JP4502649B2

JP4502649B2 - 鋼材建造物の陰極防食方法および該方法に用いる装置

Info

Publication number: JP4502649B2
Application number: JP2004022145A
Authority: JP
Inventors: 正浩高橋; 英輔和田; 雅夫笠井
Original assignee: 城南株式会社
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005213594A

Description

本発明は、建造物の外壁、階段、橋梁、あるいは各種工業プラントのタンク類等、大気中に暴露されている鋼材建造物の防食方法およびその装置に関する。より詳細には、微少な直流の防食電流を鋼材に流す外部電源方式を用いる鋼材の防食方法およびその装置を提供する。

大気中に暴露された鋼材建造物は、降雨などによる水と豊富な空気中の酸素との双方に触れるため、きわめて酸化腐食しやすい状況下にある。多くの鋼材建造物は、水および酸素を遮断して腐食を抑制するために、疎水性の塗料を塗布して対処している。しかしながら塗装による防食方法は、塗装ムラやピンホール等の塗装欠陥が発生しやすいこと、あるいは物理的損傷が生じやすいことなど、多くの問題点がある。このような塗装防食の欠陥に対処する方法として、流電陽極方式や外部電源方式の電気防食技術が数多く提案されている。

流電陽極方式は、地中埋設管や海洋船舶などに採用されているが、陽極が消耗する原理的問題点があり、その用途は限定されている。一方、外部電源方式の電気防食技術についても、数多くの考案が成されているが、塗装面に形成される水膜に均一に防食電流を流す流路の確保および過防食を生じさせない電流量の制御が、本技術における共通の課題となり、経済性や簡便性など未解決の問題は多い。

たとえば、前述の防食電流の流路を確保することを目的として、光導電性を有する金属化合物を配合した導電性塗料を既存の疎水性塗料の塗装面上に重層塗装した後、陽極板から防食電流を流す方法が考案されている（特許文献１参照）。このような防食方法は、塗料ならびに塗装工事の費用が割高となり、経済性に難点がある。

また、塗装膜の剥離、損傷などの原因となる過防食を防止する工夫も種々行われている。たとえば、防食電流を流す主陽極に防食電流所要量をモニターするパイロット陽極を併設して、パイロット陽極から読み取られた好適な防食電流量を供給する外部電源防食法が考案されている（特許文献２参照）。このような防食方法は、過防食を防止する点において高い有効性を示すものの、大規模な鋼材建造物に適用する場合には、電気配線が複雑になりコストが割高になるという経済性の問題点を生じる可能性がある。

特開平１０−２４４６２２号公報特開平１１−２８６７９３号公報

本発明は、既に汎用され広く使用されている疎水性（絶縁性）塗料の成分や塗装方法を変えることなく、防食電流の流路を確保し、過防食を生じさせず、かつ経済性の良い鋼材建造物の外部電源防食方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明は、交流電流を、適当な一定電圧に調整された直流電流に変換する電源ユニット（以下、一定電圧制御ユニットと呼称）と、別個に陽極板と鋼材建造物の欠陥部間の電気抵抗値に連動して、適当な防食電流が流れるように電圧と電流を自動調節する電圧／電流調整ユニットを内蔵した電極ユニットを設営し、自然環境の変化や塗装欠陥部位の相異に簡便に対応することができる鋼材建造物の電気防食方法およびその装置を提供する。

さらに、本発明では、電極ユニット直下における過防食を防止するために陽極板と鋼材建造物の接着面の間に常設される絶縁性両面接合体に起因する水膜ムラ（すなわち、防食電流の流路のムラ）の問題点を、電極ユニット外周部にディストリビュータ部材を設けて、電極ユニット外周部と鋼材建造物の電極ユニット接着面の外周部とを連結することによって、防食電流を鋼材建造物塗装面に均一に分配通電する高能率な電気防食方法と装置を提供する。

上記のような本発明の方法および装置によって、外部電源方式による鋼材建造物の防食に必要不可欠な機材構成で、信頼性（防食電流の流路の確保ならびに過防食の防止）が高く、かつ経済性の良好である鋼材構造物の電気防食が可能となる。また、本発明の方法及び装置においては、導電性塗料を併用するなどの制約もないので、既存の鋼材建造物に広く適用できる。

