JP2020094948A

JP2020094948A - 検査装置及び検査方法

Info

Publication number: JP2020094948A
Application number: JP2018233991A
Authority: JP
Inventors: 将宏伊藤; Masahiro Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】プラント設備や機械装置の耐食性改善処理の効果に対し、非破壊かつ簡易な検測定装置および評価方法を提供する。【解決手段】液中部材を対象とする検査装置であって、対象部材と接続される接点と、検査部位と絶縁されている耐食性評価基準部位と、パルス発生装置と、測定値の記録装置とを備え、パルス電流に対する電圧応答、またはパルス電圧に対する電流応答を検出し、検出結果に基づき液中部材の状態または環境を判定することを特徴とする検査装置。【選択図】図１

Description

本発明は、液中部材の検査装置及び検査方法に係り、特に耐食性を評価するための検査装置及び検査方法に関する。

プラント設備や機械装置は、納入時には出荷検査として様々な項目を試験する。納入後、一定期間運転された後には装置を停止し、分解整備する際にはその機械的性質の確認や洗浄が実施される。同時に、液体と接する部品で腐食が発生した部位には、製品に発生した腐食部位の補修や電解研磨、不動態化処理を用いた耐食性の改善処理も実施される。金属材料、特に鉄系材料の耐食性は表面に形成される不動態皮膜と呼ばれる酸化皮膜に依存するが、その検査法は試験片を基にした実験室レベルの耐食性評価や、薬液を用いた呈色反応などが一般的であった。しかし、前者は設備や装置を据え付けした後に実機の状態を再現して実施することが難しく、また後者は耐食性を十分持っているときには問題なく実施できるが、耐食性を十分持たない際には不動態皮膜が破壊されることによる再施工が必要になること、薬液に耐えたことと実環境で耐食性を持つことが必ずしも一致しないことが問題となる。

そのため、プラント設備や機械部品に対して複雑な測定系や特殊な装置の取り付けを行うことなく、非破壊かつ定量性を持った耐食性の検査手法が必要となる。

非破壊検査として耐食性を評価する手法としては特許０５３０４６９６号などがあるが、当該評価手法にはインピーダンスの特性曲線の算出や、参照電極などを環境内に挿入する必要があるなど、現地での判定や施工が必要な点について難がある。

また、特開平８−５５９８号では交流電圧・電流を用いた分極抵抗の測定を行うが、分極抵抗は全面的な腐食の発生に対する評価としては有効であるが、プラント設備や機械部品で最も問題となる局部腐食の検出には不向きである。

この局部腐食の発生にはＪＩＳＧ０５７７に代表される孔食電位の測定や試験片レベルの局部腐食発生挙動観察などが実施されているが、稼働中や停止中の実プラント設備に実施することは現実的ではない。

特許０５３０４６９６号特開平８−５５９８号

本発明の目的は、プラント設備や機械部品の耐食性を検査する測定装置および評価方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の検査装置は、対象部材と接続される接点と、検査部位と絶縁されている耐食性評価基準部位と、パルス発生装置と、測定値の記録装置とを備え、パルス電流に対する電圧応答、またはパルス電圧に対する電流応答を検出し、検出結果に基づき液中部材の状態または環境を判定する。また、本発明の検査方法は、対象部材にパルス電流、パルス電圧の少なくともいずれか一方を印加し、パルス電流に対する電圧応答またはパルス電流に対する電流応答を記録し、応答に基づき対象部材の耐食性を評価する。

本発明の検査装置によれば、プラント設備や機械部品の環境中の不動態皮膜の耐食性強度を定量的に評価し、評価時点での金属部品の耐食性や腐食による劣化を検出することができる。これにより、プラント設備や機械部品の補修時期や製品寿命を予測することができる。

