JP5086287B2 - 埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性を計測評価する方法に関するものである。

埋設金属パイプラインは、土壌などの電解質での腐食を防止するために表面に塗覆装を施している。塗覆装の種類としては、アスファルトやコールタールエナメル等による歴青質塗覆装やセメントモルタル等の無機質塗覆装等があるが、近年では、高抵抗率のプラスチック塗覆装の使用が一般になっている。ガスや水道用の埋設導管に対しては、確実な防食を得るためにカソード防食との併用が多くなっており、防食効率の向上、他埋設金属構造物への直流干渉防止を図る面からもプラスチック塗覆装が広く採用されている。

埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性を評価する方法としては、下記特許文献１に記載されるような交流電位勾配法が知られている。これは、埋設された塗覆装鋼管と地中の対極との間に交流電圧を印加し、地中から塗覆装欠陥に流入した電流によって生成される地中電位勾配を、地表面において、塗覆装鋼管の管軸方向又は塗覆装鋼管に直交する方向に配置された一対の電極による２点間の電位差として検出し、一対の電極の位置を管軸方向又は管軸に直交する方向に沿って移動させて検出される電位勾配分布に基づいて、塗覆装欠陥の有無及びその位置を検知するものである。

また、埋設金属パイプラインに施される歴青質塗覆装の健全性を評価する方法としては、下記非特許文献１に記載されるように、電圧降下法によって塗膜抵抗を求める方法が知られている。これによると、図１（ａ）に示すシステムで、スイッチＳＷをオン状態にした時の通電電流Ｉを計測し、この通電をオフにした直後の管対地電位（Ｐ／Ｓ）の変化量（電圧降下量）ΔＥ₁，ΔＥ₂を対象管の２地点でそれぞれ計測する（Ｖ₁，Ｖ₂：直流電圧計，Ｉ：直流電流計，Ｅｓ：照合電極，Ｂ：直流電源，ＳＷ：スイッチ，Ａｎ：Ｍｇ陽極，Ｐ：歴青質塗覆装金属パイプライン）。

このときの管対地電位（Ｐ／Ｓ）の変化量は、図１（ｂ）に示すように、塗覆装の抵抗（以下、塗膜抵抗と称する）ＲによるＩＲドロップとみなすことができるので、Ｉ・Ｒ＝（ΔＥ₁＋ΔＥ₂）／２として、下記式によって管路の平均塗膜抵抗Ｗを求めることができ、求めた管路の平均塗膜抵抗Ｗを基準値と比較することで塗覆装の健全性を評価している。

特開２０００−１９１５６号公報

日本水道鋼管協会：水道用塗覆装鋼管の電気防食指針専門委員会編「WSP 水道用塗覆装鋼管の電気防食指針」規格番号WSP050-95，１９９５年１月，ｐ．４２

プラスチック塗覆装が施された金属パイプラインを埋設するには、工場塗覆装が施された所定長さのパイプを現場で接続しながら埋設する。この際、継手部は工場塗覆装を剥がして施工することになり、継手部の塗覆装に関しては埋設工事現場での塗覆装施工が行われている。したがって、プラスチック塗覆装の工場塗覆装が高品質であったとしても、現場塗覆装の施工不良で塗覆装欠陥が生じる場合や所望の塗膜抵抗が得られない場合があり、埋設工事完了直後に埋設金属パイプラインのプラスチック塗覆装の健全性を評価することが必要になっている。

このような埋設工事完了直後の塗覆装健全性評価に前述した特許文献１に記載されるような交流電位勾配計測法を採用すると、一対の電極によって計測される２点間の電位差を埋設管路の全長に亘って計測することになるので、大がかりな作業になり、埋設工事完了直後の検査工程として良好な作業性が得られない問題がある。

また、実際に塗覆装欠陥が有る場合には地表面の交流電位勾配分布に違いが現れるが、プラスチック塗覆装の塗膜抵抗が基準を満足してないといった不具合はこの交流電位勾配計測法では評価できない。このように交流電位勾配計測法による評価では、プラスチック塗覆装が適正な塗膜抵抗を有するか否かを含めた健全性の評価が行えず、現場塗覆装の施工の良否を効果的に評価できない問題がある。