図１は、本発明による防食システムの一例を示す。本発明の好ましい実施態様では、交流電流を、適当な一定電圧に調整された直流電流に変換する一定電圧制御ユニット３と、適当な防食電流を供給する電圧／電流調整ユニット５を別個に保有し、電圧／電流調整ユニット５は電極ユニット４に内蔵されている。一定電圧制御ユニット３の陽極は、陽極リード線８によって、電極ユニット４に内蔵される電圧／電流調整ユニット５に接続され、陰極は、陰極リード線によって鋼材建造物１に接続される。本発明の防食システムにおいては、１つの一定電圧制御ユニット３に対して、複数の電極ユニット４を並列に接続して、大面積の防食を行うことが可能である。鋼材建造物を形成するための鋼材１は、水および酸素との接触を防止するための塗装膜２によって塗装されている（以後、塗装膜２で塗装された鋼材１を「被防食体」と称する場合がある）。一般的に、塗装膜２は、疎水性かつ絶縁性の塗料を用いて形成される。電極ユニット４の外周部には、電極ユニット４中の陽極板１０および被防食体の表面と接触するように、ディストリビュータ部材６を設けることが好ましい。

図２は、電極ユニット４の被防食体への設営例を示す。電極ユニット４は、被防食体の塗装面２上に設けられる絶縁性両面接合体１１と、絶縁性両面接合体１１上に設けられる陽極板１０と、電圧／電流調整ユニット５とを含む。本発明において、「電圧／電流調整ユニット５が電極ユニット４に内蔵される」とは、陽極板１０の任意の位置に電圧／電流調整ユニット５が設けられ、電圧／電流調整ユニット５の出力端が陽極板１０と電気的に接続されていることを意味する。好ましくは、電圧／電流調整ユニット５は、図示されたように陽極板１０の上に設けられる。周囲からの水分あるいは酸などの侵入による電圧／電流調整ユニット５の破壊ないし損傷を防止するために、保護フタ２８をさらに設けてもよい。一定電圧制御ユニット３から延びる陽極リード線８は、電圧／電流調整ユニット５の入力端と電気的に接続されている。ディストリビュータ部材６（図面の明瞭性のために電極ユニット４の一辺に設けられた部分のみを図示している）は、電極ユニット４の周囲に、該鋼材構造物と電極ユニット４との接着面の外周部に位置する塗装面２と陽極板１０とを接続し、かつ該外周部の塗装面をシールするように設けられる。

本発明に使用する一定電圧制御ユニット３の回路図の一例を図３に示す。一般に使用されている１００〜２００Ｖの交流電源に電源プラグ７を接続し、入力される交流電圧をトランス１４にて降圧し、整流回路１５で直流に変換する。ここで、過剰電圧または過剰電流による一定電圧制御ユニット３の破壊を防止するために、トランス１４の一次側にヒューズ１２および／またはバリスタ１３を挿入してもよい。本発明の効果を達成する上では、一定電圧制御ユニット３に接続される負荷とは無関係に、一定電圧制御ユニット３の出力電圧を常に一定にすることが肝要であり、そのためにはトランス１４の２次側の出力電圧は１０〜２０Ｖ、好ましくは１３〜１７Ｖに設定することが好ましい。このような範囲に設定することにより、防食範囲が著しく制限されること、および過防食の危険性が増大することを防止することができる。そして、レギュレータ１８でさらに微調整することによって、一定電圧制御ユニット３の出力電圧の一定化を行うことができる。レギュレータ１８前後のコンデンサー１６，１７，１９および２０は、電圧変動および／または外乱ノイズを抑制・吸収して、出力電圧の一定化を補助するためのものである。なお、コンデンサー１７および２０として、電解コンデンサーを図示しているが、本発明の方法および装置が用いられる種々の条件を勘案して当業者が容易に変更し得るものである。さらに、一定電圧制御ユニット３の出力部の陽極−陰極間に、発光ダイオード２１および抵抗器２２を並列に挿入して、一定電圧制御ユニット３の動作を、発光ダイオード２１の発光により視覚的に表示することが実用上好ましい。

陽極板１０と被防食体の塗装膜２中の欠陥部との間の電気抵抗は、欠陥部の状態、陽極板から欠陥部までの距離、水膜の電導度など様々な要因が絡み合って大きく変化する。その変化に対応した防食電流を低コスト条件下で制御することが、本発明の重要課題であった。定性的には、当該電気抵抗の大きいときには、流れる電流は相対的に少なくなるので高い電圧が必要になり、電気抵抗の小さいときには、過防食を防止するために供給する電圧を低くする必要がある。本発明者らは、鋼材構造物の塗装膜欠陥部と水膜の電気抵抗の相関を追及し好適な電圧／電流条件を見出し、主に制御回路で調整して該好適な電圧／電流条件と達成することによって、高能率な防食システムを確立するに至った。