実施例１の検査装置の構成図である。実施例１の検査装置におけるパルス状電圧の印加状態の模式図である。実施例１の検査装置におけるパルス応答電流による不動態皮膜の耐食性強度の算出図である。実施例２の検査装置の構成図である。実施例２の検査装置におけるパルス応答電流による不動態皮膜の耐食性強度の算出図である。実施例３の検査装置におけるパルス状電流の印加状態の模式図である。実施例３の検査装置におけるパルス応答電圧による不動態皮膜の耐食性強度の算出図である。実施例４の検査対象設備の保守方法および耐食性の検査方法を示す図である。

海水ポンプなど、海水機器の配管や、医薬・化学物質のプラント設備のタンクなど、腐食性の液と構造部材が接触する設備では、耐食性向上のため表面の不動態化された部材が使用される。上述の通り、プラント設備や機械装置の耐食性改善処理の効果に対し、非破壊かつ簡易な検測定装置および評価方法が望まれる。しかしながら、使用や経年による部材の劣化評価には、設備の停止や破壊が必要であったり、定性的となりがちである。そこで本発明者らは、非破壊的かつ判定が定量的な耐食評価手法であって、現地での確認も可能とできるものを検討した結果、本発明に至った。

本発明は、配管内に流体を流すなど、液と接触する液中部材を対象とする検査装置、及び検査方法である。具体的には、対象部材と接続される接点と、検査部位と絶縁されている耐食性評価基準部位と、パルス発生装置と、測定値の記録装置とを備え、パルス電流に対する電圧応答、またはパルス電圧に対する電流応答を検出し、検出結果に基づき液中部材の状態または環境を判定することを特徴とする検査装置である。

上記装置で、電流・電圧パルス波により、測定対象の表面状態若しくは測定環境の不純物によるインダクタンス成分（キャパシタンス成分/還元性応答）を検出し、耐食性を定量的に判定できる。また、腐食電流の検出や、酸素過電圧と応答電位の差による腐食反応検出等にも活用可能である。

評価対象と絶縁された耐食性の基準部位と、評価対象と基準部位を接続する外部からの接点と、導電性を持つ内部流体によって構成される。

本発明は、パルス電流に対する電圧応答、またはパルス電圧に対する電流応答を測定し、液と接触する検査対象の抵抗成分のうち、検査対象由来の還元性応答（キャパシタンス成分）を定量的に測定し、その結果から表面に形成された不動態の耐食性を評価するものである。

パルス幅は３０ｍＳ以上５０ｍＳ以下とすることが好ましい。応答ピーク（１０ｍＳ〜２５ｍＳ）よりも長くする必要がある。また応答ピーク確認に十分な範囲である。パルス幅を大きくすることで、診断時間が長くなるためである。

また、パルス高さは一定でなく、ステップ状など、パルスごとに変化させることができる。例えば、ステップ状のパルス電圧に応答する電流値が一次線形の関係であることを用いて耐食性の評価を行ってもよい。また、ステップ状のパルス電流に応答する電圧（電位）が一定であることを用いて耐食性の評価を行ってもよい。金属表面の不動態皮膜におけるキャパシタンスを十分充電できる時間の間印加されるパルス状の電流もしくは電圧を、徐々に値を上昇させるステップ状を制限の範囲で印加し、その時の電圧・電流応答から皮膜の耐食性強度の指標を算出する評価手法とすることができる。

また、電源をＯＮ−ＯＦＦした際の応答電流もしくは電圧を記録して耐食性の評価を実施することも可能である。なお、電源をＯＦＦとしたときにも、腐食電流に相当する電流Aが流れている（電流値はゼロでない）ため、パルスは当該値Aを基準に設定することが好ましい。

評価基準部位は別体（基準電極）とし、検査対象と連続した液中に設けることができる。また、検査対象と連結して同じ液に接触していても、検査対象の金属部材から絶縁され、耐食性を保証された他の部材（絶縁接続部位）を使用することができる。同環境内に設置されている対象部材と同じ材質の部品でもよい。
パルス電源１２を用いる代わりに５０ｍｓ以下のパルス幅を持つパルス波を印加できる関数発生器および電源装置を使用してもよい。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１から図３を用いて、本発明の実施例１の検査装置１００を説明する。

