JP2019152516A

JP2019152516A - 腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法

Info

Publication number: JP2019152516A
Application number: JP2018037496A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　実; Minoru Ito; 実伊藤; 丈時出路; Takeji Deji; 妃奈佐藤; Hina Sato; 健太郎笠原; Kentaro Kasahara; 祐作安村; Yusaku Yasumura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-12

Abstract

【課題】温度変化の影響を受けにくい腐食センサを提供する。【解決手段】腐食センサ１０は、金属からなり、測定環境に暴露される面を有する計測電極１２と、計測電極１２と異なる金属からなり、測定環境に暴露される面を有する比較電極１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法に関する。

鋼材の寿命推定や耐食鋼材の研究開発におけるニーズを背景として、鋼材の腐食モニタリング技術の開発が進められている。腐食モニタリングの手法の一つとして、板厚減少に伴う電気抵抗の増加に基づいて腐食量を測定する方法が知られている。

特開２０１６−１９７１０２号公報には、腐食センサの設計方法が開示されている。この腐食センサは、任意の環境に暴露されるセンサ部と、この任意の環境から遮断される参照部とを備える。同公報には、測定期間、測定間隔、平均気温、及び海塩粒子量に基づいて、センサ部の適切な厚さを設定する腐食センサの設計方法が開示されている。

特開２０１７−３３７６号公報には、任意の環境に暴露されるセンサ部と、この任意の環境から遮断される参照部とを備え、センサ部と参照部とが絶縁体を介して積層された腐食センサが開示されている。

特開２０１６−１９７１０２号公報特開２０１７−３３７６号公報

上記文献に開示されているように、従来の腐食センサは、測定環境に暴露される計測電極と、測定環境から遮断して腐食されないようにした参照電極とを備える。この構成によれば、参照電極の電気抵抗を用いて計測電極の電気抵抗を補正することで、温度による比抵抗の変化の影響を補償することができる。

具体的には、参照電極の初期の厚さをｔ_ｉｎｉｔ、初期の電気抵抗をＲ_{ｍｅａ＿ｉｎｉｔ}、測定時点における電気抵抗をＲ_ｍｅａ、参照電極の初期の電気抵抗をＲ_{ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ}、測定時点における電気抵抗をＲ_ｒｅｆとしたとき、計測電極の板厚減少量Δtは、下記の式（１）から求めることができる。

計測電極と参照電極の長さＬ、幅ｗ、初期板厚が異なる場合でも、式（１）’を用いることで計測電極の板厚減少量Δtを求めることができる。

従来の腐食センサでは、参照電極を測定環境から遮断するために、参照電極を防食性塗料等で被覆する。この被覆によって、参照電極と計測電極との温度差が大きくなる場合がある。そのため、特に温度変化の激しい環境においては、耐食性を正確に評価できない場合がある。

本発明の目的は、温度変化の影響を受けにくい腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法を提供することである。

本発明の一実施形態による腐食センサは、金属からなり、測定環境に暴露される面を有する計測電極と、前記計測電極と異なる金属からなり、前記測定環境に暴露される面を有する比較電極と、を備える。

本発明の一実施形態による耐食性計測装置は、上述した腐食センサと、前記計測電極及び前記比較電極のそれぞれの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、を備える。

本発明の一実施形態による耐食性評価方法は、評価対象となる金属からなり、測定環境に暴露される面を有する計測電極、及び前記計測電極と異なる金属からなり、前記測定環境に暴露される面を有する比較電極を前記測定環境に配置する工程と、前記計測電極の電気抵抗及び前記比較電極のそれぞれの電気抵抗を測定する工程と、前記計測電極の電気抵抗と前記比較電極の電気抵抗との比に基づいて、前記評価対象となる金属の耐食性を評価する工程と、を備える。

本発明によれば、温度変化の影響を受けにくい腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法が得られる。

図１は、本発明の第１の実施形態による耐食性計測装置の平面図である。図２は、本発明の一実施形態による耐食性評価方法のフロー図である。図３は、本発明の第２の実施形態による耐食性計測装置の平面図である。図４は、サイクル数とＲ_ｍｅａ／Ｒ_ｃｏｍｐとの関係を示すグラフである。図５は、市販の電気抵抗式腐食計測器で測定した２種類の金属の板厚減少量を示すグラフである。図６は、２種類の金属の板厚減少量の比を示すグラフである。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［第１の実施形態］
［腐食センサ及び耐食性計測装置］
図１は、本発明の第１の実施形態による耐食性計測装置１の平面図である。耐食性計測装置１は、腐食センサ１０と、抵抗測定器２０とを備えている。

