JP4167330B2 - 流路耐食試験装置及びそれを用いた流路耐食試験方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路耐食試験方法及び試験装置に関し、特にボイラ水系等を形成する流路に使用される材料の耐食試験方法及び試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のプラント等における液体の流路、特にポンプ等の可動部、あるいは曲がり部分や拡大・縮小部分では、流動する液体により化学的あるいは電気化学的腐食及び物理的浸食が見られる。例えば、火力発電プラント等のボイラ水系では、一般に炭素鋼が使用されているが、上記した流れの乱れの激しい部分や剪断力が増加する部分では、高温高圧のボイラプラント水の供給により保護性酸化皮膜が局部的に破壊されて減肉を生じる場合がある。
そのため、流路に使用される材料の検討あるいは流体の供給方法の改善を通じて前記の腐食環境に適合した耐食手段を確立すべく、従来から耐食試験が行われている。
【０００３】
耐食試験は通常、流路内に試験片体を配置し、試験液体を前記試験片の試験面に接触させた後、腐食の度合いの観察あるいは試験片体の損失重量及び表面浸食深さを測定することにより行われる。
例えば、試験方法の１つとして、試験片体を回転円板に固定して試験液中で回転させる手法がある。さらに別の方法として、試験片体をノズルに対面して設置し、試験液を噴射して試験片体に衝突させる手法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した試験片を試験液中で回転させる手法では、試験片体と試験液との接触を促進して加速度的に腐食・浸食を進行させることができるが、試験液の粘性により試験片体の表面が試験液を引きずって共に回転させようとするので、腐食・浸食の状況はプラント等の流路におけるものと異なる。そのため、得られた結果をプラント等における流路の改善に反映させることが困難となる。
【０００５】
一方、試験液を噴射して試験片体に衝突させる手法では、腐食・浸食の状況はプラント等の流路におけるそれと近いものになる。しかし、流れの激しい部分における局部的な減肉（腐食）を観察できる半面、剪断力の増加による局部的な減肉（腐食）を観察することが不十分となり、得られた結果をプラント等における流路の改善に反映させるには不十分である。また、このような試験装置は通常、噴射された試験液が大気開放系のタンクに戻って循環使用されるため、使用される液がボイラプラント水のような場合、使用温度の限界が８０〜９０℃となり１００℃を超えると蒸発するため実質的な耐食試験ができないという問題もある。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各種のプラント等における様々な環境下での腐食・浸食状況を安定して再現でき、得られた結果をプラント等における流路の改善に容易に反映させることができる耐食試験方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の１つの観点によれば、試験液体が導入される流路と、前記流路に介設され２つの試験片体をそれぞれ前記流路内に保持する２つの試験部とを備え、各試験片体は円形の平坦な試験面を有し、各試験部は、前記流路と接続され前記試験片体の試験面に対向して配設された小径流路部と、前記小径流路部の開口の縁から前記試験片体の試験面と平行に前記開口の周縁方向に延び前記試験面と対向する平行面部と、前記平行面部を含み前記試験片体を囲うチャンバと、前記試験面と平行となる方向に前記チャンバから延び前記流路に接続された大径流路部と、前記試験面と前記平行面部との間隔を所定の間隔に調整する調整手段とを有し、一方の試験部は前記小径流路部から導入された前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させた後、前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験液体を前記試験面に沿って放射方向に流し前記大径流路部から流出させることにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方の試験部は前記大径流路部から導入された前記試験液体を前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流した後、前記試験面の中心部から前記小径流路部を介して略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験装置が提供される。
また、この発明の別の観点によれば、この発明による上記の流路耐食試験装置を用い、流路内に試験片体を配置し、試験液体を前記試験片体の試験面に接触させ、該試験片体の損失重量及び／または表面浸食深さを測定する試験方法において、前記試験液体を前記試験面に接触させるに際して少なくとも２つの試験片体が配置され、一方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略垂直にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させ、次いで前記試験面に沿って放射方向に流すことにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略平行にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流し、次いで前記試験面の中心部から略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験方法が提供される。
【０００８】
すなわち、本発明の流路耐食試験方法では、試験面近傍での２つの異なる流れに起因する腐食・浸食の状況、例えば、試験液体を試験面と略垂直に衝突させて生じる、試験液体の境界層が剥離するような、流れの激しい乱れの場（乱流）での腐食・浸食の状況と、試験液体を試験面と略並行に接触させて生じる、流れの激しい乱れを生じない場（層流）での腐食・浸食の状況とをそれぞれの試験面上に作りだすことができる。したがって、同時にかつ同条件で腐食・浸食を進行させることができるので、試験片の暴露時間、試験液体の流速のみならず試験面の局部位置に関する比較試験が可能となる。
【０００９】
また、上記した２つの異なる流れは、実際のプラント等における流路の変化、例えば、管路断面積の変化、流れ方向の変化、分岐・合流等と直接または間接的に結び付けることができるので、得られる試験結果を実際のプラント等における流路に反映させることにより耐食のための有効な対策、例えば、局部的耐食処理、管路断面積の最適化、流体の改善等を施すことができる。
【００１０】
この発明における流路とは、開放系または閉鎖系からなる管路、開きょ及び各種プラント等において流体が接触する固体壁面全般を含む。
このような流路は、一過式の流路であってもよいし、循環式の流路であってもよい。
この発明における試験液体とは、ボイラプラント水等のプラント流体のみならず、流れに起因する腐食・浸食を加速する等の目的で意図的に作製された流体、例えば、サンド等の固体粒子を混ぜた液体が挙げられる。また、試験液体は気体を含むものであってもよい。
【００１１】
この発明における試験片体とは、流路を構成する固体材料片であって、例えば、炭素鋼、銅または銅合金、ステンレス、チタン等の金属類、プラスチック、硝子、セラミック及びこれらを添加あるいは複合した材料片が挙げられる。また、パッキン、ガスケット類に使用されるアスベスト、ゴム類、合成樹脂類等も用いることができる。
この発明における試験面は、表面浸食深さを測定することができるよう所定の前処理、例えば、研磨等による平滑化、表面の防食処理が施されたものが好ましい。試験面の形状は、円形、矩形、多角形等いずれでもよいが、試験液体が衝突あるいは集合する中心部を原点として腐食・浸食の局部的状況を測定する場合には等方性の点から円形が好ましい。
【００１２】
試験液体を、一方の試験面においてはその中心部で略垂直に衝突させ、次いで試験面に沿って放射方向に流し、他方の試験面においてはその外周部から試験面に沿って逆放射方向に流し、次いで試験面の中心部から略垂直に流出させることにより、試験液体が衝突あるいは集合する中心部を原点とする座標上で両者の腐食・浸食の局部的状況を比較することができる。
【００１３】
試験液体は、一方の試験面において試験面に沿って放射方向には、前記試験面の近傍で乱流を生じるように流され、他方の試験面において試験面の外周部から試験面に沿って逆放射方向には、前記試験面の近傍で層流を生じるように流される。
この発明における乱流とは、試験面近傍で激しい乱れ、すなわち試験液体の境界層が剥離するような乱れを生じる流れの場を表す。