まず、図１の構成図を用いて、本実施例の検査装置１００を用い、金属部品である検査対象１０の耐食性を評価する例の概要を説明する。

本実施例の検査対象１０は、プラント配管を模擬し、内部に電気伝導性流体２２が充填されている管状部材である。液体と接する面が不動態化処理された金属部品であって、耐食性不明である。

図１の検査装置１００は、基準電極１１と、パルス電圧および電流を印加するためのパルス電源１２と、パルス電源１２と検査対象１０を接続する電気的接点２１、および電圧と電流を記録する記録計３１によって構成される。検査対象１０と基準電極１１は絶縁されており、検査対象１０―導線等の電気的接続―基準電極１１―電気伝導性流体中２２―検査対象１０、での閉回路を形成する。

基準電極１１は、検査対象１０内部に設置される。電気伝導性流体中２２で安定であれば材質は問わない。基準電極を内部に挿入したり、絶縁体に挟まれた形で接合部に設置することが考えられる。

電気的接点２１は、検査対象１０と点接触でも問題はないが、接触抵抗が高くなる場合には接触状態を均一にするため、領域を広くすることが好ましい。また、溶接などで直接検査対象１０と接続する形でも問題は無いが、簡易に取り外しできることが望ましい。図１は、電気的接点２１として金輪を固定した例である。幅は５ｍｍ以上あればよい。パルス電源１２の出力は最大２V程度、電流値は最大１Ａ程度で十分である。

なお、図１は検査対象１０の内部に電気伝導性流体２２が存在しているが、配管外面に電気伝導性流体２２が存在する場合には検査対象１０の内部で結線し、電気的接続を取ることが可能であれば適用できる。すなわち、電気伝導性流体と配管の界面における反応抵抗で耐食性を評価するため、電気的接点２１から絶縁されていない領域はすべて検査対象１０となり、検査対象１０と、基準電極１１が電気的接点２１を介しパルス電源１２および記録計３１と接続し、電気伝導性流体２２を介して閉回路を構成することが可能であれば検査装置１００は成立する。

耐食性の測定はパルス電源１２から発生した酸化反応を起こす基準電極１２を基準とするパルス電圧もしくは電流を用いる。パルスは矩形波や三角波など、形状は問わない。また、パルス印加後はパルス印加前の電位状態に戻すＯＮ−ＯＦＦの形式とする。パルス電圧の場合は１０−５０ｍV程度（ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３）を印加し、それに対応するパルス印加終了直後の電流値（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を応答電流として記録計３１に記録する。パルス電圧４１は図２の模式図に示すようにステップ状に印加され、その電圧は初期ステップパルスの値を加算していく。一例として挙げるなら、２０、４０、６０、８０ｍV・・・と印加していく。パルス電圧４１の上限は２００ｍVとする。パルス電圧４１の印加時間は不動態皮膜のキャパシタンスが十分充電される時間とするが、目安としては１０−５０ｍｓとする。これは測定対象１０の材質と、伝導性流体２２の組み合わせに依存する。パルス間の時間間隔は不動態皮膜のキャパシタンスが十分放電される時間とするが、目安としては１−１０ｓとする。

パルス電圧を印加した際に記録した応答電流４２を図３に示したようにパルス電圧に対してプロットし、測定対象１１の材質と、伝導性流体２２で予め作成しておいた判定条件に当てはめて耐食性を判定する。この結果は３．５％の塩濃度を持つ人工海水を電気伝導性流体２２とし、基準電極１１に白金線を用いてオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの圧延材を検査対象１０として評価した一例である。判定条件はパルス電圧に対する応答電流の傾きの値ａによって示される。傾きａが一定値以上に大きい場合にはキャパシタンスの放電電流に加えて測定対象１１の還元電流が加わっており、この際には印加したパルス電圧で腐食反応が起こっていることが推測できる。一方、傾きａが十分小さい場合には不動態皮膜が薄く、十分な耐食性を将来的に持ち得ないことが考えられる。傾きａが十分耐食性を持つ範囲内に存在しない場合には、不動態化処理の施工や部品の交換によって耐食性を改善する。

