼材の微生物腐食を防止する防食システムであって、前記鋼材は、溶接部またはすき間部が液体と接する接液部分を有し、前記鋼材の溶接部またはすき間部の非接液面に対して超音波を印加する超音波印加手段を備え、前記超音波印加手段として１００ｋＨｚ以下の周波数の超音波を印加することを特徴とする。

本発明によれば、ポンプ、海水淡水化プラント、発電プラント等に用いる配管全般の溶接部やすき間部などのＭＩＣが発生しやすい部位に対して、既設配管に対しても簡便に設置が可能であり、ＭＩＣの発生を抑制できる防食システムを提供することができる。

本発明に係る超音波防食装置と配管の一実施例の正面断面図である。本発明に係る超音波防食装置と配管の一実施例の配管断面図である。本発明に係る超音波防食装置による殺菌効果検証を行う試験装置の正面断面図である。本発明に係る超音波防食装置の使用による微生物の生存率の超音波印加時間依存性を示すグラフである。本発明に係る防食装置を海水淡水化システムに適用した一実施例のブロック図である。本発明に係る防食装置を海水淡水化システムの配管に適用した一実施例の正面断面図である。

以下、本発明の防食システムの実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。

従来、金属材料を接液部で使用する場合、ＭＩＣの抑制法として殺菌法または電気防食法が用いられている。殺菌法としては殺菌剤の添加、オゾンの添加、紫外線の照射、超音波の照射などが用いられている。このうち、殺菌剤またはオゾンの添加や、紫外線の照射は配管内部に直接作用させる必要がある一方、超音波の照射は配管の内部と外部のいずれからも作用させることができる。配管の内部に超音波を直接印加する場合、配管の内部に超音波振動子を挿入する必要がある。一般に超音波振動子は電気により駆動するため、振動子を挿入可能な距離は電源ケーブルの長さに制約される。また、分岐のある配管では振動子を目的の方向に導くことは困難である。さらに、振動子とケーブルが配管内に入ることによる汚染や流れへの影響、そして振動子とケーブルを配管内に入れるための孔開けなどが、プラント稼動の制約上、不可能なことがある。

本実施形態の防食システムでは、配管などの鋼材の溶接部またはすき間部の非接液面に対して超音波を印加する超音波印加手段を設けた構成を採用する。超音波印加手段としては、鋼材に対して超音波を印加できるものであればよく、例えば、超音波振動子が挙げられる。このように超音波印加手段を鋼材の非接液面に設けることで、例えば、配管の外部から配管の内部に対して超音波を印加できることから、任意の場所に超音波を印加できる。配管の管壁を通して超音波振動を内部の液体に印加することで、音波を伝達するとともにキャビテーションを発生できる。キャビテーションとは、液体中の超音波振動により局所的に低圧の部分が生じて小さな真空の空洞が発生したものを言う。再び周囲が高圧になることにより空洞が押しつぶられる際に液体中に衝撃波を発生するため、この衝撃波が微生物を破壊する効果がある。また、音波の振幅により物体が加速度を持つことにより、管壁から微生物を剥離する効果がある。

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。

超音波振動子としては様々の超音波発生原理によるものを使用できる。例えばランジュバン型振動子、ピエゾ素子などが挙げられる。

このような超音波印加手段を用いた防食システムおよび防食システムを有する配管の例を、以下図面を用いて説明する。図１は配管の溶接部を対象とした超音波防食装置を示す図である。超音波防食装置１では、配管１０にあり、溶接金属部１２と溶接熱影響部（ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ，ＨＡＺ）１３からなる溶接部１１に対して、円環状の超音波振動子２を接触させている。超音波振動子２はケーブル４を介して超音波発信機３に接続されている。超音波振動子は超音波発信機３からの信号に応じて任意の周波数の超音波を配管１０に印加する。これにより、配管１０の内壁を介して、配管１０の内部にある液体２０に超音波が印加される。この時、超音波の作用により、液体２０にキャビテーションが発生して、配管１０の内壁に存在する微生物２３が破壊される。また、同時に液体２０に印加された超音波による加速度により、微生物２３が配管１０の内壁から剥離する。

図２は図１の紙面上側から見た断面図である。円筒形の配管１０の外面に円環状の超音波振動子２が配置されている。超音波振動子２の超音波振動を配管１０に伝えるために両者に介在して接する部分の形状は、クランプ形にしても良い。