この発明における層流とは、試験面近傍で試験面に剪断力を作用させる流れの場を表す。剪断力は、試験液体の境界層が破壊される流速以下で生じ、境界層が破壊される直前の流速において最大となる。さらに流速が増すと乱流が発生し、剪断力は消滅する。
【００１４】
試験液体は、気泡の量が制御されたボイラプラント水であり、試験片は、ボイラ水系に使用される金属部材の材料片であってもよい。
これにより、気泡の影響を受けることなく耐食試験が行える。なお、例えば、冷却水系統の熱交換器の内部でも気泡を生じる場合があるので、このようなプラント全般の流路の耐食試験を行うことも本発明の目的であるため、試験液体はボイラプラント水に限定されない。
ボイラプラント水の気泡の制御は、ボイラプラント水を高温高圧にして行うことができる。これは、液温が１００℃を超えて、なお気泡を生じないような高温高圧の液体が試験液体として使用できることを意味する。
【００１５】
上述のとおり、この発明によれば、試験液体が導入される流路と、前記流路に介設され２つの試験片体をそれぞれ前記流路内に保持する２つの試験部とを備え、各試験片体は円形の平坦な試験面を有し、各試験部は、前記流路と接続され前記試験片体の試験面に対向して配設された小径流路部と、前記小径流路部の開口の縁から前記試験片体の試験面と平行に前記開口の周縁方向に延び前記試験面と対向する平行面部と、前記平行面部を含み前記試験片体を囲うチャンバと、前記試験面と平行となる方向に前記チャンバから延び前記流路に接続された大径流路部と、前記試験面と前記平行面部との間隔を所定の間隔に調整する調整手段とを有し、一方の試験部は前記小径流路部から導入された前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させた後、前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験液体を前記試験面に沿って放射方向に流し前記大径流路部から流出させることにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方の試験部は前記大径流路部から導入された前記試験液体を前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流した後、前記試験面の中心部から前記小径流路部を介して略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験装置が提供される。
すなわち、小径流路部が、一方において吐出口となるように配設され、他方において排出口となるように配設され、吐出口としての小径流路部に対向した試験面及び排出口としての小径流路部に対向した試験面に２つの異なる流れをそれぞれ形成することができる。
【００１６】
この試験装置における試験部とは、導入される試験液体が試験片体の試験面に接触し試験液体によって試験片体の取り付け位置が変わらない機構が好ましい。
試験片の保持機構としては、ネジ部を有する台座を流路内に固定し、試験片体の一部にネジ部を形成し、これらネジ部を介して試験片体を着脱可能に保持するものが挙げられる。
【００１７】
小径流路部は、試験部に保持された試験片体の試験面に対向して開口し、この前記開口の縁から前記試験面と平行して周縁方向に延びた平行面部とを有する。
すなわち、開口した小径流路部の開口縁を中心として周縁方向に延びた平行面部が、試験面との間に所定の隙間を形成し、この隙間に位置する試験面の表面に２つの異なる流れ、乱流及び層流をそれぞれ生じるよう配設される口部材（口金）として機能する。
したがって、導入される試験液体が試験片体の試験面に所定の条件で接触するよう、保持部に取り付けられた試験片体との間の相対位置、間隔（前記隙間距離）、平行面部の外径及び小径流路部の口径等が設定されるのが好ましい。
【００１８】
試験片体及びこの試験片体に対向する液体口部からなる試験部は、流路に対し直列または並列に保持することができる。試験部を流路に対して直列に保持する場合は、試験片体を有する２つ以上の試験部を順序の関係なく配列することができる。また、試験部を流路に対して並列に保持する場合には、２つ以上の異なる流れにおける流量・流速比を維持するために流量分配を考慮する必要がある。
【００１９】
流路が、試験液体を流路の一端から供給し他端から排出する流体給排手段と、前記流路に導入される試験液体の流速、温度、圧力を制御する液体制御手段と、前記流路を循環可能に切り換える流路切り換え手段とを具備しておれば、循環流路を任意に形成し、かつ試験液体の上記条件を比較的容易にまた精密に制御可能な試験装置を提供できる。
【００２０】
流体給排手段が、試験液体を収容するタンク及びこのタンクから試験液体を連続して導出するポンプからなり、液体制御手段が、流量調整バルブ、ヒータ、圧力計及び流量計からなるものが好ましい。
このような試験装置では、流体給排手段によりボイラプラント水を試験液体として流路に給排し、流路切り換え手段により通過する前記試験液体の少なくとも一部を流路内で循環させる場合に、液体制御手段が、少なくとも液体口部において気泡を生じないよう前記試験液体を大気圧における沸点を超える高温、高圧に制御して耐食試験を行うことができる。
【００２１】
試験片体は、少なくとも１つの円形の平坦な試験面を有する。例えば、１片の試験片について、その主面両端部あるいは表・裏主面に複数の試験面を形成してもよいし、その表面のどこか１箇所に試験面を形成してもよい。さらに、試験片を同じ形状及び寸法で形成すれば、２種類を準備する必要がなく、比較が容易になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態による耐食試験装置を詳細に説明する。
図１は、ボイラ水系の耐食試験装置としての高温高圧用隙間噴流法試験装置の構成を示す。
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０は、水質調整タンク１を備えた試験液供給ライン２と、試験液供給ライン２から供給された試験液を循環可能に流動させる試験液循環ライン３と、試験液循環ライン３に介設された２つの試験部４ａ，４ｂと、試験液循環ライン３に供給された試験液を排出する試験液排出ライン５とから主に構成されている。
【００２３】
試験液を収容する水質調整タンク１は、収容された試験液に空気または窒素ガスを供給するガス供給手段１１と、試験液中の溶存酸素濃度を測定する供給試験液用ＤＯメータ１２を備える。供給試験液用ＤＯメータ１２は、タンク１から試験液を吸引しタンク１へ返すポンプ１３が介接された管路１４に接続されている。試験液供給ライン２は、サンプリング用の三方バルブ１５及びプランジャーポンプ１６を介してタンク１と試験液循環ライン３とを接続する。
【００２４】
試験液循環ライン３は、閉鎖系の循環流路３１からなり、この循環流路３１には、試験液供給ライン２との接続部から順に、ヒータ３２、バルブ３３、試験部４ａ，４ｂ、フィルタ３４、ポンプ３５及び流量計３６がそれぞれ介設されている。
【００２５】
試験部４ａ，４ｂは、試験液循環ライン３に直列に保持されており、両者間には流量調整用バルブ４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅが介接されている。ヒータ３２及び試験部４ａ，４ｂには、それぞれＴＩＣ（温度指示調節計）が取り付けられている。ポンプ３５の前後にはバルブ３７が介設された流量調整用のバイパス路３８が設けられている。流量計３６とヒータ３２の間には、圧力計３８及び試験液排出ライン５が分岐して接続されている。試験液排出ライン５には、チラー５１、背圧バルブ５２及び排出試験液用ＤＯメータ５３が介設されている。
【００２６】
試験部４ａ，４ｂは、図２に示すように、炭素鋼からなる試験片１００を循環流路３１内に支持する第１〜第４の部材４１〜４４とから主に構成される。試験片１００は、平坦な試験面１０１を表面に有する円板部１０２と、円板部１０２の裏面から延出したネジ部１０３とからなる。ネジ部１０３は、第１部材４１の先端に形成されたネジ部（図示せず）に螺合され、円板部１０２の裏面を曝さないように取り付けられる。
【００２７】
保持部としての第１部材４１は、直径が円板部１０２のそれよりも大きい棒状部４１ａと、基端に形成されたベース４１ｂとからなり、ベース４１ｂの一端には固着ボルト４５が配設されている。固着ボルト４５は後述するように、試験片１００の位置決め用として機能する。棒状部４１ａは、第２部材４２の孔部４２ａを貫通し、先端に支持された試験片１００の試験面１０１は、第３部材４３と向き合う。
【００２８】
液体口部としての第３部材４３は、支持された試験片１００の試験面１０１に対向して開口した小径流路部４３ａ及び小径流路部４３ａの開口縁から試験面１０１と平行して周縁方向に延びた円形の平行面部４３ｂを先端に有し、耐摩耗性材料からなる。小径流路部４３ａは、試験面１０１に略直交する軸線に沿って延び、その他端は第３部材４３の基端に形成されたベース４３ｃに開口し、さらに循環流路３１に接続されている。
