JP4456387B2 - 銅製水配管の防食方法。 - Google Patents

Description

本発明は各種の用途に用いられている銅製の給水管、排水管などの銅製水配管の新規な防食方法に関する。

銅は、耐食性、伝熱性、施工性、ろう付け性、抗菌性及びリサイクル性などにおいて優れた特性を有しているため、給水、水道用配管、給湯用の配管、淡水を流通させる建築配管、ボイラーなどの熱交換器用の配管その他の送水、給排水用配管材料として広く使用されている。

しかしながら、通水される水の水質によっては、管の内面に孔食が発生し、漏水等のトラブルを生じる場合がある。孔食を発生しやすい配管には、例えば、ヨーロッパ等の地域で産出される硬水、また軟水でマットソン比（硫酸イオン／重炭酸イオン）が高い給湯配管、さらにｐＨが低く遊離炭酸濃度が高い井戸水などがある。
従来、かかる水配管を構成する銅の腐食防止のために、水系に腐食防止剤を添加する方法が多く採用されており、腐食防止剤としてはトリルトリアゾール、ベンゾトリアゾールなどが用いられている。 また、特許文献１などには、銅管の孔食及び銅イオンの溶出を防止するために、無電解めっき法、即ち、置換めっき法又は化学還元めっき法により、銅管の内面にＳｎめっき皮膜を形成する方法も用いられている。
しかしながら、従来のトリルトリアゾール、ベンゾトリアゾールよりなる腐食防止剤では、場合によって効果が極めて短期間で失われたり、あるいは腐食を十分に防止し得ない場合があった。また、上記特許文献１などに開示されている従来技術については、Ｓｎ皮膜に生じたピンホール欠陥により、銅イオン溶出することから孔食が発生する場合があり、その効果は十分ではなかった。
一方、鋼管のスケール防止の分野では磁気処理が行われている。磁気処理は、施工が簡単であり、ランニングコストがかからないといった点で注目され、多くの研究機関や企業で磁気水についての研究が行われている。特許文献２などでは、工業用水を循環させる配管に磁束密度１２０００〜１５０００ガウスの磁場を作用させることにより、炭酸ナトリウム及びケイ酸を主成分としたスケールの付着を抑制させる方法が記載されている。また特許文献３などでは、処理流体を５０００ガウス以上の高密度の磁束により処理することができる磁気処理装置により、配管中の赤さびやスケール等を除去する方法についての記載がある。
しかしながら、これらは鉄と磁気処理の組み合わせにより、赤さびやスケールを防止する方法であり、銅を対象とするものではなく、しかもその耐孔食性の向上を意図したものでもなく、本発明がここに提案する、銅管を対象とした場合の特有な防食メカニズムを利用し、銅管の防食効果を最大限に発揮させるための適正な磁気処理条件を規定する防食方法とはその技術思想を全く異にしたもである。
特開平４−４５２８２号公報 特開平６−３９３９５号公報 特開平２００３−１６４８７８号公報

本発明は、上述したような従来技術の問題や状況に鑑み、水配管を構成する銅の有効な防食方法を提供することを目的（課題）とするものである。

そして、このような目的達成のために完成された本発明の要旨とする特徴は以下の通りである。

（１）水が流れている銅製水配管に、その長さ方向に対して直角の向きに、下式を満たす磁束密度（Ｂ）の磁場を作用させることを特徴とする銅製水配管の防食方法（請求項１）。
２９３０+１２００×ｅ ^(-1.1×V) ≦Ｂ（ガウス）≦７９３０+１２００×ｅ ^(-1.1×V)
但し、Ｖ：銅製水配管内の水の流速（ｍ／ｓ）

本発明により、水配管を構成する銅の孔食を有効に防止することができ、銅製水配管の耐用寿命を大幅に延長することができる。従って、銅製水配管の腐食を原因とした水漏事故やこれに伴う配管工事も殆ど必要なくなり、長期に亘り安定した給排水を継続できる。また、小型の磁気処理装置を配管にセットするだけで良いため、その実施が容易であり、実用性にも優れるものである。