腐食センサ１０は、基板１１と、基板１１上に配置された計測電極１２及び比較電極１３と、シール部材１５とを備えている。

基板１１は、例えばプラスチック基板である。基板１１は、金属等の導体であってもよく、その場合、基板１１と電極（計測電極１２及び比較電極１３）との間に絶縁体を配置すればよい。

計測電極１２は、金属からなる。計測電極１２を構成する金属は、評価対象となる金属である。図１では、計測電極１２がＵ字型の平面形状である場合を図示しているが、計測電極１２の平面形状は任意であり、これに限定されない。なお、計測電極１２の厚さは均一であることが好ましい。

計測電極１２は、測定環境に暴露される面を有している。すなわち、計測電極１２の少なくとも一部は、被覆されずに露出している。図１では、基板１１と接する下面及びシール部材１５で覆われた部分を除き、計測電極１２の上面及び端面が露出している。この構成は例示であり、計測電極１２の端面が樹脂などで被覆され、上面のみが露出している構成としてもよい。

比較電極１３は、計測電極１２と異なる金属からなる。比較電極１３を構成する金属は、耐食性の基準となる金属である。比較電極１３を構成する金属は、計測電極１２を構成する金属と熱膨張率や比抵抗が大きく異ならない金属が好ましい。図１では、比較電極１３がＵ字型の平面形状である場合を図示しているが、計測電極１３の平面形状は任意であり、これに限定されない。なお、比較電極１３の厚さは均一であることが好ましい。

比較電極１３も、計測電極１２と同様に、測定環境に暴露される面を有している。すなわち、比較電極１３の少なくとも一部は、被覆されずに露出している。図１では、基板１１と接する下面及びシール部材１５で覆われた部分を除き、比較電極１３の上面及び端面が露出している。この構成は例示であり、比較電極１３の端面が樹脂などで被覆され、上面のみが露出している構成としてもよい。

比較電極１３の平面形状は、計測電極１２の平面形状と同じであることが好ましい。また、比較電極１３が測定環境に暴露している面積は、計測電極１２が測定環境に暴露している面積と同じであることが好ましい。

計測電極１２は、端子１２ａ及び１２ｂを有している。比較電極１３も同様に、端子１３ａ及び１３ｂを有している。端子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、及び１３ｂは、抵抗測定器２０に電気的に接続される。端子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、及び１３ｂは、防水のため、シール部材１５によって被覆されている。

計測電極１２の端子１２ｂは、比較電極１３の端子１３ａに電気的に接続されている。すなわち、計測電極１２と比較電極１３とは、直列に接続されている。端子１２ｂと端子１３ａとを電気的に接続する方法は、これに限定されないが、両端子に半田や溶接で配線を接続する方法、両端子を導電性テープで接続する方法等が挙げられる。

抵抗測定器２０は、定電流電源２１、電圧計２２及び２３を備えている。

定電流電源２１は、計測電極１２の端子１２ａ、及び比較電極１３の端子１３ｂに電気的に接続される。上述のとおり、計測電極１２と比較電極１３とは直列に接続されている。そのため、計測電極１２及び比較電極１３には、同じ大きさの電流Ｉが流れる。

電圧計２２は、計測電極１２の端子１２ａ及び１２ｂに電気的に接続され、端子１２ａと端子１２ｂとの間の電圧Ｖ１を測定する。電圧Ｖ１を電流Ｉで除すことで、計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａを求めることができる。

同様に、電圧計２３は、比較電極１３の端子１３ａ及び１３ｂに電気的に接続され、端子１３ａと端子１３ｂとの間の電圧Ｖ２を測定する。電圧Ｖ２を電流Ｉで除すことで、比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐを求めることができる。

上述した抵抗測定器２０の構成は例示である。耐食性計測装置１は、抵抗測定器２０に代えて、他の構成によって電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐを求める抵抗測定器を備えていてもよい。抵抗測定器は例えば、計測電極１２及び比較電極１３のそれぞれに定電流電源を接続して抵抗を測定するものであってもよい。あるいは、計測電極１２及び比較電極１３のそれぞれに一定電圧を印加し、それぞれの電流から抵抗を測定するものであってもよい。

本実施形態では、以下に説明するように、計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａと比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比に基づいて、評価対象となる金属（計測電極１２を構成する金属）の耐食性を評価する。耐食性計測装置１は、この処理を自動化するため、電気抵抗Ｒ_ｍｅａと電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比を算出する演算装置をさらに備えていてもよい。