図４は、本発明に用いる電圧／電流調整ユニット５の一例の回路図である。符号２７は、被防食体の上に形成された水膜、塗装膜２の欠陥部、鋼材１、および陰極リード線９を介して、一定電圧制御ユニット３へと帰還する電流経路の電気抵抗を示す。電気抵抗２７の変化に対して、トランジスター２４、可変シャントレギュレータ２５、直流電源３２、抵抗器２３および２６を適切に組合わせることによって、出力電圧および電流を調整する。ここで、直流電源３２は、図示されるように電圧／電流調整ユニット５に内蔵される電池（任意の一次電池ないし二次電池）であってもよく、あるいは、外部に別途設けられる独立した定電圧直流電源をリード線で接続してもよい（不図示）。電圧と電流の関係は、右下がりの一次の比例関係、すなわち電圧の上昇に伴って電流が減少する関係に設定される。本発明においては、設定最大電圧時の電流量を０として、（電流／電圧）勾配を−０．３〜−３．０ｍＡ／Ｖにすることが望ましい。このような（電流／電圧）勾配を実現することによって、過防食の危険性を抑制しつつ、高い防食効果を達成することが可能となる。また、海浜地帯（塩害の影響を受ける地域）や積雪地域（凍結防止剤の影響を受ける地域）などのように水膜の電導度が相対的に高くなる地域では、低い（電流／電圧）勾配を実現する制御ユニットを適用して過防食を防止する。塩害や凍結防止剤などの影響を受けない多くの鋼材建造物については、−１．５〜−２．５ｍＡ／Ｖの（電流／電圧）勾配が好ましい。

外部電源方式による電気防食では、陽極部と被防食体欠陥部間に形成される水膜を介して防食電流を流す。この水膜による防食電流の流路は、降雨や霜あるいは大気の湿度などによって形成されるが、連続した水膜層をコントロールすることは極めて難しい。本発明者らは、このような鋼材建造物の電気防食システムにおいて、水膜が最も不均一となる部分を追求した結果、陽極板１０と被防食体の接着面の境界部にあることを見出した。

本発明においては、陽極板１０としては、白金、チタン、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属材が適用され、この陽極板と被防食体接着面の境界部には、局部的な過防食を防止するために絶縁性両面接合体１１を設けている。この絶縁性両面接合体１１は疎水性が大きいために、撥水現象が著しく、陽極板１０に接触する水膜をムラのあるものとする。そして、防食電流の流路の一部をなす水膜のムラによって、被防食体への防食電流の供給に顕著な分散ムラを生じさせていることが判明した。

本発明においては、電極ユニット４の接着面の外周部と電極ユニット４外周部（より具体的には陽極板の側面）を接続するためのディストリビュータ部材６を設けることによって、この問題点を克服することが可能である。ディストリビュータ部材６は、親水性媒体および／または導電性媒体から形成される。ディストリビュータ部材６用の材料としては、たとえば、ヒドロキシル基、スルホン酸基、カルボン酸基、アミノ基などの親水性官能基を含むポリマーを使用することができる。好ましくは、スルホン酸、カルボン酸、アミノ基およびそれらのイオン化された基などのイオン性基を有するポリマー、例えばポリスチレンやポリアクリレートに前述の官能基を導入したもの（イオン交換樹脂としても市販されている）が用いられる。適切な親水性および／または導電性を維持する限りにおいて、これらのポリマーを他のポリマー（たとえば接着材など）と混合して用いてもよい。あるいはまた、カーボン、ニッケル、マグネシウム、アルミニウム，銅、あるいは導電性金属酸化物など導電性粉末を含有してなる導電性塗料を塗布あるいは固着することによって、ディストリビュータ部材６を形成してもよい。ディストリビュータ部材６は、上記の親水性および／または導電性媒体単独で構成されてもよいし、耐候性とシール性に優れた接着剤などでディストリビュータ部材６の母体部を形成した後に、該母体部の上表面に前述の親水性および／または導電性媒体を塗布した２層構造であってもよい。これらの材料から形成されたディストリビュータ部材６は、大気中の湿度、降雨、降雪または霜などによって水膜が形成される際に、その表面に均一な水膜、したがって均一な防食電流の流路を提供し、被防食体への防食電流の供給の分散ムラの発生を抑制することを可能とする。