一方、前述した非特許文献１に記載されるような塗膜抵抗を求める方法は、管対地電位を計測できて塗覆装を通電電流が流れることが前提になるので、歴青質塗覆装に対しては有効であるが高抵抗率の誘電体からなるプラスチック塗覆装には適用できない。プラスチック塗覆装が施された金属パイプラインでは、塗覆装に欠陥がないと金属であるパイプライン表面と電解質が接触していないので、外部の直流電源装置からパイプラインにカソード電流を流入させようとしてもＩＲドロップはみられないし、パイプラインはカソード分極しない。埋設金属パイプラインのプラスチック塗覆装の塗膜抵抗をパイプラインが埋設された状態で評価する方法は未だ開発されておらず、その効果的な評価方法が求められている。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性を塗膜抵抗が適正であるか否かを含めて評価できること、埋設工事完了直後の検査工程を作用性良く行うことができること、プラスチック塗覆装パイプラインの現場塗覆装の施工良否を効果的に評価できること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法は、以下の各独立請求項に係る構成を少なくとも具備するものである。

［請求項１］プラスチック塗覆装が施された金属パイプラインを電解質中に埋設した後にプラスチック塗覆装の健全性を評価する方法であって、両端が絶縁された計測範囲を定め、該計測範囲内の前記金属パイプラインに接続された導線と前記計測範囲内で前記金属パイプライン近傍の電解質に埋設された通電電極に接続された導線との間に、前記通電電極側をプラスとし前記金属パイプライン側をマイナスとするオン・オフ可能な直流電源を挿入し、前記計測範囲内の少なくとも両端で、直流電圧計のプラス端子に接続された導線を前記金属パイプラインに接続すると共に、前記直流電圧計のマイナス端子に接続された導線を前記計測範囲内の電解質に設置された照合電極に接続し、前記直流電源をオンにして一定の通電電圧を前記金属パイプラインに印加し、前記直流電源をオフにした時点から前記直流電圧計で計測される電圧の経時変化を取得し、少なくとも前記計測範囲内の両端で前記電圧の経時変化が一致していることを確認し、前記直流電源をオフにした時点から前記直流電圧計で計測される電圧がゼロになるまでの緩和曲線の時定数に基づいて、前記プラスチック塗覆装の健全性を評価することを特徴とする埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法。

このような特徴によると、埋設金属パイプラインに高抵抗率のプラスチック塗覆装が施されている場合であっても、塗覆装の健全性を塗膜抵抗が適正であるか否かを含めて評価することが可能になる。前述した直流電圧計で計測される電圧の経時変化が前述した計測範囲の両端で一致しているということは、計測範囲内でプラスチック塗覆装の塗膜抵抗が均一であることを意味している。そして、前記電圧の経時変化の緩和曲線から得られる時定数からプラスチック塗覆装の塗膜抵抗を求めることができるので、これに基づく評価を行うことで、塗覆装欠陥が生じていないプラスチック塗覆装を対象にして、プラスチック塗覆装の塗膜抵抗が適正であるか否かを含めた健全性評価を行うことができる。

これによって、埋設工事完了直後の検査工程を作業性良く行うことができ、現場塗覆装の施工が良好に行われたか否かを効果的に評価することが可能になる。本発明におけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法は、埋設工事直後の検査工程で有効であるが、それに限らず、経年的な検査においても有効である。

従来技術の説明図である。 本発明の一実施形態に係る埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法を示す説明図である。 直流電圧計測の等価回路を示す図である。 直流電源オン・オフ時の通電電流の経時変化及び直流電圧計の電圧値の経時変化の実測例を示した説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明の一実施形態に係る埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法を示す説明図である。

本発明の実施形態は、ポリエチレンやポリプロピレン等の高抵抗率のプラスチック塗覆装１が施された金属パイプライン２を対象にして、金属パイプライン２が土壌等の電解質中に埋設されている状態で、プラスチック塗覆装１に欠陥部が生じていないか、或いはプラスチック塗覆装１が適正な塗膜抵抗を有しているかどうかを計測評価する。

先ず、電解質中に埋設されている金属パイプライン２に対して両端が絶縁された計測範囲Ｌを定める。図示のように金属パイプライン２が絶縁継手３を介して接続されている場合には、計測範囲Ｌは絶縁継手３で区切られた金属パイプライン２の範囲に設定できる。