【００２９】
第３部材４３は、第４部材４４の孔部４４ａを貫通し、ベース４３ｃの一端に配設された固着ボルト４６により第４部材４４に固着されている。さらに第４部材４４は、第２部材４２の孔部４２ｂを貫通する固着ボルト４７により第２部材４２と固着される。
試験面１０１と第３部材４３とが向き合う空間の周囲には、第４部材４４の先端に形成された凹部４４ｂを、第１〜第３の部材４１〜４３が取り囲むようにしてチャンバ４８が形成される。チャンバ４８は、凹部４４ｂに形成された大径流路部４４ｃを介して循環流路３１に接続されている。
【００３０】
試験部４ａ，４ｂは、ともに図２に示した試験部を使用し、試験部４ａでは図中の実線矢印の方向へ試験液体が給排されるように、試験部４ｂでは図中の破線矢印の方向へ試験液が給排されるように循環流路３１に直列に接続される。
試験面１０１における試験液体の流れを図３及び図４に示す。図３は試験部４ａにおける流れ、図４は試験部４ｂにおける流れを示す。
【００３１】
試験片１００は、試験面１０１と平行面部４３ｂとが所定の間隔Ｓを形成するようベース４１ｂに設置したダイアルゲージ（図示せず）を見ながら固着ボルト４５のナット４５ａ，４５ｂを調節することにより位置決めされる。間隔Ｓは、小径流路部４３ａ（直径ｄ）における断面積Ｄ１及び小径流路部４３ａの開口縁と対向する平行面部４３ｂとの間に形成される断面積Ｓ１の断面積比ｈに基づいて決定される。一例を挙げれば、直径ｄが1.6mm のとき、試験部４ａにおける断面積比ｈａは、0.125 〜0.625 であり、試験部４b における断面積比ｈb は、0.125 〜2.7 である。
【００３２】
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いた耐食試験例を以下に示す。
実施例１
試験片１００には炭素鋼Ｓ２５Ｃを用い、試験前に表面をエメリー紙で２０００番まで研磨し、洗浄、脱脂した後に試験部４ａ，４ｂに設置した。試験液には電気伝導度０．１μＳ／ｃｍのイオン交換水を用い、実際のボイラ給水の水質に基づいて表１に示すように溶存酸素濃度（ＤＯ）とｐＨを設定した。
【００３３】
【表１】
ＡＶＴ：揮発性物質処理法 (All Volatile Treatment)
ＣＷＴ：複合水処理法 (Combined Water Treatment)
ＮＷＴ：中性水処理法 (Neutral Water Treatment)
【００３４】
循環流路３１中の溶存酸素濃度は、水質調整タンク１に注入する窒素ガスと空気によって制御した。循環流路３１中の試験部４ａ，４ｂでの腐食反応によって酸素が消費されるため、水質調整タンク１での溶存酸素濃度は目標濃度より高く設定する必要がある。循環流路３１中の溶存酸素濃度が一定になるように、排出ライン５の液をチラー５１で冷却した後に排出ライン５中のＤＯメータ５３で連続判定し、その値から水質調整タンク１での溶存酸素濃度を決定した。ｐＨ調整にはアンモニアを用いた。
【００３５】
試験条件は、試験水温度を１２０℃、圧力を１０ＭＰａ、試験時間を４０ｈｒに設定し、試験部４ａ，４ｂにおける小径流路部４３ａ出口での流速を０〜６．６ｍ／ｓまで変化させて試験を行った。試験片１００の評価には、試験面１０１に形成された酸化皮膜を電解法により除去した後の腐食減量を用いた。また、局所的な腐食の評価を行うため、表面粗さ計を用いて浸食深さを求めた。
【００３６】
図５に順流（試験部４ａ）における流速と損失重量の関係を示す。いずれのボイラ水処理条件においても、流速の上昇に伴い損失重量は上昇している。このことから、流れの影響により炭素鋼の腐食が加速されることが分かる。また、３種の処理法の中でＮＷＴの損失重量が最も大きくなっている。ＡＶＴ、ＣＷＴのｐＨは９、ＮＷＴのｐＨは７であり、ｐＨをアルカリ性に保持すると、表面に形成される酸化皮膜の溶解度が下がり安定化されて、腐食が抑制されたものと考えられる。逆流（試験部４ｂ）における試験では順流とほぼ同様な結果を示した。
【００３７】
順流（試験部４ａ）における試験時間４０ｈｒ後の、表面酸化皮膜を除去した後の試験片の表面写真によれば（図示せず）、ＡＶＴにおいては試験片中心から２ｍｍの場所に浸食が生じていることが分かる。ＣＷＴ、ＮＷＴにおいては試験片の周辺部で点状あるいは線状の腐食が試験水の流れの方向に生じている。このように、３種類の処理法のいずれにおいても試験片の腐食は試験片全体にわたって均一となっていないため、ここで用いた損失重量はそれぞれの腐食の状態を示すには適切な指標ではない。そこで、３種類の処理法について浸食深さによる比較を行った。
【００３８】
図６に順流、流速３．３ｍ／ｓにおける試験時間４０ｈｒ後の試験面１０１の断面形状を示す。ＡＶＴにおいては図６での表面観察からも分かるように、試験面１０１の中心から約２ｍｍの場所で局部浸食を生じている。従来の研究から、この場所では乱れ（境界層剥離）が生じることが明らかにされており、同一の場所に浸食が生じていることから、これは流れ誘起局部腐食である。
【００３９】
これに対して、ＣＷＴ、ＮＷＴでは乱れが生じる場所には浸食が認められないが、試験面１０１周辺部に深さ５〜１０μｍの孔食が発生し、流れ誘起局部腐食と異なる機構で腐食が進行している。実際の腐食で問題となるのは、試験面１０１上における最も深い浸食であり、比較にはそれを示す指標を用いる必要がある。そこで、ＡＶＴでは試験面１０１の中心から約２ｍｍの場所での最も深い浸食深さを、ＣＷＴ、ＮＷＴでは試験面１０１の周辺部で最も深い孔食の浸食深さをそれぞれ用いて比較を行った。
【００４０】
図７に各処理法における流速と最大浸食深さの関係を示す。ＮＷＴにおいては損失重量の場合と同様に３種類の処理法の中で浸食が大きくなっている。ところが、ＡＶＴとＣＷＴを比較すると、損失重量での比較の場合とは異なり、ＣＷＴの方が損傷すなわち、腐食・浸食が大きくなった。これは、ＣＷＴでの損傷形態が孔食であり、局所的な腐食が大きいことを示している。この結果から、３種類の処理法の中で、浸食深さが最も浅いＡＶＴが我が国のボイラ水処理として採用されていることは妥当であると考えられる。
【００４１】
以下に、腐食機構を考察する。液流動下での腐食は、試験面１０１に形成される酸化皮膜の性状に左右されるため、それぞれの処理法においてどのような酸化皮膜が生成しているかを調べた。まず、腐食試験後の表面観察を行った結果、ＡＶＴには黒色の皮膜が、ＣＷＴ、ＮＷＴでは黒色の皮膜に加えて褐色の皮膜が形成されていた。これより、ＡＶＴではマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）が形成され、ＣＷＴ、ＮＷＴではマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）およびヘマタイト（Ｆｅ2Ｏ3）が形成されていると考えられる。
【００４２】
また、試験中の試験面１０１の腐食電位を測定したところ、図８に示すように最初の約５ｈｒまでは電位は安定しないが、その後は一定の電位を示し、ＡＶＴでは約−６００ｍＶ、ＣＷＴ、ＮＷＴでは約−１００ｍＶとなった。この結果と電位−ｐＨ図（図示せず）により、ＡＶＴではマグネタイト、ＣＷＴ、ＮＷＴではヘマタイトが安定であることが分かった。ＣＷＴ、ＮＷＴにおける孔食は、炭素鋼表面に形成される不動態皮膜の欠陥から発生したものと考えられる。
【００４３】
実施例２
防食処理を施した試験片１００について上記と同様に高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いて腐食速度及び浸食深さを測定した。防食処理は、予めエメリー♯２０００番仕上げされた試験面１０１を脱脂した後、オートクレーブ装置内で、ボイラ用基礎皮膜形成剤、シャンベース（登録商標、株式会社片山化学工業研究所製）で処理することにより行った。
【００４４】
図９は、オートクレーブ装置６０の構成を示す。オートクレーブ装置６０は、開閉可能な圧力容器６１と、モータ６２と、モータ６２の駆動により圧力容器６１内で回転する垂直軸を有する回転軸６３と、圧力容器６１を取り囲む恒温調整ヒータ６４と、温度センサ６５とからなる。
【００４５】
圧力容器６１内に濃度２０００ｍｇ／Ｌに調整された前記シャンベース（登録商標）１０００ｍＬを入れ、圧力容器６１内を圧力６．０ＭＰａ，温度２７５℃に設定して試験片１００を回転軸５３に固定し回転させた。回転軸６１の回転速度は１００ｒｐｍ（流速約０．２ｍ／ｓに相当する）とし、４８時間の処理を行った。
処理後、圧力容器６１内を冷却し、圧力容器６１内から試験片１００を取り出し、純水で洗浄し乾燥させた後、高温高圧用隙間噴流法試験装置１０に取り付けた。
【００４６】
隙間噴流法試験は、防食処理を施した試験片１００と未処理の試験片１００との１対が試験部４ａ，４ｂに取り付けられ、実施例１と同様の条件で行った。