［耐食性評価方法］
以下、耐食性計測装置１を用いた耐食性評価方法を説明する。図２は、本発明の一実施形態による耐食性評価方法のフロー図である。本実施形態による耐食性評価方法は、腐食センサ１０を測定環境に暴露する工程（ステップＳ１）と、計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐを測定する工程（ステップＳ２）と、電気抵抗Ｒ_ｍｅａと電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比に基づいて、評価対象となる金属（計測電極１２を構成する金属）の耐食性を評価する工程（ステップＳ３）とを備えている。

腐食センサ１０を測定環境に配置する（ステップＳ１）。測定環境は、実環境であってもよいし、実環境を模擬した環境であってもよい。腐食センサ１０は例えば、ＳＡＥＪ２３３４やＪＡＳＯＭ６０９−９１等の腐食促進試験に供される。

上述のとおり、腐食センサ１０の計測電極１２及び比較電極１３は、測定環境に暴露される面を有している。そのため、計測電極１２及び比較電極１３は、測定環境によって腐食される。

計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐを測定する（ステップＳ２）。電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐは、抵抗測定器２０を用いて測定してもよいし、他の方法で測定してもよい。

上述のとおり、計測電極１２及び比較電極１３は、測定環境によって腐食される。これによって、計測電極１２及び比較電極１３の板厚は、時間の経過とともに減少する。そのため、電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐは、時間の経過とともに増加する。

ここで、計測電極１２及び比較電極１３のそれぞれの初期の電気抵抗をＲ_{ｍｅａ＿ｉｎｉｔ}及びＲ_{ｃｏｍｐ_ｉｎｉｔ}、初期の厚さをｔ_{ｍｅａ＿ｉｎｉｔ}及びｔ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｉｔ}、計測時における残存板厚をｔ_ｍｅａ及びｔ_ｃｏｍｐとすると、電気抵抗Ｒ_ｍｅａ及び電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐは、下記の式（２）で表すことができる。

式（２）において、ρ_ｍｅａ及びρ_ｃｏｍｐはそれぞれ、計測電極１２及び比較電極１３を構成する金属の基準温度での比抵抗である。Δρ_ｍｅａ、Δρ_{ｍｅａ＿ｉｎｉｔ}、Δρ_ｃｏｍｐ、及びΔρ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｉｔ}は、基準温度からの温度変化による比抵抗の変化量である。

電気抵抗Ｒ_ｍｅａと電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比に基づいて、評価対象となる金属（計測電極１２を構成する金属）の耐食性を評価する（ステップＳ３）。

計測電極１２と比較電極１３との間で、基準温度での比抵抗の値がほぼ等しく（ρ_ｍｅａ≒ρ_ｃｏｍｐ）、基準温度からの温度変化による比抵抗の変化量もほぼ等しい（Δρ_ｍｅａ≒Δρ_ｃｏｍｐ、Δρ_{ｍｅａ＿ｉｎｉｔ}≒Δρ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｉｔ}）とすると、温度変化による比抵抗の変化率がほぼ等しくなり、式（２）から、電気抵抗Ｒ_ｍｅａの電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐに対する比は、下記の式（３）で表すことができる。

すなわち、電気抵抗Ｒ_ｍｅａの電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐに対する比は、測定時点における計測電極１２及び比較電極１３の残存板厚の比に反比例する。

［本実施形態による効果］
以上のとおり、本実施形態によれば、電気抵抗Ｒ_ｍｅａと電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比から、測定時点における計測電極１２及び比較電極１３の残存板厚の比を求めることができる。これによって、計測電極１２の比較電極１３に対する相対的な腐食されにくさ（すなわち、相対的な耐食性）を評価することができる。

従来の腐食評価方法では、評価対象となる金属の腐食量の絶対値を測定する。これに対し、本実施形態では、計測電極１２を構成する金属（以下「評価対象金属」という。）の耐食性を、比較電極１３を構成する金属（以下「比較金属」という。）の耐食性に対する相対値として評価する。つまり、計測電極１２の鋼種を変更することで、基準鋼としての比較電極１３に対する、複数鋼種の計測電極１２の相対的な耐食性を評価することができる。例えば、新規の耐食鋼材を開発する場面では、必ずしも腐食量の絶対値を求める必要はなく、基準となる鋼材に対する相対的な耐食性が評価できればよい場合がある。また、比較金属として、測定環境における腐食量の絶対値が既知の材料を用いれば、電気抵抗Ｒ_ｍｅａと電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比から、計測電極１２の板厚残存量の絶対値を計算することも可能である。