そして、計測評価に先立って、プラスチック塗覆装１のキャパシタンスＣを求める。キャパシタンスＣは、プラスチック塗覆装１の物性値として、金属パイプライン２の外半径，プラスチック塗覆装１の厚さ，プラスチック塗覆装１の材料，計測範囲の長さに応じて決まる値であって、対象となる金属パイプライン２に対して計測範囲Ｌを定めることで求められる値である。本発明の計測評価方法は、このキャパシタンスＣを対象となる金属パイプライン毎に求めることで、金属パイプラインの径，プラスチック塗覆装材料の種類，塗覆装厚さの違いに拘わらず、汎用的に適用することができる。

キャパシタンスＣ［Ｆ］は次式によって求めることができる。

次に、直流電源４を介して金属パイプライン２の近傍の電解質に埋設されている通電電極５を金属パイプライン２に接続する。計測範囲Ｌ内の金属パイプライン２に接続された導線ｗ１と計測範囲Ｌ内の通電電極５に接続された導線ｗ２との間に、通電電極５側をプラスとし金属パイプライン２側をマイナスとする直流電源４を挿入する。導線ｗ１，ｗ２の一方にはスイッチＳＷを挿入して直流電源４をオン・オフ可能にする。また、導線ｗ１，ｗ２には必要に応じて抵抗ｒ₀が挿入されている。導線ｗ１は金属パイプライン２に直接端部が接続されたものであって、ターミナルボックス内に引き出される導線を用いることができる。通電電極５は金属パイプライン２近傍の電解質中に埋設される流電陽極（Ｍｇ陽極）を用いることができる。

更に、計測範囲Ｌの少なくとも両端で、計測範囲Ｌ内の電解質に設置された照合電極６を、直流電圧計７を介して金属パイプライン２に接続する。この際、直流電圧計７のプラス端子に計測範囲内の金属パイプライン２に一端が接続された導線ｗ３の他端を接続すると共に、直流電圧計７のマイナス端子に計測範囲Ｌ内の電解質に設置された照合電極６に一端が接続された導線ｗ４の他端を接続する。照合電極６は、図示のように、２つ以上の照合電極６ａ，６ｂを計測範囲Ｌ内の両端を含む箇所に設置し、それぞれの照合電極６ａ，６ｂが計測範囲Ｌ内の両端で直流電圧計７ａ，７ｂを介して金属パイプライン２に接続されるようにする。照合電極６としては、飽和硫酸銅電極を用いることができる。

このような計測評価システムを構築して、スイッチＳＷをオン状態にすることで直流電源４をオンにして、一定の通電電圧を計測範囲Ｌの金属パイプライン２に印加する。通電電圧を印加した場合には、誘電体であるプラスチック塗覆装１は前述したキャパシタンスＣを有するコンデンサとして機能することになり、直流電源４をオンにした直後にプラスチック塗覆装１のコンデンサが充電されて一定の通電電圧が印加されると通電電流が流れなくなる。

この状態で、直流電源４をオフにすると、充電されたプラスチック塗覆装１のコンデンサが直流電流計７の入力抵抗を経由する計測回路８で放電することになり、金属パイプライン２に印加された電圧は徐々にゼロに近づく緩和現象を呈する。この際の直流電圧の計測回路８は図３（ａ）に示した等価回路で表すことができる。ここで、ｒ１は直流電圧計７の入力抵抗［Ω］、ｒ２は金属／金属の接触抵抗と導線ｗ４の抵抗［Ω］、ｒ３は照合電極６の接触抵抗［Ω］、ｒ４は電解質（例：土壌）の抵抗［Ω］、ｒ５はプラスチック塗覆装１の抵抗［Ω］、ｒ６は金属／金属の接触抵抗［Ω］と導線ｗ３の抵抗［Ω］をそれぞれ示している。直流電圧計７は、電圧計測対象物を正確に計測するために入力抵抗ｒ１が１０Ｍ（＝１０⁷）Ωのものを用いることが推奨されているが、プラスチック塗覆装１の抵抗ｒ５は、プラスチック塗覆装１がポリエチレンの場合は、ｒ５＝１．０７×１０²²であるので、各抵抗の大小関係は、ｒ５≫ｒ１≫ｒ２，ｒ３，ｒ４，ｒ６である。直流電源４による通電をオフにするとプラスチック塗覆装１のコンデンサが直流電圧計７の入力抵抗ｒ１により短絡された状態（図３（ｂ）のＡ点とＢ点が短絡された状態）になり、コンデンサに蓄電された電荷の放電が起こるとみなされる。通電のオン／オフによる電解質に設置された飽和硫酸銅電極の分極／復極現象も考えられるが、前述した緩和現象は主にプラスチック塗覆装のコンデンサ機能の放電特性が反映されたものと考えることができる。