以下に本発明の原理、作用を中心にその詳細について説明する。なお、本発明の対象とする銅製水配管における銅製とは、純銅に限らず銅合金からなる配管を含むことはもちろんのこと、さらに配管の内面（または内管）がこれら純銅あるいは銅合金のめっき、クラッドなどで被覆構成されたものを含めた広義の銅製配管を指すものである。
本発明者らは銅製水配管（以下、銅管と略称することがある）がその使用期間の経過に伴って孔食を起こすのは、配管内面の銅が水質等の影響により銅イオンとなって流水中に溶出し、これが何らかの事情で不安定となって局部的に進行してその侵食がさらに促進され、ついには配管を貫通するピンホールを形成するものと予測し、この銅イオンの溶出を銅管の内面全域にわたって均一に抑制し、局部的な侵食が進行しない安定した銅管内面の表面状態を維持する対策を講じれば孔食を防止できるのではないか考えた。
そして、こうした観点から、さまざまな対策を立案、試行する過程において、特に銅の耐孔食性に与える水の磁気処理の影響に着目して検討を加えた結果、銅館内を流動する水に磁気照射を施すことにより、銅の耐孔食性が向上する事実を発見した。さらに、この磁気処理に関して、詳細な実験、研究を重ねていくうちに、適正な磁気処理の条件を選定することにり、孔食を極めて有効に防止し得る配管内面の安定した表面状態が得られることを知見するに至った。
ここでいう適正な磁気処理条件とは、まず、その前提として銅製水配管に照射する磁場の向きが、同配管の長さ方向（配管内を流れる水の流れの方向）に対して直角となるように磁場を作用させて処理することである。そして、その磁場の強さは、磁束密度（Ｂ）３０００ガウス（以下でＧと記号で表示こともある）以上とするものである。さらに、配管内を流れる水の流速の影響を考慮して、その流速（Ｖ）に応じて作用させる磁場の磁束密度（Ｂ）の最小値を変化させた条件（Ｂ≧２９３０+１２００×ｅ^(-1.1×^V)）を選択することで、有利で安定したな孔食防止を図るものである。これらの本発明における磁気処理条件については後述の実施例などによって詳しく述べることにする。
上記の孔食防止のメカニズムは現時点で必ずしも完全に解明されたわけではないが、次のように想定される。
図１〜図４はこのメカニズムを概要を説明する銅管の断面模式図である。図１は磁気処理前すなわち磁場がない通常における銅管１内を流れる水２の様子を示したもので、３は銅管１内面から溶出した水中の銅イオン（Ｃｕ⁺²）の流れ、４は水酸化イオン（ＯＨ^-）の流れで、両イオンはイオン結合により対になって混合した状態となっている。
図２及び図３はこれに直角方向（図２では上から下に、図３では右から左に）に磁場５を照射した磁気処理中の様子を示したもので、両図のように銅イオン３とＯＨイオン４は磁場５中を通過することでイオン流分離作用が働き、両イオンが銅管１内で二分された状態の流れに変化する。
そして、図４はこの二分されたが両イオンが磁場５中を通り過ぎて、磁場のない銅管１内に到達した状態すなわち磁気処理後の様子を示したもので、銅イオン３とＯＨイオン４は磁場の開放に伴って、元の混合状態に戻るために分子結合し、微細な水酸化銅6のコロイドゾルとなり、これが順次銅管１の内面（内壁）に吸着され、緻密で均一な保護皮膜7となってその内面を覆うことになる。
この水酸化銅6の緻密な保護皮膜７が銅管１の内面からの銅イオン３の溶出を抑制し、安定した界面状態を維持することにより、銅の侵食、とりわけ局部的に起こる過度の侵食を防止し、耐孔食性を効果的に向上させるものと考えられる。
次に、本発明の磁気処理に適用される防食処理装置（磁気処理装置）についてその概要を図面を参照して説明する。図５及び図６は防食処理装置の実施態様の一例であり、図５は水２が流れている銅管１に防食処理装置Ｍを設置した状態を示す斜視図、図６はその断面図を示している。
ここにおいて、防食処理装置Ｍは永久磁石内蔵型の装置であって、図５に示すように、それぞれ複数（図例は二個）の永久磁石片１１を内蔵しており、銅管１を囲むように互いに向かい合って配設された一対のケーシング１２と、このケーシン１２を、銅管１にボルトやピンなどの締結部材により着脱可能に固定するための板状の取付部材１３から構成される。