本実施形態では、比較電極１３は防食処理を施されておらず、計測電極１２及び比較電極１３はともに、測定環境に暴露される面を有する。換言すれば、計測電極１２及び比較電極１３は、同一の測定環境に暴露される。これによって、計測電極１２と比較電極１３との間の温度差を小さくする（もしくは温度差をゼロにする）ことができる。したがって、本実施形態による腐食センサ１０、耐食性計測装置１、及び耐食性評価方法は、温度変化の影響を受けにくい。そのため、温度変化の激しい環境においても、評価対象金属の耐食性を評価することができる。

比較金属として、例えば普通鋼を用いることができる。ここで、普通鋼とは、炭素含有量が０．６質量％以下であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の合金元素が意図的に添加されていない鉄基合金を意味する。この場合、計測電極１２と比較電極１３の残存板厚の比から、評価対象金属の耐食性を評価することができる。

あるいは、比較金属として、ステンレス鋼のような耐食性の高い金属を用いることもできる。この場合、比較電極１３は殆ど減肉しないので、Ｒ_ｍｅａ／Ｒ_ｃｏｍｐから、計測電極１２の残存板厚を直接求めることができる。比較金属としてステンレス鋼を用いる場合、評価対象金属と比較金属との間で、熱伝導率や比抵抗が大きく異ならないことが好ましい。そのため、評価対象金属の種類に応じて、フェライト系ステンレス鋼又はオーステナイト系ステンレス鋼を選択することが好ましい。

以上、本発明の第１の実施形態による腐食センサ１０、耐食性計測装置１、及びこれらを用いた耐食性評価方法を説明した。本実施形態によれば、温度変化の影響を受けにくい腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法が得られる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態による耐食性計測装置２の平面図である。耐食性計測装置２は、腐食センサ３０と、抵抗測定器４０とを備えている。

腐食センサ３０は、腐食センサ２０（図１）の構成に加えて、計測電極１２及び比較電極１３のいずれとも異なる金属からなる第２計測電極１４をさらに備えている。図３では、第２計測電極１４がＵ字型の平面形状である場合を図示しているが、計測電極１４の平面形状は任意であり、これに限定されない。なお、第２計測電極１４の厚さは均一であることが好ましい。

第２計測電極１４も、計測電極１２及び比較電極１３と同様に、測定環境に暴露される面を有している。すなわち、計測電極１２、比較電極１３、及び第２計測電極１４は、同一の測定環境に暴露される。

第２計測電極１４は、端子１４ａ及び１４ｂを有している。第２計測電極１４の端子１４ｂは、計測電極１２の端子１２ａに電気的に接続されている。また、腐食センサ１０（図１）の場合と同様に、計測電極１２の端子１２ｂは、比較電極１３の端子１３ａに電気的に接続されている。すなわち、第２計測電極１４、計測電極１２、及び比較電極１３は、直列に接続されている。

抵抗測定器４０は、抵抗測定器２０（図１）の構成に加えて、電圧計２４をさらに備えている。

本実施形態では、定電流電源２１は、第２計測電極１４の端子１４ａ、及び比較電極１３の端子１３ｂに電気的に接続される。上述のとおり、第２計測電極１４、計測電極１２、及び比較電極１３は、直列に接続されている。そのため、第２計測電極１４、計測電極１２、及び比較電極１３には、同じ大きさの電流Ｉが流れる。

電圧計２２、２３、及び２４はそれぞれ、端子１２ａと端子１２ｂとの間の電圧Ｖ１、端子１３ａと端子１３ｂとの間の電圧Ｖ２、端子１４ａと端子１４ｂとの間の電圧Ｖ３を測定する。これらのそれぞれを電流Ｉで除することで、計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａ、比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐ、第２計測電極１４の電気抵抗Ｒ_ｍｅａ２を求めることができる。

上述した抵抗測定器４０の構成は例示である。耐食性計測装置２は、抵抗測定器４０に代えて、他の構成によって電気抵抗Ｒ_ｍｅａ、電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐ、及び電気抵抗Ｒ_ｍｅａ２を求める抵抗測定器を備えていてもよい。抵抗測定器は例えば、計測電極１２、比較電極１３、及び第２計測電極１４のそれぞれに定電流電源を接続して抵抗を測定するものであってもよい。あるいは、計測電極１２、比較電極１３、及び第２計測電極１４のそれぞれに一定電圧を印加し、それぞれの電流から抵抗を測定するものであってもよい。抵抗測定器は、一つの電圧計の接続先を計測電極１２と第２計測電極１４との間で切り替えて、電気抵抗Ｒ_ｍｅａ、及び電気抵抗Ｒ_ｍｅａ２を測定するものであってもよい。