（実施例１）
図５に、以下の実施例で用いた系の構成を示す。被防食体２９が本実施例のサンプルである。
被防食体２９は、横幅０．２５ｍ、縦３０ｍの塗装鋼板（膜厚１２０μｍのポリウレタン樹脂塗料で塗装された炭素鋼板）であり、各々塗装鋼板の中央部に絶縁性両面接合体１１を介して電極ユニット４を設置した。絶縁性両面接合体１１および陽極板１０は、いずれも５０ｍｍ×４２ｍｍの寸法を有した。そして、電極ユニット４の周囲に、粒子径が０．３〜０．８ｍｍのポリスルホン酸Ｎａ型イオン交換樹脂と接着材を混合したペーストを電極ユニット４外周部に塗布し、１日間放置して養生固着してディストリビュータ部材６を形成した。さらに、電極ユニットを基準に左右２ｍの位置ＡおよびＤ、５ｍの位置ＢおよびＥ、ならびに１４ｍの位置ＣおよびＦにおいて、塗装膜２に人工欠陥部（切りカキ）を設け、屋外に設置した。

一定電圧制御ユニット３の出力電圧は１５Ｖ一定にセットし、各実施例の被防食体に設置した電極ユニット４に内蔵される電圧／電流調整ユニット５に並列して、陽極リード線８を接続した。電圧／電流調整ユニット５は、出力される（電流／電圧）勾配を−０．５ｍＡ／Ｖに、最大制限電流を７ｍＡに設定した。

（実施例２）
図５に示した被防食体３０が本実施例のサンプルであり、ディストリビュータ部材６を形成しなかったことを除いて実施例１と同一のものである。

（比較例１）
図５に示した被防食体３１が本実施例のサンプルであり、ディストリビュータ部材６を形成しなかったこと、および電圧／電流調整ユニット５を変更して、最大制限電流を１２０ｍＡとし、出力される（電流／電圧）勾配を−８．０ｍＡ／Ｖに設定したことを除いて実施例１と同一のものである。

これら被防食体の実施例と比較例の実施条件を下表に要約する。

実施例１では、人工欠陥部Ａ，ＢおよびＤ，Ｅの４箇所においては、１年間経過後も錆の発生は認められなかった。一方、人工欠陥部Ｃ，Ｆについては、両者ともに２週間前後で切りカキ部に変色現象が観られ、１ヶ月後には切カキ部全面に赤さびの発生が確認され、その度合いは時間の経過に連れて増大した。なお、過防食の弊害として発生する塗装膜の膨れや剥離現象は、１年間経過後も全く認められなかった。したがって、ディストリビュータ部材６を有する実施例１においては、電極ユニットを基点に相対する両方向５ｍの範囲内において防食効果が実証された。

実施例２においても、人工欠陥部Ａ，ＣおよびＤ，Ｅ，Ｆの５箇所については、実施例１と同様の結果が得られた。しかしながら、人工欠陥部Ｂは３ヶ月後より変色が観られ、５ヶ月後には全面がさびで覆われた。本実施例では、左右２ｍまでは期待通りの防食効果が得られたものの、防食範囲を５ｍまで広げると、防食未達成部が発生し得ることが判明した。この防食未達成部は、ディストリビュータ部材６を設けなかったことによる防食電流の分散ムラに起因すると考えられる。

比較例１は、実施例１および２よりも防食電流の最大制限電流および（電流／電圧）勾配を増加させた電流条件で比較検討した。人工欠陥部ＣおよびＤ，Ｆでは実施例１と同様の結果が得られたが、他の部分は大きく様相を異にした。３ヶ月経過後には、電極ユニットから人工欠陥部Ａ方向２０〜３０ｃｍの所に過防食による塗装膜の盛り上り現象が観測され、時間の経過に連れて盛り上がり部分は拡大してきた。さらに４ヶ月後になると人工欠陥部ＢおよびＥに錆が発生し、５ヶ月後には、人工欠陥部Ａにも錆が生じてきた。本比較例では、電極ユニットの比較的近傍にあった塗装不具合部に防食電流が偏って流れたこと、およびより大きな（電流／電圧）勾配の不適合が相乗して、局部的な過防食を引き起こす結果となった。加えて、本比較例においては、実施例１および２よりも防食適合範囲が著しく狭いという結果になった。すなわち、本比較例は、コマーシャル事例で頻繁に発生する電気防食の不具合事例を再現する結果となった。