結果を平均腐食速度（年実働時間に換算）として図１０及び図１１に示す。
【００４７】
上記の測定結果から、シャンベース（登録商標）で防食処理した場合には、腐食・浸食がともに抑制されていること、特にｐＨ９．０のアルカリ条件下で効果が著しいことがわかる。
流速と浸食深さ（浸食速度）との関係を図１２に示す。従来の方法ではＡＶＴとＣＷＴとの効果の差を確認できなかったが、流速３．３ｍ／ｓのところで浸食深さが抑制されていることが図１２からわかる。
【００４８】
実施例３
上記の実施例と同様に、高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いて試験片１００に塩化物イオンを含有する試験液を接触させ腐食減量及び浸食深さを測定した。
現在、ボイラの水処理において塩化物イオンの存在が問題になっている。この塩化物イオンは、純水の一般的な製造方法であるイオン交換樹脂法を用いた場合、イオン交換樹脂から生成された純水中に最も漏れ込み易いイオンの１つである。さらに、生成された純水を使用するプラント系に熱交換器が設置されている場合、熱交換器の受熱側流体から塩化物イオンが混入する事例も多々発生している。特に、熱交換器の受熱側流体に海水が使用されている場合は、混入する塩化物イオン濃度も高くなり易い。
【００４９】
プラント系内に塩化物イオンが混入した場合、混入した塩化物イオンを早急にプラント系外に排出し、電気伝導率が０．１μＳ／cm以下のボイラ水に入れ換える必要がある。しかし、ボイラ水を一度に全て排出することは、プラントの運転を停止することとなり、現実的な対応とはならない。また、ボイラ水を排出しながら電気伝導率が０．１μＳ／cm以下のボイラ水に入れ換えるには、プラントの規模や種類にもよるが、通常は長時間を要し、この期間にも腐食や孔食が発生・進行する。ボイラの水処理方法の１つとしてＪＩＳ Ｂ８２２３で規定されるＡＶＴ，ＣＷＴ処理方法では、塩化物イオンの存在下では全面腐食や孔食の発生防止に効果がない。
【００５０】
そこで、この実施例では、塩化物イオンの影響を調べるとともに、予めシャンベース（登録商標）での処理により試験片の表面に形成された保護皮膜の効果と、試験液に添加して試験中の試験片の表面に保護皮膜を形成するボイラ水処理剤、ミラクルシャン（登録商標、株式会社片山化学工業研究所製）の効果とについて試験を行った。
試験液は、電気伝導率が０．１μＳ／cmのイオン交換水を用い、食塩を添加して塩化物イオンの濃度を調整した。試験片１００は、予めエメリー♯２０００番仕上げされた試験面１０１を脱脂しただけの試験片と、試験面１０１を脱脂した後、さらにオートクレーブ装置６０内でシャンベース（登録商標）で処理することにより表面に保護皮膜を形成した試験片とを準備し、これら１対の試験片を試験部４ａ，４ｂに取り付けた。試験条件を表２に示す。
【００５１】
【表２】
試験結果を腐食減量ｍ（ｍｇ）及び最大浸食深さｄ（μｍ）として表３に示す。
【００５２】
【表３】
【００５３】
腐食減量ｍは次式で求められる。
腐食減量ｍ＝試験前試験片重量Ａ−試験後試験片重量Ｂ
【００５４】
ここで、試験片は、試験片表面の鉄分が前記シャンベース（登録商標）またはミラクルシャン（登録商標）との反応により形成されたマグネタイト層のみの重量が経験的にしか得られず、直径１６ｍｍの試験面の場合、約７ｍｇ±３ｍｇである。
【００５５】
一方、腐食減量ｍの測定は、電解法により洗浄された状態、すなわち、防食処理により形成されたマグネタイト層からなる保護皮膜をも除去された状態の試験片を試験後試験片としてその重量Ｂが測定されるので、腐食減量ｍは見かけ上大きくなる。
したがって、表３に注記した＊1 及び＊2 の腐食減量ｍの値は、実際の腐食減量と保護皮膜の重量との合計となっている。
【００５６】
上記の測定結果から、電気伝導率が０．１μＳ／cm以下の水を使用する場合、その水処理はＡＶＴ，ＣＷＴのいずれも良好であることが分かる。しかし、塩化物イオンが２mg/L混入すると、ＡＶＴ，ＣＷＴのいずれの場合も激しい腐食と孔食が発生する。特に、ＡＶＴ処理時に塩化物イオンが２mg/L混入すると、孔食により生じる浸食深さは、非常に大きくなる。ＣＷＴ処理時は、孔食による浸食の影響よりも、全面腐食による影響が大きくなっている。しかしながら防食処理により腐食・浸食ともに著しく抑制されていることがわかる。
【００５７】
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いることにより、塩化物イオンの存在下であっても実際のプラント等における腐食・孔食現象を再現することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の流路耐食試験装置では、試験面近傍での２つの異なる流れに起因する腐食・浸食の状況、例えば、試験液体を試験面と略垂直に衝突させて生じる、試験液体の境界層が剥離するような、流れの激しい乱れの場（乱流）での腐食・浸食の状況と、試験液体を試験面と略並行に接触させて生じる、流れの激しい乱れを生じない場（層流）での腐食・浸食の状況とをそれぞれの試験面上に作りだすことができるので、試験片体の暴露時間、試験液体の流速のみならず試験面の局部位置に関する試験が可能となる。
【００５９】
また、上記した２つの異なる流れは、実際のプラント等における流路の変化、例えば、管路断面積の変化、流れ方向の変化、分岐・合流等と直接または間接的に結び付けることができるので、得られる試験結果を実際のプラント等における流路に反映させることにより、耐食のための有効な対策、例えば、局部的耐食処理、管路断面積の最適化、流体の改善等を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流路耐食試験装置としての高温高圧用隙間噴流法試験装置１０の概略図である。
【図２】図１の試験部４ａ及び４ｂの流路構成を示す断面図である。
【図３】図２の試験部４ａにおける試験液体の流れを示す拡大断面図である。
【図４】図２の試験部４ｂにおける試験液体の流れを示す拡大断面図である。
【図５】実施例１における流速と損失重量の関係を示すグラフである。
【図６】実施例１における試験面の断面形状を示すグラフである。
【図７】実施例１における各処理法における流速と浸食深さの関係を示すグラフである。
【図８】実施例１における試験面の腐食電位の経時変化を示すグラフである。
【図９】実施例２における腐食処理用のオートクレーブの構造を示す断面図である。
【図１０】実施例２の試験部４ａにおける試験液体の水質と腐食速度の関係を示すグラフである。
【図１１】実施例２の試験部４ｂにおける試験液体の水質と腐食速度の関係を示すグラフである。
【図１２】実施例２の試験部４ａにおける流速と浸食深さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 高温高圧用隙間噴流法試験装置（耐食試験装置）
３１ 循環流路
４１ 第１部材（保持部）
４３ 第３部材（液体口部）
１００ 試験片
１０１ 試験面
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路耐食試験方法及び試験装置に関し、特にボイラ水系等を形成する流路に使用される材料の耐食試験方法及び試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のプラント等における液体の流路、特にポンプ等の可動部、あるいは曲がり部分や拡大・縮小部分では、流動する液体により化学的あるいは電気化学的腐食及び物理的浸食が見られる。例えば、火力発電プラント等のボイラ水系では、一般に炭素鋼が使用されているが、上記した流れの乱れの激しい部分や剪断力が増加する部分では、高温高圧のボイラプラント水の供給により保護性酸化皮膜が局部的に破壊されて減肉を生じる場合がある。
そのため、流路に使用される材料の検討あるいは流体の供給方法の改善を通じて前記の腐食環境に適合した耐食手段を確立すべく、従来から耐食試験が行われている。
【０００３】
耐食試験は通常、流路内に試験片体を配置し、試験液体を前記試験片の試験面に接触させた後、腐食の度合いの観察あるいは試験片体の損失重量及び表面浸食深さを測定することにより行われる。
例えば、試験方法の１つとして、試験片体を回転円板に固定して試験液中で回転させる手法がある。さらに別の方法として、試験片体をノズルに対面して設置し、試験液を噴射して試験片体に衝突させる手法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した試験片を試験液中で回転させる手法では、試験片体と試験液との接触を促進して加速度的に腐食・浸食を進行させることができるが、試験液の粘性により試験片体の表面が試験液を引きずって共に回転させようとするので、腐食・浸食の状況はプラント等の流路におけるものと異なる。そのため、得られた結果をプラント等における流路の改善に反映させることが困難となる。