図４および図５を用いて、本発明の実施例１の検査装置１０１を説明する。まず、図４の構成図を用いて本実施例の検査装置１０１の概要を説明する。この検査装置１０１は、金属部品である検査対象１０と、これを評価するための基準部位１３と、パルス電圧および電流を印加するためのパルス電源１２と、パルス電源１２と検査対象１０を接続するための電気的接点２１、および電圧と電流を記録する記録計３１によって構成される。基準部位１３は検査対象１０と絶縁部位１４を介して接続される。また、絶縁部位１４は絶縁フランジや樹脂性ガスケットおよび絶縁クランプなどによって構成される。

電気的接点２１およびパルス電源１２は検査装置１００と同様の構成である。基準部位１３は伝導性流体２２に対して電位がほぼ一定である安定な状態にあることが望ましい。パルス電圧の印加条件も検査装置１００と同様でよい。

応答電流は検査装置１００と同じように図５に示すパルス電圧に対してプロットを行い、判定は一定範囲内の傾きに収まっていれば十分な耐食性があることを示す。この結果は０．１％質量濃度の水酸化ナトリウム溶液を電気伝導性流体２２とし、基準電極１１にオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの圧延材を用いてオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ圧延材を検査対象１０として評価した一例である。

図１もしくは図４および図６、図７を用いて、本発明の実施例１の検査装置１０２を説明する。

検査装置１０２の構成は図１もしくは図４に示すものとなるが、図６に示す通り、パルス電流Ａ４、Ａ５、Ａ６を印加する。電流は１０μA/cm²から１０ｍA/cm²の間で設定し、例えば１０μA、２０μA、３０μA/cm²、・・・と印加する。パルスの形状は検査装置１００および１０１と同様、形状を問わない。その範囲は最大１Ａ/cm²とする。

検査装置１０２の耐食性の判定はパルスに対応して上昇する電位（Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６）によって判定する。各パルス電流に対しこの電位が電流に依存せず、一定に上昇すれば耐食性が十分であることを示す。図７中の破線のように耐食性が不十分であればこの電位はパルス電流に応じて低下する。図７に示す結果は基準電極１１に銀塩化銀飽和塩化カリウム電極を用いて３．５％の塩濃度を持つ人工海水を電気伝導性流体２２におけるオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌを検査対象１０として測定した一例である。

以下、実施例４として、実施例１〜３の検査装置を用いた医薬プラントの保守方法について説明する。図８は本実施例の医薬プラント設備のプラント停止時に行う保守および耐食性（不動態）の検査方法を示す図である。

プラント設備を停止し（Ｓ１０１）、停止したプラント設備のタンクや配管を洗浄液（リン酸塩溶液など）で洗浄（Ｓ１０２）した後、硝酸溶液などの不動態化処理溶液で、プラント設備の表面の不動態化処理を行う（Ｓ１０３）。その後、不動態化処理溶液を除去し、タンクや配管内に水酸化ナトリウム溶液などの電気伝導性流体を充填する溶液の入れ替えを行う（Ｓ１０４）。

洗浄工程（Ｓ１０２）は、設備により、複数種類の洗浄液を入れ替えて行うことが可能である。また、不動態化処理（Ｓ１０３）は設備全体に一括で、もしくは各部位毎に行うことができる。

電気伝導性流体を充填したプラント設備に対し、本発明の検査装置を用い、パルス電圧またはパルス電流の印加によるパルス応答を確認する耐食性の測定（Ｓ１０５）、得られた結果により耐食性の判定を行う（Ｓ１０６）。耐食性が不十分の場合には、追加の保守（再度の不動態化処理や、設備部材の置換）を行い、耐食性の確認を繰り返す。図８では、不動態化処理工程（Ｓ１０３）を再度行う場合を示している。適切な不動態が形成され、充分な耐食性を確認できた場合には、プラント設備の稼働を開始する（Ｓ１０７）。