次に、超音波処理装置を使用して、海水２２の中に含まれる微生物２３を死滅させた実施例を示す。以降、微生物を死滅することを単に殺菌と称する。

図３は装置全体の正面断面図である。超音波処理装置は超音波処理槽５を有し、底面には超音波振動子２が配設されている。超音波振動子２の直上にガラス瓶１４を配設して、ガラス瓶１４の高さの半分まで液面が来るまで超音波処理槽に水２１を満たした。ガラス瓶１４には海水２２と、微生物２３を投入した。この装置を用いて、表１に示す条件で殺菌効果を測定した。

図４は微生物２３の生存率を、超音波の印加時間と周波数に対して示したグラフである。殺菌処理を生存状態から死滅状態への化学反応として扱い、生存微生物数の時間依存性を測定すると、生存微生物数の対数を取った値と処理時間は傾きが負の直線として表せることが非特許文献２に記載されている。すなわち、超音波による生存微生物数の時間は、以下の式で近似できる。

但し、tは殺菌処理時間、kは速度定数、初期の生存微生物数はN₀、t秒殺菌処理後の生存微生物数はN_tとした。t秒殺菌処理後の生存率をR(%)とすると、以下の式２、式３で表せる。

但し、

生存率の測定にはアデノシン三リン酸（ＡｄｅｎｏｓｉｎｅＴｒｉＰｈｏｓｐｈａｔｅ、ＡＴＰ）測定を実施した。ＡＴＰ測定は、全ての生物の細胞内に存在するＡＴＰを蛍光試薬および酵素と組み合わせて発光させ、その発光量とＡＴＰ濃度が比例関係にあることを利用した分析法である。手順として、消去試薬により死滅微生物に由来する溶液中のＡＴＰを消去した後、生存微生物に由来するＡＴＰを抽出して発光測定をすることで、生存微生物のＡＴＰ濃度を測定可能である。図４より、超音波の印加時間に応じて生存率は減少する傾向を示しており、微生物の殺菌効果は２８ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下で有効であり、好ましくは２８ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下であり、４５ｋＨｚで最も有効であることがわかった。一般に、殺菌に有効とされる超音波によるキャビテーション発生は、周波数が低い方が効果が高い。一方、物質の剥離に有効とされる超音波による振動加速度は、周波数が高い方が効果が高い。本実施例では、振動加速度により微生物を壁面等から遊離させるとともに微生物同士の凝集を解く効果と、キャビテーションによる殺菌効果の相乗効果により、４５ｋＨｚで最も殺菌効果を得ることができる。

さらに、生存率が１０％、すなわち生存微生物数が１／１０になるまでに必要な超音波印加時間をt₁とすると、t₁は式４から求められる。

表２に各周波数に対するkの値を示す。最も超音波による殺菌効果が高い４５ｋＨｚでは、５８０秒で生存率が１０分の１となった。ここで、ＭＩＣの原因菌とされる硫酸塩還元細菌を倍地中で培養した場合、約８時間で菌数が１０倍になることが非特許文献３に記載されている。海水中では増殖速度はより緩やかになると考えられるが、安全側に基準を取ると、超音波処理の方法としては少なくとも８時間ごとに６００秒間印加することにより、ＭＩＣの原因菌を増殖させること無く常に少ない数に抑えることができる。これを一般化すると、生存微生物数が１／ｎ（ｎは０より大きい実数）になるまでに必要な超音波印加時間t₁を、生存微生物数がｎ倍となるのに必要な増殖時間t₂の間隔ごとに印加すれば、微生物数は初期生存微生物数からｎ倍の範囲内におさまり、微生物腐食を防止できる。以上の説明では、生存微生物数の減少の割合を１／１０、増加の割合を１０倍としているが、使用する環境中での微生物の増殖速度が著しく早いまたは遅い場合は適宜変更して構わない。また、微生物数の計測精度やばらつきが著しく大きいまたは小さい場合も、前記割合を変更して構わない。また、そのほか状況に応じて前記割合を変更して構わない。さらに、実際に超音波処理装置５が使用される環境下でのt₁およびt₂を測定あるいは推定することがより好ましい。

（実施例１）
図５は本発明の超音波処理装置を使用した海水淡水化システム６０の一実施例のブロック図である。海水淡水化システム６０は、ポンプ装置として海水取水ポンプ３０を備えている。