本実施形態においても、計測電極１２の電気抵抗Ｒ_ｍｅａと比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比に基づいて、計測電極１２を構成する金属の耐食性を評価する。本実施形態ではさらに、第２計測電極１４の電気抵抗Ｒ_ｍｅａ２と比較電極１３の電気抵抗Ｒ_ｃｏｍｐとの比に基づいて、計測電極１４を構成する金属の耐食性を評価する。すなわち、本実施形態によれば、比較電極１３を共通にして、２種類の金属の耐食性のデータを一度に取得することができる。

以上、本発明の第２の実施形態による腐食センサ３０、耐食性計測装置２、及びこれらを用いた耐食性評価方法を説明した。本実施形態によっても、温度変化の影響を受けにくい腐食センサ、耐食性計測装置、及び耐食性評価方法が得られる。

上記の実施形態では、腐食センサ３０が、２つの計測電極（すなわち、計測電極１２及び第２計測電極１４）を備えている場合を説明したが、腐食センサ３０は、３つ以上の計測電極を備えていてもよい。この場合、より多くの種類の金属の耐食性のデータを一度に取得することができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

評価対象金属として、炭素含有量を０．０１質量％未満に低減した純鉄をベースに０．２質量％のＳｎを含有させた鋼（以下「鋼Ａ」という。）を使用し、比較金属を普通鋼（ＳＭ４９０）として、第１の実施形態で説明した腐食センサ１０に相当する腐食センサを作製した。計測電極及び比較電極の厚さは、各々２００μｍとした。

この腐食センサを用いて、ＳＡＥＪ２３３４に準拠したラボ腐食試験を実施した。具体的には、湿潤状態での保持（６時間）と、塩水への浸漬（１５分）と、乾燥状態での保持（１７時間４５分）とを繰り返すサイクル試験を実施した。浸漬塩水の組成は、０．５％ＮａＣｌ＋０．１％ＣａＣｌ_２＋０．０７５％ＮａＨＣＯ_３とした。サイクル数とＲ_ｍｅａ／Ｒ_ｃｏｍｐとの関係を図４に示す。

比較例として、市販の電気抵抗式腐食計測器（株式会社シュリンクス製ＳＣＲＭ）で測定した、鋼Ａ及びＳＭ４９０のそれぞれの板厚減少量を図５に示す。図６は、鋼Ａの板厚減少量をＳＭ４９０の板厚減少量で除したものである。

図４と図６との比較から、本実施例によれば、ノイズが少なく、よりサイクルに対応したデータが得られることが分かる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

１，２耐食性計測装置
１０，３０腐食センサ
１１基板
１２計測電極
１３比較電極
１４第２計測電極
１５シール部材
２０，４０抵抗測定器
２１定電流電源
２２，２３，２４電圧計

Claims

金属からなり、測定環境に暴露される面を有する計測電極と、
前記計測電極と異なる金属からなり、前記測定環境に暴露される面を有する比較電極と、を備える、腐食センサ。
請求項１に記載の腐食センサであって、
前記比較電極は、普通鋼からなる、腐食センサ。
請求項１に記載の腐食センサであって、
前記比較電極は、ステンレス鋼からなる、腐食センサ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の腐食センサであって、
前記計測電極及び前記比較電極のいずれとも異なる金属からなり、前記測定環境に暴露される面を有する第２計測電極をさらに備える、腐食センサ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の腐食センサと、
前記計測電極及び前記比較電極のそれぞれの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、を備える、耐食性計測装置。
請求項５に記載の耐食性計測装置であって、
前記計測電極の電気抵抗と前記比較電極の電気抵抗との比を算出する演算装置をさらに備える、耐食性計測装置。
評価対象となる金属からなり、測定環境に暴露される面を有する計測電極、及び前記計測電極と異なる金属からなり、前記測定環境に暴露される面を有する比較電極を前記測定環境に配置する工程と、
前記計測電極の電気抵抗及び前記比較電極のそれぞれの電気抵抗を測定する工程と、
前記計測電極の電気抵抗と前記比較電極の電気抵抗との比に基づいて、前記評価対象となる金属の耐食性を評価する工程と、を備える、耐食性評価方法。