なお、本実施例では、不動態化処理（Ｓ１０３）後に耐食性の検査（Ｓ１０５）を行ったが、最初に耐食性を確認し、不十分の判定をされた設備にのみ不動態化処理等の保守を施すこととしてもよい。

耐食性の測定工程（Ｓ１０５）について、詳細を説明する。耐食性被膜及び電気伝導性流体を介した閉回路を構成し、基準電極１１、または基準部材13と、測定対象部材10との間にパルス電流、パルス電圧のいずれかまたは両方を印加する電圧印加工程（S201）パルス電圧を変えた場合の応答電流値、パルス電流を変えた場合の応答電位を記録計３１に記録する応答記録工程（Ｓ２０２）、記録に基づき、パルス電圧値と応答電流値の相関、パルス電流値と応答電位値の相関を算出する耐食性測定工程（Ｓ２０３）よりなる。

その後、耐食性の判定（Ｓ１０６）として、Ｓ１０５で算出される各部材の耐食性評価値を事前に設定した閾値と対比し、耐食性評価結果を判定する。パルス電流を印加した場合には応答する電位の絶対値が耐食性の指標となる。例えばこれがＪＩＳ０５７７等に規定される孔食電位を下回る場合には耐食性不足とし、不動態化処理工程(Ｓ１０３)を再度実施する。パルス電圧を印加した場合には応答電流の一次関数傾きを抵抗値と見なし、電気伝導性流体２２に対する耐食性指標とする。

なお、上記工程は、海水機器などの他の設備でも同様に行うことができる。保守・点検時等に、洗浄や錆落とし処理など、一般的な整備を行った後、硝酸などで不動態化処理を施し、水酸化ナトリウム水溶液などの電気伝導性流体に浸漬した状態でパルス印加による耐食性測定、パルス応答による耐食性の判定を行う。

１００検査装置
１０１検査装置
１０２検査装置
１０検査対象
１１基準電極
１２パルス電源
１３基準部位
１４絶縁部位
２１電気的接点
２２電気伝導性流体
３１記録計
４１パルス電圧
４２応答電流
４３パルス電流
４４応答電位

Claims

液中部材を対象とする検査装置であって、対象部材と接続される接点と、検査部位と絶縁されている耐食性評価基準部位と、パルス発生装置と、測定値の記録装置とを備え、パルス電流に対する電圧応答、またはパルス電圧に対する電流応答を検出し、検出結果に基づき液中部材の状態または環境を判定することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
評価基準部位が同環境内に設置されている対象部材と同じ材質の部品であることを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
ステップ状のパルス電圧に応答する電流値を用いて耐食性の評価を実施することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
ステップ状のパルス電流に応答する電圧(電位)が一定であることを用いて耐食性の評価を実施することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
ステップ状のパルス電圧に応答する電流値が一次線形の関係であることを用いて耐食性の評価を実施することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
ステップ状のパルス電圧および電流をＯＮ−ＯＦＦした際の応答電流もしくは電圧を記録して耐食性の評価を実施することを特徴とする検査装置。
液中部材を対象とする検査方法であって、
対象部材にパルス電流、パルス電圧の少なくともいずれか一方を印加し、
前記パルス電流に対する電圧応答または前記パルス電流に対する電流応答を記録し、
前記応答に基づき前記対象部材の耐食性を評価する検査方法。
液中部材の保守方法であって、
対象部材を不動態化処理溶液に含浸し、不動態化処理を行う不動態化処理工程と、
前記対象部材を電気伝導性流体に含浸し、前記対象部材にパルス電流、パルス電圧の少なくともいずれか一方を印加し、前記パルス電流に対する電圧応答または前記パルス電流に対する電流応答を記録し、前記応答に基づき前記対象部材の耐食性評価値を算出する耐食性評価工程と、
前記評価値を所定の閾値と対比し、耐食性評価結果を判定する耐食性判定工程とを備え、
耐食性が不十分の場合には追加の保守を行い、再度前記耐食性評価工程及び前記耐食性判定工程とを行うこと、
を特徴とする保守方法。