【０００５】
一方、試験液を噴射して試験片体に衝突させる手法では、腐食・浸食の状況はプラント等の流路におけるそれと近いものになる。しかし、流れの激しい部分における局部的な減肉（腐食）を観察できる半面、剪断力の増加による局部的な減肉（腐食）を観察することが不十分となり、得られた結果をプラント等における流路の改善に反映させるには不十分である。また、このような試験装置は通常、噴射された試験液が大気開放系のタンクに戻って循環使用されるため、使用される液がボイラプラント水のような場合、使用温度の限界が８０〜９０℃となり１００℃を超えると蒸発するため実質的な耐食試験ができないという問題もある。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各種のプラント等における様々な環境下での腐食・浸食状況を安定して再現でき、得られた結果をプラント等における流路の改善に容易に反映させることができる耐食試験方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の１つの観点によれば、試験液体が導入される流路と、前記流路に介設され２つの試験片体をそれぞれ前記流路内に保持する２つの試験部とを備え、各試験片体は円形の平坦な試験面を有し、各試験部は、前記流路と接続され前記試験片体の試験面に対向して配設された小径流路部と、前記小径流路部の開口の縁から前記試験片体の試験面と平行に前記開口の周縁方向に延び前記試験面と対向する平行面部と、前記平行面部を含み前記試験片体を囲うチャンバと、前記試験面と平行となる方向に前記チャンバから延び前記流路に接続された大径流路部と、前記試験面と前記平行面部との間隔を所定の間隔に調整する調整手段とを有し、一方の試験部は前記小径流路部から導入された前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させた後、前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験液体を前記試験面に沿って放射方向に流し前記大径流路部から流出させることにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方の試験部は前記大径流路部から導入された前記試験液体を前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流した後、前記試験面の中心部から前記小径流路部を介して略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験装置が提供される。
また、この発明の別の観点によれば、この発明による上記の流路耐食試験装置を用い、流路内に試験片体を配置し、試験液体を前記試験片体の試験面に接触させ、該試験片体の損失重量及び／または表面浸食深さを測定する試験方法において、前記試験液体を前記試験面に接触させるに際して少なくとも２つの試験片体が配置され、一方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略垂直にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させ、次いで前記試験面に沿って放射方向に流すことにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略平行にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流し、次いで前記試験面の中心部から略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験方法が提供される。
【０００８】
すなわち、本発明の流路耐食試験方法では、試験面近傍での２つの異なる流れに起因する腐食・浸食の状況、例えば、試験液体を試験面と略垂直に衝突させて生じる、試験液体の境界層が剥離するような、流れの激しい乱れの場（乱流）での腐食・浸食の状況と、試験液体を試験面と略並行に接触させて生じる、流れの激しい乱れを生じない場（層流）での腐食・浸食の状況とをそれぞれの試験面上に作りだすことができる。したがって、同時にかつ同条件で腐食・浸食を進行させることができるので、試験片の暴露時間、試験液体の流速のみならず試験面の局部位置に関する比較試験が可能となる。
【０００９】
また、上記した２つの異なる流れは、実際のプラント等における流路の変化、例えば、管路断面積の変化、流れ方向の変化、分岐・合流等と直接または間接的に結び付けることができるので、得られる試験結果を実際のプラント等における流路に反映させることにより耐食のための有効な対策、例えば、局部的耐食処理、管路断面積の最適化、流体の改善等を施すことができる。
【００１０】
この発明における流路とは、開放系または閉鎖系からなる管路、開きょ及び各種プラント等において流体が接触する固体壁面全般を含む。
このような流路は、一過式の流路であってもよいし、循環式の流路であってもよい。
この発明における試験液体とは、ボイラプラント水等のプラント流体のみならず、流れに起因する腐食・浸食を加速する等の目的で意図的に作製された流体、例えば、サンド等の固体粒子を混ぜた液体が挙げられる。また、試験液体は気体を含むものであってもよい。
【００１１】
この発明における試験片体とは、流路を構成する固体材料片であって、例えば、炭素鋼、銅または銅合金、ステンレス、チタン等の金属類、プラスチック、硝子、セラミック及びこれらを添加あるいは複合した材料片が挙げられる。また、パッキン、ガスケット類に使用されるアスベスト、ゴム類、合成樹脂類等も用いることができる。
この発明における試験面は、表面浸食深さを測定することができるよう所定の前処理、例えば、研磨等による平滑化、表面の防食処理が施されたものが好ましい。試験面の形状は、円形、矩形、多角形等いずれでもよいが、試験液体が衝突あるいは集合する中心部を原点として腐食・浸食の局部的状況を測定する場合には等方性の点から円形が好ましい。
【００１２】
試験液体を、一方の試験面においてはその中心部で略垂直に衝突させ、次いで試験面に沿って放射方向に流し、他方の試験面においてはその外周部から試験面に沿って逆放射方向に流し、次いで試験面の中心部から略垂直に流出させることにより、試験液体が衝突あるいは集合する中心部を原点とする座標上で両者の腐食・浸食の局部的状況を比較することができる。
【００１３】
試験液体は、一方の試験面において試験面に沿って放射方向には、前記試験面の近傍で乱流を生じるように流され、他方の試験面において試験面の外周部から試験面に沿って逆放射方向には、前記試験面の近傍で層流を生じるように流される。
この発明における乱流とは、試験面近傍で激しい乱れ、すなわち試験液体の境界層が剥離するような乱れを生じる流れの場を表す。
この発明における層流とは、試験面近傍で試験面に剪断力を作用させる流れの場を表す。剪断力は、試験液体の境界層が破壊される流速以下で生じ、境界層が破壊される直前の流速において最大となる。さらに流速が増すと乱流が発生し、剪断力は消滅する。
【００１４】
試験液体は、気泡の量が制御されたボイラプラント水であり、試験片は、ボイラ水系に使用される金属部材の材料片であってもよい。
これにより、気泡の影響を受けることなく耐食試験が行える。なお、例えば、冷却水系統の熱交換器の内部でも気泡を生じる場合があるので、このようなプラント全般の流路の耐食試験を行うことも本発明の目的であるため、試験液体はボイラプラント水に限定されない。
ボイラプラント水の気泡の制御は、ボイラプラント水を高温高圧にして行うことができる。これは、液温が１００℃を超えて、なお気泡を生じないような高温高圧の液体が試験液体として使用できることを意味する。
【００１５】
上述のとおり、この発明によれば、試験液体が導入される流路と、前記流路に介設され２つの試験片体をそれぞれ前記流路内に保持する２つの試験部とを備え、各試験片体は円形の平坦な試験面を有し、各試験部は、前記流路と接続され前記試験片体の試験面に対向して配設された小径流路部と、前記小径流路部の開口の縁から前記試験片体の試験面と平行に前記開口の周縁方向に延び前記試験面と対向する平行面部と、前記平行面部を含み前記試験片体を囲うチャンバと、前記試験面と平行となる方向に前記チャンバから延び前記流路に接続された大径流路部と、前記試験面と前記平行面部との間隔を所定の間隔に調整する調整手段とを有し、一方の試験部は前記小径流路部から導入された前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させた後、前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験液体を前記試験面に沿って放射方向に流し前記大径流路部から流出させることにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方の試験部は前記大径流路部から導入された前記試験液体を前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流した後、前記試験面の中心部から前記小径流路部を介して略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験装置が提供される。