ケーシング１２は長手方向にわたって延びる凹溝を有する箱体で、この凹溝に銅管１をはめ込んで装着される。このケーシング１２には、凹溝を挟んで両側に永久磁石片１１が収納され、銅管１に防食装置を装着したときに、永久磁石が管内を流れる水２に磁場を作用させることができる。

図６に示すように、ケーシングに収納された複数の永久磁石片１１が、水２が通過する銅管１を挟んで互いに異なる磁極を対向させ、銅管１の長さ方向に対して磁極の向きが直角になるように配置される。これによって、Ｎ極側を管路に向ける一方の永久磁石から発する磁力線は、管路を通過してＳ極側を管路に向ける他方の永久磁石に入って磁場が形成される。

また永久磁石の管路に向いた面の管の長手方向と垂直方向の長さ（Ｌ）は、管に均一な磁場を作用させる目的から、管の直径の長さ（Ｄ）と同等以上（Ｌ≧Ｄ）であることが望ましい。

次いで、図７は防食処理装置１の実施態様の他の例を示す斜視図であり、この場合は前例の永久磁石片１１に代えて電磁コイル１４をケーシング１２内に同様な形態で収納させてなるコイル内蔵型の装置である。外部直流電源を用いてこの電磁コイル１４に導線１５を介して電流を流すことにより、永久磁石内蔵型と同様な磁場を発生させることができるため、永久磁石内蔵型と同様な防食効果を得ることができる。このコイル内蔵型の防食処理装置によると電磁コイル１４に流す電流値を容易に制御できることから、これにより発生させる磁場の磁束密度を広範囲に調整すことが可能であり、これを設置する水質環境やその変化に柔軟に対応しやすい面で有利といえる。
こうした防食処理装置Ｍは孔食の発生の恐れのある銅製水配管の任意の位置にまた任意の個数を設置できるが、前述の孔食防止のメカニズムから知れるように、この装置を設置した配管の下流側の領域で防食効果が発揮されるため防食を必要とする配管経路の上流側に同装置を設けることが好ましく、またより広範囲にわたる配管経路を対象とするには複数の装置を一定の間隔を置いて設置すれば良い。
以下、本発明にかかる磁気処理条件およびこれによる効果につき、実施例に基づいて具体的に説明、立証することにする。
（実施例１）
本実施例においては耐孔食性の評価方法としてすでに業界において一般的に採用されている、アノード分極測定より求めた孔食発生電位と腐食電位を比較することにより銅管の耐孔食性の評価を行った。
供試材にはリン脱酸銅により製作された銅管（内径：20ｍｍ、長さ：300ｍｍ）を使用し、これを管軸方向に二分割し、その管内面を試験面（水溶液接触領域１００ｍｍ２）とし、その他を絶縁被覆した。試験水には、神戸市水を用いた。磁場の照射のため図５の装置態様と同様にして、一対の永久磁石を互いに異なる磁極を向き合わせ、銅管を挟み込むようにしてその長さ方向に対して直角に配置した。磁束密度は磁束密度計を用いて、管内部の中心を測定した。この外側から磁石を取り付けた銅管に神戸市水を２.６ｍ／ｓの流速で流すことにより磁気水を生成した。試験液の温度は３０℃一定とした。
電気化学的測定は、ポテンショスタットを用いて、図８に模式的に示すようなアノード分極曲線の測定を行い、腐食電位、孔食発生電位を求めた。腐食電位の測定を５分行った後、その電位から２０ｍＶ／ｍｉｎで貴に掃引し、電流の立ち上がりが１０Ａ／ｃｍ２に到達した電位を「孔食発生電位」とした。
また、孔食発生のしやすさを定義するパラメータとしてΔＥ１を採用した。このΔＥ１とは孔食発生電位と腐食電位の差であり、電位差が大きいほど孔食は発生し難いことを意味する。そして、耐孔食性を評価は下記基準に従って行った。
□…ΔＥ１が４００ｍＶ以下：耐孔食性に劣る。
△…ΔＥ１が４００〜５００ｍＶ：耐孔食性を示すがなお不十分である。
○…ΔＥ１が５００〜６００ｍＶ：耐孔食性に優れる。
◎…ΔＥ１が６００ｍＶ以上。耐孔食性に極めて優れる。