図４は、直流電源オン・オフ時の通電電流の経時変化及び直流電圧計７の電圧値の経時変化の実測例を示している。同図（ａ）に示すように、通電電流は通電ＯＮ後プラスチック塗覆装１のコンデンサが充電されるまでの極短時間流れるがその後は流れない。そして、同図（ｂ）に示すように、直流電源オフ（通電ＯＦＦ）後の電圧変化は、一次遅れ系の過渡応答になるので、指数関数特性の緩和曲線を示すことになる。

ここで、少なくとも計測範囲Ｌの両端に設置された直流電圧計７ａ，７ｂで計測される電圧の経時変化が一致していることを確認する。直流電圧計７ａ，７ｂで計測される電圧の経時変化が一致しているということは、計測範囲Ｌ内での塗膜抵抗が均一であることを意味している。計測範囲Ｌ内に多数の直流電圧計７（７ａ，７ｂ，…）を設置すればより信頼性は高くなるが、少なくとも計測範囲Ｌ内の両端で計測することが必要である。

また、この緩和曲線の変化度合いはプラスチック塗覆装１のキャパシタンスＣと塗覆装抵抗によって変わると言えるので、この緩和曲線の変化特性を表す値である時定数τに基づいてプラスチック塗覆装１の健全性を評価することで、塗膜抵抗が適正であるか否かを含めた評価を行うことが可能になる。時定数τは、直流電源４をオフにした時点から直流電圧計７で計測される電圧がゼロになるまでの電圧変化ΔＶの６３％の値（ΔＶ_τ）になるまでの時間である。

より具体的な計測評価手法を示すと、直流電圧計７で計測される電圧値の経時変化が計測範囲Ｌ内の両端を含む複数点で一致していることを確認して、その経時変化から前述した緩和曲線を取得し、その緩和曲線から時定数τを求める。そして、時定数τ［ｓｅｃ］を求めたキャパシタンスＣ［Ｆ］で除した値に計測範囲Ｌでのプラスチック塗覆装１の表面積Ｍ［ｍ²］を乗じた値が、基準値（１０⁶［Ω・ｍ²］）より大きいか否かで、プラスチック塗覆装１の健全性を評価する。すなわち、（τ／Ｃ）×Ｍ＞１０⁶の場合には合格とし、（τ／Ｃ）×Ｍ≦１０⁶の場合には不合格とする。この際の基準値（１０⁶［Ω・ｍ²］）はプラスチック塗覆装１に求められる塗膜抵抗の基準となる値を採用する。

プラスチック塗覆装１の例としてポリエチレン塗覆装を、金属パイプライン２の例として鋼管を取り上げて、本発明の実施例を説明する。

計測範囲Ｌ＝２３１７１ｍ（＝２．３１７×１０₆ｃｍ）、金属パイプライン２の外半径Ｒ₁＝３０．４８ｃｍ、塗覆装を含む外半径Ｒ₂＝３１．０４ｃｍ（塗覆装厚さｔ＝０．５６ｍｍ）とすると、ポリエチレンの抵抗率ρが５．０×１０¹⁷Ω・ｃｍと非常に高い誘電体であるから、ポリエチレン塗覆装の抵抗Ｒ＝（ρ×Ｌ）／｛π（Ｒ₂ ²−Ｒ₁ ²）｝＝１．０７×１０²²（Ω）と非常に高い値になり、通常の通電電圧を１．５Ｖ以上としても定常的な直流電流は回路に流れない。