すなわち、小径流路部が、一方において吐出口となるように配設され、他方において排出口となるように配設され、吐出口としての小径流路部に対向した試験面及び排出口としての小径流路部に対向した試験面に２つの異なる流れをそれぞれ形成することができる。
【００１６】
この試験装置における試験部とは、導入される試験液体が試験片体の試験面に接触し試験液体によって試験片体の取り付け位置が変わらない機構が好ましい。
試験片の保持機構としては、ネジ部を有する台座を流路内に固定し、試験片体の一部にネジ部を形成し、これらネジ部を介して試験片体を着脱可能に保持するものが挙げられる。
【００１７】
小径流路部は、試験部に保持された試験片体の試験面に対向して開口し、この前記開口の縁から前記試験面と平行して周縁方向に延びた平行面部とを有する。
すなわち、開口した小径流路部の開口縁を中心として周縁方向に延びた平行面部が、試験面との間に所定の隙間を形成し、この隙間に位置する試験面の表面に２つの異なる流れ、乱流及び層流をそれぞれ生じるよう配設される口部材（口金）として機能する。
したがって、導入される試験液体が試験片体の試験面に所定の条件で接触するよう、保持部に取り付けられた試験片体との間の相対位置、間隔（前記隙間距離）、平行面部の外径及び小径流路部の口径等が設定されるのが好ましい。
【００１８】
試験片体及びこの試験片体に対向する液体口部からなる試験部は、流路に対し直列または並列に保持することができる。試験部を流路に対して直列に保持する場合は、試験片体を有する２つ以上の試験部を順序の関係なく配列することができる。また、試験部を流路に対して並列に保持する場合には、２つ以上の異なる流れにおける流量・流速比を維持するために流量分配を考慮する必要がある。
【００１９】
流路が、試験液体を流路の一端から供給し他端から排出する流体給排手段と、前記流路に導入される試験液体の流速、温度、圧力を制御する液体制御手段と、前記流路を循環可能に切り換える流路切り換え手段とを具備しておれば、循環流路を任意に形成し、かつ試験液体の上記条件を比較的容易にまた精密に制御可能な試験装置を提供できる。
【００２０】
流体給排手段が、試験液体を収容するタンク及びこのタンクから試験液体を連続して導出するポンプからなり、液体制御手段が、流量調整バルブ、ヒータ、圧力計及び流量計からなるものが好ましい。
このような試験装置では、流体給排手段によりボイラプラント水を試験液体として流路に給排し、流路切り換え手段により通過する前記試験液体の少なくとも一部を流路内で循環させる場合に、液体制御手段が、少なくとも液体口部において気泡を生じないよう前記試験液体を大気圧における沸点を超える高温、高圧に制御して耐食試験を行うことができる。
【００２１】
試験片体は、少なくとも１つの円形の平坦な試験面を有する。例えば、１片の試験片について、その主面両端部あるいは表・裏主面に複数の試験面を形成してもよいし、その表面のどこか１箇所に試験面を形成してもよい。さらに、試験片を同じ形状及び寸法で形成すれば、２種類を準備する必要がなく、比較が容易になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態による耐食試験装置を詳細に説明する。
図１は、ボイラ水系の耐食試験装置としての高温高圧用隙間噴流法試験装置の構成を示す。
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０は、水質調整タンク１を備えた試験液供給ライン２と、試験液供給ライン２から供給された試験液を循環可能に流動させる試験液循環ライン３と、試験液循環ライン３に介設された２つの試験部４ａ，４ｂと、試験液循環ライン３に供給された試験液を排出する試験液排出ライン５とから主に構成されている。
【００２３】
試験液を収容する水質調整タンク１は、収容された試験液に空気または窒素ガスを供給するガス供給手段１１と、試験液中の溶存酸素濃度を測定する供給試験液用ＤＯメータ１２を備える。供給試験液用ＤＯメータ１２は、タンク１から試験液を吸引しタンク１へ返すポンプ１３が介接された管路１４に接続されている。試験液供給ライン２は、サンプリング用の三方バルブ１５及びプランジャーポンプ１６を介してタンク１と試験液循環ライン３とを接続する。
【００２４】
試験液循環ライン３は、閉鎖系の循環流路３１からなり、この循環流路３１には、試験液供給ライン２との接続部から順に、ヒータ３２、バルブ３３、試験部４ａ，４ｂ、フィルタ３４、ポンプ３５及び流量計３６がそれぞれ介設されている。
【００２５】
試験部４ａ，４ｂは、試験液循環ライン３に直列に保持されており、両者間には流量調整用バルブ４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅが介接されている。ヒータ３２及び試験部４ａ，４ｂには、それぞれＴＩＣ（温度指示調節計）が取り付けられている。ポンプ３５の前後にはバルブ３７が介設された流量調整用のバイパス路３８が設けられている。流量計３６とヒータ３２の間には、圧力計３８及び試験液排出ライン５が分岐して接続されている。試験液排出ライン５には、チラー５１、背圧バルブ５２及び排出試験液用ＤＯメータ５３が介設されている。
【００２６】
試験部４ａ，４ｂは、図２に示すように、炭素鋼からなる試験片１００を循環流路３１内に支持する第１〜第４の部材４１〜４４とから主に構成される。試験片１００は、平坦な試験面１０１を表面に有する円板部１０２と、円板部１０２の裏面から延出したネジ部１０３とからなる。ネジ部１０３は、第１部材４１の先端に形成されたネジ部（図示せず）に螺合され、円板部１０２の裏面を曝さないように取り付けられる。
【００２７】
保持部としての第１部材４１は、直径が円板部１０２のそれよりも大きい棒状部４１ａと、基端に形成されたベース４１ｂとからなり、ベース４１ｂの一端には固着ボルト４５が配設されている。固着ボルト４５は後述するように、試験片１００の位置決め用として機能する。棒状部４１ａは、第２部材４２の孔部４２ａを貫通し、先端に支持された試験片１００の試験面１０１は、第３部材４３と向き合う。
【００２８】
液体口部としての第３部材４３は、支持された試験片１００の試験面１０１に対向して開口した小径流路部４３ａ及び小径流路部４３ａの開口縁から試験面１０１と平行して周縁方向に延びた円形の平行面部４３ｂを先端に有し、耐摩耗性材料からなる。小径流路部４３ａは、試験面１０１に略直交する軸線に沿って延び、その他端は第３部材４３の基端に形成されたベース４３ｃに開口し、さらに循環流路３１に接続されている。
【００２９】
第３部材４３は、第４部材４４の孔部４４ａを貫通し、ベース４３ｃの一端に配設された固着ボルト４６により第４部材４４に固着されている。さらに第４部材４４は、第２部材４２の孔部４２ｂを貫通する固着ボルト４７により第２部材４２と固着される。
試験面１０１と第３部材４３とが向き合う空間の周囲には、第４部材４４の先端に形成された凹部４４ｂを、第１〜第３の部材４１〜４３が取り囲むようにしてチャンバ４８が形成される。チャンバ４８は、凹部４４ｂに形成された大径流路部４４ｃを介して循環流路３１に接続されている。
【００３０】
試験部４ａ，４ｂは、ともに図２に示した試験部を使用し、試験部４ａでは図中の実線矢印の方向へ試験液体が給排されるように、試験部４ｂでは図中の破線矢印の方向へ試験液が給排されるように循環流路３１に直列に接続される。
試験面１０１における試験液体の流れを図３及び図４に示す。図３は試験部４ａにおける流れ、図４は試験部４ｂにおける流れを示す。
【００３１】
試験片１００は、試験面１０１と平行面部４３ｂとが所定の間隔Ｓを形成するようベース４１ｂに設置したダイアルゲージ（図示せず）を見ながら固着ボルト４５のナット４５ａ，４５ｂを調節することにより位置決めされる。間隔Ｓは、小径流路部４３ａ（直径ｄ）における断面積Ｄ１及び小径流路部４３ａの開口縁と対向する平行面部４３ｂとの間に形成される断面積Ｓ１の断面積比ｈに基づいて決定される。一例を挙げれば、直径ｄが1.6mm のとき、試験部４ａにおける断面積比ｈａは、0.125 〜0.625 であり、試験部４b における断面積比ｈb は、0.125 〜2.7 である。
【００３２】
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いた耐食試験例を以下に示す。
実施例１