表１及び図９は磁気処理に用いた磁石の磁束密度とΔE1（耐孔食性）の関係を整理した結果である。表１における比較例（Ｃ，Ｄ，Ｅ）は磁束密度が３０００Ｇ未満の条件、実施例は磁束密度が３０００Ｇ以上の条件で磁気処理を行なった場合である。なお、磁気処理を含め何らの防食処理を施さなかった従来例Ａと、市販のベンゾトリアゾール系の防食剤によって防食を行った従来例Ｂについても併せて試験を行い、その結果も同じ表１及び図９に反映させた。

この表１、図９から、磁気処理（比較例ならびに実施例）により、従来例（Ａ，Ｂ）に比べてΔＥ１（耐孔食性）が増加する傾向が認められる。そして、比較例（Ｃ，Ｄ，Ｅ）に見られるように磁束密度が増加するに従ってΔＥ１も増加するが、この比較例の磁束密度の範囲ではその増加割合が小さく、ある程度の耐孔食性の改善が認められるもののいまだ十分とはいえない状況にある。

しかし、これら比較例より磁束密度が上がり、実施例（Ｆ）の磁束密度に達すると、すなわち本発明の磁気処理条件である３０００Ｇ以上になると、特に図９から明らかな通り、そのΔＥ１は急激に増加しており、耐孔食性が優れた状態に大きく変化していることが分かる。

さらに磁束密度が増加すると、実施例（Ｇ，Ｈ，Ｉ）に示すように３０００Ｇの境界前後の増加率を下回るものの、やはりその増加に従ってΔＥ１も上昇し、耐孔食性が非常に優れた状態に向上することが知れる。

図１０にこれらの結果（但し、従来例Ｂを除く）から、アノード分極中の２００ｍＶ(ＳＣＥ：飽和甘こう電極)における不働態保持電流の磁場依存性を示す。磁場の増加に伴って、不働態保持電流の低下が見られることから、銅管の表面（内面）に、順次吸着された水酸化銅のコロイドゾルが緻密な保護皮膜となって形成、成長し、これによって耐孔食性が向上して行く、という前述の防食メカニズムを合理的に支持するものである。また、３０００Ｇ前後で不働態保持電流が大きく変化しており、これからも３０００Ｇ以上とする本発明の磁気処理条件が耐孔食性を優れて向上させるための不可欠な条件であることを裏付けるものである。

尤も、３０００Ｇ以上であってもいたずらに高い磁束密度を選定することは耐孔食性の面では良いとしても、防食処理装置のコスト高くなったり、電磁コイルを用いる場合は電力消費が嵩むことにもなり、実用面を考慮すれば、３０００Ｇ〜８０００Ｇの磁束密度を選定して実施することがより好ましいといえる。
（実施例２）
次に、上記の実施例１では試験水の流速を一定（２.６ｍ／ｓ）としたが、本実施例では銅管に流すこの水の流速を０.２〜４.０ｍ／ｓの範囲で変化させながら各磁束密度で同様な試験を行って、ΔＥ１を測定した。これに基づき、前記境界条件となる磁束密度３０００ガウスに相当するΔＥ１すなわち５００ｍＶになる水の流速（ｍ／ｓ）と磁束密度（Ｇ）の相関を調査、解析した。
図１１はこのようにして求められた流速Ｖ（ｍ／ｓ）と磁束密度Ｂ（Ｇ）の関係を示すグラフである。
そして、このグラフは以下のような指数関数式で近似して表すことができる。