本発明の鋼材構造物の防食システムの一例を示す図である。本発明に用いる電極ユニットの被防食体への設営の一例を示す図である。本発明に用いる一定電圧制御ユニットの一例の回路図である。本発明に用いる電圧／電流調整ユニットの一例の回路図である。実施例および比較例の構成を示す図である。

符号の説明

１鋼板
２塗装膜
３一定電圧制御ユニット
４電極ユニット
５電圧／電流調整ユニット
６ディストリビュータ部材
７電源プラグ
８陽極リード線
９陰極リード線
１０陽極板
１１絶縁性両面接合体
１２ヒューズ
１３バリスター
１４トランス
１５整流回路
１６，１７，１９，２０コンデンサー
１８レギュレータ
２１発光ダイオード
２２，２３，２６抵抗器
２４トランジスタ
２５可変シャントレギュレータ
２７被防食体の抵抗
２８保護フタ
２９，３０，３１被防食体
３２直流電源

Claims

外部電源から電流を供給して鋼材建造物の腐食を防止する陰極防食方法であって、一定電圧制御ユニットと、前記鋼材建造物を被覆する疎水性かつ絶縁性の塗膜を介して配設される電極ユニットを備えた陰極防食システムを用い、前記電極ユニットは電圧および電流の両方を調整する調整ユニットを内蔵しており、前記一定電圧制御ユニットの陽極が前記調整ユニットに接続されており、前記一定電圧制御ユニットの陰極がリード線を介して前記鋼材建造物に接続されており、前記調整ユニットは、前記塗膜に欠陥が発生した場合の、前記調整ユニットから、前記電極ユニット、前記塗膜上に形成された水膜、前記欠陥、前記鋼材建造物、前記リード線を介して前記一定電圧制御ユニットへ帰還する電流経路の電気抵抗値に連動した調整機能を持ち、前記電極ユニットから前記鋼材建造物に防食電流を流し、前記調整ユニットが前記電流経路に印加される電流と電圧を、（電流／電圧）勾配が−０．３〜−３．０ｍＡ／Ｖである一次の比例関係に制御することを特徴とする陰極防食方法。
前記電極ユニットは、前記鋼材建造物の前記絶縁性塗膜に接着される絶縁性両面接合体と、前記絶縁性両面接合体の上に形成される陽極板と、前記絶縁性両面接合体の外周部を覆い、前記塗装膜と前記陽極板とを接続するディストリビュータ部材とを含み、前記調整ユニットは前記陽極板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の陰極防食方法。
外部電源から電流を供給して鋼材建造物の腐食を防止する陰極防止装置であって、一定電圧制御ユニットと、該鋼材構造物を被覆する疎水性かつ絶縁性の塗膜を介して配設され、該鋼材構造物に防食電流を流す電極ユニットとを備え、該電極ユニットは電圧および電流の両方を調整する調整ユニットを内蔵しており、前記一定電圧制御ユニットの陽極が前記調整ユニットに接続されており、前記一定電圧制御ユニットの陰極がリード線を介して前記鋼材建造物に接続されており、前記調整ユニットは、前記塗膜に欠陥が発生した場合の、前記調整ユニットから、前記電極ユニット、前記塗膜上に形成された水膜、前記欠陥、前記鋼材建造物、前記リード線を介して前記一定電圧制御ユニットへ帰還する電流経路の電気抵抗値に連動した調整機能を持ち、前記調整ユニットが前記電流経路に印加される電流と電圧を、（電流／電圧）勾配が−０．３〜−３．０ｍＡ／Ｖである一次の比例関係に制御することを特徴とする陰極防食装置。
前記電極ユニットは、前記鋼材建造物の前記絶縁性塗膜に接着される絶縁性両面接合体と、前記絶縁性両面接合体の上に形成される陽極板と、前記絶縁性両面接合体の外周部を覆い、前記塗装膜と前記陽極板とを接続するディストリビュータ部材とを含み、前記調整ユニットは前記陽極板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の陰極防食装置。