試験片１００には炭素鋼Ｓ２５Ｃを用い、試験前に表面をエメリー紙で２０００番まで研磨し、洗浄、脱脂した後に試験部４ａ，４ｂに設置した。試験液には電気伝導度０．１μＳ／ｃｍのイオン交換水を用い、実際のボイラ給水の水質に基づいて表１に示すように溶存酸素濃度（ＤＯ）とｐＨを設定した。
【００３３】
【表１】
ＣＷＴ：複合水処理法 (Combined Water Treatment)
ＮＷＴ：中性水処理法 (Neutral Water Treatment)
【００３４】
循環流路３１中の溶存酸素濃度は、水質調整タンク１に注入する窒素ガスと空気によって制御した。循環流路３１中の試験部４ａ，４ｂでの腐食反応によって酸素が消費されるため、水質調整タンク１での溶存酸素濃度は目標濃度より高く設定する必要がある。循環流路３１中の溶存酸素濃度が一定になるように、排出ライン５の液をチラー５１で冷却した後に排出ライン５中のＤＯメータ５３で連続判定し、その値から水質調整タンク１での溶存酸素濃度を決定した。ｐＨ調整にはアンモニアを用いた。
【００３５】
試験条件は、試験水温度を１２０℃、圧力を１０ＭＰａ、試験時間を４０ｈｒに設定し、試験部４ａ，４ｂにおける小径流路部４３ａ出口での流速を０〜６．６ｍ／ｓまで変化させて試験を行った。試験片１００の評価には、試験面１０１に形成された酸化皮膜を電解法により除去した後の腐食減量を用いた。また、局所的な腐食の評価を行うため、表面粗さ計を用いて浸食深さを求めた。
【００３６】
図５に順流（試験部４ａ）における流速と損失重量の関係を示す。いずれのボイラ水処理条件においても、流速の上昇に伴い損失重量は上昇している。このことから、流れの影響により炭素鋼の腐食が加速されることが分かる。また、３種の処理法の中でＮＷＴの損失重量が最も大きくなっている。ＡＶＴ、ＣＷＴのｐＨは９、ＮＷＴのｐＨは７であり、ｐＨをアルカリ性に保持すると、表面に形成される酸化皮膜の溶解度が下がり安定化されて、腐食が抑制されたものと考えられる。逆流（試験部４ｂ）における試験では順流とほぼ同様な結果を示した。
【００３７】
順流（試験部４ａ）における試験時間４０ｈｒ後の、表面酸化皮膜を除去した後の試験片の表面写真によれば（図示せず）、ＡＶＴにおいては試験片中心から２ｍｍの場所に浸食が生じていることが分かる。ＣＷＴ、ＮＷＴにおいては試験片の周辺部で点状あるいは線状の腐食が試験水の流れの方向に生じている。このように、３種類の処理法のいずれにおいても試験片の腐食は試験片全体にわたって均一となっていないため、ここで用いた損失重量はそれぞれの腐食の状態を示すには適切な指標ではない。そこで、３種類の処理法について浸食深さによる比較を行った。
【００３８】
図６に順流、流速３．３ｍ／ｓにおける試験時間４０ｈｒ後の試験面１０１の断面形状を示す。ＡＶＴにおいては図６での表面観察からも分かるように、試験面１０１の中心から約２ｍｍの場所で局部浸食を生じている。従来の研究から、この場所では乱れ（境界層剥離）が生じることが明らかにされており、同一の場所に浸食が生じていることから、これは流れ誘起局部腐食である。
【００３９】
これに対して、ＣＷＴ、ＮＷＴでは乱れが生じる場所には浸食が認められないが、試験面１０１周辺部に深さ５〜１０μｍの孔食が発生し、流れ誘起局部腐食と異なる機構で腐食が進行している。実際の腐食で問題となるのは、試験面１０１上における最も深い浸食であり、比較にはそれを示す指標を用いる必要がある。そこで、ＡＶＴでは試験面１０１の中心から約２ｍｍの場所での最も深い浸食深さを、ＣＷＴ、ＮＷＴでは試験面１０１の周辺部で最も深い孔食の浸食深さをそれぞれ用いて比較を行った。
【００４０】
図７に各処理法における流速と最大浸食深さの関係を示す。ＮＷＴにおいては損失重量の場合と同様に３種類の処理法の中で浸食が大きくなっている。ところが、ＡＶＴとＣＷＴを比較すると、損失重量での比較の場合とは異なり、ＣＷＴの方が損傷すなわち、腐食・浸食が大きくなった。これは、ＣＷＴでの損傷形態が孔食であり、局所的な腐食が大きいことを示している。この結果から、３種類の処理法の中で、浸食深さが最も浅いＡＶＴが我が国のボイラ水処理として採用されていることは妥当であると考えられる。
【００４１】
以下に、腐食機構を考察する。液流動下での腐食は、試験面１０１に形成される酸化皮膜の性状に左右されるため、それぞれの処理法においてどのような酸化皮膜が生成しているかを調べた。まず、腐食試験後の表面観察を行った結果、ＡＶＴには黒色の皮膜が、ＣＷＴ、ＮＷＴでは黒色の皮膜に加えて褐色の皮膜が形成されていた。これより、ＡＶＴではマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）が形成され、ＣＷＴ、ＮＷＴではマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）およびヘマタイト（Ｆｅ2Ｏ3）が形成されていると考えられる。
【００４２】
また、試験中の試験面１０１の腐食電位を測定したところ、図８に示すように最初の約５ｈｒまでは電位は安定しないが、その後は一定の電位を示し、ＡＶＴでは約−６００ｍＶ、ＣＷＴ、ＮＷＴでは約−１００ｍＶとなった。この結果と電位−ｐＨ図（図示せず）により、ＡＶＴではマグネタイト、ＣＷＴ、ＮＷＴではヘマタイトが安定であることが分かった。ＣＷＴ、ＮＷＴにおける孔食は、炭素鋼表面に形成される不動態皮膜の欠陥から発生したものと考えられる。
【００４３】
実施例２
防食処理を施した試験片１００について上記と同様に高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いて腐食速度及び浸食深さを測定した。防食処理は、予めエメリー♯２０００番仕上げされた試験面１０１を脱脂した後、オートクレーブ装置内で、ボイラ用基礎皮膜形成剤、シャンベース（登録商標、株式会社片山化学工業研究所製）で処理することにより行った。
【００４４】
図９は、オートクレーブ装置６０の構成を示す。オートクレーブ装置６０は、開閉可能な圧力容器６１と、モータ６２と、モータ６２の駆動により圧力容器６１内で回転する垂直軸を有する回転軸６３と、圧力容器６１を取り囲む恒温調整ヒータ６４と、温度センサ６５とからなる。
【００４５】
圧力容器６１内に濃度２０００ｍｇ／Ｌに調整された前記シャンベース（登録商標）１０００ｍＬを入れ、圧力容器６１内を圧力６．０ＭＰａ，温度２７５℃に設定して試験片１００を回転軸５３に固定し回転させた。回転軸６１の回転速度は１００ｒｐｍ（流速約０．２ｍ／ｓに相当する）とし、４８時間の処理を行った。
処理後、圧力容器６１内を冷却し、圧力容器６１内から試験片１００を取り出し、純水で洗浄し乾燥させた後、高温高圧用隙間噴流法試験装置１０に取り付けた。
【００４６】
隙間噴流法試験は、防食処理を施した試験片１００と未処理の試験片１００との１対が試験部４ａ，４ｂに取り付けられ、実施例１と同様の条件で行った。
結果を平均腐食速度（年実働時間に換算）として図１０及び図１１に示す。
【００４７】
上記の測定結果から、シャンベース（登録商標）で防食処理した場合には、腐食・浸食がともに抑制されていること、特にｐＨ９．０のアルカリ条件下で効果が著しいことがわかる。
流速と浸食深さ（浸食速度）との関係を図１２に示す。従来の方法ではＡＶＴとＣＷＴとの効果の差を確認できなかったが、流速３．３ｍ／ｓのところで浸食深さが抑制されていることが図１２からわかる。
【００４８】
実施例３
上記の実施例と同様に、高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いて試験片１００に塩化物イオンを含有する試験液を接触させ腐食減量及び浸食深さを測定した。
現在、ボイラの水処理において塩化物イオンの存在が問題になっている。この塩化物イオンは、純水の一般的な製造方法であるイオン交換樹脂法を用いた場合、イオン交換樹脂から生成された純水中に最も漏れ込み易いイオンの１つである。さらに、生成された純水を使用するプラント系に熱交換器が設置されている場合、熱交換器の受熱側流体から塩化物イオンが混入する事例も多々発生している。特に、熱交換器の受熱側流体に海水が使用されている場合は、混入する塩化物イオン濃度も高くなり易い。
【００４９】
プラント系内に塩化物イオンが混入した場合、混入した塩化物イオンを早急にプラント系外に排出し、電気伝導率が０．１μＳ／cm以下のボイラ水に入れ換える必要がある。しかし、ボイラ水を一度に全て排出することは、プラントの運転を停止することとなり、現実的な対応とはならない。また、ボイラ水を排出しながら電気伝導率が０．１μＳ／cm以下のボイラ水に入れ換えるには、プラントの規模や種類にもよるが、通常は長時間を要し、この期間にも腐食や孔食が発生・進行する。ボイラの水処理方法の１つとしてＪＩＳ Ｂ８２２３で規定されるＡＶＴ，ＣＷＴ処理方法では、塩化物イオンの存在下では全面腐食や孔食の発生防止に効果がない。