Ｂ＝２９３０+１２００×ｅ^(-1.1×^V)
このＢは銅管を流れる水の流速Ｖによって変化する場合にΔＥ１すなわち耐孔食性が優れた状態を維持する磁束密度の最小値を意味しており、従って、本発明による防食効果を確実に発揮させるためには、次式（１）を満足するように、水の流速Ｖの値に応じて照射する磁場の磁束密度を選定することが必要である。

Ｂ≧２９３０+１２００×ｅ^(-1.1×^V)・・・・・・（１）
また、前述のように実用面を考慮すれば、上式（１）と下式（２）を同時に満足する範囲の磁束密度を選定して実施することがより好ましいといえる。

Ｂ≦７９３０+１２００×ｅ^(-1.1×^V)・・・・・・（２）
本実施例によって、明らかにされた耐孔食性に与える水の流速Ｖは、水に照射される磁場の磁束密度Ｂが一定とした場合、その流速Ｖが大きくなればなるほど水中に存在する銅イオンならびに水酸化イオンの流れの速度がこれを通過する磁束に対して相対的に大きくなり、これに伴い磁場によるこれらイオンの分流作用がより大きく働くことになり、これにより、磁場が開放された後に再結合する水酸化銅の分子の量も増加し、そのコロイドゾルの銅管内面への吸着量も増え、より緻密で厚い保護皮膜の生成、成長が促進される結果と推測される。

本発明にかかる防食メカニズムを説明するもので、磁気処理前すなわち磁場がない通常状態における銅管１内を流れる水２の様子を示す管の長さ方向の断面模式図である。 同様に本発明にかかる防食メカニズムを説明するもので、銅管にその直角方向に磁場がが照射された状態の磁気処理中の水の様子示す管の長さ方向の模式断面図である。 同様に本発明にかかる防食メカニズムを説明するもので、銅管にその直角方向に磁場が照射された状態の磁気処理中の水の様子示す管の径方向の模式断面図である。 同様に本発明にかかる防食メカニズムを説明するもので、磁場が開放された状態の磁気処理後の水の様子を示す管の長さ方向の模式断面図である。 本発明に用いられる防食処理装置の実施態様の一例であり、水２が流れている銅管に永久磁石内蔵型の防食処理装置を設置した状態を示す斜視図である。 図５と同じ防食処理装置の実施態様の断面図である。 本発明に用いられる防食処理装置の実施態様の他の例であり、水２が流れている銅管に電磁コイル内蔵型の防食処理装置を設置した状態を示す斜視図である。 本発明の各実施例における腐食電位、孔食発生電位などの電気化学的測定の基準となるアノード分極曲線を示すグラフである。 本発明の実施例１の結果における磁束密度とΔＥ１（孔食発生電位と腐食電位の差）の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１の結果（従来例を除く）における磁束密度と不働態保持電流の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２の結果に基づく水の流速と磁束密度の関係を示したグラフである。

符号の説明

１：銅管 ２：水 ３：銅イオン（流） ４：水酸化イオン（流）
５：磁場 ６：水酸化銅コロイドゾル（流） ７：保護皮膜 １１：永久磁石片
１２：ケーシング １３：取付部材 １４：電磁コイル １５：導線

Claims (1)

1. 水が流れている銅製水配管に、その長さ方向に対して直角の向きに、下式を満たす磁束密度（Ｂ）の磁場を作用させることを特徴とする銅製水配管の防食方法。
   ２９３０+１２００×ｅ ^{（-1.1×V）} ≦Ｂ（ガウス）≦７９３０+１２００×ｅ ^(-1.1×V)
   但し、Ｖ：銅製水配管内の水の流速（ｍ／ｓ）

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