海水淡水化システム６０では、導水路４１を通じて海水２２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。

二層ろ過器４４で濾過された海水２２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、濃縮水は以下３０９からこの海水淡水化システム６０外に送られる。

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、表面組織と表面粗さが不均一となる溶接部で微生物に起因するＭＩＣが進展しやすいことが知られている。ＭＩＣの発生を防止するために、本実施形態に係る超音波防食装置が有効となる。

図６は実際の海水淡水化システム６０に適用した超音波防食システムの正面断面模式図である。配管１０は海水淡水化プラント６０の配管４８の一部であり、フランジ１５を介して隣接した配管と接続されている。また、配管は長手方向に垂直に溶接を円環状に施した溶接部１１によって、上下の部分が接続されている。超音波防食装置１は配管の溶接部１１の外側に設けた。まず、配管１０ａは、超音波を印加せずに海水を通水した。配管１０ｂは、超音波印加時間は６００秒間、超音波周波数は４５ｋＨｚ、印加間隔は８時間として、海水を通水した。配管１０ａと配管１０ｂの材料は二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３とし、温度２５℃、通水期間２ヶ月として、浸漬試験による腐食量を確認した。

試験結果を表３に示す。試験後、超音波印加を行わない配管１０ａは重量が０．０５５％減少するとともに、２９μｍの孔食が見られた。浸漬期間から年換算した腐食速度は１７１μｍ／ｙであった。一方、超音波を８時間ごとに６００秒印加した配管１０ｂは重量変化として０．００４％減少が見られたが、孔食は見られなかった。これは、原因となる微生物が死滅した効果によると考えられる。以上より、超音波防食装置を使用することでＭＩＣを防止することができた。

本実施形態の防食システムによれば、配管外部から超音波を照射することで配管内部の微生物を殺菌するための装置構成と処理方法を示すことで、配管内におけるＭＩＣの発生を抑制することにより配管を長寿命化することが可能となる。また、既設配管への殺菌装置の設置を可能としたので、幅広い形状の配管に対してＭＩＣを抑制することができる。また、ＭＩＣが発生しやすい溶接部やすき間部などに対して任意に設置可能であり、超音波の印加条件を規定しているため、効率良く確実な防食施工ができる。

以上、本実施形態の超音波防食装置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。

１…超音波防食装置、２…超音波振動子、３…超音波発振機、４…ケーブル、５…超音波処理装置、１０…配管、１０ａ…配管、１０ｂ…配管、１１…溶接部、１２…溶接金属部、１３…溶接熱影響部（ＨＡＺ）、１４…ガラス瓶、１５…フランジ、２０…液体、２１…水、２２…海水、２３…微生物、３０…海水取水ポンプ(ポンプ装置)、４０…海岸、４１…導水路、４２…吸込み槽、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、６０…海水淡水化システム

Claims

溶接部またはすき間部を有する鋼材の微生物腐食を防止する防食システムであって、
前記鋼材は、溶接部またはすき間部が液体と接する接液部分を有し、
前記鋼材の溶接部またはすき間部の非接液面に対して超音波を印加する超音波印加手段を備え、前記超音波印加手段として１００ｋＨｚ以下の周波数の超音波を印加することを特徴とする防食システム。
前記超音波印加手段を鋼材の接液部の裏側直上に配接して、前記超音波印加手段から印加される超音波振動によって接液部と接する液体にキャビテーションを発生させることを特徴とする請求項１に記載の防食システム。
前記鋼材の表面に付着する表面付着物が微生物または微生物由来の代謝物または微生物由来のバイオフィルムであることを特徴とする請求項１または２に記載の防食システム。
前記超音波印加手段は、超音波印加によって生存微生物数が１／ｎ（ｎは０よりも大きい実数）になるまでに必要な超音波印加時間をt₁、生存微生物数がｎ倍になるまでに必要な時間をt₂として、時間t₂ごとに超音波を時間t₁以上印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の防食システム。
前記超音波印加手段で印加する超音波の周波数が２８ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の防食システム。
前記超音波の周波数が４５ｋＨｚであり、超音波の印加条件が８時間ごとに６００秒間印加することを特徴とする請求項５に記載の防食システム。
前記鋼材が配管であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の防食システム。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の防食システムを使用したことを特徴とするプラント。