【００５０】
そこで、この実施例では、塩化物イオンの影響を調べるとともに、予めシャンベース（登録商標）での処理により試験片の表面に形成された保護皮膜の効果と、試験液に添加して試験中の試験片の表面に保護皮膜を形成するボイラ水処理剤、ミラクルシャン（登録商標、株式会社片山化学工業研究所製）の効果とについて試験を行った。
試験液は、電気伝導率が０．１μＳ／cmのイオン交換水を用い、食塩を添加して塩化物イオンの濃度を調整した。試験片１００は、予めエメリー♯２０００番仕上げされた試験面１０１を脱脂しただけの試験片と、試験面１０１を脱脂した後、さらにオートクレーブ装置６０内でシャンベース（登録商標）で処理することにより表面に保護皮膜を形成した試験片とを準備し、これら１対の試験片を試験部４ａ，４ｂに取り付けた。試験条件を表２に示す。
【００５１】
【表２】
【００５２】
【表３】
腐食減量ｍは次式で求められる。
腐食減量ｍ＝試験前試験片重量Ａ−試験後試験片重量Ｂ
【００５４】
ここで、試験片は、試験片表面の鉄分が前記シャンベース（登録商標）またはミラクルシャン（登録商標）との反応により形成されたマグネタイト層のみの重量が経験的にしか得られず、直径１６ｍｍの試験面の場合、約７ｍｇ±３ｍｇである。
【００５５】
一方、腐食減量ｍの測定は、電解法により洗浄された状態、すなわち、防食処理により形成されたマグネタイト層からなる保護皮膜をも除去された状態の試験片を試験後試験片としてその重量Ｂが測定されるので、腐食減量ｍは見かけ上大きくなる。
したがって、表３に注記した＊1 及び＊2 の腐食減量ｍの値は、実際の腐食減量と保護皮膜の重量との合計となっている。
【００５６】
上記の測定結果から、電気伝導率が０．１μＳ／cm以下の水を使用する場合、その水処理はＡＶＴ，ＣＷＴのいずれも良好であることが分かる。しかし、塩化物イオンが２mg/L混入すると、ＡＶＴ，ＣＷＴのいずれの場合も激しい腐食と孔食が発生する。特に、ＡＶＴ処理時に塩化物イオンが２mg/L混入すると、孔食により生じる浸食深さは、非常に大きくなる。ＣＷＴ処理時は、孔食による浸食の影響よりも、全面腐食による影響が大きくなっている。しかしながら防食処理により腐食・浸食ともに著しく抑制されていることがわかる。
【００５７】
高温高圧用隙間噴流法試験装置１０を用いることにより、塩化物イオンの存在下であっても実際のプラント等における腐食・孔食現象を再現することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の流路耐食試験装置では、試験面近傍での２つの異なる流れに起因する腐食・浸食の状況、例えば、試験液体を試験面と略垂直に衝突させて生じる、試験液体の境界層が剥離するような、流れの激しい乱れの場（乱流）での腐食・浸食の状況と、試験液体を試験面と略並行に接触させて生じる、流れの激しい乱れを生じない場（層流）での腐食・浸食の状況とをそれぞれの試験面上に作りだすことができるので、試験片体の暴露時間、試験液体の流速のみならず試験面の局部位置に関する試験が可能となる。
【００５９】
また、上記した２つの異なる流れは、実際のプラント等における流路の変化、例えば、管路断面積の変化、流れ方向の変化、分岐・合流等と直接または間接的に結び付けることができるので、得られる試験結果を実際のプラント等における流路に反映させることにより、耐食のための有効な対策、例えば、局部的耐食処理、管路断面積の最適化、流体の改善等を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流路耐食試験装置としての高温高圧用隙間噴流法試験装置１０の概略図である。
【図２】図１の試験部４ａ及び４ｂの流路構成を示す断面図である。
【図３】図２の試験部４ａにおける試験液体の流れを示す拡大断面図である。
【図４】図２の試験部４ｂにおける試験液体の流れを示す拡大断面図である。
【図５】実施例１における流速と損失重量の関係を示すグラフである。
【図６】実施例１における試験面の断面形状を示すグラフである。
【図７】実施例１における各処理法における流速と浸食深さの関係を示すグラフである。
【図８】実施例１における試験面の腐食電位の経時変化を示すグラフである。
【図９】実施例２における腐食処理用のオートクレーブの構造を示す断面図である。
【図１０】実施例２の試験部４ａにおける試験液体の水質と腐食速度の関係を示すグラフである。
【図１１】実施例２の試験部４ｂにおける試験液体の水質と腐食速度の関係を示すグラフである。
【図１２】実施例２の試験部４ａにおける流速と浸食深さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 高温高圧用隙間噴流法試験装置（耐食試験装置）
３１ 循環流路
４１ 第１部材（保持部）
４３ 第３部材（液体口部）
１００ 試験片
１０１ 試験面
Claims (7)
- 試験液体が導入される流路と、前記流路に介設され２つの試験片体をそれぞれ前記流路内に保持する２つの試験部とを備え、各試験片体は円形の平坦な試験面を有し、各試験部は、前記流路と接続され前記試験片体の試験面に対向して配設された小径流路部と、前記小径流路部の開口の縁から前記試験片体の試験面と平行に前記開口の周縁方向に延び前記試験面と対向する平行面部と、前記平行面部を含み前記試験片体を囲うチャンバと、前記試験面と平行となる方向に前記チャンバから延び前記流路に接続された大径流路部と、前記試験面と前記平行面部との間隔を所定の間隔に調整する調整手段とを有し、一方の試験部は前記小径流路部から導入された前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させた後、前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験液体を前記試験面に沿って放射方向に流し前記大径流路部から流出させることにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方の試験部は前記大径流路部から導入された前記試験液体を前記チャンバ内の所定の間隔に調整された前記試験面と前記平行面部との間で前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流した後、前記試験面の中心部から前記小径流路部を介して略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験装置。
- 前記流路が、前記試験液体を前記流路の一端から供給し他端から排出する流体給排手段と、前記流路に導入される前記試験液体の流速、温度、圧力を制御する液体制御手段と、前記流路を循環可能に切り換える流路切り換え手段とを具備してなる請求項１に記載の流路耐食試験装置。
- 前記流体給排手段が、前記試験液体を収容するタンク及び該タンクから前記試験液体を連続して導出するポンプからなり、前記液体制御手段が、流量調整バルブ、ヒータ、圧力計及び流量計からなる請求項２に記載の流路耐食試験装置。
- 前記流体給排手段によりボイラプラント水を前記試験液体として前記流路に給排し、前記流路切り換え手段により通過する前記試験液体の少なくとも一部を前記流路内で循環させる場合に、前記液体制御手段が、少なくとも前記小径流路部又は前記大径流路部において気泡を生じないよう前記試験液体を大気圧における沸点を超える高温、高圧に制御するよう構成された請求項２または３に記載の流路耐食試験装置。
- 請求項１に記載の流路耐食試験装置を用い、流路内に試験片体を配置し、試験液体を前記試験片体の試験面に接触させ、該試験片体の損失重量及び／または表面浸食深さを測定する試験方法において、前記試験液体を前記試験面に接触させるに際して少なくとも２つの試験片体が配置され、一方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略垂直にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の中心部で略垂直に衝突させ、次いで前記試験面に沿って放射方向に流すことにより前記試験面の近傍で乱流を生じさせ、他方は、前記試験液体が導入される前記流路に該試験液体の流れ方向と略平行にその試験面を配置し前記試験液体を前記試験面の外周部から該試験面に沿って逆放射方向に流し、次いで前記試験面の中心部から略垂直に流出させることにより前記試験面の近傍で層流を生じさせることを特徴とする流路耐食試験方法。
- 前記試験液体は、気泡の量が制御されたボイラプラント水であり、前記試験片体は、ボイラ水系に使用される金属部材の材料片である請求項５に記載の流路耐食試験方法。
- 前記ボイラプラント水の気泡の制御は、前記ボイラプラント水を高温高圧にして行われる請求項６に記載の流路耐食試験方法。
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