ポリエチレン塗覆装のキャパシタンスＣは、前述したように、Ｃ＝Ｃ_unit・Ｌ， Ｃ_unit＝ε_r・［（２πε₀）／｛ｌｎ（Ｒ₂／Ｒ₁）｝］であるから、ε_r＝２．３、ε₀＝８．８５４×１０^-12［Ｆ／ｍ］として、キャパシタンスＣ＝１．６７×１０^-4［Ｆ］となる。

図２に示したシステムによる計測で、図４に示した計測結果を得たとすると、図示から時定数τ＝７０［ｓｅｃ］を得ることができる。この際、直流電圧計７が最終的に０Ｖを示すことを確認し、直流電源４のオン／オフを少なくとも３回繰り返し、各直流電圧計の値に再現性があること、及び計測した直流電圧計の値が同じであることを確認する。

そして、計測範囲Ｌの表面積がＭ＝π×２Ｒ₂×Ｌ＝π×０．６２１×２３１７１＝４．５２×１０⁴［Ω・ｍ²］であるとすると、時定数τ＝７０［ｓｅｃ］、キャパシタンスＣ＝１．６７×１０^-4［Ｆ］であるから、（τ／Ｃ）×Ｍ＝｛７０／（１．６７×１０^-4）｝×（４．５２×１０⁴）≒１０¹⁰＞１０⁶となり、図４に示した計測結果に対して、合格判定を行うことができる。

このように本発明の実施形態に係る埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法は、金属パイプラインのプラスチック塗覆装が埋設工事後に健全である否かを、前述した緩和曲線の時定数τを求めることによって、塗膜抵抗が適正であるかどうかを含めた計測評価を行うことができる。これによると、塗覆装欠陥が無い状態のプラスチック塗覆装の健全性を評価することができることになり、埋設工事完了直後の検査工程を作業性良く且つ有意義に行うことができる。また、プラスチック塗覆装パイプラインの現場塗覆装の施工良否を効果的に評価することができる。

１：プラスチック塗覆装，２：金属パイプライン，３：絶縁継手，４：直流電源，５：通電電極，６（６ａ，６ｂ）：照合電極，７（７ａ，７ｂ）：直流電圧計，８：計測回路，ＳＷ：スイッチ，Ｌ：計測範囲

Claims (3)

1. プラスチック塗覆装が施された金属パイプラインを電解質中に埋設した後にプラスチック塗覆装の健全性を評価する方法であって、
   両端が絶縁された計測範囲を定め、該計測範囲内の前記金属パイプラインに接続された導線と前記計測範囲内で前記金属パイプライン近傍の電解質に埋設された通電電極に接続された導線との間に、前記通電電極側をプラスとし前記金属パイプライン側をマイナスとするオン・オフ可能な直流電源を挿入し、
   前記計測範囲内の少なくとも両端で、直流電圧計のプラス端子に接続された導線を前記金属パイプラインに接続すると共に、前記直流電圧計のマイナス端子に接続された導線を前記計測範囲内の電解質に設置された照合電極に接続し、
   前記直流電源をオンにして一定の通電電圧を前記金属パイプラインに印加し、前記直流電源をオフにした時点から前記直流電圧計で計測される電圧の経時変化を取得し、
   少なくとも前記計測範囲内の両端で前記電圧の経時変化が一致していることを確認し、前記直流電源をオフにした時点から前記直流電圧計で計測される電圧がゼロになるまでの緩和曲線の時定数に基づいて、前記プラスチック塗覆装の健全性を評価することを特徴とする埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法。
2. 前記時定数は、前記直流電源をオフにした時点から前記直流電圧計で計測される電圧がゼロになるまでの電圧変化の６３％の値になるまでの時間であることを特徴とする請求項１記載の埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法。
3. 金属パイプラインの外半径，プラスチック塗覆装の厚さ，プラスチック塗覆装の材料，計測範囲の長さに応じて決まるプラスチック塗覆装のキャパシタンスを求め、
   前記時定数を前記キャパシタンスで除した値に前記計測範囲でのプラスチック塗覆装の表面積を乗じた値が基準値より大きいか否かで、前記プラスチック塗覆装の健全性を評価することを特徴とする請求項１又は２記載の埋設金属パイプラインにおけるプラスチック塗覆装の健全性計測評価方法。

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